PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 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.  

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 

 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 cm2. 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. 

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 •  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. crt 

Etapă proces  Cromare dură electrolitică  Cromare dură HVOF 

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. 

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 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 

Caracteristici Amdry 5206 

Clasificare  Carbură bazată pe Cr 

Compoziție chimică  Cr3C2 25(80Ni 20Cr) 

Mod de fabricație  Aglomerare şi densificare 

Morfologie  Sferoidală 

Densitatea aparentă  3.0 – 4.0 g/cm3 

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.  

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 În tabelul 3 se prezintă succinct caracteristicile pulberii Metco 5803 Tabel 3. Caracteristicile pulberii Metco 5803 

Caracteristici Metco 5803 

Clasificare  Carbură bazată pe W 

Compoziție chimică  WC 12Co 25(Ni Superalloy) 

Mod de fabricație  Amestecare 

Morfologie  Sferoidală / Neregulată 

Densitatea aparentă  3,6 g/cm3 

Temperatura de funcționare  < 500 °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 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  Carbură bazată pe Cr 

Compoziție chimică  Cr3C2‐20(Ni 20Cr) 

Mod de fabricație  Aglomerare şi sinterizare 

Morfologie  Sferoidală  

Densitatea aparentă  2,3 – 2,9 g/cm3 

Temperatura de funcționare  < 870 °C 

Rol  Rezistență la coroziune şi uzare 

Procedeu recomandat de pulverizare  HVOF 

 

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 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  Carbură bazată pe Cr ‐ W 

Compoziție chimică  Cr3C2 37WC 18Metal Alloy 

Mod de fabricație  Aglomerare şi sinterizare 

Morfologie  Sferoidală  

Densitatea aparentă  3,1 – 3,8  g/cm3 

Temperatura de funcționare  < 700 °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 7. 

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 

 

 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.  

 

PN 09-160111 – Dezvoltarea de tehnici şi tehnologii moderne de pulverizare termică

 

 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.