Prezentacija Toplinsko naštrcavanje

˝Toplinsko naštrcavanje˝ FSB-ZiM

Doc.dr.sc. I. Garašić

1

Toplinsko naštrcavanje

• Toplinsko naštrcavanje je grupa postupaka prevlačenja u kojima se sitne čestice metalnih ili nemetalnih materijala u rastaljenom ili polurastaljenom stanju deponiraju na podlogu stvarajući naštrcani sloj, pri čemu dodatni materijal može biti u obliku praha, šipke, žice, ili rastaljen.

2

Temeljni princip toplinskog naštrcavanja, njemački patent iz 1882.g.

Slika 3. Podjela postupaka toplinskog naštrcavanja i njihove podvarijante.

4

Nastanak sloja

• Naštrcani sloj nastaje od velikog broja čestica koje u toku procesa naštrcavanja udaraju u rastaljenom ili polurastaljenom stanju u podlogu i pritom se deformiraju i raznim mehanizmima vežu za podlogu. • U nastanku veze između naštrcane čestice i podloge sudjeluje istovremeno više mehanizama koji još uvijek nisu u potpunosti razjašnjeni. • U teoretskom smislu se mehanizmi mogu podijeliti na:

1. fizikalno povezivanje (mehaničko sidrenje, procesi fizikalne adsorpcije, difuzija...), 2. kemijsko povezivanje (kovalentne i ionske veze). 5

Slika 4. Pojednostavljeni prikaz tehnologije toplinskog naštrcavanja.

6

Slika 5. Shematski prikaz trajektorija leta frakcija čestica različitih veličina kroz plinski plamen.

7

Slika 6. Shematski prikaz zagrijavanja i hlađenja čestica kroz cjelokupni proces naštrcavanja u ovisnosti o vremenu.

8

Slika 7. Shematski prikaz leta čestice praška i njenog sudara s podlogom koje rezultira deformacijom kao rezultatom pretvorbe njene kinetičke energije u energiju deformiranja.

9

Slika 8. Shema veza oblikom između čestice i podloge.

10

Slika 9. Prikaz oblika lamele nakon sudara u kvalitativnoj ovisnosti o kinetičkoj energiji i temperaturi podloge.

11

Slika 10. Shema izgleda sloja i njegovog poprečnog presjeka nakon jednog prolaza pištoljem ( na mikro-razini).

12

Slika 11. Shema izgleda sloja i njegovog poprečnog presjeka nakon jednog prolaza pištoljem ( na makro-razini).

13

Slika 12. Shema poprečnog presjeka sloja izrađenog s više prolaza pištolja.

14

A. Poprečni presjek naštrcavane čestice, unutrašnjost je u rastaljenom stanju

B. Oksidni sloj formiran u fazi leta C. Udar čestice u podlogu D. Formiranje oksida na površini E. Interlaminarna adhezija dva sloja F. Legiranje dviju čestica G. Pore ili šupljine formirane zarobljenim

plinom H. Nerastaljene čestice I. Individualna lamela J. Otpuštajući sloj K. Podloga

Slika 13. Tipičan poprečni presjek toplinski naštrcanog sloja, složena lamelarna metastabilna struktura.

15

Slika 14. Razlike u naštrcavanju rotacijskih i ravnih površina, neprenosivost tehnologije u užem smislu zbog različitog ponašanja radnog komada u tijeku naštrcavanja.

16

Osnovni postupci toplinsko-mehaničkog prevlačenja površina

• Plinsko naštrcavanje praška

• Elektrolučno naštrcavanje

• Plazma naštrcavanje

• HVOF naštrcavanje

17

Plinsko naštrcavanje s praškom

1. Acetilen i kisik

2. Spremnik DM (prašak)

3. Sapnica

4. Atomizirajući plin i prašak

5. Plinski plamen i čestice praška

6. Podloga, radni komad 18

Slika 15. Shematski prikaz plinskog naštrcavanja.

Značajke postupka

• DM u obliku praška se tali u plinskom plamenu i u takvom stanju se usmjerava na površinu uz pomoć ekspandirajućih plinova plinskog plamena.

• Po potrebi se za usmjeravanje može koristiti dušik.

• Ima preko 350 vrsta DM.

• Prionljivost između sloja i OM se može jako povećati toplinskom obradom (utaljivanje).

19

Karakteristične veličine postupka

• Maksimalna temperatura: 3160 °C

• Brzina rastaljenih čestica: do 50 m/s

• Masa DM deponirana u jedinici vremena:

1-6 kg/h

20

Karakteristični parametri postupka

• Snaga plinskog plamena

• Dobava praška

• Udaljenost radnog komada

• Pretlak i protok zraka

• Brzina gibanja radnog komada

• Korak pomaka radnog komada

• Itd., često ovisno i o opremi.....

21

22

Slika 16. Primjer laboratorijskog plinskog naštrcavanja.

Elektrolučno naštrcavanje

1. Atomizirajući plin

2. Regulatori brzine dovođenja DM

3. Glava pištolja

4. Dodatni materijal električki vodljiv, u obliku žice

5. Podloga, radni komad

23

Slika 17. Shematski prikaz elektrolučnog naštrcavanja.

Značajke postupka

• Dva slična ili različita DM u obliku žice se tale u električnom luku i usmjeravaju se na pripremljenu podlogu pomoću atomizirajućeg plina, npr. stlačenog zraka.

• To je visokoproduktivan postupak u kojem se

naštrcavaju samo električki vodljivi materijali. • Upotrebom dušika, argona ili mješavine dušika i

kisika kao atomizirajućeg plina, moguće je u velikoj mjeri spriječiti oksidaciju DM.

24


• Maksimalna temperatura: >4000 °C

• Brzina rastaljenih čestica: > 150 m/s


8-20 kg/h

25


• Snaga električnog luka

• Napon električnog luka

• Brzina dobave žice


• Pretlak i protok atomizirajućeg plina ( zrak, dušik)



• Itd., često ovisno i o opremi....

26

Plazma naštrcavanje

1. Inertni plin

2. Rashladna tekućina

3. Istosmjerna struja

4. DM u obliku praška

5. Katoda (volframova elektroda)

6. Anoda (sapnica od legure bakra)


Slika 18. Shematski prikaz plazma naštrcavanja.

Značajke postupka • DM u obliku praha se tali pomoću plazmenog mlaza

u ili van plazma pištolja i usmjerava se na površinu radnog komada.

• Plazma se dobiva pomoću električnog luka kroz koji zbog konstrukcije sapnice prisilno struje plazmeni plinovi.

• Plazmeni plinovi mogu biti: argon, helij, dušik, vodik ili njihove mješavine.

• Prolazom plazmenih plinova kroz električni luk, oni se disociraju i ioniziraju.

28

• Prilikom izlaza imaju veliku brzinu zbog ekspanzije i električnog pražnjenja, a prilikom rekombinacije se toplinska energija prenosi na čestice DM.

• Električni luk nije prenesen, nego se održava između katode (elektrode) i vodom hlađene anode (sapnice).

• Proces se izvodi u normalnoj atmosferi, u atmosferi zaštitnog plina, u inertnoj atmosferi, u vakuumu.

29





4-8 kg/h

30


• Snaga plazmenog mlaza

• Plazmeni plinovi ( argon, dušik, helij, vodik)

• Napon i struja električnog luka

• Dobava praška


• Pretlak i protok dobavnog plina (argon, dušik)



• Itd., često ovisno i o opremi....

31

High velocity oxy-fuel spraying (HVOF- naštrcavanje)

1. Gorivi plin, kisik

2. Prašak i atomizirajući plin

3. Sapnica s ili bez vodenog hlađenja

4. Plinski plamen i čestice DM


Slika 19. Shematski prikaz HVOF naštrcavanja.

Značajke postupka

• Radi se o kontinuiranom izgaranju pod velikim tlakom u komori izgaranja.

• DM, u obliku praha, se dovodi u centralni dio komore za izgaranje.

• Veliki tlak mješavine plina dobivene u komori izgaranja i u ekspanzijskoj sapnici koja se nalazi na kraju komore, daje traženu veliku brzinu protoka u plamenom mlazu.

33

• Na taj način čestice DM se ubrzavaju do velikih brzina, što u konačnici za posljedicu ima izvrsnu gustoću sloja s malim postotkom poroznosti i dobrom prionljivošću.

• Zbog dovoljne, ali prosječno unešene topline, DM prolazi samo kroz manje metalurške promjene kao posljedica procesa, minimalna je formacija raznih karbida.

• Ovim postupkom se mogu dobiti iznimno tanki slojevi velike dimenzijske točnosti.

34





2-8 kg/h

35


• Snaga plinskog plamena

• Dobava praška




• Itd., često ovisno i o opremi.....

36

Tablica 1. Usporedba različitih postupaka toplinskog naštrcavanja

37

FS- plinsko naštrcavanje žicom u kojem se koristi propan kao gorivi plin, AS- elektrolučno naštrcavanje koje koristi stlačeni zrak kao plin za atomizaciju žice i usmjeravanje rastaljenih kapljica. PC- elektrolučno naštrcavanje koje koristi stlačeni dušik kao plin za atomizaciju žice i usmjeravanje rastaljenih kapljica HV- plinsko naštrcavanje žicom višim brzinama čestica od konvencionalnih. Sustav koristi propan kao gorivi plin, kisik te stlačeni zrak pri povišenim tlakovima u odnosu na konvencionalne sustave.

Tablica 2. Svojstva TSA slojeva naštrcanih raznim postupcima naštrcavanja.

38

FS- plinsko naštrcavanje ( eng. Flame spraying) ASP- elektrolučno naštrcavanje ( eng. Arc spraying) HVOF- naštrcavanje velikim brzinama čestica ( high velocity oxygen fuel)

Tablica 3. Utjecaj temperature predgrijavanja i hrapavosti podloge na prionljivost naštrcanog sloja aluminija, razlike u primijenjenim postupcima.

39

Pristup izradi sloja

• Definiranje problema: – Funkcija strojnog dijela,

– Materijal i dimenzije strojnog dijela,

– Uvjeti eksploatacije,

– Mehanizmi trošenja.

• Definiranje tehnologije: – Odabir materijala sloja,

– Odabir postupka naštrcavanja i odgovarajućih parametara naštrcavanja,

– Odrediti vrstu pripreme površine.

40

• Izrada sloja:

– Kontrola kvalitete

• Najveća prednost postupka toplinskog naštrcavanja je u tome da se svojstva sloja mogu prilagoditi za određenu primjenu.

• Određeni DM se može naštrcati tako da se dobije tvrdi ili meki, porozni ili neporozni sloj.

41

Slika 20. Različite vrste DM za određene primjene. 42

Slika 21. Shema glavnih sastavnih dijelova primjene tehnologije toplinskog naštrcavanja. 43

Problemi primjene tehnologije toplinskog naštrcavanja

44

• Teškoće kod uvođenja tehnologije zbog otežanog postizanja željenih specifikacija svojstava. • Slabo razumijevanje intenziteta i načina djelovanja utjecajnih parametara na svojstva nanešenog sloja. • Nestalna kvaliteta izrađenih slojeva.

• dosadašnja saznanja su opsežna, i može se reći da je u zadnjem desetljeću objavljen niz radova u kojima se u konkretnim slučajevima primjene parametri postupaka poput HVOF, plazma, elektrolučnog i plinskog naštrcavanja povezuju sa svojstvima slojeva kao što su npr.:

• tvrdoća, • volumna poroznost, • maseni sadržaj oksida, • prionljivost, • debljina, • korozijska postojanost.

45

• za određivanje ovisnosti između ulaznih parametara pojedinih postupaka toplinskog naštrcavanja s izlaznim svojstvima naštrcanog sloja sa svojstvima prema potrebnim specikacijama korišteni su sljedeće metode:

• regresijska analiza, • matematičko modeliranje i simulacija, • metoda odzivnih površina, • ekspertni sustav i fuzzy logika, • umjetne neuronske mreže.

46

• Općenito, nema javno dostupne tehnologije koja se može primijeniti kao gotov recept za neki konkretan problem. • Zbog toga postaje nužan laboratorijski rad uz primjenu statističkih planova pokusa.

47

Utjecajni parametri primijenjenog postupka

• utjecajne veličine se mogu podijeliti na: • utjecajne parametre (upravljivi), • utjecajne faktore (kontrolabilni), • šumove.

• prvi korak pri planiranju pokusa je odabir varijabli koje su utjecajni parametri postupka, a to se provodi nakon što su određene i definirane ciljane veličine, odnosno mjerena svojstva.

48

Utjecajni parametri Oznaka Razine utjecajnih parametara

-1 0 1

Postavka dobave

praška

A 1 2 3

Zrak bez produžetka

[bar]

B 1 1,5 2

Udaljenost od

radnog komada

[mm]

C 120 180 240

Brzina posmaka

[m/min]

D 15 20 25

Posmak [mm] E 3 4,5 6

Tablica 4. Utjecajni parametri ( varijabilni ) i njihove razine koje se mijenjaju prema planu pokusa za primjer plinskog naštrcavanja.

49

Priprema podloge

• Od izuzetne je važnosti za dobivanje zahtijevane kvalitete sloja koja je definirana čvrstoćom, prionljivošću, tvrdoćom, poroznošću odnosno gustoćom.

• Priprema se sastoji od odgovarajuće strojne obrade ukoliko je potrebna, hrapavljenja, temeljitog čišćenja, i odmašćivanja.

• Priprema se izvodi slično na ravnim i rotacijskim površinama.

50

Kontrola kvalitete

• Kontrola s razaranjem:

– prionljivost,

– smična čvrstoća,

– tvrdoća, makro i mikro,

– ispitivanje trošenja,

– ispitivanje korozijske postojanosti i oksidacije,

– temperaturni šok,

– metalografija,

– gustoća.

51

• Kontrola bez razaranja:

– debljina sloja,

– hrapavost,

– vizualni dojam,

– penetranti.

52

Završna obrada

• Poliranje

• Brušenje

• Glodanje

• Tokarenje

• Superfiniš

• Honanje

• Lepovanje

Od najveće je važnosti pravilan odabir alata i režima obrade, koji ovise o materijalu i debljini sloja.

53

Naknadna obrada

• Mase za zatvaranja pora u naštrcanom sloju.

• Utaljivanje međuslojeva za povećanje prionljivosti.

• Difuzija.

• Ostali postupci naknadne obrade:

– Difuzija

– Impregnacija

– Mehaničke

– Vruće izostatičko prešanje

– Laserska

54

55

56

57

58

59

60

61

Prezentacija Toplinsko naštrcavanje

Documents