201208_PSpaw.pdf 3Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Bogdan Antoszewski Szymon Tofil Odporność na zużycie erozyjne i ścierne powłok natryskiwanych cieplnie erosion and wear resistance of thermal sprayed coatings Prof. dr hab. inż Bogdan antoszewski, mgr. inż. tofil Szymon – Politechnika Świętokrzyska, Kielce. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące oceny odporności na erozję ścierną powłok natryskiwa- nych cieplnie. Zaproponowano koncepcje stanowiska do badań erozji ściernej umożliwiającej badania w szero- kim zakresie, prędkości strugi ściernej (do 200 m/s), jak i zmiennego kąta jej padania (15÷90o). Uzyskane wyniki pozwalają uszeregować badane powłoki pod względem odporności, na zużycie erozyjno – ścierne jak, i wniosko- wać o charakterystycznych cechach procesu zużywania. abstract The article presents the results of the assessment of resistance to abrasive erosion of thermal sprayed co- atings. Proposed concepts for research positions to the abrasive erosion tests in a wide range of abrasive jet speed (up to 200 m/s) and a variable angle of inciden- ce (15÷90o). The obtained results allow to rank the co- atings tested for resistance to abrasive wear and erosion resistance as well as inferred the relevant features of the wear process. Wstęp Znaczna część zastosowań powłok natryskiwanych cieplnie dotyczy sytuacji, w których istotne znaczenie ma odporność na zużycie ścierne [3]. Jednym z pro- blemu jest zużycie erozji ściernej, wywołana mikroskra- waniem przez cząstki ścierniwa przemieszczające się wraz ze strumieniem płynu, najczęściej powietrza lub wody, a druga dotyczy ścierania przez umocowane we współpracującym elemencie cząstki ścierniwa [2]. Takie rodzaje zużycia dotyczą wszelkiego rodzaju instalacji transportu pneumatycznego np. w przemyśle- cemento- wo wapienniczygo czy też w energetyce, w instalacjach odpopielania, jak również w rolnictwie i w ziemnych maszynach roboczych pracujących w budownictwie. W ślizgowych węzłach tarcia ten rodzaj zużycia po- winien występować rzadko, np. w przypadku nie- szczelności układów zabezpieczających węzeł tarcia od wpływów zewnętrznych (zapylenie) i w przypadku niesprawności systemów filtrujących. Wymienione sytuacje należy zakwalifikować do patologicznych. Zużycie ścierne w klasycznej postaci w ślizgowych węzłach tarcia występować może przy niewystarcza- jącej trwałości smarującej warstwy granicznej podczas rozruchu i wybiegu maszyny. W podanych badaniach ocenie poddano wybrane rodzaje powłok natryskiwa- nych plazmowo, przy czym badania te miały charakter rozpoznawczy. Odporność na zużycie erozyjne Badania wykonano na stanowisku zbudowanym z następujących zespołów (rys. 1): – uchwyt umożliwiający ustawienie próbki pod zada- nym kątem (20÷90o) względem strugi powietrza ze ścierniwem, – dyszę z zaworami i rotametrem, – instalacji dozownika ścierniwa. Uchwyt oraz dysza zamontowane są w specjalnej obudowie, w której dolna część spełnia rolę pojemnika na zużyte ścierniwo. Jako dozownik ścierniwa wyko- rzystano podajnik proszku plazmotronu PE-250. Wybór odpowiednich sit podajnika zabezpieczał równomierne i powtarzalne podawanie ścierniwa na próbki. Specjalna konstrukcja dyszy umożliwia uzyskanie szerokiego zakresu prędkości strugi. Podawanie ścier- niwa do strugi powietrza już poza dyszą powoduje, że dysza praktycznie nie ulega zużyciu podczas badań. Badaniom poddano powłoki na podłożu ze stali S235JR z następujących materiałów: Al2O3 + 3% TiO2, Al2O3 + 14% TiO2, Al2O3+ 10% niO, W2C + 12% Co, 4 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Al2O3 + 10% Cr2O3, Cr2O3, natryskiwane plazmowo (APS) przy użyciu zestawu do natryskiwania plazmo- wego Plancer z plazmotronem Pn 120. Podczas natry- skiwania stosowano standardowe parametry natryski- wania opracowane na podstawie zaleceń producentów sprzętu do natryskiwania, producentów proszków i wła- snych doświadczeń. Powłoki miały typową dla natryski- wania cieplnego strukturę lamelarną. Jako reprezenta- tywny dla badanych powłok przykład przedstawiono zgład powłoki Al2O3+ 3% TiO2 wraz z analizą liniową składu (rys. 2, 3). Badania wykonano przy użyciu jako materiału ścier- nego selekcjonowanego piasku kwarcowego o średni- cy ziaren dz < 300 µm przy następujących parametrach: odległość dyszy od próbki l = 40 mm, prędkość wypły- wu z dyszy v = 98 m/s, kąt padania strugi względem płytki 30o, 45o, 60o, 90o. Próbkę stanowiła płytka o wymiarach 70x70 mm z naniesioną powłoką o grubości 0,3÷0,6 mm. Próbki przygotowane do badań nie poddawano szlifowaniu. miarą zużycia próbki był ubytek masy oraz objętości po przeprowadzeniu próby (zużycie 1 kg ścierniwa). W celu uzyskania miarodajnych wyników próby przy zadanych parametrach przeprowadzano sześcio- krotnie. Pomiar ubytku objętości próbki wykonywa- no na kształtografie PG 2-200 z przystawką 3D. Do- datkowo ubytki masy przeliczano na ubytki objętości i porównywano, wyniki z pomiarami uzyskanymi na kształtografie. Operacja ta umożliwiała ocenę ilości ścierniwa wbitego w materiał próbki. na rysunku 4 przedstawiono zależność zużycia od ilości materiału ściernego, stosując metodę naj- mniejszych kwadratów do aproksymacji prostą. Z wy- kresów tych wynika, że: materiały natryskiwane pla- zmowo mają wklęsłą krzywą zużycia, co dowodzi, że w miarę zużywania prędkość zużycia rośnie. Wskazuje to, że powierzchniowa warstwa powłoki jest bardziej spójna niż jej wnętrze. Rys. 1. Przekrój dyszy (a) oraz schemat stanowiska do bada- nia odporności powłok na zużycie ścierniwem w strudze powie- trza (b), gdzie: 1 – próbka, 2 – dysza, 3 – rotametr, 4 – obudowa, 5 – pojemnik na zużyte ścierniwo Fig. 1. Cross-section of the nozzle (a) and scheme of position to the wear resistance of coatings test in the spray blast of air (b), where: 1 – sample, 2 – nozzle, 3 – rotameter, 4 – housing, 5 – bin for used grit Rys. 2. Lamelarna struktura powłoki Al2O3 + 3% TiO2 [2] Fig. 2. Structure of Al2O3 + 3% TiO2 coating [2] Rys. 3. Struktura i rozkład liniowy pierwiastków w powłoce Al2O3 + 3% TiO2 [2] Fig. 3. Structure and EDS analysis of Al2O3 + 3% TiO2 coating [2] Rys. 4. Zależność zużycia erozyjnego powłok plazmowych od ilości zużytego ścierniwa Fig. 4. Function of erosion wear of coating to the mass of consumed abrasive material a) b) 5Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Przedstawione na rysunku 5 histogramy prędkości zużywania pozwalają stwierdzić, że spośród badanych powłok plazmowych najwyższą odporność na zużycie mają powłoki z Cr2O3. Analizując przebieg zużycia w zależności od kąta padania strugi ścierniwa można stwierdzić, że po- włoki plazmowe zachowują się jak materiały kruche, tzn. że wzrostem kąta padania ścierniwa zużycie ro- śnie (rys. 6). Wyjątek stanowi powłoka z tlenku glinu z 10% dodatkiem tlenku niklu, dla której zużycie wraz ze wzrostem kąta maleje. Odporność na zużycie ścierne Badania przeprowadzono na urządzeniu testo- wym T-07 umożliwiającym oznaczenie ścieralności materiałów zgodnie z normą ASTm G6585 (rys. 8a) [1]. Testowy węzeł tarcia tworzy płytka 1 stykająca się z luźnym ścierniwem, doprowadzonym do strefy styku ze zbiornika 4 oraz przez dozownik 3 i ogumioną rolkę 2. Obciążenie styku zapewnia dźwignia 6 z obciążni- kiem 7. Rolka 2 osadzona na wałku napędzana jest sil- nikiem elektrycznym przez przekładnię pasową i prze- kładnię zębata. Aparatura kontrolno-pomiarowa testera ograniczona jest do układu zliczającego obroty rolki i wyłączającego silnik po wykonaniu zadanej liczby ob- rotów. Badano próbki z powłokami natryskiwanymi pla- zmowo z Al2O3, Cr2O3 oraz W2C (płytka C45 30X30X2). Grubość powłok po szlifowaniu powierzchni wynosiła 0,3 mm. Obciążenie styku wynosiło 22 n, prędkość obrotowa rolki 60 obr/min, jako ścierniwo stosowano elektrokorund EB ziarno 14. Zużycie próbek mierzono dwoma metodami, przez pomiar ubytku masy próbki oraz obliczenie ubytku objętości na podstawie pomiarów profilów śladu zu- życia (rys. 7). Do tej ostatniej metody wykorzystano kształtograf PG 2-200 z przystawką do pomiarów przestrzennych 3D. Wyniki pomiarów przeliczone na ubytki objętości badanych materiałów przedstawiono na rysunku 8b. Rys. 5. Histogram prędkości erozyjnego zużywania α = 90o powłok plazmowych Fig. 5. Bar chart of erosion wear velocity of plasma transferred arc coating, α = 90o Rys. 6. Zależność zużycia powłok plazmowych od kąta padania strugi Fig. 6. Function of plasma transferred arc coating and the angle of abrasive metal stream Rys. 7. Profil śladu zużycia próbki – kształtograf PD 2-200 Fig. 7. Sample wear profile – PD 2-200 surface analyzer Rys. 8. Testowy węzeł tarcia (a) oraz zużycie przy tarciu w obecności ścierniw; 1 – próbka, 2 – płytka – ogumowana rolka, 3 – zawór dozu- jący ścierniwo, 4 – zasobnik ze ścierniwem, 5 – kierownica, 6 – ramię dźwigni obciążającej, 7 – obciążnik Fig. 8. Friction test node and wear at the friction in the presence of abrasives, 1 – sample, 2 – rubberized roller, 3 – abrasive metering valve, 4 – tray with abrasive, 5 – steering wheel, 6 – loading lever arm, 7 – the weight 6 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Podsumowanie Przeprowadzone badania pozwalają przedstawić następujące wnioski: – zaprezentowana metodyka badań umożliwia szybkie i wiarygodne uszeregowanie materiałów pod kątem ich odporności na zużycie erozyjne, – powłoki z materiałów ceramicznych natryskiwane plazmowo podczas zużycia erozyjnego zacho- wują się jak materiały kruche, przebieg zużycia wskazuje, że warstwa wierzchnia powłoki jest bardziej odporna na zużycie niż wnętrze powłoki z wyjątkiem powłoki Al2O3 + 14% TiO2, Literatura [1] Tribologia i trybotechnika – redakcja naukowa marian Szcze- rek, marek Wiśniewski, Wydawnictwo ITE Radom 2000. [2] Kulu P., Hussainova I., Veinthal R.: Solid particle erosion of thermal sprayed coatings, Wear 258 (2005), s. 488–496. – wzrost kąta padania strugi ściernej w zakresie od 15o do 90o powoduje intensyfikację procesów zużycio- wych, wyjątek stanowi powłoka z Al2O3 + 10% niO, – spośród badanych materiałów najwyższą odpor- ność na zużycie erozyjne wykazywał Cr2O3 jako najbardziej twardy materiał i W2C + 12% Co jako materiał łączący właściwości twardych odpor- nych na ścieranie węglików z miękką i plastyczną osnową kobaltową. [3] L. Pawlowski, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, John Wiley & Sons Ltd., London, 1995. Laureat Medalu St. Olszewskiego Mgr inż. Roman andrzejczak Ukończył studia na Wydziale Budowy maszyn i Okrętów Politechniki Szczecińskiej w 1974 r. W latach 1973-1982 był zatrudniony na Politechnice Szczecińskiej w Zakładzie Spawalnictwa na stanowisku asystenta, st. asystenta, gdzie prowadził zajęcia z: technologii spawalnictwa, kontroli jako- ści, wytwarzania konstrukcji stalowych, materiałoznawstwa. W latach 1982-1984 był specjalistą technologiem ds. spawal- nictwa w zakładzie ZREmB Gorzów Wlkp. Z firmą ZREmB Famabud Szczecin był związany jako Główny Spawalnik i zastępca Głównego Technologa (1984-1991). Jego naj- większym osiągnięciem zawodowym, było znaczne rozsze- rzenie oferty produkcyjnej firmy (produkującej wcześniej tyl- ko jeden typ żurawia budowlanego), m.in.: segment kolejowy – podwozia wagonów, zestawy kołowe itp., żurawie wieżo- we, osprzęt do urządzeń podnośnych (chwytaki, trawersy) oraz inne dla indywidualne potrzeby klientów. W latach 1991-2006 był współwłaścicielem, wiceprezesem do spraw technicznych i głównym spawalnikiem firmy TECHKOn Szczecin. Zorganizował od podstaw wytwórnię konstrukcji stalowych, która przez 15 lat wykonywała wysokiej jakości, skomplikowane konstrukcje, często z projektowaniem i pod nadzorem UDT lub TDT. W 2006 r. specjalistą ds. kontaktów zewnętrznych w firmie REmECH Police. Skutecznie wpro- wadził firmę (spółkę-córkę Zakładów Chemicznych Police) na rynek zewnętrzny konstrukcji stalowych. natomiast od 2007 r. gł. spawalnikiem, kierownik Działu Kontroli Jako- ści oraz inżynier projektu w zakładzie InKOS w Jasienica k. Szczecina. mgr inż. Roman Andrzejczak jest autorem kilkunastu eks- pertyz technicznych, które wykonał jako rzeczoznawca ZOR- POT, przez cały okres działalności zawodowej szkolił i egza- minował spawaczy oraz przeprowadzał nadzór mistrzowski i bezpośredni. na Politechnice Szczecińskiej miał otwarty przewód doktorski (1978) nt. „Zjawisk łukowych przy spawa- niu elektrodą taśmową w osłonach gazowych”, przerwany z powodu odejścia z uczelni. Jest autorem 8 wdrożonych w przemyśle projektów wynalazczych. Jest członkiem SImP i Sekcji Spawalniczej od 1973 r., wieloletnim członkiem Zarządu O/Sekcji, przez jedną kaden- cję członek ZG Sekcji Spawalniczej (I połowa lat 90), w ra- mach działalności Sekcji wygłosił 6 odczytów oraz zorganizo- wał wycieczkę techniczną do ZREmB Famabud dla członków Sekcji. Jest współautorem 2 publikacji wydanych w materia- łach konferencyjnych (i wygłoszonych w postaci referatów przez doc. Kłosowskiego), powstałych w okresie asystentury, na podstawie prowadzonych prac naukowo-badawczych. W okresie pracy na Politechnice Szczecińskiej został wy- różniony: czterema nagrodami Rektora Politechniki Szcze- cińskiej (1976, 1997, 1998, 1979), jedną nagrodą ministra nauki, Techniki i Szkolnictwa Wyższego (1976) oraz jedną nagrodą Dziekana Wydziału Budowy maszyn i Okrętów Poli- techniki Szczecińskiej (1975). Artykuł współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego projektu ,,INWENCJA – Potencjał młodych naukowców oraz transfer wiedzy i innowacji wsparciem dla kluczowych dziedzin świętokrzyskiej gospodarki”.