Podziiał warstw ze

wzgllędu na zastosowaniie

_ Powłoki ochronne – pełnią funkcję ochronną

metalu podłoża przez korozją

_ Powłoki dekoracyjne – poprawiają wygląd

powierzchni

_ Powłoki ochronno-dekoracyjne – łączą

funkcję ochronną z nadaniem właściwości

dekoracyjnych powierzchni metalu podłoża

_ Powłoki techniczne umożliwiają uzyskanie

określonych właściwości fizycznych lub

technologicznych powierzchni np. zwiększenie

odporności na ścieranie

UZYSKANE WARSTWY MOGĄ

STANOWIĆ:

warstwy wierzchnie, które są ograniczone

ograniczonymi powierzchnią obrabianego

elementu, obejmującymi obszar materiałów

o własnościach różniących się od

właściwości materiałów rdzenia, uzyskanymi

w wyniku łącznego działania:

_ sił mechanicznych,

_ elektrycznych,

_ ciepła,

_ czynników chemicznych,

UZYSKANE WARSTWY MOGĄ

STANOWIĆ:

_ powłokii, czyli materiałami

naniesionymi trwale na powierzchnię

podłoża, w celu uzyskania określonych

własności fizycznych, antykorozyjnych

lub dekoracyjnych.

POODZIAŁ METOD OTRZYMYWANIA

POWŁOK I WARSTWY WIERZCHNIEJ

_ Mechaniczne

_ Cieplno-mechaniczne

_ Cieplne

_ Cieplno-chemiczne

_ Chemiczne i elektrochemiczne

_ Fizyczne

Metody mechaniiczne

_ Nagniatanie:

_ Naporowe – krążkowanie, kulkowanie,

rolkowanie

_ Udarowe: młotkowanie kulkowanie

_ Obróbka plastyczna na zimno

_ walcowanie

_ kucie

Metody mechaniiczne

_ Kulkowanie, śrutowanie -polega na

uderzaniu w powierzchnię obrabianego

elementu stalowymi - rzadziej żeliwnymi -

kulkami (śrutem) wyrzucanymi przy pomocy

strumienia sprężonego powietrza lub układu

wirników.

_ Prowadzi do zwiększenia wytrzymałości

zmęczeniowej wyrobów poprzez umocnienie

ich warstwy wierzchniej i zmniejszenie

chropowatości powierzchni elementów.

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ Natryskiwanie:

_ Gazowe

_ Łukowe

_ Plazmowe

_ Detonacyjne

_ Natapianie natryskowe

Metody Cieplno mechaniczne

_ Natryskiwanie cieplne to procesy

stosowane do nanoszenia rozpylonego w

stanie ciekłym lub bliskim ciekłego materiału

na przygotowane podłoże w celu

wytworzenia powłoki

_ Materiał natryskiwany może być w

postaci proszku, drutu, pręta, taśmy, żyłki.

_ Jest on nagrzewany w celu stopienia,

nadtopienia powierzchniowego lub

zmiękczenia cząstek proszku

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ Proszek jest rozpylany i

kierowany strumieniem gazu lub

plazmy na powierzchnię

przedmiotu

_ Cząstki materiału uderzające o

powierzchnię zimnego podłoża ulegają

spłaszczeniu, tworzą cienkie płytki,

które dopasowują się do sąsiednich

cząstek oraz do podłoża

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ W procesie natryskiwania

cieplnego stosuje się dwa źródła

ciepła:

_ spalanie paliwa gazowego

(acetylenu, propanu, wodoru, nafty) w

sprężonym tlenie-natryskiwanie

płomieniowe i detonacyjne

_ wyładowanie elektryczne (łuk

elektryczny, plazma) w powietrzu,

atmosferze obojętnej próżni itp.

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ W procesie niskoenergetycznym

natryskiwania łukowego nagrzewanie

i topnienie następuje w momencie

zainicjowania łuku elektrycznego

pomiędzy przeciwnie naładowanymi

końcówkami drutu

_ Materiał rozpylany jest na drobne

cząstki z wykorzystaniem sprężonego

powietrza lub azotu

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ Natryskiwanie plazmowe stanowi

proces wysokoenergetyczny, w którym

gaz nagrzewany jest łukiem

elektrycznym i przechodzi w plazmę

_ Polega na topieniu ciepłem łuku

plazmowego materiału w postaci drutu

lub proszku i nanoszeniu strumieniem

gazu plazmowego na obrabianą

powierzchnię przedmiotu z dużą

prędkością

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ Natryskiwanie naddźwiękowe –

konieczne jest uzyskanie przez natryskiwane

cząstki materiału prędkości naddźwiękowej i

właściwej temperatury

_ Gazy uzyskują prędkość dzięki spalaniu

wysokoenergetycznego paliwa w komorze

spalania a podawany proszek kierowany jest

w strumień gazów o wysokiej energii i

nanoszony na powierzchnię elementów

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ Platerowanie

_ Naporowe (walcowanie, tłoczenie,

ciągnienie)

_ Detonacyjne

_ Skurczowe

Metody ciiepllnomechaniiczne

_ Utwardzanie detonacyjne

_ Laserowe

_ Elektronowe

_ Wybuchowe

_ Obróbka plastyczna na gorąco

_ Walcowanie

_ kucie

Metody ciiepllne

_ Hartowanie, odpuszczanie,

wyżarzanie

_ Indukcyjne

_ Płomieniowe

_ Plazmowe

_ Laserowe

_ elektronowe

Metody ciiepllne

_ Nadtapianie (obtapianie,

szkliwienie, wygładzanie)

_ Laserowe

_ Elektronowe

_ Płomieniowe

_ plazmowe

Metody ciiepllne

_ Napawanie

_ Łukowe

_ Płomieniowe

_ Natapianie

_ Laserowe

_ Elektronowe

_ elektroiskrowe

Metody ciiepllne

_ Napawanie to proces nanoszenia warstwy

materiału na powierzchnię wyrobów

metodami spawalniczymi w celu zwiększenia

odporności na zużycie ścierne, adhezyjne,

erozję, korozję, regenerację części maszyn

itp.

_ Uzyskane powłoki charakteryzują się silnym

połączeniem z podłożem (przetopienie) i nie

mają skłonności do odpryskiwania

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Dyfuzyjne niewspomagane:

_ proszkowe,

_ kąpielowe,

_ gazowe,

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Metody klasyczne z pierwiastkami

niemetalicznymi:

_ nawęglanie

_ azotowanie

_ węgloazotowanie

_ borowanie

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Proces nawęglania stanowi obróbkę

cieplno-chemiczną, która polega na

dyfuzyjnym wzbogaceniu w węgiel warstwy

przypowierzchniowej elementów

_ Służy do otrzymywania warstwy wierzchniej

o wysokiej zawartości węgla, która po

obróbce cieplnej posiada wysoką twardość,

odporność na zużycie ścierne i zmęczenie

stykowe oraz odporność na pękanie

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Proces nawęglania, podobnie jak wiele

innych procesów dyfuzyjnych może być

prowadzony w następujących ośrodkach:

_ w proszkach

_ w stopionych solach

_ w gazach

_ w próżni

_ w próżni wspomagany plazmowo

_ w złożu fluidalnym

Metody ciiepllnochemiiczne

_ W wyniku nawęglania uzyskuje się

warstwy o powierzchniowym stężeniu

węgla 0,7—1,0% (zmniejszającym się

w głąb warstwy) i grubościach 0,5—

1,5 mm. W nielicznych przypadkach

wytwarza się warstwy grubsze, nawet

do 4,0 mm..

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Nawęglanie polega na wygrzewaniu

części w temperaturze wyższej od

temperatury austenityzacji stali (ze

względu na wyższą rozpuszczalność

węgla w austenicie niż w ferrycie),

najczęściej 800—1050°C, w ośrodku, z

którego w tych temperaturach wydziela

się węgiel do dyfuzji, tworzący warstwę

nawęgloną.

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Części nawęglane są poddawane

hartowaniu, w czasie którego uzyskuje

się utwardzenie głównie warstwy

nawęglonej, o zwiększonym stężeniu

węgla.

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Nawęglanie z następnym

hartowaniem i niskim

odpuszczaniem stosuje się dla

części, których charakter pracy

wymaga twardej, odpornej na

ścieranie i duże naciski powierzchni, o

dużej wytrzymałości zmęczeniowej,

przy zachowaniu ciągliwego,

sprężystego i odpornego na uderzenia

rdzenia.

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Typowymi częściami, dla których

stosuje się nawęglanie są :

_ koła zębate silnie obciążone i poddawane

zmiennym obciążeniom,

_ wałki uzębione i z wieloklinami,

_ sworznie tłokowe i kuliste,

_ drągi i gryzy narzędzi do wierceń

geologicznych i górniczych,

_ pierścienie i wałki łożysk

wielkogabarytowych

Metody ciiepllnochemiiczne

_ W procesie nawęglania w proszkach

część która ma być nawęglona jest

zamknięta w stalowym zbiorniku i

otoczona przez ziarnka węgla

drzewnego. Węgiel drzewny w

skrzynce zawiera aktywatory

chemiczne takie jak np. węglan baru

BaCO3 lub węglan sodu, (przyspieszają

powstawanie CO2 ).

Metody ciiepllnochemiiczne

_ CO2 reaguje z nadmiarem węgla w

węglu drzewnym co powoduje

powstanie CO. Tlenek węgla reaguje z

powierzchnią niskowęglowej stali co

powoduje powstawanie atomowego

węgla na powierzchni stali i dyfuzję w

głąb powierzchni. Dyfuzja węgla w

głąb powierzchni zależy od gradientu

stężenia CO

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Nawęglanie gazowe polega na

przemieszczaniu węgla z fazy gazowej

do fazy stałej, przy czym fazą gazową

jest atmosfera nawęglająca, natomiast

fazą stałą — austenit.

Metody ciiepllnochemiiczne

Przemieszczanie węgla i następnie

tworzenie warstwy nawęglonej,

jest możliwe przy spełnieniu

warunków:

_ aktywność węgla w atmosferze jest

większa od aktywności węgla w

austenicie,

_ ilość wydzielonego węgla z atmosfery

zabezpiecza jego zapotrzebowanie na

wytworzenie warstwy nawęglonej.

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Atmosfera do nawęglania musi zawierać:

_ Gaz nośny, endotermiczny, zwykle

wytwarzaną poprzez reakcję katalityczną

gazu węglowodorowego (propan, butan,

metan) z powietrzem, w procesie

nawęglania składa się z 40% H2, 40% N2

i 20% CO

_ Gaz wzbogacający – stanowiący źródło

węgla (3% metanu)

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Proces nawęglania gazowego prowadzi się

w dwóch etapach:

_ Nasycania węglem przy wyższej

temperaturze i wysokim potencjale

węglowym

_ Dyfuzyjnym przy niższym potencjale

węglowym w celu uzyskania wymaganego

rozmieszczenia i ilości węgla na powierzchni

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Etapy procesu nawęglania

próżniowego:

_ Nagrzewanie przedmiotu do temperatury

nawęglania i ujednorodnienie temperatury

_ Nasycanie węglem powierzchni wyrobu przy

ciśnieniu roboczym

_ Dyfuzję węgla w austenicie w celu

uzyskania odpowiedniego jego

rozmieszczenia, prowadzony w wysokiej

próżni

_ Hartowanie, w tym prowadzone wprost z

temperatury nawęglania

Metody ciiepllnochemiiczne

_ W procesie nawęglania plazmowego do

aktywowania węgla wykorzystuje się proces

jonizacji a grzanie odbywa się oporowo

_ Napięcie między katoda a anodą

350-1000 V, ciśnienie 1300-700 Pa

_ Atmosfera składa się z węglowodorów

(metan, propan), wodoru i argonu/azotu

_ Jonizacja prowadzi do dysocjacji metanu na

węgiel i wodór

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Proces azotowania polega na

dyfuzyjnym wzbogacaniu warstwy

wierzchniej w azot, co zmienia

mikrostrukturę warstwy wierzchniej

wyrobu

_ Proces prowadzony jest w zakresie

występowania ferrytu,

w temperaturze 480-600oC

_ Czas procesu azotowania jest długi i wynosi

10-130 godzin

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Mikrostruktura warstwy azotowanej

składa się z:

_ Strefy wewnętrznej, dyfuzyjnej o takiej

samej budowie jak materiał rdzenia, która

może zawierać wydzielenia azotków

koherentne z osnową

_ Strefy zewnętrznej, zwanej strefą

białą złożonej z dwóch faz –

zewnętrznej z fazą ε (Fe2-3N) oraz poniżej

strefy fazy γ` (Fe4N)

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Proces azotowania można było

prowadzić w cieczach z zastosowaniem

stopionych soli zawierających m.in.

cyjaniany sodu i potasu

_ Podstawowym ograniczeniem jest

obecność tych szkodliwych związków i

problemy związane z ich utylizacją

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Azotowanie gazowe prowadzi się

poniżej temperatury A1 a gazem

dostarczającym azot jest zwykle

amoniak

_ Na skutek jego dysocjacji następuje

uwolnienie atomowego azotu i jego

zaadsorbowanie przez powierzchnię

metalu pełniącą funkcję katalizatora

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Odmianą procesu azotowania gazowego jest

azotowanie plazmowe, wykorzystujące

wyładowanie jarzeniowe do

wytworzenia azotu w stanie

atomowym.

_ Do wytworzenia atmosfery

wykorzystywany jest zamiast

amoniaku azot lub mieszanina azot-wodór

czasem z dodatkiem metanu

_ Proces ten pozwala na azotowanie już w

375oC

Metody ciiepllnochemiiczne

_ Klasyczne z udziałem pierwiastków

metalicznych

_ Cynkowanie

_ Aluminiowanie

_ Dyfuzyjne wspomagane jarzeniowo itp.

_ Stopowanie

_ laserowe

_ elektronowe

Metody chemiiczne ii

ellektrochemiiczne

_ Osadzanie bezpośrednie

tworzywa metalowego lub

niemetalowego-

_ Zestalanie chemiczne powłok

malarskich

_ Zestalanie chemiczne powłok z

tworzyw sztucznych

Metody chemiiczne ii

ellektrochemiiczne

_ Osadzanie elektrolityczne metali

lub stopów, nanoszenie powłok

jedno i wielowarstwowych

_ chromowanie

_ niklowanie

_ cynkowanie

_ cynowanie

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Powłoki konwersyjne

_ Chromianowe

_ Fosforanowe

_ Tlenkowe

_ Trawienie i polerowanie

_ Chemiczne

_ elektrochemiczne

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Powłoki uzyskiwane metodami

chemicznymi i

elektrochemicznymi dzieli się na:

_ Elektrolityczne ( z zewnętrznym

źródłem prądu)

_ Chemiczne (bezprądowe)

_ Konwersyjne niemetalowe

(chemiczne lub elektrochemiczne

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ W procesie

elektrolitycznym

element pokrywany

jest katodą w ogniwie

galwanicznym a

anodą materiał

służący do

naniesienia powłoki

_ Elektrolity stanowią

zwykle roztwory

wodne

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Przykłady powłok elektrolitycznych:

_ Twarde powłoki chromowe zwiększające

odporność na ścieranie i korozję

_ Odporne na korozję powłoki Ni

_ Powłoki kompozytowe niklu zawierające

twarde cząstki

_ Powłoki cynkowe na śruby itp.

_ Powłoki metali szlachetnych

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Powłoki chemiczne nakładane są

przez zanurzanie elementu stalowego

w roztworze reaktywnym z którego

materiał pokrywający osadza się na

powierzchni elementu

_ Proces prowadzony w roztworze

_ ciekłym,

_ zawiesinowym,

_ pastowym

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Przykłady powłok chemicznych:

_ Powłoki chemiczne Ni

_ Powłoki bezprądowe nikiel-fosfor i nikielfosfor

o podwyższonej odporności na

ścieranie

_ Powłoki trójskładnikowe: Ni-Po-Mo, Ni-Cu-P,

Ni-Co-P, Ni-Fe-P, Ni-W-P, Ni-Si-P

_ Powłoki kompozytowe zawierające proszki

cząstek twardych np. Al2O3, SiC, diament

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Powłoki konwersyjne- cienkie warstewki

powstałe ze związków metalu na jego

powierzchni powstające w wyniku obróbki

chemicznej (utlenianie, fosforanowanie,

chromianowanie) lub elektrolitycznej

(anodowanie)

_ Uzyskiwane są na:

_ stali,

_ aluminium,

_ cynku

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Utlenianie (oksydowanie) – pozwala na

wytworzenie powłok o wyższej odporności

na ścieranie (po zastosowaniu oleju) lub

przed korozją

_ Można ją uzyskać np. na broni palnej

poprzez odpuszczanie w parze wodnej

_ Procesowi oksydowania poddawane są stale

szybkotnące również poprzez obróbkę w

ciekłym wodorotlenku sodu lub solach

azotanu sodowego

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ W wyniku procesu tworzy się twarda,

porowata warstwa silnie przylegająca

do podłoża

_ Powłoka fosforanu cynku stosowana

jest m.in. do pokrywania części

samochodowych przed malowaniem

_ Fosforanowanie i chromianowanie

stosowane są m.in. jako podkład przed

procesem malowania

_ Posiadają grubość 3-50 µm

Metody chemiiczne

ii ellektrochemiiczne

_ Proces anodowania stanowi proces

utleniania elektrochemicznego

_ Obrabiany przedmiot jest anodą a

elektrolitem roztwór kwasu siarkowego lub

szczawiowego

_ Powłoka anodowa jest cienka,

przeźroczysta, bezbarwna, a kolor uzyskuje

się za pomocą barwników organicznych

_ Utrwalenie następuje przez gotowanie w

wodzie destylowanej, kwasie szczawiowym

Metody fiizyczne

_ Fizyczne osadzanie z fazy

gazowej

_ Naparowanie

_ Napylanie

_ Rozpylanie

_ Implantacja jonów

_ Pierwotnych

_ wtórnych

Metody fiizyczne

_ Fizyczne osadzanie z fazy gazowej

polega na tworzeniu powłoki na podłożu

poprzez nanoszenie fizyczne atomów, jonów

lub cząsteczek

_ Wyróżnia się procesy naparowania,

rozpylania i napylania (napylanie jonowe,

platerowanie jonowe)

_ Procesy prowadzi się w próżni rzędu 10-5-

10 Pa w temperaturze ok. 20-500oC

Metody fiizyczne

_ Materiał, który nanosi się w procesie

naparowania cieplnego doprowadzany jest

do stanu gazowego poprzez nagrzewanie do

wysokiej temperatury oporowo, indukcyjnie,

łukowo, wiązką elektronów lub wiązką

lasera

_ Przedmiot pokrywany umieszcza się

naprzeciwko źródła nanoszonego ponieważ

atomy poruszają się po linii prostej

Metody fiizyczne

_ W procesie rozpylania

(sputteringu), który może odbywać

się w gazie obojętnym źródło

materiału stanowi tarcza, w którą

uderzają jony argonu.

_ Podłączone napięcie powoduje

wyładowanie jarzeniowe jonizujące

atomy argonu, które uderzając w

tarczę powodują wybijanie jej atomów

i kierowanie w stronę podłoża

Metody fiizyczne

_ Napylanie stanowi proce w którym część

materiału tworzącego powłokę uderza w

podłoże w postaci jonowej

_ W procesie tym odparowanie następuje na

drodze termicznej a jonizacji poddawane

zostają pary osadzanego materiału

_ Część atomów materiału osadzanego po

jonizacji przyspiesza w kierunku

pokrywanego elementu

Metody fiizyczne

_ Najprostszym sposobem fizycznego

osadzania powłok jest proces schnięcia

farby związany z odparowywaniem

rozpuszczalnika wodnego lub

organicznego