PL241838B1 - Sposób wytwarzania powłoki o podwyższonej odporności trybologicznej - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania warstw powierzchniowych o wysokiej odporności trybologicznej polega na tym, że na powierzchnię próbki z odlewniczego stopu magnezu z serii AZ3I natryskuje się metodą płomieniową naddźwiękową HVOF proszek węglika boru B4C o wielkości ziarna 20 - 40 μm przy odległości pistoletu od powierzchni natryskiwanej wynoszącej 20 - 50 mm, kącie nachylenia osi płomienia HVOF względem powierzchni podłoża 85 - 95°, oraz natężenia przepływu gazów paliwowych odpowiednio: gaz palny (propan C3H8) - 30 - 50 l/min, gaz utleniający (tlen techniczny O2) - 300 - 400 l/min, oraz gaz nośny proszku (transportujący proszek) z podajnika do pistoletu (azot techniczny N2) -10 - 20 l/min, czynnik chłodzący dyszę HVOF (powietrze) — 150 l/min, po czym próbkę wraz z powłoką B4C chłodzi się wolno w atmosferze powietrza do temperatury 45 - 55°C.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania powłok o podwyższonej odporności trybologicznej, na elementach z odlewniczych stopów magnezu, mających zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, między innymi na odlewane bloki silników oraz części współpracujące z tłokami i zaworami.

Jedną z wielu metod wydłużenia żywotności części maszyn, zarówno nowych, jak i regenerowanych, a w efekcie zwiększenia ich niezawodności oraz trwałości eksploatacyjnej jest nanoszenie powłok technologią natrysków cieplnych. Natryskiwanie stosuje się głównie w celu wykonania warstw o dużej odporności na ścieranie, zabezpieczenie przed wpływem wysokiej temperatury, erozją oraz korozją. Analiza dotychczasowych wyników prac badawczych w zakresie wytwarzania powłok metodą naddźwiękowego natryskiwania płomieniowego (HVOF) obejmuje natryskiwanie m.in. na stalach konstrukcyjnych stopowych, niestopowych jakościowych do ulepszania cieplnego, nierdzewnych oraz na stopach niklu, natomiast zastosowanie jako podłoża lekkich materiałów konstrukcyjnych, w postaci odlewniczych stopów magnezu o niskiej odporności na czynniki trybologiczne, nie zostało do tej pory dogłębnie zbadane i omówione.

Dotychczas znane są metody wytwarzania powłok z wykorzystaniem natrysku cieplnego opisane m.in. przez Zhu, H., Niu, Y., Lin, C., Huang, L., Ji, H., & Zheng, X., „Microstructures and tribological properties of vacuum plasma sprayed B4C - Ni composite coatings”, Ceramics International, 39/1, (2013), 101-110, w których powłokę odporną na zużycie wykonano techniką próżniowego natryskiwania plazmowego (VPS) przy użyciu bezprądowych proszków kompozytowych do powlekania składających się z B4C i różnych ilości Ni (10 i 20% objętościowych). Ocena trybologiczna z testu kulka - tarcza wykazała, że odporność na zużycie powłok kompozytowych była lepsza niż w przypadku czystej powłoki B4C, a powłoka kompozytowa zawierająca 10% obj. Ni wykazała optymalne właściwości trybologiczne.

W artykule opublikowanym przez B. Formanek, K. Szymański oraz B. Kuczowitz pt. „Odporne na korozję i zużycie ścierne powłoki otrzymywane metodami natryskiwania cieplnego”, Ochrona przed korozją, 3, (2010), 164-186, opisano kompozytowe powłoki do zabezpieczenia urządzeń technicznych przed zużyciem ściernym, a jednocześnie o wysokiej odporności korozyjnej o osnowie NiCr z węglikami chromu oraz węglikami wolframu z kobaltem. Należy tu wymienić m.in. kompozytowe proszki typu WC - Co, WC - Co - Cr, NiCr - &3C2, WC - CrC - Ni, z dodatkami modyfikującymi np. WC - CrC - NiCr lub Ni, Cr3C2 - TiC - NiCr, które stanowią alternatywę dla powłok twardego chromu wytwarzanych metodami galwanicznymi.

Z kolei w pracy pt. „Fabrication and tribological evaluation of vacuum plasma - sprayed B4C coating” autorzy Huiying Zhu, Yaran Niu, Chucheng Lin, Liping Huang, Heng Ji and Xuebin Zheng, ASM International, 21/6, (2012), 1216-1223, opisali powłokę wytworzoną z węglika boru B4C metodą próżniowego natrysku plazmowego (VPS) wraz z oceną jej odporności na zużycie ścierne; autorzy publikacji dowiedli, że powłoka wytworzona z proszku węglika boru wykazuje lepsze własności trybologiczne, niż podłoże, na które została naniesiona.

Odporność na zużycie ścierne powłok wytworzonych z konwencjonalnego proszku węglika boru B4C oraz mikrometrycznego proszku B4C wykonane metodą HVOF na podłożu ze stali 410 opisane zostało także przez Girisha K.G., Anil K.C., Akash and K.V. Sreenivas Rao, w publikacji pt. „Investigation of HVOF thermal sprayed micro B4C, micro - 1%, 2%, 3% nano B4C coatings on dry sliding wear performance of 410 grade steel”, Journal of Engineering and Applied Sciences, 11/1, (2016), 247-251. Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, że warstwa powierzchniowa stali z nałożoną powłoką nano wyróżnia się niezwykłą odpornością na ścieranie i twardością w porównaniu do stali, z powłoką wykonaną z proszku micro B4C oraz do stali, na której nie wytworzono żadnej powłoki.

Wykonany przegląd zagadnienia wskazuje, że znane są przykłady wytwarzania powłok na materiałach, z których wykonane są części maszyn oraz urządzeń w celu polepszenia ich trwałości, w tym odporności na zużycie ścierne, jednak nie opublikowano dotąd sposobu otrzymywania takich warstw wytwarzanych metodą natryskiwania płomieniowego naddźwiękowego (HVOF) na odlewniczych stopach magnezu.

Stwierdzono nieoczekiwanie podczas prowadzonych prac badawczych, że nałożenie powłoki z proszku węglika B4C na powierzchnię odlewniczego stopu magnezu AZ31 podnosi odporność eksploatacyjną w wyniku zwiększenia odporności na zużycie ścierne i erozję.

Celem wynalazku jest wytworzenie nowej powłoki, która polepszy trwałość eksploatacyjną, w tym odporność na zużycie ścierne i erozję warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu z serii AZ31.

PL 241 838 B1

Cel ten osiągnięto poprzez zastosowanie proszku węglika boru B4C do wytworzenia powłoki metodą naddźwiękowego natryskiwania płomieniowego (High Velocity Oxygen Fuel - HVOF) na odlewniczym stopie magnezu z serii AZ31.

Sposób wytwarzania warstw powierzchniowych o wysokiej odporności trybologicznej polega na tym, że na powierzchnię próbki z odlewniczego stopu magnezu z serii AZ31 natryskuje się metodą płomieniową naddźwiękową HVOF proszek węglika boru B4C o wielkości ziarna 20 μm do 40 μm przy odległości pistoletu od powierzchni natryskiwanej wynoszącej 20 mm do 50 mm, kącie nachylenia osi płomienia HVOF względem powierzchni podłoża 85° do 95°, oraz natężeniu przepływu gazów paliwowych odpowiednio: gaz palny, korzystnie propan C3H8 - 30 l/min - 50 l/min, gaz utleniający, korzystne tlen techniczny O2 - 300 l/min - 400 l/min, oraz gaz nośny proszku, korzystnie transportujący proszek z podajnika do pistoletu, korzystnie azot techniczny N2 - 10 l/min - 20 l/min, czynnik chłodzący dyszę HVOF, korzystnie powietrze - 150 l/min, po czym próbkę wraz z powłoką B4C chłodzi się wolno w atmosferze powietrza do temperatury 45°C do 55°C.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest poprawa lub odtworzenie własności powierzchni elementów wykonanych z odlewniczych stopów magnezu z serii AZ31 w wyniku wytworzenia powłoki z proszku węglika B4C, która wpływa na podwyższenie odporności na zużycie ścierne oraz erozję, co jest głównym elementem decydującym o trwałości eksploatacyjnej części maszyn i urządzeń.

Wynalazek objaśniono poniżej w przykładach wykonania.

Przykład 1

Na obrabianą powierzchnię, którą stanowi odlewniczy stop magnezu z serii AZ31 natryskuje się płomieniowo naddźwiękowo proszek węglika boru B4C o wielkości cząstek 20 - 40 μm. W tym celu najpierw czyści się obrabianą powierzchnię, poprzez wykonanie obróbki strumieniowo-ściernej elektrokorundem, proces prowadzi się do momentu uzyskania chropowatości powierzchni w zakresie Ra = 10 - 15 μm. Z proszku B4C, natryskuje się powłokę. Proces wytwarzania powłoki B4C wykonuje się przy użyciu mosiężnej dyszy do natrysku naddźwiękowego-cieplnego HVOF (High Velocity Oxygen Fuel). Dysza HVOF zamocowana jest na uchwycie robota sześcioramiennego, sterowanego zdalnie z wykorzystaniem kontrolera i programu komputerowego. W procesie nanoszenia cieplnego źródłem ciepła jest reakcja chemiczna spalania propanu C3H8 z tlenem O2. Zastosowana dysza HVOF o geometrii de Lavala o względnej zmianie pola przekroju poprzecznego równej 0,4-0,8 mm² i średnicy krytycznej 9-11 mm chłodzona powietrzem, stanowi jednocześnie czynnik przyspieszający rozgrzane cząstki w strumieniu płomienia HVOF. W wyniku wzrostu ciśnienia w dyszy HVOF uzyskuje się strumień płomienia spalania. Materiał powłoki dostarczany jest do wysokociśnieniowej komory spalania w dyszy w sposób osiowy za pomocą strumienia azotu, stanowiącego czynnik transportujący. Źródłem materiału w postaci proszku B4C jest podajnik mechaniczny o pojemności 650-750 cm³ z obrotowym zabierakiem i układem ciśnienia/podciśnienia dozującego niezmienną, ustaloną ilość proszku.

Przykład 2 ‘ ‘ ‘

Powierzchnię próbki z odlewniczego stopu magnezu AZ31 oczyszcza się w warunkach odziaływania ultradźwięków przez 15 min w temperaturze 40°C. Następnie umieszcza się ją w pneumatycznej oczyszczarce ciśnieniowej pracującej z zamkniętym obiegiem ścierniwa (elektrokorund) i poddaje oczyszczaniu (parametry piaskowania: ciśnienie 0,4 MPa, średnica dyszy 6 mm, odległość dyszy od podłoża 0,2 m, kąt padania strugi ścierniwa na powierzchnię próbki 30°). W celu wytworzenia powłoki natryskuje się metodą płomieniową naddźwiękową proszek węglika boru B4C o wielkości ziarna 25 μm. Powłokę natryskuje się pistoletem HipoJet P2700 Metatherm, przy odległości pistoletu od powierzchni natryskiwanej wynoszącej 20 mm, kącie nachylenia osi płomienia HVOF względem powierzchni podłoża 85°, oraz natężenia przepływu gazów paliwowych odpowiednio: gaz palny (propan C3H8) - 30 l/min, gaz utleniający (tlen techniczny O2) - 300 l/min, oraz gaz nośny proszku (transportujący proszek) z podajnika do pistoletu (azot techniczny N2) - 10 l/min, czynnik chłodzący dyszę HVOF (powietrze) - 150 l/min. Po wytworzeniu powłoki próbkę wraz z powłoką B4C chłodzi się wolno w atmosferze powietrza do temperatury 45°C.W wyniku naddźwiękowego natryskiwania płomieniowego (High Velocity Oxygen Fuel - HVOF) proszku węglika B4C na podłoże z odlewniczego stopu magnezu serii AZ31 powstaje powłoka o zwiększonej odporności na zużycie ścierne oraz erozję, a co za tym idzie poprawie ulegają własności eksploatacyjne elementów wytworzonych z omawianego stopu.

Przykład 3

Powierzchnię próbki z odlewniczego stopu magnezu AZ31 oczyszcza się w warunkach odziaływania ultradźwięków przez 15 min w temperaturze 40°C. Następnie umieszcza się ją w pneumatycznej oczyszczarce ciśnieniowej pracującej z zamkniętym obiegiem ścierniwa (elektrokorund) i poddaje

PL 241 838 B1 oczyszczaniu (parametry piaskowania: ciśnienie 0,6 MPa, średnica dyszy 8 mm, odległość dyszy od podłoża 0,2 m, kąt padania strugi ścierniwa na powierzchnię próbki 45°). W celu wytworzenia powłoki natryskuje się metodą płomieniową naddźwiękową proszek węglika boru B4C o wielkości ziarna 30 μm. Powłokę natryskuje się pistoletem HipoJet P2700 Metatherm, przy odległości pistoletu od powierzchni natryskiwanej wynoszącej 25 mm, kącie nachylenia osi płomienia HVOF względem powierzchni podłoża 90°, oraz natężenia przepływu gazów paliwowych odpowiednio: gaz palny (propan C3H8) - 35 l/min, gaz utleniający (tlen techniczny O2) - 350 l/min, oraz gaz nośny proszku (transportujący proszek) z podajnika do pistoletu (azot techniczny N2) - 15 l/min, czynnik chłodzący dyszę HVOF (powietrze) - 150 l/min. Po wytworzeniu powłoki próbkę wraz z powłoką B4C chłodzi się wolno w atmosferze powietrza do temperatury 45°C. W wyniku naddźwiękowego natryskiwania płomieniowego (High Velocity Oxygen Fuel - HVOF) proszku węglika B4C na podłoże z odlewniczego stopu magnezu serii AZ31 powstaje powłoka o zwiększonej odporności na zużycie ścierne oraz erozję, a co za tym idzie poprawie ulegają własności eksploatacyjne elementów wytworzonych z omawianego stopu.

Obszar przyszłych zastosowań elementów wykonanych ze stopów metali lekkich w tym z omawianych odlewniczych stopów magnezu z serii AZ31 za pomocą metody natryskiwania płomieniowego naddźwiękowego, obejmuje w szczególności zastąpienie konwencjonalnych metod inżynierii powierzchni kształtowania warstwy wierzchniej, w celu wydłużenia trwałości i żywotności części maszyn, zarówno nowych, jaki i regenerowanych.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób wytwarzania warstw powierzchniowych o wysokiej odporności trybologicznej, znamienny tym, że na powierzchnię próbki z odlewniczego stopu magnezu z serii AZ31 natryskuje się metodą płomieniową naddźwiękową HVOF proszek węglika boru B4C o wielkości ziarna 20 μm do 40 μm przy odległości pistoletu od powierzchni natryskiwanej wynoszącej 20 mm do 50 mm, kącie nachylenia osi płomienia HVOF względem powierzchni podłoża 85° do 95°, oraz natężeniu przepływu gazów paliwowych odpowiednio: gaz palny, korzystnie propan C3H8 - 30 l/min - 50 l/min, gaz utleniający, korzystne tlen techniczny O2 - 300 l/min - 400 l/min, oraz gaz nośny proszku, korzystnie transportujący proszek z podajnika do pistoletu, korzystnie azot techniczny N2 - 10 l/min - 20 l/min, czynnik chłodzący dyszę HVOF, korzystnie powietrze - 150 l/min, po czym próbkę wraz z powłoką B4C chłodzi się wolno w atmosferze powietrza do temperatury 45°C do 55°C.