HODNOCENÍ VYBRANÝCH FUNKČNÍCH VLASTNOSTÍ POVLAKŮ NANESENÝCH ŽÁROVÝMI NÁSTŘIKY

HODNOCENÍ VYBRANÝCH FUNKČNÍCH VLASTNOSTÍ POVLAKŮ NANESENÝCH ŽÁROVÝMI NÁSTŘIKY Václav Kovář a Josef Trčka a Jaroslav Fiala b a) Vojenský technický ústav ochrany Brno, Rybkova 2a, 625 00 Brno, ČR, kovarva@volny.cz b) Vysoké učení technické v Brně, chemická fakulta, Purkyňova 118, 612 00 Brno Abstrakt V příspěvku je uvedeno základní rozdělení vlastností povlaků nanesených technologiemi žárových nástřiků a stanovení požadavků na jejich hodnocení. Je zdůrazněna nutnost znalosti vztahů mezi vlastnostmi povlaků a technologickými parametry jejich nástřiku. Pozornost je věnována problematice stanovení typů vlastností pro potřeby kontroly kvality povlakovaných součástí. V praktické části jsou uvedeny příklady hodnocení odolnosti vybraných povlaků proti abrazivnímu opotřebení a stanovení korozních vlastností povlaků hliníku. 1. ÚVOD Hodnocení vlastností povlaků nanesených žárových nástřiků je problematika, která přináší pro jednotlivé typy zkoušek určité metodické odchylky v porovnání se standardní metodikou pro homogenní materiály. V úvodu si je nutno uvědomit, že jednoznačný a reprodukovatelný popis povlaků je důležitý ve všech fázích jejich produkce a exploatace: optimalizace technologických parametrů procesu nástřiku, stanovení funkčních vlastností, které umožňují optimální řešení požadavků praktických aplikací povlaků a zrychlení procesu zavedení povlakované součásti do provozu, kontroly jakosti povlaků v rámci jejich výroby, přejímky a hodnocení průběhu životnosti povlakovaných součástí. Stanovení vlastností povlaků nanesených žárovým nástřikem je limitujícím faktorem pro praktický výběr typu povlaku a technologie při řešení konkrétní konstrukční a technologické problematiky. Vlastnosti povlaků lze rozdělit do dvou základních skupin. Jde o: obecné vlastnosti - popisují obecný charakter a obvykle je hodnotíme u všech typů povlaků. Jde např. o popis mikrostruktury pomocí optické a elektronové mikroskopie, hodnocení chemického složení povlaků, včetně stanovení jeho chemické heterogenity, stanovení fázového složení, měření pórovitosti, tvrdosti, přilnavosti, drsnosti povrchu po nástřiku a opracování atd.. funkční vlastnosti - jde o vlastnosti popisující chování povlaků při určitém typu namáhání, či působení vnějších faktorů. Vyjadřuje se obvykle jako konkrétní kvantifikace charakteristiky chování povlaku při působení vnějšího faktoru (např. rychlost korozního napadení, úbytek vlivem opotřebení atd.). Může být určena i jako stupeň odolnosti, proti degradačním účinkům v rámci porovnání řady typů povlaků hodnocených za konstantních podmí-

nek, tedy poměrnou odolností proti.... Z celé řady funkčních vlastností uveďme jako příklad odolnost proti korozi a oxidaci za působení rozdílných fyzikálních a chemických činitelů; odolnost proti působení vysokých teplot; vlastnosti při působení faktorů vyvolávajících opotřebení; charakteristiky povlaků z pohledu jejich fyzikálních vlastností, jde např. elektro izolační, magnetické, tepelně izolační vlastnosti. Hodnocení funkčních vlastností je z pohledu metodického, časového a tím i nákladového obvykle velmi náročné. Je přirozené, že stanovení funkčních vlastností vždy odpovídá určitým zjednodušujícím podmínkám metodiky hodnocení a obvykle nezachycuje celou komplexnost reálného zátěžného cyklu pro který provádíme výběr povlaku. Dalším limitujícím faktorem je skutečnost, že některé funkční vlastnosti povlaků se hodnotí pomocí sice obecných metodik, ale při použití individuálních a rozdílných zkušebních zařízení. Z této skutečnosti vyplývá praktická zkušenost, že výsledky hodnocení lze porovnávat např. podle pořadí odolnosti jednotlivých typů povlaků proti působícímu zátěžnému cyklu. Kvantitativní porovnání naměřených hodnot, jako výsledků z různých laboratoří, je však problematické. Východiskem pro úvodní návrh povlaku pro danou praktickou aplikaci mohou být firemní informace výrobců přídavných materiálů a zařízení pro žárový nástřik. Častým požadavkem zákazníků při zadávání povlakování součásti je garance životnosti povlaku ve stanovených podmínkách jejich provozování. Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem a značné komplexnosti a specifičnosti reálného zátěžného cyklu, je splnění tohoto požadavku bez provedení konkrétních provozních zkoušek často nereálné. V praxi se setkáváme s požadavkem stanovení typů a hodnot vlastností povlaku pro potřeby kontroly jakosti v průběhu procesu technické přejímky povlakovaných součástí zákazníkem, případně pro periodickou kontrolu produkce. Pro tyto účely se obvykle používají obecné vlastnosti povlaků (stanovení je méně náročné) a jejich porovnání s hodnotami naměřenými na počátku laboratorních či provozních zkoušek funkčních vlastností, které vedly k vyhovujícím výsledkům. Z tohoto faktu vyplývá často opomíjená a nezbytná nutnost určit v rámci hodnocení funkčních vlastností výchozí obecné vlastnosti povlaků - stanovení tzv. etalonů. Pro potřeby kontroly kvality výroby povlaků se osvědčuje kontrola souhlasu obecných vlastností pomocí tzv. svědečných vzorků, které jsou povlakovány současně s reálnou součástí s periodicitou danou smluvními podmínkami. K realizaci zkoušek funkčních vlastností povlaků se připravují vzorky či reálné součásti s povlaky jejichž vlastnosti jsou optimalizovány jednak stanovením úzkého výběru vhodných materiálových typů, jednak volbou optimálních technologických parametrů nástřiků, které resultují v očekávanou charakteristiku povlaku. Je nezbytné si uvědomit vzájemné vztahy obecných a funkčních vlastností. Jako příklady těchto vztahů lze uvést: vliv pórovitosti na korozní a oxidační vlastnosti, vliv vlastností rozhraní základní materiál-mezivrstva-keramický povlak na životnost termálních bariér při namáhání na tepelnou únavu, vliv morfologie (tvaru a rozložení) tvrdých částic např. u cermetových povlaků na odolnost proti různým podmínkám a typům opotřebení, vliv mikrogeometrie povrchu opracovaného povlaku na tribologické vlastnosti.

Pouze podrobná znalost a schopnost stanovení výše uvedených vlastností a jejich vztahů, dále znalost celého komplexu závislostí těchto vztahů na technologických parametrech nástřiků může zabezpečit vysokou kvalitu získaných povlaků. Dlouhodobé získávání těchto znalostí je nejpodstatnější součástí know-how firem provádějících povlakování. V dalším textu jsou uvedeny příklady hodnocení vybraných funkčních vlastností povlaků pomocí laboratorních zkoušek, které byly provedeny ve VTÚO Brno. 2. Hodnocení odolnosti proti abrazivnímu opotřebení u vybraných typů povlaků nanesených technologií žárových nástřiků 2.1.Výběr typů povlaků Na podkladě informací výrobců přídavných materiálů, praktických zkušeností s aplikací povlaků a možností pracoviště byly stanoveny základní parametry pro výběr typů povlaků následovně : budou použity technologie atmosférického plazmového nástřiku a dvoufázový nástřik pomocí plamene typy povlaků budou zahrnovat - čisté kovy, slitiny kovů, kompozity karbidických částic v kovové matrici a oxidické keramiky. Konkrétní použité materiálové typy povlaků jsou uvedeny v tab.1. Tab.1 Přehled vybraných experimentálních přídavných materiálů (povlaků) Technologie nástřiku Obchodní označení PM Směrné chemické složení PM Zrnitost PM [µm] Charakteristika PM Amdry 3404 Mo -45+5 čistý kov, sintrovaný a drcený Atmosférický Amdry 960 Ni19Cr6Al -125+37 exotermický PM s heterogenním zrnem -NiCr jádro Al obal plazmový Amdry 9831 WC - 17Co -53+10 cermet karbidu a kovu, aglomerovaný žárový Amdry 301 WC - 12Co -45+5 cermet karbidu a kovu, tavený a drcený nástřik Metco 72F-NS WC - 12Co -45+15 cermet karbidu a kovu, sintrovaný Amdry 6410 Cr 2 O 3-45+22 oxidická keramika, tavený a drcený Amdry 333 ZrO 2 + 24MgO -53+11 oxidická keramika, tavený a drcený Amdry 6220 Al 2 O 3 + 13TiO 2-22+5 oxidická keramika, tavený a drcený VÚZ-SDK42 NiCrBSi -63+4 slitina kovů, roztřik Dvoufázový Metco 15E NiCrBSiFe -106+45 slitina kovů, roztřik nástřik Metco 14E NiCrBSiFe -125+45 slitina kovů, rostřik plamenem BoroTec10009 NiCrBSiFe neuvedena slitina kovů

2.2. Použitá zkušební metodika Pro měření odolnosti jednotlivých vzorků povlaků byla použita modifikovaná metodika podle ČSN 01 5084 Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazivnímu opotřebení na brusném plátně. Schéma zkušebního zařízení je na obr.1. Obr. 1 Schéma zkušebního zařízení 2.3. Parametry specifikující provedení zkoušek 1. Experimentální povlaky byly naneseny na čelní plochu válcového vzorku o rozměrech φ 10 x 30mm vyrobených z nelegované oceli tř. 11. Povrch povlaků byl před zkouškou opracován broušením za podmínek obvyklých pro jednotlivé typy povlaků. Tloušťky povlaků po opracování byly v rozmezí 0,3-0,4 mm. 2. Pomocí závaží byl ve styčné ploše mezi vzorkem a brusným plátnem vyvozen tlak cca 0,32 N.mm -2. Jako brusné plátno byl použit korundový kepr o zrnitosti číslo 120 s typovým označením Globus 865, průměr kruhového přístřihu φ 480 mm. 3. Jako veličina charakterizující odolnost povlaku byla stanovena poměrná odolnost proti opotřebení Ψ abr. podle vztahu: W W OPZ hpz Ψ abr. = =. WOZ WhZ ρ ρ Z PZ kde : W OPZ... průměrný objemový úbytek porovnávacích vzorků [mm 3 ] W OZ... průměrný objemový úbytek zkoušeného vzorku - povlaku [mm 3 ] W hpz,, W hz.. průměrný hmotnostní úbytek porovnávacího, resp. zkoušeného vzorku [g] ρ PZ, ρ Z... měrná hmotnost porovnávacích, resp. zkoušených vzorků-povlaků [g.mm -3 ] Pod označením průměrný je pak nutno chápat aritmetický průměr ze tří nezávislých měření pro daný typ povlaku. 4. Porovnávací vzorek (etalon) stejných rozměrů jako vzorky s povlakem byl vyroben z oceli ČSN 41 2050 tepelně zpracované na tvrdost HV = 217 ± 3 jednotek. 5. Vážení vzorků před a po zkoušce bylo provedeno s přesností na 0,001 g. Stanovení měrné hmotnosti povlaků pak pomocí metody dvojího vážení na separovaných vzorcích povlaků nanášených současně se vzorky pro měření odolnosti proti opotřebení. V úvodu experimentů byla pomocí metalografického hodnocení potvrzena standardní kvalita mikrostruktury použitých povlaků. Tvrdost experimentálních povlaků měřená na zařízení WOLPERT V-Testor metodou podle Vickerse (ČSN ISO 6507-1) je uvedena v tabulce 2.

Tab.2 Tvrdosti experimentálních povlaků Typ povlaku Tvrdost HV5 Typ povlaku Tvrdost HV5 AMDRY 6410 1300 AMDRY 301 612 METCO E15 870 AMDRY 9831 566 Boro-Tec 10009 821 VÚZ SDK 42 330 METCO E14 716 AMDRY 3404 305 METCO 72F-NS 651 AMDRY 960 260 2.4. Poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřebení a morfologie povrchů povlaků po provedených zkouškách Po realizaci celého komplexu zkoušek, byly vypočítány poměrné odolnosti proti abrazivnímu opotřebení, jejich průměrné hodnoty pro jednotlivé povlaky jsou uvedeny v grafu na obr.2. Poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřeben 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 AMDRY 9831 AMDRY 301 AMDRY6410 METCO 72F- NS METCO E-15 METCO E-14 BORO-TEC AMDRY 960 ETALON SDK 40 AMDRY 3404 Obr. 2 Poměrná odolnost povlaků proti abrazivnímu opotřebení U keramik na bázi ZrO 2 (Amdry 333) a Al 2 O 3 (Amdry 6220), došlo během zkušebního cyklu k celkovému opotřebení povlaků. V porovnání s ostatními vzorky, lze konstatovat, že uvedené povlaky mají za daných podmínek zkoušení podstatně nižší odolnost proti opotřebení a do dalšího hodnocení již nebyly zahrnuty. U vzorků po zkouškách byla hodnocena morfologie povrchu povlaků pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu JEOL JSM-840. Kompozitní (cermetové) povlaky typu WC-Co vykazují minimální řezné stopy, viz. povlak AMDRY 9831 (obr.3). U dalších povlaků tohoto typu se zvyšuje podíl extrahovaných částic, jejich výskyt je patrně způsoben nižším podílem vazné matrice Co (viz. obr.4 povlak Metco 72F-NS). V mechanismu opotřebení zde převládá porušování kohezní vazby mezi jednotlivými částicemi (bloky) tvořícími povlak. U těchto typů povlaků sehrává velmi důležitou roli charakter a kvalita mikrostruktury, tedy množství, tvar a rozložení tvrdých karbidických částic; optimální množství matričního kovu.

METAL 1 Obr.3 Povrch povlaku Amdry 9831 Obr.4 Povrch povlaku Metco 72F-NS U povlaku Cr2O3 na obr.5 jsou pouze minimální stopy po abrazivu, což je v souladu s jeho maximální tvrdostí HV5. U slitinových povlaků, nanesených technologiemi plazmového i dvoufázového nástřiku jsou patrny řezné stopy po abrazivních částicích, což svědčí o změně mechanismu opotřebení na převládající řezání. Velikost stop se zvětšuje s poklesem odolnosti proti opotřebení viz. povlak Metco E15 na obr.6 s maximální a povlak VÚZ SDK-42 na obr.7 s minimální odolností. Obr.5 Povrch povlaku Amdry 6410 Obr.6 Povrch povlaku Metco E15 Obr.7 Povrch povlaku VÚZ SDK-42

Obdobný charakter se značnými řeznými stopami má povrch povlaku čistého molybdenu, což dokladuje jeho nízkou odolnost proti tomuto typu opotřebení. 2.5 Dílčí závěry Vysokou odolnost proti opotřebení vykazují povlaky na bázi kompozitů (cermetů) typu WC-Co. Odolnost je závislá na obsahu matričníko kovu, dále na morfologii struktury, potažmo technologii výroby výchozího přídavného materiálu. Odolnost povlaků nanesených dvoufázovým nástřikem dosahuje nižších hodnot, pořadí povlaků dobře koresponduje s poklesem jejich tvrdosti. Do skupiny s vysokou odolností proti opotřebení se jednoznačně zařazuje povlak Cr 2 O 3, tedy povlak s maximální tvrdostí. Zajímavá je nízká odolnost proti danému typu opotřebení u povlaku čistého molybdenu (AMDRY 3404). Tato skutečnost je v protikladu s vynikajícími kluznými vlastnostmi a odolností proti opotřebení v podmínkách adhezivního opotřebení. Je však v souladu s bezproblémovým broušením tohoto povlaku. 3. Zkoušky korozní odolnosti hliníkových povlaků nanesených technologiemi žárových nástřiků 3.1. Popis vzorků a podmínek zkoušek Základní materiál - ocel tř.11, plech o rozměrech 30 x 80 x 1,5 mm Jmenovité tloušťky povlaků -, a µm Použité technologie žárového nástřiku - žárový nástřik plazmou, - žárový nástřik z drátu plamenem, - žárový nástřik elektrickým obloukem. Pro nanesení povlaku byly použity přídavné materiály s výrobcem udávanou čistotou 99 %. Podmínky zkoušky - solná mlha dle ČSN ISO 9227 nebo odpovídající normy DIN 500021, - teplota 35 ± 2 0 C, - 5% roztok chloridu sodného, - množství spadu (mlhy) 1-2 ml/hod na ploše 80 cm 2, - vzorky umístěny pod úhlem 20 0 od vertikály, - doba hodnocení 2, 6, 24 a dále po 24 hodinách. 3.2. Výsledky korozních zkoušek Výsledky korozních zkoušek hliníkových povlaků po expozici 96, 480 a 1440 hodin v solné komoře jsou na podkladě vizuálního hodnocení popsány v tabulce 3. Stanovení korozních úbytků na podkladě hmotnostních změn vzorků po korozních zkouškách je uvedeno v tabulce 4. Odstranění korozních zplodin bylo provedeno v souladu s ČSN ISO 8407. Část původních vzorků povlaků nanesených elektrickým obloukem byla opatřena čtyřmi druhy základních barev S 0, S 3, S 8, S 2300 a podrobena obdobnému testu korozní odolnosti. Výsledky tohoto hodnocení jsou uvedeny v tabulce 5.

Tab.3 Výsledky vizuálního hodnocení korozních vzorků Metoda nástřiku Jmenovitá tloušťka povlaku [µm] 96 hod 480 hod 1440 hod Plazma Plamen Elektrický oblouk šedobílé skvrny na všech vzorcích světlé a bílé skvrny okolo hran mírné zšednutí na všech vzorcích 60 % BK 30 % BK 5 % BK bílá koroze (BK) po celé ploše vzorků 50 % Bk 30 % Bk 5 % Bk Tab.4 Korozní úbytky jednotlivých typů povlaků Metoda nástřiku Jmenovitá tloušťka povlaku [µm] Korozní úbytek [g.m -2 ] Plazma Plamen El. oblouk -14 + 43 + 86-311 - 157-10 - 250 + 20 + 11 tenký bílý povlak na všech vzorcích (nejvíce nejméně µm) vrstva bílé koroze na všech vzorcích (nejvíce nejméně µm) bílá koroze na celé ploše u a µm tenký bílý povlak Tab5. Výsledky korozních zkouše povlaků s naneseným základním nátěrem Metoda nástřiku El. oblouk S 0 El. oblouk S 3 El. oblouk S 8 El. oblouk S 2300 Jmenovitá tloušťka povlaku[µm] 96 hod 480 hod 1440 hod bílý nádech na všech vzorcích (nejvíc nejméně ) všechny vzorky bez napadení všechny vzorky bez napadení všechny vzorky bez napadení beze změn bílé korozní splodiny na všech vzorcích (nejvíc nejméně ) ojedinělé bílé skvrny bílý nádech na všech vzorcích všechny vzorky bez napadení bílý nádech na všech vzorcích slabý bílý povlak na všech vzorcích všechny vzorky bez napadení

3.3 Dílčí výsledky Nejvyšší korozní odolnost vykázal povlak nanesený žárovým nástřikem plazmou. Na všech jeho vzorcích byl po zkoušce pouze tenký bílý povlak korozních zplodin hliníku. Tloušťka povlaku se prakticky nezměnila. Další v pořadí byly podle korozní odolnosti povlaky nanesené žárovým nástřikem elektrickým obloukem a plamenem z drátu. Na vzorcích nanesených žárovým nástřikem elektrickým obloukem vykázal nejlepší ochrannou účinnost nátěr S 2300, nejhorší pak základní nátěr S 0. Literatura [1] VOCEL, M.: Tření a opotřebení strojních součástí. SNTL, Praha 1976. [2] NOVÁK, Z.: Měření mikrogeometrie povrchu povlaků po abrazivních zkouškách. Interní sdělení, VTÚO Brno, 1997. [3] BLAŽÍKOVÁ, J.: Hodnocení morfologie povrchu povlaků po abrazivních zkouškách. Interní sdělení, VTÚO Brno, 1997. [4] SKYBA, M.: Zkušební protokol z testování žárově hliníkovaných vzorků v solné mlze podle ČSN ISO 9227. Interní sdělení, VTÚO Brno, 1995. [5] ČSN ISO 9227 Korozní zkoušky v umělých atmosférách. Zkouška solnou mlhou. [6] ČSN ISO 8407 Odstraňování korozních zplodin ze vzorků podrobených korozním zkouškám. [7] ČSN 01 5084 Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazivnímu opotřebení na brusném plátně.