Aplikace technologie žárového nástřiku v oblasti oprav a renovací a možnosti uplatnění ve sklářství - Svařák.cz: aplikace a vývoj v oblastech žárové stříkání, svařování a navařování

V praxi se každodenně setkáváme s požadavky na zvýšení životnosti a spolehlivosti exponovaných součástí strojních zařízení, jejichž povrch nebo část povrchu je namáhána a degradována různými mechanismy opotřebení vycházejícími z daných pracovních podmínek zařízení.

Zaváděním nových a zdokonalováním známých technologií a technologických zařízení v průmyslu obecně a zvláště pak v oblasti opravárenství a ochrany proti korozi a tepelnému zatíženi narůstají požadavky na vývoj nových technologických postupů s novými konstrukčními prvky se specifickými vlastnostmi. Ve většině případů již dnes nedostačují dosavadní klasické technologie a technologické postupy a proto se sahá k jiným technologiím. Jednou z vhodných možností řešení je využití progresivní technologie žárového nástřiku.

Ve vyspělých a ekonomicky silných zemích světa se v posledních 15 až 20 letech rozvíjí tato technologie nesmírně dynamicky a to jak v oblasti zavádění nových metod a zařízení, tak v oblasti vývoje a výroby přídavných materiálů. Toto úsilí je jednoznačně zaměřeno na rozšíření použití této technologie do nových aplikací s cílem zvýšení životnosti, spolehlivosti a zvýšení výkonu zařízení. V konečném efektu se sníží výrobní náklady vzhledem k možnosti náhrady drahých konstrukčních materiálů a v důsledku vyšší životnosti se rovněž velmi výrazně sníží náklady na údržbu a opravy.

Úzká spolupráce konečných uživatelů (výrobců zařízení nebo opravárenských firem) s malými specializovanými firmami, které se zabývají aplikací technologie žárového nástřiku, výrobci přídavných materiálů a výzkumnými pracovišti při zavádění nových aplikací zkracuje čas potřebný k vývoji a poloprovoznímu ověřování a zajišťuje kvalitní výsledky technického řešení daného problému. Rychlé zavedení aplikace do výroby nebo do technologického postupu oprav výrazně snižuje vynaložené finanční prostředky na tuto etapu řešení.

V podmínkách ekonomiky České republiky nejsou bohužel ještě stále vytvořeny vhodné podmínky pro podstatně širší uplatnění technologie žárového nástřiku. Příčin je celá řada:

- nedostatek kvalitních a perspektivních výrobních programů

- nedostatek investic na nákup nových technologických celků

- nedostatek prostředků na financování výzkumu a vývoje

- pohodlnost/stereotypní přístupy a do jisté míry i obavy z aplikace nových technologií vyplývající z jejich neznalosti a možností, které tyto technologie nabízejí v průmyslu a v oblasti opravárenství.

Princip technologie

Povlaky vytvořené technologií žárového nástřiku lze nanášet na všechny běžné konstrukční materiály (železné i neželezné kovy). Při nanášení materiálů technologií žárového nástřiku není tedy podstatné chemické složení základního materiálu opravovaného dílce nebo dílce, jehož ochranu sledujeme a ani jeho stav. Povlaky nelze nanášet pouze na nitridované vrstvy a na již provedené povrchové úpravy chromováním.

Během procesu nanášení povlaků technologií žárového nástřiku nedochází k ohřátí základního materiálu nad teploty vyšší než 100 ⁰C, ve výjimečných případech do 150 ⁰C. To znamená, že v průběhu nanášení materiálu povlaku nedochází ani k deformaci povlakovaného dílce ani k degradaci struktury v důsledku tepelného ovlivnění základního materiálu.

Obecně lze proces vytváření povlaků technologií žárového nástřiku charakterizovat jako natavování přídavného materiálu (ve formě prášku, drátu nebo tyčinky), jehož částice jsou urychlovány a nanášeny na předem připravený povrch základního materiálu (odmaštění, suché tryskání). Po dopadu na základní materiál dochází k částečné nebo úplné deformaci individuálně dopadajících částic, které postupně velmi rychle tuhnou a ochlazují se a vytvářejí heterogenní strukturu. Na příčném řezu povlakem jsou vidět vytvářené hranice mezi deformovanými částicemi a mezi jednotlivými nanesenými vrstvami povlaku včetně všech průvodních vlastností především pórovitosti (i když ve většině průmyslových aplikací povlaků vytvořených technologií žárového nástřiku je snaha omezit velikost a množství pórů na co nejmenší hodnotu), a v případě nedodržení technologického postupu, i defektů (mikrotrhliny, trhliny, nespojení jednotlivých částic v povlaku, resp. nespojení jednotlivých nanášených vrstev atd.). Proto je nezbytně nutné provedení optimalizace technologického procesu.

Provedení optimalizace technologických parametrů pro konkrétní přídavný materiál (chemické složení, zrnitost, technologie výroby – mechanická směs, tavený drcený, sintrovaný drcený, sintrovaný aglomerovaný atd.), použitou metodu technologie a dané pracovní podmínky dílce je základním předpokladem pro úspěšné dosažení požadovaných vlastností povlaku a jeho životnosti. V případě špatně zvolených technologických parametrů může docházet ke vzniku defektů ovlivňujících negativně vlastnosti povlaků a tím i snižování jejich životnosti a spolehlivosti.

Jak je tedy z výše uvedeného zřejmé, skutečný povlak není zcela homogenní ani kompaktní a už sama podstata tvorby povlaku vytváří podmínky pro vznik pórů, resp. jiných průvodních jevů jako jsou např. oxidy, které vznikají v průběhu žárového nástřiku některých kovových materiálů (na bázi železa) v normální atmosféře.

Nejnovější metoda této technologie - vysokorychlostní kontinuální detonační nanášení - umožňuje vytvářet povlaky, jejichž strukturu lze hodnotit jako poměrně homogenní, s vysokými hodnotami přilnavosti povlaků k základnímu materiálu, soudržnosti povlaku a nízké hodnoty pórovitosti (pod 1 %). To znamená, že podle použité metody technologie žárového nástřiku, technologických parametrů a typu a formy použitého materiálu se výrazně liší struktura naneseného povlaku a tím i jeho základní vlastnosti.

Vlastnosti povlaků

Mezi základní vlastnosti povlaků můžeme zařadit následující parametry:

- přilnavost povlaku k základnímu materiálu (adheze)

- soudržnost povlaku (koheze)

- pórovitost povlaku

- tvrdost, mikrotvrdost

- lomová houževnatost

- teplotní a tepelná roztažnost

- elektrické vlastnosti.

Pro zjišťování těchto základních vlastností povlaků existuje celá řada metodik. Některé jsou uvedeny v normách, některé metodiky byly vypracovány vědeckými a výzkumnými pracovišti a prezentovány na různých konferencích a v odborných časopisech. Vzhledem k různým postupům při vyhodnocování výše uvedených vlastností, nelze ve většině případů porovnávat naměřené hodnoty získané různými metodikami, ale výsledky získané pouze jednou metodikou.

Rovněž příprava vzorků je velmi důležitá pro obdržení reprodukovatelných výsledků.

Mezi vlastnosti, které mají přímý vliv na úspěšnost aplikace povlaků vytvořených technologií žárového nástřiku v praxi, můžeme zařadit:

- odolnost proti otěru, erozi, abrazi

- odolnost proti korozi a oxidaci za nízkých a vysokých teplot

- odolnost proti erozi plyny a kapalinami

- odolnost proti kavitaci

- odolnost proti jiskře.

Při ověřování výše uvedených vlastností je rozhodující, zda se zkoušky provádějí na zkušebních strojích, resp. přímo v provozních podmínkách nebo na experimentálních zařízeních, které pouze napodobují provozní podmínky, ve kterých povlak pracuje. U těchto experimentálních zařízení je velice obtížné napodobit konkrétní pracovní podmínky v zařízení a výsledky při porovnávání různých typů materiálů mohou být v některých případech zavádějící.

Metody technologie žárového nástřiku

Obecně lze technologii žárového nástřiku rozdělit podle používaných metod následovně:

- žárový nástřik plamenem, používaný materiál ve formě prášku, drátu nebo tyčinky,

- žárový nástřik elektrickým obloukem, používaný materiál ve formě drátu (plný, trubičkový drát),

- žárový nástřik plazmou, používaný přídavný materiál ve formě prášku (kov, kovokeramika, keramika),

- žárový nástřik vysokorychlostním kontinuálním nanášením, používaný přídavný materiál ve formě prášku (především kov, kovokeramika,

výjimečně keramika).

Aplikace technologie žárového nástřiku

Pro praktickou možnost výběru vhodné metody/metod technologie žárového nástřiku a materiálu povlaku je nutné mít k dispozici tyto následující informace a podklady:

1. Výkresovou dokumentaci dílce

- základní materiál dílce

- tepelné zpracování

- velikost plochy určené k povlakování/opravě

- jmenovitý rozměr

- kvalita povrchu – drsnost (R_a, R_z).

2. Pracovní parametry dílce:

- materiál protikusu – třecí dvojice

- velikost otáček

- pracovní médium

- pracovní teplota

- způsob namáhání (statické/dynamické, dlouhodobé-creep).

3. Provedení kontrolního pevnostního výpočtu – povlak vytvořený na dílci není nosný, nosný je jenom zbývající průřez

4. Rozsah a hloubka opotřebení – velikost poškození povrchu dílce.

Na základě těchto informací je možné stanovit:

1. Metodu/metody technologie žárového nástřiku (v případě většího poškození je možná i kombinace metod této technologie)

2. Typ přídavného materiálu (chemické složení, zrnitost)

3. Konstrukční úpravu poškozeného povrchu dílce, tj. opracování poškozeného povrchu pod žárový nástřik

4. Technologický postup operace provedení povlaku technologií žárového nástřiku

5. Konečné opracování povlaku dle dodané výkresové dokumentace

6. Kontrolní činnosti v průběhu oprav.

Praktické příklady využití povlaků vytvořených technologií žárového nástřiku

V následující tabulce jsou uvedeny některé příklady využití povlaků vytvořených technologií žárového nástřiku podle mechanismu opotřebení resp. vlastnosti povrchu. Pro jednotlivé charakteristické vlastnosti povrchu povlaků uvádíme některé typické aplikace a příslušné materiály povlaku.

Mechanismus opotřebení,

Vlastnosti povrchu povlaku

Typické aplikace

Vhodné povlaky

Adheze

Kluzná ložiska, vymačkané plochy čepů válců, vedení

Bronz, kompozice, Mo,

Cr₃C₂/NiCr

Abraze, Eroze

Šneky, plunžry, pístní tyče, části sklářských forem

WC/Co,Cr₂O₃,Al₂O₃, NiCrBSi

Kavitace

Komory vodních turbín, rozváděcí lopatky vodních turbín, komory čerpadel, vložky válců spalovacích motorů

Chromuhlíková martenzitická nerazavějící ocel, hliníkový bronz, NiCrBSi,

Otěr

Součástky textilních strojů, kluzná uložení, pneumatické a hydraulické prvky, vedení

WC/Co, Cr₂O₃, Al₂O₃, Mo, NiCrBSi,

Tepelné bariéry

Komponenty komor spalovacích a proudových motorů,části klářských forem

ZrO₂/CaO/MgO/Y₂O₃, ZrSiO₄,

Vysokoteplotní koroze

Rozváděcí a oběžné lopatky plynových turbín, pecní systémy

Systémy MCrAlY, NiCr,

Atmosférická koroze

Ocelové konstrukce, případně jiné díly vystavené atmosférické korozi

Al, Zn, Zn/Al, nerezavějící ocel

Chemická koroze

Těsnící a ucpávkové plochy chemických zařízení

Cr₂O₃,Al₂O₃,

Elektrická vodivost

Keramické izolátory

Cu, CuSn10

Elektrická izolace

Izolátory, kondenzátory

Al₂O₃,

Těsnící obrušující se povlaky

Labyrinty břitových těsnění parních a spalovacích turbín

Ni-grafit, AlSi-polyester

Biologické povlaky

Endoprotézy, dentální implantáty

Ti, hydroxylapatit, fluorapatit

Aplikace technologie žárového nástřiku v chemickém průmyslu

Obr. 1 Uzavírací element kulového Obr. 2 Čep hřídele vodní turbíny se dvěma

ventilu na vodík; keramický povlak pásky keramického povlaku pod těsnění

a původní úprava tvrdým chromováním

V chemickém průmyslu i ve sklářství je bohužel současný stav v oblasti aplikací technologie žárového nástřiku vzhledem k ostatním odvětvím průmyslu poněkud slabší. Jedná se o velice náročnou oblast s velmi tvrdými a specifickými pracovními podmínkami, jako jsou např. chemické složení pracovního média, teplota, tlak a v mnoha případech také spolupůsobení mechanických namáhání – otěr, abraze, kavitace, vysokoteplotní koroze, creep, aj.

Pro tyto aplikace a jejich úspěšnost je mimořádně důležité provést optimalizaci jak z hlediska vhodného přídavného materiálu, tak z hlediska optimalizace technologického procesu a následného opracování na požadovaný rozměr a kvalitu povrchu. Velmi důležitou etapou pro zavedení do výroby nebo do režimu oprav jsou samozřejmě praktické provozní zkoušky.

Z hlediska úspěšně provedených aplikací je možné uvést povlakování uzavíracích elementů kulových ventilů (obr. 1). Z hlediska odolnosti proti agresivním chemickým látkám se nejlépe osvědčily keramické povlaky na bázi oxidu chromu, resp. oxidu hliníku, případně jejich mechanické směsi nebo slitiny s dalšími dopanty.

Především oxid chomu vykazuje kromě vynikající odolnost proti chemickým vlivům rovněž velmi dobrou odolnost proti mechanickému namáhání (odolnost proti otěru, abrazi). Tvrdost povlaku v rozmezí 72 až 75 HRc a vynikající kluzné vlastnosti dokázaly v mnoha případech nahradit jiné technologie, především tvrdé chromování, kde zvýšení životnosti dosahuje ve většině případů pěti až deseti násobku. Totéž platí i pro aplikaci keramického povlaku na bázi oxidu chromu na ucpávková místa chemických zařízení a strojů a to na ucpávkových místech na hřídelích (obr. 2), ucpávkových pouzdrech (o-kroužky, gufera, těsnící šňůry, speciální těsnění atd.) a na těsnících kroužcích mechanických ucpávek především proti uhlíkovým kroužkům jako protikus.

Dále je možné uvést aplikaci technologie žárového na vnitřní ploše autoklávu pro výrobu vodního skla. V důsledku snížení cen bylo nutné změnit technologii výroby vodního skla. Tato změna si vynutila provedení povrchové úpravy na vnitřním povrchu autoklávu speciálním materiálem zvyšujícím odolnost proti chemickému a abrazivnímu působení pracovního média za daných pracovních podmínek (teplota, tlak).

Rovněž ochrana povrchu dílců čerpadel různými typy povlaků výrazně zvýšila životnost těchto zařízení. Jedná se o plunžry, hřídele, ucpávková pouzdra, oběžná kola a vnitřní povrchy skříní.

Závěr

Možnosti praktického využití povlaků ve sklářství a v chemickém průmyslu vytvořených technologií žárového nástřiku je určitě celá řada a je jistě jenom otázka velmi krátkého času, kdy tato technologie výrazněji pronikne do této zajímavé oblasti v České republice.

Rovněž nebylo možné širším způsobem a detailněji popsat v tomto referátu jednotlivé metody, vlastnosti a typy přídavných materiálů a jejich další aplikace, resp. reference v různých odvětvích průmyslu.

Použití technologie žárového nástřiku je jednou z konkrétních možností jak při její optimální aplikaci výrazně snižovat náklady na údržbu a opravy při zvyšování životnosti a spolehlivosti renovovaných dílů.