• No results found

Plasma sprayed cylinder lining coatings: Factors affecting the amount of ceramics in plasma sprayed cylinder lining coatings

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Plasma sprayed cylinder lining coatings: Factors affecting the amount of ceramics in plasma sprayed cylinder lining coatings"

Copied!
23
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

DEGREE PROJECT, IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING , FIRST LEVEL

STOCKHOLM, SWEDEN 2015

Plasma sprayed cylinder lining

coatings

FACTORS AFFECTING THE AMOUNT OF

CERAMICS IN PLASMA SPRAYED CYLINDER

LINING COATINGS

HERMINA ANTONSSON, TOVA JARNERUD

(2)

   

Plasma  sprayed  cylinder  lining  coatings  

Factors  affecting  the  amount  of  ceramics  in  plasma  sprayed  

cylinder  lining  coatings  

       

Hermina  Antonsson  Nilsson  

Tova  Jarnerud  

         

KTH Royal Institute of Technology

Materials Science and Engineering

(3)

Abstract  

Scania  uses  powder  plasma  spray  technology  to  coat  their  cylinder  linings.  The  powder   used  contains  stainless  steel  and  ceramics.  In  order  for  the  properties  of  the  coating  to   reach  the  quality  demands,  it  has  to  have  a  certain  amount  of  pores  and  ceramics  in  it.   Despite  the  process  being  strictly  controlled  the  coating  has  proven  to  exhibit  

differences  in  composition.  

Process  parameters  for  each  coated  lining  are  logged  and  as  part  of  Scania’s  quality   control,  samples  of  the  coating  are  frequently  tested.  For  the  purpose  of  this  work,  three   process  parameters  were  mapped  in  search  for  correlations  to  the  composition  of  the   coating  –  electric  current,  voltage  and  power  output.  To  investigate  the  homogeneity  of   the  powder  it  was  analyzed  using  Scanning  Electron  Microscopy.  

The  main  findings  were  that  there  are  no  correlations  found  between  the  three  process   parameters  and  the  composition  of  the  coating.  Moreover,  in  the  powder  analysis  it  was   found  that  the  composition  of  the  powder  itself  varies  to  an  extent  that  elements  differ   as  much  as  twice  the  amount  in  between  different  batches  and  sites  in  the  production.   The  results  imply  that  it  is  difficult  to  prevent  irregularities  by  managing  process  

parameters  within  the  tolerance  range.  The  variations  in  powder  composition  need  to  be   further  investigated  in  order  to  determine  its  impact  on  the  quality  of  the  coating.  

Sammanfattning  

Scania  använder  plasmabesprutning  med  pulver  för  beläggning  av  cylinderfoder.  Pulvret   som  används  består  av  rostfritt  stål  och  keramer.  För  att  beläggningens  egenskaper  ska   uppnå  kvalitetsmålen  krävs  en  viss  mängd  porer  och  keramer.  Trots  att  processen  noga   kontrolleras  uppvisar  beläggningen  tendenser  till  skillnader  i  materialsammansättning.   Som  en  del  i  Scanias  kvalitetskontroll  loggas  processparametrar  för  varje  belagt  foder   och  stickprover  av  beläggningen  testas.  I  det  här  arbetet  har  tre  processparametrar  valts   ut  i  syfte  att  undersöka  eventuella  samband  mellan  dem  och  beläggningens  

materialsammansättning.  De  valda  parametrarna  är  elektrisk  matning,  spänning  och   effekt.  Pulver  har  analyserats  i  svepelektronmikroskop  i  syfte  att  undersöka  dess   homogenitet.  

Slutsatsen  är  att  inget  samband  hittats  mellan  de  tre  processparametrarna  och   materialsammansättningen  i  beläggningen.  Vidare  kunde  det  i  pulveranalysen  ses  att   pulvrets  sammansättning  varierar  så  pass  mycket  att  vissa  ämnen  förekommer  i  dubbelt   så  stor  mängd  på  olika  provtagningsområden.  

Resultaten  antyder  att  det  är  svårt  att  förhindra  ojämnheter  genom  att  styra  

processparametrar  inom  de  givna  toleranserna.  Variationen  i  pulvrets  sammansättning   bör  undersökas  vidare  för  att  avgöra  dess  påverkan  på  beläggningens  slutegenskaper   och  materialsammansättning.  

(4)

  Abstract   Sammanfattning   1   Introduction  ...  1   1.1   Background  ...  1   1.2   Purpose  ...  2   2   Method  ...  2   2.1   Coating  process  ...  2   2.2   Process  parameters  ...  3  

2.3   Quality  testing  at  Scania  ...  4  

2.3.1   Samples  for  testing  ...  4  

2.3.2   Sample  analysis  ...  5  

2.4   Collection  of  data  ...  5  

2.4.1   Powder  analysis  ...  5  

2.4.2   Matching  process  parameters  to  test  lab  results  ...  6  

3   Results  ...  6  

3.1   Powder  analysis  ...  6  

3.2   Matching  process  parameters  to  test  lab  results  ...  7  

4   Discussion  ...  9   5   Conclusion  ...  10   6   Acknowledgements  ...  11   7   References  ...  12   8   Appendices  ...  13   8.1   Appendix  1  ...  13   8.2   Appendix  2  ...  16                  

(5)

1 Introduction  

1.1 Background  

Scania  is  a  leading  manufacturer  of  heavy  trucks  and  busses,  engines  and  services.  It  is  a   global  company  with  a  sales  and  service  organization  in  more  than  100  countries  [1].   Part  of  the  production  includes  coating  of  cylinder  linings.  

Scania  uses  plasma  spray  technology  on  their  cylinder  linings  to  coat  it  with  a  mixture  of   stainless  steel  and  ceramics.  The  coating,  in  combination  with  lubricating  oil,  reduces   the  friction  between  the  moving  piston  ring  and  the  cylinder  lining.  This  reduction  of   energy  loss  in  turn  reduces  the  fuel  consumption.  Moreover,  the  coating  is  highly   enduring  which  prolongs  the  lifetime  of  the  cylinder  lining.  In  order  for  the  lining  to   reach  the  quality  demands,  a  certain  amount  of  ceramics  and  cavities  in  the  plasma  layer   is  required.    

The  plasma  state  is  one  of  the  four  states  of  matter  in  addition  to  solid,  fluid  and  gas.   Plasma  is  a  mixture  of  neutral,  positive  and  negative  particles  and  cannot  be  stocked  like   the  other  states  of  matter  [2].    When  a  molecule  is  heated  to  the  plasma  state,  its  

constituents  are  separated,  meaning  the  electrons  move  freely  from  the  nucleus.  It   requires  high-­‐energy  input  and  can  be  reached  only  at  very  high  temperatures  in  order   to  obtain  ionization.  Plasma  technology  is  mainly  used  for  technical  applications.  

Figure  1  -­‐  Illustration  of  plasma  spray  technology  using  plasma  torch  and  powder  

 

Assuming  they  can  be  powdered,  the  plasma  spray  technology  can  be  used  with  almost   all  materials  having  suitable  melting  temperatures.  As  seen  in  Figure  1,  a  constricted  arc   is  used  for  the  ionization  of  atomic  gases  (helium,  argon)  or  molecular  gases  (nitrogen,  

(6)

hydrogen)  as  well  as  dissociation  of  them.    A  powdered  filler  material  is  injected  into  the   high-­‐energetic  plasma  arc  via  a  plasma  torch  with  the  help  of  a  carrier  gas  [3].  The   powder  is  not  molten  on  to  the  surface,  but  mechanically  attached  to  it.  The  quality  and   properties  of  the  coating  depend  strongly  on  how  the  molten  particles  spread  as  they   solidify  on  the  surface  formed  by  the  previous  layer  [4].  This  in  turn  depends  on  the   particles’  surface  temperature,  degree  of  melting  and  their  velocity.  Only  the  hot  and   molten  particles  with  the  sufficient  impinging  velocity  will  form  the  coating  since  cold   and  unmelted  ones  tend  to  bounce  off  the  surface.    

At  Scania,  a  powder  consisting  of  35%  ceramics  (Al2O3,  ZrO2)  and  65%  stainless  steel,  is  

received  in  a  barrel  from  a  supplier  in  Switzerland  together  with  a  chemical  analysis   specifying  the  composition  of  elements  in  it.  The  powder  is  then  distributed  through  a   silo  to  the  pipes  that  lead  it  to  a  feeder  by  gaseous  pressure.  From  the  feeder  it  is  then   fed  to  a  scale  to  ensure  that  the  correct  amount  of  powder  is  distributed  to  each  lining  in   the  plasma  spraying  process.  From  the  scale,  the  powder  is  once  again  fed  through  pipes   by  argon  gas  to  the  plasma-­‐spraying  booth.  Scania  has  two  production  lines  with  two   booths  respectively.  In  each  booth  there  are  two  torches.  

1.2 Purpose  

The  purpose  of  this  work  is  to  find  out  if  there  is  any  correlation  between  the  process   parameters  and  the  amount  of  ceramics  in  the  plasma  coating  of  the  cylinder  lining.   Scania’s  goal  is  to  be  able  to  prevent  irregularities  in  the  coating  by  regulating  process   parameters.  In  search  for  correlations,  relevant  data  is  collected  and  analyzed.  

2 Method  

2.1 Coating  process  

The  process  of  coating  the  cylinder  linings,  including  preparation,  consists  of  a  number   of  steps.  The  linings,  made  of  cast  iron,  are  washed  from  grease  and  antirust  residues.   The  inside  is  then  blasted  with  aluminum  oxide  to  achieve  a  rougher  surface.  Once  the   lining  is  in  the  plasma-­‐spraying  booth,  powder  is  sprayed  on  with  75  grams  per  minute   onto  the  inner  surface  in  ten  thin  layers,  making  a  total  thickness  of  250  𝜇m.  The  torch   moves  down  and  up  five  times  inside  the  rotating  lining  to  achieve  an  even  distribution   of  the  coating.    Finally,  the  coated  lining  is  marked  with  an  identity  code  by  an  inkjet.     The  electric  arc  used  has  an  energy  input  of  40V  and  340A.  In  order  to  avoid  differences   in  the  voltage  during  the  plasma-­‐spraying  process,  the  torch  needs  maintenance  check   every  45  running  hours.  

     

(7)

2.2 Process  parameters  

Each  lining  receives  a  log  of  all  the  individual  process  parameters  including  highest,   lowest  and  mean  value  as  well  as  standard  deviation.  These  parameters  are  compiled   and  those  considered  interesting  are  marked  in  Table  1.  Electric  current,  voltage  and   power  output  were  the  process  parameters  considered  most  relevant  or  likely  to  affect   the  quality  of  the  coating  due  to  exhibiting  the  largest  deviations  from  their  target   values.  The  logs  can  be  used  for  troubleshooting  parameters  by  comparing  them  to  their   target  values  and  tolerances.  For  example,  a  too  high  or  too  low  voltage  might  result  in  a   curved  arc  that  distributes  the  powder  unevenly  and  leaves  unmelted  particles.  Thus  the   electric  arc  needs  to  be  precisely  adjusted.  

 

Table  1  -­‐  General  process  parameters  and  those  selected  for  this  work  

 

*Unit  of  flow  rate.    

 

Parameter   Unit   Target  value   Tolerance   Considered  interesting  for   this  work  

Electric  current   A   340   +/-­‐  25   √  

Voltage   V   36   +/-­‐  6   √  

Power  output   kW   -­‐   -­‐   √  

Argon   NLPM*   40   +/-­‐  3   -­‐  

Hydrogen  gas   NLPM   3.2   +/-­‐  0.6   -­‐   Shroud  Ar   NLPM   16   +/-­‐  1.5   -­‐   AirJet  (Air)   bar   6   +/-­‐  0.4   -­‐   Carrier  gas  (Ar)   NLPM   3.2   +/-­‐  0.4   -­‐   Feeder  velocity   g/min   75   +/-­‐  3   -­‐  

Stirrer   %   80   +/-­‐1.3   -­‐  

Pressure   mbar   -­‐   -­‐   -­‐  

Weight   kg   -­‐   -­‐   -­‐  

Cooling  water  flow   l/min   -­‐   -­‐   -­‐   Cooling  water  inflow   °C   -­‐   -­‐   -­‐   Cooling  water  outflow   °C   -­‐   -­‐   -­‐  

Conductivity   𝜇S   -­‐   -­‐   -­‐  

Airflow  P1   m/s   -­‐   -­‐   -­‐  

(8)

2.3 Quality  testing  at  Scania  

2.3.1 Samples  for  testing  

Samples  of  the  coated  cylinder  linings  are  tested  on  a  daily  basis  to  check  the  quality  of   the  coating.  Eight  samples  are  collected  out  of  the  daily  production,  usually  around  one   thousand  linings.  In  order  to  examine  all  the  layers  of  the  coating  it  is  analyzed  in  the   cross-­‐section  by  destructive  testing.  In  the  lab,  three  coins  are  drilled  out  from  each   lining.  Two  from  where  the  lining  is  exposed  to  the  highest  stress  due  to  the  piston   changing  direction  –  Bottom  Dead  Center  (BDC)  and  Top  Dead  Center  (TDC)  -­‐  and  one   from  the  middle  part  of  it.  BDC  is  where  the  ignition  of  the  fuel  air  mixture  occurs.  The   lab  has  24  hours  to  approve  the  samples  in  order  for  the  linings  to  be  sent  to  the  next   step  in  the  production.  Figure  2  illustrates  the  positions  in  the  cylinder.  

 

 

(9)

2.3.2 Sample  analysis  

There  are  desirable  pores  in  the  coating  that  make  sure  the  thin  layer  of  oil  is  kept  on   the  surface  and  fulfills  its  purpose  of  reducing  friction  by  lubricating  between  the  piston   and  the  cylinder  lining.  An  approved  sample  has  1.25-­‐4%  pores.  However  if  a  sample  has   1-­‐1.25%  pores  it  can  be  approved  given  that  the  amount  of  ceramics  is  high  enough.  The   amount  of  ceramics  and  pores,  hereby  referred  to  as  CAP,  has  to  be  a  total  of  20%  at   minimum.  

To  analyze  the  samples,  the  Zeiss  microscope  software  AxioVision  SE64,  is  used  to   determine  the  amount  of  pores  and  CAP.  In  preparation  for  the  microscope  the  coins  are   split  in  half  to  expose  the  cross-­‐section,  molded  in  Bakelite  and  then  polished  in  six  steps   using  diamond  coated  polishing  wheels.  An  operator  takes  12  pictures  per  coin  and  does   an  ocular  inspection  to  detect  if  there  are  pores  or  ceramics  not  found  by  the  software.   In  that  case  they  can  be  manually  registered.  The  software  calculates  a  mean  value  based   on  the  pictures  taken.  The  operator  then  transfers  these  into  a  test  lab  Excel  document   together  with  the  identity  code  of  the  cylinder  lining.  

 

2.4 Collection  of  data  

For  the  purpose  of  this  work,  powder  was  collected  and  analyzed  and  process  

parameters  were  extracted  and  interconnected  with  data  from  the  test  lab.  The  period   from  which  the  data  was  collected  extends  from  September  17th  to  December  22nd  2014  

and  is  limited  to  production  line  2.  The  software  AxioVision  SE64  was  tested  in  order  to   be  familiar  with  the  sample  analysis  procedure.  

2.4.1 Powder  analysis  

The  following  test  was  performed.  Small  amounts  of  powder  were  collected  from  five   different  sites  in  the  production  line.  It  was  analyzed  to  determine  if  there  were  any   differences  in  its  composition  from  that  in  the  barrel  in  which  it  is  delivered  to  that  in   the  plasma-­‐spraying  booth,  or  in  between  different  batches.  The  powder  samples  are   hereby  given  the  following  designations  -­‐  numbered  from  1  to  5.  

1. A  full  barrel,  on  the  top  surface,  in  the  middle.  

2. The  same  full  barrel,  on  the  top  surface,  along  the  edge  of  the  barrel.   3. An  almost  empty  barrel.  

4. The  silo  where  the  powder  is  distributed  from  the  barrel  to  the  feeders.   5. The  booth,  under  the  torch  (what  is  left  after  the  spraying  process).    

The  powder  was  mounted  on  to  double  sided  adhesive  conductive  carbon  tape  and   coated  with  a  thin  layer  of  gold  in  a  vacuum  chamber  to  make  nonconductive  elements   conductive.  It  was  then  imaged  (Appendix  1)  in  SEM  (Scanning  Electron  Microscopy   Hitachi  –S  3700N).  For  measurement  of  the  elemental  composition,  the  powder  was   analyzed  using  EDS  (Energy  Dispersive  X-­‐ray  Spectroscopy).  The  SEM  uses  a  focused   beam  of  high-­‐energy  electrons  that  interact  with  the  atoms  in  the  sample,  revealing   information  about  its  topography  and  chemical  composition  [6].  Each  sample  was  

(10)

analyzed  in  three  different  areas:  A,  B  and  C  (Appendix  2),  and  mean  values  for  each   sample  was  calculated  and  compiled  in  tables.  

2.4.2 Matching  process  parameters  to  test  lab  results  

A  special  designed  MATLAB  program  was  used  to  interconnect  data  from  the  test  lab   Excel  document  with  data  from  the  process  parameter  log.  The  MATLAB  program   extracts  the  desired  data  and  stores  it  in  columns  in  a  new  Excel  document.  Part  of  the   new  document  consists  of  columns  with  the  amount  of  pores  and  CAP  of  each  sample   from  the  test  lab.  The  other  part  of  it  consists  of  columns  with  the  title  and  unit  of  the   process  parameter  and  its  highest,  lowest,  target  and  mean  value  respectively  for  each   sample.  The  process  parameters  chosen  for  analysis  in  this  work  were  electric  current,   voltage  and  power  output  as  seen  in  Table  1.  These  data  were  plotted  against  each  other   to  find  correlations,  if  any.    

 

3 Results  

 

The  results  from  the  collected  and  analyzed  data  are  presented  below.  

3.1 Powder  analysis  

In  the  EDS  analysis,  the  distribution  of  elements  of  each  of  the  five  samples  was  analyzed   in  three  different  areas.  Table  2  illustrates  a  compilation  of  the  elements  in  them.  In  each   respective  sample,  mean  values  of  every  element  were  calculated  and  transferred  into   Table  2.  Values  in  highlighted  cells  are  divergent  as  maximum  (green)  and  minimum   (yellow)  for  elements  with  larger  variations.  Notable  is  that  there  is  carbon  in  the  

powder,  however  as  it  is  a  light  and  small  element  it  is  not  detectable  in  the  EDS  analysis   and  therefore  not  presented  in  the  table.  

Table  2  -­‐  Mean  atomic  distribution  of  elements  in  five  different  samples  of  powder  from  EDS,  maximum  values   highlighted  in  green,  minimum  values  highlighted  in  yellow  

EDS  analysis                              Sample  

Element   [at.  %]  1   [at.  %]  2   [at.  %]  3   [at.  %]  4   [at.  %]  5  

Iron   22.57   19.93   11.69   11.28   21.12   Aluminum   27.52   27.95   33.89   22.94   27.11   Oxygen   42.59   44.80   49.38   49.69   44.34   Zirconium   2.61   3.08   2.43   2.51   2.97   Chromium   4.21   3.76   2.22   2.20   3.99   Molybdenum   0.24   0.26   0.14   0.13   0.23   Manganese   0.26   0.22   0.14   0.13   0.23   Silicon   0   0   0.11   0.12   0.01  

(11)

3.2 Matching  process  parameters  to  test  lab  results  

The  correlation  between  the  process  parameters  during  the  plasma-­‐spraying  process,  of   each  torch,  and  the  CAP  content  of  the  coating  was  analyzed.  The  process  parameters   chosen  was  electric  current,  voltage  and  power  output.  The  scatter  plots  in  Figures  3,  4   and  5  illustrate  these  parameters’  distribution  of  data.  In  Figure  3  the  CAP  content  is   plotted  against  electric  current,  in  Figure  4  against  voltage  and  in  Figure  5  against  power   output.  

 

 

Figure  3  -­‐  Scatter  plot  of  CAP  vs.  electric  current  in  Torch  1  and  2  for  each  Booth  in  production  line  2  

      20   22   24   26   28   30   32   34   36   336   337   338   339   340   341   342   343   344   CAP  c on te nt  [%]  

Electric  current  [A]  

CAP  content  vs.  electric  current  

Booth  1  Torch  1   Booth  1  Torch  2   Booth  2  Torch  1   Booth  2  Torch  2  

(12)

  Figure  4  -­‐  Scatter  plot  of  CAP  content  vs.  voltage  in  Torch  1  and  2  for  each  Booth  in  production  line  2  

 

 

 

Figure  5  -­‐  Scatter  plot  of  CAP  content  vs.  power  output  in  Torch  1  and  2  for  each  Booth  in  production  line  2  

      20   22   24   26   28   30   32   34   36   35   36   37   38   39   40   CAP  c on te nt  [%]   Voltage  [V]  

CAP  content  vs.  voltage  

Booth  1  Torch  1   Booth  1  Torch  2   Booth  2  Torch  1   Booth  2  Torch  2   20   22   24   26   28   30   32   34   36   11   11,5   12   12,5   13   13,5   14   CAP  c on te nt  [%]   Power  output  [kW]  

CAP  content  vs.  power  output    

Booth  1  Torch  1   Booth  1  Torch  2   Booth  2  Torch  1   Booth  2  Torch  2  

(13)

4 Discussion  

 

In  the  test  lab  Excel  document  there  is  room  for  data  from  three  positions  from  each   lining  tested,  however  there  is  only  data  from  one  position  presented  -­‐  BDC  (Figure  2)  -­‐   why  the  results  in  this  report  are  based  on  these.    

The  tolerance  range  for  the  amount  of  pores  is  in  between  1.25%  and  4%.  The  software   AxioVision  SE64  used  to  determine  the  amount  of  pores  and  CAP  was  tested  and  the   same  sample  and  area  was  analyzed  multiple  times  with  different  results  each  time.   These  test  results  differ  with  a  margin  of  error  of  1%.  This  makes  it  difficult  to  evaluate   the  results  since  this  margin  of  error  represents  36%  of  the  tolerance  range.  Thus  with   the  tolerance  shifted  to  ranging  in  between  0.25%  and  5%,  it  is  wider  than  the  ideal.    It   appears  that  the  test  results  are  dependent  on  the  operator.  When  samples  exhibit   results  below  the  required  amount  of  pores  or  CAP  in  the  test  lab,  the  samples  are   analyzed  over  again  until  an  approved  result  it  obtained.  The  unqualified  results  are  not   being  transferred  into  the  test  lab  Excel  document,  and  are  therefore  not  traceable,  why   the  process  parameters  cannot  be  interconnected  with  those.  In  the  test  lab  Excel  

document,  data  from  220  samples  from  the  period  chosen  for  this  work  was  collected.  It   was  matched  to  the  process  parameter  logs  with  the  data  extraction  program.  It  would   be  of  interest  to  study  the  samples  that  did  not  fulfill  the  required  amount  of  pores  and   CAP  to  search  for  a  correlation  to  the  process  parameters.  Since  there  is  only  data  from   approved  samples  it  can  be  that,  the  unqualified  data  points  would  exhibit  a  pattern  that   is  not  to  be  seen  in  this  analysis.  

The  composition  of  elements  in  the  powder  samples  from  different  sites  in  the   production  line  varies  widely.  Table  2  illustrates  how  the  element  composition  of  the   five  samples  differs.  Some  of  the  cells  in  Table  2  are  highlighted  –  these  are  the  ones  with   minimum  and  maximum  content  of  the  element.  The  elements  with  the  highest  content   and  thus  most  impact  on  the  result  of  the  final  quality  and  properties  of  the  coating  are   iron,  aluminum  and  oxygen  (Fe  and  Al2O3).  The  three  elements  are  compiled  below  

together  with  their  largest  difference  in  content.   • Iron  

Minimum  11.28  at.  %  (sample  4)   Maximum  22.57  at.  %  (sample  1)   Difference  of  11.29  at.  %.  

• Aluminum  

Minimum  22.94  at.  %  (sample  4)   Maximum  33.89  at.  %  (sample  3)   Difference  of  10.95  at.  %.  

• Oxygen  

Minimum  42.59  at.  %  (sample  1)   Maximum  49.69  at.  %  (sample  4)   Difference  of  7.1  at.  %.  

(14)

While  the  iron  content  is  higher  in  a  sample,  the  amount  of  aluminum  and  oxygen  in  it  is   lower  and  vice  versa.  The  element  content  of  these  display  large  variations,  it  differs  as   much  as  twice  the  amount  in  different  sites.  Moreover,  there  are  smaller  variations  in   some  of  the  contents  despite  the  samples  being  from  the  same  barrel.  Samples  1  and  2   are  from  the  same  barrel,  however  their  oxygen  content  differs  2.21  at.  %  and  the  iron   content  2.64  at.  %.  Even  though  the  variations  are  rather  small  in  comparison  to  their   content,  there  should  not  be  any  at  all.  A  possible  cause  of  this  is  density  variations  in   the  powder.  The  molecules  have  different  dimensions  and  atomic  weights;  naturally   they  react  differently  to  vibrations  that  might  occur  during  transport.  The  powder  is  fine   enough  not  to  layer  up,  however  there  might  still  be  variations  in  composition  inside  the   barrel.  

The  target  value  of  the  electric  current  is  340A.  As  seen  in  Figure  3  there  are  some   differences  in  current  between  the  Booths  and  Torches,  yet  all  the  data  points  are  close   to  the  target  value.  There  is  no  correlation  between  the  CAP  content  of  collected  data   and  the  electric  current  within  the  tolerance  range.  

The  target  value  of  the  voltage  is  36V.  As  seen  in  Figure  4,  all  of  the  data  points  are   randomly  distributed  in  between  35V  and  39V  with  slightly  higher  concentration   towards  the  higher  values.  There  is  no  correlation  between  the  CAP  content  of  collected   data  and  the  voltage  within  the  tolerance  range.    

The  power  output  has  no  target  value  given.  However,  as  the  power  output  depends  on   the  electric  current  and  voltage,  there  is  no  correlation  between  CAP  content  of  collected   data  and  the  power  output  within  the  tolerance  range,  as  seen  in  Figure  5.  

 

5 Conclusion  

 

The  purpose  was  to  investigate  factors  affecting  the  amount  of  ceramics  in  the  plasma   sprayed  coating  of  cylinder  linings  at  Scania.  The  analysis  of  data  did  lead  to  findings   that  show  the  powder  is  the  most  critical  factor.    

• The  margins  of  error  in  the  results  using  the  software  AxioVision  SE64  are  large   in  the  context,  which  makes  them  questionable.  

• The  powder  composition  varies  widely  in  between  batches  and  sites  in  the   production  line,  which  is  a  possible  cause  for  irregularities  in  the  coating.  

• The  powder  composition  varies  slightly  inside  a  barrel,  which  is  another  possible   cause  for  irregularities  in  the  coating.  

• There  is  no  correlation  found  between  the  amount  of  ceramics  in  the  coating  and   the  chosen  process  parameters,  which  makes  it  difficult  to  prevent  irregularities.  

(15)

6 Acknowledgements  

 

We  would  like  to  thank  Scania  and  the  people  working  there  for  the  support  throughout   our  bachelor  thesis  work.  We  would  like  to  especially  thank  our  supervisor  Björn     Lindbom  and  his  colleagues  Anders  Kjelledal,  Pelle  Nilsson,  David  Björkman,  Doctor   Jessica  Elfsberg  for  their  expertise  and  support.  We  are  also  grateful  to  WenLi  Long  and   Anders  Tilliander  at  KTH  for  their  contributions.  Last  but  not  least,  we  would  like  to   express  our  gratitude  to  Professor  Stefan  Jonsson  at  KTH  for  specially  designing  the   MATLAB  program  used  in  this  work.  

                                       

(16)

7 References  

 

[1]  SCANIA.  (2015)  Scania  Group.  [Online]  Available  from:  

http://www.scania.com/scania-­‐group.  [Accessed:  23rd  February  2015]  

[2]  IGANATOV,  A.  M.  and  RUKHADZE,  A.  A.  Plasmas  in  nature,  laboratory  and  technology,   in  CAPITELLI,  M.  and  GORSE,  C.  Plasma  Technology  Fundamentals  and  Applications.  New   York;  Plenum  Press,  1992.  pp.1-­‐9.  

[3]  BOULOS,  M.  I.  (1992)  RF  Induction  Plasma  spraying:  State-­‐of-­‐the-­‐art  Review.  Journal  

of  Thermal  Spray  Technology.  [Online]  1  (3).  P.33-­‐40.  Available  from:  

http://www.link.springer.com/article/10.1007/BF02657015.  [Accessed:  30th  January   2015].  

[4]  FANTASSI,  S.  et.al.  (1993)  Proceedig  of  the  ISPC-­‐11.  Loughboough;  International   Organising  Committee  of  ISPC  11,  1993.  pp.1251.  

[5]  RILEY,  A.  et.  al.  (2008)  Aviations  Maintenance  Technician  Handbook.  [Online]  General.   Available  from  https://www.faa.gov.  [Accessed:  30th  April  2015].  p.1.23.  

[6]  SWAPP,  S.  (2015)  Scanning  Electron  Microscopy.  [Online]  Available  from:   http://serc.carleton.edu  .  [Accessed:  26th  April  2015].  

                       

(17)

8 Appendices  

8.1 Appendix  1  

Figures  6  –  10  below  illustrate  the  morphology  element  distributions  from  the  SEM   analysis  in  area  A  for  each  respective  sample.  

 

 

Figure  6  -­‐  SEM  analysis  of  the  powder  in  Sample  1,  Area  A  

 

 

(18)

 

Figure  8  -­‐  SEM  analysis  of  the  powder  in  Sample  3,  Area  A  

 

 

(19)

 

Figure  10  -­‐  SEM  analysis  of  the  powder  in  Sample  5,  Area  A  

                             

(20)

8.2 Appendix  2  

Tables  3  –  7  below  illustrate  the  atomic  element  distributions  from  the  EDS  analysis  for   each  respective  sample  over  the  three  areas,  A,  B  and  C  as  well  as  their  mean  value.    

Table  3  –  Atomic  distrbution  of  elements  in  Sample  1  from  EDS  analysis  

Sample  1                                            Area  

 

Element  

A  

[at.  %]   [at.  %]  B   [at.  %]  C   Mean  value  [at.  %]  

Iron   27.39   22.21   18.10   22.57   Aluminum   25.90   27.58   29.07   27.52   Oxygen   38.38   43.03   46.36   42.59   Zirconium   2.68   2.49   2.66   2.61   Chromium   5.09   4.14   3.41   4.21   Molybdenum   0.26   0.26   0.20   0.24   Manganese   0.30   0.28   0.20   0.26   Silicon   0   0   0   0      

Table  4  -­‐  Atomic  distribution  of  elements  in  Sample  2  from  EDS  analysis  

Sample  2                                            Area  

 

Element  

A  

[at.  %]   [at.  %]  B   [at.  %]  C   Mean  value  [at.  %]  

Iron   21.22   18.52   20.06   19.93   Aluminum   27.84   27.93   28.08   27.95   Oxygen   43.65   46.40   44.36   44.80   Zirconium   2.88   3.22   3.14   3.08   Chromium   3.92   3.51   3.85   3.76   Molybdenum   0.26   0.24   0.28   0.26   Manganese   0.23   0.19   0.23   0.22   Silicon   0   0   0   0      

(21)

Table  5  -­‐  Atomic  distribution  of  elements  in  Sample  3  from  EDS  analysis   Sample  3                                            Area     Element   A  

[at.  %]   [at.  %]  B   [at.  %]  C   Mean  value  [at.  %]  

Iron   11.57   11.25   12.24   11.96   Aluminum   34.85   33.66   33.16   33.89   Oxygen   48.74   49.99   49.40   49.38   Zirconium   2.24   2.54   2.52   2.43   Chromium   2.24   2.14   2.27   2.22   Molybdenum   0.13   0.14   0.14   0.14   Manganese   0.13   0.14   0.15   0.14   Silicon   0.09   0.13   0.11   0.11      

Table  6  -­‐  Atomic  distribution  of  elements  in  Sample  4  from  EDS  analysis  

Sample  4                                            Area  

 

Element  

A  

[at.  %]   [at.  %]  B   [at.  %]  C   Mean  value  [at.  %]  

Iron   12.67   10.24   10.94   11.28   Aluminum   33.87   34.29   33.66   33.94   Oxygen   47.96   50.73   50.37   49.69   Zirconium   2.59   2.40   2.55   2.51   Chromium   2.49   1.98   2.12   2.20   Molybdenum   0.16   0.12   0.12   0.13   Manganese   0.14   0.12   0.14   0.13   Silicon   0.13   0.11   0.11   0.12            

(22)

Table  7  -­‐  Atomic  distribution  of  elements  in  Sample  5  from  EDS  analysis   Sample  5                                            Area     Element   A  

[at.  %]   [at.  %]  B   [at.  %]  C   Mean  value  [at.  %]  

Iron   21.24   22.36   19.75   21.12   Aluminum   27.32   26.60   27.41   27.11   Oxygen   44.21   43.37   45.45   44.34   Zirconium   2.73   3.01   3.16   2.97   Chromium   4.01   4.14   3.82   3.99   Molybdenum   0.23   0.25   0.22   0.23   Manganese   0.24   0.27   0.18   0.23   Silicon   0.01   0.01   0   0.01    

(23)

References

Related documents

The fracture during adhesion testing of TBCs has been found to follow pre-existing defects in the top coat. Isothermal and cyclic heat treatment were found to promote different

This approach of us- ing suspension and solution feedstock, which is an alternative to the conventional solid powder feedstock spraying, is gaining increasing research interest

Keywords: Microstructure, Thermal Barrier Coating; Axial Injection; Suspension Plasma Spraying; Suspension High Velocity Oxy Fuel Spraying; Solution Precursor Plasma

large nozzle (Ave: average thickness; av2: average roughness; por: porosity; den: crack density. Tot: total gas flow; Pow: power level; Str: strokes; Sus: suspension

All cylinder liners except one showed a mild abrasive wear and vague wear marks were found on the grey cast iron and F2071 cylinder liner

Unlike APS, powder particle size is only indirectly influencing SPS coating microstructure as the properties of the suspension (viscosity and surface tension) control the size of

More recently, a new thermal spraying technique, HVAF (high-velocity air fuel), has been developed which can produce coatings with even lower degree of porosity (i.e. denser

For the second part of the work, the analysis, the objective is to compare three HVAF sprayed coatings regarding hardness, friction, wear and pick-up properties, to evaluate if