TECHNOLOGIE WYSOKOENERGETYCZNE STOSOWANE

W INŻYNIERII POWIERZCHNIOWEJ

Podział tych technologii oraz własności i struktura, jakie zyskuje warstwa wierzchnia w ich wyniku.

OBRÓBKA WYSOKOENERGETYCZNA

• Wysokoenergetyczna obróbka powierzchniowa, jest to rodzaj obróbki wykorzystującej zjawiska chemiczne oraz fizyko - chemiczne, do wywołania których niezbędna jest duża moc energetyczna, a w wyniku których następują zmiany struktury i własności warstw wierzchnich obrabianych przedmiotów.

WARSTWA WIERZCHNIA MATERIAŁU

• Jako warstwę wierzchnią materiału uznaje się zbiór punktów materialnych, znajdujących się pomiędzy powierzchnią zewnętrzną, a powierzchnią stanowiącą granicę zmian wartości cech strefy podpowierzchniowej, tak zwaną powierzchnią umowną. Aktywny wpływ na warstwę wierzchnią wywierają wszelkiego rodzaju wymuszenia zewnętrzne np. nacisk, czynniki chemiczne, elektryczne lub temperatura. Część materiału, która nie należy do warstwy wierzchniej nazywana jest rdzeniem.

PODZIAŁ TECHNIK OBRÓBKOWYCH

Ze względu na charakter metody:

• Metody cieplne, np. hartowanie laserowe lub elektronowe;

• Metody cieplno - chemiczne, np. metody CVD lub azotowanie jarzeniowe;

• Metody cieplno - mechaniczne, np. natryskiwanie plazmowe lub nanoszenie detonacyjne;

• Metody fizyczne - np. metody PVD lub stopowanie jonowe.

PODZIAŁ TECHNIK OBRÓBKOWYCH

Ze względu na powstałą warstwę wierzchnią:

• Metody modyfikujące skład chemiczny oraz strukturę w warstwie wierzchniej materiału, nadające specjalne właściwości obrabianemu przedmiotowi na jego powierzchni, np. stopowanie warstw wierzchnich (jonowe, laserowe), azotowanie jarzeniowe;

• Metody, w których specjalne własności nadawane są w wyniku nanoszenia określonych powłok, np. natryskiwanie plazmowe, metody PVD, CVD.

PODZIAŁ TECHNIK OBRÓBKOWYCH

Ze względu na użycie wiązki:

• Metody wiązkowe;

• Metody objętościowe.

Ze względu na użycie próżni:

• Metody próżniowe;

• Metody atmosferyczne.

METODY CVD

METODY CVD

• Metody chemicznego osadzania powłok w środowisku gazowym (Chemical Vapour Deposition) zyskują coraz większe uznanie w obróbce powierzchniowej, mającej na celu zwiększenie trwałości powierzchni materiałów.

• Metody te polegają na tworzeniu warstw wierzchnich i powłok ochronnych, o grubości kilkudziesięciu mikrometrów do kilku milimetrów, w wyniku reakcji pomiędzy składnikami atmosfery gazowej, a składnikami podłoża obrabianego przedmiotu.

NIEWSPOMAGANE METODY CVD

• Mogą być przeprowadzane w warunkach ciśnienia atmosferycznego lub pod obniżonym ciśnieniem, konieczna do ich przeprowadzenia wysoka temperatura ogranicza stosowanie do wybranych materiałów.

• Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition (APCVD) - Proces ten przebiega w szczelnym reaktorze w skutek reakcji, niejednorodnie katalizowanych chemicznie i fizycznie, na powierzchni stali.

NIEWSPOMAGANE METODY CVD -
własności warstwy wierzchniej

• Wysokotemperaturowe procesu CVD znajdują zastosowanie w przypadku nanoszenia powłok na takie materiały, jak: węgliki spiekane lub elementy maszyn, w eksploatacji, których najważniejszą jest odporność na zużycie przez tarcie.

• Otrzymywane w tradycyjnych metodach CVD powłoki wykazują własności przeciwzużyciowe i antykorozyjne. Powłoki takie są bardzo twarde (1500 ÷ 1400 HV0,01), równomiernie osadzone oraz odporne na ścieranie, a także charakteryzują się bardzo dobrą przyczepnością do podłoża oraz dobrą jakością.

METODY CVD W WYŁADOWANIU
JARZENIOWYM - własności warstwy
wierzchniej

• Warstwa wierzchnia uzyskana w procesie PACVD ma podobne własności, jakimi charakteryzuje się warstwa wierzchnia po klasycznej obróbce CVD, jednak dzięki obniżeniu wysokiej temperatury koniecznej przy tradycyjnej obróbce, PACVD ma znacznie rozszerzony zakres stosowania.

• Plazma użyta w tym procesie ma bardzo korzystny wpływ na oczyszczenie podłoża i poprawia przyczepność powłoki do niego.

AZOTOWANIE JARZENIOWE

• Azotowanie jarzeniowe jest odmianą azotowania gazowego, czyli nasycania warstwy wierzchniej w azot, znajdujący się w atmosferze gazowej, w obecności zjawiska wyładowania jarzeniowego. Jako gaz roboczy wykorzystywana jest najczęściej mieszanina N2 + H2.

• Obróbce takiej poddawane są stale konstrukcyjne stopowe, narzędziowe, szybkotnące oraz stale o szczególnych własnościach np. żaroodporne lub żarowytrzymałe.

AZOTOWANIE JARZENIOWE - własności
warstwy wierzchniej

• Warstwa wierzchnia otrzymana po przeprowadzeniu azotowania jarzeniowego ma bardzo dobrą trwałość, określoną strukturę fazową, bardzo dobrą odporność na zużycie prze tarcie oraz bardzo dobrą odporność korozyjną.

• Twardość warstwy wierzchniej jest wysoka, powyżej 1300HV, a odkształcenia warstwy są niewielkie. Dzięki zjawisku wyładowania jarzeniowego wyeliminowana zostaje kruchość oraz porowatość warstwy wierzchniej, występujące w tradycyjnych metodach azotowania.

METODY PVD

• Metody PVD nie są technikami wiązkowymi i odbywają się w próżni. Metody te nazwano ogólnie metodami PVD, ponieważ wykorzystują one różnego rodzaju zjawiska fizyczne do osadzania powłok z fazy gazowej. Skrót PVD utworzono z angielskiego wyrażenia: Phisical Vapour Deposition, będącego angielską nazwą tej metody.

METODY PVD - własności warstwy wierzchniej

• W zależności od stosowanej modyfikacji metody PVD oraz od materiału powłokowego i materiału, na który osadzana jest powłoka, otrzymywane są powłoki przeciwzużyciowe o przeróżnych właściwościach. Mogą to być powłoki bardzo twarde, przeciwkorozyjne, żaroodporne lub inne.

Implantacja jonów metali i niemetali, zwana także stopowaniem jonowym polega na wprowadzaniu do warstwy wierzchniej obrabianego przedmiotu jonów domieszki dzięki nadaniu im dużej energii kinetycznej. W skutek kinetycznego przebiegu procesu, jony domieszki zostają wprowadzone (wbite) do materiału na głębokość do 1 mikrometra.

IMPLANTACJA JONÓW METALI I NIEMETALI -
własności warstwy wierzchniej

• Implantacja jonowa może wywierać wpływ na trzy rodzaje własności, które są kształtowane poprzez dobór odpowiednich parametrów procesu oraz materiału stopującego.

• Własności te to:

• mechaniczne, takie jak: zużycie, tarcie, twardość, zmęczenie, plastyczność, ciągliwość, adhezja,

• chemiczne, takie jak: korozja, utlenianie, kataliza,

• elektromagnetyczne, w tym: nadprzewodnictwo, fotoprzewodnictwo, rezystywność, właściwości magnetyczne, właściwości dielektryczne i inne.

Obróbka laserowa:

• Laserowa obróbka cieplna,

• Laserowa obróbka cieplno - chemiczna,

• Natapianie laserowe,

• Synteza materiałów za pomocą lasera

OBRÓBKA LASEROWA - laser

Nazwę laser utworzono od pierwszych liter wyrazów, tworzących pełna nazwę tego urządzenia: Light Amplification by Simulated Emission of Radiation, co w wolnym tłumaczeniu oznacza: „wzmocnienie światła przez stymulowaną (wymuszoną) emisję promieniowania” i jednocześnie stanowi najprostszą definicję działania tego urządzenia.

OBRÓBKA LASEROWA CIEPLNA

• Hartowanie laserowe zwykłe - zwiększenie twardości w cienkiej warstwie powierzchniowej,

• Hartowanie laserowe z przetopieniem warstwy wierzchniej - zwiększenie odporności na ścieranie w skutek modyfikacji struktury.

OBRÓBKA LASEROWA CIEPLNO -
CHEMICZNA

• Obróbka cieplno - chemiczna polega na zmianie własności i struktury warstwy powierzchniowej oraz składu chemicznego, w wyniku szeregu operacji i zabiegów, w których na obrabiany materiał współdziała temperatura oraz ośrodek chemiczny.

• Laserowe wzbogacanie (stopowanie) warstwy powierzchniowej materiałów w wybrane dodatki stopowe jest nowym sposobem obróbki cieplno - chemicznej.

OBRÓBKA LASEROWA - NATAPIANIE

• Natapianie powłok z wykorzystaniem, jako źródła energii, wiązki laserowej jest technologią podobną do metod spawalniczych. Proces ten polega na topieniu warstwy podłoża obrabianego przedmiotu wraz z proszkiem materiału natapianego promieniowaniem laserowym. Po zakrzepnięciu tworzy się metalurgicznie zespolona napoina.

OBRÓBKA LASEROWA - SYNTEZA

• Laserowa synteza materiałów może być przeprowadzana ze składników znajdujących się w stanie stałym, gazowym lub ciekłym.

• Fizyczne odsadzanie par przy udziale wiązki laserowej (LAPVD),

• Wspomagane laserowo chemiczne odsadzanie par (LACVD),

• Laserowa synteza materiałów z fazy ciekłej.

CIEPLNE TECHNIKI ELEKTRONOWE

• Hartowanie elektronowe,

• Nadtapianie wiązką elektronów,

• Stopowanie elektronowe

HARTOWANIE ELEKTRONOWE

• Hartowanie elektronowe - jest odmianą hartowania powierzchniowego i jest najczęściej stosowaną metodą obróbki powierzchniowej wykorzystującą wiązkę elektronów, realizowane jest przy najniższych gęstościach mocy i najdłuższych czasach oddziaływania na materiał.

NADTAPIANIE ELEKTRONOWE

• Nadtapianie wiązką elektronów - jest rozwinięciem procesu hartowania elektronowego, stosowanym przy większych gęstościach mocy i szybkościach nagrzewania.

• Proces, zwany również szkliwieniem, polegający na gwałtownym przetopieniu warstwy powierzchniowej materiału i następnie gwałtownej krystalizacji.

STOPOWANIE ELEKTRONOWE

• Stopowanie elektronowe - nasycanie warstw wierzchnich składnikami stopowymi. Jest to metoda, w której w trakcie przetopienia warstwy powierzchniowej zostaje ona wzbogacona w pierwiastki stopowe, które zmieniają własności tej warstwy podczas krzepnięcia.

NANOSZENIE DETONACYJNE POWŁOK

• Nanoszenie detonacyjne powłok polega na wykorzystaniu energii wybuchu gazu nadającemu cząstkom materiału powłokowego, najczęściej w postaci proszku, bardzo dużej energii kinetycznej. Prędkości cząstek w chwili zetknięcia z powierzchnią przedmiotu pokrywanego mają prędkość około 800 m/s.

• Pod wpływem wybuchu następuje wbijanie tych cząstek w warstwę powierzchniową pokrywanego przedmiotu.

NANOSZENIE DETONACYJNE POWŁOK -
własności warstwy wierzchniej

• Własności mechaniczne warstwy wierzchniej, dla danego materiału powłokowego i podłoża, zależą głównie od prędkości dolotowej cząstek proszku oraz ich temperatury w momencie zetknięcia się z podłożem.

• Warstwa wierzchnia odznacza się minimalną porowatością, ma bardzo wysoką mikrotwardość i odporność na zużycie ścierne.

NATRYSKIWANIE PLAZMOWE

• Natryskiwanie plazmowe jest metodą polegającą na stapianiu materiału dodatkowego, najczęściej pod postacią proszku lub drutu, ciepłem łuku plazmowego. Następnie roztopione cząstki materiału dodatkowego zostają narzucone strumieniem gazu plazmowego na powierzchnie przedmiotu, czyli natryskiwane

NATRYSKIWANIE PLAZMOWE - własności
warstwy wierzchniej

• Łuk plazmowy ma szczególny wpływ na materiał w trakcie obróbki. Niezależnie od powłoki łuk plazmowy utwardza i zwiększa trwałość przedmiotu, na który natryskiwana jest powłoka. Po zastosowaniu łuku plazmowego w warstwie wierzchniej nie tworzy się krucha warstwa, brak jest odkształceń cieplnych.

WNIOSKI

• Współczesna inżynieria powierzchni, oprócz opracowywania nowych materiałów, stwarza szerokie możliwości wytwarzania wyrobów o żądanych właściwościach na bazie istniejących materiałów, przystosowując je do wymagań eksploatacyjnych, nowymi technikami wytwarzania oraz regeneracji

Tradycyjne i innowacyjne metody inżynierii powierzchniowej rozwijają się w kierunku wytwarzania warstw wierzchnich i powłok kompozytowych o własnościach nieosiągalnych oddzielnie, stosowane do tego metody hybrydowe łączą zalety poszczególnych technik i prowadzą do uzyskiwania ściśle zaprojektowanych warstw .

Rozwój technologii powierzchniowych postępuje w kierunku skrócenia czasu obróbki, koncentrowania dużej energii na obrabianej części przedmiotu, nie wpływając na zmiany w innych rejonach, tendencji do łączenia obróbki powierzchniowej nadającej konkretne własności z obróbką wykańczającą .

---