PS 4 2018 WWW.pdf 56 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 4/2018 Możliwości poprawy odporności na erozję kawitacyjną  staliwnych zaworów hydraulicznych A possibility to improve resistance of cast-steel hydraulic valves to cavitation erosion Prof. dr hab. inż. Antoni W. Orłowicz; dr hab. inż. Marek Mróz, prof. PRz; mgr inż. Magdalena Radoń; mgr inż. Bogdan Kupiec;  mgr inż. Magdalena Jacek; mgr inż. Paulina Sobolewska – Politechnika Rzeszowska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: m.radon@prz.edu.pl Streszczenie Powierzchnie wewnętrzne gniazd uszczelniająco-odwad- niających zaworów hydraulicznych są zwykle odwzorowane przez wkładki wykonane ze stopu miedzi, które są mechanicz- nie połączone z korpusem zaworu. Wskutek gwałtownych zmian ciśnienia wody, wkładki te mogą ulec poluzowaniu, co powoduje nieszczelność zaworów. W pracy zapropo- nowano nowe rozwiązanie poprzez zastosowanie powłoki natryskiwanej plazmowo. Przedstawiono wyniki badań od- porności na erozję kawitacyjną dotychczas stosowanego materiału wkładki ze stopu CuZn39Pb2Al oraz materiału po- włoki wykonanej z proszku WCCoCr 86104. Oceniono struk- turę geometryczną powierzchni kraterów kawitacyjnych (parametr Rt). Stwierdzono, że powłoka naniesiona plazmo- wo charakteryzuje się zdecydowanie wyższą odpornością na erozję kawitacyjną, w porównaniu do dotychczas stoso- wanego materiału wkładki ze stopu CuZn39Pb2Al. Słowa kluczowe: zawory hydrauliczne; zużycie kawitacyjne; powłoka natryskiwana plazmowo Abstract Inner surfaces of sealing-draining seats in hydraulic valves are usually reproduced by inserts made of a copper alloy joined mechanically with valve housing. As a result of sudden variations in water pressure, they can be subject to loosening which leads to deterioration of valve tightness. In the paper, a new solution is proposed for finishing surfaces of valve seats by application of a plasma-sprayed coating. The solution is validated by results of cavitation erosion resistance test performed for both the CuZn39Pb2Al alloy used earlier for the inserts and the material of coating made of WCCoCr 86104 powder. The resistance assessment was based on geometrical structure of cavitation craters (param- eter Rt). It has been found that the plasma-sprayed coating demonstrated a definitely higher resistance to cavitation ero- sion compared to CuZn39Pb2Al alloy used earlier for valve seat inserts. Keywords:  hydraulic valves; cavitation wear; plasma- sprayed coating Wstęp Erozja kawitacyjna występuje w elementach instalacji hy- draulicznych, których powierzchnie mają styczność z wodą przepływającą z dużą prędkością, w takich jak łopatki, czy wirniki pomp wodnych [1,2]. Jedną z metod poprawy odporności na erozję kawita- cyjną jest zastosowanie napoin wykonanych technikami spawalniczymi, na przykład napawaniem laserowym, na- pawaniem w atmosferze gazów ochronnych, czy napawa- niem plazmowym [3,4]. Jednak zastosowanie spawalniczej techniki wiąże się z ryzykiem wystąpienia pęknięć spawal- niczych w obszarze nadtopień lub w strefie wpływu ciepła [5,6]. Problem ten nie występuje w przypadku kształtowania powłok metodą natryskiwania plazmowego, np. VPS, APS, czy HVOF. Antoni W. Orłowicz, Marek Mróz, Magdalena Radoń, Bogdan Kupiec, Magdalena Jacek, Paulina Sobolewska przeglad Welding Technology Review Celem pracy była ocena możliwości poprawy odporności na erozję kawitacyjną gniazd uszczelniająco-odwadniają- cych zaworów hydraulicznych poprzez zastosowanie po- włoki natryskiwanej plazmowo metodą HVOF. Materiał i metodyka badań Materiałem do badań były próbki ze staliwa G17Mn5 oraz próbki ze stopu CuZn39Pb2Al, stosowanego dotychczas na wkładki gniazd uszczelniająco-odwadniających zaworów hydraulicznych, o wymiarach 20 x 20 x 5 mm. Staliwne próbki do natryskiwania plazmowego proszkiem WCCoCr 86104 odtłuszczono acetonem, a następnie poddano DOI:.http://dx .doi .org/10 .26628/ps .v90i4 .883 57PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 4/2018 Rys. 1. Schemat integracji elementów stanowiska zrobotyzowanego spawania wiązką laserową Fig. 1. Results of examination of shape, size, percentage share, and chemical composition of WCCoCr 86104 powder particles Rys. 2. Makro- (a) i mikrostruktura (b) powłoki wykonanej z proszku WCCoCr 86104 Fig. 2. (a) Macro- and (b) microstructure of a coating made of WCCoCr 86104 powder piaskowaniu, w celu rozwinięcia powierzchni, dla zapewnie- nia lepszej przyczepności powłok do podłoża. Wyniki badań kształtu, rozmiaru, udziału procentowego i składu chemicznego cząstek proszku WCCoCr 86104 (rys. 1). Proces natryskiwania plazmowego powłoki na staliwne podłoże wykonano w firmie Thermisches Beschichtungs Center Uskovic GmbH, z wykorzystaniem urządzenia Ther- mico C-CJS-N HVOF, wyposażonego w podajnik CPF-2 z grawimetrycznym podawaniem proszku oraz w palnik K 5.2 z dyszą przyśpieszającą o średnicy 140 mm. Badania odporności na erozję kawitacyjną wykonano w wodzie destylowanej, z zastosowaniem aparatu Sonics, firmy Vibra-Cell. Częstotliwość drgań wynosiła 20 kHz. Odle- głość czoła głowicy ultradźwiękowej od powierzchni próbki wynosiła 0,5 mm. Czas oddziaływania kawitacyjnego wyno- sił 120 minut. Zużycie kawitacyjne próbek oceniono w oparciu o profi- logramy wykonane wzdłuż linii przechodzącej przez środek kraterów kawitacyjnych. Badania makro- i mikrostruktury powłok wykonano z za- stosowaniem mikroskopu skaningowego VEGA XMH. Wyniki badań i ich analiza Przykładową makrostrukturę powłoki WCCoCr 86104 przedstawiono na rysunku 2. Stwierdzono, że powłoka jest dobrze połączona ze staliw- nym podłożem (rys. 3). Wybrane profilogramy powierzchni próbek po kawitacji, wykonane wzdłuż linii przechodzącej przez środki kraterów kawitacyjnych, przedstawiono na rysunku 4. Uzyskane rezultaty wskazują na zdecydowanie większą podatność na zużycie kawitacyjne materiału dotychczas stosowanego na wkładki gniazd uszczelniająco-odwadnia- jących zaworów, w porównaniu do powłoki WCCoCr 86104. Stwierdzono, że krater kawitacyjny uzyskany na powłoce WCCoCr 86104 charakteryzował się znacznie mniejszą głę- bokością i mniejszą szerokością niż krater na dotychczas stosowanym materiale wkładki. Wyniki obserwacji powierzchni kraterów kawitacyjnych przedstawiono na rysunku 5. Kształt Rozmiar, µm Udział, % kuliste 10÷19 2÷10 20 20 globularne 20÷30 60 Skład chemiczny, % W Co Cr C 80,10 10,73 3,67 5,50 a) b) 58 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 4/2018 Rys. 3. Widok granicy podłoże staliwne-powłoka WCCoCr 86104 – dobra jakość połączenia Fig.  3. View of the cast-steel substrate-WCCoCr 86104 coating boundary Rys. 4. Przykładowe profilogramy kraterów kawitacyjnych: a) stop CuZn39Pb2Al, b) powłoka WCCoCr 86104 Fig. 4. Example profilograms of cavitation craters: a) CuZn39Pb2Al alloy, b) WCCoCr coating Rys. 5. Widok krateru kawitacyjnego: a) stop CuZn39Pb2Al, b) po- włoka WCCoCr 86104 Fig. 5. A view of cavitation crater: a) CuZn39Pb2Al alloy, b) WCCoCr coating b) a) Rt = 19,4 µm Rt = 31,9 µm Wnioski  Uzyskane wyniki badań wskazują, że natryskiwana plazmowo powłoka WCCoCr 86104 charakteryzuje się wyższą odpor- nością na erozję kawitacyjną niż stop CuZn39Pb2Al, dotychczas stosowany na wkładki gniazda uszczelniająco-odwadniają- cego zaworów hydraulicznych, co uzasadnia zastosowanie tej technologii w procesie produkcyjnym zaworów. a) b) Literatura [1] Kumar P., Saini R.P.: Study of cavitation in hydro turbines – A review, Rene- wable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, pp. 374-383, 2010. [2] Dorji U., Ghomashchi R.: Hydro turbine failure mechanisms: an overview, Eng. Fail. Anal., vol. 44, pp. 136-147, 2014. [3] Romo S.A., Santa J.F., Giraldo J.E., Toro A.: Cavitation and high-velocity slurry erosion resistance of welded Stellite 6 alloy, Tribology International, vol. 47, pp. 16-24, 2012. [4] Kwak C.F., Man H.C., Cheng F.T.: Cavitation erosion–corrosion behavio- ur of laser surface alloyed AISI 1050 mild steel using NiCrSiB, Materials Science and Engineering, A303, pp. 250-261, 2001. [5] Malek Ghaini F., Ebrahimnia M., Gholizade Sh.: Characteristics of crack in heat affected zone of ductile cast iron in powder welding process, Engi- neering Failure Analysis, vol. 18, pp. 47-51, 2011. [6] Ebrahimnia M., Malek Ghaini F., Gholizade Sh., Salari M.: Effect of co- oling rate and powder characteristics on the soundness of heat affec- ted zone in powder welding of ductile iron, Materials and Design, vol. 33, pp. 551-556, 2012.