Otěruvzdorné povrchové úpravy. Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc.

Otěruvzdorné povrchové úpravy Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc. 1. Úvod Často se používají pro zvýšení životnosti strojních součástí a nástrojů v podmínkách abrazívního a erozívního opotřebení povrchové úpravy, které umožní vytvořit povrchovou vrstvu nebo povlak s vysokou tvrdosti a odolností proti opotřebení částicemi na měkčí a houževnatější oceli. Tyto povrchové úpravy představují široké spektrum povrchových vrstev a povlaků vytvářených různými technologickými procesy. 1) Vytváření povrchové vrstvy s fázovou transformací bez změny chemického složení (povrchové kalení) 2) Vytváření povrchové vrstvy se změněným chemickým složením a mikrostrukturou (chemicko-tepelné procesy) 3) Vytváření povlaků s odlišným chemickým složením a mikrostrukturou (chemické a elektrochemické povlaky, návary, nástřiky apod.) 2. Povrchové kalení Transformační zpevnění povrchových vrstev ocelí (austenitizace s následným kalením na martenzit) se docílí povrchovým kalením plamenem, indukcí nebo laserem, přičemž v jádře materiálu nedochází k strukturním změnám. Tloušťka zakalených vrstev je obvykle do 2 mm. Dosahovaná povrchová tvrdost je nižší než tvrdost dopravovaných minerálních částic (nejčastěji SiO 2 1000 HV). Lze však použít povrchové kalení v případech dopravy měkčích částic při malých úhlech nárazu. 3. Chemicko-tepelné procesy Při chemicko-tepelném zpracování (CHTZ) se vytváří difuzními procesy za vysokých teplot povrchové vrstvy, které mají odlišné chemické složení a mikrostrukturu. Povrchové vrstvy součástí lze modifikovat sycením povrchu uhlíkem (cementace), dusíkem (nitridace), bórem (bórování), chrómem (difuzní chromování), vanadem (vanadování), kombinací prvků např. uhlíkem a dusíkem (karbonitridace, nitrocementace), případně bórem v kombinaci s dalšími prvky (Al, V, Nb, Cr, Ti) a pod. Chemicko-tepelné zpracování patří k tradičním technologickým procesům používaným ve strojírenských podnicích pro docílení povrchových vrstev s příznivými tribologickými vlastnostmi. V současné době vývoj technologií CHTZ směřuje od zpracování součástí v zásypu (vysoká pracnost, negativní působení na životní prostředí a pod.) nebo v solných lázních (kontaminace životního prostředí) k pochodům v plynech, zejména za sníženého tlaku. Intenzita procesů sycení povrchu se zvyšuje při průchodu proudu, kdy část plynů je ve formě plazmy, např. plazmová nitridace nebo plazmová cementace. Tyto plazmové procesy lze lépe řídit v různých fázích difuzního sycení a tím zajistit standardní kvalitu a reprodukovatelnost strukturních charakteristik povrchových

vrstev. Začínají se též objevovat pulzní plazmová zařízení, která umožňují snížit náklady na reakční plyny a snížit rozsah deformací po chemicko-tepelném zpracování. 3.1. Cementace Cementace probíhá v prostředích s vysokým sytícím potenciálem uhlíku při teplotách nad Ac 3 tj. v oblasti austenitu. Vzhledem k tomu, že difuzní součinitel výrazně roste s teplotou, je snaha používat vysoké cementační teploty. Vysoké teploty však mohou vést k zhrubnutí zrna a k přesycení povrchové vrstvy oceli uhlíkem (síťoví cementitu na hranicích zrn), což se projeví křehkostí. Proto se volí teploty cementace v rozmezí 850 950 C a tloušťky cementační vrstvy do 2 mm. Po cementaci je nutno součásti zakalit a popustit na nízkou teplotu. Tvrdosti povrchu jsou v rozmezí 800-900 HV. Cementovaný povrch velmi dobře odolává abrazívnímu a erozívnímu opotřebení měkčími částicemi. Je však nezbytné vzít do úvahy gradient obsahu uhlíku v povrchové vrstvě a tedy i pokles tvrdosti a odolnosti proti opotřebení při postupném odstraňování povrchových vrstev. Gamolskaja a kol. [1] zkoušeli cementaci vysokolegovaných chromových ocelí s cílem zvýšit jejich odolnost proti erozívnímu opotřebení hydrosměsi. Oceli byly cementovány v zásypu 1000-1100 C/5-20 hodin. Cementace ocelí s 12%Cr a vyšším dovoluje dosáhnout otěruvzdornou vrstvu 1,5-2,5 mm, která se skládá z velkého množství karbidů M 7 C 3 a martenzitu. Otěruvzdornost cementované vrstvy při erozi v hydrosměsi je stejná nebo vyšší než otěruvzdornost vysokochromových bílých litin typu 300Ch12M (300Cr12Mo) a IČCh28N2 (Cr28Ni2). Ze zkoušených ocelí nejlepší poměr otěruvzdornosti a mechanické pevnosti má cementovaná a kalená ocel 9Ch18. Roman a kol. [2] experimentálně zjišťovali odolnost proti erozivnímu opotřebení chemicko-tepelně zpracovaných spékaných práškových ocelí (viz tab. 2). Zkoušky se uskutečnily v hydrosměsi. Tab. 1 Odolnost proti erozívnímu opotřebení vybraných cementovaných ocelí v závislosti na teplotě cementace Podmínky zkoušení: přístroj s brusnou nádobou, hydrosměs voda písek v poměru 2:1, použity vždy 2 zkoušené vzorky a 2 etalonové vzorky Ø 10 mm, l = 100 mm. Etalonový materiál ocel 20. Ocel TZ Teplota cementace ( C) 9Ch18 Kalení 1050 C/olej + popustit 180 C Kalení 950 C/olej + popustit 180 C Ch12M Kalení 1000 C/olej + popustit 180 C Kalení 950 C/olej + popustit 180 C Obsah C v povrchové vrstvě (%) Tvrdost (HRC) Koeficient otěruvzdornosti K (-) - 0,95 54-57 3,5-4,2 1000 1,07 53-54 3,1 1050 2,45 60-62 6-8 1100 2,83-3,52 60-65 13-17 - 1,52 59-61 6-7 1000 2,67 60-62 6 1050 3,28 60-62 9-11,5 1100 3,36 62-63 10-13 - 0,27 46-48 2,2 3Ch13 Kalení 1020 C/olej + popustit 180 C Kalení 950 C/olej + 1000 0,69 52-61 2,0

popustit 180 C 1050 2,93 60-64 11-12 Tab. 2 Poměrná odolnost proti erozívnímu opotřebení práškových chromových ocelí po chemicko-tepelném zpracování Parametry zkoušení: tryskací přístroj, v = 85 m/s, úhel nárazu α = 30 a 90. Hydrosměs voda + SiO 2, množství abraziva 40g/vzorek. Typ chemicko-tepelného zpracování Poměrná odolnost proti erozívnímu opotřebení při úhlu nárazu 30 90 Cementace 5,33 2,15 Chromování 1,96 1,46 Bórování 1,28 0,85 Cementace + chromování 8,90 3,72 Cementace + bórování 5,75 1,51 Bez ChTZ 0,35 0,72 Ocel 45 (etalon) 1,00 1,00 Byl též zjišťován vliv porosity na odolnost proti erozivnímu opotřebení. S růstem porosity z 4% na 13% došlo ke snížení poměrné odolnosti proti erozivnímu opotřebení 1,5 až 2x při obou úhlech nárazu. Při našich experimentech se zjišťovala odolnost proti erozivnímu opotřebení cementovaných a nitridovaných konstrukčních ocelí na tryskacím přístroji (viz tab. 3). Výsledky zkoušek ukázaly vyšší odolnost proti erozivnímu opotřebení cementovaných vrstev než nitridovaných vrstev, i když jejich tvrdosti byly vyšší. Tab. 3 Výsledky zkoušek odolnosti proti erozivnímu opotřebení vybraných chemicko-tepelně zpracovaných ocelí [3,4,5]. Parametry zkoušení: tryskací přístroj EO-2 podle ČSN 01 5088, nosné medium voda, v = 20 m/s, úhel nárazu 45, abrazivo křemenný písek, doba zkoušky 600 s. Etalon feritická uhlíková ocel 12 014 (95-105 HV) Ocel Chemické složení Chemicko-tepelné zpracování Tvrdost HV 12 010 0,1C; 0,39Mn; 0,25Si Cementováno, K820 C/olej + P 150 C/1h/vzd. 14 220 0,17C; 1,41Mn;0,36Si; Cementováno, K820 C/olej + 0,97Cr P 150 C/1h/vzd. 16 220 0,16C; 0,91Mn; 0,31Si; Cementováno + K 860 0 C/olej 0,94Cr; 1,51Ni + P150 0 C/1h 14 340 0,36C; 0,82Mn; 0,21Si; K 880 0 C/olej + P630 0 C/1h + 1,58Cr; 1,32Al nitridováno 500 C 15 330 0,27C; 0,56Mn; 0,3Si; K 880 0 C/olej + P630 0 C/1h + 2,56Cr; 0,3Mo; 0,23V; nitridováno 500 C 0,35Al Poměrná odolnost proti erozívnímu opotřebení eh 760 2,27 872 2,93 749 2,82 1120 2,57 885 2,67 Poznámka: 12 010 = C10; 14 220 = 18MnCr5; 16 220 = 17NiCr6-4; 14 340 = 33CrAl6; 15 330 = 30CrMoV9;

3.2. Nitridace Difuzní sycení povrchu atomárním dusíkem může probíhat jak v solných lázních, tak v plynném prostředí (disociovaný čpavek nebo směs vodíku a dusíku) při teplotách 450 600 C. Tloušťka nitridační vrstvy i přes podstatně delší dobu pochodu než u cementace, je menší (do 0,65 mm). Tvrdosti nitridačních vrstev jsou vyšší než u cementovaných povrchů (u ocelí legovaných Cr, Mo a Al až 1200 HV), ale jejich poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřebení je prakticky stejná (viz tab. 3 a 4). Nitridovat lze nízkolegované i vysokolegované konstrukční a nástrojové oceli se středním obsahem uhlíku, pokud obsahují prvky tvořící stabilní a tvrdé nitridy (Mo, V, Al). Tab. 4 Poměrné odolnosti proti abrazívnímu opotřebení a1 a a2 ocelí s povrchovými úpravami [5] Ocel Povrchová Tvrdost a1 a2 úprava V 1 1 12 010 cementace 761 1,87 7,75 14 223 cementace 754 2,38 6,24 16 220 cementace 741 2,48 3,97 19 015 cementace 724 1,79 -- 19 486 cementace 743 2,03 -- 14 340 nitridace 953 2,05 3,99 15 330 nitridace 894 1,99 4,73 Pozn. a1 přístroj s brusným plátnem; a2 přístroj s pryžovým kotoučem Chen a kol. [6] studovali chování iontově nitridovaných uhlíkové oceli S48C (=AISI 1042), čistého Ti a slitiny Ti6Al4V při erozi směsí kapaliny a částic. Na povrchu všech zkoušených materiálů byla vrstva nitridů. Tloušťka vrstvy sloučenin u oceli 20 μm, u Ti 5 μm. Nitridovaná vrstva u Ti a Ti6Al4V byla tenčí než u oceli. Nitridovaná ocel má největší otěr při 30 stejně jako ocel bez nitridace. Také Ti a slitina Ti6Al4V bez nitridace mají maximální úbytek při 30, kdežto nitridovaný Ti má maximum při 60. Nitridace snižuje opotřebení při nízkých úhlech nárazu jak u oceli, tak Ti a Ti6Al4V od okamžiku odstranění nitridované vrstvy. 3.3. Bórování Při bórování dochází k povrchovému nasycení oceli bórem. Podle intenzity sycení dochází k vytváření jednofázové nebo dvoufázové vrstvy. Charakteristické vlastnosti bórované vrstvy jsou vysoká tvrdost a typické zubovité propojení této vrstvy se základním materiálem. Zubovitá struktura bórované vrstvy je však typická pro uhlíkové a nízkolegované oceli, kdežto u vysokolegovaných ocelí chybí. Stavbu a vývoj borované vrstvy určují aktivita bórovacího prostředku, teplota procesu, doba zpracování a základní materiál. Dvoufázová vrstva se skládá z vnější vrstvy FeB a vnitřní vrstvy Fe 2 B. Borid FeB je tvrdší a podstatně křehčí než borid Fe 2 B. Proto je snaha vytvářet jednofázové vrstvy Fe 2 B. Bórování lze provádět v zásypu (nebo v pastě), v roztoku solí a v plynech. U součástí se obvykle používá zásyp, který se skládá z karbidu bóru (B 4 C), aktivátorů (např.

tetrafluoroboritan draselný) a výplňové látky. Karbid bóru je donátor bóru, aktivátor ovlivňuje rovnoměrnost a růst vrstvy. Uhlí obsažené ve výplňové látce zajišťuje redukční atmosféru a zabraňují spékání bórovacího zásypu. Bórování probíhá v utěsněných krabicích. Teplota bórování se volí v rozmezí 815 980 0 C. Doba procesu je 0,25 10 hodin. Tloušťka bórované vrstvy nad 0,125 mm je citlivá na vydrolování a praskání. Proto pro abrazi se doporučují tloušťky 0,025 0,140 mm [7,8]. Bórované součásti lze tepelně zpracovat, ale musí být chráněny před oxidací při teplotách nad 650 0 C. Bórovaná vrstva na uhlíkových ocelích má tvrdost 1600 2000 HV. Tvrdost bórované vrstvy se udrží do 650 0 C. Také na Ni, Co, Mo a Ta lze vytvářet bórované vrstvy. Bóridy Ni mají tvrdost 900 1600 HV. Lze bórovat uhlíkové oceli, nízkolegované oceli, nástrojové a nerez oceli, tvárnou a šedou litinu, slitiny Ni a Co a slinuté karbidy s minimálně 6% pojiva [7]. Také cementované oceli lze bórovat. Legury škodící při bórování jsou Al, Si. Pod bóridovou vrstvou vzniká měkká feritická vrstva a proto se připouští v ocelích pro bórování max. 0,8% Al a Si. Wang a Hutchings [9] zkoumali bórovanou nízkolegovanou ocel při opotřebení brusnými papíry s částicemi SiC a Al 2 O 3. Boridová vrstva měla tvrdost 1800 HV. Bórované povrchy v podmínkách abraze mají větší otěruvzdornost než cementované a nitridované povrchy. Toto zlepšení se obzvlášť výrazně projevuje s růstem zatížení. Odolnost proti abrazívnímu opotřebení bórované oceli byla přitom mnohem větší v případech opotřebení pazourkem a korundem než SiC. Na SiC brusných papírech se mění mechanizmus opotřebení s rostoucí velikostí částice. Pod kritickou velikostí dominuje mechanizmu opotřebení plastické řezání nebo rýhování a vydrolování materiálu z dříve existujících trhlin. Nad kritickou velikostí částic se materiál odstraňuje křehkým lomem vyvolaným kontaktem s ostrými částicemi [9]. Zkoušky abrazivního opotřebení u kluzných dvojic s mezivrstvou abrazivních částic (SiO 2 ) uskutečnili Golubec a kol. [10]. Parametry zkušebního přístroje (dvojice pouzdro segment, měrný tlak 0,11MPa, kluzná rychlost v = 0,4m/s a třecí dráha L = 3345 m). Vzorek pouzdro ø30/ø18 mm, výška 20 mm. Protikus - segment s vnějším poloměrem 20 mm a vnitřním 15 mm, s úhlem 60, šířka 20 mm. Tab. 5 Charakteristiky zkoušených materiálů [10]. Materiál a druh zpracování Charakteristiky povrchové vrstvy Mikrostruktura Tvrdost [HV] Tloušťka povrchové vrstvy Ocel 45, žíhání ferit + perlit 205 -- Ocel 45 kaleno + popuštěno popuštěný martenzit 520 --- Ocel 45 indukčně jemný martenzit 700 3,0 mm povrchově kaleno Ocel 45 cementováno, jemný martenzit 820 25 μm kaleno a popuštěno Ocel 45 nitridováno α-fáze(dusíkový F) + malé množství γ fáze 610 10,0 μm (Fe 4 N) a karbonitridů Fe 2 (N,C) Ocel 45 bórováno Feβ-fáze + Fe 2 β-fáze 1600 100 μm Ocel G13L austenitizovano austenit 200 --- Pozn. Ocel 45 = 12 050, Ocel G13L = 42 2920 (austenitická manganová ocel)

Tab. 6 Výsledky zkoušek třecích dvojic s mezivrstvou abraziva [10]. Materiál a druh zpracování vzorků Poměr tvrdostí Poměrná otěruvzdornost pouzdro segment vzorků pouzdro třecí dvojice Ocel 45 kalená a Ocel 45 žíhaná 2,5 1,0 1,0 popuštěná Ocel G13L 2,3 1,1 1,2 Ocel 45 kalená + popuštěná 1,0 1,0 1,0 Ocel 45 nitridovaná Ocel 45 indukčně povrchově kalená Ocel 45 cementovaná, kalená + popuštěná Ocel 45 bórovaná 0,3 1,9 2,1 Ocel 45 žíhaná 3,0 2,5 2,6 Ocel G13L 2,7 4,7 5,3 Ocel 45 kalená + popuštěná 1,2 1,4 1,4 Ocel 45 bórovaná 0,4 2,7 3,0 Ocel 45 žíhaná 3,4 1,4 1,3 Ocel G13L 3,0 1,5 1,6 Ocel 45 kalená + popuštěná 1,3 1,6 1,6 Ocel 45 bórovaná 0,4 1,6 1,6 Ocel 45 žíhaná 4,0 6,2 4,3 Ocel G13L 3,5 2,2 2,8 Ocel 45 kalená + popuštěná 1,6 1,6 2,0 Ocel 45 bórovaná 0,5 3,3 4,0 Ocel 45 bórovaná Ocel 45 žíhaná 7,8 11,0 9,7 Ocel G13L 7,0 15,0 12,4 Ocel 45 kalená + popuštěná 3,1 10,7 11,3 Ocel 45 bórovaná 1,0 13,5 14,5 Zkoušky prokázaly vysokou odolnost proti abrazivnímu opotřebení třecích dvojic bórovaných vzorků v porovnání s dalšími zkoušenými dvojicemi (viz tab. 7). Bórová vrstva na oceli 1020 má výbornou odolnost proti erozi měkkými částicemi skla a křemene, zejména v oblasti nízkých úhlů nárazu. Avšak při erozi tvrdými částicemi rychlost eroze výrazně roste [11]. Při erozi měkkými částicemi povrchové praskání a vyštipování bórovaných vzorků nastane opakovaným dopadem, zvláště při vysokých úhlech nárazu [11]. 3.4. Další postupy chemicko-tepelného zpracování Současné sycení povrchu ocelí dusíkem a uhlíkem při teplotách 600 650 C (karbonitridace) nebo 750-850 C (nitrocementace) nezlepšuje jejich odolnost proti abrazivnímu nebo erozivnímu opotřebení v porovnání s cementací či nitridací a proto se v praxi nepoužívá. Vysokoteplotní difuzní procesy jako je difuzní chromování nebo vanadování vytváří tenké povrchové vrstvy s vysokou tvrdostí. V praxi se nepoužívají pro případy abrazívního opotřebení, protože tloušťka povrchových vrstev je velmi malá a hrozí nebezpečí jejich porušení v kontaktu s hranami abrazívních částic. Rovněž se nepoužívají pro případy erozívního opotřebení, protože jejich tloušťka je velmi malá a hrozí nebezpečí jejich snadného porušení při nárazu částic, zejména při úhlech nárazu blízkých 90. 4. Termické nástřiky

Termické nástřiky (= žárové nástřiky) vytváří na povrchu povlakované součásti z natavených nebo částečně natavených částic o velikosti 0,05-100 m široké spektrum kovových, keramických i kompozitních povlaků, z nichž některé mají velmi dobrou odolnost proti abrazivnímu a erozivnímu opotřebení. Jejich tribologické vlastnosti závisí jak na složení povlaku a na technologii nástřiku, tak na přípravě povrchů před aplikací nástřiku (odmaštění a otryskání). Přednosti termických nástřiků: - široký výběr materiálů (kovy, keramické materiály, cermety a karbidy), - možnost vytvářet i relativně tlusté povlaky s vysokou rychlostí povlakování, - povlaky jsou zakotveny na povrchu mechanicky lze vytvářet povlaky z materiálů vzájemně nekompatibilních, - součásti obvykle není třeba tepelně zpracovávat před a po nanesení povlaku, -deformace součástí je minimální, - opotřebené součásti lze renovovat rychle a s nízkými náklady, - odolnost povlaků v různých degradačních podmínkách může být větší než základního materiálu, - povlaky lze vytvářet jak manuálně, tak na automatických zařízeních. K nedostatkům patří častý výskyt pórovitosti, poměrně nízká pevnost rozhraní nástřik - podklad a nízké využití materiálu nástřiku. Pro povlaky vytvořené termickými nástřiky je typická lamelární struktura. Kromě splatů (lupínkové částice vytvořené při dopadu roztavených částic nanášeného materiálu) v povlacích jsou nenatavené částice, oxidické vměstky (u povlaků na bázi kovů) a póry (podle použité technologie nástřiku < 1 15%). Jednou z výhod termických nástřiků je možnost vytvářet vícevrstvé povlaky s rozdílným chemickým složením a fyzikálně-mechanickými vlastnostmi. Teplota podkladu při vytváření povlaku termickými nástřiky obvykle zůstává nízká. Proto se nemění jeho mikrostruktura a fyzikálně-mechanické vlastnosti. Vrstevnatá mikrostruktura však zvyšuje anizotropii vlastností a lomová houževnatost je podstatně menší podél rozhraní povlak/podklad než v kolmém směru. To bude ovlivňovat odolnost proti erozi materiálu. Tepelná pnutí vznikající při ochlazování povlaku v kontaktu s chladnějším podkladem způsobují růst zbytkových pnutí rovnoběžně a kolmo k povrchu. Kolmé trhliny se vytváří v důsledku tepelných pnutí, zvláště u tlustších povlaků. Porosita na hranicích splatů vytváří další defekty. Tab. 7 Přehled parametrů jednotlivých metod termického nástřiku [12,13] Metoda termického nástřiku Forma přídavného materiálu Druh přídavného materiálu Nástřik plamenem drát Kovové materiály Nástřik plamenem prášek Kovové materiály, keramika, plasty Prostředí Maximální teplota ( C) Dopadová rychlost částic (m/s) vzduch 3000 Až 200 vzduch 3000 Až 50 Vysokorychlostní prášek Kovové vzduch 3000 400-800

nástřik plamenem (HVOF) Detonační nástřik (DGS) Nástřik elektrickým obloukem prášek drát materiály, keramika, cermety Kovové materiály, keramika Elektricky vodivé materiály Nástřik plazmou prášek Kovové materiály, keramika Nástřik laserem prášek Kovové materiály, keramika vzduch 3000 Asi 600 vzduch 3000-6000 Asi 150 Vzduch (APS), inertní plyn, vakuum (VPS) Až 25 000 80-300 vzduch >10 000 V současnosti existuje řada různých technologií vytváření nástřiku [12]: - nástřik plamenem (přídavný materiál drát nebo prášek), - detonační nástřik, - HVOF (High Velocity Oxyfuel) nástřik práškem, - plazmatický nástřik (za normálního tlaku nebo za sníženého tlaku), - nástřik elektrickým obloukem Nástřik plamenem používá stlačený vzduch nebo kyslík společně s palivem (acetylen, propylen, propan, vodík). Nanášený materiál ve formě prášku nebo drátu je přiváděn do plamene, vzniklého hořením této směsi, kde dojde k jeho natavení a urychlení směrem k povlakované součásti. Obecně tento proces vytváří povlaky o nižší kvalitě, které nejsou využívány pro aplikace, u kterých je potřeba povlak s vysokou hustotou a přilnavostí. Hlavním důvodem těchto nedostatků je nízká dopadová rychlost částic a nízká teplota plamene [12]. Detonační nástřiky jsou modifikací termických nástřiků. Spalovací komora se zaplní kyslíkem, acetylénem a vhodným práškovým materiálem. Po zapálení směsi elektrickou jiskrou nastane detonace, při které se v spalovací komoře dosahují teploty až 3 000 0 C. Částice přídavného materiálu s rychlostí až 800 m.s -1 vylétávají z ústí komory a dopadají na povrch povlakované součásti. S určitým zpožděním je do spalovací komory přiveden dusík, který ukončí spalovací proces a připraví pracovní proces pro další cyklus. Vysoká kinetická energie částic zajišťuje dobrou přilnavost povlaku a jeho nízkou porositu ( 1%). Nevýhodou povlakovacího zařízení je hluk (až 140dB) a nezbytnost odsávat pracovní prostor. Povlakovací proces probíhá s kadencí 3-5 zážehů za sekundu. K povlakování se hlavně používá směs 85-90 váh.% WC a 10-15 % Co, ale je možné vytvářet i keramické povlaky [14]. HVOF metoda je podobná metodě detonačního povlakování s tím rozdílem, že plnění spalovací komory a hoření plynů probíhá kontinuálně. Je založena na speciální konstrukci hořáku, kde dochází k hoření směsi kyslík - palivo (kerosin, propylen, propan, acetylen, vodík atd.). Produkty hoření jsou urychlovány v konvergentně-divergentní trysce až na supersonické hodnoty. Materiál ve formě prášku je za pomoci nosného plynu přiváděn do supersonického plamene, kde dojde k jeho natavení a výraznému urychlení směrem k povlakované součásti.

Vysoká rychlost částic prášku při dopadu způsobí dokonalé rozprostření a zakotvení částic k podkladu a proto HVOF povlaky mají vysokou hustotu a dobrou adhezi. Relativně nízká teplota plamene (ve srovnání s plazmatickým nástřikem) zabraňuje oxidaci, fázovým přeměnám a vyhořívání některých prvků nanášeného materiálu v průběhu nástřiku. Zajímavou vlastností HVOF technologie je možnost vytvářet při vhodné volbě depozičních parametrů povlaky s tlakovým pnutím. Tlakové pnutí v povlaku je totiž příznivé jak pro únavové vlastnosti povlakovaných součástí, tak pro vytváření otěruvzdorných povlaků s velkou tloušťkou. Typickými přídavnými materiály jsou prášky z cermetů na bázi karbidů wolframu, chrómu a titanu. Plazmatický nástřik využívá jako zdroj energie elektrický oblouk vytvořený mezi vodou chlazenou wolframovou katodou a válcovou měděnou anodou. Elektrický oblouk hoří v plazmovém plynu (obvykle argon nebo jiný inertní plyn s přídavkem plynu zvyšujícího entalpii plazmatu, např. H 2, He, N 2 ). Plazmový plyn vstupuje axiálně do hořáku, na jehož druhém konci vystupuje proud plazmy s vysokou teplotou (až 20 000 K). Do něj se pomocí nosného plynu přivádí nanášený materiál ve formě prášku. Díky vysoké teplotě plazmatu je možné nanášet všechny druhy materiálů od čistých kovů až po těžce tavitelné materiály (např. keramické). Pro dosažení vysoké hustoty, přilnavosti a čistoty povlaků je možné provádět plazmatický nástřik v uzavřené komoře za sníženého tlaku (obvykle 0,005-0,02 MPa), tzv. VPS (vacuum plasma spraying) nebo LPPS (low pressure plasma spraying). Podle Jonese a kol. [19] se v podmínkách abrazivního opotřebení obvykle používá nástřik WC-Co, ale jeho vlastnosti jsou omezené při teplotách nad 500 C a v korozívních podmínkách. Povlaky NiCr- Cr 3 C 2 mají dobré vlastnosti v rozmezí 500-900 C, ale je obtížné u nich řídit mikrostrukturu během jejich vytváření, protože dochází k rozpadu karbidů. Odolnost proti abrazivnímu a erozivnímu opotřebení kovokeramických povlaků závisí na řadě faktorů jako jsou tvrdost jednotlivých fází, lomová houževnatost a pevnost vazby mezi keramickým materiálem a matricí [20]. Za předpokladu, že působící zatížení je přenášeno pouze karbidy, zatížení působící na jednotlivé částice karbidů bude nepřímo úměrné objemovému podílu karbidů. Zkoumáním morfologie opotřebených HVOF WC-Co povlaků bylo zjištěno vytrhávání karbidových částic z narušené matrice a lom karbidických částic během abrazivního opotřebení. Pevnost tvrdých karbidických částic odolných proti vytrhávání abrazivy je důležitá pro zlepšení otěruvzdornosti slitiny. Pevnost vazby karbidické částice k pojivu je určována velikostí karbidu a druhem pojiva. Malé karbidy mají vysokou pevnost, která je příznivá pro dosažení vysoké odolnosti proti abrazivnímu opotřebení. Zhu a kol. [21] zjistili, že odolnost proti opotřebení nízkotlakých plazmově stříkaných nanopovlaků WC-Co byla 6-10 x vyšší než konvenčních WC-Co povlaků. Důležitá je však i vazba mezi jednotlivými nanášenými vrstvami. Při vysokém zatížení za intenzívního opotřebení může nastat delaminace povrchové vrstvy spíše než vytrhávání jednotlivých karbidických částic [22]. Odolnost proti opotřebení povlaků bude určována vazbou jednotlivých vrstev než pevností jednotlivých karbidů. Přetavením povlaku naneseným termickým nástřikem pomocí kyslíkoacetylénového plamene lze dosáhnout zlepšení adheze difuzním spojením s kovovým podkladem a homogenizaci povlaku, což se může projevit zlepšením odolnosti proti opotřebení. Mechanizmus erozivního opotřebení povlaků WC-Co je odstraňování jednotlivých karbidů při dopadu erozivní částice. Trhliny vytvořené v karbidickém skeletu mohou také

přispívat k úbytku materiálu oddělováním malých útvarů karbidických zrn spojených s matricí [23]. Tab. 8 Chemické složení, tvrdost a poměrná odolnost proti abrazivnímu a erozivnímu opotřebení práškových nástřiků plamenem [5,14] Podmínky zkoušení: a) přístroj s brusným plátnem b) tryskací zařízení EO-2, v = 20 m/s, úhel nárazu 45, abrazivo - křemenný písek se střední velikostí částic 0,42 mm, hydrosměs 55 l vody + 0,75 kg písku, etalonový materiál žíhaná uhlíková ocel 12 014 (95-105 HV). Nástřik Obsah prvků (%) H ψ a1 eh Fe Si Cr Cu Ni B HV K40 5,8 3,46 9,59 1,05 Zákl. 2,83 420 1,38 3,18 K50 3,57 4,08 7,52 0,26 Zákl. 2,35 548 2,30 3,35 K55 0,89 3,2 1,3 0,16 Zákl. 1,83 639 2,30 3,9 Tab. 9 Chemické složení, tvrdost a poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřebení ψ a1 * nástřiků typu Colmonoy [15,16] Nástřik Obsah prvků (%) H ψ a1 * C Si Cr W Fe Ni B HV 1 0,47 4,25 13,5 -- 4,75 Zákl. 3,00 692 1,51 2 0,95 4,00 26,0 -- 1,00 Zákl. 3,50 710 2,78 3 0,70 4,00 12,5 -- 4,50 Zákl. 2,75 701 1,33 4 0,55 3,25 11,5 16 3,75 Zákl. 2,50 670 1,27 * Etalonový materiál 12 050 (200-210 HV) Tab. 10 Chemické složení, tvrdost a poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřebení ψ a1 vybraných komerčních nástřiků [17,18] Označení nástřiku Chemické složení (%) H a1 C Si Cr Fe B Ni HV BOROTEC 10 009 0,03 4,21 10 1,4 0,98 zbytek 772 4,20 BRONZOCHROM 10 0,13 2,33 1,46 2 1,54 zbytek 390 1,31 185 TUNGTEC 10 112* 2,2 2,02 2,65 3,96 2,16 zbytek 824 26,8 COLMONOY 4 0,4 2,4 10 2,8 2,1 zbytek 355 1,55 COLMONOY 5 0,45 3,3 18 4,8 2,1 zbytek 501 1,98 COLMONOY 6 0,7 4,25 14,3 4 3 zbytek 771 3,98 COLMONOY 8 0,3 4,2 10 2,6 1,67 zbytek 675 4,44 * nástřik TUNGTEC 10112 obsahuje 49,6 W, 1,04 Mo Podle Gee a kol. [24] při velmi krátkých dobách eroze při úhlu nárazu 90 a rychlosti částic 75 m/s nastává kumulace poškození, lom a odstraňování jednotlivých zrn WC. Jednotlivé etapy procesu eroze jsou: a) Odstraňování pojivové fáze z povrchové vrstvy vzorku b) Plastické rýhování pojivové fáze

c) Akumulace plastické deformace v karbidech WC d) Lom a fragmentace jednotlivých karbidů WC e) Praskání mezi karbidickými částicemi WC f) Vylamování nedostatečně vázaných karbidů WC. Wood a kol. [25] studovali odolnost proti erozivnímu opotřebení WC-Co-Cr tepelných nástřiků (detonační povlakování) při rychlosti nárazu 16.5 a 26 m/s. Byly zjištěny 2 mechanizmy: 1. Mikrořezání a mikrorýhování relativně měkkého pojiva. Tvrdé částice jsou vyrývány při dopadu erozivních částic. Je to méně významný mechanizmus degradace, ale je důležitý při nižších kinetických energiích a menších úhlech nárazu. 2. Dopad částic způsobuje ve zkoušeném povlaku proměnné napětí, které dovoluje šíření podpovrchových trhlin únavovým mechanizmem. Trhliny jsou iniciované na defektech v povlaku a postupně se šíří. Při jejich protínání pak dochází k oddělování útvarů povlaku o rozměrech 10-400 µm. Geometrie splatů umožňuje šíření trhlin podél povrchu nebo poblíž hranic splatů. Propojením těchto trhlin s kolmo orientovanými trhlinami způsobí výrazné odstraňování materiálu. Tento mechanizmus je dominantní při větších úhlech nárazu a při vyšší kinetické energii erozivních částic. Odolnost proti erozivnímu opotřebení termických nástřiků se využívá v řadě průmyslových aplikací. Haugen a kol. [26] zkoušeli řadu termických nástřiků s cílem zvýšit životnost škrtících ventilů a potrubních systémů při těžbě ropy a zemního plynu. Intenzívní erozivní opotřebení je vyvoláno částicemi křemenného písku nesenými dopravovaným mediem. Provozní životnost škrtících ventilů se pohybuje od 3 měsíců do 18-24 měsíců. Vysoký tlak ropy a plynu (700-800 barů) je totiž nutné snížit na 300-400 barů. Rychlosti částic v proudu ropy a plynu jsou 300 500 m/s. Houževnaté chování při erozivním opotřebení měly oceli vybrané jako porovnávací materiály, zkoušené termické nástřiky mají typické chování křehkých materiálů s maximálním erozivním opotřebením při kolmém dopadu částic. Výsledky zkoušek potvrdily, že termické nástřiky s karbidem wolframu (WC) mají dobrou odolnost proti erozivnímu opotřebení. Nejlepší výsledky se docílily u nástřiků s minimálním podílem pojiva a s nejmenšími karbidy. Pouze D-gun (detonační povlak) karbidu wolframu dává podstatné zlepšení odolnosti proti erozi v porovnání s referenčním materiálem - uhlíkovou ocelí. Vysoké rychlosti erozívního opotřebení souvisí s praskáním karbidů v kombinaci s odstraňováním pojiva, což vede k vylamování jednotlivých karbidických částic. Tab. 11 Erozivní opotřebení zkoušených termických nástřiků [26] Podmínky zkoušení: vzduchové tryskací zařízení, rychlost částic 45-50; 200-220 m/s; úhel nárazu 22,5 a 90, abrazivo křemenný písek, hranaté částice, velikost částic 200-250µm, tryska Ø6 mm, vzdálenost vzorku od ústí trysky 20 mm. Kriterium otěruvzdornosti poměrný hmotnostní otěr povlaku (mg/kg písku) Zkoušený nástřik Tvrdost (HV) Poměrný hmotnostní otěr (mg/kg) 45-50 m/s 200-220 m/s 22,5 90 22,5 90 Uhlíková ocel 240 23 14 1700 1083 Ocel 316L (X2CrNiMo17-12-2) 300 20 16 1845 1770

WC-60%Ni 800 13 27 4670 1145 WC-40%Ni 700 17 32 4070 1470 D-gun WC, 0,25 mm - 4 16 860 265 D-gun WC, tenká vrstva 1200 33 108 13000 2700 Barber a kol. [27] zkoušeli odolnost proti erozivnímu opotřebení termického nástřiku WC-Co-Cr připraveným metodou HVOF. Během dopadu natavených nebo částečně natavených částic na povrch podkladu se vytváří laminární povlak složený z mnoha vrstev, splatů. WC v plamenné části hořáku se taví a reaguje s kovovým pojivem a tvoří ternární karbidy nebo smíšené W-C-M sloučeniny, kde M může být Co, CoCr, Ni apod. WC se také může oduhličovat a tvořit kovový W nebo karbid W 2 C. Termické nástřiky také obsahují nerovnoměrné rozložení karbidů a útvarů CoCr. Také jsou zde oxidy a nenatavené částice Tab. 12 Výsledky zkoušek erozivního opotřebení termicky nastříkaného povlaku WC86- Co10-Cr4 [27] Parametry zkoušení: tryskací zařízení, v = 148 m/s, úhel nárazu 90, abrazivo ostrohranný křemenný písek s tvrdostí 1100 HV, hustota 2663 kgm -3, velikost částic 65-400 µm s průměrnou velikostí 194 µm, množství písku 6g/min., doba zkoušky 10, 20 a 30 min. Materiál Termický nástřik WC86-Co10-Cr4 Tloušťka povlaku (µm) Tvrdost (HV1) Doba zkoušení (min.) Erozivní hmotnostní otěr (mg) Rychlost erozivního opotřebení (10-3 mg/s) 293 1101±14 10 40,05 66,75 370 976±53 20 115,27 96,06 284 1090±29 30 111,06 61,70 prášku. Vrstevnatá mikrostruktura zvyšuje anizotropii vlastností a lomová houževnatost je podstatně menší podél rozhraní povlak/podklad než v kolmém směru. To bude ovlivňovat odolnost proti erozi povlaku. Tepelná pnutí, která vznikají při ochlazování povlaku v kontaktu s chladnějším podkladem, způsobují růst zbytkových pnutí rovnoběžně a kolmo k povrchu [28,29]. Menší tvrdost povlaku u vzorku B (976±53 HV1) se projevila vyšší intenzitou erozivního opotřebení. Vuoristo a kol. [30,31] porovnávali odolnost proti erozivnímu opotřebení termických nástřiků na bázi WC-12% Co, Cr 3 C 2-25% NiCr a (Ti,Mo)C-28,4% NiCo. Technologie vytváření termických povlaků je APS (atmosférický plazmový nástřik), HVOF (vysokorychlostní plamenový nástřik) a DGS (detonační nástřik). Předností termických povlaků WC-Co jsou vysoká tvrdost, nízká porosita a dobrá odolnost proti opotřebení při nízkých teplotách. Jejich limity jsou maximální pracovní teplota 450 C a relativně špatná korozní odolnost. Nedostatkem těchto povlaků je též sklon k oduhličení a fázovým transformacím při aplikaci nástřiku, což negativně ovlivňuje mechanické vlastnosti a odolnost proti opotřebení. To je typické především při atmosférickém plazmovém nástřiku (tvorba η- fáze, W 2 C, dokonce W). Degradačním procesům se zabrání použitím HVOF a DGS. Do podmínek kombinovaného působení eroze a koroze a při vysokých teplotách (do 900 C) jsou vhodné povlaky na bázi Cr 3 C 2 -NiCr. Mezi jejich nedostatky patří poněkud nižší

tvrdost (700-1000 HV) a menší odolnost proti opotřebení. Alternativou k uvedeným povlakům může být povlak s částicemi TiC a pojivem NiCo legovaným Mo pro zlepšení smáčivosti tvrdé fáze a pojiva (viz tab. 13). Tab. 13 Odolnost proti erozivnímu opotřebení plazmově a detonačně nastříkaných povlaků WC-12%Co, Cr 3 C 2-25%NiCr a (Ti,Mo)C-28,4%NiCo [30] Parametry zkoušení: Přístroj s odstředivým urychlováním částic, úhel nárazu 30 a 90, abrazivo křemenný písek, velikost 0,1-0,6mm Povlak Proces nástřiku Tvrdost HV 0,3 Objemový otěr (mm 3 ) při 30 Objemový otěr (mm 3 ) při 90 WC-12%Co APS/Ar-H 2 1031 7,3 18,5 WC-12%Co APS/Ar-He 1093 3,8 5,6 WC-12%Co DGS 1080 3,6 4,1 Cr 3 C 2-25%NiCr APS/Ar-H 2 830 13,1 25,6 Cr 3 C 2-25%NiCr APS/Ar-He 871 10,0 19,2 Cr 3 C 2-25%NiCr DGS 870 6,1 10,2 (Ti,Mo)C-28.4%NiCo APS/Ar-H 2 715-939 4,3 9,0 (Ti,Mo)C-28.4%NiCo DGS 651 3,7 6,0 Přísada Cr do prášku WC-Co zlepšuje odolnost proti erozivnímu opotřebení při současném korozívním působení okolního prostředí. [32]. Rovněž brání rozkladu karbidu WC při vytváření nastříkaného povlaku a zlepšuje vazbu karbidů v matrici, což zvyšuje odolnost proti erozivnímu opotřebení. Výsledky zkoušek ukazují, že termický nástřik se chová jako křehký materiál, protože jeho poměrný otěr při kolmém dopadu částic je větší než při šikmém nárazu částic. Ocel má větší poměrný otěr při úhlu nárazu 30 než při kolmém nárazu částic, což je typické pro houževnaté materiály, kde dominantním mechanizmem odstraňování materiálu je plastická deformace [33]. Detonační nástřik (DGS) při své vyšší mikrotvrdosti, menší porositě a vyšších tlakových pnutí má vyšší odolnost proti erozívnímu opotřebení než HVOF nástřik. Zkoušky erozivního opotřebení HVOF nástřiku Cr 3 C 2 NiCr při různých úhlech nárazu erozivních částic ukázaly, že poměrná odolnost proti erozivnímu opotřebení výrazně klesá s rostoucím úhlem nárazu v porovnání s měkkou feritickou ocelí. Nástřik prášku NP22P plamenem má poněkud vyšší odolnost proti erozivnímu opotřebení než feritická ocel. Rozdílné chování zkoušených termických nástřiků souvisí s jejich odlišným průběhem závislosti ψ e = f(α). Tab. 14 Zkoušky odolnosti proti erozivnímu opotřebení termických nástřiků [34] Parametry zkoušení: přístroj s odstředivým urychlováním částic (CUK 3), v = 50 m/s, úhly nárazu 15, 45 a 90, abrazivo křemenný písek (d stř. =0,45 mm), množství abraziva 5 kg, teplota zkoušení 20 C. Nástřik Chemické složení Proces nástřiku NP22P 0,21C; 3,52Si; 8,85Cr; 1,3Mo; 2,63Fe; 0,73Cu; 1,48B; zbytek Tvrdost (HV) Poměrný erozivní otěr při úhlu nárazu 15 45 90 plamen 385 1,0442 0,9863 1,0380

Ni Cr 3 C 2 Neuvedeno HVOF 940 1,2588 0,7982 0,2350 NiCr 12 014 0,045C etalon 95-105 1,00 1,00 1,00 Výsledky zkoušek erozivního opotřebení vybraných HVOF nástřiků ukázaly, že maximální hodnoty hmotnostního otěru termických nástřiků byly dosaženy při úhlu nárazu 90, což je typické chování křehkých materiálů. Povlaky HVOF nástřiku zkoušenými prášky měly dvě oblastí úhlu nárazu s maximálním otěrem 45 a 90, což svědčí o jejich kvazihouževnatém chování. U nástřiku práškem WC-10Co4Cr je dokonce erozivní otěr při 45 větší než při 90 (viz tab. 15). Tab. 15 Odolnost proti erozivnímu opotřebená vybraných HVOF nástřiků [35] Parametry zkoušení: přístroj s odstředivým urychlováním částic (CUK 3), v = 50 m/s, úhly nárazu 15, 30, 45, 60, 75, 90, abrazivo křemenný písek (d stř. =0,45 mm), množství abraziva 5 kg, teplota zkoušení 20 C. Termický nástřik Erozivní otěr (10-3 g) při úhlu nárazu 15 30 45 60 75 90 WC-Ni 7,625 5,6 10,25 8,35 9,95 14,75 (Amperit 547) WC-10Co4Cr 3,05 6,8 8,175 4,6 4,3 5,525 (WOKA 3652) WC-12,5Co-1,5Cr 4,35 4,85 7,25 6,35 5,7 7,5 WC-12Co 3,725 3,55 7,65 4,85 4,55 11,975 (Amperit 519.074) WC-3,5CrC2-VC- 5,825 7,75 11,925 10,3 10,9 15,05 12Ni (BN13) 12 014 5,48 6,56 6,18 4,18 2,66 2,14 Kromě slitin kovů a kompozitů s kovovou matricí lze termickými nástřiky připravovat povlaky na bázi keramických materiálů. Pro dobrou adhezi keramických povlaků na kovovém podkladu se obvykle používají mezivrstvy. Degradace keramických tepelných barierových povlaků účinkem erozivního prostředí má praktický a ekonomický význam pro konstruktéry dieselových motorů a plynových turbin. Tepelná ochrana spalovací komory může být dosažena pomocí keramických tepelných barierových povlaků. Povlaky oxidů mají obvykle větší erozní rychlosti než tradiční kovové povlaky. Tab. 16 Erozivní opotřebení systémů s keramickou tepelnou barierou [36] Parametry zkoušení: tryskací zařízení, rychlost částic 30 m/s, úhly nárazu 30 a 90. Teplota 20 C. Povlak tepelné bariery Vazebný povlak Metoda vytváření Složení (hmot.%) Tloušťka (µm) Složení (hmot.%) Tloušťka (µm) povlaku tepelné bariery Tvrdost (HV 0,3 ) Poměrný hmotnostní otěr ( 10-4 g g -1 ) α = 30 α = 90

6.6Y 2 O 3 - ZrO 2 350 NiCoCrAlY 155 Plasmový nástřik s následným TZ 6.6MgO- ZrO 2 20Y 2 O 3 - ZrO 2 8Y 2 O 3 - ZrO 2 8Y 2 O 3 - ZrO 2 8Y 2 O 3 - ZrO 2 MgO- ZrO 2 350 NiCoCrAlY 155 Plasmový nástřik s následným TZ 680 0,5 0,4 630 1,1 0,9 45 NiCrAlY 45 EB-PVD 890 1,2 1,6 465 NiCrAlY 115 Plazmový nástřik při 900A 310 NiCrAlY 155 Plazmový nástřik při 600A 500 NiCoCrAlY 125 Plazmový nástřik 1100 gradientní 200 Plazmový nástřik 660 2,1 1,3 570 2,3 2,0 370 3,6 3,4 375 10,0 -- Významný vliv na intenzitu erozivního opotřebení má porosita povlaků. Při vyšší porositě povlaku byly vyšší rychlosti erozivního opotřebení. Při našich zkouškách erozivního opotřebení termických nástřiků byly zkoušeny různé plazmové nástřiky nanesené na oceli 11 373 (= S235JRG1). Výsledky zkoušek ukázaly, že tvářený materiál (behanit) má větší odolnost proti erozivnímu účinku částic než plazmový nebo HVOF nástřik stejného materiálu. U všech nástřiků byl hmotnostní otěr větší při úhlu nárazu 90 než při 15, což je v souladu s představami o křehkém chování termických nástřiků. Významnou roli přitom má porosita nastříkaného povlaku. Při menší porositě povlaku typické pro HVOF se dosáhly menší hodnoty erozivního otěru (viz tab. 17). Sidhu a kol. [37] zkoušeli odolnost proti erozivnímu opotřebení termických nástřiků na bázi slitin Co a Ni, které jsou vhodné pro použití v podmínkách erozivního opotřebení za vysokých teplot. Aplikace nástřiků byla renovace erodovaných trubek kotlů spalujících LPG. Pro porovnání odolnosti proti erozivnímu opotřebení byly zkoušeny též běžně užívané oceli pro trubky v kotlích. Nástřiky byly připraveny technologií HVOF na ocel GrA1 komerčními zařízeními HIPOJET-2100 (prášek) a HIJET-9600 (drát). Tab. 17 Výsledky zkoušek erozivního opotřebení plazmových nástřiků Podmínky zkoušení: přístroj CUK-3M, v = 50 m/s, úhel nárazu 15 a 90, abrazivo křemenný písek (d stř. = 0,42 mm), množství částic 5 kg. Etalonový materiál - behanit Zkoušený nástřik Úhel nárazu Hmotnostní úbytek (10-3 g) Poměrný hmotnostní otěr w e (mg/g. 10-5 ) Behanit 15 11,1 0,222 90 35,7 0,714 Nikl 15 24,6 0,492

90 61,5 1,230 Ocel 17 346 15 10,4 0,208 (X2CrNi18-11) 90 45,2 0,904 Slitina Ni- 15 25,7 0,514 10%Al 90 66,3 1,326 Behanit 15 7,0 0,140 (HVOF) 90 18,9 0,378 Behanit tvářený 15 9,3 0,186 90 9,6 0,192 Tab. 18 Výsledky zkoušek erozivního opotřebení ocelí používaných pro energetická zařízení a HVOF nástřiků [37] Parametry zkoušení: vzduchový tryskač podle ASTM-G76, rychlost částic 26 m/s, úhel nárazu - 30 a 90, nosné medium vzduch (40 l/min.), abrazivo ostrohranné SiO 2, množství dodávaných částic 50 g/min., průměr trysky - 3 mm; vzdálenost ústí trysky od vzorku 10 mm, teplota 250 C. Materiál Ocel SA210 - GrA1 Ocel SA313-T11 Ocel SA213-T22 NiCr drát (HVOF) Stellite-6 prášek (HVOF) Směrné chemické složení (%) Porozita povlaku (%) Tloušťka povlaku (µm) Erozivní otěr (mm 3 ) při úhlu nárazu 30 90 0,3C, 0,6Mn, 0,3Si - - 0,35 0,125 0,14C,0,45Mn,0,3Si, 1Cr,0,5 Mo - - 0,28 0,15 0,14C,0,2Mn,0,45Si, - - 0,3 0,22 2,5Cr,1 Mo 80Ni,20Cr <1 330 0,9 0,65 1,2C,1Mn,2Si,28Cr, 4,5W, 3Ni, 3Fe, 1Mo, Co zbytek 2-3 340 0,8 1,05 Zkoušené oceli měly nižší erozivní otěr v porovnání s HVOF povlaky. Povlak NiCr (360-400 HV) se chová lépe než povlak Stellitu-6 (500-600 HV) během eroze částicemi při obou úhlech nárazu. Oceli a povlak NiCr mají charakter houževnatého mechanizmu s maximální intenzitou eroze při 30, zatím co u Stellitu-6 je křehký mechanizmus eroze. Na odolnost proti erozivnímu účinku částic má vliv i porosita nastříkaného povlaku. S rostoucí porositou roste pravděpodobnost odstraňování částic povlaku a tedy rychlost opotřebení [38]. Kulu a kol. [39] zkoušeli odolnost proti erozivnímu opotřebení vybraných termických nástřiků na bázi samotavitelných slitin NiCrSiB a kompozitu WC-Co-Cr. Výsledky zkoušek (viz tab. 19) ukázaly, že při teplotě 20 C dochází při vysokých úhlech nárazu k porušování karbidů nebo k oddělování částic nastříkaného povlaku nízkocyklovým únavovým procesem, kdežto při malých úhlech nárazu dominantním degradačním procesem je mikrořezání. Tvrdost povlaku obsahujícího tvrdé částice v kovovém pojivu není vhodným kriteriem při předvídání

jeho odolnosti proti erozivnímu opotřebení. Při vysokých teplotách platí, že s rostoucí tvrdostí povlaku rychlost opotřebení klesá. Tab. 19 Směrné chemické složení, depoziční postup, porosita, tvrdost a odolnost proti erozivnímu opotřebení vybraných termických nástřiků při teplotách 20 C a 700 C a úhlech nárazu 30 a 90 [39]. Parametry zkoušení: Přístroj s odstředivým urychlováním částic (CUK), v = 80 m/s, úhel nárazu 30 a 90, abrazivo křemenný písek (1100-1200 HV), velikost částic 0,1-0,3 mm Nástřik Složení prášku Depoziční postup Porosita (%) Tvrdost (HV) Rychlost eroze (mm 3 kg -1 ) 20 C 700 C 30 90 30 90 Tafa 1236 NiCr11Si2B2 HVOF 1-2 200 55 48 335 335 Tafa 1275H NiCr16Si4Fe4B3,5 HVOF 1,7 805 45 97 245 295 Tafa 1350 WC86Co10Cr4 DGS 0,7 1230 10 15 45 85 Poznámka: HVOF Tafa JP5000, DGS detonační nástřik zařízení PerunS Erozivní opotřebení dodatkových ploch parních kotlů je velkým problémem, protože významně ovlivňuje životnost. V daných podmínkách jsou vhodné nástřiky na bázi typu Cr 3 C 2 -NiCr, protože dobře odolávají erozivnímu opotřebení částicemi popílku při vysokých teplotách (do 850 C). Povlaky WC-Co se hlavně používají v případech erozivního opotřebení nízkých pracovních teplotách (do 450 C). Jejich nedostatkem je relativně špatná odolnost proti korozi. Všechny zkoušené termické nástřiky mají vyšší odolnost proti erozivnímu opotřebení než ocel AISI 1018 a nástřiky obloukem. Termické nástřiky se chovají jako křehké materiály. Wang [41] pro ochranu trubek tepelných výměníků zkoušel různé termické nástřiky. Povlaky připravené HVOF v porovnání s povlaky vytvořenými termickým nástřikem plamenem nebo obloukem jsou drahé. Zkoušel povlaky na bázi Fe a pro porovnání použil nízkouhlíkovou ocel AISI 1018 a 2 HVCC povlaky - (C) Fe39Cr5C a (D) Armacor M, 2 HVOF povlaky (E) Cr 3 C 2 -NiCr a (F) WC-NiCrCo. Povlaky byly před zkoušením odolnosti proti erozi tepelně zpracovány 500 C/24 h/vzduch, utěsněny fosfátem AlPO 4 a Al(PO 3 ) 3, sušeny 2h a znovu zpracovány při 100 C/2h + 200 C/2h + 370 C/2 h. Tab. 20 Úbytek tloušťky vybraných termicky nastříkaných povlaků na bázi Cr 3 C 2 -NiCr [40] Podmínky zkoušení: laboratorní tryskač s nosným mediem vzduch, rychlost částic 60 m/s, úhel nárazu 30, 90, abrazivní částice popílek, průměrná velikost částic 421 µm, tvar částic hranatý, množství částic 375 g, teplota 300 C, doba zkoušky 5 h Materiál Nominální chemické složení Proces vytváření povlaku AISI 1018 (1.0453) Porosita (%) Tvrdost (HV) Úbytek tloušťky (µm) při úhlu nárazu 30 90 0,14-0,2C, 0,6-0,9Mn -- -- 148 308 231

Armacor M Fe27Cr3B2Si oblouk 4-6 763 104 435 DS-110 Fe39Cr5C oblouk <3 471 91 467 A 75Cr 3 C 2 /25(Ni44Cr2Si) HVOF 1-2 655 38 129 B Cr 3 C 2 /25(Ni20Cr) HVOF <1.5 643 14 69 C Cr 3 C 2 /25(Ni20Cr) HVOF 1-2 648 29 74 D Cr 3 C 2 /25(Ni20Cr) a HVOF 1-2 549 22 112 E Cr 3 C 2 /25(NiCrMoNb) HVOF <1.5 684 14 53 F 75Cr 3 C 2 /25NiCr - kompozit HVOF <1 704 13 36 G 70Cr 23 C 6 (Cr x C y )/30NiCr - HVOF <1 714 10 26 kompozit H 75Cr 3 C 2 /25(NiCrSi) - kompozit HVOF <1 708 13 29 Tab. 21 Změny tloušťky povlaků při zkouškách erozivního opotřebení v závislosti na úhlu nárazu částic [41] Podmínky zkoušení: laboratorní tryskač s nosným mediem vzduch, rychlost částic 60 m/s, úhel nárazu 30, 45 60 a 90, abrazívní částice popílek, průměrná velikost částic 281 µm, tvar částic hranatý i oblý, množství částic 375 g, teplota 300 C, doba zkoušky 5 h, Materiál Směrné složení Postup přípravy povlaku Úbytek tloušťky erozivním opotřebení ( m) 30 45 60 90 Ocel 1018 0,2C - 241 138 129 89 Povlak A FeB HVCC 23 43 70 65 Povlak A (H) FeB HVCC 19 38 67 58 Povlak A (S+H) FeB HVCC 16 33 65 55 Povlak B FeBSIAlC HVCC 41 68 86 80 Povlak B (H) FeBSIAlC HVCC 35 65 81 70 Povlak B (S+H) FeBSIAlC HVCC 32 60 75 64 Povlak C Fe39Cr5C HVCC 44 79 188 195 Povlak C (S+H) Fe39Cr5C HVCC 34 67 107 109 Povlak D Armacor M HVCC 48 86 122 129 Povlak E Cr 3 C 2 -NiCr HVOF 33 37 55 62 Povlak F WC - NiCrCo HVOF 6 7 15 18 Pozn. H tepelně zpracováno, H+S utěsněno a tepelně zpracováno Všechny zkoušené povlaky měly po TZ zvýšenou tvrdost, které může také uvolnit vnitřní pnutí nastříkaných povlaků, zvýšit adhezi povlaku a houževnatost, což je příznivé pro zlepšení odolnosti proti erozi. Během utěsnění a tepelného zpracování těsnivo proniká do povlaku. Zlepšená adheze povlaku zvyšuje tvrdost, která může být považována důvod pro zlepšení odolnosti povlaků proti erozivnímu opotřebení za horka. Vysokoteplotní eroze je jedna z hlavních příčin poruch elektrárenských kotlů spalujících uhlí. Kvůli nízké kvalitě uhlí, vysokému podílu popelovin a vysokému obsahu síry vysokoteplotní eroze je u cirkulačních fluidních kotlů (CFB) ještě vážnějším problémem. Ti-Al intermetalické sloučeniny mají vysokou tvrdost, vysokou specifickou pevnost, dobrou tepelnou stabilitu a vysokou odolnost proti oxidaci a proto jsou vhodné pro HTE. Zde použili

3 typy sloučenin Ti-Al TiAl 3, TiAl a Ti 3 Al, které byly připraveny v svařovacích trubičkových drátech a naneseny na nízkouhlíkovou ocel. Tab. 22 Tvrdost, teoretická hustota a výsledky vysokoteplotní eroze obloukových nástřiků [42] Parametry zkoušení: Speciální tryskací zařízení nosný plyn vzduch, tlak plynu - 0.4 MPa, rychlost plynu 35 m/s, teplota plynu 900 C, teplota vzorku 400 C, úhel nárazu 45, doba zkoušky 5 s, množství abraziva 200 g, abrazivo 150-180 µm korund. Materiál Směrné složení nástřiku Tvrdost povlaku (GPa) Teoretická hustota povlaku (mg mm -3 ) Průměrný hmotnostní úbytek (mg) Průměrný objemový úbytek (mm 3 ) Ti 3 Al Ti- 3,43±0,020 6,59 41,7±2,8 6,3 3,2 25%Al TiAl Ti- 3,37±0,036 6,60 61,9±5,0 9,4 4,7 50%Al TiAl 3 Ti- 4,13±0,048 6,63 73,0±4,8 11,0 5,5 75%Al Cr 3 C 2 4,06±0,018 7,14 63,5±2,7 8,9 4,5 Průměrná rychlost eroze ( 10-2 mm 3 g -1 ) Eroze-koroze trubek kotlů, přehříváků, ohříváků a ekonomiserů je vážný problém u fluidních spalovacích systémů. Pro snížení nákladů na údržbu se používají termické nástřiky. Zvláště přehříváky při spalování paliv s chlórem trpí vážnými problémy s erozí a korozí. Teploty páry jsou omezeny korozní a creepovou odolností součástí kotlů. U kotlů spalujících paliva s nízkým obsahem Cl teplota páry je obvykle omezena na 560 C. U kotlů spalujících paliva s vysokým obsahem Cl teploty musí být podstatně nižší. Koroze omezuje teplotu páry na 400-460 C resp. 480 C. Požadavky na zlepšení efektivnosti produkce elektřiny vyžadují vyšší teplotu páry a vyšší odolnost přehříváků proti korozi [43]. Erozivní opotřebení částicemi nesenými proudem kapaliny je kromě rychlosti, úhlu nárazu, tvaru, velikosti a množství částic silně ovlivněno vlastnostmi kapaliny viskozitou, teplotou, chemickým působením na povrch povlaku. Větší viskozita kapalin v porovnání s viskozitou plynů ovlivňuje skutečný úhel nárazu částic i jejich dopadovou rychlost účinkem mezní vrstvy kapaliny na erodovaném povrchu. Tab. 23 Nominální složení materiálů, metody vytváření povlaků, tloušťka povlaku, tvrdost povlaku (HV 0.3, kromě difuzních povlaků HV 0.05) a erozní a erozně-korozní ztráty při zkouškách [43] Parametry zkoušení: Vysokoteplotní erozivní přístroj palivo (propan/butan). Rychlost částic - 28 m/s, abrazivo SiO 2, velikost částic 50-500 µm, střední velikost částic 170 µm, množství abraziva 7 kg, atmosféra oxidační s 8% O 2, teplota plynu 850 C, teplota vzorku 550 C. Doba zkoušky 5 hodin. Při zkouškách eroze-koroze se přidává 0.1 hmot.% KCl (7 g). Kriteriem je úbytek tloušťky vzorku. Materiál Nominální složení Typ mater. Tloušťka povlaku (µm) Tvrdost (HV 0.3) Erozní úbytek (µm) E-C úbytek (µm) 13CrMo4-5 1Cr-0,5Mo- Celek -- 150-160 207 535

0,6Mn-0,3Si- 0,15C St35.8 0,17C celek -- 119-138 172 460 Cr-difuzní Cr + (St35.8) Dif. vrstva 50 100-1100 122 515 Al-difuzní Al + (St35.8) Dif. vrstva 100 110-230 56 334 Tafa 72 Ni-24Fe-16Cr- Oblouk. 645 163-210 187 281 TGB Si nástřik Armacor M Fe-29Cr-4B-Si- Oblouk. 605 720-1099 236 355 Armacor CW DS 110 Mn Fe-21Cr-8Ni- B-Mo-Cu-Si- Mn Fe-38Cr-5C- Mn-Si nástřik Oblouk. nástřik Spal. oblouk. nástřik 590 618-836 232 364 300 678-1025 281 335 Fe 3 Al Fe-17Al-2,25Cr HVOF 275 348-454 98 161 TE-50 Ni-50Cr HVOF 210 459-533 63 120 Tafa 1265 Ni-21,5Cr- HVOF 270 269-366 148 186 9Mo-Fe-Nb TE-55 Ni-55Cr HVOF 235 311-550 104 133 TE-19E Ni-16Cr-4Si- Nástřik a 700 648-946 156 168 4B-4Fe přetavení TiC-Ni TiC-NiCo Plazmový 230 618-695 74 X nástřik TE-MC CrC-WCo HVOF 265 720-942 34 X TE-CC Cr 3 C 2 -NiCr HVOF 255 695-905 70 X Cr 3 C 2 -NiCr Cr 3 C 2 -NiCr HVOF 285 467-869 110 X UTEx 1004 Cr 3 C 2 -NiCr HVOF 225 598-905 121 X DS 200A Cr 3 C 2 -NiCr HVOF 200 631-849 93 X Pozn. X termický nástřik při zkoušce odstraněn korozně-erozívním opotřebením Wheeler a Wood [44] porovnávali odolnost proti hydroerozi povlaku WC86-Co10- Cr4 nanesených HVOF s jeho lomovou houževnatostí. Zkoušky eroze hydrosměsí při rychlosti 28 m/s a úhlu nárazu 90 ukázaly velmi malé opotřebení v centru erozivního kráteru, ale podstatně vyšší intenzita eroze pojiva byla v okrajových partiích kráteru, kde dochází k roztékání hydrosměsi a tedy i k menším úhlům nárazu. Řazení odolnosti proti erozivnímu opotřebení souhlasilo dobře s paralelní a transversální lomovou houževnatostí těchto povlaků stanovenou vnikacími zkouškami. Podle Verdona a kol. [45] při hydroerozi tepelných nástřiků WC-Co při rychlostech proudu 20-140 m/s nastaly 2 mechanizmy: rýhování pojiva a pak odstraňování karbidů a delaminační mechanizmus, kdy se trhlina šíří pojivem a podél hranic splatů. Relativní význam dvou mechanizmů závisí na rychlosti proudu, nebo kinetické energii dopadajících částic a na snadnosti šíření trhliny podél hranice splatů. Vliv kinetické energie částic a úhlu nárazu na rychlost erozivního opotřebení vybraných povlaků jsou shrnuty na tab. 24 a 25. Je dobře patrný výrazný růst rychlosti erozívního opotřebení s růstem rychlosti nárazu hydrosměsi. U HVOF nástřiků je rychlost erozívního opotřebení výrazně zmenšena po lapování povrchu.