201209_PSpaw.pdf 42 Przegląd sPawalnictwa 9/2012 Andrzej Radziszewski Adam Radziszewski Wady i uszkodzenia powłok natryskiwanych cieplnie w procesie ich wytwarzania i eksploatacji defects in thermal sprayed coatings occurred  during manufacturing and operation  Mgr inż. andrzej Radziszewski, lic. adam Radziszewski – RESURS, Warszawa. Streszczenie Celem artykułu jest pokazanie przykładów wad i defektów mogących występować w powłokach natry- skiwanych cieplnie (nC) w czasie ich wykonywania, jak również uszkodzeń powłok na elementach urządzeń, powstałych w okresie eksploatacji. Prezentowane wy- niki pochodzą z wieloletniego doświadczenia w zakre- sie technik nC, umożliwiającego zgromadzenie setek zdjęć ze zrealizowanych prac, pokazujących przykłady wykorzystania technik nC do powłok eksploatacyjnych pracujących w urządzeniach poddanych obciążeniom w różnych warunkach przemysłowych. Wiedza wynikająca z dużej liczby wykonanych usług pozwoliła na opracowanie wielu własnych rozwiązań dotyczących zastosowanych materiałów oraz sposo- bów wykonywania powłok. Zawarte w artykule przy- kłady wad i defektów powłok natryskiwanych cieplnie powstały wskutek błędów wykonawców powłok na ele- mentach urządzeń oraz błędów obsługi w zakładach przemysłowych. abstract The main goal of this article, is to show examples of defects that may occur in thermal sprayed coatings du- ring spray process, and also during operation/work ma- intenance. Presented results were achieved in many years of au- thors’ experience in thermal spraying. In this time were gathered hundreds of photos from completed works, which show the scope of applications for thermal spraying technology, for different machine-parts and environments. As a result of our experience, we developed coating solutions to meet the requirements of the industry. The examples of defects, contained in this article, are taken from our own mistakes and errors, as also as an example of bad maintains service in industrial facilities. Wstęp Wymagania eksploatacyjne stawiane urządzeniom w obecnej dobie rozwoju przemysłowego wymuszają stosowanie nowoczesnych technologii z zakresu inży- nierii powierzchni, które zapewnią otrzymanie powłoki o składzie chemicznym i właściwościach najbardziej odpowiednich w rzeczywistych warunkach pracy. Badania laboratoryjne przeprowadzane w wielu renomowanych firmach, takich jak np: Sulzer metco, HC Stark czy też Praxair, pozwalają skomponować materiał o odpowiednim składzie chemicznym i wraz z nowoczesnymi procesami technologii wytwarzania umożliwiają otrzymanie materiałów w postaci: drutów, proszków, których użycie w technikach natryskiwania cieplnego zapewnia otrzymanie odpowiednich powłok eksploatacyjnych na powierzchni elementu. Powłoki natryskiwane cieplnie różnymi metodami na elementy maszyn i urządzeń powinny zapewnić ich niezawodność, bezpieczeństwo, dobrą pracę oraz spełnienie wymagań założonych przez kon- struktora. W Polsce nie ma jeszcze dobrze rozwiniętego rynku na powłoki eksploatacyjne natryskiwane ciepl- nie, gdzie odbiorca wie, jaki rodzaj powłoki jest naj- bardziej korzystny dla pracy urządzeń stosowanych w jego firmie. 43Przegląd sPawalnictwa 9/2012 Badania niszczące powłok natryskiwanych ciepl- nie wykonywane głównie przez Politechniki: Świę- tokrzyską, Śląską, Wrocławską, Warszawską, WAT oraz instytuty naukowe, np. ImP, są wykorzystywane głównie do celów dydaktycznych bądź prac nauko- wych. niestety brak jest wykorzystania wyników ba- dań powłok w warunkach eksploatacyjnych. Wyspe- cjalizowane firmy polskie z branży lotniczej stosują technologie nC i materiały do celów produkcyjnych, których specyfikacje zostały narzucone odgórnie. Jednocześnie w Polsce brak jest współpracy nauko- wych ośrodków badawczych z firmami specjalizujący- mi się w nC oraz przedsiębiorstwami poszukującymi konkretnych rozwiązań technologicznych. Przyczyną takiego stanu może być fakt, że ośrodki naukowe, nie mając bezpośredniego kontaktu z wydziałami produk- cyjnymi i służbami utrzymania ruchu, nie dostrzegają bieżących problemów i nie mają odpowiednio szero- kiej praktyki w przemyśle, przez co nie są w stanie w bezpośrednich kontaktach rozwiązać problemu. nie wystarczy dobrać zasugerowanych przez sprzedaw- ców proszków i metody natryskiwania cieplnego, aby mówić o wdrożeniu czy też rozwiązaniu problemu. Dotychczasowe wspólne (Politechniki Świętokrzy- skiej, firmy RESURS i firmy ZPW Trzuskawica) szcząt- kowe badania nad powłokami odpornymi na erozję w warunkach permanentnego ścierania po kilku pró- bach zostały zaniechane. Poważne podejście do ta- kiego rodzaju badań wymaga przede wszystkich opra- cowania procedur, odpowiedniego doboru materiału, wielu prób bezpośrednio na urządzeniu oraz czasu. Polskie firmy wykonujące powłoki eksploatacyjne i regeneracyjne metodami natryskiwania cieplnego bio- rą na siebie dużą odpowiedzialność, udzielając gwa- rancji na wykonywane powłoki, gdyż nie do końca wie- dzą, czy dotrzymywane są parametry warunków pracy urządzenia, w tym odpowiednie do jakości medium sto- sowanego w urządzeniu. Z drugiej strony, niedostateczna wiedza na temat natryskiwania cieplnego w nadzorze technicznym użytkownika nie pozwala w wielu wypadkach na pra- widłowy dobór odpowiednich materiałów i metody na- tryskiwania cieplnego oraz – co jest nie mniej ważne – zapewnienie jakości powierzchni powłoki po obrób- ce wykańczającej. Wady i uszkodzenia powłok natryskiwanych cieplnie W wyniku wieloletnich doświadczeń wynikają- cych ze współpracy firmy RESURS z zakładami pro- dukcyjnymi opracowano wiele własnych rozwiązań technologicznych zastosowanych u użytkowników. Współpraca z zakładami przemysłowymi pozwoliła na uzyskanie niezbędnego doświadczenia, w celu wyeliminowania błędów w naszej firmie, jak również u zleceniodawców. Przedstawiciele firm z branży natryskiwania ciepl- nego powinni wymieniać bezpośrednio między sobą uwagi na temat nowych materiałów i rozwiązań tech- nologicznych, jak to dzieje się w krajach posiadających duże doświadczenie i wiedzę z tego zakresu. W artykule przedstawione zostały przykłady wad powłok natryskiwanych cieplnie występujących pod- czas ich wytwarzania oraz uszkodzeń powłok w czasie eksploatacji. W opisach użyto skrótów procesów potocznie stosowanych w języku angielskim, ponieważ polska norma Pn-En 657 nie podaje skrótów technik natryski- wania cieplnego (tablica). nC CPS – sworzeń z powłok stellitu 1; wady – pęk- nięcia powłoki, brak dostatecznego połączenia adhe- zyjnego, błędy – brak dobrego przetopu, brak zapew- nienia i nieutrzymanie bardzo powolnego stygnięcia powłoki (rys. 1, 2). Rys. 1. Sworzeń po prze- topie powłoki ze stellitu 1 Fig. 1. The pin after mel- ting of the coating with stellite 1 tablica. metody nakładania powłok ochronnych na powierzchnie techniką natryskiwania cieplnego table. methods of thermal spraying of protective coating metoda Oznaczenie przy zastosowaniu drutu nC CWS przy zastosowaniu proszku nC CPS naddźwiękowa nC HVOF łukowa nC AWS plazmowa nC APS Rys. 2. Sworzeń z od- spojoną powłoką stellitu 1 po przetopie nC CPS Fig. 2. The pin with Stelli- te 1 coating displacement after TS CPS melting Rys. 3. Powierzchnia czaszy kuli po szlifowa- niu z widocznymi pęknię- ciami powłoki mo wyko- nanej metodą nC CWS Fig. 3. Surface of bowl of ball after grinding with vi- sible cracks in the mo TS CWS coating nC CWS – Powierzchnia kuli po szlifowaniu po- włoki z mo z wyraźną siatką pęknięć na skutek prze- grzania powłoki podczas szlifowania oraz widocznym rozwarstwieniem, przyczyny – nieodpowiednia tarcza do szlifowania powłok nC, nieodpowiednie parametry szlifowania, brak dostatecznego chłodzenia (rys. 3). 44 Przegląd sPawalnictwa 9/2012 nC CWS – czop wału korbowego z przypaleniami szlifierskimi i siatką pęknięć przy promieniach przejścia (rys. 4, 5). nC CWS – czop wału z oderwaną powłoką stalową na skutek słabego połączenia adhezyjnego, czop tulei uszczelniającej zatarty z powodu niedostatecznego sma- rowania, z uszkodzoną powłoką od czoła czopu (rys. 6). Rys. 5. Promień przejścia na czopie wykorbionym z widocznymi przypalenia- mi szlifierskimi powłoki mo utworzonej przez nC CWS Fig. 5. The radius of the transition on the shaft neck with overheating by grin- ding mo TS CWS coating Rys. 6. Czop wału z oderwaną powłoką ze stali (nC CWS) na skutek słabego połączenia adhe- zyjnego Fig. 6. Shaft neck of the detached coating of steel nC CWS due to poor adhesive joint Rys. 7. Fragment tłoczy- ska o długości ok. 200 mm z popękaną powłoką WC-CoCr po nC HVOF Fig. 7. A part of 200 mm length piston rod with cracks in WC-CoCr co- ating after TS HVOF Rys. 8. Pokrywa dmuchawy z uszkodzoną powłoką Fe13Cr na skutek przemieszczenia się wir- ników Fig. 8. Blower cover with a damaged Fe13Cr coating by rotor displacement Rys. 9. Tuleje ochronne wałów z powłoką m4 (316) nC AWS Fig. 9. Protective sleeves of shafts coated with m4 (316) TS AWS Rys. 10. Tuleje ochronne wałów z powłoką m4 (316) nC AWS ze zbliżeniem zatartej powłoki w miejscu pracy uszczelnienia Fig. 10. Protective sleeves of shafts coated with m4 (316) ŁS AWS and seizing by seals in the workplace Rys. 11. Wał z uszkodzo- nym czopem od strony wirnika Fig. 11. Shaft and rotor with damaged shaft neck by the rotor side Rys. 12. Uszkodzony czop wału Fig. 12. Damaged shaft neck Rys. 13. Uszkodzona – zatarta powłoka ze stopu łożyskowego (nC AWS) na wodziku Fig. 13. Damaged coating by the bearing alloy (TS AWS) Rys. 4. Czopy wałów w czasie badań penetra- cyjnych i kontrolnego szli- fowania powłoki Fig. 4. Shaft neck during a penetration test and control grinding of coating nC HVOF – tłoczysko Ø50/L1500 mm o długości roboczej ok. 900 mm, po 2 latach eksploatacji, z wi- docznymi dwoma obszarami z mikropęknięciami po- włoki WCCoCr na długości 150 i 200 mm, powstałymi na skutek wysokiej temperatury, powłoka nie odpadła, na pozostałej powierzchni powłoki nie stwierdzono pęknięć (rys. 7). nC AWS – pokrywa dmuchawy, zatarcia powłoki na skutek przesunięcia jednego z wirników, oderwania po- włoki przy otworach przez drugi wirnik (rys. 8). nC CWS – powłoki na tulejach uszczelniających za- tarte na skutek pracy z uszczelnieniem, powłoki nie zo- stały oderwane od materiału rodzimego tulei (rys. 9, 10). nC HVOF – czop wałka sprężarek szybkoobroto- wych (37 000 obr/min), zatarcie powłoki WCCoCr na czopie najbliższym od strony wirnika, widoczne pęk- nięcia na czopie, oderwanie powłoki, a właściwie jej rozwarstwienie nastąpiło po awarii, widoczny brak zabrudzenia spalonym olejem oderwanego miejsca, przyczyna – brak dostatecznego smarowania czopu, brak kontroli nadzoru – w momencie postania drgań wału z wirnikiem należało wyłączyć turbosprężarkę (rys. 11, 12). nC AWS – zatarte powierzchnie powłok ze stopem łożyskowym na wodzikach i ślizgach w korpusie sprę- żarki, na skutek niedostatecznego smarowania (rys. 13). 45Przegląd sPawalnictwa 9/2012 Rys. 15. naprawiony kor- pus z powłoką z brązu CuSn8 nałożoną metodą nC AWS Fig. 15. Repaired housing with the CuSn8 bronze co- ating (TS AWS) Rys. 16. Segmenty łoży- ska wrzeciona szlifierki z rozwarstwioną i oddzie- loną od stali powłoką brą- zu CuSn8 Fig. 16. Parts of bearing in grinding spindle with delaminations and separa- tion from steel the CuSn8 bronze coating Rys. 17. Pęknięcia ujaw- nione na powłoce WcCoCr tulei osłonowej wału w miejscu współpracy uszczelnienia Fig. 17. Crack in the WC-CoCr coating on the sleeve of shaft in the seals in the workplace Rys. 18. Tuleja osłonowa Ø127,0-0,013 po badaniach penetracyjnych ponownie wykonanej metodą nC HVOF powłoki WC-CoCr Fig. 18. Sleeve Ø127,0-0,013 after penetration tests of HVOF sprayed WCCoCr coating Podsumowanie nakładanie powłok eksploatacyjnych za po- mocą technik natryskiwania cieplnego, przede wszystkim: naddźwiękowego HVOF, plazmowego AP jest powszechnie używane dla szerokiej gamy zastosowań przemysłowych. Techniki te są obec- nie podstawowe w zakresie inżynierii powierzch- ni powłok eksploatacyjnych w wyrobach dla wielu gałęzi przemysłu. Dostępność ogromnej liczby różnych materiałów stworzyła możliwość dostosowania natryskiwania HVOF i AP nawet do specjalistycznych zastoso- wań, w wyniku których otrzymuje się wyniki nie do uzyskania innymi technikami z zakresu inżynierii materiałowej. Literatura [1] materiały informacyjne firmy Resurs – Polska. [2] Klimpel A.: natryskiwanie i napawanie cieplne, Wydawnictwa Śląskie 1999. [3] materiały informacyjne firmy H.C. Stark, niemcy. Dobrej jakości powłoka eksploatacyjna wymaga nie tylko właściwego doboru i ustawienia technicz- nych parametrów natryskiwania cieplnego, czy też optymalnego przygotowania powierzchni, ale przede wszystkim doświadczenia pracowników firmy zdoby- wanego wielokrotnie latami pracy. Firma RESURS posiada certyfikat ISO 9001:2008, jest członkiem założycielem Polskiej Izby Spawalni- czej z siedzibą w Warszawie, jest też członkiem Euro- pejskiego Stowarzyszenia natryskiwania Cieplnego – GTS-Europe. Pracownicy firmy ukończyli specja- listyczne kursy z zakresu natryskiwania cieplnego organizowane przez ImP Warszawa oraz szkolenia w niemczech, organizowane przez European Fede- ration for Welding, Joining and Cutting – monachium. [4] materiały informacyjne firmy Flame Spray Technologies, Ho- landia. [5] materiały informacyjne firmy Sulzer metco, niemcy. Rys. 14. Uszkodzony – pęknięty korpus wraz z powłoką z brązu Fig. 14. Crack in the ho- using with bronze coating nC AWS – naprawa łożyskowania wału (łoża pod- trzymującego korpus kruszarki), na zdjęciach przed- stawiono element z pęknięciem i po naprawie metodą nC AWS brązem CuSn8 (rys. 14, 15). nC AWS – segmenty łożyska wrzeciona szlifierki z rozwarstwioną i oddzieloną od stali powłoką brązu CuSn8. Powłokę eksploatacyjną stanowi stop łoży- skowy wylewany odśrodkowo w tulei. Odspojenie po- włoki z brązu i stopu łożyskowego nastąpiło podczas rozcinania tulei na segmenty. Widoczne rozdzielenie się wewnętrzne powłoki z brązu oraz powłoki z brązu od stalowej obudowy na skutek słabego połączenia adhezyjnego (rys. 16). nC HVOF – tuleja ochronna wału wirnika z pęk- nięciami powłoki WC-CoCr zlokalizowanymi bada- niami penetracyjnymi, tuleja po naprawie z powłoką WC-CoCr (rys. 17, 18).