L-8 Inżynieria powierzchni, powłoki stosowane na odlewy.

1.Podział metod obróbki powierzchniowej wg wybranego kryterium.

W zależności od własności powierzchni jakie są wymagane :

-obróbki poprawiające gładkość powierzchni,

-obróbki umacniające, zwiększające twardość oraz odporność na ścieranie i zmęczenie,

-obróbki zwiększające odporność na korozję.

2.Scharakteryzuj metody obróbki powierzchniowej nie wywołujące zmiany składu chemicznego.

*metody mechaniczne - W metodach mechanicznych wykorzystuje się nacisk narzędzia albo energię kinetyczną narzędzia lub swobodnych cząstek w celu umocnienia na zimno warstwy wierzchniej metalu, lub otrzymania powłoki na zimnym metalu podłoża poprzez:

- nagniatanie naporowe - wywieranie stałego lub zmiennego nacisku na powierzchnię obrabianego przedmiotu przez narzędzie o powierzchni gładkiej w postaci krążka (krążkowanie), kulki(kulkowanie), rolki(rolkowanie) w celu umocnienia warstwy wierzchniej,

- nagniatanie udarowe - wykorzystanie energii kinetycznej stalowych, ceramicznych lub szklanych cząstek w postaci kulek lub śrutu, miotanych siłą odśrodkową lub strumieniem sprężonego powietrza (kulowanie) albo energii kinetycznej gładkiego narzędzia (młotkowanie) uderzającego w powierzchnię obrabianego przedmiotu w celu umocnienia warstwy wierzchniej.

*metody cieplno - mechaniczne - W metodach cieplno-mechanicznych wykorzystuje się połączone oddziaływanie ciepła i nacisku w celu otrzymania powłok, rzadziej warstw wierzchnich, przez:

- natryskiwanie (cieplne, płomieniowe, detonacyjne) - powlekanie przedmiotów, głównie metalowych warstwą materiałów powłokowych przez pneumatyczne rozpylenie drobnych cząstek materiału powłokowego w płomieniu gazu, łuku elektrycznym bądź plazmy i nadanie im dużej energii kinetycznej w celu wywarcia na pokrywaną powierzchnię nacisku umożliwiającego dobrą przyczepność natryskiwanej powłoki do podłoża. Jeżeli materiałem natryskiwanym jest metal, proces nazywa się metalizacją natryskową. Odmianą natryskiwania jest natapianie natryskowe - metalizacja natryskowa połączona z obróbką cieplną warstwy natryskiwanej w płomieniu gazowym lub w łuku elektrycznym,

- platerowanie powierzchni - pokrycie metalu podłoża innym metalem lub stopem przez wytworzenie nacisku na metal pokrywający np. przez walcowanie, detonację w odpowiednio podwyższonej temperaturze,

- utwardzanie detonacyjne metalu przez falę uderzeniową powstającą w wyniku gwałtownego odparowania metalu podłoża pod działaniem bardzo silnie skoncentrowanego

strumienia elektronów (utwardzanie elektronowe) lub fotonów (utwardzanie laserowe) przy wzroście temperatury podłoża, bądź detonacji materiału wybuchowego.

*metody cieplne - W metodach cieplnych wykorzystuje się zjawiska związane z oddziaływaniem ciepła na metale, w celu uzyskania:

- zmiany struktury tworzyw metalowych w stanie stałym (hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie),

- zmiany stanu skupienia: przeprowadzenie ze stanu stałego w ciekły i następnie ponownie w stan stały tworzywa pokrywanego (nadtapianie) lub pokrywającego (napawanie, natapianie). Ponadto przeprowadzenie ze stanu ciekłego w stan stały tworzywa powłokowego (powlekanie zanurzeniowe).

Nadtapianie - wygładzanie powierzchni tworzywa metalowego albo wytworzenie struktury amorficznej (szkła metalowego) warstwy nadtopionej różniącej się od rdzenia własnościami fizycznymi i chemicznymi, ale zachowującej ten sam skład chemiczny. Nadtapianie przeprowadza się przez grzanie laserowe, elektronowe lub płomieniowe.

Napawanie - pokrywanie powierzchni metalu warstwą stopiwa tworzącą powłokę o własnościach zbliżonych do podłoża, w wypadku stosowania jej w celu regeneracji, lub o właściwościach odmiennych od podłoża, w wypadku zastosowania jej w celu podwyższenia trwałości eksploatacyjnej. Napawanie przeprowadza się technikami spawalniczymi, głównie łukowymi i płomieniowymi.

Natapianie - nanoszenie na podłoże metalowe powłoki z czystego metalu lub stopu związków metali, bądź innych materiałów o właściwościach różnych od metalu podłoża, za pomocą grzania laserowego, elektronowego lub elektroiskrowego. Natapianie zalicza się także do metod platerowania, bowiem skurcz odlewniczy wywiera nacisk na materiał pokrywany, zapewniając trwałe połączenie.

3.Wymień znane Ci metody obróbki cieplno-chemicznej odlewów.

W metodach cieplno-chemicznych wykorzystuje się połączone oddziaływanie:

- ciepła i ośrodka aktywnego względem obrabianego tworzywa metalowego, w celu nasycenia go żądanym pierwiastkiem lub pierwiastkami wywołującymi zmiany składu chemicznego, struktury i własności,

- ciepła i czynników chemicznych na tworzywa powłokowe w celu ich zestalenia.

-Nasycanie dyfuzyjne - proces nasycania warstwy wierzchniej metali pierwiastkami zawartymi w ośrodkach stałych, ciekłych lub gazowych, w celu wywołania zmian składu chemicznego, struktury i właściwości. Wyróżnia się sposoby obróbki cieplno-chemicznej typu klasycznego (np. nawęglanie, azotowanie, chromowanie) określane mianem niewspomaganych, oraz metody nasycania dyfuzyjnego z udziałem czynnika przyspieszającego i aktywującego proces dyfuzyjny, określany jako wspomagany. Procesy wspomagane należą do technik nowej generacji, spośród których należą tu metody CVD i PACVD.

Nawęglanie - dyfuzyjne nasycanie stali węglem. Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe o zawartości do ok. 0,2%C, przez co zawartość C zwiększa się do ok. 1%. Po zahartowaniu uzyskuje się wysoką twardość powierzchni i ciągliwy rdzeń. Nawęglanie przeprowadza się w temperaturze 930°C - zwykle ok. 10h. Nawęglanie można przeprowadzać w ośrodkach stałych ciekłych i gazowych.

Azotowanie polega na nasyceniu warstwy wierzchniej azotem, w wyniku czego uzyskuje się dużą twardość i odporność na zmęczenie. Ponieważ azotowanie przeprowadza się w niezbyt wysokiej temperaturze ok. 550°C, stal uprzednio poddaje się ulepszaniu (hartowanie i odpuszczanie). Stosuje się atmosferę zdysocjowanego amoniaku, w której występują aktywne atomy azotu. W wyniku tego następuje ich dyfuzja oraz tworzenie się azotków pierwiastków stopowych i żelaza. Azotowanie trwa ok. 40h.

-Stopowanie laserowe lub elektronowe - proces nasycania, w którym występuje mieszanie pierwiastka lub pierwiastków stopowych z przetopionym bądź nie przetopionym materiałem podłoża oraz częściowo dyfuzja. Stopowanie przeprowadza się za pomocą strumienia laserowego lub wiązki elektronów.

-Zestalanie cieplno-chemiczne -nieodwracalne przejście polimerów termoutwardzalnych naniesionych na powierzchnię metalu, ze stanu ciekłego lub plastycznego w stan stały, w wyniku działania ciepła i reakcji chemicznych, w celu uzyskania powłok malarskich

4.Opisz metody wytwarzania warstw wierzchnich związane z nakładaniem powłok

*metody elektrochemiczne i chemiczne W metodach elektrochemicznych i chemicznych wykorzystuje się w celu wytworzenia powłoki metalowej lub niemetalowej na powierzchni metalu:

- redukcję elektrochemiczną (powłoki elektrolityczne i konwersyjne),

- redukcję chemiczną (powłoki chemiczne i konwersyjne),

- reakcję chemiczną (powłoki malarskie).

Osadzanie elektrolityczne (galwaniczne) - pokrywanie metalu stanowiącego katodę w procesie elektrolizy, jonami metalu zawartymi w elektrolicie i ulegającymi redukcji i formującymi powłokę, podczas przepływu prądu stałego przez elektrolit.

Osadzanie chemiczne (bezprądowe) - wytwarzanie powłok z metalu lub stopu w wyniku redukcji chemicznej w kąpielach lub przez natrysk na powierzchnie metali, na które trudno jest nałożyć powłoki elektrolityczne z powodu złożonego kształtu pokrywanych przedmiotów.

Osadzanie konwersyjne - wytwarzanie na powierzchni metalu szczelnej warstwy trudno rozpuszczalnych związków chemicznych utworzonych z metalu podłoża i jonów z roztworu reagującego środowiska, w którym zanurzony jest pokrywany przedmiot lub który został natryskany. Podczas formowania powłoki konwersyjnej warstwa podłoża jest utleniona chemicznie lub elektrochemicznie, a powstające jony metalu uczestniczą w tworzeniu powłoki.

Zestalanie chemiczne materiałów malarskich - utlenianie się w temperaturze otoczenia lub podwyższonej, przy zetknięciu z tlenem powietrza, albo sieciowanie, bez udziału tlenu, polimerów chemoutwardzalnych w temperaturze otoczenia, wskutek polimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji.

*metody fizyczne Metody fizyczne służą do wytwarzania na powierzchniach metali lub niemetali powłoki związanej z podłożem adhezyjnie, a w mniejszym stopniu dyfuzyjnie, bądź też służą do wytworzenia warstwy wierzchniej, wykorzystując różne zjawiska fizyczne, przebiegające pod obniżonym ciśnieniem, często z udziałem jonów, jak naparowanie, napylenie, rozpylanie, implantowanie jonów lub pierwiastków metali i niemetali.

Osadzanie z fazy gazowej (metody PVD - Physical Vapour Deposition - fizyczne osadzanie z fazy gazowej) metali lub jonów polega - przy wykorzystaniu grzania oporowego, łukowego, elektronowego laserowego - na doprowadzeniu osadzanego trudno topliwego metalu do stanu pary i osadzeniu go przez naparowanie, napylenie lub rozpylenie na powierzchni zimnego lub nieznacznie podgrzanego podłoża samego metalu lub związku metalu z gazem (np. azotków, węglików, borków) przy wykorzystaniu zjawisk elektrycznych; procesy wykorzystujące wyładowania jarzeniowe nazywają się PAPVD (Plasma Assisted PVD - wspomagane plazmą fizyczne osadzanie z fazy gazowej).

Implantowanie jonów metali i niemetali polega na jonizacji par metalu lub gazu i przyspieszaniu jonów dodatnich za pomocą pól elektrycznych do takich prędkości, przy których energia kinetyczna jonów wystarcza do wniknięcia w metal czy niemetal na głębokość kilku lub więcej warstw atomowych lub wybiciu jonów wtórnych z warstwy nałożonej na implantowane podłoże i wniknięciu tych jonów w implantowane tworzywo. Implantacja jonów może zachodzić również w obecności innych zjawisk fizycznych, np. rozpylania magnetronowego - proces nazywa się wtedy mieszaniem jonowym. Zaimplantowane jony zmieniają strukturę i skład chemiczny warstwy wierzchniej implantowanego tworzywa, stąd implantowanie jonów określane jest też mianem stopowania jonowego.

5.Jakie znasz powłoki zwiększajšce odporność na korozję, w jakich warunkach mogą pracować?

-metalowe np. z cynku, chromu, niklu, miedzi, aluminium, kadmu, cyny, stali nierdzewnej

-niemetalowe, które dzielimy na organiczne ( powłoki malarskie, z tworzyw sztucznych oraz gumowe) i nieorganiczne (pokrycia ceramiczne, emalierskie i konwersyjne).

6.Scharakteryzuj powłoki CVD i PVD.

Metoda CVD polega na tworzeniu warstw węglików i azotków metali ze składników atmosfery gazowej na powierzchni obrabianego przedmiotu.

W procesie tworzenia warstwy biorą udział składniki podłoża. Wytwarzanie warstw metodą CVD następuje w szczelnym reaktorze w wyniku niejednorodnych katalizowanych fizycznie i chemicznie reakcji na powierzchni stali w temp ok. 1000°C i przy ciśnieniu 10⁵-1,35*10³Pa.

Proces prowadzony jest w atmosferach gazowych zawierających zwykle pary związków chemicznych metalu stanowiącego podstawowy składnik wytworzonej warstwy w temp 900-1000°C. W wyniku reakcji chemicznej zachodzącej na powierzchni metalu wydzielają się atomy ze związku. Drugi składnik warstwy pochodzi z podłoża lub z atmosfery.

Metodą CVD (chemiczne osadzanie par) osadzą się najczęściej warstwy na narzędziach z węglików spiekanych np. TiC, TiN w temp 950-1050°C, czas 1-1,5h, grubośc warstwy do 15μm. Wysoka temp procesu CVD wyklucza stosowanie tej metody do stali narzędziowych, dlatego w tym przypadku stosuje się metody PVD (fizyczne osadzanie par), których temp nie przekracza 450-500°C. Wspólną cechą tych metod jest krystalizacja na podłożu stalowym takich związków, jak np. TiN, TiC ze strumienia zawierającego atomy zjonizowane wchodzące w ich skład.

7.Opisz jakie ograniczenia projektowe mają powłoki CVD i powłoki nanoszone metodą natryskiwania plazmowego.

Wysoka temp konieczna do przebiegu reakcji chemicznych znacznie ogranicza zakres stosowania metody CVD, szczególnie w przypadku elementów narażonych na obciążenia dynamiczne podczas eksploatacji narzędzi wykonanych ze stali szybkotnących. Ogranicza to zakres stosowania technik CVD głównie do nanoszenia warstw na płytki z węglików spiekanych lub materiałów ceramicznych, dla których wysoka temp procesu nie powoduje utraty ich własności. Dodatkowo istotnym ograniczeniem w wykorzystaniu tej metody do wytwarzania powłok jest konieczność utylizacji agresywnych dla środowiska naturalnego odpadów podprocesowych.

8.Omów znane Ci metody nanoszenia powłok cynkowych, krótko scharakteryzuj powłoki wytwarzane tymi metodami.

Powłoki cynkowe otrzymuje

się:

metodą ogniową - przez zanurzenie chronionego metalu lub wyrobu w kąpieli stopionego cynku

metodą galwaniczną - w procesie elektrolizy.

Metodą proszkową - utrzymanie przedmiotu przez kilka godzin w temperaturze 350-400 °C w sproszkowanym cynku zawierającym około 6% tlenku cynku.

Cynk jest szeroko stosowany jako metal na powłoki szczególnie na stali i żeliwie, powłoka cynkowa posiada dobre własności ochronne. Efekt ochronny na żeliwie i stali spowodowany jest:

- ochroną protektorową - cynk jest anodą (protektorem) w ogniwie galwanicznym

- cynk posiada wysokie nadnapięcie wydzielania wodoru w środowiskach obojętnych

- w środowisku atmosferycznym i w obecności CO2 powierzchnia cynku pokrywa się pasywną warstewką węglanową

- w środowisku słabo alkalicznym wytwarza się pasywna warstewka Zn(OH)2 .

Cynk jest więc metalem odpornym na korozję w środowiskach, których pH waha się w granicach 6 - 11.

Poza tym obszarem ulega korozji w roztworach kwaśnych z utworzeniem jonów Zn2+, a w alkalicznych

ZnO2^2-. W przypadku uszkodzenia powłoki podłoże chronione jest protektorowo.

---