gallery/лого spraymet 16

Viber, WhatsApp: +79057088001

kpengineering@inbox.ru

+7(495)769-91-74

gallery/iso

О важности четких 
критериев при заказах на 
газотермическое напыление.

Автор: Daniel Hayden

Перевод: Павел Корнилов, ООО «КП Инжиниринг»
www.spraymet.ru 

Внедрение систем управления качеством в целом повысило как удовлетворенность клиентов, так и практический результат применения покрытий, наносимых методом термического напыления в различных отраслях и сферах применения. Клиенты стали более точны в своих запросах, уверены в характере нанесенного покрытия, и исполнители с меньшей вероятностью увидят возвращение изделий на доработку из-за неправильного выбора материала покрытия. Однако по мере того, как клиенты все чаще пытаются самостоятельно разрабатывать и использовать технические задания для своих заказов, в областях применения термического распыления наблюдается увеличение количества неполных, неподходящих для применения требований, зачастую слишком строгих, чтобы исполнить заказ за адекватные производственные затраты и доставку. Причины этого разнообразны и понятны, а частично пригодная для использования спецификация часто лучше, чем ничего. Цель этой статьи - помочь покупателям и исполнителям с самого начала договориться об определении объема работ и приемлемости, которые соответствуют заявке.
Хорошо написанная спецификация на работы четко определяет запрашиваемое покрытие, его природу и его размеры. Кроме того, она четко устанавливает показатели, которые будут использоваться для принятия или отклонения результата работ после их завершения. Если запрос слишком расплывчатый, исполнитель может обоснованно заявить, что продукт соответствует требованиям, даже если клиент может быть не удовлетворен результатом. Если критерии приемлемости слишком строгие, для исполнителя может оказаться невозможным последовательно выполнять требования по всему объему контракта. Следовательно, цель состоит в том, чтобы покупатель запрашивал правильное покрытие, и критерии приемлемости для этого материала и процесса являются разумными.

Выбор покрытия
Что касается первой цели, то иногда бывает, что заказчик работ более знаком с возможностями покрытия, чем с его техническими характеристиками и поэтому часто бывает полезно, если функция покрытия с самого начала была четко описана. 
Какова операционная среда? Какова природа износа или коррозии, в которой будет работать покрытие? Какие осложняющие факторы существуют? 
Ответы на эти вопросы определяют материал покрытия, наилучшим образом подходящий для нанесения, размеры зоны покрытия и характер ее границ, а также строгость процесса, применяемого для его нанесения. Если заказчик может принять участие в этом этапе разработки спецификации на работу, вероятность успешного результата значительно улучшится, поскольку выбор будет сделан с учетом опыта заказчика (и знания поведения покрытия).

gallery/безымянный-1

Образцы различных термически напыленных материалов, 

с покрытием и шлифовкой.

Для второй цели целесообразно, чтобы заказчик определял свои ожидания на основе общепринятых ограничений, если не непосредственного практического опыта. Простая истина, подтвержденная опытом многих производств, заключается в том, что многие требования к работам просто собираются из предыдущих заявок или копируются напрямую. Даже в эпоху, когда Google и Яндекс легко предоставляют большие объемы информации в руки инженеров, существует очень мало достоверной информации о надежном поведении покрытий, нанесенных термическим напылением, и предположении, что свойства покрытия должны быть такими же, как у исходного материала, из которого покрытие часто состоит. В результате появились виды требований, которые либо переносят несоответствующие критерии в документы нового поколения, либо устанавливаются чрезмерные ограничения (иногда невозможные) для простых покрытий.
По сути, должны применяться следующие ограничения:
 Является ли материал правильным?
 Правильно ли расположены и размер покрытия?
 Достаточно ли качественно покрытие для его функционирования?
 Соответствует ли стоимость работ и доставки тому, что было указано в предложении?

Измерение и принятие.
Существуют только несколько основных категорий характеристик, которые можно эффективно измерить: твердость, шероховатость, адгезия, микроструктура и химия. В дополнение к размеру, все это составляет основу большинства спецификаций.

gallery/безымянный-2

Инженер по покрытиям проводит микрографический анализ

В каждой категории есть варианты для тестирования параметров, которые требуют больших затрат и времени, чем другие, и есть целые значения и допустимые диапазоны для этих значений. Выбор «правильного» теста и принятие решения может оказать огромное влияние на выполнение этих требований.

Твердость
Твердость, возможно, является одной из наиболее распространенных желательных характеристик напыляемого покрытия, независимо от того, наносится ли оно твердым материалом, чтобы повысить долговечность поверхности, или мягким материалом, чтобы улучшить смазку поверхности. Проверка твердости покрытия часто является фундаментальным испытанием для его принятия. В дополнение к проверке состава материала, на твердость также непосредственно влияет пористость, и значение твердости ниже допустимого значения, может быстро выявить проблему с микроструктурой покрытия, которая может потребовать более интенсивного исследования для проверки. Твердость покрытия обычно измеряется одним из двух способов: поверхностной твердостью в соответствии с ASTM E18, Стандартными методами испытаний на твердость по Роквеллу металлических материалов или микротвердостью в соответствии с ASTM E384, Стандартным методом испытаний на твердость материалов при микроиндентировании. Оба являются методами вдавливания, то есть они измеряют глубину проникновения известной нагрузки и формы в покрытие. Поверхностная твердость может быть выполнена быстро с минимальной подготовкой образца и может обеспечить результаты в течение нескольких минут. Микротвердость требует изготовления и полировки части покрытого образца для оценки под микроскопом, процесс, который может занять час или более, в течение которых работа часто не может продолжаться. Хотя испытание занимает больше времени, оно также является более точным, чем поверхностная твердость, и является единственным вариантом для очень твердых или очень тонких покрытий (обычно менее 400 микрон). Значения допустимых пределов для большинства покрытий доступны у поставщиков материалов для покрытий и поставщиков покрытий. Они обычно превышают публикуемые данные, что может быть трудно достичь на практике.

Были разработаны другие испытания твердости покрытия и износостойкости, которые лучше имитируют фактическое состояние износа, для которого используется покрытие. В случаях, когда износ является основной мотивацией для использования твердого покрытия, такие тесты, как испытание на абразивный износ ASTM G65, истирание по Таберу, штифт на кольце и блок на кольце, могут оказаться еще более полезными для оценки характеристик покрытия; однако, они не так распространены или легко доступны в большинстве предприятий – исполнителей работ. Еще более подходящей оценкой износостойкости покрытия может быть абразивное шлифование, которое часто уже само является частью операции обработки после нанесения покрытия. В тех случаях, когда покрытия должны быть отшлифованы после нанесения, легкость или сложность шлифования (определяемая по требуемому времени) и получающаяся в результате чистота поверхности часто являются более непосредственной мерой твердости, целостности и долговечности покрытия, чем любое механическое испытание, выполненное на образец.

Финишная обработка поверхности
Как и твердость, обработка поверхности является очень зависимой от процесса и чувствительной мерой консистенции покрытия. Он будет изменяться пропорционально пористости покрытия, а также скорости частиц, охлаждению, отклонению и другим критическим параметрам процесса распыления. Хотя шероховатость чаще всего определяется как критерий приемлемости для конечной функции покрытия, его восприимчивость к изменениям может сделать его полезным и простым в измерении фактором даже для напыленных покрытий. Шероховатость обычно измеряется стилусом-профилометром, быстрым и простым тестом, который требует минимальной подготовки образца. Однако на полученное значение также влияют настройки профилометра, особенно его длина хода отбора проб. Если поставщик покрытия и заказчик измеряют шероховатость покрытия, не гарантируя, что настройки оборудования и методика измерения одинаковы, оба могут получить очень разные результаты для одного и того же покрытия.

gallery/безымянный-3

Шары шарового крана: напыленный, шлифованный и

полированный

Профилометрия
Как и в случае с твердостью, были разработаны другие методы и средства оценки. Лазерная и оптическая профилометрия могут устранить изменчивость оборудования и «фактор чувствительности», передаваемый инспектором. Здесь также практическое испытание готового продукта может быть более быстрой и надежной мерой природы покрытия. Например, «пузырьковое испытание» притертого шарового крана и седла может выявить недостатки в шероховатости поверхности и конструкции, которые было бы очень трудно идентифицировать с традиционной профилометрией.

Микроструктурная оценка
Оценка микроструктуры, проверка фактической внутренней структуры поперечного сечения покрытия может выявить дефекты, которые нелегко обнаружить другими средствами. Эти дефекты включают растрескивание и расслоение внутри покрытия, процентное содержание окисленного материала, загрязнение поверхности раздела подложки и пористость. Из них пористость, или количество открытого пространства в поперечном сечении покрытия, является наиболее распространенной метрикой обеспечения качества. Это может быть индикатором недостаточных параметров распыления, которые не дают достаточной энергии для надлежащего уплотнения покрытия при ударе, и, что более важно, могут быть признаком того, что покрытие не обладает достаточной механической целостностью для нанесения. Как и микротвердость, оценка микроструктуры требует подготовки и полировки образца с покрытием, что требует времени и усилий. И хотя пористость можно оценить другими способами, микроскопическая оценка является лучшим методом для быстрой оценки множества структурных свойств одновременно.

Большая часть работы по микроструктурной оценке выполняется визуально, с помощью обученного металлографа, и часто с использованием сравнения с визуальными эталонными фотографическими стандартами. Однако в целях улучшения, автоматизации и более точной количественной оценки результатов были введены все виды передовых методов, включая компьютерный анализ изображений, ртутную интрузионную порозиметрию и компьютерную томографию (КТ). Каждый из них заменяет грубую визуальную оценку, сделанную опытным оператором, жестким числом, сгенерированным той или иной системой. Если несколько свойств должны быть оценены быстро, и особенно если микротвердость должна быть частью критериев приемлемости, визуальная оценка выделенного и полированного участка может в конечном итоге стать самым быстрым и простым путем к получению результата. Более важным фактором в установлении этих критериев как части приемлемости продукта из-за времени и затрат на их оценку является то, окажет ли пористость, микротвердость, содержание оксида и т. д., измеренные с помощью микроскопии, какое-либо значимое влияние на работу покрытия в реальных условиях эксплуатации. Если информация, полученная при секционировании, монтаже и полировке образца, мало что даст для понимания качества продукта по сравнению с более простыми и быстрыми испытаниями, то экономия времени, усилий и материалов могут быть решающее значение при выборе методов.

Испытание адгезии покрытия.
Испытание адгезии покрытия, часто называемое испытанием на растяжение, чаще всего оценивают в соответствии со стандартом ASTM C633, «Стандартный метод испытаний на адгезию или когезионную прочность покрытий, наносимых термическим напылением», посредством чего покрытие, наносимое термическим напылением, наносят на один конец металлического стержня диаметром 1 дюйм. Второй стержень приклеивается к поверхности покрытия первого стержня, и два стержня разрываются в стандартной универсальной испытательной машине. Разрушающая нагрузка, при которой пробки отделяются, создает количественно измеряемую метрику, которая показывает, более или менее, насколько плотно прилипает покрытие к подложке и к самой себе. Поскольку термически напыляемые покрытия по своей природе механически связаны, их механическая прочность сцепления является значимым показателем целостности покрытия. Тем не менее, несколько факторов могут отрицательно повлиять на результаты этого теста. Среди них - качество и применение используемого клея, выравнивание стержней, толщина покрытия и субъективная оценка способа разрушения. Кроме того, покрытие и подготовка образцов требуют достаточного количества времени распыления и материала, а также времени отверждения и охлаждения клея. Компромисс в этих многих факторах часто означает отбрасывание части данных и предоставление достаточного допуска в критериях приемлемости, что отклонение произойдет только в том случае, если покрытие сильно не соответствует техническим требованиям.
Альтернативные тесты
Несмотря на то, что не существует нескольких высокотехнологичных альтернатив традиционным испытаниям на сцепление, которые существуют с другими характеристиками покрытия, существуют более быстрые и, можно сказать, более грубые альтернативы, которые могут также с такой же точностью обозначать функциональное и приемлемое покрытие. Испытание на изгиб является одним из таких испытаний. Указанная толщина покрытия наносится на тонкую (например, 1,5 мм) металлическую полоску, которая затем изгибается вокруг оправки определенного диаметра. Затем покрытие оценивают по количеству и степени растрескивания и отколов, возникающих вокруг изгиба; чем меньше отколов, тем лучше. В отличие от теста ASTM, нет необходимости в отверждении клея, что экономит время и снижает вероятность ошибок. 

gallery/безымянный-4

Типичная микроструктура покрытия, показывающая
поры, оксиды и пограничные загрязнения  

Толщина покрытия на образце часто намного меньше, что экономит время распыления и материал, а время, необходимое для испытания, значительно сокращается.
Это также «сценарий наихудшего случая» для любого покрытия, который может дать конечному пользователю значительную уверенность в устойчивости покрытия.
Наконец, фактический состав покрытия не следует упускать из виду. Положительная идентификация материала с помощью рентгеновской дифракции, индуктивно-связанной плазмы или спектроскопии с искровой эмиссией может быстро подтвердить, что покрытие на детали (или купоне) является заказанным покрытием. И, хотя это может показаться чрезмерным или избыточным, большинство металлических покрытий для термического напыления будут выглядеть очень похожими, твердость и пористость могут быть практически идентичными для многих распространенных сплавов, и все же состав сплава может существенно повлиять на характеристики покрытия при эксплуатации. Быстрое тестирование с помощью портативного устройства подтверждает, что со склада была доставлена правильная катушка с провлокой или что в порошковый питатель сначала был помещен правильный серый порошок. Кроме того, зачастую очень просто предоставить сертификат производителя на соответствие тубы (или катушки) и партии используемого материала. Многие системы управления качеством требуют обмена сертификатами материала.

Спецификация и проверка
Спецификация и проверка, в целом, могут показаться обременительными и ненужными на рынке, где ранее было достаточно чертежей. Почему необходимо говорить больше, чем «покрытие высокоскоростным кислородным топливом (HVOF) из карбида вольфрама толщиной от 380 до 450 микрон», и верить, что это будет обеспечено? Вернитесь к исходной предпосылке, что хорошая спецификация будет точно определять, что именно нужно, и как именно это проверить.
Давайте рассмотрим приведенный выше пример рисунка, который не является необычным для большого вала на бумажной фабрике. Учитывая эту информацию и не более того, поставщик покрытий может применить в равной степени распространенный 88/12 карбид вольфрама кобальт, выбрав измерение толщины с помощью вихретокового измерителя в пяти местах вдоль поверхности валика. Без контекста, поставщик покрытия выполнил требование. Однако, если валик должен быть отшлифован после нанесения покрытия, используемый грубый карбид может не дать достаточно низкое Ra после измельчения, чтобы соответствовать требованию к чистовой обработке. Если общее биение индикатора превышает 100 микрон, после шлифования покрытие также может не иметь достаточной толщины. И если вал вводится в эксплуатацию на мокром конце машины, содержание воды или ее вымывание могут вызвать выщелачивание кобальта из покрытия, что приводит к окрашиванию рулона и листа и преждевременному разрушению покрытия. Это может показаться крайним случаем, но это не так уж редко. Тщательное обсуждение требований к покрытию вала, заранее может предотвратить преждевременное отключение на фабрике, зачистку повторное покрытие тонким WC / NiCr или 86-10-4 WCCoCr, вторую окончательную шлифовку и полировку, не говоря уже о стоимости доставки и задержках.
Даже на зрелом и высокоточном рынке турбин существуют проблемы с определением требований. Чертежи со скрытыми, не пересмотренными выносками оставляют номинальные требования к чистоте инструмента 125-Ra для поверхностей с покрытием, требования к толщине наложения сварного шва для зон с покрытием HVOF и визуальные стандарты плазменного напыления, применяемые к спецификациям покрытия HVOF. 

Системы менеджмента качества и аккредитация
Несколько слов о системах управления качеством и аккредитации: большая часть работы по выполнению требований данной спецификации упрощается, если у поставщика покрытий имеется эффективная система управления качеством. Текущая аккредитация по AS9100, Nadcap, ISO 9001: 2015 или другим аналогичным стандартам указывает на то, что у поставщика, скорее всего, имеются процедуры для проведения испытаний, требуемых в спецификации, и что эти процедуры проверены и соблюдаются. Они могут выполнять входящие и исходящие измерения размеров с помощью калиброванного и контролируемого измерения. И, в случае ошибки, вполне вероятно, что ошибка будет обнаружена до отгрузки, и что будут предприняты корректирующие действия, чтобы гарантировать, что та же самая ошибка не будет повторена. Эти вещи должны быть в наличии, если аккредитация исполнителя актуальна, но, как и у студента, который хорошо тестирует и плохо работает, аккредитация не является гарантией безупречного продукта. Аналогичным образом, многие неаккредитованные поставщики могут и делают отличную работу. Единственная реальная мера постоянного качества - это непосредственный опыт.

Если информация копируется без проверки или пересмотра документов будущих поколений, невозможность достичь показателей, становится стандартом де-факто, которому должны соответствовать бесчисленные производства. Если работы выполняются на авторитетном заводе по нанесению покрытий с установленной и функционирующей системой управления качеством, производство, проектирование и качество будут вовлечены в битву за изготовление деталей, соответствующих спецификации, в то время как драгоценные часы выделяются из времени выполнения заказа клиентом. Даже в тех случаях, когда спецификацией можно управлять, слишком сложный документ может добавить сложность, стоимость и задержку в график на наименее удобной фазе производства. Покрытие, в конце концов, часто является одной из последних операций перед доставкой.

Заключение
Тщательно разработанное техническое задание гарантирует, что покупатель знает, что покупает, а продавец точно знает, что предоставить. Если документ был создан с четким пониманием требований технологии и возможностей покрытия, заказ будет простым и экономичным в исполнении и будет соответствовать ожидаемой производительности или даже превысить ее. Термические напыления могут значительно улучшить срок службы и функционирование оборудования во всей отрасли. Спецификация может свести к минимуму плохой опыт работы с технологией, но, как и в любом другом случае, чрезмерное регулирование может легко погасить ее.

По материалам журнала SPRAYTIME