Faza 4: Cercetări preliminare în vederea extinderii posibilităților de apicare a procedeului de pulverizare HVOF. Plan de dezvoltare în continuare a tematicii Rezumatul fazei: Lucrarea elaborată Caracterizarea straturilor depuse. Identificarea aplicațiilor industriale. Diseminarea rezultatelor cercetării. reprezintă a patra fază a proiectului PN 09 160111/2015 cu titlul Cercetări preliminare în vederea extinderii posibilităților de apicare a procedeului de pulverizare HVOF. Plan de dezvoltare în continuare a tematicii. În cadrul acestei faze s a analizat posibilitatea aplicării procedeului HVOF pentru creşterea rezistenței la uzură şi îmbunătățirea protecției, ca alternativă la procedeul de cromare dură. În prima parte a lucrării se prezintă posibilitatea utilizării echipamentului de pulverizare termică ca alternativă la procedeul de cromare dură prin electroplacare. Se prezintă caracteristicile procesului de cromare împreună cu aplicațiile din industrie. De asemenea se analizează avantajele şi dezavantajele procesului de cromare cât şi materialele implicate în cadrul procesului. Capitolul 1 continuă cu noțiuni referitoare la caracteristicile proceselor de pulverizare termică (HVOF) şi cromare prin electroplacare, punându se accent pe cromare. Cromarea dură a reprezentat o soluție industrială de încredere pentru reducerea uzurii, eroziunilor, creşterea rezistenței la coroziune şi de recondiționare dimensională a pieselor şi componentelor utilizate în aceste medii solicitante. Procedeul de cromare dură poate fi aplicat la un cost rezonabil per unitatea de suprafață, dar are limitări privind grosimile de strat ce pot fi obținute cât şi dimensiunile pieselor ce pot fi cromate iar în unele cazuri pot apărea şi performanțe scăzute în fucționare. Procedeul de cromare constă în o tehnica de galvanizare a unui strat subțire de crom pe un obiect de metal sau plastic. Stratul cromat poate fi decorativ (cromare estetică) cu un aspect lucios cu bune proprietăți anticorozive sau poate fi dur, de asemenea cu rezistență mare la coroziune dar şi rezistență la uzare prin creşterea durității de suprafață. Aspectul stratului aferent cromării dure este unul mat de culoare gri închis. Cromarea decorativă (estetică) este dedicată unui aspect estetic si durabil. Grosimile de strat variază de la 0.05 până la 0.5 μm, cu toate acestea grosimea de strat utilizată de obicei este între 0.13 și 0.25 μm. Grosimea straturilor depuse prin cromare dură tinde să fie mai mare decât grosimea straturilor cromate decorativ, cu grosimi standard de strat, în aplicații altele decât cele de recondiționare, variind între 200 600 μm. Aceste valori pot fi cu un ordin de mărime mai mari pentru cerințele extreme de rezistență la uzură, până la 1000 μm sau peste, pentru a oferi rezultate optime. Din păcate, astfel de grosimi subliniază limitările procesului, care sunt depășite prin depuneri suplimentare care apoi sunt supuse la operații de şlefuire și lepuire pentru a satisface cerințele de calitate, rugozitate a suprafeței sau pentru a îmbunătăți estetica de ansamblu a piesei "cromate". Capitolul 1 se încheie cu specificarea unor aplicații industriale cheie, specifice unor condiții ridicate de rezistență la uzare şi coroziune, cu grad mare de interes din punct de vedere al ingineriei aferente industriei automotive şi aeronautic. În figurile 1 şi 2 sunt prezentate aplicații specifice ale utilizării procedeului de pulverizare cu carburi de crom.
Fig. 1. Componente din industria automotive cromate dur (cilindri, supape şi segmenți) a) b) Fig. 2. Piston durificat la suprafață prin HVOF cu WC / Co În continuarea lucrării, respectiv capitolul 2, se face o comparație între procedeele de cromare prin electroplacare şi cromare prin pulverizare termică. Se face o analiză scurtă asupra etapelor de proces cât şi a avantajelor şi limitărilor procedeelor. Se prezintă şi o analiză a microstructurii straturilor obținute în funcție de procedeu şi capitolul se încheie cu câteva exemple de aplicații din industrie. La compararea celor două procese, se poate face o analiză a factorilor economici implicați în stabilirea și menținerea ambelor tipuri de facilități necesare pentru cromare electrolitică şi pulverizare. Următorii factori fac pulverizarea termică competitivă comercial cu cromarea electrolitică: costul de capital cheltuielile de capital relative pentru stabilirea de facilități cu aceeași capacitatea de producție sunt mult mai mari pentru cromarea electrolitică decât pentru pulverizarea termică. spațiu necesar O instalație de pulverizare termică necesită un spațiu semnificativ mai mic deât o facilitate echivalentă de electroplacare. costul de energie pentru electroplacare, sunt necesari aproximativ 10 wați de energie pentru o suprafață de 1 cm 2. Pe măsură ce crește dimensiunea piesei cresc şi costurile pentru energie. Pentru pulverizare termică, dimensiunea piesei afectează timpul necesar de realizare a acoperirilor, deci implicit şi costurile energetice care sunt similare.
eliminarea deșeurilor modul de eliminare a constituenților reziduali din procesul de electroplacare este ce în ce mai costisitoare din considerente de protecția mediului. Reglementările privind controlul poluării solicita ca fiecare unitate săfacă investiții substanțiale pentru a oferi un mod adecvat pentru tratarea deșeurilor. Pulverizarea termică produce deșeuri periculoase sub formă de praf metalic, a căror eliminare se realizează relativ ușor. diversitatea de materiale o instalație de cromare reprezintă un angajament total, pentru un singur tip de acoperire, în timp ce o instalație de pulverizare termică oferă capacitatea de a produce o gamă larga de acoperiri. Procesul de electroplacare utilizează aproape dublul numărului de etape necesar procesului de pulverizare termică. Acest lucru se traduce în timpul de procesare mai mare, semnificativ mai lung pentru cromare decât pentru pulverizare termică. În tabelul 1 se prezintă succint o comparație între cele două procedee de cromare. Tabel 1. Comparație între etapele de proces pentru cromarea dură. Nr. Etapă proces Cromare dură electrolitică Cromare dură HVOF crt 1 Degresare X X 2 Alcalinizare X 3 Sablare X 4 Curățare X 5 Atac chimic X 6 Curățare X 7 Galvanizare / depunere X X 8 Curățare X 9 Uscare X 10 Operații finisare X X Capitolul se încheie cu specificarea succintă a avantajelor, dezavantajelor şi limitărilor procedeelor. De exemplu, în cazul utilizării electroplacării, în mediul electrolitic se pot afla consitutenți pe bază de Fe care vor avea efect negativ asupra calității stratului final. În figura 3 se prezintă o microstructură a stratului depus prin electroplacare în care se observă o rețea de fisuri şi impurități care reduc semnificativ calitatea stratului din punct de vedere al rezistenței la uzare dar în special la coroziune. Fig. 3. Microstructura tipică de cromare prin electroplacare prezintă o rețea de microfisuri care furnizează posibile rute de penetrare a coroziunii împreună cu limitările mecanice inerente.
În cadrul capitolului 3 se specifică materialele propuse spre utilizare în cadrul programului experimental de depunere ce va fi dezvoltat în cadrul tematicilor şi proiectelor viitoare. Materialele analizate în cadrul acestui capitol se referă la patru tipuri de pulberi specifice pentru procedeul de pulverizare termică HVOF cu rolul de alternativă la procesul de cromare, având caracteristici finale de strat similare cu ale acestuia. De menționat faptul că aceste pulberi au fost achiziționate prin proiect în cadrul acestei faze. În vederea realizării unui program experimental de pulverizare, s au stabilit 4 tipuri de pulbere pentru încercări. Pulberile alese sunt Amdry 5260, Metco 5803, Woka 7104 şi Woka 7504. Concentrațiile de Cr din aceste pulberi variază, la fel şi dimensiunea particulelor cât şi modul de fabricație al acestora. Pulberile menționate vor avea ca rezultat, în urma programelor experimentale de depunere, care vor fi realizate în cadrul tematicilor şi proiectelor viitoare, straturi cu proprietăți ridicate de rezistență la coroziune şi uzare comparabile cu cele obținute de straturile realizare prin electroplacare. Pulberea Amdry 5260 are un aspect sferic. Este o pulbere realizată prin aglomerare pentru pulverizare termică. Aceasta constă din 75% carbură de crom care are rezistență superioară la uzură şi prezintă o tendință minimă pentru descompunere în timpul procesului de pulverizare termică. În tabelul 2 se prezintă succinct caracteristicile pulberii Amdry 5206 Tabel 2. Caracteristicile pulberii Amdry 5206 Clasificare Carbură bazată pe Cr Compoziție chimică Cr3C2 25(80Ni 20Cr) Mod de fabricație Aglomerare şi densificare Caracteristici Morfologie Sferoidală Amdry 5206 Densitatea aparentă 3.0 4.0 g/cm 3 Temperatura de funcționare < 870 C Rol Rezistență la coroziune şi uzare Procedeu recomandat de pulverizare HVOF Aspectul pulberii, în urma examinării microscopului electronic cu baleiaj, este prezentat în figura 4. Fig. 4. Examinări SEM ale morfologiei pulberii Amdry 5260 (sus) cât şi ale microstructurii (jos) Pulberea Metco 5803 constă din carbură de wolfram şi cobalt amestecată mecanic cu minim 25% nichel.. Aceasta a fost produsă special ca o alternativă a pulverizării termice pentru cromare prin electroplacare.
În tabelul 3 se prezintă succinct caracteristicile pulberii Metco 5803 Tabel 3. Caracteristicile pulberii Metco 5803 Caracteristici Metco 5803 Clasificare Compoziție chimică Mod de fabricație Carbură bazată pe W WC 12Co 25(Ni Superalloy) Amestecare Morfologie Sferoidală / Neregulată Densitatea aparentă 3,6 g/cm 3 Temperatura de funcționare < 500 C Rol Procedeu recomandat de pulverizare Rezistență la coroziune şi uzare HVOF Aspectul pulberii, în urma examinării microscopului electronic cu baleiaj, este prezentat în figura 5. Fig. 5. Examinări SEM ale morfologiei pulberii Metco 5803 Pulberea Woka 7104 în comparație cu celelalte tipuri de pulberi de acoperire care conțin carbură de wolfram, conține carbură de crom care poate rezista la temperaturi mai ridicate de funcționare de până la 870 C Este un produs cu particule sferiece, pulberi aglomerate și sinterizate pentru pulverizare termică care conțin 80% carbură de crom cu rezistență mare la uzură. În tabelul 4 se prezintă succinct caracteristicile pulberii Woka 7104 Tabel 4. Caracteristicile pulberii Woka 7104 Caracteristici Woka 7104 Clasificare Compoziție chimică Mod de fabricație Carbură bazată pe Cr Cr3C2 20(Ni 20Cr) Aglomerare şi sinterizare Morfologie Sferoidală Densitatea aparentă 2,3 2,9 g/cm 3 Temperatura de funcționare < 870 C Rol Procedeu recomandat de pulverizare Rezistență la coroziune şi uzare HVOF
Aspectul pulberii, în urma examinării microscopului electronic cu baleiaj, este prezentat în figura 6. Fig. 6. Examinări SEM ale morfologiei pulberii Woka 7104 (sus) cât şi ale microstructurii (jos) Pulberea Woka 7504 conține particule de formă sferoidală şi este realizată prin aglomerare şi sinterizare. Are o distribuție uniformă a carburii de crom de 43% şi 37% carbură de wolfram. În tabelul 5 se prezintă succinct caracteristicile pulberii Woka 7504 Tabel 5. Caracteristicile pulberii Woka 7504 Caracteristici Woka 7504 Clasificare Compoziție chimică Mod de fabricație Carbură bazată pe Cr W Cr3C2 37WC 18Metal Alloy Aglomerare şi sinterizare Morfologie Sferoidală Densitatea aparentă 3,1 3,8 g/cm 3 Temperatura de funcționare < 700 C Rol Procedeu recomandat de pulverizare Rezistență la coroziune şi uzare HVOF Aspectul pulberii, în urma examinării microscopului electronic cu baleiaj, este prezentat în figura 7.
Fig. 7. Examinări SEM ale morfologiei pulberii Woka 7504 (sus) cât şi ale microstructurii (jos). Aceste pulberi vor fi utilizate pentru dezvoltarea unui program experimental de depunere de straturi cu proprietăți bune de rezistență la coroziune şi uzare pentru a răspunde unor oportunități de aplicare industrială. Lucrarea se încheie cu capitolul 4 în care se prezintă echipamentul pentru realizarea programului experimental preliminar de depunere. În cadrul fazei anterioare s a menționat posibilitatea dezvoltării procesului de pulverizare HVOF, din cadrul institutului, prin robotizarea acestuia. În urma unui acord de colaborare cu firma Mitsubishi Electric din Polonia, s a obținut robotul menționat, Mitsubishi model RV12SD/12SDL, şi în cadrul prezentei faze acesta a fost poziționat şi pus în funcțiune în incinta de pulverizare HVOF, din dotarea institutului ISIM Timişoara. S au realizat operațiile necesare pentru adaptarea pistoletului de pulverizare, de tip Diamond Jet 2700 DJM model DJ9W. În figura 8 se poate observa robotul cu pistoletul de pulverizare montat pe acesta.
Fig. 8. Detaliu pistolet pulverizare montat pe robotul Mitshubishi model RV12SD/12SDL S au realizat probe funcționale preliminare pentru a demonstra că robotul răspunde cerințelor de aplicare a procedeului de pulverizare HVOF pentru piese cu geometrie complexă. Având în vedere noile grade de libertate posibile, prin utilizarea acestui robot, se vor putea face depuneri mult mai precise, cu parametrii constanți ai regimului tehnologic de pulverizare HVOF. De asemenea, datorită posibilității programării acestuia, se pot aborda depuneri pe suprafețe şi geometrii complexe de materiale în cadrul tematicilor viitoare. Concluziile finale referitoare la această fază relevă faptul că pulverizarea termică HVOF, este o alternativă viabilă pentru înlocuirea procesului de cromare prin electroplacare. Ca urmare, acoperirea prin pulverizare termică HVOF a pulberilor ce prezintă rezistență mare la uzare şi coroziune se pretează la un domeniu larg de aplicatii, în special caracteristic pentru industria automotive şi aeronautică. În cadrul tematicilor viitoare, aceasta va fi folosită pentru realizarea programului experimental de depunere a pulberilor prezentate în cadrul fazei.