Beata Borkowska, Halina Kolenda

Tomasz Dyl
Akademia Morska w Gdyni
WPŁYW GNIOTU WZGLĘDNEGO
NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI
POWIERZCHNI POWŁOK Z FAZ MIĘDZYMETALICZNYCH
W artykule przedstawiono wpływ gniotu względnego na parametry stereometryczne, charakteryzowane poprzez wskaźnik zmniejszenia chropowatości powłok z faz międzymetalicznych NiAl i Ni 3 Al,
nakładanych na podłoże ze stali C45 za pomocą technologii natryskiwania plazmowego. Aby określić
wpływ odkształcenia względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości, przeprowadzono badania
doświadczalne prasowania próbek ze stali C45 z naniesioną powłoką NiAl i Ni 3 Al dla gniotów
względnych ε h = 3%, 9%, 18%.
1.
WPROWADZENIE
Stopy na osnowie uporządkowanych faz międzymetalicznych z udziałem
aluminium mają dużą odporność na utlenianie i korozję wżerową, a także wysoką
wytrzymałość zmęczeniową oraz żaroodporność [4, 7]. Znalazły one zastosowanie
w produkcji i regeneracji części maszyn do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych (łopatki turbin spalinowych, zawory wydechowe, wirniki turbosprężarek). Powłoki z faz międzymetalicznych uzyskuje się są za pomocą technologii
natryskiwania plazmowego [3]. Technologie natryskiwania cieplnego są szeroko
wykorzystywane, ze względu na możliwość zwiększenia właściwości eksploatacyjnych warstwy powierzchniowej (wytrzymałościowe, tribologiczne, antykorozyjne), do nakładania powłok na elementy części maszyn (uzębienia kół zębatych,
czopy wałów, gniazda zaworowe i cylindry silników spalinowych) [1, 3, 5].
Powłoki z faz międzymetalicznych NiAl oraz Ni 3 Al cechują się wysoką wytrzymałością zmęczeniową, żaroodpornością oraz znaczną odpornością na korozję
[6]. Powłoki otrzymane za pomocą natryskiwania cieplnego uzyskują duże wartości chropowatości powierzchni. Zaleca się więc dalszą wykańczającą obróbkę
plastyczną powłok z faz międzymetalicznych natryskiwanych plazmowo. Ważne
jest zatem, żeby zbadać, w jakim stopniu zmiana gniotu względnego wpłynie na
zmniejszenie chropowatości powierzchni powłok z faz międzymetalicznych.
2.
ZAKRES
BADAŃ
WŁASNYCH
T. Dyl: Wpływ gniotu względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości...
95
W ramach prac własnych prowadzonych w Akademii Morskiej w Gdyni
przeprowadzono badania doświadczalne w celu określenia wpływu gniotu względnego na parametry stereometryczne powłok z faz międzymetalicznych NiAl
i Ni 3 Al, nakładanych na podłoże ze stali C45 za pomocą technologii natryskiwania
plazmowego. Przed nałożeniem powłok na próbki stalowe przygotowano ich
powierzchnię poprzez obróbkę strumieniowo-ścierną, a następnie odtłuszczono
i oczyszczono z produktów utleniania. Natryskiwanie plazmowe powłok z faz
międzymetalicznych prowadzono dla natężenia prądu (450 A) i napięcia łuku
wewnętrznego (47 V), a także ustalono przepływ argonu (2000 dm3/h), przepływ
wodoru (100 dm3/h), odległość dyszy od próbki (70 mm). Próby spęczania dokonano na prasie hydraulicznej ZD20 w Laboratorium Obróbki Plastycznej KTMMiS
Wydziału Mechanicznego Politechniki Gdańskiej, dla gniotów względnych ε h = 3%,
9%, 18%.
Chropowatość powierzchni próbek poddanych obróbce plastycznej poprzez
spęczanie dla trzech różnych gniotów względnych mierzono profilometrem
HOMMEL TESTER T1000 w Katedrze Materiałów Okrętowych i Technologii
Remontów Akademii Morskiej w Gdyni. Długość odcinka pomiarowego wynosiła
4,8 mm, a odcinka elementarnego 0,8 mm. Pomiary wykonano w pięciu punktach
pomiarowych równo rozmieszczonych na powierzchni próbek z naniesionymi
powłokami z faz międzymetalicznych NiAl i Ni 3 Al. Na podstawie pomiaru średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości (parametr R a )
wyznaczono wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni powłok z faz
międzymetalicznych (K Ra ) [2].
3.
WYNIKI
BADAŃ
WŁASNYCH
Na podstawie uzyskanych wyników badań własnych ustalono, że zmiana
gniotu względnego ma wpływ na zmniejszenie chropowatości powłok z faz
międzymetalicznych NiAl i Ni 3 Al. Przed obróbką plastyczną średnie arytmetyczne
odchylenie profilu chropowatości powierzchni powłoki wynosiło R a ′ = 12,99 µm
dla powłok Ni 3 Al i R a ′ = 5,25 µm dla powłok NiAl. Powłoki natryskiwane plazmowo z materiału proszkowego na bazie faz międzymetalicznych NiAl i Ni 3 Al
charakteryzowały się znacznie rozbudowaną strukturą stereometryczną profilu
powierzchni.
Opierając się na wynikach pomiarów średniego arytmetycznego odchylenia
profilu chropowatości powierzchni powłok z faz międzymetalicznych Ni 3 Al i NiAl
po obróbce plastycznej określono, że wraz ze wzrostem gniotu chropowatość
powłok maleje (rys. 1). Dla powłok z faz międzymetalicznych Ni 3 Al najmniejsze
wartości średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości powierzchni
96
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
R a = 4,18 µm oraz dla faz NiAl najmniejsze wartości parametru R a = 2,89 µm,
pomierzono dla gniotu względnego ε h = 18%.
–0,0535
εh ε h 2 2
-0,0535
1)
, R, R= =0,99
0,99
1) R
Raa = 10,897e
10,897e
–0,035
εh ε h 2 2
-0,035
2)
, R
0,99
Raa == 5,4079e
5,4079e
, R==0,99
2) R
10
9
8
, µm
RR
a a[μm]
7
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
εεhh ,[%]
%
15
20
Rys. 1. Wpływ gniotu względnego na zmianę wartości średniego arytmetycznego odchylenia
profilu chropowatości powierzchni powłok z faz międzymetalicznych: 1) Ni 3 Al, 2) NiAl
Wpływ gniotu względnego na zmianę wskaźnika zmniejszenia chropowatości
powierzchni powłok z faz międzymetalicznych przedstawiono na rysunku 2. Określono, że przy zastosowaniu większych gniotów względnych można uzyskać mniejsze
chropowatości powierzchni powłok. Większe wartości wskaźnika zmniejszenia
chropowatości powierzchni zmierzono dla powłok z faz Ni 3 Al. Można uzyskać
nawet trzykrotne zmniejszenie chropowatości (K Ra = 3) dla gniotu względnego
ε h = 18%. Natomiast przy zastosowaniu tej samej wartości gniotu (ε h = 18%) po
spęczaniu powłok z faz NiAl wskaźnik zmniejszenia chropowatości przyjmuje
wartość K Ra = 1,8.
11)) KRa = 0,0023
0,0023 εεhh22 ++ 0,0666
0,0666εεhh+ 1,1686,
1,1686, R
R22=1
=1
3,5
2
2
0,0006 εεhh2 ++ 0,0365
0,0365εεhh+ 0,9602,
0,9602, R
R2=1
=1
22)) KRa
Ra = 0,0006
3
KKRa
Ra
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
ε h , % 10
15
20
εh [%]
Rys. 2. Wpływ gniotu względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni powłok
z faz międzymetalicznych: 1) Ni 3 Al, 2) NiAl
T. Dyl: Wpływ gniotu względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości...
97
Na rysunku 3 przedstawiono krzywe udziału materiałowego dla powłok z faz
międzymetalicznych Ni 3 Al i NiAl po obróbce plastycznej. Parametry związane
z krzywą udziału materiałowego to:
• parametr R pk – zredukowana wysokość wzniesień, charakteryzuje górną część
powierzchni, która szybko ulegnie wytarciu po rozpoczęciu np. pracy silnika lub
innego urządzenia okrętowego;
• parametr R vk – zredukowana głębokość wgłębień profilu nierówności; jest on
miarą zdolności pracujących powierzchni do utrzymywania smaru w powstających mechanicznie wgłębieniach;
• parametr R k – opisuje głębokość rdzenia profilu chropowatości.
Mniejsze wartości głębokości rdzenia chropowatości R k , a także zredukowanych wysokości wzniesień R pk oraz większe wartości zredukowanych głębokości wgłębień R vk występują bardziej dla powłok z fazy międzymetalicznej Ni 3 Al
niż dla powłok fazy międzymetalicznej NiAl.
Na podstawie danych zawartych w tabeli 1 i na rysunku 3 można wnioskować,
że najlepszym stopniem przylegania badanej powierzchni do przeciwpowierzchni
cechować się będą powłoki z fazy międzymetalicznej Ni 3 Al.
Tabela 1
Wyniki pomiarów parametrów profilu nierówności
dla różnych rodzajów materiałów powłokowych
Rodzaj powłoki
K Ra
Ra
[μm]
Rk
[μm]
R pk
[μm]
R vk
[μm]
Faza międzymetaliczna Ni 3 Al
3,1
4,2
15,44
4,20
12,48
Faza międzymetaliczna NiAl
1,8
2,9
17,02
4,86
6,21
a)
b)
P-Profile
Material ratio
P-Profile
Material ratio
0,0
0,0
[µm]
[µm]
70,30
62,62
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0%
20%
40%
60%
80%
Rys. 3. Krzywa udziału materiałowego dla powłok z faz międzymetalicznych po obróbce plastycznej:
a) Ni 3 Al i b) NiAl
100%
98
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
4.
WNIOSKI
Po przeprowadzonych badaniach własnych można sformułować następujące
stwierdzenia i wnioski:
• wraz ze wzrostem gniotu względnego maleją wartości średniego arytmetycznego
odchylenia profilu chropowatości powierzchni powłok;
• jeśli zastosuje się większy gniot względny, można uzyskać większe wartości
wskaźnika zmniejszenia chropowatość powłok;
• dla powłok z faz Ni 3 Al można uzyskać nawet trzykrotne zmniejszenie chropowatości (K Ra = 3) dla gniotu względnego ε h = 18%;
• przy zastosowaniu gniotu ε h = 18% dla powłok z faz NiAl wskaźnik zmniejszenia chropowatości przyjmuje wartość K Ra = 1,8;
• większe wartości wskaźnika zmniejszenia chropowatości powierzchni i lepszy
stopień przylegania powierzchni do przeciwpowierzchni uzyskano dla powłok
z faz Ni 3 Al.
W pracy określono zależność gniotu względnego od wskaźnika zmniejszenia
chropowatości powierzchni powłok z faz międzymetalicznych. Pozwoli to na
dobór optymalnych parametrów procesu technologicznego wykańczającej obróbki
plastycznej powłok z faz międzymetalicznych nakładanych poprzez natryskiwanie
plazmowe. W celu uzyskania jak najmniejszej chropowatości powłok z faz
NiAl i Ni 3 Al należy założyć duże wartości gniotu dla powierzchniowej obróbki
plastycznej.
LITERATURA
1. Barbezat G., Application of thermal spraying in the automobile industry, Surface & Coatings
Technology 201 (2006).
2. Dyl T., Skoblik R., Starosta R., The Effect of the Ceramic Dispersion on the Nickel Matrix Composite
Coating Properties after Plastic Working, „Solid State Phenomena”, 2009, vols. 147-149.
3. Klimpel A., Technologie napawania i natryskiwania cieplnego, Wydawnictwo Politechniki
Śląskiej, Gliwice 1999.
4. Sierra C., Va´zquez A.J., NiAl coating on carbon steel with an intermediate Ni gradient layer,
„Surface&Coatings Technology”, 200 (2006).
5. Starosta R., Dyl T., Obróbka powierzchniowa, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni,
Gdynia 2008.
6. Starosta R., Szczepaniak P., Ocena odporności korozyjnej powłok z faz NiAl oraz Ni 3 Al
natryskiwanych plazmowo, „Inżynieria Materiałowa”, nr 3 (151) 2006.
7. Varin R.A., Structural and functional intermetallics – on overview, „Inżynieria Materiałowa”, nr 1
(120) 2001.
T. Dyl: Wpływ gniotu względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości...
THE
99
INFLUENCE
COATINGS
OF RELATIVE DRAFT ON THE
INTERMETALLIC
SURFACE ROUGHNESS DECREASE RATIO
(Summary)
This paper presents the influence of relative draft on the intermetallic coatings surface roughness
decrease ratio. The NiAl and Ni 3 Al intermetallic have found widespread applications as high-temperature structural material due to their high melting point, low density, good thermal
conductivity and excellent oxidation resistance. The NiAl and Ni 3 Al coatings were obtain by plasma
spraying. The influence of strain intensity on stereometrical properties at the intermetallic coating
was determined. It carry experimental research for three relative draft ε h = 3%, 9%, 18%.