background image

4. Warstwy powierzchniowe

 

otrzymywane w obróbkach cieplno-chemicznych

 

w warunkach wyładowania jarzeniowego

 

4.1. Wprowadzenie

 

Badania w zakresie obróbek cieplno-chemicznych w warunkach wyładowania 

jarzeniowego  obejmuj   praktycznie  wszystkie  procesy  obróbek  cieplno-

chemicznych,  które  prowadzono  dotychczas  w  sposób  tradycyjny.  Przez 

obróbki  jarzeniowe  nale y  rozumie   zarówno  technologie  azotowania,  w glo-

azotowania,  jak  te   procesy  borowania,  naw glania  czy  te   metody  PACVD 

(Plasma  Assisted  Chemical  Vapour  Deposition),  tj.  osadzania  warstw 

powierzchniowych  z  fazy  gazowej  z  udziałem  reakcji  chemicznych w  warun-

kach aktywacji elektrycznej  rodowiska gazowego, maj ce na celu wytworze-

nie  twardych  warstw  powierzchniowych,  m.in.  w glików,  azotków,  borków, 

tlenków  pierwiastków  metali  przej ciowych.  Ró ne  s   tylko  dla  tych  metod 

parametry procesu ze wzgl du na ró ne stosowane mieszaniny gazowe, ponad-

to  wyst puj   inne  rozwi zania  konstrukcyjne  podzespołów  urz dze   do 

realizacji tych procesów. Najbardziej znany i szeroko stosowany w przemy le 

jest proces azotowania jarzeniowego, który to — mimo prób jego wykorzysta-

nia w ko cowych latach drugiej wojny  wiatowej do zwi kszenia trwało ci 

luf  działowych  —  znalazł  zastosowanie  przemysłowe  dopiero  w  latach  siedem-

dziesi tych.

 

Technologie  jarzeniowe  nale   do  grupy  technik  plazmowych,  w  których 

wykorzystuje  si   plazm   nierównowagow ,  niskotemperaturow   i  nieizoter-

miczn , powstaj c  wskutek ci głego pobierania energii z pola elektryczne-

go. W technikach jarzeniowych wykorzystuje si  jeden z rodzajów wyładowa-

nia elektrycznego w gazie, zwany wyładowaniem jarzeniowym, zachodz cy 

w  gazach  przy  ci nieniu  w  zakresie  10

-3

  —13  hPa  [1,  2].  Z  uwagi  na  to,  e 

wyładowaniu jarzeniowemu  towarzyszy charakterystyczne  wiecenie gazu 

w  pobli u  katody,  tzw.  po wiata  katodowa,  technologie  te  zyskały  nazw  

jarzeniowych,  niekiedy  za   nazywane  s   plazmowymi  lub  jonowymi  (ang.: 

plasma  nitriding,  ion  nitriding,  nitriding  by  glow  discharge,  plasma  assisted 

CVD). 

4.2. Fizykochemiczne podstawy procesów 

obróbek jarzeniowych

 

Proces  obróbki  cieplno-chemicznej  w  rodowisku  gazowym  z 

wykorzystaniem  zjawiska  wyładowania  jarzeniowego  polega  na  tym,  e 

przedmioty  obrabiane  (katoda)  umieszcza  si   w  komorze  roboczej, 

przy  czym  cianki  tej  komory,  jak  te   odpowiednio  skonstruowane 

ekrany  stanowi   anod .  Gaz  reaktywny,  np.  w  procesie  azotowania 

jarzeniowego — amoniak (NH

3

) lub mieszanina wodoru i azotu (H

2

 + N

2

czy  te   pary  BC1

3

  w  mieszaninie  z  wodorem  w  procesie  borowania  lub 

mieszanina  par  TiCl

4

  +  H

2

  +  N

2

  w  procesie  wytwarzania  warstw  azotku 

tytanu, wprowadza si  do komory roboczej przy ci nieniu 1—13 hPa, w 

tzw.  pró ni  dynamicznej,  tj.  przy  ci głym  przepływie  okre lonej 

mieszaniny  gazowej  przez  komor   robocz .  Mi dzy  katod   i  anod  

przykłada  si   ró nic   potencjałów  rz du  od  400  do  1800  V,  w 

zale no ci od składu chemicznego mieszaniny gazowej (rys. 4.1). W tych 

warunkach utrzymywane  jest  anormalne  wyładowanie  jarzeniowe  (rys. 

4.2),  charakteryzuj ce  si   wzrostem  nat enia  pr du  ze  wzrostem 

napi cia  oraz  istnieniem  katodowego  spadku  potencjału,  w  którym  to 

zachodz   elementarne  procesy  decyduj ce  o  tworzeniu  si   warstwy 

background image

powierzchniowej [1—3].

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4.1. Schemat uniwersalnego urz dzenia do obróbek jarzeniowych: 1 — komora 

robocza, 2 — ekran wewn trzny, 3 — piec grzewczy tzw. retortowy, — układ stabilizacji 

i  rejestracji  temperatury,  5  —  układ  dozowania  gazów,  6  —  dozowanie  par  ró nych 

substancji  chemicznych  w  metodzie  PACVD,  7  —  układ  pró niowy,  8  —  miernik 

temperatury,  9  —  zasilacz  napi ciowy  pr du  stałego,  10  —  przepust  pr dowy,  11  — 

obrabiane przedmioty

 

Zmiana napi cia wyładowania w zakresie do 1800 V wpływa na zmian  

nat enia pr du i w efekcie na nagrzewanie obrabianych detali do 

danych temperatur obróbki. Przedmiot obrabiany ogrzewa si  

wskutek promieniowania od przykatodowych obszarów wyładowania i 

wskutek bombardowania jonami gazu. Do  skomplikowana jest istota 

utworzonych cz stek aktywnych, ich rodzaj zale y od składu 

mieszaniny gazowej, ci nienia w komorze roboczej,   napi cia,   a   

tak e   materiału   katody   (obrabianego   detalu).   Jednak

 

Rys. 4.2. Charakterystyka napi ciowo-pr dowa wyładowa  elektrycznych w argonie 

[1]

 

znajomo  lokalnego składu gazu w obr bie przykatodowego spadku 

 

background image

potencjału nie jest niezb dna do regulacji procesu. Przeprowadza 

si  j  poprzez

 

dobór  składu  mieszaniny  gazowej, 

ci nienia 

g sto ci 

pr du 

wyładowania. Istotn  rol  odgrywa w 

tej metodzie  rodowisko gazowe, w 

którym prowadzony jest proces, a 

które  wpływa  m.in.  na  kinetyk  

tworzenia 

si  

warstwy, 

jej 

struktur , 

skład 

fazowy 

wła ciwo ci. 

Problem 

doboru 

odpowiedniej  mieszaniny  reak-

tywnej  oraz,  co  si   z  tym  wi e, 

regulacji struktury i składu fazowego 

wytwarzanych  warstw jest  jednym  z 

najwa niejszych  zagadnie   obróbki 

cieplno-chemicznej  w  warunkach 

wyładowania  jarzeniowego.  Nale y 

zaznaczy , 

wyładowanie 

jarzeniowe  nie  jest  jednorodne  w 

przestrzeni mi dzyelektrodowej (rys. 

4.3),  co  przedstawiono  przykładowo 

w  przypadku  wyładowania  w 

zakresie  ci nie   1,33—13,3  hPa  w 

rurce 

kwarcowej 

płaskimi 

elektrodami 

uwzgl dnieniem 

rozkładu potencjału i nat enia pola 

elektrycznego [1].  

Najwa niejszym dla procesów jarzeniowych w warunkach wyładowania 

jarzeniowego  przy  stałym  polu  elektrycznym  jest  obszar  przykatodowy, 

charakteryzuj cy  si   najwi kszym  nat eniem  pola  elektrycznego  i 

spadkiem potencjału. Istniej ce w tej strefie dodatnie jony przyspieszane 

w  katodowym  spadku  potencjału  uderzaj   w  katod ,  wybijaj c  z  niej 

elektrony.  Te  z  kolei  przyspieszane  w  polu  elektrycznym  w  przeciwnym 

kierunku powoduj  dysocjacj  cz steczek gazu i ich jonizacj . W wyniku 

tych  procesów  zarówno  na  powierzchni  katody,  jak  i  w  jej  otoczeniu  w 

fazie gazowej  powstawa  mog   aktywne  cz stki  warunkuj ce  tworzenie 

si  warstwy powierzchniowej.

 

 

 

Rys.  4.3.  Rozkład  zjawisk  wietlnych  w 

wyładowaniu  jarzeniowym  oraz  potencjału 

(U)  i  nat enia  pola  elektrycznego  (E) 

mi dzy elektrodami: — ciemnia Astona, 2 

—  po wiata  katodowa,  3  —  ciemnia 

katodowa,  4  —  po wiata  ujemna,  5  — 

ciemnia Faradaya, — zorza dodatnia, 7 — 

ciemnia anodowa, - po wiata anodowa

 

 

background image

 

 
 

Rys. 4.4. Rozkład cz stek aktywnych w przestrzeni mi dzyelektrodowej w 

mieszaninie TiCl

4

 + H

2

 + N

2

 w warunkach wyładowania jarzeniowego [4]

 

Na rys. 4.4 przedstawiono przykładowo rozkład w przestrzeni mi dzy 

anod   i  katod   niektórych  aktywnych  cz stek  tworz cych  si   w 

warunkach wyładowania jarzeniowego w mieszaninie par TiCl

4

 H

2

 N

2

 

w procesie wytwarzania warstwy azotku tytanu [4]. Na przebieg reakcji 

chemicznych  ma  równie   wpływ  nierównomierny  rozkład  st enia 

no ników  ładunku  elektrycznego,  a  w  konsekwencji  nierównomierny 

rozkład  g sto ci  pr du.  Tam,  gdzie  wyst puje  najwi ksze  st enie 

no ników ładunku elektrycznego, m.in. elektronów, aktywacja procesów 

chemicznych  jest  najbardziej  intensywna.  W  zwi zku  z  tym  w 

warunkach  obróbki  jarzeniowej  w  komorze  roboczej  mo e  ustali   si  

bardzo nierównomierny rozkład st enia cz stek aktywnych, np. reakcja 

dysocjacji  cz steczek  azotu  przebiega  najbardziej  wydajnie  w  strefie 

spadku katodowego, gdzie istnieje dostatecznie du a liczba elektronów o 

energiach wi kszych od energii dysocjacji cz steczek azotu (1,52-10

18

 

J),  a  tak e  energii  jonizacji  azotu  wynosz cej  2,5*10

-18

J,  przy  czym 

stopie   jonizacji  zale y  od  energii  elektronów  i  osi ga  warto  

maksymaln   około  0,45  przy  energii  elektronów  rz du  3,2*10

-17

J  [5]. 

Niskotemperaturowa  plazma  utworzona  w  warunkach  wyładowania 

jarzeniowego zawiera elektrony o  redniej energii w zakresie 10*10

-

17

J  [6].  Z  uwagi  na  wysoki  spadek  potencjału  katodowego  otaczaj cy 

równomiernie katod  (obrabiany detal), powstaj ce w wyniku zderze  

elektronów z cz stkami gazów jony dodatnie ulegaj  przy pieszeniu w 

kierunku  katody.  rednia  energia  jonów  azotu  N

+

  docieraj cych  do 

katody  przy  ci nieniu  całkowitym  w  komorze  roboczej  około  8  hPa 

wynosi  około  9,6*10

-18

J  [7],  przy  czym  w  warunkach  procesu 

azotowania  jarzeniowego  stanowi   one  około  50%  wszystkich  jonów. 

Ma  to  o  tyle  du e  znaczenie  dla kinetyki procesów uzyskiwania warstw 

powierzchniowych  w  obróbkach  jarzeniowych,  e  w  krótkim  czasie 

powstaje  na  granicy  faz  du a  koncentracja  tworz cego  warstw  

pierwiastka, która jest  ródłem zwi kszonego gradientu st enia, a tym 

samym 

szybko ci 

dyfuzji. 

Ponadto 

bombardowanie 

katody 

„rozp dzonymi"  w  polu  elektrycznym  jonami  ma  jeszcze  jeden 

aspekt.  Jest  nim  mo liwo   przebiegu  zjawiska  rozpylania 

katodowego,  które  odgrywa  istotn   rol   z  uwagi  na  czyszczenie 

 

background image

powierzchni  metalu,  jej  rozwini cie,  zdefektowanie  strukturalne  [1—3]; 

pozwala  tak e  wpływa   na  zmiany  wymiarowe  obrabianego  detalu  w 

trakcie  procesu  obróbki.  Wskutek  bombardowania  jonami  katoda 

nagrzewa  si   w  wyniku  zderze   jonów  z  powierzchni   ciała  stałego. 

Taki  sposób  nagrzewania  dla  przebiegu  reakcji  chemicznych  na 

granicy faz stałej i gazowej czy te  procesów dyfuzyjnych jest korzystny, 

bowiem  najwy sz   temperatur   ma  wła nie  miejsce  reakcji.  Pod 

działaniem  pola  elektrycznego  no niki  ładunku,  zwłaszcza  elektrony, 

mog  uzyska  energi  du o wi ksz  od  redniej energii cz stek gazu i 

w zderzeniach z nimi przekazuj  cz

 swej energii. Sprawia to,  e w 

układzie pojawia si   znacznie  wi ksza liczba cz stek aktywnych (jony, 

atomy,  cz stki  wzbudzone)  o  wi kszej  energii,  ni   wynikałoby  to  z 

równowagowego  rozkładu  energii  dla  danej  temperatury.  Cz stki  te 

odznaczaj  si  wysok  aktywno ci  chemiczn . Obecno  w ukła dzie 

znacznej liczby cz stek aktywnych chemicznie o du ej energii wyja nia 

fakt,  e  w  wyładowaniu  jarzeniowym  reakcje  chemiczne  mog  

przebiega   w  ni szych  temperaturach  i  z  du ymi  szybko ciami. 

Przykładem  mog   by   procesy  wytwarzania  warstw  azotku  tytanu 

metod   PACVD  w  mieszaninie  par  TiCl

4

  +  H

2

  +  N

2

  czy  te   warstw 

kompozytowych  typu  warstwa azotowana + Ti(OCN) wytwarzanych w 

atmosferze par Ti(OC

3

H

7

)

4

 + H

2

 + N

2

 w temperaturze rz du 500—550°C 

lub  warstw  borków  elazowo-niklowych  w  mieszaninie  BCl

3

  +  H

2

  w 

temperaturze  obróbki  około  650°C.  W  metodach  konwencjonalnych 

procesy  wytwarzania  warstw  azotku  tytanu lub  warstw borków  s   reali-

zowane w temperaturze około 900°C.

 

Na rys. 4.5 przedstawiono przykładowo mikrostruktury ró nych 

warstw powierzchniowych wytwarzanych w warunkach wyładowania 

jarzeniowego.

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4.5. Mikrostruktury warstw powierzchniowych wytwarzanych w warunkach 

wyładowania jarzeniowego: a) borki  elaza Fe

2

B na  elazie Armco, b) warstwa 

azotowana  + TiN na stali SW7M, c) warstwa TiC na stali NC6, d) warstwa Ti(OCN) na 

stali 1H18N9T, e) warstwa azotowana na stali 33H3MF (strefa dyfuzyjna + warstwa 

zwi zków   +  `)

 

4.3. Proces azotowania jarzeniowego

 

Azotowanie  jarzeniowe  jest  metod   obróbki  cieplno-chemicznej, 

umo liwiaj c  uzyskanie na obrabianych elementach warstw dyfuzyjnych 

background image

o zró nicowanej strukturze, wykazuj cych du  twardo , bardzo dobre 

wła ciwo ci zm czeniowe, wysok  odporno  na zu ycie przez tarcie i 

korozj .

 

W  klasycznej  metodzie  azotowania  gazowego  azot  atomowy 

otrzymywany  jest  w  wyniku  dysocjacji  amoniaku  stale  opływaj cego 

powierzchni   obrabianego  przedmiotu.  W  procesie  azotowania 

jarzeniowego  aktywny  azot  (azot  atomowy,  jony  azotu,  rodniki  typu 

NH)  uzyskuje  si   w  wyniku  aktywacji  i  jonizacji  gazu  roboczego 

(mieszaniny  H

2

  +N

2

)  przez  wykorzystanie  zjawiska  wyładowania 

jarzeniowego.  W  trakcie  przepływu  pr du  mi dzy  anod   i  katod  

wokół  obrabianych  przedmiotów  (katody)  powstaje  silnie  zjonizowa-na 

strefa  zwana  po wiat   katodow .  Wytworzone  w  tej  strefie  jony 

bombarduj   powierzchni   obrabianego  detalu,  nagrzewaj c  j   do 

odpowiedniej  temperatury  i  w  ten  sposób  stwarzaj   warunki  do  dyfuzji 

azotu  w  warstw   wierzchni   detalu.  W  trakcie  bombardowania  katody 

rozp dzonymi  jonami  zachodzi  zjawisko  rozpylania  katodowego,  które 

powoduje  oczyszczanie  obrabianej  powierzchni  detalu  i  aktywacj  

przebiegu procesów dyfuzyjnych.

 

W  porównaniu  do  konwencjonalnego  azotowania  gazowego  w 

amoniaku  jest  to  proces  znacznie  krótszy,  w  pełni  kontrolowany, 

pozwalaj cy  uzyska   warstw   azotowan   o 

danej  strukturze 

fazowej i grubo ci zwykle 0,1-0,3 mm.

 

W  celu  uzyskania  zało onych  wyników  azotowania  mo na  sterowa  

czterema parametrami procesu, a mianowicie:

 

  składem gazu roboczego (od 10% do 80% N

2

 - reszta H

2

), 

  ci nieniem w zakresie 1—13 hPa, 

  temperatur  obrabianego elementu (np. dla stali konstrukcyjnych 

zwykle 

w zakresie 500-560°C), 

  czasem procesu od 3 do 12 h. 

Azotowanie  jarzeniowe  cechuje  si   nast puj cymi  zaletami  w 

porównaniu  do  konwencjonalnej  metody  azotowania  gazowego  w 

atmosferze amoniaku:

 

  mo liwo  uzyskiwania w sposób kontrolowany czterech 

podstawowych 

typów struktur warstw azotowanych [10, 11] składaj cych si  z: a) 

tylko 

strefy dyfuzyjnej, b) strefy zwi zków  + strefa dyfuzyjna, c) strefy 

zwi z 

ków   + strefa dyfuzyjna, d) strefy zwi zków   +  '+ strefa 

dyfuzyjna, co daje podstaw  do doboru struktury warstwy 

azotowanej dla konkretnych warunków  eksploatacyjnych 

obrabianego przedmiotu, 

  mo liwo  obróbki detali o skomplikowanych kształtach, 

  skrócenie czasu procesu z uwagi na szybsze nagrzewanie detali do 

tempe 

ratury obróbki w warunkach wyładowania jarzeniowego oraz aktywacj  

ro 

dowiska gazowego i obrabianej powierzchni, 

  mo liwo  regulacji przyrostu wymiarów elementów poddanych 

azotowa 

niu, 

  znaczna oszcz dno  energii elektrycznej, gdy  nagrzewaniu 

podlegaj  tyl 

ko obrabiane przedmioty i w zwi zku z tym nie s  potrzebne 

arowytrzy- 

małe retorty, osłony ceramiczne itp., 

background image

  wyeliminowanie potrzeby stosowania amoniaku jako atmosfery 

reaktywnej. 

Azotowanie jarzeniowe realizowane w szerokim zakresie 

temperatur (na 

ogół  450—580°C)  umo liwia  uzyskanie  ró nego  stopnia  wzrostu 

twardo ci  warstwy  wierzchniej,  która  zale y  od  warunków  procesu,  a 

tak e składu chemicznego podło a.

 

Metoda azotowania jarzeniowego jest stosowana do obróbki wi kszo ci 

stali  konstrukcyjnych  stopowych,  narz dziowych,  a  tak e  stali 

szybkotn cych.  Obróbce  tej  poddaje  si   tak e  stale  o  specjalnych 

wła ciwo ciach,  m.in.  nierdzewne, 

aroodporne, 

arowytrzymałe. 

Wykorzystuje  si   j   z  powodzeniem  do zwi kszenia  trwało ci tytanu i 

jego  stopów.  Azotowanie  jarzeniowe  nale y  do  grupy  nowoczesnych  i 

energooszcz dnych  obróbek  cieplno-chemicznych  i  znajduje  szerokie 

zastosowanie  w  wielu  gał ziach  przemysłu,  m.in.  w  celu  zwi kszenia 

trwało ci  takich  detali,  jak:  wały  korbowe,  cz ci  skrzyni  biegów,  koła 

z bate, dysze wtryskiwaczy,  limaki do wtryskarek i wytłaczarek, formy, 

matryce, wiertła, gwintowniki itp.

 

4.4. Metody CVD

 

Cech  charakterystyczn  metod CVD (Chemical Vapour Deposition), 

tzw.  chemicznego  osadzania  z  fazy  gazowej,  jest  reakcja  chemiczna 

składników  atmosfery  gazowej,  prowadz ca  do  utworzenia  warstwy 

powierzchniowej  na  obrabianym  detalu.  S   to  metody  szeroko 

stosowane w przemy le  wiatowym do wytwarzania takich warstw, jak 

np.:  w glik  i  azotek  tytanu  (TiC,TiN),  tlenek  glinu  (A1

2

O

3

),  azotek 

krzemu  (Si

3

N

4

),  a  tak e  warstw  wieloskładnikowych  i  kompozytowych, 

np.:  Ti(CN),  Ti(OCN),  TiC  +TiN,  TiC  +Cr

7

C

3

.  S   one  realizowane 

zarówno  przy  ci nieniu  atmosferycznym,  tzw.  metoda  APCVD 

(Atmospheric Pressure CVD), jak i przy obni onym LPCVD (Low

 

 

 

 

 

 

T a b l i c a  4.1

 

Podział metod CVD i ich ogólna charakterystyka na przykładzie wytwarzania 

warstw

 

azotku tytanu

 

 
 

 

Nazwa metody

 

APCVD

 

LPCVD

 

PACVD

 

PACVD

 

Sposób 

nagrzewania detali

 

grzanie oporowe

 

komory roboczej

 

grzanie oporowe

 

lub tzw.

 

po rednie z 

wykorzystaniem

 

zjawiska 

wyładowania 

jarzeniowego

 

grzanie w 

warunkach 

wyładowania 

jarzeniowego 

(jarzeniowe) lub 

jarzeniowe z tzw.

 

gor c  anod

 

grzanie jarzeniowe

 

lub jarzeniowe

 

z tzw. gor c  anod

 

background image

Temperatura

 

procesu

 

900-950°C

 

850°C

 

550-600°C

 

500-550°C

 

Ci nienie

 

w komorze

 

roboczej

 

atmosferyczne

 

10-500 hPa

 

3-13 hPa

 

2-10 hPa

 

Atmosfery

 

gazowe

 

TiCl

4

+H

2

+N

2

 

TiCl

4

 + H

2

 + N

2

 

TiCl

4

 + H

2

 + N

2

 

Ti(OC

3

H

7

)

4

+H

2

+N

2

 

Rodzaj warstwy

 

TiC, TiCN,

 

TiN

 

TiC, TiCN,

 

TiN

 

TiN, warstwa

 

kompozytowa:

 

azotowana+TiN

 

warstwy typu

 

Ti(OCN) lub

 

kompozytowe:

 

azotowana

 

+Ti(OCN)

 

 

Pressure  CVD).  S   to  procesy  wysokotemperaturowe,  a  wi c  maj ce 

praktyczne zastosowanie głównie w przypadku takich materiałów jak np. 

w gliki spiekane lub te  w przypadku obróbki takich elementów i cz ci 

maszyn,  w  eksploatacji  których  wa na  jest  tylko  odporno   na  zu ycie 

przez  tarcie,  bez  stosowania  du ych  obci e   dynamicznych. 

Zapewniaj  one wówczas znaczny wzrost trwało ci obrabianych detali.

 

Decyduj cym  kierunkiem  w  rozwoju  tych  metod  jest  d enie  do 

obni enia temperatury procesu m.in. przez:

 

  aktywacj  elektryczn   rodowiska gazowego i obrabianej 

powierzchni za 

pomoc  zjawiska wyładowania jarzeniowego (proces PACVD — 

Plasma 

Assisted Chemical Vapour Deposition), 

  zastosowanie atmosfer gazowych zawieraj cych zwi zki 

metaloorganiczne 

(proces MOCVD - Metalorganic CVD) [1,8]. 

W  tablicy  4.1  podano  ró nice  mi dzy  metodami  APCVD,  LPCVD  i 

PACVD  w  warunkach  wyładowania  jarzeniowego  na  przykładzie 

wytwarzania  warstw  azotku  tytanu,  za   na  rys.  4.6  przedstawiono 

porównawcze  wyniki  bada   odporno ci  na zu ycie przez  tarcie metod  

„trzy  wałeczki  +  sto ek"  warstw  azotowanych,  Ti(ONC)  — 

wytworzonych  w  atmosferze  zawieraj cej  pary  Ti(OC

3

H

7

)

4

,  warstw 

kompozytowych  typu  warstwa  azotowana  +  TiN  lub  Ti(OCN)  na  stali 

SW7M.

 

Metody  CVD  znalazły  zastosowanie  przede  wszystkim  do 

otrzymywania warstw anty ciernych i antykorozyjnych.

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Czas tarcia [min]

 

Rys. 4.6. Odporno  na zu ycie przez tarcie warstw azotowanych jarzeniowo (1), warstw Ti(OCN) (2) i warstw 

kompozytowych azotowanych + Ti(OCN) (3), warstw kompozytowych  azotowanych  +   TiN   (4) na stali 

SW7M w funkcji czasu tarcia przy naciskach jednostkowych

 

200 MPa i 400 MPa [9]

 

4.5. Kierunki rozwoju

 

Perspektywicznym kierunkiem rozwoju tych metod s  nowe sposoby wytwarzania warstw 

wieloskładnikowych, np. typu Ti(OCN), Ti(CN) — przez zastosowanie atmosfer gazowych 

zawieraj cych  zwi zki  metaloorganiczne  tytanu  (pary  Ti(OC

3

H

7

)

4

  lub  Ti[N(CH

2

CH

3

)

2

]

4

 

czy  te   pokry   wielowarstwowych  wytworzonych  przez  kombinacj   ró nych  procesów 

obróbek,  m.in.  azotowania  jarzeniowego  i  metody  PACVD,  borowania  dyfuzyjnego  i 

metody PACVD albo niklowania chemicznego metod  bezpr dow  z procesem borowania 

jarzeniowego,  co  zapewnia  popraw   wła ciwo ci  u ytkowych  obrabianych  przedmiotów, 

szczególnie  w  aspekcie  wzrostu  ich  odporno ci  korozyjnej  (rys.  4.7)  i  odporno ci  na 

zu ycie przez tarcie.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

20

 

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4.7. Krzywe polaryzacji anodowej w 0,5-molowym roztworze NaCl dla stali 45 (1), warstwy FeB + Fe

2

(2), warstwy Ni

4

B

3

 + (FeNi)B (3) i niklu naniesionego chemicznie na

 

stal 45 (4) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Literatura

 

[1]  T. Burakowski, T. Wierzcho : In ynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa 1995.

 

[2] J. Zdanowski: Wyładowania elektryczne w gazach. Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1975.

 

[3] T. Wierzcho : Tworzenie si  warstw borków  elaza na stali w warunkach wyładowania jarzeniowego. Prace 

Naukowe, Mechanika z. 101. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1986.

 

[4]  T.  Wierzcho ,  J.  Michalski,  J.  Rudnicki  i  in.:  Formation  and  Properties  of  Composite  Layers  on 

Stainless Steel. Journal of Mat. Science 27 (1992), p. 771.

 

[5]  Xu  Binzhong,  Zhang  Yinszhi:  Collision  dissociation  model  in  ion  nitriding.  Proceed.  of  5-th  Intern. 

Congress on Heat of Materials, Budapest (1986), p. 1056.

 

[6]     J. Tyczkowski: Cienkie warstwy polimerów plazmowych. WNT, Warszawa 1990. [7]     M. Hudis: 
Study of ion nitriding. i. Appl. Phys. 44, No. 4 (1973), p. 1489.

 

[8] K.-T. Rie, A. Gebauer: Plasma Assisted CVD of Hard Coatings with Metalorganic Compounds. Materials 

Science and Engineering, A 139 (1991), p. 61.

 

[9]  Norma  PN-83/H  D4302.  Odporno   na  zu ycie  przez  tarcie.  Metoda  „trzy  wałeczki  +  sto ek".  PKN, 

Warszawa 1982.

 

[10]   Binary Alloy Phase Diagrams. Ed. T. Massalski. Vol. 2, 1990.

 

[11]  T. Malkiewicz: Metaloznawstwo stopów  elaza. Wyd. III. PWN, Łód  1978.