Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Wydział Nauk Technicznych

Mechanika i Budowa Maszyn

Temat: Spawalnicze metody nakładania powłok

NATRYSKIWANIE CIEPLNE - PŁOMIENIOWE

Natryskiwanie płomieniowe (gazowe) jest procesem nakładania warstw z metali, a także niemetali na podłoża metaliczne, gdy źródłem ciepła potrzebnego do stopienia materiału powłokowego jest płomień gazowy.

W tej metodzie stosowane są dwie techniki natryskiwania różniące się parametrami procesu, konstrukcją urządzeń i w konsekwencji własnościami powłok. Jest to natryskiwanie płomieniowe klasyczne i naddźwiękowe.

Natryskiwanie płomieniowe klasyczne.

Źródłem ciepła stosowanym w tej technice jest płomień gazowy, ze spalania najczęściej acetylenu w tlenie, o temperaturze płomienia ok. 3000°C, a natryskiwane cząstki osiągają prędkość od 100 do 350 m/s. W zależności od postaci materiału powłokowego (drut lub proszek) wyróżnia się odpowiednie konstrukcje palników.

Natryskiwanie przy użyciu drutu możliwe jest dla metali i stopów, które są wytwarzane w tej postaci, nie parują ani nie dysocjują przed osiągnięciem temperatury 2800°C. Palnik musi być utrzymywany przez cały czas natryskiwania w stałej odległości od przedmiotu, a powinna ona wynosić 100 ÷ 250 mm, zależnie od typu palnika, rodzaju podłoża i natryskiwanego materiału: prędkość przesuwu musi być tak dobrana, aby zapewnić układanie równomiernej warstwy, o grubości nie przekraczającej 0,15 ÷ 0,25 mm, w zależności od natryskiwanego metalu, prędkość przesuwu musi być tak dobrana, aby przedmiot nie uległ nagrzaniu do temperatury 100-150° C

Pierwsza warstwa powinna być cieńsza, do ok. 0,15 mm, a następne ok. 0,25 mm. Po ułożeniu pierwszej warstwy kolejne układa się pod kątem 90°, aż do uzyskania wymaganej grubości powłoki.

Natryskiwanie płomieniowe z użyciem proszku, polega na podawaniu grawitacyjnym (lub pod ciśnieniem) proszku metalicznego ze zbiornika do komory mieszania się gazów, z którymi jest przenoszony do płomienia, gdzie ulega stopieniu lub nadtopieniu i pod ciśnieniem gazów płomienia kierowany jest strumieniem na natryskiwaną powierzchnię.

Najczęściej stosuje się proszki o ziarnach 0,1 ÷ 0,15 mm ze stali odpornych na korozję, żaroodpornych stopów na osnowie Ni, Cr, Co, Fe, stopów miedzi

Wyróżnia się natryskiwanie płomieniowe proszkowe: na zimno i na gorąco.

Natryskiwanie na zimno stosuje się do nakładania powłok, które ulegają zużywaniu ściernemu, adhezyjnemu, erozyjnemu, korozji ciernej, erozji kawitacyjnej. Powłoki są porowate, co wykorzystuje się do nasycenia ich materiałem smarnym, w celu przedłużenia trwałości elementu metalowego. Natryskuje się stale niskowęglowe i niskostopowe, stale odporne na korozję, stopy niklu, aluminium, miedź, brązy. Przedmioty są podgrzewane wstępnie do ok. 100°C, natryskiwane wstępnie spajającą warstwą aluminku niklu i kolejnymi warstwami materiału powłokowego do uzyskania wymaganej grubości.

Natryskiwanie na gorąco stosuje się do elementów, od których wymaga się wysokiej odporności na ścieranie, żaroodporności, odporności na korozję, erozję, udarności. Pokrywane elementy podgrzewa się do temperatury do 150 ÷ 500°C, nakładając warstwę wstępną o grubości 0,2 ÷ 0,5 mm w celu ochrony powierzchni podłoża przed utlenieniem. Następnie ponownie nagrzewa się do temperatury 600 ÷ 700°C i układa kolejne warstwy powłoki. Każdą kolejną warstwę przetapia się nagrzewając płomieniem palnika do temperatury w zakresie likwidus – solidus natryskiwanego stopu. Do natryskiwania na gorąco stosuje się proszki na osnowie Ni, Co, stopów Ni-Cr. W składzie chemicznym tych proszków występuje krzem i bor. Podczas utleniania w płomieniu gazowym pierwiastki te tworzą bardzo drobne cząstki tlenków, które wbudowują się do powłoki i zwiększają jej twardość.

Natryskiwanie płomieniowe naddźwiękowe.

W metodzie natryskiwania naddźwiękowego stosuje się w zasadzie te same gazy co w przypadku metod poddźwiękowych, ale najpowszechniej stosuje się wodór, propan lub propylen. Natryskiwane cząstki materiału powłokowego w palnikach naddźwiękowych osiągają prędkości od 400 do 1200 m/s. Powłoki natryskane techniką naddźwiękową mają bardzo niską porowatość i małą zawartość tlenków oraz bardzo wysoką wytrzymałość obszaru dyfuzyjnego połączenia powłoki z natryskiwanym podłożem.

Zależnie od konstrukcji palników wyróżnia się:

• natryskiwanie detonacyjne,

• z dużymi prędkościami natryskiwanych cząstek,

• z dużymi prędkościami cząstek i pod dużym ciśnieniem.

Natryskiwanie detonacyjne

Polega na wykorzystaniu energii wybuchu mieszaniny acetylenowo-tlenowej do stopienia lub nadtopienia cząstek materiału powłokowego w postaci proszku i nadania im dużej prędkości, do 800m/s.

Powłoki natryskane detonacyjnie mają bardzo wysoką przyczepność do podłoża, kilka razy wyższą niż w innych metodach, wskutek połączenia adhezyjnego lub dyfuzyjnego, a także silną kohezją pomiędzy cząstkami w samej powłoce oraz niską porowatość, zwykle ok. 0,5%. Grubości natryskanych powłok najczęściej osiągają 0,5 mm. Wadą tej techniki jest bardzo wysoki poziom hałasu.

Powłoki detonacyjne są stosowane w celu: zwiększenia odporności elementów maszyn i narzędzi na procesy ścierne, odporności na korozję wysokotemperaturową i erozję, odporności na udary cieplne i mechaniczne, obniżenia porowatości uprzednio naniesionych warstw, jak np. w wypadku regeneracji elementów maszyn: wałów, osi, półosi, bębnów ciągarek, prowadnic, noży, łopatek turbin, elementów pomp, form do odlewania pod ciśnieniem.

Natryskiwanie proszkowe naddźwiękowe z dużymi prędkościami (HVOF - High Velocity Oxy Fuel)

Polega na ciągłym spalaniu gazu palnego: propylenu, wodoru lub propanu w tlenie lub powietrzu. Mieszanina gazów jest podawana do chłodzonej wodą komory spalania pod dużym ciśnieniem, gdzie ulega spalaniu sposób ciągły. Rozprężający się płomień gazowy o temperaturze powyżej 3200°C z charakterystycznymi „udarami romboidalnymi” nagrzewa do temperatury topnienia podawany proszek pod ciśnieniem i przyspiesza go nawet do 1000 m/s, rys. 4.5. Tą metodą nakłada się powłoki z aluminium, miedzi, stopów żelaza, niklu, kobaltu, cermetali, jak Co-WC.

- Natryskiwanie proszkowe naddźwiękowe z dużymi prędkościami i pod dużym ciśnieniem (HP/HVOF – High Pressure/High Velocity Oxy Fuel) przeprowadza się przy pomocy palników na paliwo płynne, najczęściej naftę lotniczą. Osiąga się w nich jeszcze większe prędkości stopionych cząstek, do 1200 m/s, przy niższej temperaturze płomienia, rzędu 2700°C, co skutkuje większą energią kinetyczną cząstek. W rezultacie powłoki mają większą jednorodność struktury, najniższą porowatość, najmniejszy udział tlenków, czas przebywania bowiem cząstek w atmosferze utleniającej wskutek ich dużej prędkości jest krótki i ponadto wobec możliwości stosowania proszków gruboziarnistych. Lepsze jest też przyleganie cząstek do siebie i do podłoża. Natryskane warstwy są więc wysokiej jakości, o gładkiej powierzchni i wysokiej wytrzymałości. W jednym przejściu można nałożyć warstwy o grubości 1 mm, a całkowitą do ok. 12 mm. Tą techniką można nałożyć powłoki z czystych metali: Mo, Ni, Co, Ti, Ta, stali, mieszanin, np. aluminium z grafitem, materiałów ceramicznych i ich kombinacji z metalami, np. węglików wolframu lub węglików chromu w osnowie kobaltu, niklu lub stopu Ni-Cr. Stosuje się je na części maszyn przemysłu lotniczego, kosmicznego, chemicznego i in. jak: wały, zawory i gniazda zaworowe silników, części silników odrzutowych, głównie w celu nadania wysokiej odporności na ścieranie i korozję wysokotemperaturową.

NATRYSKIWANIE ŁUKOWE

Źródłem ciepła potrzebnego do stopienia materiału powłokowego w tej metodzie jest łuk elektryczny zajarzany między drutami metalu natryskiwanego, w osi wypływającego strumienia powietrza, które rozpyla i przenosi stopione cząstki na pokrywane podłoże.

Metodą elektryczną łukową można natryskiwać metale w postaci drutów z aluminium, miedzi, niklu, cynku, molibdenu, brązów, mosiądzów, babbitów, nadstopów, stali stopowych. Ponieważ w łuku stapia się dwa druty, więc dobierając różne materiały można wytworzyć powłoki o specjalnych cechach. Grubości warstw w jednym przejściu mieszczą się w zakresie 0,01 ÷ 0,5 mm, przy czym możliwość natryskiwania w komorze o obniżonym ciśnieniu lub w atmosferze ochronnej czynią tę metodę konkurencyjną w stosunku do nowszej metody natryskiwania plazmowego. Natryskiwanie łukowe stosuje się m.in. do pokrywania prowadnic obrabiarek, czopów walców hutniczych, na które nanosi się stal chromową martenzytyczną.

NATRYSKIWANIE CIEPLNE PLAZMOWE

Plazmowa metoda natryskiwania polega na stapianiu proszku metalicznego (lub z niemetali) w strumieniu plazmy i kierowaniu roztopionych cząstek przez strumień gazu plazmowego na pokrywaną powierzchnię. Typowe materiały natryskiwane metodą plazmową to: metale – tantal, molibden, wolfram, aluminium, miedź, nikiel, chrom, stopy: Ni-Cr-Co-Al, Ni-Cr, węgliki: Ti, W, Cr, tlenki: Zr, Ce, Al, Ti, Cr, a także spieki metalowo-ceramiczne.

Natryskiwanie plazmowe jest powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym, elektronice, energetyce jądrowej, kosmonautyce, produkcji samolotów, w celu zapewnienia odporności cieplnej, korozyjnej, odporności na ścieranie, obciążenia dynamiczne, jako izolacja elektryczna, osłony nuklearne oraz w wielu wypadkach łączenia tych właściwości.

NAPAWANIE

Napawanie polega na dokładnym stopieniu materiału dodatkowego (spoiwa) z nadtopionym materiałem podłoża, którego udział w nałożonej napoinie, zależnie od stosowanej metody, może dochodzić do kilkudziesięciu procent.

Źródłem ciepła stapiającym materiał dodatkowy w postaci drutu, pręta, taśmy lub proszku jest płomień gazowy, łuk elektryczny lub wiązka lasera, stąd można wyróżnić następujące metody napawania:

• gazowe,

• elektryczne: łukowe (elektrodą otuloną, elektrodą nietopliwą lub elektrodą topliwą w osłonie gazowej, łukiem krytym), żużlowe, plazmowe.

Ogólnym celem napawania jest regeneracja części maszyn (napawanie regeneracyjne) bądź wytwarzanie elementów maszyn z uszlachetnioną warstwą wierzchnią zwiększającą odporność na: korozję, zużycie ścierne, erozję, kawitację, albo zwiększające żaroodporność i żarowytrzymałość (napawanie produkcyjne). Nakładane materiały posiadające wymagane wysokie właściwości pochodzą ze wszystkich grup materiałowych – metali i stopów, cermetali, ceramiki oraz tworzyw sztucznych. W technice napawania podstawowe znaczenie mają stale niskostopowe, stale wysokostopowe odporne na korozję, wysokowęglowe stopy żelaza, stopy na bazie niklu, kobaltu, stopy miedzi i aluminium, czyste metale – cynk, aluminium, tytan, nikiel cyrkon.

Możliwe jest napawanie warstw o grubości od 0,05 mm do ok. 100 mm w jednym przejściu, zależnie od stosowanej metody, a docelowo o dowolnej grubości i składzie chemicznym na elementach o różnym kształcie i powierzchni. Do podstawowych kryteriów wyboru metody napawania należy ilość i wielkość napawanych elementów, rodzaj materiału, jego stan i spawalność, wymagane własności, jakość i grubość powłoki, kształt, wielkość i stan powierzchni, rodzaj i koszt materiałów dodatkowych, wymagana wydajność i ekonomiczność procesu. Przygotowanie powierzchni do napawania polega na oczyszczeniu, usunięciu wszelkich wad, a zwłaszcza pęknięć oraz ewentualnie ułożeniu wstępnej warstwy, która pozwala uniknąć wytworzenia się kruchych faz międzymetalicznych w obszarze stopienia napoiny z podłożem oraz przyczynia się do zmniejszenia naprężeń cieplnych i znacznych odkształceń w nakładanej napoinie.

Nałożone warstwy napawane cechuje duża jednorodność metalurgiczna i strukturalna, poza napoinami nakładanymi ze stopów o bardzo dużej twardości (stellity), w których dopuszcza się występowanie pęknięć. W makrostrukturze elementów z powłoką napawaną wyróżnia się materiał rodzimy, napoinę i strefę wpływu ciepła SWC. Napoiny w stanie surowym posiadają budowę dendrytyczną, a układ głównych osi dendrytów odzwierciedla kierunek odpływu ciepła podczas krystalizacji materiału dodatkowego.

Budowę napoin pod względem składu chemicznego charakteryzuje niejednorodność wywołana warunkami procesu krzepnięcia, objawiająca się mikrosegregacją dendrytyczną, której stopień jest zależny od szybkości chłodzenia. Szczególnie silna niejednorodność występuje w pobliżu linii wtopienia wskutek braku dokładnego wymieszania roztopionego materiału rodzimego. Na granicy wtopienia stopień udziału materiału rodzimego jest większy niż w spoinie, zwłaszcza gdy są znaczne różnice między składem chemicznym materiału rodzimego a materiałem dodatkowym. Ponadto, zależnie od metody spawania szerokość strefy przyległej do linii wtopienia, w której występują znaczne różnice składu, może wynosić od 0,2 do 0,5 mm.