Tribotechnické listy

 

 

Úvod do technologie povrchové úpravy plazmovým nástřikem (2. část)

Tribologické vlastnosti povlaků připravených plazmovým nástřikem

V předešlém čísle časopisu TriboTechnika byla popsána technologie tvorby plazmových nástřiků, technologické uspořádání komponent generátorů plazmatu, způsob dosažení a stabilizace extrémně vysokých teplot, ovlivnění průběhu povlakování a byly také naznačeny zásadní výhody plazmově deponovaných povlaků. Cílem druhé části článku bude již podrobněji popsat vlastnosti a výhody takto připravených povlaků a naznačit jejich možné uplatnění s přihlédnutím na neustále se zvyšující náročnost v materiálovém inženýrství, chemickém a farmaceutickém průmyslu a v jiných oborech.

Pro připomenutí lze uvést, že plazmové deponování (tzv. plasma spraying) umožňuje připravit silnovrstvé dekorativní či častěji ochranné nebo funkční povlaky z kovů, keramiky nebo jejich kovokeramických směsí na nejrůznějších, nejčastěji kovových substrátech. Největší uplatnění mají generované deponáty na bázi korundu, stabilizovaného oxidu zirkoničitého, případně karbidu boru, almandinu, čediče, eucoru a dalších látek ze skupiny silikátů, tvořící otěruvzdorné vrstvy na součástkách vysoce namáhaných na otěr. Nižší tepelná vodivost je také předurčuje k tvorbě tepelných ochranných bariér (Thermal Barrier Coatings).

 


Tepelným zdrojem zodpovědným za natavení materiálu a jeho nanesení na funkční podložku-substrát je tzv. „plazmový hořák". Plazmový plamen či proud termického plazmatu s teplotou až 30000 K můžeme stabilizovat buď plynem, nebo kapalinou. Lze tavit a připravovat povlaky i z wolframu nebo karbidu hafnia, tedy z látek s absolutně nejvyššími body tání, až 3800°C. Z těchto důvodů se např. uvažuje s wolframovými povlaky vnitřní stěny fúzního reaktoru ITER. Obr. 1. a Obr. 2. zobrazují povlakování pomocí generátoru vodou stabilizovaného plazmatu komerční a ochranné značky WSP®  české provenience.
Pro stručnost se zaměříme nejprve na ochranné a otěruvzdorné povlaky, které se vyznačují specifickým uspořádáním mikrostruktury tzv. splatů (termín pro zkondenzované rozstříknuté kapky kovové nebo keramické taveniny) viz Obr. 3. Prodloužené uspořádání hranic mezi jednotlivými splaty, vzniklými deformací plazmově natavených práškových částic deponovaného materiálu, omezuje bariérovým efektem délku případných pórů nebo trhlin a tím zpomaluje působení korozních médií na podkladový materiál. Otěruvzdornost je pak dána především primární vlastností tvrdého povrchového materiálu a dále pak pevností vzájemného spojení jednotlivých splatů. Otěruvzdornost (pojem pro odolnost proti abrazivnímu opotřebení), tj. úbytek materiálu z povrchu, se hodnotí řadou metod, z nichž nejjednodušší je vyhodnocení tohoto úbytku působením jiného abrazivního média buď v čase, nebo závislostí na délce dráhy v kontaktu s abrazivem. Pro plazmové povlaky je vhodná zkouška otěruvzdornosti podle normy ASTM G-75-01, označovaná jako SAR-test (Slurry Abrasion Response), při níž se měří úbytek materiálu vůči dráze, kterou vzorek urazí v abrazivní suspenzi (mm3/m), samozřejmě při definovaném přítlaku. Otěruvzdornost korundových, plazmově deponovaných povlaků, se pohybuje v mezích 0,0152 - 0,0196 mm3/m.

 


Opakem otěruvzdornosti pak je abrazivní účinnost. Rovinné, ale zejména rotační abrazivní nástroje - brusy, brousicí kotouče nebo řezací kotouče - se připravují z klasických ověřených abraziv - korundu, karbidu boru, karbidu křemíku, zirkonu tak, že se pojí všemi typy pojiv - plasty, keramikou, skelnou fritou nebo kovem - s různým hmotnostním nebo častěji udávaným objemovým poměrem pojivo-abrazivo. Plazmová depozice žádné pojivo nevyžaduje, takže plazmová technologie umožňuje levným způsobem vytvořit abrazivní povlak na povrchu kotoučů, kuželů a jiných rotačních či lineárních součástech libovolné šířky, čímž lze připravit např. různě tenké či široké pily s různou šíří prořezu. Nosné kotouče bývají nejčastěji ocelové nebo hliníkové a pracovní abrazivní vrstva má doporučenou optimální tloušťku 2-3 mm (viz Obr. 4). Po opotřebení či spotřebování povrchové abrazivní vrstvy lze novou abrazivní vrstvu snadno aplikovat na původní nosný kotouč. Ačkoliv jsou na substráty deponovány abrazivní materiály s vysokými body tání (korund 2050°C, karbid boru 2550°C aj.), doporučuje se pro zvýšení adheze předehřátí podkladového materiálu jen na 300°C. Přilnavost abrazivního povlaku k podložce se měří normovanými metodami, např. pull-out testem nebo odtrhovou zkouškou přilnavosti dle normy ČSN EN ISO 4624. Vyhodnocení zkoušky je založeno na měření odtrhového napětí při odtrhování specificky lepeného zkušebního válečku a charakteristice lomové plochy vzorku. Poměr mezi adhezní a kohezní přilnavostí lze ovlivnit předúpravou povrchu substrátu, ať již mechanickým zdrsněním, otryskáním, nebo chemickými úpravami, např. boridováním při použití železných či ocelových materiálů, čímž se vytvoří mezivrstvy s příznivým poměrem koeficientů délkové teplotní roztažnosti mezi kovem a keramikou. Po skončení plazmové depozice abrazivního materiálu je povrchová vrstva dokonale slinutá a s nízkou hodnotou povrchové drsnosti, proto se takto připravené nástroje musí před použitím „oživit" známými postupy obráběcích technologií. Brousicí a řezací vlastnosti pak závisejí na primární zrnitosti abraziva před plazmovým nástřikem a na pórovitosti povlaku, kterou lze regulovat v rozmezí 5 - 20 obj. %. Primární povrchová drsnost neupraveného plazmového nástřiku je díky specifickému tvaru zkondenzovaných splatů na úrovni cca 10 % původní velikosti deponovaných práškových částic, tedy např. výchozí prášky o velikosti 50 μm vytvoří povlak s přibližnou hodnotou Ra ~ 5 μm (Obr. 5. a Obr. 6). Z rovinných obráběcích nástrojů pro opracování dřeva a plastů se osvědčily rašple a pilníky s keramickou vrstvou obou typů granátu (pyrop, almandin).
Stále aktuální je příprava tepelných bariérových povlaků na lopatky plynových turbín leteckých motorů. Problémem tentokrát není ani tak vlastní povlakovací metoda, jako je právě aplikovaná metoda APS (Atmospheric plasma spraying - v našem případě realizovaná generátorem WSP®) nebo metody žárových nástřiků typu HVOF (High velocity oxide fuel) a další (EBPVD nebo ESVD), jako výběr a vývoj lepšího keramického materiálu. Doposud používaná keramika na bázi oxidem yttritým stabilizovaného oxidu zirkoničitého je v současné době modifikována oxidem dysprosia a fyzikálním parametrům této nové soustavy se přizpůsobují i techniky žárového povlakování. Plazmové nástřiky tak mají novou šanci.


Petr Pokorný, Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, VŠCHT Praha
Vlastimil Brožek, Ústav fyziky plazmatu AVČR, v.v.i. Praha

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
8 + 2 =
Odoslanie formulára

Tribotechnika_2_2019

TriboTechnika_2_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd