Prezentare rezultate

Prezentare Rezultate

Rezultate intermediare Etapa 4 (an 2017):

In cadrul Etapei 4 a proiectului s-a realizat experimentarea si testarea modelului experimental cu acoperiri de suprafata depuse prin pulverizare termica. Demonstrarea functionalitatii si utilitatii modelului experimental la scara reala conform procedurilor de exploatare s-a realizat pe osii motoare tubulare cu acoperiri de suprafata considerate optime, realizate prin pulverizare cu flacara de combustie, respectiv cu arc electric. Modelul experimental la scara reala cu acoperiri de suprafata cu molibden depus prin pulverizare termica a fost experimentat in conformitate cu procedurile standard utilizate in mod curent pentru montarea si testarea osiilor motoare care echipeaza trenurile de metrou. Incercarea la nondecalare a rotilor, principala metoda de verificare a strangerii rotilor pe osii s-a efectuat conform procedurilor standard ale partenerului industrial Alstom Transport si a demonstrat conformitatea osiilor montate cu documentatia tehnica si a viabilitatii solutiei tehnice propuse. Prin rezultatele obtinute proiectul a condus la dezvoltarea si testarea unei solutii originale si inovative utilizand o tehnologie nepoluanta de acoperiri de suprafata prin pulverizare termica, ca alternativa la solutia clasica de cromare dura, in scopul cresterii duratei de exploatare a osiilor motoare tubulare pentru trenurile de metrou si de reducere a costurilor pe durata de viata, prin aplicarea reconstructiei dimensionale cu molibden a suprafetelor de calare a rotilor.

Realizarea modelului experimental cu acoperiri de suprafata prin pulverizare termica cu flacara de combustie

Incercarea modelului experimental la nondecalare, in conditii standardizate de mentenanta

Rezultate intermediare Etapa 3 (an 2016):

In cadrul acestei etape a proiectului au fost testate si verificate variantele optime de acoperiri cu Mo realizate prin pulverizare termica cu arc electric. Rezultatele experimentale obtinute au fost integrate in vederea validarii solutiei tehnice si stabilirii unui interval optim de grosimi ale straturilor de acoperire pentru protectia si reconstructia dimensionala a suprafetelor de calare ale osiilor motoare utilizate la trenurile de metrou.

Activitatea 3.1: Selectarea si experimentarea variantei optime de acoperiri de suprafata

Rezultatele experimentale din etapa anterioara a proiectului au indicat faptul ca metalizarea cu Mo prin arc electric a suprafetelor de calare a rotilor pe osie poate fi o solutie viabila pentru extinderea duratelor de exploatare si reducerea costurilor pe intreg ciclul de viata al acestora, in special datorita costurilor de metalizare mai reduse in comparatie cu alte procedee si a faptului ca sunt respectate criteriile privind cerintele calitative ale acoperilor de suprafata impuse de normele in vigoare: compatibilitate chimica intre suport si acoperire, aderenta fata de suport, compactitate buna, rezistenta ridicata la uzura si coeficient scazut de frecare.

Calitatea si proprietatile acoperirilor de suprafata depind de o serie de factori determinati de modul de pregatire a materialului suport, parametrii terhnologici utilizati in procesul de pulverizare termica, de dinamica procesului de pulverizare, comportarea particulelor topite in jetul de fluid de lucru si la impactul cu substratul din otel.

In cadrul acestei etapei au fost selectate si experimentate variante optime de acoperiri de suprafata cu Mo depuse prin pulverizare termica cu arc electric utilizand sarma de molibden de puritate 99.9 %. Au fost realizate probe pentru investigatii microstructurale si epruvete pentru incercarea aderentei in mai multe variante. Probele suport au avut dimensiuni corespunzatoare tipului de investigatii la care au fost supuse, fiind depuse straturi de Mo cu diferite grosimi corespunzator adancimii defectelor generate de operatiile de mentenanta a osiilor de metrou.

Activitatea 3.2: Testarea si verificarea variantelor optime de acoperiri

Metodologia experimentala avuta in vedere pentru testarea si verificarea variantelor optime de acoperiri de suprafata a cuprins metode stadardizate sau in curs de standardizare si tehnici inovative care au stat la baza unor lucrari stiintifice publicate in reviste de specialitate, pentru evaluarea variantelor optime de acoperiri de suprafata cu Mo depuse prin arc electric pe substrat din otel. In conformitate cu cele mai bune practici in domeniu, pentru evaluarea straturilor metalizate s-au investigat urmatoarele caracteristici morfo-structurale si mecanice, considerate a fi esentiale pentru validarea solutiei optime de acoperiri de suprafata pentru protectia si reconstructia dimensionala a osiilor motoare:

Caracterizarea microstructurala prin analiza si procesarea imaginilor SEM (caracteristici microstructurale de suprafata si in sectiune transversala, porozitate, aderenta substrat-acoperire/straturi acoperire, grosimi si diametre de splat-uri, fisuri, incluziuni, etc.);
Caracterizarea topografica a acoperirilor (rugozitate determinata prin palpare mecanica, rugozitati 1D si 2D determinate pe baza imaginilor tridimensionale - stereo imagini);
Masuratori de microduritate Vickers;
Determinarea modulului de elasticitate;
Determinarea tenacitatii la rupere a acoperirilor;
Determinarea rezistentei la aderenta pe suprafete brute si rectificate cu grosimi ale stratului metalizat cuprinse in intervalul 100 - 600 μm;
Determinarea corelatiei dintre caracteristicile structurale si propietatile acoperirilor.

Activitatea 3.3: Elaborarea documentatiei tehnice pentru modelul experimental

Documentatia tehnica pentru modelul experimental a fost elaborata in conformitate cu prevederile standardului EN 13260:2009+A1:2010 (E) referitor la cerintele de produs pentru osii montate care reglementeaza conditiile in care se pot efectua reparatii ale osiilor pentru asigurarea serajului necesar pentru suprafetele de contact prin reconditionare prin metode de metalizare.

Pentru realizarea modelului experimental cu acoperiri de suprafata au fost definite presciptiile generale de tolerante si seraj in scopul evaluarii aplicabilitatii solutiei propuse de reconditionare prin pulverizare termica cu molibden a osiilor de metrou. Diagrama de proces pentru solutia propusa in vederea realizarii metalizarii cu molibden este prezentata in Fig. 1.

Fig. 1. Diagrama de proces pentru reconditionarea osiilor de metrou prin metalizare prin pulverizare termica

Integrarea rezultatelor experimentale privind caracteristicile morofo-structurale si propietatile mecanice determinate au permis stabilirea variantelor optime de grosimi ale straturilor metalizate cu Mo depuse prin arc electric pentru validarea solutiei tehnice de acoperiri de suprafata din cadrul proiectului. Pe baza rezultatelor experimentale obtinute in cadrul acestei etape au fost definite conditiile tehnice pentru realizarea modelului experimental, s-a elaborat o Instructiune tehnologica privind metalizarea cu Mo prin pulverizare termica cu arc electric si s-a realizat un Atlas de micrografii de referinta pentru caracterizarea straturilor metalizate.

Activitatea 3.4: Elaborare si experimentare model experimental- model conceptual

In prima parte a experimentarii modelului experimental s-a elaborat un model conceptual de osie metalizata in doua variante constructive: osie compacta si osie tubulara cu si fara acoperiri de suprafata.

In cazul asamblarii rotii pe osie s-a efectuat o analiza neliniara cu elemente finite pentru determinarea presiunii de contact dintre roata si osie, cu solverul NASTRAN - Sol 400. Pentru pre/post-procesarea datelor numerice s-au utilizat aplicatiile SIMXPERT si PATRAN. De asemenea, pentru modelarea stratului obtinut prin metalizare s-au utilizat elemente cu 8 noduri, CHEXA, de tipul PCOMPLS, care au permis modelarea multistrat a materialului (un strat de baza si un strat din materialul utilizat la operatia de metalizare). Analiza cu elemente finite a scos in evidenta influenta straturilor metalizate asupra tensiunii Von Mises la nivelul osiei in cele doua variante constructive (Fig. 2).

Fig. 2. Tensiuni Von Mises in osie compacta fara acoperire (a) si in stratul metalizat cu Mo (b)

Obiectivele etapei au fost atinse integral prin experimentarea, testarea si verificarea variantelor optime de acoperiri de suprafata pe baza carora a fost stabilit si validat intervalul optim de grosimi a stratului metalizat cu Mo pentru reconstructia dimensionala a osiilor de metrou.

Rezultate intermediare Etapa 2 (an 2015):

In cadrul Etapei 2 a proiectului au fost realizate variante experimentale de acoperiri de suprafata cu molibden prin pulverizare termica prin trei metode diferite: metalizare cu arc electric (AE), metalizare cu plasma in aer (APS) si metalizare cu viteza mare cu gaz combustibil (HVOF) care au fost investigate multidisciplinar prin aplicarea celor mai bune practici in domeniu in vederea evaluarii caracteristicilor si proprietatilor straturilor metalizate.

Activitatetea 2.1: Realizarea de variante experimentale preliminare de acoperiri de suprafata

Metalizarea cu arc electric (AE), s-a realizat cu ajutorul unei instalatii AWS 400 utilizand sarma de molibden de inalta puritate (99.9% Mo) cu diametrul de 1.6 mm (Sulzer Metco 8228). In procesul de pulverizare cu arc electric materialul topit este atomizat cu un jet de aer comprimat si proiectat pe suprafata substratului. Acest proces de pulverizare cu arc este considerat "proces rece" deoarece suprafata substratului poate fi mentinuta la temperatura scazuta in timpul procesului evitand deteriorarea, modificari de natura metalurgica sau deformarea substratului. Acoperirile obtinute cu arc electric sunt mai dense si mai aderente decat acoperirile obtinute prin procese de combustie, au costuri scazute si randamente de depunere ridicate. Toate acestea fac procesul foarte competitiv in acoperirea suprafetelor mari. Principalii parametrii utilizati pentru realizarea variantelor experimentale au fost: tensiunea 34,8 - 35 V, curent 200 A, presiune aer 4,8 at, distanta de pulverizare 150 mm.

Acoperirile cu jet de plasma in conditii atmosferice (APS) s-au realizat cu un pistol de metalizare Metco 7M - F4, utilizand pulbere de Mo de puritate 99.9% cu o distributie a granulatiei -75+25 μm. Plasma a fost constituita din Ar drept gaz primar si H₂ drept gaz auxiliar. Principalii parametrii de depunere au fost: debit Ar - 45 l/min, debit H₂ - 13 l/min, distanta de pulverizare 120 mm, debit pulbere 38 g/min. Pulberea de molibden injectata in jetul de plasma este incalzita rapid pana la punctul de topire si accelerata pe distanta de pulverizare pana la viteze de 400 - 650 m/s.

Experimentarile de metalizare cu gaz combustibil cu viteza foarte mare (HVOF) s-au realizat utilizand sarma de Mo. Metalizarea HVOF cu sarma este un procedeu relativ nou fiind dezvoltata dupa anul 2000. Metalizarea probelor care au facut obiectul investigatiilor in cadrul acetei etape a proiectului s-a realizat cu ajutorul unui pistol de pulverizare HiJet 96, parametrii de lucru utilizati fiind: debit O₂ - 140 l/min., presiune O₂ - 8 bar, debit propan - 40 l/min., presiune propan - 6 bar, viteza avans sarma - 33 mm/min, distanta de pulverizare 200 - 250 mm.

Pentru experimentari au fost realizate acoperiri de suprafata cu Mo prin cele trei metode pe probe si epruvete de diferite forme si dimensiuni adaptate tehnicilor, metodelor si standardelor de analiza sau incercare aplicate. Pentru realizarea variantelor experimentale preliminare de acoperiri de suprafata a fost selectat ca material suport otelul A5T (42CrMo4) utilizat in mod curent pentru realizarea osiilor motoare ale trenurilor de metrou. Alternativ s-a avut in vedere si un otel cu proprietati superioare (34CrNiMo6) care va fi utilizat in activitatile viitoare pentru realizarea si testarea variantelor optime de metalizare cu molibden. Cele doua tipuri de oteluri au fost asigurate sub forma de bare laminate O 30 mm in stare recoapta. Pentru pregatirea materialelor suport s-a urmarit determinarea conditiilor de tratament termic optime pentru obtinerea caracteristicilor mecanice impuse otelului din care sunt realizate osiile tubulare ale trenurilor de metrou pornind de la premiza ca dupa reconstructia prin metalizare a suprafetelor de calare ale osiei montate nu trebuie sa existe influente asupra solicitarilor in serviciu sau a incarcarilor proiectate. Din aceasta perspectiva experimentarile de pregatire a materialelor suport s-au concentrat doar pe determinarea conditiilor de tratament termic care sa asigure proprietatile mecanice proiectate.

Activitatea 2.2: Testarea si verificarea multidisciplinara a variantelor experimentale preliminare de acoperiri de suprafata prin metodele de testare aplicabile selectate

Metodologia experimentala pentru testarea si verificarea multidisciplinara a variantelor de acoperiri de suprafata a vizat aplicarea celor mai bune practici in domeniu pentru evaluarea acoperirilor de suprafata realizate prin pulverizare termica cu molibden pe suport de otel. Evaluarea proprietatilor acoperirilor obtinute prin pulverizare termica constitue o parte integranta a procesului de dezvoltare a acoperirilor si de control al calitatii acestora. Conform celor mai bune practici cu aplicabilitate pentru straturile metalizate principalele metode de evaluare utilizate in cadrul acestei activitati au inclus:

Caracterizarea microstructurala prin analize metalografice (caracteristici de suprafata si in sectiune, grosime, porozitate, prezenta particulelor netopite, fisuri, delaminari, etc.);
Caracterizarea macrostructurala a straturilor metalizate (rugozitate, determinarea dimensiunii particulelor aplatizate);
Masuratori de microduritate (duritate medie, distributia microduritatii in strat);
Determinarea tenacitatii la rupere a straturilor metalizate;
Determinarea rezistentei la aderenta prin incercari la tractiune;
Evaluarea proprietatilor de functionare si tribologice;
Determinarea corelatiei dintre caracteristicile structurale si proprietatile straturilor metalizate.

Straturile metalizate cu Mo investigate prezinta caracteristici microstructurale particulare determinate de metodele de pulverizare termica utilizate, caracterizate prin straturi succesive de particule aplatizate, imprastiate la impactul cu substratul, cu porozitati, fisuri si particule oxidate (Fig. 1). Desi prin toate cele trei metode rezulta straturi metalizate cu o structura anizotropa similara, dimensiunile particulelor aplatizate sunt invers proportionale cu energia de impact determinata de metoda de pulverizare termica: la energii de impact ridicate (HVOF) rezulta dimensiuni mai reduse ale particulelor aplatizate (D_mediu = 37 μm), comparativ cu metoda APS (D_mediu = 93 μm) si arc electric (D_mediu = 138 μm). Aceeasi tendinta a fost determinata si pentru grosimea particulelor aplatizate (h) si gradul de deformare al particulelor (ξ). S-a stabilit ca intre dimensiunile particulelor aplatizate rezultate prin toate cele trei metode de pulverizare termica utilizate exista o corelatie care a fost exprimata ca: D/h = 1.5*ξ³.

Fig. 1. Imagini SEM ale stratului metalizat cu Mo cu arc electric: (a) particula aplatizata pe suprafata metalizata; (b) aspectul general in sectiune a stratului metalizat - atac reactiv Murakami

Pe baza rezultatelor experimentale, au fost determinate prin metode analitice diametrele particulelor pulverizate din care s-au format particulele aplatizate si s-a stabilit ca gradul maxim de deformare al particulelor poate fi exprimat functie de numarul Reynolds printr-o relatie de forma ξmax = a*Re^0.125, unde a are valori calculate cuprinse intre 0.825 (HVOF) si 1.256 (AE), relatie care este in buna concordanta cu valorile raportate de alti autori.

Intre dimensiunile particulelor aplatizate si anumite proprietati intrinseci ale straturilor metalizate s-a determinat o corelatie directa: in cazul dimensiunilor mai reduse (HVOF) rezulta acoperiri mai compacte si mai dense, cu tenacitate mai ridicata, cu un nivel de porozitate interna si o rugozitate a suprafetei mai reduse, comparativ cu acoperirile obtinute prin arc electric sau jet de plasma.

Desi metalizarea prin APS produce particule aplatizate de dimensiuni mai reduse, straturi de acoperire cu compactitate mai mare si cu un nivel de porozitate mai redus decat in cazul metodei de metalizare cu arc electric diferenta de cca. 1% privind valoarea determinata a densitatii (8,86 g/cm³ pentru APS si 8,97 g/cm³ pentru AE) poate fi asociata cu un continut mai ridicat de particule oxidate in stratul de acoperire. Temperatura de pulverizare mult mai ridicata in cazul procedeului APS genereaza un continut mai ridicat de oxizi de Mo care au o densitate mult mai redusa decat a Mo pur. Ca o constatare de ordin general, in cazul straturilor depuse prin pulverizare termica prin diferite metode, prezenta la nivel microstructural a incluziunilor de oxizi, porilor si discontinuitatilor care genereaza nivele diferite de compactitate, valorile determinate ale densitatii sunt mai reduse decat cele ale metalului pur din care provin.

Rezultatele experimentale obtinute pentru determinarea tenacitatii la rupere prin microindentare a straturilor metalizate investigate au aratat o tendinta de crestere a valorilor tenacitacii la rupere functie de sarcina de indentare, in ambele directii de indentare (paralel si perpendicular pe interfata cu substratul), pentru toate cele trei tipuri de acoperiri de molibden. Valorile tenacitatii la rupere s-au situat in cazul probelor metalizate in arc electric in intervalul 0.246 - 0.761 MPa*m^1/2 (Fig. 2), in jet plasma 0.355 - 1.165 MPa*m^1/2 si HVOF 0.446 - 2.272 MPa*m^1/2, cu valori semnificativ mai mari pentru directiile paralele cu substratul.

Fig. 2. Tenacitatea la rupere exprimata functie de sarcina de indentare pentru probe metalizate cu arc electric

Desi tendinta tenacitatii la rupere a materialelor fragile omogene este sa ramana constanta sau chiar sa scada odata cu cresterea sarcinilor de indentare, in cazul metalizarilor cu molibden prin metode de pulverizare termica, tendinta de crestere a valorilor tenacitii la rupere poate fi pusa pe seama efectului Curbei R a tenacitatii la rupere sau pe seama tensiunilor de deformare induse de penetrator si care variaza in functie de sarcina de indentare. Alta ipoteza care poate explica aceasta tendinta si care se aplica exclusiv acestui tip de material, este ca odata cu cresterea sarcinilor de indentare, fisurile cresc in lungime pana la intalnirea unei limite de splat, a unor pori sau a unor fisuri preexistente, iar odata ce este atinsa sarcina critica (de obicei peste 9.8 N), alaturi de cele doua fisuri principale care se propaga din colturile amprentei, se dezvolta si fisuri secundare. In felul acesta, odata cu cresterea sarcinilor de indentare, lungimea medie a diagonalei amprentei Vickers creste invers proportional cu lungimea medie a fisurilor, ceea ce conduce implicit la o valoare crescatoare a tenacitatii la rupere.

Evaluarea proprietatilor de utilizare ale acoperirilor cu molibden, rezistenta la aderenta si proprietatile tribologice, a scos in evidenta faptul ca dimensiuni mai mari ale particulelor aplatizate obtinute prin pulverizare cu arc electric determina o comportare mai buna a straturilor metalizate.

Determinarea rezistentei la aderenta prin incercare la tractiune s-a efectuat in conformitate cu standardul ASTM C633 "Standard Test Method for Adhesion or Cohesion Strength of Thermal Spray Coatings", similar in ceea ce priveste metoda de incercare cu standardul SR EN 582 - 95. Pentru incercarea la tractiune s-a utilizat o masina universala servohidraulica Instron 8802 pentru incercari mecanice dotata cu un sistem de prindere care asigura fixarea si incarcarea concentrica a epruvetelor. Epruvetele utilizate pentru incercarea la aderenta au constat dintr-un bloc suport cu dimensiunile O 25,4 x 25, 4 mm a carui fata frontala a fost metalizata cu molibden prin cele trei metode de pulverizare utilizate si un bloc de incarcare legat cu adeziv de suprafata orizontala a depunerii. Fata frontala a blocului suport a fost sablata cu alumina inainte de depunerea stratului de acoperire in scopul cresterii rezistentei la aderenta. Fata frontala a blocului de incarcare a fost de asemenea sablata, in aceleasi conditii, inainte de aplicarea adezivului. Pentru lipirea celor doua epruvete s-a utilizat un adeziv cu rezistenta ridicata, HTK Ultra Bond 100®. Analiza rezultatelor experimentale indica faptul ca rezistenta la aderenta este mai mare in cazul acoperirilor prin procedeele AE si APS comparativ cu HVOF. Valorile medii mai reduse pentru HVOF se datoreaza faptului ca rugozitatea suprafetei stratului de acoperire este mult mai redusa ceea ce conduce la o legatura mai slaba, precum si faptului ca mediul combustibil utilizat (propan) contine hidrocarburi care determina producerea de carburi in timpul pulverizarii, conducand la reducerea aderentei individuale a particulelor aplatizate. Acest aspect se coreleaza si cu faptul ca prezenta carburilor la limita dintre particulele aplatizate determina o duritate mai ridicata a straturilor metalizate prin HVOF.

Investigarea microfractografica a suprafetelor de rupere evidentiaza faptul ca cedarea legaturilor are un caracter general coeziv, ruperea producandu-se prin de-coeziunea si fracturarea particulelor aplatizate favorizata de prezenta porozitatilor si incluziunilor de oxizi. Analiza suprafetelor de rupere la ordine superioare de marire (Fig. 3) evidentiaza faptul ca ruperea particulelor aplatizate se realizeaza prin propagarea fisurilor pre-existente formate in cursul racirii rapide dupa solidificare si ruperea cu caracter fragil a particulelor sub efectul tensiunii aplicate.

Fig. 3. Aspectul general al suprafetelor de rupere al acoperirilor cu Mo realizate cu arc electric (a) si APS (b) cu evidentierea de-coeziunii particulelor (D), ruperii particulelor (R) si prezenta porozitatilor (P).

Incercarea la micro-abraziune (micro-scale abrasion) a straturilor metalizate cu Mo a fost efectuata cu ajutorul unui tribometru Calowear, de tip bila pe plan, utilizat in mod obisnuit pentru evaluarea comportarii la uzura a acoperirilor de suprafata cu sau fara perforarea acoperirii. Metoda de incercare a constat in rotirea unei bile avand raza R, cu turatia constanta de 150 rot/min, sub actiunea unei forte de apasare N, pe suprafata unei probe plane caracterizata prin grosimea stratului metalizat h. Mediul abraziv utilizat constand intr-o suspensie de particule de SiC in apa distilata a fost aplicat continuu pe toata durata incercarilor la interfata dintre bila si probele supuse incercarii la uzare. Dupa fiecare incercare probele au fost investigate microscopic in scopul masurarii cu precizie a diametrului (b) al craterului de uzare rezultat (Fig. 4).

Fig. 4. Imagine SEM a unui crater de uzura rezultat in urma incercarii la micro-abraziune

In scopul evaluarii comportarii acoperirilor de suprafata la uzare incercarile au fost efectuate pe durate de frecare cuprinse intre 200 - 1600 sec. corespunzatoare unor distante de uzare cuprinse intre 34.9 - 279.5 m. Variatia diametrului craterului de uzura functie de durata de frecare indica faptul ca pana la durate de frecare de cca. 900 sec. uzarea este mai accentuata, corespunzatoare perioadei de rodaj, dupa care, in domeniul uzurii stabile, diametrul craterelor de uzura cresc cu viteza mai redusa. Viteza de crestere a diametrului craterelor de uzura exprimate prin panta dreptelor rezultate indica o valoare de 1,8*10^-3 mm/s pentru periada de rodaj, fata de numai 0,2*10^-3 mm/s in perioada uzurii stabile.

Investigatiile microstructurale prin metode de microscopie electronica a suprafetelor uzate au evidentiat faptul ca la durate mici de incercare se produce mai intai indepartarea neuniformitatilor superficiale, cu desprinderea particulelor fragmentate. Pe masura ce procesul de uzare avanseaza, urmele de uzura paralele specifice modului de incercare incep sa se dezvolte, suprafata stratului metalizat nefiind complet uzata. La durate mari de incercare probele prezinta urme de uzare abraziva accentuate, in masa stratului metalizat. Rata specifica a uzurii determinata ca panta dreptei care descrie variatia volumului craterului de uzare functie de produsul SN pe baza rezultatelor experimentale conduce la o valoare a ratei specifice a uzurii stratului de Mo metalizat cu AE de 3,91x10^-10 m²/N. In scopul evaluarii ratei specifice a uzurii pentru straturile metalizate cu Mo prin cele trei metode de pulverizare termica utilizate, au fost efectuate incercari suplimentare de uzura micro-abraziva pe aceeasi durata de frecare de 900 sec. corespunzatoare punctului de tranzitie intre perioada de rodaj si prioada de uzura stabila, determinat anterior. Pentru comparatie a fost efectuat un set de determinari si pe probe din otel 42MoCr4 nemetalizat. Rezultatele experimentale indica faptul ca rata specifica a uzurii pentru probele metalizate cu Mo prin arc electric este mai redusa decat in cazul metalizarii prin APS (4,6x10^-10 m²/N) sau HVOF (1,23x10^-9 m²/N), dar mai mare decat a materialului suport.

Dupa cum s-a aratat anterior, diametrul particulelor aplatizate reprezinta una dintre caracteristicile straturilor metalizate care influenteaza diferitele proprietati ale acestora. Pe baza rezultatelor experimentale s-a constatat ca exista o corelatie intre dimensiunile particulelor aplatizate si comportarea straturilor metalizate cu molibden la micro-abraziune in sensul ca atat volumul craterelor de uzura cat si rata specifica a uzurii pot fi exprimate prin functii logaritmice functie de diametrul echivalent al particulelor aplatizate.

Pe baza rezultatelor obtinute au fost atinse toate obiectivele etapei privind testarea si verificarea multidisciplinara a variantelor experimentale preliminare de acoperiri de suprafata cu molibden pe substrat de otel, prin metodele de testare aplicabile selectate.

Rezultate intermediare Etapa 1 (an 2014):

In cadrul Etapei I a proiectului s-au efectuat studii si analize referitoare la conditiile de exploatare si mentenanta a osiilor montate, durata de viata si toleranta la defecte, comportarea la oboseala si evaluarea cauzelor care genereaza aparitia defectelor pe suprafata de calare a rotilor pe osie in scopul definirii conditiilor tehnice si a posibilitatilor de extindere a duratei de exploatare prin acoperiri de suprafata de reconstructie.

In capitolul 1 al studiului care raspunde Activitatii 1.1 s-au efectuat studii si analize privind posibilitatile de prelungire a duratei de exploatare a osiilor motoare. Din analiza conditiilor tehnice s-a constatat ca acoperirile de suprafata de protectie cu aplicabilitate in domeniul feroviar sunt foarte bine documentate, in schimb exista relativ putine informatii referitoare la acoperirile de suprafata de reconstructie. In ceea ce priveste acoperirile de suprafata de reconstructie, dupa anul 2000, multi cercetatori s-au concentrat asupra inlocuirii cromarii dure si a altor procedee chimice si electrochimice de acoperire, prin metode neconventionale, prietenoase mediului. Cele mai vizate procedee neconventionale sunt cele de pulverizare termica a diferitelor tipuri de particule dure, cum ar fi carburi, boruri, etc., pentru atingerea rezistentelor la uzura dorite, dar si pulberi de metale si aliaje sau compusi intermetalici pentru cresterea performantelor in medii corozive sau pentru imbunatatirea comportarii la uzura in conditii de fretare. In domenii de varf, cum ar fi cel aeronautic, o metoda acceptata de protectie impotriva uzurii si coroziunii consta in acoperiri de suprafata pentru protectia si reconstructia dimensiunilor componentelor vitale, abordare ce a fost preluata si in alte domenii, inclusiv in transportul feroviar, pentru componente critice de tipul osiilor si rotilor. S-a concluzionat ca prin extinderea aplicabilitatii procedeelor de pulverizare termica in domeniul acoperirilor de reconstructie, in cursul exploatarii, osiile cu un nivel de defecte pe suprafata de calare care ar determina scoaterea din exploatare sa poata fi reconditionate prin metalizare prin procedee neconventionale, prietenoase mediului, ca o solutie pentru extinderea duratei de viata si reducerii costurilor pe intreg cilul de viata. S-a evidentiat faptul ca molibdenul este un candidat promitator ca strat de acoperire pentru componente fabricate din oteluri obisnuite, de tipul osiilor, datorita coeficientului de frecare redus si a rezistentei sale la deteriorare.

Capitolul 2 al studiului corespunde Activitatii 1.2 - Investigatii critice privind acoperirile de suprafata, definirea caracteristicilor materialelor si a procedeelor tehnice. Au fost efectuate analize referitoare la metodele si procedeele de metalizare disponibile si s-a stabilit ca alegerea celor mai potrivite materiale si tehnici de metalizare este determinata in special de proprietatile intrinseci ale stratului metalizat, aderentei la substrat, comportarii la oboseala si la uzura in conditii de fretare. Au fost identificate metodele prin care molibdenul utilizat ca material de metalizare pentru reconstructie dimensionala a diferitelor componente poate fi depus prin pulverizare termica utilizand ca material pulbere sau sarma de Mo. Depunerea molibdenului din pulbere de molibden poate fi facuta prin urmatoarele procese: metalizare cu jet de plasma (APS), metalizare cu flacara de joasa viteza (LVFS), metalizare cu flacara de viteza ridicata (HVOF). Depunerea molibdenului din sarma de molibden poate fi facuta prin metalizare cu arc electric, metalizarea cu flacara de joasa viteza (WFS), metalizare cu flacara de viteza ridicata (WHVOF). Pentru experimentarea solutiei propuse in cadrul proiectului au fost selectate trei procedee de pulverizare termica (APS, arc electric si HVOF) cu molibden sub forma de pulberi sau sarma si s-au stabilit caracteristicile materialelor. S-a stabilit ca prin acoperiri de suprafata de reconstructie prin metalizare cu molibden pur sau cu diferite adaosuri pentru cresterea aderentei si a rezistentei la uzura trebuie sa genereze si o serie de caracteristici ale stratului depus cum sunt: coeficient de frecare redus, rezistenta la uzura prin alunecare, ductilitate ridicata.

Capitolul 3 al studiului raspunde Activitatii 1.3 - Stabilirea metodelor aplicabile pentru testarea si caracterizarea materialelor cu acoperiri de suprafata. In cadrul activitatii au fost definite tehnicile si metodele aplicabile pentru caracterizarea interactiunii strat metalizat – suport (microstructura, anizotropie, porozitati, incluziuni de oxizi, microfisuri, particule netopite, aderenta, tensiuni interne), evaluarea proprietatilor intrinseci ale stratului metalizat (duritate, tenacitate, modul de elasticitate) si ale ansamblului material suport – strat de acoperire (rezistenta la uzura, proprietati de frecare, durabilitate). Intrucat reconstructia prin metalizare a suprafetelor de calare ale osiei montate nu are nicio influenta asupra solicitarilor in serviciu sau a incarcarilor proiectate, rezulta ca pentru a nu altera durabilitatea previzionata, proprietatile materialelor cu acoperiri de suprafata trebuie sa fie cel putin egale cu cele ale materialelor nemetalizate. In scopul investigarii proprietatilor materialelor cu si fara acoperiri de suprafata realizate in mai multe variante de material si procedee, s-a stabilit ca materialul de baza care va face obiectul cercetarilor sa fie acelasi tip de otel din care sunt realizate osiile motoare ale trenurilor de metrou (42CrMo4 - A5T), precum si un otel din aceeasi clasa, dar cu proprietati superioare (34CrNiMo6). Investigarea influentei caracteristicilor straturilor metalizate asupra proprietatilor mecanice ale materialelor se va efectua prin incercari mecanice statice si dinamice pe epruvete lise si cu crestaturi pentru a evalua influenta concentratorilor de tensiuni asupra proprietatilor materialelor.

Compozitia chimica a otelurilor selectate pentru experimentari

Capitolul 4. Raspunde Activitatii 1.4 – Elaborare plan de incercari pentru modelul experimental.
Din analiza procedurile curente privind activitatile de mentenanta s-a evidentiat faptul ca scoaterea din exploatare sau necesitatea reconditionarii prin aschiere a suprafetelor de calare este determinata de tipurile de defecte de suprafata generate la demontare prin depresarea rotilor de pe osie cand se pot produce zgarieturi longitudinale sau smulgeri de material de pe suprafata osiei. Riscul deteriorarii suprafetelor de contact exista la fiecare ciclu de demontare roti.
Pentru realizarea modelului experimental se vor utiliza presciptii generale de tolerante, seraj, incercare, utilizate in mod curent pentru o osii noi in scopul evaluarii aplicabilitatii solutiei propuse din punct de vedere al proprietatilor materialelor cu acoperiri de suprafata realizate prin pulverizare termica cu molibden pentru reconditionarea prin metalizare a osiilor motoare.
Pe baza documentatiei referitoare la conditiile tehnice de asamblare si demontare a osiei montate a fost elaborat un plan de incercari pentru modelul experimental la scara reala care cuprinde teste si incercari conform procedurilor curente de mentenanta.

Capitolul 5. Asigurarea si pregatirea semifabricatelor pentru modelul experimental (Activitatea 1.5).
Partenerul P2 a asigurat si a pregatit semifabricatele necesare pentru realizarea modelului experimental la scara reala de osie montata care va fi experimentat si testat in varianta cu acoperiri de suprafata.

Rezultate intermediare Etapa 2 (an 2015):
Rezultate intermediare Etapa 3 (an 2016):