Μεταλλοκεραμικές επικαλύψεις θερμικού ψεκασμού πλάσματος σε ανοξείδωτο χάλυβα

Abstract

The research that has been done during the elaboration of this thesis had to do with the study of cermet coatings WC-12%Co and WC-17%Co plasma thermal spraying.The coatings had been created by techniques of atmospheric plasma spraying and of vacuum plasma spraying and had been placed on a stainless steel. Moreover their microstructure, their frictional behaviour during sliding friction and abrasion wear as well as their surface treatment with laser were studied.The first stage had to do with the choice of elements which were tungsten carbides WC in a metallic cobalt matrix, in two different percentages of Co 12% and Co 17%. These elements were chosen because the two phases they are composed of combine the hardness and the abrasion resistance of the ceramic phase with the high ductility and the thermal conductance of the metallic phase. WC-12% which has the biggest percentage of carbides, has more hardness that is why it is used in applications where we find sliding wear. On the other hand WC-17%, having a higher percentage of metallic matrix, is much more ductile and that is why it is used in components which go through impacts and increased ductility is needed in order not to create cracks which are failures. These coatings are widely used in industrial applications which demand resistance to various kinds of abrasion wear and mechanical abrasion.The atmospheric plasma spraying technique is used for coatings of cermets because the high plasma temperature leads to equable powder melting and to their placement on the substrate with low porous percentages. A main feature of this technique is the production of oxides on coatings due to the presence of oxygen during the spraying. By the vacuum plasma spraying technique there are less oxides and less porous on the coatings.The spraying conditions for both elements through both techniques have gone through an improvement process by combining the methods of one factor at a time and the method of Taguchi experiment designing. The coatings produced were studied as far as the absence of minor cracks, minor porous, and the good particles melting of the sprayed powder, factors which determine the microstructure quality of a surface. These features have been observed by scanning electron microscopy through an X-ray microanalysis system on metallographic sections of coated samples. Moreover the microhardness and thickness of the coatings as well as the X-ray diffraction and the roughness were measured. The coatings produced with the most improved features mentioned above were studied as far as their friction behaviour by tribometer ball-on-disk so as to study the wear mechanism by sliding friction and by scratch test so as to study the wear mechanism through a third body. Various elements for example Al2O3 , Si3N4 and WC were used as an counter body of the coatings to study the coatings in sliding friction conditions. Moreover mechanic erosion tests were made on the WC-12%Co coatings produced by atmospheric plasma spraying and by using abrasion tests on the WC-17%Co coatings by atmospheric plasma spraying.Finally, coatings have gone through a laser surface treatment. In the beginning the laser effect on a motionless target was studied in order to define the radiation parameters which lead to the reduction of the porous surface and to the surface smoothing. Next the surface was scanned by laser and the mechanical behaviour was studied in conditions of friction sliding.

Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε κατά την εκπόνηση της διατριβής αυτής αφορούσε τη μελέτη κεραμομεταλλικών επικαλύψεων WC-12%Co και WC-17%Co θερμικού ψεκασμού πλάσματος. Οι επικαλύψεις δημιουργήθηκαν με τις τεχνικές ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος και ψεκασμού πλάσματος στο κενό και αποτέθησαν σε ανοξείδωτο ωστενιτικό χάλυβα. Μελετήθηκε επίσης η μικροδομή τους, η τριβολογική τους συμπεριφορά σε τριβή ολίσθησης και φθοράς εκτριβής, καθώς και η επιφανειακή τους κατεργασία με λέιζερ.Αρχικά επιλέχθηκαν τα υλικά ψεκασμού τα οποία ήσαν καρβίδια βολφραμίου WC σε μεταλλική μήτρα κοβαλτίου, σε δύο διαφορετικά ποσοστά Co 12% και Co 17%. Η επιλογή των υλικών έγινε γιατί με τις δύο φάσεις από τις οποίες αποτελούνται συνδυάζουν την σκληρότητα και την αντιδιαβρωτική ικανότητα της κεραμικής φάσης με την υψηλή ολκιμότητα και θερμική αγωγιμότητα της μεταλλικής φάσης. Το WC-12%Co που έχει μεγαλύτερο ποσοστό καρβιδίων παρουσιάζει μεγαλύτερη σκληρότητα γι’ αυτό και εφαρμόζεται κυρίως σε εφαρμογές που παρουσιάζεται φθορά ολίσθησης, ενώ το WC-17%Co, με μεγαλύτερο ποσοστό μεταλλικής μήτρας είναι περισσότερο όλκιμο και γι’ αυτό χρησιμοποιείται σε εξαρτήματα που υφίστανται κρούσεις και απαιτείται αυξημένη ολκιμότητα για να μη δημιουργηθούν ρήγματα, τα οποία αποτελούν σημεία αστοχίας. Οι επικαλύψεις αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές που απαιτούν αντίσταση σε ποικίλα είδη φθοράς εκτριβής και μηχανικής διάβρωσης.Η τεχνική ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος εφαρμόζεται για επικαλύψεις κεραμομεταλλικών υλικών καθώς η υψηλή θερμοκρασία του πλάσματος οδηγεί σε ομοιόμορφη τήξη των κόνεων και την εναπόθεση τους στο υπόστρωμα, με χαμηλά ποσοστά πορώδους. Χαρακτηριστικό της τεχνικής αυτής είναι η δημιουργία οξειδίων στις επικαλύψεις λόγω παρουσίας οξυγόνου κατά τον ψεκασμό. Με την τεχνική ψεκασμού πλάσματος στο κενό αποφεύγονται τα οξείδια ενώ επιτυγχάνεται μικρότερο πορώδες στις επικαλύψεις.Οι συνθήκες ψεκασμού και για τα δύο υλικά και με τις δύο τεχνικές ακολούθησαν μία διαδικασία βελτιστοποίησης με συνδυασμό των μεθόδων σταδιακής αλλαγής παραμέτρων ψεκασμού και της μεθόδου σχεδιασμού πειραμάτων Taguchi. Οι επικαλύψεις που παράγονταν εξετάζονταν ως προς την απουσία μικρορωγμών, ελάχιστο πορώδες και καλή τήξη των σωματιδίων της ψεκαζόμενης κόνης, παράγοντες που καθορίζουν την ποιότητα μικροδομής μιας επικάλυψης. Αυτά τα χαρακτηριστικά παρατηρήθηκαν σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης με σύστημα μικροανάλυσης ακτίνων Χ σε μεταλλογραφικές τομές επικαλυμμένων δοκιμίων. Επίσης έγιναν μετρήσεις μικροσκληρότητας και πάχους επικαλύψεων, όπως και περίθλαση ακτίνων Χ και προφιλομέτρηση τραχύτητας.Οι επικαλύψεις που δημιουργήθηκαν με βέλτιστα τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά εξετάστηκαν ως προς την τριβολογική τους συμπεριφορά με τριβόμετρο τύπου σφαίρας σε δίσκο για μελέτη του μηχανισμού φθοράς από τριβή ολίσθησης και με όργανο εκτριβής (scratch test) για μελέτη του μηχανισμού φθοράς από εκτριβή τρίτου σώματος. Για τη μελέτη των επικαλύψεων σε συνθήκες τριβής ολίσθησης χρησιμοποιήθηκαν ως αντίπαλο σώμα των επικαλύψεων διάφορα υλικά όπως Al2O3, το Si3N4 και το WC. Επίσης έγιναν δοκιμές μηχανικής διάβρωσης (erosion test) στις επικαλύψεις WC-12%Co με την τεχνική ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος και εκτριβής (abrasion test) ) στις επικαλύψεις WC-17%Co με την τεχνική ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος.Τέλος, οι επικαλύψεις υποβλήθηκαν σε επιφανειακή κατεργασία με λέιζερ. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση του λέιζερ σε ακίνητο στόχο ώστε να προσδιοριστούν οι συνθήκες ακτινοβόλησης που οδηγούν σε μείωση του επιφανειακού πορώδους και σε εξομάλυνση της επιφάνειας. Στη συνέχεια έγινε σάρωση της επιφάνειας με λέιζερ, ενώ μελετήθηκε η μηχανική τους συμπεριφορά σε συνθήκες τριβής ολίσθησης.