Friction Stir Welding header

Žárové stříkání

Contact us generico

Kontaktujte nás

Telefon: 235 097 520 

Fax: 235 097 525

siad@siad.cz

 

Friction Stir Welding

Technologie žárového stříkání (někdy též Termické nástřiky nebo povlakování) umožňuje nanášení a vytváření kovových, kovokeramických a keramických povlaků na různé typy konstrukčních materiálů bez ohledu na stav jejich tepelného zpracování. Cílem aplikace povlaků vytvořených technologií žárového stříkání je výroba nebo obnova funkčních ploch se specifickými vlastnostmi na strojních součástech za současného snížení výrobních i provozních nákladů. Tuto technologii je možné používat jak v oblasti prvovýroby, tak v oblasti oprav a renovací. Tato technologie byla poprvé použita před více než 100 lety (kolem roku 1910) švýcarským fyzikem dr. M.A. Schoopem (v češtině jsme se mu odměnili dodnes užívaným názvem nástřiku mědi z drátu – šopováním).

                   Pro aplikaci žárového stříkání není podstatné složení základního materiálu povlakované součásti ani stav jejího tepelného zpracování.  Povlaky nelze nanášet pouze na součásti s již vytvořenými vrstvami např. nitridací nebo chromováním. Během procesu nanášení povlaků dochází k ohřátí základního materiálu na teploty kolem 100 °C, ve výjimečných případech do 150 °C. Nedochází tudíž ani k deformaci povlakované součásti, ani k degradaci struktury základního materiálu. Obecně lze proces vytváření povlaků technologií žárového stříkání charakterizovat jako natavování přídavného materiálu ve formě prášku, drátu nebo tyčinky, jejichž částice jsou urychlovány a nanášeny na předem připravený (odmaštěný, otryskaný) povrch součástí. Po dopadu na základní materiál dochází k částečné nebo úplné deformaci individuálně dopadajících částic, které se postupně velmi rychle ochlazují, tuhnou a vytvářejí typickou strukturu povlaku.

                   Tloušťky povlaků se pohybují od 0,05 mm až do několika milimetrů podle použité metody technologie. Pracoviště může být vybaveno robotizovanými systémy, které zajišťují vysokou spolehlivost a reprodukovatelnost procesu nanášení na různé tvary polotovarů – rotační, rovinné, nebo jiné složitější tvary – a s určitým omezením i do otvorů.

Metody žárového nástřiku, kde se používají technické plyny, se rozdělují podle druhu tepelného zdroje použitého k natavení nanášeného materiálu do dvou skupin:

A) Tepelná energie hoření směsi kyslíku a topného plynu

• nástřik plamenem

  • Nástřik drátů plamenem – metalizace, šopování (Oxyfuel Wire Spray)
  • Nástřik prášků plamenem (Oxyfuel Powder Spray)

• detonační nástřik

• vysokotlaký a vysokorychlostní nástřik plamenem: HP (High Pressure), HVOF (Hight Velocity Oxygen Fuel)

B) Tepelná energie elektrického zdroje

• nástřik elektrickým obloukem z drátů (Wire Arc Spray nebo Electric Arc Wire Spray)

• plazmatický nástřik z prášků (Plasma Arc Spray)

  • Atmosférický APS (Air Plasma Spraying)
  • Nízkotlaký LPPS (Low Pressure Plasma Spraying) popř. VPS (Vacuum Plasma Spraying)

Metody žárového nástřiku a používané plyny

1. Nástřik plamenem

                   Nástřik plamenem je nejstarším způsobem žárového nástřiku. Tato metoda používá kyslík společně s topným plynem (acetylen, propylen, propan, propan-butan, vodík). Nanášený materiál ve formě prášku je přiváděn tlakem dopravního plynu (vzduch) nebo ve formě drátu do plamene, vzniklého hořením této směsi, kde dojde k jeho natavení a urychlení tlakem rozstřikovacího plynu (vzduch) směrem k povlakované součásti. Pro zvýšení teploty plamene lze použít přídavného proudu ochranného plynu (argon, dusík), který umožňuje nástřik materiálů se střední teplotou tavení, jako je ocel, NiCrBSi, Mo i některé druhy oxidů.

2. Detonační nástřik

                   Detonační nástřik využívá tepelné a kinetické energie spalovacího procesu plynů (kyslík, acetylen, popř. ve směsi s dalším topným plynem), uzavřených ve spalovací komoře, do které je přiváděn tlakem plynu (dusík) materiál ve formě prášku. Směs plynů a prášku je diskontinuálně zapalována zapalovací svíčkou. Vzniklá exploze plynů ohřívá a současně urychluje částice prášku hrdlem hořáku směrem k povlakované součásti. Poté je spalovací komora vypláchnuta proudem dusíku. Tento proces je cyklicky opakován s frekvencí více jak 300 cyklů za minutu, zpravidla 5-8 cyklů za vteřinu. Ve srovnání s nástřikem plamenem dosahuje vyšších teplot i rychlostí dopadu. Poprvé byl tento princip použit firmou Union Carbide pod obchodním názvem D-Gun. Modifikovaná verze nese označení Super D-Gun.

3. Vysokotlaký a vysokorychlostní nástřik plamenem

                   Tato metoda je ve svém principu podobná metodě D-Gun s tím rozdílem, že plnění spalovací komory a hoření plynů probíhá kontinuálně. Je založena na speciálním designu hořáku, kde dochází k hoření směsi kyslík-palivo (vodík, metan, acetylen, propylen, propan, propadien, kerosin atd.). Hořáky jsou chlazeny vzduchem nebo vodou. Produkty hoření jsou urychlovány v konvergentně divergentní trysce až na supersonické hodnoty. Materiál ve formě prášku je za pomoci nosného plynu (dusík) přiváděn do supersonického plamene, kde dojde k jeho natavení a výraznému urychlení směrem k povlakované součásti.

4. Nástřik elektrickým obloukem

                   Tato metoda používá přídavný materiál ve formě dvou drátů, mezi jejichž konci hoří elektrický oblouk. Vzniklá tavenina je rozprašována stlačeným plynem (vzduch, dusík, argon). Tím se vytvoří proud roztavených kapiček nanášeného materiálu dopadajících na povrch povlakované součásti. Jednoduchost, nízké provozní náklady, mobilita (pro provoz je zpravidla potřeba pouze stlačený vzduch a elektrická energie), vysoký výkon (až 80 kg materiálu za hodinu) a široké spektrum kovových materiálů (Fe, Ni, Cu, Al, Zn, Sn atd.) dostupných ve formě drátu jsou hlavní přednosti tohoto druhu žárového nástřiku. Tato technologie je dnes dominantní v nástřicích velkých ocelových konstrukcí (mosty, sloupy, věže, jeřábové konstrukce) čistým zinkem nebo slitinou ZnAl 85/15 a vytlačila již do ústraní klasickou metalizaci plamenem.

5. Plazmatický nástřik

                   Plazmová zařízení se liší systémem stabilizace oblouku, mohou být s vodní nebo plynovou stabilizací. U plynové stabilizace lze pracovat s tzv. nepřeneseným obloukem (hoří mezi katodou a anodou v hořáku) anebo přeneseným obloukem (mezi hořákem a povlakovanou součástí). Nejpoužívanějším systémem v průmyslových aplikacích jsou plazmy s plynovou stabilizací a nepřeneseným obloukem. V plazmovém hořáku s plynovou stabilizací a nepřeneseným obloukem hoří elektrický oblouk mezi vodou chlazenou wolframovou katodou a válcovou měděnou anodou, tvořící zároveň trysku plazmového hořáku. Elektrický oblouk hoří v ionizačním plynu (obvykle argon nebo jiný inertní plyn s několika procenty plynu zvyšujícího entalpii plazmatu, např. vodík, helium, dusík). Plazmový plyn je napouštěn axiálně do hořáku, na jehož druhém konci vystupuje plazma s vysokou teplotou (až 30 000 °C) a entalpií. Do něj se pomocí nosného plynu (argon, dusík) přivádí nanášený materiál ve formě prášku zrnitosti kolem 100 mikronů.

                   Teplota a rychlost proudu plazmatu závisí zejména na konstrukci hořáku, energetickém příkonu a použitém plynu. Základním plynem plazmatu je argon, který však sám tvoří pouze nízkoenergetické plazma. Proto se používá ve směsi s heliem (20-50 objemových % He) nebo s vodíkem (5-15 objemových % H2) a lze dosáhnout výkonu do 100kW. Jedním z nejteplejších plazmových plynů je dusík, avšak jeho použití je omezeno jeho vysokou reaktivností s většinou přídavných materiálů, avšak dusíkovodíkové plazmy dosahují výkonů 165-220kW.

                   Modifikací standardního plazmatického nástřiku je použití ochranné atmosféry. V tomto případě je ke snížení obsahu oxidů ve struktuře a zlepšení hustoty povlaku použito stínění proudu plazmatu inertním plynem, obvykle argon nebo dusík. Omezení přístupu kyslíku do proudu plazmatu a jeho nahrazení argonem vede kromě snížení výskytu oxidů také k vyšší teplotě a prodloužení proudu plazmatu, což má za následek vyšší protavení částic prášku. Pro dosažení extrémně vysoké hustoty, přilnavosti a čistoty povlaků je možné provádět plazmatický nástřik v uzavřené komoře za sníženého tlaku (obvykle 50-200 mbar), tzv. LPPS (low pressure plasma spraying) nebo VPS (vacuum plasma spraying).

Aplikace žárových nástřiků

                   Použití nástřikových technologií a aplikace jimi vytvořených povlaků můžeme „sledovat“ ze dvou základních pohledů: k čemu (korozivzdornost, otěruvzdornost, žáruvzdornost, kompatibilita, obrusitelnost, vodivost atp.) a kde slouží (průmyslová odvětví).

                   Historicky nejstarší aplikací jsou nástřiky ke zvýšení korozivzdornosti a otěruvzdornosti plamenem. Klasická metalizace z drátů na bázi mědi, zinku, hliníku a nerezavějících ocelí (protikorozní ochrana ve stavebnictví) byla postupně rozšířena o nástřiky molybdenu (kluzné vlastnosti), slitin (NiCr, NiCrMo, NiCrAl), trubičkovými dráty a exotermickými materiály (NiAl, NiTi). Obdobné materiály se používají i u nástřiku elektrickým obloukem z drátů. Tyto technologie se využívají při renovacích i v prvovýrobě v metalurgii, těžebním, chemickém průmyslu a v energetice. Technologie nástřiků plamenem z prášků dovolila využití tvrdokovů na bázi niklu (NiCrBSi – někdy zvané jako dvoufázové nástřiky tzv. stavovací povlaky) a kobaltu (stellite, triebaloy), což rozšířilo pole působnosti o „jemnější“ odvětví jako jsou automobilní, sklářský, textilní, papírenský, polygrafický a elektrotechnický průmysl. Minimální porozitou a vysokou přilnavostí se vyznačují vrstvy zhotovené vysokorychlostními technologiemi HP/HFOV a detonačním dělem. Typickými materiály pro HVOF nástřik jsou cermety (ceramic-metal), nejčastěji na bázi karbidů wolframu a chromu. Typickými aplikacemi jsou povlaky odolné proti opotřebení a korozi v různých prostředích.

                   Plné využití keramických práškových materiálů (odolnost proti otěru, elektroizolační a tepelně izolační vlastnosti) umožnily až plazmové technologie. Oxidická keramika typu oxidů Al, Cr, Zr a Ti, resp. neoxidická keramika typu karbidů (W, Cr, Si, B a Ti), popř. kovokeramika (cermety např. Ni – grafit, hydroxyl apatit) poskytují vynikající odolnost proti otěru a opotřebení, resp. mají vynikající tepelně izolační vlastnosti anebo naopak žádoucí obrusitelnost, kompatibilitu atp. Se zaváděním keramických vrstev se datuje prudký rozvoj těchto technologií v leteckém a raketovém průmyslu.

                   Pro tvorbu tepelných bariér se využívají v konstrukci turbín a spalovacích komor pracujících za vysokých teplot (až 1350 °C) vícesložkové, plazmově stříkané vrstvy. Nejčastější, sendvičové vrstvy se skládají z přilnavostní kovové mezivrstvy M-CrAlY, kde M je Ni, Co nebo jejich kombinace (tl. 0,05-0,15 mm), a vrchní keramiky na bázi oxidu Zr stabilizovaném oxidem ytria 7-20 % (tl. 0,1-0,5 mm). Nejširšího využití se dostalo materiálu Ni-22Cr-10Al-1Y, který se stříká i na oběžné díly turbín (lopatky pracující do 980 °C, ochrana proti vysokoteplotní korozi) buď plazmou za sníženého tlaku anebo klasickou plazmou APS a s následným tepelným zakotvením povlaku k substrátu (tl. 0,05-0,1 mm). Špičkovým materiálem je slitina Co-32Ni-21Cr-8Al-0,8Y, která může pracovat až do 1040 °C. Nástřik těchto tvarově složitých součástí je nezbytné provádět na robotizovaných pracovištích, popř. v případě požadavku na gradované vrstvy (postupný přechod z mezivrstvy na keramiku) s vysoce inteligentním řídícím systémem.

                   Prášky na plazmově stříkané vrstvy odolné opotřebení jsou určeny v podstatě pracovní teplotou součásti. Na součásti pracující při teplotě okolí se využívají oxidické keramiky, slitiny NiCrBSi nebo CoCrWC (stellite, tribaloy). Tyto slitiny se vyznačují vysokou tvrdostí (25-72 HRc) a dobrou přilnavostí. Se zvyšující se teplotou (do 480 °C) jsou nahrazovány cermety WC+12-17 % Co a do 870 °C pak karbidy chromu s 25 % NiCr. Funkční tloušťky vrstev po opracování jsou v rozmezí 0,05-0,15 mm. Dříve dominantní plazmatický nástřik v současnosti nahrazuje efektivnější HP/HFOV nástřik.

                   Obrusno-oděrné vrstvy se používají na těsnící ucpávky k vymezení vůle mezi statorem a rotujícími částmi. Cílem je těmito vrstvami minimalizovat tlakové ztráty na pracovních médiích u oběžných lopatek a u labyrintů hřídelů. I zde je výběr přídavného materiálu ovlivněn pracovní teplotou, pro studené části do 325 °C se používá směs 40 % polyesteru s Al-12Si, popř. s Al-bronzem, do 550 °C Ni-grafitové kompozity a do 815 °C prášky obsahující NiCrAl s nitridem boru. Vzhledem k nižší přilnavosti těchto nástřiků se zpravidla stříká na základní materiál mezivrstva na bázi NiCr, NiCrAl nebo NiAl v tl. 0,05-0,15 mm. Funkční vrstvy „výstelek“ dosahují tl. 1,2-1,5 mm. Pro vyšší teploty se používají voštinové ucpávky, mnohdy vyplněné nástřikem stabilizovaným oxidem Zr.

                   Hydroxyl apatit (zkratka HA, resp. HAp) je minerál a jeden z nejvýznamnějších bio keramických materiálů. Hydroxyl apatit je hlavní neorganickou složkou kostí a zubů; ve zdravotnictví je horkým favoritem při přípravě materiálu vhodného pro dentální a ortopedické implantáty (zubní a kloubní náhrady). HA má bioaktivní, biokompatibilní a non biodegradabilní vlastnosti. Jako práškový materiál se již dnes využívá k nástřikům plazmou na implantáty vyrobené z titanových nebo kobaltových slitin. Tyto vrstvy urychlují proces vyhojení a zajišťují vznik pevné vazby mezi kostní tkání a povrchem implantátu.

Technické plyny z hlediska jakosti a spotřeby

                   Technické plyny patří ve všech technologiích žárového povlakování k základním, nastavovacím parametrům, které ovlivňují výkon tepelného zdroje, dopadovou rychlost částic, výkon nanášení a ve svém důsledku i kvalitu dosažených vrstev.

                   U žárového nástřiku plamenem práškových materiálů je základním parametrem množství plynů tvořících hořlavou směs (druh, poměr, tlak, průtok, čistota) a tlak rozstřikovacího vzduchu. Nejčastější kombinací je směs acetylen/kyslík v poměru 1:2 až 1:6 s průtokem 40-60 l/min kyslíku a 20-25 l/min acetylenu. Předností acetylénu je vysoká teplota plamene (až 3100 °C), a zápalná rychlost kyslíko-acetylénového plamene je zdůvodněna strukturální výhodou molekuly acetylenu, skládající se ze dvou atomů uhlíku, spojených navzájem trojnou vazbou a dvou symetricky uspořádaných atomů vodíku. Při rozpadu acetylenu (v porovnání s jinými uhlovodíky) se uvolňuje tzv. slučovací teplo (či slučovací energie). Je tedy u acetylénu k využití 8714 kJ. kg-1. K tomu se ještě připočítá částečné spálení s přiváděným kyslíkem. A jelikož při tom má význam jen první fáze spalování, tj. primární plamen, jsou spalovací vlastnosti acetylenu velkou výhodou. Pro nízko tavné materiály lze použít směs propan (propan-butan) / kyslík v poměru 1:6 až 1:10. Při použití jiného topného plynu, než je acetylen, je třeba mít na paměti podstatně nižší teplotu plamene. Rozstřikovací vzduch má zpravidla průtok 100-200 l/min.

                   Obdobně je tomu i u plazmatických nástřiků – plazmové plyny (druh, poměr, tlak, průtok, čistota), dopravní plyny (druh, průtok, čistota) a případné ochranné plyny. U „plazmotvorné“ směsi se nejčastěji používá kombinace Ar/H2 s průtokem 40-60 l/min Ar a 5-15 l/min H2 (hořáky Sulzer-METCO) anebo kombinace N2/H2 s průtokem dusíku 230-330 l/min a vodíku 90-150 l/min (hořáky TAFA). Méně časté jsou směsi Ar/He, Ar/H2/He. Jako dopravní plyn se používá argon, popř. dusík s průtokem 2–10 l/min.

                   Jak již bylo výše zmíněno, používají se pro žárové nástřiky nejrůznější druhy plynů. Lze je dělit několika způsoby podle toho, jak se na vlastní technologii podílejí. Nejčastější je dělení na plyny procesní (přímo se podílejí na vzniku tepelného zdroje) a na plyny asistenční (především zabezpečují ochranu a dopravu roztaveného materiálu k povlakované součásti). Proces kontroly a regulace přívodu plynu je prováděn elektronickým ovládáním konkrétního zařízení pro každé plynné médium.

                   Způsob zásobování plynem je odvislý na požadovaného množství. Standardní jsou plyny v lahvích anebo ve svazcích lahví, které jsou připojeny k zařízení přes redukční stanici. Redukční stanice mohou být manuální anebo automaticky řízené. Na redukční stanici může být připojena baterie lahví nebo svazků. V mnoha případech jsou plyny skladovány v nádržích na kapaliny. Pochopitelně, že do přívodního potrubí se musí dostat v plynné formě, proto jsou zplyňovány ve výparnících.

                   SIAD je schopen velmi pružně reagovat na potřeby zákazníka a nabídnout mu optimální zásobovací systém – od jednotlivých láhví, přes láhve na paletách nebo ve svazcích lahví, popřípadě zkapalněné plyny v mobilních mini zásobnících a kontejnerech, až po dodávky do stabilních tanků s výparníky. Pro jednotlivé druhy plynů mohou být použity různé formy zásobovacího systému (z lahví, ze svazků, z kapalného zdroje).

                   Vrstvy vytvářené technologiemi žárových nástřiků mají významnou pozici v oblasti povrchových úprav. Slouží zvyšování užitných vlastností výrobků, prodlužují jejich životnost, jsou zdrojem pro úsporu materiálů a v neposlední řadě umožňují renovace použitých součástí v opravárenství. Všechny uvedené technologie žárového stříkání se neobejdou – ve větší či menší míře – bez technických plynů. Obecně lze konstatovat, že mezi základní technologické parametry nástřiků vždy patří druhy použitých plynů, průtočná množství a tlak pracovních či dopravních plynů a jejich čistota.