Riassunto analitico
Questa tesi studia la microstruttura, il comportamento ad usura a strisciamento e il comportamento ad usura abrasiva di rivestimenti a base FeVCrC ottenuti mediante i processi di spruzzatura High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) e High Velocity Air Fuel (HVAF). Sia per la spruzzatura mediante HVOF sia per quella mediante HVAF, sono stati testati diversi parametri di processo e due diverse distribuzioni granulometriche delle polveri (rispettivamente 5 - 25 μm e 20 - 53 μm) per valutare il loro effetto sulle proprietà dei rivestimenti; una ulteriore distribuzione granulometrica, intermedia tra le due, è stata depositata solo mediante tecnica HVAF. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti in un precedente studio preliminare della deposizione HVOF della polvere con granulometria più grossolana. La differenza tra i due processi di spruzzatura e tra le due distribuzioni granulometriche usate è chiaramente visibile nella microstruttura dei rivestimenti risultanti. I rivestimenti ottenuti dalle polveri più fini sono per la maggior parte costituiti da lamelle appiattite originatesi da particelle completamente fuse, che si spalmano facilmente al momento dell’impatto, e solo da una percentuale minore di particelle arrotondate e parzialmente infuse. Nei rivestimenti HVOF, in particolare, si osserva una forte ossidazione del materiale, cosa che non si verifica nei riporti HVAF. Nei rivestimenti ottenuti dalle polveri più grossolane si nota invece una tendenza opposta, poiché la percentuale di particelle sferoidali e non completamente fuse è maggiore. La combinazione “più estrema” sotto questo punto di vista è quella ottenuta con HVAF e polveri grossolane, in quanto la percentuale notevole di infusi è accompagnata anche da porosità e distacco rispetto alle lamelle fuse circostanti; questa osservazione è confermata dalle scarse proprietà che questi rivestimenti mostrano nei test che sono stati condotti. I rivestimenti in generale mostrano alti valori di micro-durezza, compresi nell’intervallo 750 - 950 HV0.3 (con l’eccezione dei rivestimenti ottenuti da polvere grossolana mediante HVAF, che mostrano valori inferiori a 700 HV0.3). I tassi di usura a strisciamento, ottenuti nel test ball-on-disk contro sfera di allumina (Al2O3) sinterizzata, sono simili a quelli ottenuti nel citato studio preliminare sui rivestimenti HVOF, cioè attorno a 2•10^(-6) (mm)^3/(Nm). Questi valori sono molto migliori rispetto a quelli ottenuti su rivestimenti HVOF in NiCrBSi e Stellite-6 usati come riferimento. Oltre a questo primo set di test, su un tipo di riporto HVOF e su un tipo di riporto HVAF è stata realizzata anche una mappa di usura per strisciamento, per indagare ulteriormente la resistenza ad usura e i meccanismi di usura che si verificano al variare del carico e della velocità di prova. Infine, i rivestimenti mostrano anche buona resistenza ad usura abrasiva, con valori medi compresi nell’intervallo 300 - 400 mg/h in un rubber wheel test condotto con sabbia silicea (SiO2) come mezzo abrasivo; i risultati migliori sono stati ottenuti con i rivestimenti da HVOF e polvere grossolana, che mostrano valori attorno a 200 mg/h. In conclusione, il presente elaborato fornisce risultati promettenti sulle alte prestazioni ad usura di questi rivestimenti a base ferro termo-spruzzati, che quindi possono essere considerati come valida alternativa alle convenzionali soluzioni anti-usura basate su rivestimenti in hardmetals.
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Abstract
This thesis studies the microstructure, sliding wear behavior and abrasive wear behavior of FeVCrC-based coatings deposited by High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) and High Velocity Air Fuel (HVAF) spraying processes. For both the HVOF and HVAF techniques, various process parameters and two different powder size distributions (5 - 25 μm and 20 - 53 μm) were tested to evaluate their effects on the coating properties; one further and intermediate size distribution was sprayed only by HVAF. The results were also compared to some previous data collected in preliminary investigations on the HVOF deposition of the coarse powder cut.
The difference between the two spraying processes and the two powder size distributions is clearly visible in the resulting coating microstructures. The coatings obtained from finer powders are mostly composed of flattened splats originated from fully molten droplets, which easily spread at moment of impact, and only a minor percentage of rounded and partially unmolten particles is visible. In the HVOF coatings, significant oxidation of the alloy is observed, differently from the HVAF samples. Inversely, the coatings obtained from coarser powders show an opposite trend, being the percentage of rounded and unmolten particles higher. The “extreme” combination is obtained with the HVAF-sprayed coatings from coarser powder, where the high unmelting level also results in detachment from the surrounding splats and higher porosity; this is confirmed by the lower coating properties obtained with the tests conducted.
The coatings exhibit high micro-hardness values, ranging from 750 to 950 HV0.3 (with the exception of the HVAF-sprayed coatings from coarse powder, having values under 700 HV0.3). They exhibit sliding wear rates similar to those obtained in the mentioned previous study on HVOF-sprayed coatings, around 2•10^(-6) (mm)^3/(Nm) in ball-on-disk tests against sintered Al2O3 spheres, which were reported to be far better values than the HVOF-sprayed NiCrBSi and Stellite-6 coatings used as reference coatings in the previous work. A sliding-wear map was also conducted on one type of HVOF-sprayed and one type of HVAF-sprayed coating, to further investigate the wear resistance and wear mechanism occurring at different loads and relative sliding speeds. The coatings exhibit also good abrasive wear resistance, with average wear rates of ~ 300-400 mg/h in rubber wheel abrasion test with SiO2-sand used as abrasive mean; the best results were obtained with the HVOF-sprayed coatings from coarse powders, which exhibit wear rates around 200 mg/h.
In conclusion, the present work displays promising results about the high wear performances of these thermally sprayed iron-based coatings, which therefore can be considered as a valid alternative to conventional anti-wear solutions based on hardmetal coatings.
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