Riassunto analitico
Questa tesi raccoglie i risultati del processo produttivo di nuove polveri metalliche utilizzate per realizzare rivestimenti protettivi. Si è lavorato sulla polvere WOKA 3655, costituita da 86%WC-10%Co4%Cr e su nuove polveri alternative, che rientrano nella categoria degli hardmetals, ovvero materiali compositi costituiti da una fase dura e una matrice metallica che funge da legante. Tali materiali godono di alta tenacità, conferita dalla matrice metallica, e di una buona durezza e resistenza all’usura, conferita dalle particelle di carburi. Usando come benchmark la polvere WOKA 3655 sono state prodotte le polveri TiC-CoCr e WTiC-CoCr. Dell’ultima, sono state ottenute due versioni differenti per densità apparente. Il concetto alla base del DOE seguito per la produzione delle polveri è stato il seguente: individuare il rapporto volumetrico tra fase dura e matrice metallica che caratterizza la polvere WOKA 3655 e replicarlo anche per le nuove polveri. In aggiunta, per studiare le differenze tra i coatings ottenuti, sono state utilizzate due diverse atmosfere di sinterizzazione (H2 e Ar) per ottenere valori differenti di densità apparente. Di particolare interesse è la fase dura della polvere WTiC-CoCr, in quanto è un fully-alloyed carburo ottenuto dalla reazione (brevettata) ad alta temperatura tra le materie prime C, Ti e W. La tecnica utilizzata per spruzzare termicamente le polveri ottenute è la HVOF e la sequenza di processi e di tentativi è stata fatta considerando l’intervallo -45+15 µm come target della distribuzione della dimensione delle particelle. La polvere TiC, che per via della bassa densità del Ti ha una massa di circa 1/3 a parità di volume rispetto al WC, è risultata più difficile da gestire durante le fasi di macinazione e di agglomerazione. Infatti, la quantità di leganti, deflocculanti e acqua utilizzata per la WOKA 3655 è risultata insufficiente per lavorare la polvere innovativa. Nella seconda fase di lavoro si è effettuata la spruzzatura delle polveri e l’analisi dei rivestimenti ottenuti, utilizzando parametri di spruzzatura identici per tutte le polveri. La porosità rilevata nel coating ottenuto dalla WOKA 3655 rientra nei range tipici delle spruzzature HVOF soddisfacenti (<2%), mentre le nuove polveri riportano rispettivamente valori di <4% per le due versioni di WTiC-CoCr (quella a più alta densità restituisce un rivestimento più denso) e <5% per la TiC. La rugosità dei rivestimenti ottenuti con la polvere TiC-CoCr è più marcata (+70%) rispetto a quella della polvere commerciale, mentre i valori relativi alle polveri WTiC-CoCr sono più significativi del 10% al massimo. Per quanto riguarda l’adesione, si è osservato che le prestazioni della WOKA 3655 sono più elevate delle polveri sperimentali. Tuttavia, con valori di 47 Mpa per la WTiC-CoCr e 74 Mpa per la TiC-CoCr, anche le nuove polveri hanno un comportamento soddisfacente. La differenza di densità apparente tra le due versioni della WTiC-CoCr non influisce sui risultati. Nelle prove di impatto, le polveri sperimentali risultano più performanti della polvere commerciale. Nei test di usura la polvere ad alta densità di WTiC-CoCr ha prestazioni fino al 15% superiori alla polvere di riferimento nella prova ASTM G65, ma non altrettanto positive durante il SUGA test. Nella prova di cavitazione, la polvere WOKA 3655 mantiene risultati nettamente migliori rispetto a tutte le alternative, che vedono rovinato pesantemente il coating applicato. In conclusione, questo studio ha permesso di acquisire importanti informazioni riguardo i migliori parametri da utilizzare per produrre polveri alternative alla WOKA 3655 e, dai test preliminari compiuti sui rivestimenti si hanno le prime informazioni riguardo le potenzialità di queste polveri alternative
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Abstract
This thesis collects the results of the production process of new metal powders used to make protective coatings.
Work has been carried out on the WOKA 3655 powder, consisting of 86%WC-10%Co4%Cr (now one of the best-selling and most widely used powders globally to improve the surface properties of materials used in modes subject to abrasion, erosion, corrosion and impact), and on new alternative powders, which fall into the category of hardmetals, i.e. composite materials consisting of a hard phase and a metal matrix acting as a binder. Such materials enjoy high toughness, conferred by the metal matrix, and good hardness and wear resistance, conferred by the carbide particles. Using the WOKA 3655 powder as a benchmark, TiC-CoCr and WTiC-CoCr powders were produced. Of the latter, two versions differing in apparent density were obtained. The concept behind the DOE followed for the production of the powders was as follows: to identify the volumetric ratio between hard phase and metal matrix that characterizes the WOKA 3655 powder and to replicate it for the new powders. In addition, to study the differences between the coatings obtained, two different sintering atmospheres (H2 and Ar) were used to obtain different apparent density values. Of particular interest is the hard phase of the WTiC-CoCr powder, as it is a fully-alloyed carbide obtained from the (patented) high-temperature reaction between the raw materials C, Ti and W. The technique used to thermally spray the resulting powders is HVOF, and the sequence of processes and trials was done considering the range -45+15 µm as the target particle size distribution. The TiC powder, which due to the low density of Ti has a mass of about 1/3 the same volume as WC, was more difficult to handle during the grinding and agglomeration stages. Indeed, the amount of binders, deflocculants and water used for the WOKA 3655 was insufficient to process the innovative powder.
In the second work step, the spraying of the powders and analysis of the coatings obtained was carried out, using identical spraying parameters for all powders. The porosity found in the coating obtained from the WOKA 3655 is within the typical range for satisfactory HVOF sprays (<2%), while the new powders show values of <4% for the two versions of WTiC-CoCr (the one with the higher density yields a denser coating) and <5% for TiC, respectively. The roughness of the coatings obtained with TiC-CoCr powder is more pronounced (+70%) than that of commercial powder, while the values for WTiC-CoCr powders are a maximum of 10% more significant. With regard to adhesion, it was observed that the performance of WOKA 3655 is higher than the experimental powders. However, with values of 47 Mpa for WTiC-CoCr and 74 Mpa for TiC-CoCr, the new powders also perform satisfactorily. The difference in bulk density between the two versions of WTiC-CoCr does not affect the results. In impact tests, the experimental powders perform better than the commercial powder. In wear tests, the high-density WTiC-CoCr powder performs up to 15% better than the reference powder in the ASTM G65 test, but not as well in the SUGA test. In the cavitation test, the WOKA 3655 powder performs significantly better than all alternatives, which see very damages in the applied coating.
In conclusion, this study has provided important information regarding the best parameters to be used to produce alternative powders to WOKA 3655, and the preliminary tests carried out on the coatings provide the first insights into the potential of these alternative powders.
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