warstwa wierzchnia - wąska strefa przylegająca bezpośrednio do powierzchni, różniąca się budową i właściwościami od materiału położonego głębiej, nazywanego rdzeniem. Istnieje niezależnie od rodzaju materiału i metod jego kształtowania. Jest narażona na działanie czynników zewnętrznych: korozja (atmosfera), utlenianie (wysoka temperatura), tarcie. Zabiegi uszlachetniające powierzchnie - technologia obróbki powierzchniowej. W jej wyniku powstaje strefa zwana warstwą powierzchniową: ->technologiczne warstwy wierzchnie (powstaje w wyniku usunięcia poprzednio istniejącej warstwy wierzchniej bądź modyfikacji jej właściwości bez istotnego przyrostu grubości)
->powłoki (gdy go jej budowy materiał jest dostarczany w całości lub przeważającej części z zewnątrz)
Do uszlachetniania wykorzystuje się:
różne zjawiska fizyczne, chemiczne i cieplne w celu nadania żądanych właściwości
różne materiały i ich kompozycje w celu nadania odpowiednich właściwości przez nanoszenie i wytwarzanie powłok ochronnych
Charakterystyka właściwości warstwy wierzchniej materiału
Warstwa wierzchnia powstaje w wyniku procesów fizykomechanicznych lub fizykochemicznych.
Nie jest jednolita, składa się z odrębnych stref o zróżnicowanej strukturze i właściwościach. Zasięg w głąb materiału również niejednorodny.
Występowanie warstwy wierzchniej jest spowodowane:
odrębnym stanem energetycznym powierzchni (zwiększenie energii powierzchniowej i aktywność absorpcji)
nałożeniem się wpływów zjawisk mechanicznych, cieplnych i chemicznych w czasie obróbki
mechanicznym, cieplnym i fizykochemicznym oddziaływaniem otoczenia na powierzchnię w czasie eksploatacji
Wpływ czynników zewnętrznych może mieć postać: adsorpcji, dyfuzji, korozji, erozji, kawitacji.
W celu scharakteryzowania warstwy wierzchniej określa się następujące czynniki:
strukturę geometryczną powierzchni (falistość, chropowatość, przyleganie/nośność, kierunkowość nierówności, skażenia nierówności)
stan warstwy wierzchniej (grubość, struktura, utwardzenie/umocnienie, naprężenia własne, wady)
właściwości fizyczne, chemiczne, fizykochemiczne
Struktura geometryczna:
powierzchnia rzeczywista, odgraniczająca przedmiot od otoczenia
powierzchnia geometryczna, nominalna, określona rysunkiem przedmiotu
zaobserwowana, przedstawiająca przybliżony obraz powierzchni rzeczywistej
cechy: błędy kształtu, falistość, chropowatość, kierunkowość nierówności, wady struktury
b) Stan warstwy wierzchniej:
można określić na podstawie: grubości, struktury, umocnienia, stanu naprężeń, wad - zaburzeń lub odstępstw od stanu typowego dla danej warstwy.
grubość - głębokość zalegania naprężeń własnych
struktura - nie jest jednorodna, składa się z wielu podwarstw, każda ma inną budowę i właściwości. (np. metal obrobiony skrawaniem - 9 stref) [I. zaadsorbowane cząsteczki polarne, II. zaadsorbowane cząsteczki wody, III. zaadsorbowane cząsteczki gazów i par, IV. tlenki metali | V. strefa zniszczonych krystalitów (Beilby'ego), VI. strefa steksturowana, VII. strefa odkształceń plastycznych, VIII. strefa odkształceń sprężystych, IX. rdzeń metalu nieuszkodzony obróbką]
umocnienie - zwiększenie twardości wskutek działania czynników cieplnych, chemicznych lub mechanicznych, które powodują zmiany struktury, składu chem., odkształcenie plastyczne krystalitów
naprężenia własne - naprężenia zalegające w warstwie wierzchniej, które pozostają w niej po zaprzestaniu działania obciążeń zewnętrznych
wady - zaburzenia lub odstępstwa od normalnej struktury warstwy (mikronapięcia, szczeliny, wtrącenia, pory, wgniecenia, wyrwy)
c) Właściwości użytkowe warstwy wierzchniej:
odporność na ścieranie
twardość
odporność na korozję
odporność na utlenianie w podwyższonej temperaturze
odporność na działanie obciążeń zmiennych
odporność na szoki termiczne
zdolność odbijania promieni świetlnych, estetyczny wygląd
Jakość wyrobu -> jakość materiału, dokładność wymiarów, dokładność kształtu, jakość warstwy wierzchniej
Metody i techniki wytwarzania warstw powierzchniowych
| Warstwy wierzchnie | Powłoki |
|---|---|
| Ubytkowa - zastępowanie warstwy o nieodpowiednich właściwościach nową | Bezubytkowa - zmiana niektórych właściwości istniejącej warstwy wierzchniej przez odkształcanie, hartowanie powierzchniowe, wprowadzanie dodatkowych składników przez dyfuzję |
Odtłuszczanie, trawienie: -chemiczne -elektrochemiczne Obróbka ścierna: -docieranie -gładzenie -dogładzanie oscylacyjne -obróbka strumieniowo-ścierna - obróbka luźnymi kształtkami ściernymi - polerowanie mechaniczne - polerowanie chemiczne |
Dogniatanie: - rolowanie - dogniatanie diamentem - przepychanie - śrutowanie - kulowanie -młotkowanie Hartowanie: - indukcyjne - płomieniowe - laserowe - elektronowe Nasycanie dyfuzyjne: - nawęglanie - azotowanie |
Wybrane warstwy wierzchnie o specjalnych właściwościach
Powłoki nakładane galwanicznie:
Nakładanie: kąpiel galwaniczna (wodny roztwór bezwodnika kwasu chromowego z dodatkiem kwasu siarkowego) zasilana prądem stałym z prostownika lub prądnicy prądu stałego - chromowanie galwaniczne. Jakość zależy od składu i temperatury (45-55oC) kąpieli oraz gęstości prądu (katoda: 35-50 A/dm2).
Zapewniają dobrą odporność na korozję, walory dekoracyjne i odporność na ścieranie.