Inżynieria powierzchni jest dyscypliną naukową obejmującą:
1 procesy wytwarzania warstw powierzchniowych a więc z obowiązującymi Polskimi normami - warstw wierzchnich i powłok 2 związane z tym zjawiska 3 uzyskiwane dzięki temu efekty eksploatacyjne.W sferze technik wytwarzania inżynieria powierzchni zajmuje się - opierając się na materiale rdzenia (podłoża) i oddziaływaniu środowiska (chemiczne, fizyczne) - konstruowaniem warstw powierzchniowych zwykle w postaci materiału pod względem właściwości będącego w zasadzie kompozytem. Inżynieria powierzchni obejmuje więc całokształt działań naukowych i technicznych , mających na celu konstruowanie, wytwarzanie, badanie i stosowanie warstw powierzchniowych o innych, lepszych niż rdzeń (podłoże) właściwościach głównie antykorozyjnych, antyzmęczeniowych, antyściernych i dekoracyjnych.Warstwa wierzchnia-warstwa materiału ograniczona rzeczywistą powierzchnią przedmiotu, obejmująca tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienne cechy fizyczne i niekiedy chemiczne w stosunku do cech tego materiału. Cechy warstwy wierzchniej tzn struktura i właściwości nadawane jej w wyniku obróbki przedmiotu, zależą przede wszystkim od rodzaju tej obróbki - od technologii kształtującej przedmiot ( ubytkowej i bezubytkowej) oraz od technologii nadającej powierzchni specjalne właściwości fizykochemiczne.
Uzyskane właściwości eksploatacyjne zazwyczaj nie są stałe w czasie:-mogą zmieniać się samorzutnie bez udziału czynników zewnętrznych np. w wyniku procesu naturalnego starzenia, odprężania.-mogą zmieniać się pod wpływem czynników, wymuszeń zewnętrznych występujących w czasie eksploatacji przedmiotu np. w wyniku obciążeń, tarcia, chemicznego oddziaływania środowiska.Granica wewnętrzna warstwy wierzchniej-teoretyczna powierzchnia wyznaczona przez punkty, w których występują wartości graniczne tej spośród cech warstwy wierzchniej dla, której grubość warstwy wierzchniej określona w ten sposób jest największa. Wyznaczenie granicy wewnętrznej warstwy wierzchniej jest bardzo trudne i w większości przypadków ma charakter przybliżony ponieważ granica wewnętrzna jako płaszczyzna dwuwymiarowa praktycznie nie istnieje. Dlatego za granicę wewnętrzną warstwy wierzchniej przyjmuje się określoną umownie głębokość zalegania zmian jednej lub kilku cech warstwy wierzchniej, nazwana wartością graniczną lub wartością umowną. Takimi cechami mogą być np. mikrotwardość, naprężenia własne, rodzaj struktury, rozkład wdyfundowanego lub zaimplantowanego pierwiastka.Grubość warstwy wierzchniej- jest to wymiar w kierunku prostopadłym do powierzchni geometrycznej przedmiotu, zawarty między dwoma granicami, oddzielającymi warstwę wierzchnią od:- otoczenia i określony powierzchnią rzeczywistą przedmiotu - rdzenia i określony przez granicę wewnętrzną
Powłoka warstwa materiału wytworzona w sposób naturalny lub sztuczny albo nałożona na powierzchnię przedmiotu wykonanego z innego materiału, w celu uzyskania określonych właściwości technicznych lub dekoracyjnych. Między powłoką a podłożem istnieje granica międzyfazowa e postaci warstwy o pewnej objętości, o właściwościach pośrednich, zwykle ułatwiająca przyczepność powłoki do podłoża. Dla niektórych powłok warstwa ta nosi nazwę warstwy przejściowej. W niektórych przypadkach trudne jest rozgraniczenie powłoki i warstwy wierzchniej np. jeśli chodzi o przyrostowe warstwy dyfuzyjne. Powłoka jednowarstwowa(powłoka pojedyncza, monowarstwowa) jest to powłoka nałożona na odpowiednio przygotowane podłoże składająca się z jednej warstwy materiału. Powłoki jednowarstwowe mogą być :-jednoskładnikowe- zbudowane z jednego materiału (pierwiastka, związku) np. chromu, z azotku tytanu TiN -wieloskładnikowe- zbudowane z kilku składników materiałowych np. stopowe, z węgloazotku tytanu Ti(C,M) lub aluminiumazotku tytanu Ti(Al.,M).Powłoka wielowarstwowa (multiwarstwowa) jest to powłoka składająca się z dwóch lub więcej warstw tego samego materiału rozdzielona podwarstwą, różnych materiałów i wtedy może, ale nie musi być stosowana podwarstwa.Adhezja (przyleganie, przyczepność)-jest zjawiskiem trwałego i stałego łączenia się warstw powierzchniowych dwóch różnych (stałych lub ciekłych) ciał (faz) doprowadzonych do zetknięcia. Szczególnym przypadkiem adhezji jest kohezja występująca wtedy gdy stykają się ciała jednakowe. Adhezja może być następstwem absorbcji. Przyczyną adhezji (przylegania) jest występowanie sił przyciągania ( np. sił van der wallsa, wiązań jonowych i metalicznych)pomiędzy cząsteczkami stykających się ciał. Wielkość adhezji określa się wartością siły(lub pracy) potrzebnej do rozłączenia przywierających ciał przypadające na jednostkę powierzchni kontaktu.
OCZYSZCZANIE POWIERZCHNI METALI
Niewłaściwe przygotowanie powierzchni metalu przed procesem pokrywania powoduje wiele ujemnych skutków m.in. takich jak:-zmniejszenie przyczepności powłoki do podłoża metalowego-zmniejszenie gładkości powłoki-rozwoju korozji podpowłokowej -powstania pęcherzy, łuszczenia się powłokiNajczęściej stosowane metody oczyszczania powierzchni metali:-mechaniczne-chemiczne, elektrochemiczne-termiczne Metody mechaniczne:1 oczyszczanie za pomocą narzędzi:-młotkowanie-skrobanie -szczotkowanie -iglicowanie -szlifowanie -polerowanie 2 oczyszczanie strumieniowo-ścierne:-strumieniowo-pneumatyczne -strumieniowo-wirnikoweTermiczne oczyszczanie powierzchni metoda płomieniowa- w metodzie tej powierzchnię metalową pokrytą śladami korozji, zgorzeliny, starych powłok malarskich lub innych zanieczyszczeń poddaje się działaniu płomienia pochodzącego z palnika gazowego. Chemiczne i elektrochemiczne metody oczyszczania powierzchni:Odtłuszczanie które może być realizowane w rozpuszczalnikach organicznych, roztworach alkalicznych lub odpowiednich emulsjach a także przez elektrolizę oraz z wykorzystaniem ultradżwięków.Trawienie które może być realizowane na drodze trawienia chemicznego tj. bez przepływu prądu elektrycznego lub na drodze elektrolitycznej Polerowanie które może być prowadzone na drodze chemicznej a przede wszystkim elektrolitycznej operacja ta zapewnia uzyskanie powierzchni podłoża metalicznego o najwyższym stopniu czystości i gładkości. Ocena stanu powierzchni po oczyszczaniu
Podczas określania jakości oczyszczonej powierzchni zwraca się uwagę na parę czynników:
-ślady korozji-resztki zgorzeliny-inne zanieczyszczenia-ogólny wygląd powierzchni
W zależności od zastosowanej metody oczyszczania stan powierzchni może znalezć się w podstawowej trzystopniowej, łatwej w zastosowaniu skali oceny. Tak więc oczyszczając powierzchnię daną metodą można uzyskać odpowiedni stopień czystośći:
-stopień 1- obróbka: strumieniowo-ścierna, hydrościerna, luznym ścierniwem i wytrawianie.
-stopień 2- obróbka: strumieniowo-ścierna, a także szlifowanie, młotkowanie, szczotkowanie w przypadku, gdy powierzchnia była słabo skorodowana.
-stopień 3- młotkowanie, skrobanie, szlifowanie, oczyszczanie płomieniowe oraz śrutowanie.
Odtłuszczanie powierzchni metaliPrzedmioty przeznaczone do powlekania warstwą ochronną prawie zawsze pokryte są na swej powierzchni pewną ilością smarów pochodzenia mineralnego lub organicznego. Przed powlekaniem powierzchni przedmiotów powłoką galwaniczną należy jak najstaranniej tę powierzchnię odtłuścić, aby ułatwić bezpośredni kontakt metalu z powłoką. Sam proces elektrolitycznego odtłuszczania może być przeprowadzony zarówno katodowo jak i anodowo, a czasem nawet na przemian. Jako druga elektroda stosowana w tym procesie jest płyta stalowa lub niklowa. Należy pamiętać, żeby do kąpieli nie dodawać za dużo takich emulgatorów jak mydło, szkło wodne, itp. Ze względu na to, że powstaje wtedy dużo piany, która zatrzymuje wydzielający się wodór i tlen. Zaobserwowano, że przy katodowym elektrolitycznym odtłuszczaniu przedmiotów stalowych o dużej zawartości węgla następuje znaczne nawodorowienie metalu i z tego powodu lepiej prowadzić proces na przemian katodowo i anodowo. W tym przypadku uniknie się nadmiernego uwodorowienia metalu, a tym samym kruchości i łamliwości. Obróbka cieplno chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół operacji i zabiegów umożliwiających zmianę składu chemicznego i struktury powierzchniowej stopu (a przez to zmiany własności obrabianych elementów) w wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obróbka cieplno chemiczna polega na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich ich własności użytkowych. Zastosowanie obróbki cieplno chemicznej obróbce cieplno chemicznej poddaje się zwykle stopy żelaza głównie stale chociaż znalazła ona również zastosowanie w technologii elementów z metali nieżelaznych np. molibdenu wolframu tytanu i innych. Obróbce cieplno chemicznej poddawane są elementy zarówno konstrukcyjne w tym elementy maszyn jak i narzędzia. Celem obróbki cieplno chemicznej jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie trybologiczne o zwiększonej odporności korozyjnej i erozyjnej często zwiększenie odporności elementów na zmęczenie lub poprawa niektórych własności fizycznych powierzchni. Ogólna klasyfikacja zjawisk przebiegających podczas obróbki cieplno chemicznej obróbka cieplno chemiczna poza przekazywaniem ciepła jest związana z transportem masy. Najogólniej w procesie transportu masy można wyróżnić pięć procesów składowych do których należą :-reakcje w ośrodku nasycającym, związane z tworzeniem czynnika umożliwiającego transport składnika nasycającego
-dyfuzja w ośrodku nasycającym, polegająca na dopływie składnika dyfundującego do powierzchni metalu i często na odpływie produktów reakcji tworzących się na granicy rozdziału faz
-reakcje na granicach rozdziału faz
-dyfuzja w metalu
-reakcje w metalu Dyfuzyjne nasycanie stali niemetalami i metalami Nawęglanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się w temperaturze 900-950C o grubości warstwy nawęglonej decyduje czas nawęglania.
Strefy w warstwie nawęglonej
-nadeutektoidalną perlit z cementytem
-eutektoidalną struktura perlityczna
-podeutektoidalną struktura perlityczno ferrytyczna Nawęglanie w ośrodkach stałych odbywa się w proszku węgla drzewnego w temp 900C nawęglanie może być też pastami zawierającymi 50% sadzy 20% węglanu baru 20% węglanu sodu 10% żelazocyjanku potasu.W wyniku spalania w niedoborze tlenu poestaje CO z którego tworzy sięCO2 i węgiel atomowy nasycający powierzchnię stali.
Nawęglanie w roztopionych solach zwykle mieszaniny węglanów chlorków cyjanków metali alkalicznych .temp830-850C
Nawęglanie gazowe temp 920C w atmosferze tlenku węgla otrzymani ośrodka nawęglającego mogą polrgać na;
-otrzymywaniu CO w piecu w wyniku spalania węglowodorów w powietrzu
- wytwarzaniu atmosfery nawęglającej z ciekłych związków organicznych
Nawęglanie w złożach fluidalnych złoże fluidalne jest tworzone przez cząstki ciala stałego np. piasku tlenku glinu utrzymywane w zawieszeniu przez gorący gaz nasycający przepływający przez złoże od dołu ku górze.
Nawęglanie próżniowe w atmosferze metanu propanu i innych gazów w metodzie tej atomowy C uzyskiwany jest w wynik rozpadów tych gazów
Nawęglanie jonizacyjne polega ono na wygrzewaniu stali w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między obrabianym przedmiotem który stanowi katodę a anodę.Gazy nawęglające są specjalnie oczyszczane co zapobiega niekorzystnemu osadzaniu się sadzy na powierzchni przedmiotu utrudniającej adsorbcję węgla Twardość stali węglowej nawęglanej i chłodzonej w powietrzu wynosi 250-300HB a jej własności mechaniczne w stosunku niskie ze względu na ziarn zachodzący podczas procesu. W celu poprawienia własności stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce w szczególności dąży się do uzyskania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie powierzchniowej zwiększenie twardości stali na powierzchni do 60HRC zapewnienia znacznej ciągliwości odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałościowych w nie nawęglonym rdzeniu. Przedmioty nawęglone i zahartowane poddaje się niskiemu odpuszczaniu w temperaturze 160- 180C przez 1,5_2 h Nawęglanie bez następnego hartowania i odpuszczania jest błędem technologicznym. Metoda CVD polega na tworzeniu warstwy węglików i azotków metali np. chromu wanadu tytanu tantalu cyrkonu ze składników atmosfery gazowej na powierzchni obrabianego przedmiotu. Składniki mogą być aktywowane :-cieplnie-plazmą W procesie tworzenia warstwy biorą udział składniki podłoża. Wytwarzanie warstwy metodą CVD następuje w szczelnym reaktorze w wyniku niejednorodnych katalizowanych fizycznie i chemicznie reakcji na powierzchni stali w temperaturze ok. 1000C
Metoda PVD polega na osadzaniu warstw z fazy gazowej z udziałem reakcji fizycznych. Metoda PVD wykorzystuje zjawiska fizyczne jak odparowanie metali albo stopów lub rozpylanie katodowe w próżni i jonizację gazów i par metali przy wykorzystaniu różnych procesów fizycznych. Ich wspólną cechą jest powstawanie warstw z plazmy. Pary metali lub związków osadzane są w specjalnym urządzeniu na zimnym lub podgrzanym do temperatury 200-500C podłożu co pozwala na pokrywanie podłoża zahartowanego i odpuszczonego bez obawy spadku twardości w procesie osadzania warstwy Prowadzi to jednak do wytwarzania warstw bardzo cienkich i związanych adhezyjnie z podłożem