KONSPEKT OBOWIĄZUJĄCY DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z PRZEDMIOTU:
„MATERIAŁY INŻYNIERSKIE” III ROK - STUDIA DZIENNE
ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 8
Temat: Inżynieria powierzchni. Powłoki i materiały gradientowe stosowane na odlewy.
CEL I PRZEBIEG ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z podstawowymi metodami kształtowania warstw powierzchniowych odlewów poprzez nakładanie powłok, obróbkę cieplno- chemiczną, obróbkę bez zmiany składu chemicznego oraz kształtowanie powierzchni w formie materiałów gradientowych. Podczas zajęć laboratoryjnych przewidziano realizację następujących zadań:
Obserwacje mikroskopowe wybranych przykładów materiałów .
powłoki uzyskane metodą napylania na odlewach ze stopów aluminium, niklu, żelaza i miedzi.
materiały gradientowe typu Ni3Al/NbC, staliwo węglowe/NbC itd.
Wytworzenie warstwy powierzchniowej metodą naparowania PVD (phisical vapour deposition) na próbkach wykonanych ze stopów: silumin eutektyczny, brąz krzemowy, mosiądz, Ni3Al.
Obliczenie grubości warstw naparowywanych dla różnych materiałów. Sporządzenie zależności grubości warstwy naparowanej w funkcji odległości od źródła rozpylanych atomów.
WYBRANE ZAGADNIENIA PODSTAWOWE
Wymaganie stawiane warstwie wierzchniej są zwykle inne od wymagań stawianych pozostałej części materiału (rdzenia). Od powierzchni zewnętrznej materiału oczekuje się zwykle odporności na korozję i utlenianie, odporności na ścieranie, zużycie, ponadto powierzchnia zewnętrzna powinna charakteryzować się dużą gładkością, ładnym wyglądem oraz powinny w niej występować naprężenia ściskające.
Rosnące zainteresowanie materiałami o zróżnicowaniu właściwości rdzenia i warstwy powierzchniowej, determinuje rozwój technologii obróbki powierzchniowej.
Podział metod obróbki powierzchniowej:
I Metody związane z obróbką bez zmiany składu chemicznego:
(Obróbka zmieniająca mikrostrukturę i właściwości warstwy wierzchniej, nie zmieniająca składu chemicznego)
Hartowanie
Obróbka powierzchniowa laserem
Procesy odkształceniowe
II Metody związane z obróbką cieplno-chemiczną:
(Obróbka dyfuzyjna - cieplno-chemiczna, podczas której wprowadza się pierwiastki
i następuje zmiana składu chemicznego i mikrostruktury, struktury krystalograficznej warstwy. Proces ten jest realizowany w wyniku obróbki cieplno-chemicznej).
Nawęglanie
Azotonawęglanie
Azotowanie
III Metody związane z nakładaniem powłok:
(Obróbka oparta na wytwarzaniu warstw wierzchnich materiału poprzez nakładanie różnego rodzaju powłok. Powłoki te stanowią cienką warstwę materiału o innym niż podłoże składzie chemicznym i strukturze krystalograficznej.)
Rozpylanie
Naparowanie cieplne
Natryskiwanie
Procesy płomieniowe
Procesy łukowe
Natryskiwanie plazmowe
Implantacja jonów
Osadzanie z fazy gazowej chemiczne CVD i fizyczne PVD
SHS
Dwie pierwsze wymienione grupy obróbki powierzchniowej stosowane są głównie do stali. Obróbka cieplno-chemiczną można podzielić na nisko i wysoko temperaturową. Obróbka wysokotemperaturowa jest prowadzona w zakresie istnienia austenitu, czyli powyżej przemiany A1, zaś niskotemperaturowa poniżej tej przemiany.
Głównymi metodami obróbki wysokotemperaturowej jest nawęglanie i azotowanie. Wybór obróbki wysokotemperaturowej lub niskotemperaturowej jest uzależniony od grubości oczekiwanej warstwy. W przypadku obróbki wysokotemperaturowej uzyskuje się warstwy o większej grubości i dużej niekorzystnej zmianie wymiarów przedmiotu, a w przypadku obróbki niskotemperaturowe mniejsza grubość warstwy pociąga za sobą mniejsze skutki zmiany wymiarów. Dlatego w przypadku, gdy oczekujemy od przedmiotu zachowania dużej dokładności wymiarowej, wybór obróbki wysokotemperaturowej jest niekorzystny.
Trzecia z wymienionych grup obróbek powierzchniowych, obejmuje metody związane z nanoszeniem powłok. Metody te pozwalają na uzyskanie warstw o składzie i strukturze odmiennej od podłoża - rdzenia materiału. Najpopularniejszymi metodami wytwarzania powłok są: malowanie, powłoki elektrolityczne, powlekanie bezprądowe, napawanie utwardzające, natryskiwanie cieplne, platerowanie oraz osadzanie z fazy gazowej: chemiczne (CVD) i fizyczne (PVD)
I Obróbka powierzchniowa powodująca zmianę mikrostruktury materiału oraz struktury krystalicznej:
Hartowanie
Hartowanie powierzchniowe polega na nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu stalowego powyżej temperatury przemiany A1, tak aby pojawiła się w niej struktura austenitu. Następnie przedmiot gwałtownie się chłodzi z szybkości zapewniająca otrzymanie martenzytu.
II Obróbka dyfuzyjna (cieplno-chemiczna):
Nawęglanie
Nawęglanie klasyfikuje się jako jedną z metod obróbki cieplno-chemicznej, polegającej na wzbogaceniu warstwy wierzchniej materiału w węgiel. Wzbogacenie powierzchni materiału w węgiel powoduje, że wykazuje on dużą twardość, odporność na zużycie ścieranie i zmęczenie stykowe oraz odporność na pękanie. Najczęściej stosowanym nawęglaniem jest nawęglanie gazowe. Nawęglanie pozwala uzyskać na elementach maszyn i urządzeń wykonanych ze staliw niestopowych i niskostopowych grubą i twardą warstwę. Nawęglaniu poddaje się między innymi koła zębate, wałki rozrządu, sworznie tłokowe, pierścienie i wałki dużych łożysk tocznych.
Proces nawęglanie możemy podzielić na dwa etapy: etap pierwszy obejmuje wprowadzenie węgla w warstwę wierzchnią, a etap drugi to proces dyfuzji. Zawartość węgla warstwie wierzchniej powinna wynosić około 0,9%. Przekroczenie tej wartości prowadzi do wydzielenia się kruchego martenzytu, pozostaje duża ilość austenitu szczątkowego i tworzą się duże i twarde węgliki. Mała wartość węgla prowadzi z kolei do znacznego spadku twardości powierzchni materiału.
Azotowanie
Azotowanie podobnie jak nawęglanie jest utwardzającą obróbką cieplno-chemiczną. Polega ona na dyfuzyjnym wzbogaceniu warstwy wierzchniej materiału w azot, wywołującym zmianę składu chemicznego. Proces azotowani prowadzony jest w zakresie istnienia ferrytu, a nie austenitu, tak jak ma to miejsce w nawęglaniu. Azotowanie prowadzi się w temperaturze 480-600°C, a następnie chłodzi do temperatury pokojowej. Z uwagi na maksymalną temperaturę wygrzewania, która nie przekracza temperatury przemiany A1 w materiale nie zachodzą zmiany fazowe. Czas azotowania uzależniony jest od szybkości reagowania składników materiału z azotem, prędkości zarodkowania azotków i ich wzrostu.
III Metody związane z nakładaniem powłok
Powłoki galwaniczne
Powłoki galwaniczne powstają, są wytwarzane na drodze elektrolitycznej. Metoda elektrolizy polega na osadzaniu metalu lub metali na przedmiotach z metalu. Wytwarza się również powłoki chemiczne (bezprądowe), powstające na drodze reakcji podłoża metalowego ze składnikami elektrolitu. Głównymi odmianami powłok galwanicznych są:
- powłoki elektrolityczne
- powłoki chemiczne (bezprądowe)
- konwersyjne niemetalowe powstające na drodze reakcji chemicznych lub elektrolitycznie
W przypadku metody elektrolitycznej element pokrywany stanowi katodę ogniwa, natomiast anodę materiał służący do nanoszenia powłoki. Wytwarzanie powłoki obejmuje etap oddzielania jonów metalu A od anody pod wpływem energii z zewnętrznego źródła i ich rozpuszczania w roztworze, następnie migracji jonów A+ do anody. Anoda stanowi miejsce, gdzie dodatnie jony metalu A łączą się z elektronami i osadzają. Grubość wytworzonej powłoki jest determinowana gęstością prądu. Gotowe detale posiadają grubszą warstwę metalu na narożach, gdzie gęstość prądu jest największa i cieńszą warstwę na powierzchniach płaskich, otworach i zagłębieniach, w których gęstość prądu jest mniejsza. Najczęściej spotykaną powłoką wytwarzaną na drodze elektrolitycznej jest powłoka chromowa. Pokrycie chromowe uzyskuje się w wyniku osadzania z roztworu wodnego kwasu chromowego i siarkowego w temperaturze elektrolitu tj. 60°C. Twardość powłoki chromowej wynosi ok. 900 HV. Kolejną często spotykaną powłoką elektrolityczną jest powłoka niklowa, wytwarzana z roztworów siarczków. Powłoka niklowa charakteryzuje się dużą zwartością i odpornością na korozję, natomiast jej twardość jest około trzy razy mniejszą niż powłoki chromowej.
Powłoki chemiczne
Proces nakładania chemicznego (bezprądowego) powłok polega na zanurzaniu elementu stalowego w w roztworze zawierającym materiał osadzany. Powłoki wytworzone metodami chemicznymi posiadają dobrą odporność na zużycie oraz na korozję, posiadają jednorodną grubość warstwy (przeciwnie do metody elektrolitycznej). Powłoki takie charakteryzują się dodatkowo dobrą lutownością i smarownością, a także niskim kosztem robocizny. Mankamentem metody są stosunkowo drogie odczynniki chemiczne.
Powłoki konwersyjne
Powłoki konwersyjne to cienkie warstwy ochronne uzyskiwane na metalu i złożone ze związków tego metalu. Powłoki konwersyjne otrzymuje się w wyniku obróbki chemicznej (utleniania, fosforowania, chromianowania) lub elektrolitycznej (anodowania) na wyrobach ze stali, aluminium i cynku. Utlenianie nazywane również oksydowaniem jest zabiegiem polegającym na wytworzeniu na powierzchni przedmiotu cienkiej warstwy tlenków.
Literatura:
M. Blicharski.: Inżynieria Powierzchni, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009
K. Przybyłowicz.: Metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa 1992, 2007
M. Ashby, D. Jones.: Materiały Inżynierskie, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa 1995