ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤ’ ΕΞΑΜΗΝΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟΥ ΤΟΜΕΑ ΕΝΟΤΗΤΑ A: ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΥΛΙΚΩΝ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Δρ. Πανδώρα Ψυλλάκη Μάρτιος 2013 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο όρος Επιφανειακή Κατεργασία (Surface Engineering) χρησιµοποιείται για να περιγράψει ένα ευρύ φάσµα διεργασιών τροποποίησης των εξωτερικών στρωµάτων ενός υλικού που στόχο έχει είτε την µικροδοµική και µηχανική τους ενίσχυση, ή την µεταβολή της µικρο-γεωµετρίας τους. Οποιονδήποτε από τους δυό στόχους κι αν καλείται να ικανοποιήσει µια επιφανειακή κατεργασία, αυτή αποτελεί το τελευταίο στάδιο κατεργασίας ενός τελικού αντικειµένου πριν αυτό τεθεί σε λειτουργία. Περαιτέρω κατεργασία ενός αντικειµένου µετά την επιφανειακή του κατεργασία είναι επιτρεπτή µόνο για λόγους διόρθωσης ή συντήρησης του αντικειµένου. Σε αντίθεση µε τις θερµικές κατεργασίες που επηρεάζουν το συνολικό όγκο του υλικού, οι επιφανειακές περιορίζονται σε µια εξωτερική στοιβάδα του, πάχους µερικών µm έως µερικών δεκάτων του χιλιοστού. Η σηµασία τους για την καλή απόκριση του µεταλλικού αντικειµένου σε συνθήκες λειτουργίας είναι τεράστια, αφού το µεγαλύτερο µέρος των αστοχιών που καταγράφονται καθηµερινά έχουν ως σηµεία έναρξης επιφανειακές περιοχές του υλικού. Ανάλογα µε το σκοπό που εξυπηρετούν, οι επιφανειακές κατεργασίες διακρίνονται σε: • Κατεργασίες επιφανειακής ενίσχυσης του υλικού έναντι µηχανικών φορτίσεων ή/ και δράσεων χηµικών παραγόντων. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι οι δαπάνες που καταναλώνονται παγκοσµίως για την εφαρµογή κατεργασιών αυτής της κατηγορίας αφορούν σε ποσοστό 50% την προστασία µεταλλικών υλικών έναντι διάβρωσης, 30% την προστασία έναντι φθοράς από τριβή και 20% άλλες ειδικές απαιτήσεις. • Κατεργασίες εξοµάλυνσης του ανάγλυφου ή χάραξης µε επέµβαση στη µικρογεωµετρία της επιφάνειας και ταυτόχρονη αφαίρεση υλικού. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι τεχνικές λείανσης (π.χ. τόρνευση, «ρεκτιφιάρισµα»), επιφανειακής διαµόρφωσης (π.χ. ηλεκτροδιάβρωση), µαρκαρίσµατος (π.χ. laser marking), κλπ. Οι τεχνικές αυτές εξετάζονται ως υποκατηγορία του επιστηµονικού πεδίου των «Μηχανουργικών Κατεργασιών», γι’αυτό και δε θα αναλυθούν σ’αυτή την ενότητα. Οι τεχνικές της πρώτης κατηγορίας διακρίνονται, σε γενικές γραµµές, αφενός σε αυτές που ενισχύουν το ίδιο το µέταλλο βάσης χωρίς ή µε την προσθήκη άλλου στοιχείου και στις οποίες η εξωτερική επιφάνεια του κατεργασµένου αντικειµένου ταυτίζεται µε την εξωτερική επιφάνεια του αρχικού υλικού, και αφετέρου σε αυτές που αποσκοπούν στη 2 δηµιουργία προστατευτικής, µεταλλικής ή κεραµικής, επικάλυψης και στις οποίες η τελική εξωτερική επιφάνεια του κατεργασµένου αντικειµένου είναι πλέον η εξωτερική επιφάνεια της επικάλυψης. Ετσι, για τις µεν πρώτες η εφαρµογή τους «προκαλεί» το βάθος κατεργασίας, ενώ για τις δεύτερες το πάχος της επικάλυψης (σχήµα 1.1). ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ←→ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Σχήµα 1.1. Επίδραση των τεχνικών επιφανειακής ενίσχυσης στην τελική επιφάνεια του κατεργαζόµενου αντικειµένου. Στην περίπτωση των τεχνικών τροποποίησης του ίδιου του υλικού βάσης χωρίς την προσθήκη άλλου στοιχείου, επιδιώκεται είτε εισαγωγή θλιπτικών εσωτερικών τάσεων ή µεταβολή της µικροδοµής σε επιφανειακό στρώµα του υλικού που οδηγούν τελικά σε σκλήρυνσή του και επιτυγχάνονται, αντιστοίχως, µε µηχανικό (π.χ. σφαιροβολή, εφαρµογή κρουστικών κυµάτων laser) ή θερµικό τρόπο (π.χ. φλογοβαφή). Η εισαγωγή θλιπτικών τάσεων σε επιφανειακό στρώµα µετάλλου αποδεικνύεται ότι συµβάλλει, επίσης, στην αύξηση της αντοχής του υλικού σε κόπωση (µεταβαλλόµενη µηχανική φόρτιση), καθώς και σε καλύτερη συµπεριφορά του σε διάβρωση υπό τάση. Οταν η επιφάνεια του υλικού θερµαίνεται σε σχετικά υψηλή θερµοκρασία µε την ταυτόχρονη παρουσία στοιχείων «µικρού» µεγέθους, όπως είναι ο άνθρακας, το άζωτο ή το βόριο, ενεργοποιούνται µηχανισµοί διάχυσης που επιτρέπουν την εισχώρηση των µικρών ατόµων στο κρυσταλλικό πλέγµα του µετάλλου βάσης όπου σχηµατίζουν στερεά διαλύµατα και/ ή τα αντίστοιχα καρβίδια, νιτρίδια και βορίδια. Με τον τρόπο αυτό 3 επιτυγχάνονται επιφανειακά στρώµατα υψηλής σκληρότητα και καλής αντοχής σε φθορά από τριβή. Ταυτόχρονα, δηµιουργείται υποεπιφανειακή ζώνη θλιπτικών τάσεων, η οποία όπως και προηγούµενα ενισχύει την αντοχή του υλικού σε κόπωση. Ειδικά στην περίπτωση που το διαχεόµενο στοιχείο είναι το βόριο, η αντοχή του υλικού σε διάβρωση υψηλών θερµοκρασιών αυξάνεται εντυπωσιακά. Οι επιφανειακές αυτές κατεργασίες είναι γνωστές ως θερµοχηµικές και εφαρµόζονται ευρέως για την ενίσχυση χαλύβων. Στην περίπτωση προστατευτικών επικαλύψεων, η επιφάνεια του προς προστασία υλικού καλύπτεται από στρώµα άλλου υλικού, ανώτερων ιδιοτήτων και µικρού πάχους σχετικά µε τις διαστάσεις του µεταλλικού αντικειµένου. Η επικάλυψη αυτή δηµιουργείται µε ψεκασµό, χηµικά, ηλεκτρολυτικά ή µε εναπόθεση από ατµούς, και η επιφάνειά της βρίσκεται σε άµεση επαφή µε το «εχθρικό περιβάλλον» (διαβρωτικοί παράγοντες, συζυγής τριβόµενη επιφάνεια, περιβάλλον υψηλής θερµοκρασίας) και έχοντας καλύτερη συµπεριφορά από το υλικό βάσης το προστατεύει από τους παράγοντες αυτούς. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι ενώ η ορθή εφαρµογή µιας τεχνικής επιφανειακής κατεργασίας σ’ένα µεταλλικό εξάρτηµα µπορεί να βελτιώσει θεαµατικά τη συµπεριφορά του σε συνθήκες «εχθρικού περιβάλλοντος» και να επιµηκύνει σηµαντικά τη διάρκεια ζωής του, ο µη σωστός σχεδιασµός ή υλοποίηση της κατεργασίας, τις περισσότερες φορές, επιταχύνει µηχανισµούς αστοχίας µε καταστροφικά αποτελέσµατα. Για παράδειγµα, είναι γνωστό ότι η εφαρµογή µη βέλτιστων συνθηκών εναπόθεσης µπορεί να οδηγήσει σε επικαλύψεις µε εσωτερικές δοµικές ατέλειες (πόρους, ρωγµές ή εγκλείσµατα) που κατά τη χρήση του επικαλυµένου αντικειµένου θα αποτελέσουν περιοχές αυξηµένων τάσεων ή συσσώρευσης διαβρωτικών ειδών επιβαρύνοντας έτσι µε πρόσθετους παράγοντες τη διάρκεια ζωής του µεταλλικού αντικειµένου. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της ηλεκτρολυτικής εναπόθεσης χρωµίου από υδατικά διαλύµατα, η οποία πρέπει να πραγµατοποιείται σε λουτρά θερµοκρασίας 40-60 °C, έστω και εάν, στη θερµοκρασιακή αυτή περιοχή, η απόδοση του επιβαλλόµενου ρεύµατος µειώνεται έχοντας ως επακόλουθο την αύξηση του απαιτούµενου χρόνου επιχρωµίωσης. Ο περιορισµός αυτός τίθεται διότι η ηλεκτραπόθεση χρωµίου σε θερµοκρασία περιβάλλοντος συνοδεύεται από ταυτόχρονη έκλυση υδρογόνου στην κάθοδο, το οποίο εγκλωβίζεται στον όγκο του αποτιθέµενου µετάλλου και συµβάλλει στην εκτεταµένη ρωγµάτωσή του εντός διαστήµατος ~3 εβδοµάδων από την εναπόθεση. 4 2. Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Οπως προσδιορίστηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο, οι επιφανειακές κατεργασίες στοχεύουν στην τροποποίηση της ποιότητας/ συµπεριφοράς επιφανειακού στρώµατος υλικού, πολύ µικρών διαστάσεων σε σχέση µε το συνολικό µέγεθος του αντικειµένου. Οποιαδήποτε κι αν είναι η τελική χρήση ενός επιφανειακά κατεργασµένου προϊόντος, δε θα πρέπει να αγνοείται ο ρόλος του βασικού µετάλλου, το οποίο αποτελεί τον κύριο «φορέα» των καταπονήσεων που υφίσταται η κατασκευή και που θα πρέπει να είναι, ανάλογα µε την εφαρµογή, στιβαρό ή ελαστικό ή δύσθραυστο ή µονωτικό. Σε ένα τέτοιο υπόστρωµα, η τροποποίηση της ποιότητας της επιφάνειάς του στόχο την προστασία της υπόλοιπης κατασκευής από ένα «εχθρικό» περιβάλλον λειτουργίας ή την πρόσδοση ιδιαίτερων χαρακτηριστκών. Για παράδειγµα, η επιφάνεια των «τακακιών» των φρένων του αυτοκινήτου, προκειµένου να εξασφαλίζεται η καλή λειτουργία τους, θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλό συντελεστή τριβής και ταυτόχρονα χαµηλό συντελεστή φθοράς, σταθερούς για µεγάλο εύρος θερµοκρασιών. Η επιφάνεια των φακών τηλεσκοπίου θα πρέπει να ανακλά την ακτινοβολία, ενώ ταυτόχρονα η υπόλοιπη κατασκευή να έχει µηχανική αντοχή και να είναι διαστασιακά αµετάβλητη. Σε βιοµηχανικές εφαρµογές, οι επιφανειακές κατεργασίες των υλικών ως κύριο σκοπό έχουν την προστασία της συνολικής κατασκευής έναντι: • Φθοράς, που προκαλείται από την επαφή της επιφάνειας µε τις επιφάνειες άλλων αντικειµένων. • ∆.ιάβρωσης, όταν η επιφάνεια φέρεται σε υγρό περιβάλλον που δρα δυσµενώς επ’ αυτής. • Οξείδωσης, όταν η επιφάνεια υπόκειται σε ξηρό περιβάλλον µε υψηλές θερµοκρασίες που ενεργοποιεί τη χηµική δράση των οξειδωτικών αερίων. • Κόπωσης, η οποία εκδηλώνεται ως αστοχία του υλικού λόγω εναλλασσόµενης µηχανικής ή θερµικής φόρτισης. Βέβαια, στις περισσότερες εφαρµογές οι καταπονήσεις των υλικών είναι σύνθετες, αφού εναλλασσόµενες µηχανικές φορτίσεις µπορεί να λαµβάνουν χώρα σε οξειδωτικά περιβάλλοντα, ενώ ταυτόχρονα δυο επιφάνειες βρίσκονται σε επαφή. Σ’αυτές τις περιπτώσεις ο µηχανικός καλείται να εκτιµήσει τη «βιαιότητα» του κάθε παράγοντα και να συναξιολογήσει τη δράση τους προκειµένου να υιοθετήσει µια επιφανειακή 5 κατεργασία που να ενισχύει την κατασκευή κατά το βέλτιστο τρόπο έναντι όλων ταυτόχρονα των «εχθρικών» παραγόντων. Οικονοµοτεχνική µελέτη που έγινε στη Μεγάλη Βρετανία κατέδειξε ότι εάν η γνώση που έχουµε σήµερα πάνω στις αντιτριβικές επιφανειακές κατεργασίες χαλύβων είχε εφαρµοστεί κατά τη διάρκεια µιας εικοσιπενταετίας, η συνολική εξοικονόµιση πόρων θα ήταν της τάξης των 515.000.000 £. Πιο συγκεκριµένα, η εξοικονόµηση αυτή θα προερχόταν από (σχήµα 2.1): • Τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας, κατά 5%. • Την αύξηση της διάρκειας ζωής και της απόδοσης του προϊόντος, κατά 24%. • Τη µείωση της χρήσης λιπαντικών, κατά 2%. • Τη µείωση των αναγκαίων εργασιών συντήρησης, κατά 45%. • Τη µείωση των απαιτούµενων ανθρωποµηνών, κατά 2% • Τη µείωση της συχνότητας διακοπής της λειτουργίας, κατά 22% 5% 22% 24% Lower energy consumption Increased plant life & efficiency Less lubricant 2% Less maintenance 2% Less manpower needed Fewer breakdowns 45% Σχήµα 2.1. Ανηγµένη κατανοµή της εξοικονόµησης πόρων από την εφαρµογή αντιτριβικών επιφανειακών κατεργασιώς χαλύβδινων εξαρτηµάτων στη Μεγάλη Βρετανία, σε διάστηµα 25 ετών. 6 3. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ Οι τεχνικές δηµιουργίας επικαλύψεων (coatings) περιλαµβάνουν τις επιφανειακές εκείνες κατεργασίες κατά τις οποίες υλικό, διαφορετικής χηµικής σύστασης από το µέταλλο βάσης, µε ιδιότητες τις επιθυµητές ιδιότητες επιφάνειας του αντικειµένου εναποτίθεται σχηµατίζοντας επιπρόσθετο στρώµα, το οποίο καλείται επίστρωµα ή επικάλυψη. Οι διεργασίες επικάλυψης γίνονται σε αντιδραστήρες όπου τοποθετείται το προς επικάλυψη αντικείµενο (υπόστρωµα), και το υλικό της επικάλυψης εισέρχεται υπό µορφή ατµών, από υδατικά διαλύµατα ή σε κατάσταση τήγµατος (σχήµα 3.1). ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Κατάσταση υλικού επικάλυψης ΑΕΡΙΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Φυσική εναπόθεση ατµών, PVD Χηµική εναπόθεση ατµών, CVD Χηµική εναπόθεση ΥΓΡΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΕΤΗΚΥΙΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Αναγόµωση/ Θερµικός ψεκασµός Ηλεκτροχηµική εναπόθεση Εµποτισµός εν θερµώ Εναπόθεση από κολλοειδή, Sol gel Σχήµα 3.1. Ταξινόµηση τεχνικών επικάλυψης βάσει της κατάστασης του υλικού επικάλυψης κατά την εισαγωγή του στον αντιδραστήρα. Γενικά, οι τεχνικές εναπόθεσης ατµών χαρακτηρίζονται ως τεχνικές δηµιουργίας επιστρωµάτων µικρού πάχους (<5 µm), ενώ οι τεχνικές αναγόµωσης και θερµικού ψεκασµού χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία επιστρωµάτων µεγάλου πάχους (>200 µm). Ολες οι υπόλοιπες τεχνικές χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία επικαλύψεων ενδιάµεσου πάχους (20-80 µm). 7 3.1. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ – ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΙΚΡΟΥ ΠΑΧΟΥΣ Μεγάλος αριθµός υλικών (µεταλλικών, κεραµικών ή πολυµερών) χρησιµοποιείται µε τη µορφή λεπτών επιστρωµάτων, το πάχος των οποίων µπορεί να κυµαίνεται από µερικά nm έως µερικά µm. Ειδικά για τα επιστρώµατα µε πάχος µικρότερο του 1 µm, χρησιµοποιείται ο όρος υµένιο (thin solid film). Παραδείγµατα εφαρµογών επικαλύψεων µικρού πάχους φαίνονται στον πίνακα 3.1. Πίνακας 3.1. Κύριες εφαρµογές επικαλύψεων µικρού πάχους. ΕΦΑΡΜΟΓΗ Οπτικές Ηλεκτρικές Μηχανολογικές Βιοϊατρικές ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑΤΑ Ειδικές ανακλαστικές ή απορροφητικές επικαλύψεις οπτικών µερών οργάνων υψηλής τεχνολογίας. Αγώγιµα ή µονωτικές επικαλύψεις ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Αντιτριβικές επικαλύψεις κοπτικών άκρων εργαλείων µικρού µεγέθους. Βιοσυµβατές αντιτριβικές επικαλύψεις ορθοπαιδικών εµφυτευµάτων. Ανάλογα µε τη συγκεκριµένη εφαρµογή, τα επιστρώµατα µικρού πάχους πρέπει να έχουν µικροδοµή, η οποία να εξασφαλίζει τις επιθυµητές φυσικές, χηµικές και µηχανικές ιδιότητες. Για τη δηµιουργία τους χρησιµοποιούνται θάλαµοι εναπόθεσης χαµηλής πίεσης, οι οποίοι καλούνται και θάλαµοι κενού. Η ραγδαία ανάπτυξη που σηµείωσαν τις δυο τελευταίες δεκαετίες οι τεχνικές εναπόθεσης υπό κενό, κατέστησε δυνατό τον ορθό σχεδιασµό της εναπόθεσης (επιλογή τεχνικής και συνθηκών), προκειµένου τα λαµβανόµενα επιστρώµατα να έχουν δοµή πλήρως προβλέψιµη και ελεγχόµενη. Παράλληλα, η έρευνα για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των επιστρωµάτων αυτών οδήγησε στη δηµιουργία νέων «αρχιτεκτονικών», όπως είναι τα επιστρώµατα βαθµιαίας µεταβολής της χηµικής σύστασης και τα επιστρώµατα άµορφου άνθρακα µε ιδιότητες διαµαντιού (Diamond-like Carbon coatings, DLC). Αυτά τα δυο νέα, σχετικά, επιστρώµατα εµφανίζουν εντυπωσιακά υψηλές αντοχές σε τριβή/ φθορά και σε κόπωση. Με βάση τις δράσεις που λαµβάνουν χώρα, οι τεχνικές εναπόθεσης µικρού πάχους κατατάσσονται σε δυο κύριες κατηγορίες: • Τεχνικές Φυσικής Εναπόθεσης Ατµών (Physical Vapour Deposition, PVD) • Τεχνικές Χηµικής Εναπόθεσης Ατµών (Chemical Vapour Deposition, CVD) 8 Κοινό στοιχείο των δυο τεχνικών είναι το ότι στον αντιδραστήρα επικάλυψης, το προς εναπόθεση υλικό είναι ή µεταβαίνει σε αέρια κατάσταση. Καθεµία από τις κατηγορίες αυτές περιλαµβάνει πλήθος τεχνικών, οι οποίες διαφοροποιούνται µεταξύ τους βάσει των µεθόδων ατµοποίησης του προς εναπόθεση στοιχείου, του τρόπου επιτάχυνσης των ατόµων προς το υπόστρωµα και της χρήσης ή όχι ατµόσφαιρας πλάσµατος ή δέσµης ιόντων ή δέσµης laser που υποβοηθούν την εναπόθεση. 3.1.1. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ Οι τεχνικές Φυσικής Εναπόθεσης Ατµών διακρίνονται σ’αυτές που λαµβάνουν χώρα υπό υψηλό κενό: τεχνικές Εξάχνωσης υπό κενό (Vacuum evaporation deposition) και σ’αυτές που πραγµατοποιούνται σε ατµόσφαιρα πλάσµατος (Sputtering):. 1. Απόθεση µε εξάχνωση υπό κενό Κύριο χαρακτηριστικό της τεχνικής είναι η ανάπτυξη στο θάλαµο εναπόθεσης πολύ υψηλών θερµοκρασιών. Η εναπόθεση πραγµατοποιείται σε τρία στάδια: • Στο θάλαµο εναπόθεσης (σχήµα 3.2) δηµιουργείται κενό, δηλαδή η πίεση του θαλάµου διατηρείται σε τιµές χαµηλότερες των 10-3 Pα. Σχήµα 3.2. Θάλαµος εναπόθεσης µε εξάχνωση υπό κενό. • Το προς εναπόθεση υλικό, το οποίο έχει εισαχθεί στο θάλαµο σε στερεή κατάσταση µε τη µορφή κόνεως ή ράβδου (στόχος), εξαχνώνεται. Η εξάχνωση επιτυγχάνεται µε 9 θέρµανση µέσω ωµικών αντιστάσεων, µε γεννήτρια υψηλών συχνοτήτων, µε βοµβαρδισµό ηλεκτρονίων ή µε δέσµη laser. • Ατµοί του εξαχνούµενου υλικού συµπυκνώνονται στην επιφάνεια του υποστρώµατος, όπου σχηµατίζουν την επικάλυψη. Λόγω του υψηλού κενού, στο θάλαµο το εξαχνούµενο υλικό παραµένει υπό µορφή στοιχειωδών σωµατιδίων (ατόµων), τα οποία δε συγκρούονται µεταξύ τους, αλλά κινούνται σε ευθείες γραµµές προς το υπόστρωµα που τοποθετείται µπροστά από το στόχο και σε απόσταση 20-50 cm απ’αυτόν. Κατά την εναπόθεση, τα στοιχειώδη σωµατίδια φτάνουν στο υπόστρωµα µε κινητική ενέργεια αντίστοιχη της θερµοκρασίας του θαλάµου. Εκεί, αποβάλλουν την ενέργειά τους και η θερµοκρασία του υποστρώµατος αυξάνεται (συνήθως ~500 °C). Στην επιφάνεια του υποστρώµατος τα σωµατίδια κινούνται κατά τυχαίο τρόπο και η στερεοποίησή τους αρχίζει σε σηµεία της επιφάνειας όπου υπάρχουν κρυσταλλικές ατέλειες ή ακαθαρσίες και οι οποίες δρούν ως σηµεία έναρξης πυρηνοποίησης. 2. Sputtering Σε αντίθεση µε την προηγούµενη τεχνική, κατά το Sputtering η εναπόθεση λαµβάνει χώρα εν ψυχρώ σε ατµόσφαιρα αντινοβολούντος πλάσµατος (σχήµα 3.3). Σχήµα 3.3. Σηµατική παρουσίαση της τεχνικής εναπόθεσης ατµών Sputtering. 10 Το προς απόθεση υλικό (στόχος) εισάγεται στο θάλαµο υπό τη µορφή στερεού δίσκου, πάχους µερικών χιλιοστών και προσαρµόζεται σε ψυχόµενο ηλεκτρόδιο που αποτελεί την κάθοδο. Ενα δεύτερο ηλεκτρόδιο, η άνοδος τοποθετείται απέναντι από την κάθοδο και αποτελεί, συνήθως, το φορέα του υποστρώµατος. Στο θάλαµο εναπόθεσης διοχετεύεται αδρανές αέριο, συνήθως αργό, και η κάθοδος τίθεται υπό αρνητική τάση. Το πεδίο που αναπτύσσεται µεταξύ ανόδου και καθόδου προκαλεί τον ιονισµό του αδρανούς αερίου που σχηµατίζει ηλεκτρικά αγώγιµο νέφος, το πλάσµα. Τα θετικά ιόντα του πλάσµατος έλκονται από την κάθοδο, όπου βοµβαρδίζουν το στόχο, προκαλώντας εξαγωγή στοιχειωδών σωµατιδίων του προς απόθεση υλικού. Τα σωµατίδια αυτά κινούνται προς την άνοδο, όπου και δηµιουργούν την επιθυµητή επικάλυψη. Η µικροδοµή των επιστρωµάτων που αποτέθηκαν µε την τεχνική Sputtering εξαρτάται από την πίεση του αδρανούς αερίου στο θάλαµο και τη θερµοκρασία του υποστρώµατος (σχήµα 3.4). Σχήµα 3.4. ∆ιάγραµµα ζωνών µικροδοµής κατά την εναπόθεση µε Sputtering. Για δεδοµένη πίεση στο θάλαµο εναπόθεσης και µεταβάλλοντας το λόγο Τ/Τm (όπου T: η θερµοκρασία του υποστρώµατος και Τm: το σηµείο τήξης του υλικού), είναι δυνατή η ανάπτυξη τεσσάρων τύπων µικροδοµής: 11 • Για χαµηλές τιµές Τ/Τm και σχετικά υψηλή πίεση αερίου λαµβάνεται η κρυσταλλική δοµή της ζώνης 1, η οποία χαρακτηρίζεται από ανάπτυξη κολωνοειδών κόκκων, χαµηλής συνάφειας, κάθετων στην επιφάνεια του υπόστρώµατος. • Για χαµηλές τιµές Τ/Τm και σχετικά χαµηλή πίεση αερίου λαµβάνεται η δοµή της ζώνης µετάβασης (Τ). Προκειται για πυκνή δοµή κόκκων εξαιρετικά µικρών διαστάσεων, των οποίων τα όρια είναι δυσδιάκριτα και η επικάλυψη µπορεί να χαρακτηριστεί ως άµορφη. • Με αύξηση των τιµών του λόγου Τ/Τm, η λαµβανόµενη δοµή (ζώνη 2 και 3) χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη κολωνοειδών κόκκων, των οποίων το µέγεθος αυξάνεται µε τη θερµοκρασία. Στη ζώνη 2 παρατηρούνται επίσης φαινόµενα διάχυσης µεταξύ των κόκκων, τα οποία εξασφαλίζουν την καλή τους συνάφεια, ενώ στη ζώνη 3, η ανακρυστάλλωση της επικάλυψης µπορεί να οδηγήσει και σε δοµές επίταξης. 3.1.2. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ Κατά τη χηµική εναπόθεση ατµών (σχήµα 3.5), η επικάλυψη δηµιουργείται µε τη συµπύκνωση ενός ή περισσότερων αερίων συστατικών στην επιφάνεια στερεού υποστρώµατος µέσω χηµικής αντίδρασης, ενώ η πίεση εργασίας στο θάλαµο εναπόθεσης κυµαίνεται από 1 έως 7 Ρα. Σχήµα 3.5. Σχηµατική παρουσίαση της τεχνικής χηµικής εναπόθεσης ατµών. 12 Το αντιδρόν συστατικό, εάν δεν είναι εξαρχής σε αέρια κατάσταση, µεταβαίνει σε αυτήν µε εξάτµιση από την υγρή ή εξάχνωση από τη στερεή και βρίσκεται σε επαφή ή εξαναγκάζεται σε ροή προς το υπόστρωµα, είτε µε εφαρµογή διαφοράς πίεσης, είτε µε την κίνηση φέροντος αερίου. Κατά τη χηµική εναπόθεση ατµών, οι περισσότερες αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται είναι ενδόθερµες και για την ενεργοποίησή τους απαιτείται ενέργεια, η οποία συνήθως παρέχεται στο σύστηµα µέσω της θέρµανσης του υποστρώµατος. Οι χηµικές αντιδράσεις που συνήθως λαµβάνουν χώρα στο θάλαµο χηµικής εναπόθεσης από ατµούς συνοψίζονται στον πίνακα 3.2. Πίνακας 3.2. Συνήθεις χηµικές αντιδράσεις σε θάλαµο CVD. ΕΙ∆ΟΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΤΙ∆ΡΑΣΗΣ Αντίδραση αντικατάστασης: (ΒΧm)+<A>Æ(AXm)+<B> ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Σχηµατισµός κράµατος Fe-Cr στην επιφάνεια σιδήρου, µε διοχέτευση αέριου CrCl2 Αντίδραση οξειδοαναγωγής: (ΒΧm)+m/2(H2)Æm(HX)+<B> Εναπόθεση Cr, µε διοχέτευση αέριου µίγµατος φθοριούχου χρωµίου και υδρογόνου. (ΒΧm)+(Hn|C,N,O,…|)Æ<B|C,N,O,…|>+H|X,C,N,O| Eναπόθεση οξειδίου του τιτανίου, µε διοχέτευση µίγµατος χλωριούχου τιτανίου και υδρατµών. Αντίδραση διάσπασης: ∆ιάσπαση σε ↑Τ: (ΒΧm)Æ<Μ>+m/2(X2) Εναπόθεση στερεού Zn, από τη διάσπαση ιωδιούχου ψευδαργύρου. ∆ιάσπαση σε ↓Τ: (Μ(CO)n)Æ<Μ>+n(CO) Εναπόθεση νικελίου από τη διάσπαση ανθρακικού νικελίου. Αντίδραση διµερισµού: 2(MX)Æ<M>+(MX2) Εναπόθεση Ge µε διάσπαση GeI2, στην επιφάνεια του υποστρώµατος. Κατά την εναπόθεση, εκτός από τη βασική χηµική αντίδραση, λαµβάνουν χώρα και άλλοι µηχανισµοί που συνεργούν στη δηµιουργία της επικάλυψης (σχήµα 3.6): • Τα αέρια αντιδρώντα διαχέονται προς το υπόστρωµα (α), ενώ τα πτητικά προϊόντα της αντίδρασης διαχέονται προς την αέρια φάση µέσω µιας οριακής στοιβάδας (στ). Η αύξηση της µάζας του αερίου που διαχέεται προς το υπόστρωµα προκαλεί αύξηση των πτητικών προϊόντων που επαναδιαχέονται προς την αέρια φάση. 13 Σχήµα 3.6. Φυσικοί και χηµικοί µηχανισµοί που λαµβάνουν χώρα στη χηµική εναπόθεση ατµών. • Η προσρόφηση ενός ή περισσοτέρων αερίων από την επιφάνεια του υποστρώµατος (β) συνδέεται µε εκρόφηση απ’αυτήν των πτητικών προϊόντων της αντίδρασης (ε), ακολουθώντας τους σχετικούς νόµους της φυσικοχηµείας. • Ο σχηµατισµός του στερεού (γ) ακολουθεί την κινητική της χηµικής αντίδρασης, ενώ λόγω των υψηλών θερµοκρασιών στο θάλαµο εναπόθεσης ευνοούνται φαινόµενα διάχυσης σε στερεή κατάσταση (δ) διαµέσου της επιφάνειας του υποστρώµατος προς το εσωτερικό του. Η τελευταία δράση ελέγχεται από το 2ο νόµο του Fick. Η ύπαρξη στοιβάδας διάχυσης ενισχύει την αντοχή της πρόσφυσης επιστρώµατος/ υποστρώµατος. Στο σχήµα 3.7, παρουσιάζεται η µικροδοµή CVD επικάλυψης πολυκρυσταλλικού διαµαντιού σε υπόστρωµα πυριτίου από µίγµα µεθανίου (1%) και υδρογόνου. Σχήµα 3.7. Μικροδοµή πολυκρυσταλλικού διαµαντιού CVD: (α) Κάτοψη και (β) Κάθετη τοµή. 14 3.2. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ – ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΠΑΧΟΥΣ 3.2.1. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ Ο όρος Θερµικός Ψεκασµός (Plasma Spraying) περιγράφει µια οµάδα κατεργασιών απόθεσης, κατά τις οποίες κεραµικά ή µεταλλικά σωµατίδια, ή και µίγµα τους, σε λεπτοµερή διαµερισµό, διοχετεύονται σε ρεύµα αερίου υψηλής θερµοκρασίας και αποτίθενται στην προς επικάλυψη επιφάνεια σε κατάσταση πλήρους ή µερικής τήξης. Εκεί στερεοποιούνται ταχύτατα παρέχοντας το επιδιωκόµενο επίστρωµα. Το υλικό απόθεσης παρέχεται υπό µορφή σκόνης, σύρµατος ή ράβδου, απ’όπου εξάγονται τα προς απόθεση σωµατίδια. Λόγω των χαµηλών θερµοκρασιών που αναπτύσσονται στο υπόστρωµα, κατά τον ψεκασµό, (ως 200 ºC) οι τεχνικές αυτές είναι κατάλληλες για την κάλυψη υλικών χαµηλού σηµείου τήξης, π.χ. θερµοσκληρυνόµενων πολυµερών. Tα λαµβανόµενα επιστρώµατα, -µε σύνηθες πάχος από 50 µm έως µερικά εκατοστά,- βρίσκουν ευρύτατες εφαρµογές που σχετίζονται µε την προστασία από φθορά λόγω τριβής και µηχανικής διάβρωσης, την προστασία από διάβρωση και οξείδωση σε υψηλές θερµοκρασίες, τη θερµική και ηλεκτρική µόνωση, τη βιοσυµβατότητα και την υπεραγωγιµότητα. Ειδικότερα, οι κεραµικές επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού χρησιµοποιούνται, κυρίως, για την προστασία από φθορά και ως θερµικά φράγµατα, στην αεροναυπηγική, την αυτοκινητοβιοµηχανία, τη βιοµηχανία κατασκευής σκαπτικών εργαλείων, εργαλείων επεξεργασίας βιοµηχανικών ορυκτών και µεταλλευµάτων, τη χαρτοβιοµηχανία, την κλωστοϋφαντουργία, κλπ. Ανάλογα µε την πηγή θερµότητας που χρησιµοποιείται, οι τεχνικές θερµικού ψεκασµού διακρίνονται σε τέσσερεις κατηγορίες (σχήµα 3.8): (α) Ψεκασµός µε χρήση φλόγας καύσης (combustion flame spraying), σχήµα 3.8α. Η φλόγα καύσης δηµιουργείται µε ανάφλεξη µίγµατος οξυγόνου-ακετυλενίου, µετά τη διέλευσή του από κατάλληλο ακροφύσιο. Το προς απόθεση υλικό εισάγεται µε τη µορφή σκόνης ή σύρµατος, στη φλόγα και επιταχύνεται κινούµενο προς το υπόστρωµα όπου και αποτίθεται. Λόγω της χαµηλής θερµοκρασίας της φλόγας (~3.000 °C) και της µικρής ταχύτητας κίνησης των σωµατιδίων (90-180 m/s), τα λαµβανόµενα επιστρώµατα είναι εξαιρετικά πορώδη (10-15%). Αν αυτά είναι 15 µεταλλικά, παρουσιάζουν έντονη τάση προς οξείδωση. Παρότι είναι η οικονοµικότερη των τεχνικών θερµικού ψεκασµού, οι χρήσεις της περιορίζονται σε περιπτώσεις που το υψηλό πορώδες ή το υψηλό ποσοστό οξειδίων (10-15%) στο επίστρωµα, έχουν ευνοϊκές επιπτώσεις. Σχήµα 3.8. Σχηµατική αναπαράσταση των τεχνικών θερµικού ψεκασµού 16 (β) Ψεκασµός µε δηµιουργία ηλεκτρικού τόξου (arc wire spraying), σχήµα 3.8β Η τεχνική περιορίζεται για εφαρµογές, στις οποίες το προς απόθεση υλικό είναι αγώγιµο. ∆υο καταναλισκόµενα ηλεκτρόδια θερµαίνονται στο ένα άκρο τους, µέσω ωµικής αντίστασης, και τήκονται. Με τη βοήθεια πεπιεσµένου αέρα, το τηγµένο υλικό οδηγείται προς την επιφάνεια του υποστρώµατος,. Η θερµοκρασία του αέρα φτάνει τους 4.000 °C, ενώ η ταχύτητα των σωµατιδίων τα 240 m/s. Τα λαµβανόµενα επιστρώµατα εµφανίζουν, επίσης, υψηλό πορώδες (10-20%) και υψηλό ποσοστό οξειδίων (10-20%), έχουν ωστόσο καλύτερη πρόσφυση στο υπόστρωµα, λόγω της υψηλής ταχύτητας µε την οποία προσκρούουν σ’αυτό. (γ) Ψεκασµός υψηλής ταχύτητας µε χρήση φλόγας καύσης (high velosity combustion spraying ή high velocity oxygen flame, HVOF). Mε την τεχνική αυτή επιτυγχάνονται υπερηχητικές ταχύτητες ψεκασµού (750-1.100 m/s) και θερµοκρασίες έως 4.500 °C, ενώ τα λαµβανόµενα επιστρώµατα έχουν χαµηλό πορώδες (1-2%), χαµηλό ποσοστό περιεχοµένων οξειδίων (1-5%) και πολύ καλή πρόσφυση στο υπόστρωµα. Οι κυριότερες παραλλαγές της τεχνικής είναι: • Ο ψεκασµός µε χρήση κάνης εκτόνωσης (detonation gun spraying, D-gun), σχήµα 3.8γ. Η θερµότητα παρέχεται µέσω ελεγχόµενων εκρήξεων, κατά την ανάφλεξη µίγµατος οξυγόνου-ακετυλενίου µε τη βοήθεια ηλεκτρικού σπινθήρα. Σκόνη του πρός απόθεση υλικού εισάγεται παραλλήλως του επιµήκους άξονα του κυλινδρικού δαυλού, επιταχύνεται από τα αέρια της καύσης, εξέρχεται από το δαυλό µε υπερηχητική ταχύτητα (~750 m/s) και προσπίπτοντας στην επιφάνεια του υποστρώµατος σχηµατίζει το υψηλής ποιότητας επίστρωµα. • Η τεχνική Jet-Kote, σχήµα 3.8δ. Με την τεχνική αυτή, η θερµότητα παρέχεται από ανάφλεξη µίγµατος υδρογόνου-οξυγόνου, σε θάλαµο υψηλής πίεσης. Τα καυσαέρια, που µεταφέρουν σκόνη του προς απόθεση υλικού, εξέρχονται από το δαυλό, µέσω ακροφυσίου µικρής διαµέτρου. Ετσι, επιτυγχάνονται ταχύτητες της τάξης των 1.100 m/s. (δ) Ψεκασµός µε χρήση πλάσµατος (plasma spraying). Ο δαυλός πλάσµατος αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια, µεταξύ των οποίων δηµιουργείται ηλεκτρικό 17 τόξο, µε εκκένωση υψηλής συνεχούς τάσης. Αδρανές αέριο, -συνήθως, αργό ή µίγµα αργού µε άζωτο, ήλιο ή υδρογόνο,- διοχετευόµενο µεταξύ των ηλεκτροδίων, θερµαίνεται και ιονίζεται πλήρως, δηµιουργώντας πλάσµα, το οποίο εξέρχεται του δαυλού µε τη µορφή φλόγας υψηλής θερµοκρασίας (4.500-20.000 °C) και ταχύτητας (200-600 m/s). H σκόνη του προς απόθεση υλικού εισάγεται κάθετα στη φλόγα του πλάσµατος. Ανάλογα µε το περιβάλλον όπου λαµβάνει χώρα ο ψεκασµός, διακρίνουµε τέσσερεις κύριες παραλλαγές της τεχνικής: • Ψεκασµός πλάσµατος στον αέρα (air plasma spraying, APS) ή Ατµοσφαιρικός ψεκασµός πλάσµατος, σχήµα 3.8ε. H τεχνική χρησιµοποιείται, κυρίως, για τη δηµιουργία κεραµικών επιστρωµάτων, δεδοµένου ότι οι µεταλλικές σκόνες, στον αέρα και σε υψηλές θερµοκρασίες οξειδώνονται. Η ταχύτητα κίνησης των σωµατιδίων είναι 200400 m/s και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει πορώδες 8-10% και πολύ καλή πρόσφυση µε το υπόστρωµα. • Ψεκασµός πλάσµατος σε περιβάλλον αργού (argon-shrouded plasma spraying, ASPS). • Ψεκασµός πλάσµατος υπό κενό (vacuum plasma spraying, VPS) ή χαµηλή πίεση (low pressure plasma spraying, LPPS), σχήµα 3.8στ. Με τις τεχνικές αυτές επιτυγχάνονται υψηλότερες ταχύτητες κίνησης των σωµατιδίων (400600 m/s) και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει ελάχιστο πορώδες (έως 2%) και ποσοστό οξειδίων (<0,5%). • Ψεκασµός πλάσµατος υπό ελεγχόµενη ατµόσφαιρα (controlled atmosphere plasma spraying, CAPS). Αποτελεί την πλέον προηγµένη τεχνολογία ψεκασµού πλάσµατος, ωστόσο οι δυνατότητές της δεν έχουν ακόµη διερευνηθεί πλήρως. O ψεκασµός γίνεται σε υψηλή πίεση (4 atm), που διεκολύνει τις θερµικές ανταλλαγές µέσα στη φλόγα του πλάσµατος και επιτρέπει την οµοιογενή απόθεση και αδροµερέστερων σωµατιδίων (>100µm). Tαυτόχρονα, το αδρανές αέριο ανακυκλώνεται µέσω φίλτρων και εναλλακτών θερµότητας, υποβοηθώντας έτσι την ψύξη του υποστρώµατος και την εξοικονόµηση αερίου. 18 3.2.2. ΚΥΡΙΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΠΟΘΕΣΗΣ Οι κρίσιµες παράµετροι θερµικού ψεκασµού που επηρεάζουν την ποιότητα της επικάλυψης µπορούν να ταξινοµηθούν σε αυτές που επιδρούν στην κατανοµή των θερµοκρασιών στη φλόγα του πλάσµατος, στους µηχανισµούς αλληλεπίδρασής της µε τα σωµατίδια του ψεκαζοµένου υλικού και στη στερεοποίηση των τελευταίων στην προς επικάλυψη επιφάνεια. 1. Θερµοκρασιακή κατανοµή στη φλόγα πλάσµατος Η θερµοκρασιακή κατανοµή εντός της φλόγας του πλάσµατος εξαρτάται τόσο από τη φύση, την παροχή και την πίεση των χρησιµοποιούµενων αδρανών αερίων, όσο και από την εφαρµοζόµενη ηλεκτρική τάση, που προκαλεί τον ιονισµό τους, για δεδοµένες διαστάσεις και σχήµα δαυλού. Κατά τον ψεκασµό σε ατµοσφαιρική πίεση, η τιµή της παρεχόµενης ισχύος κυµαίνεται από 10 έως 100 kW. Υπό αυτές τις συνθήκες, η θερµική απόδοση εξαρτάται κυρίως από το χρησιµοποιούµενο αέριο και κυµαίνεται από 30 έως 90%. Συνήθως, το ιονιζόµενο αέριο είναι αργό ή µίγµα αργού µε ήλιο ή διατοµικά αέρια, όπως το οξυγόνο, το άζωτο, το υδρογόνο, κλπ. Η προσθήκη των διατοµικών αυτών αερίων προκαλεί σηµαντική αύξηση της ενθαλπίας του πλάσµατος (σχήµα 3.9α), κατά συνέπεια και της θερµοκρασίας της φλόγας που εξέρχεται από το δαυλό. Η θερµοκρασία αυτή ελαττώνεται µε ταχείς ρυθµούς µε την αύξηση της απόστασης από το ακροφύσιο (σχήµα 3.9β), καθώς τα ιονισµένα θερµά αέρια αναµιγνύονται µε τον ψυχρό ατµοσφαιρικό αέρα. Τέλος, για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, όσο µικρότερη είναι η διάµετρος του ακροφυσίου, τόσο υψηλότερες θερµοκρασίες είναι δυνατό να επιτευχθούν. 2. Αλληλεπίδραση υλικού - φλόγας πλάσµατος Η προς απόθεση σκόνη εισάγεται, καθέτως ή υπό γωνία, στο πλάσµα µέσω ενός ή περισσοτέρων σωλήνων µικρής διαµέτρου, µε τη βοήθεια φέροντος αδρανούς αερίου. Η συµπεριφορά της σκόνης και τα φαινόµενα που λαµβάνουν χώρα κατά την πορεία της µέσα στο δαυλό και, εν συνεχεία, µέσα στη φλόγα του πλάσµατος εξαρτώνται από τα ίδια χαρακτηριστικά της -µορφολογικά, φυσικές και χηµικές ιδιότητες,- τις τιµές των 19 παραµέτρων εισαγωγής της στο δαυλό του πλάσµατος, καθώς επίσης και από την κατανοµή των θερµοκρασιών και των χηµικών ειδών που συναντά στην πορεία της. Σχήµα 3.9. (α) Μεταβολή της ενθαλπίας αερίων του πλάσµατος, συναρτήσει της θερµοκρασίας του, σε ατµοσφαιρική πίεση. (β) Ισοθερµοκρασιακές καµπύλες συναρτήσει της αξονικής και της ακτινικής απόστασης από το ακροφύσιο ψεκασµού, για φλόγα πλάσµατος αζώτου-υδρογόνου. (γ) Μεταβολή της ταχύτητας των αερίων πλάσµατος, σε φλόγα µε τη θερµοκρασιακή κατανοµή του σχήµατος (β). 20 Τα µορφολογικά χαρακτηριστικά του υλικού που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του είναι το σχήµα των σωµατιδίων της σκόνης, το µέγεθος τους και η κατανοµή του τελευταίου. ∆εδοµένου ότι κατά τον ψεκασµό λαµβάνει χώρα τήξη των σωµατιδίων της σκόνης, από τις κρίσιµες παραµέτρους της διεργασίας είναι η ακριβής χηµική σύσταση του ψεκαζοµένου υλικού, η πυκνότητά του, το σηµείο τήξης του, ο συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας, η τάση του προς εξάχνωση στις αναπτυσσόµενες υψηλές θερµοκρασίες και η χηµική του αδράνεια στην παρουσία των χηµικών ειδών του πλάσµατος και της περιβάλλουσας ατµόσφαιρας. Ως προς τις παραµέτρους εισαγωγής της σκόνης στο δαυλό του πλάσµατος, καθοριστικό ρόλο στη διεργασία παίζουν το είδος και η παροχή του φέροντος αερίου, ο ρυθµός τροφοδότησης της σκόνης σε αυτό, και, τέλος, η θέση, η διάµετρος και η κλίση των σωλήνων εισαγωγής της στο δαυλό. Η παροχή του φέροντος αερίου, που καθορίζεται µε βάση τη µάζα των σωµατιδίων, πρέπει να εξασφαλίζει την είσοδό τους στον πυρήνα της φλόγας του πλάσµατος, όπου αναπτύσσονται οι υψηλότερες θερµοκρασίες και ταχύτητες αερίων. Εισερχόµενα στο πλάσµα, τα σωµατίδια της σκόνης θερµαίνονται και επιταχύνονται, αποκτώντας την ταχύτητα των αερίων του πλάσµατος σε συγκεκριµένη απόσταση από το ακροφύσιο του δαυλού, η οποία εξαρτάται από τη µάζα και το µέγεθός τους (σχήµα 3.10). Σχήµα 3.10. Μεταβολή της ταχύτητας σωµατιδίων αλούµινας, διαφόρων µεγεθών, κατά την κίνησή της µέσα σε φλόγα πλάσµατος αζώτου-υδρογόνου. 21 3. Στερεοποίηση ψεκαζόµενου υλικού Τα µερικώς ή πλήρως τηγµένα σωµατίδια της σκόνης φθάνοντας στην επιφάνεια του υποστρώµατος στερεοποιούνται ταχύτατα. Ο χρόνος που απαιτείται για τη στερεοποίηση των σωµατιδίων εξαρτάται από το µέγεθός τους, -σωµατίδια µεγαλύτερης διαµέτρου στερεοποιούνται βραδύτερα από αυτά µικρότερης διαµέτρου,- και επηρεάζεται από την τιµή της θερµικής αγωγιµότητας του υποστρώµατος και τη χρησιµοποίηση ή όχι συστήµατος ψύξης του τελευταίου. Στην προσπάθεια κατανόησης των µηχανισµών στερεοποίησης, οι προσπάθειες επικεντρώθηκαν στη µαθηµατική διατύπωση της στερεοποίησης ενός σωµατιδίου υψηλής θερµοκρασίας, που προσπίπτει µε υψηλή ταχύτητα σε επιφάνεια υποστρώµατος χαµηλότερης θερµοκρασίας, δεδοµένης τραχύτητας και θερµικών ιδιοτήτων. Κατά την πρόσκρουσή τους µε την προς επικάλυψη επιφάνεια, τα σωµατίδια (σχήµα 3.11): • Εαν είναι πλήρως τηγµένα, έχουν ιξωδοελαστική συµπεριφορά και (α) είτε ρέουν οµοιόµορφα, σχηµατίζοντας δίσκους οµαλών ορίων (disc splats), είτε ρέουν µε ταυτόχρονη διάσπασή τους, δίνοντας σχηµατισµούς ανώµαλων ορίων (splash splats). • Εάν είναι µερικώς τηγµένα, παραµορφώνονται πλαστικά. • Εάν δεν έχουν υποστεί τήξη, ανακρούονται ελαστικά από την προς επίστρωση επιφάνεια προς τη φλόγα του πλάσµατος, ενώ µικρό ποσοστό τους πιθανόν να εγκλωβίζεται στη µάζα του αναπτυσσόµενου επιστρώµατος. Σχήµα 3.11. Πιθανές αλληλεπιδράσεις κατά την πρόσκρουση ψεκαζοµένων σωµατιδίων επί της προς επικάλυψη επιφάνειας. 22 3.2.3. ∆ΟΜΗ ΕΠΙΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ Η ιδιαιτερότητα της δοµής των επιστρωµάτων θερµικού ψεκασµού εκπηγάζει από τον τρόπο απόθεσης του υλικού. Ο δαυλός πλάσµατος µετακινείται εµπρός από την προς επίστρωση επιφάνεια εκτοξεύοντας σωµατίδια σκόνης, τα οποία σε τετηκυΐα κατάσταση, προσκρούουν στο υπόστρωµα ένα προς ένα. Εκεί, στερεοποιούνται ταχύτατα, δηµιουργώντας ένα «µονοσωµατιδιακό υπόστρωµα», όπου αποτίθενται τα νέα σωµατίδια σκόνης, υψηλής θερµοκρασίας, που εξακολουθούν να φθάνουν στην επιφάνεια (σχήµα 3.12α). Η διαδικασία αυτή, επαναλαµβάνεται καθ’όλη τη διάρκεια του ψεκασµού, δίνοντας στο επίστρωµα στρωµατική δοµή (σχήµα 3.12β), µε χαρακτηριστική διεπιφανειακή τραχύτητα µεταξύ των διαδοχικών στρώσεων. Το επιθυµητό πάχος επιστρώµατος, επιτυγχάνεται µε περισσότερα του ενός «περάσµατα» του δαυλού. (α) (β) Σχήµα 3.12. ∆ηµιουργία επικάλυψης θερµικού ψεκασµού: (α) Απόθεση ένα προς ένα, των σωµατιδίων της ψεκαζόµενης σκόνης. (β) Στρωµατική δοµή επιστρωµάτων θερµικού ψεκασµού. Η λαµβανόµενη, τελικά, δοµή χαρακτηρίζεται από τη συνύπαρξη τηγµένων και επαναστερεοποιηµένων, άτηκτων ή και οξειδωµένων, -στην περίπτωση ψεκασµού µεταλλικής σκόνης,- σωµατιδίων, ρωγµών και πόρων (σχήµα 3.13α). Η πρόσφυση των επικαλύψεων θερµικού ψεκασµού γίνεται µε µηχανική αγκύρωση των σωµατιδίων στο 23 υπόστρωµα (σχήµα 3.13β), γι’αυτό και επιδιώκεται οι επιφάνειες των υποστρωµάτων προ ψεκασµού να έχουν αυξηµένη τραχύτητα. (α) (β) Σχήµα 3.13. Επικάλυψη APS αλούµινας σε µεταλλικό υπόστρωµα: (α) Κάθετη τοµή και κάτοψη της επικάλυψης και (β) ∆ιεπιφάνεια επικάλυψης/ υποστρώµατος υψηλής τραχύτητας. Οι τελικές τιµές των µηχανικών ιδιοτήτων των επιστρωµάτων θερµικού ψεκασµού επηρεάζονται από αυτή την ιδιότυπη particle-by-particle δόµησή τους. Συγκρινόµενα µε τα PVD επιστρώµατα κολωνοειδούς ανάπτυξης, στα οποία οι διεπιφάνειες «χαλαρής συνάφειας» είναι κάθετες στην επιφάνεια του υποστρώµατος (σχήµα 3.14), οι επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού χαρακτηρίζονται από στρωµατική διάταξη µε διεπιφάνειες «χαλαρής συνάφειας» τις επιφάνειες µεταξύ των διαδοχικών στρώσεων. Σχήµα 3.14. Σύγκριση δοµής επικαλύψεων PVD και θερµικού ψεκασµού. 24 3.3. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΣΟΥ ΠΑΧΟΥΣ 3.3.1. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΕΜΠΟΤΙΣΜΟΥ ΕΝ ΘΕΡΜΩ Ο εµποτισµός εν θερµώ ή εµβάπτιση σε λουτρό τήγµατος (hot dipping) εφαρµόζεται, κυρίως, για την επιµετάλλωση χαλύβδινων αντικειµένων. Μετά από πολύ καλό καθαρισµό της προς επικάλυψη επιφάνειας, το αντικείµενο εµβαπτίζεται σε λουτρό τήγµατος του µετάλλου επικάλυψης. Στη διεπιφάνεια επικάλυψης/υποστρώµατος σχηµατίζονται όλες οι ενδιάµεσες φάσεις και ενώσεις που προβλέπονται στο αντίστοιχο διάγραµµα ισορροπίας του διφασικού κράµατος, ενώ η σχετικά υψηλή θερµοκρασία του λουτρού εξασφαλίζει διεπιφάνεια επικάλυψης/υποστρώµατος µε πολύ καλή πρόσφυση. Οι επικαλύψεις αυτές λειτουργούν ως «φράγµατα» της δράσης χηµικών στοιχείων και για το λόγο αυτό χρησιµοποιούνται ευρέως για την προστασία έναντι της διάβρωσης. Οι κυριότερες επικαλύψεις αυτής της κατηγορίας παρουσιάζονται στον πίνακα 3.3. Πίνακας 3.3. Κύριες τεχνικές επιµετάλλωσης µε εµβάπτιση σε λουτρό τήγµατος. Γαλβανισµός (επιψευδαργύρωση) ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΕΧΝΙΚΗΣ Λουτρό: ZnCl2 + NH4Cl Θερµοκρασία: 450-460 °C Γάνωµα (επικασσιτέρωση) Λουτρό: τήγµα Sn Θερµοκρασία: 280-300 °C Επικάλυψη αλουµινίου Λουτρό: τήγµα Al Θερµοκρασία: 650-700 °C ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΧΡΗΣΕΙΣ Εξωτερικό στρώµα: Zn ∆ιεπιφάνεια: FeZn3, FeZn7 Πάχος: <75 µm Εξωτερικό στρώµα: Sn ∆ιεπιφάνεια: FeSn, FeSn2 Πάχος: 5-30 µm Προστασία από ατµοσφαιρική διάβρωση Αντιδιαβρωτική, µη τοξική προστασία µεταλλικών βάζων διατήρησης τροφίµων Εξωτερικό στρώµα: Al Προστασία από ∆ιεπιφάνεια: FeAl, FeAl2, διάβρωση µέχρι FeAl3, Fe2Al5 θερµοκρασία 540 °C Πάχος: <50 µm 3.3.2. ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ Στο κελλί της ηλεκτραπόθεσης (σχήµα 3.15) το προς επικάλυψη αντικείµενο αποτελεί την κάθοδο, ενώ το υλικό επικάλυψης εισάγεται σ’αυτό είτε ως καταναλισκόµενη άνοδος, είτε µέσω του υδατικού διαλύµατος της ηλεκτρόλυσης, όπου προστίθεται ως άλας του µετάλλου επικάλυψης. 25 Σχήµα 3.15. Σχηµατική παρουσίαση ηλεκτρολυτικού κελλιού για την επιµετάλλωση µεταλλικών αντικειµένων. Η δηµιουργία ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων υπακούει στο νόµο του Faraday: m =α I .t . AB n. F όπου: α, η απόδοση του ρεύµατος Ι, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος (Α) t, o χρόνος επικάλυψης (s) AB & n, το ατοµικό βάρος & το σθένος αντίστοιχα του αποτιθέµενου µετάλλου, F, η σταθερά Faraday (96500 Cb). Κατά την ηλεκτρολυτική εναπόθεση από υδατικά διαλύµατα, στην κάθοδο συναποτίθεται υδρογόνο, το οποίο εγκλωβίζεται στην επικάλυψη οδηγώντας σε ψαθυροποίησή της. Γι’αυτό το λόγο, συνήθως ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις λαµβάνονται από λουτρά θερµοκρασίας 40-70 °C. Στον πίνακα 3.4, συνοψίζονται οι κυριότερες τεχνικές ηλεκτρολυτικής επικάλυψης µεταλλικών αντικειµένων, από υδατικά διαλύµατα. ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ Zn Cd Sn Πίνακας 3.4. Κύριες τεχνικές ηλεκτρολυτικής επικάλυψης. ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΧΡΩΜΑ ΕΚΤΡΙΒΗ 50-50 ΒΗΝ Θαµπό φαιό Μικρή 30-70 HV Λαµπερό λευκό Μέτρια 5 ΒΗΝ Λαµπερό λευκό Μικρή Cu Ni Cr Al 50-220 HV 140-500 ΗV 900-1100 HV 30-90 HV Λαµπερό ροζ Λευκό Λευκό Μικρή Καλή Αριστη Μικρή Co 250-300 Knoop Φαιό Καλή ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Αντιδιαβρωτικές Αισθητικές Αντιδιαβρωτικές, αντιµικροβιακές Ηλεκτρικές Αντιδιαβρωτικές Αντιτριβικές Θερµικής προστασίας Οπτικές 26 3.3.3. ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ Οι χηµικές επικαλύψεις (chemical ή electroless coatings) δηµιουργούνται στην επιφάνεια µεταλλικών αντικειµένων µε εµβάπτισή τους σε υδατικό λουτρό άλατος του προς εναπόθεση µετάλλου. Με αυτή την τεχνική εναποτίθενται συνήθως επικαλύψεις νικελίου-βορίου ή νικελίου-φωσφόρου. Γενικά, η σκληρότητα των χηµικών επικαλύψεων είναι χαµηλή και για την αύξησή της απαιτείται θερµική κατεργασία των επικαλύψεων. Εκτός απ’αυτό το µειονέκτηµα, οι χηµικές επικαλύψεις παρουσιάζουν πλεονεκτήµατα, όπως: • Χαµηλή θερµοκρασία εναπόθεσης • Επικαλύψεις υψηλής αντιδιαβρωτικής προστασίας. • Εφαρµογή σε αντικείµενα σύνθετης γεωµετρίας • Επιτρέπουν τη συναπόθεση σκληρών σωµατιδίων ενίσχυσης ή και PTFE για τη δηµιουργία σύνθετων αντιτριβικών επικαλύψεων. • Εφαρµόζονται σε όλα σχεδόν τα υποστρώµατα, αγώγιµα και µη. Οι σηµαντικότερες τεχνικές χηµικής επικάλυψης χαλύβων µε βιοµηχανικό ενδιαφέρον είναι η φωσφάτωση και η χηµική επινικέλωση. • Στη φωσφάτωση το χαλύβδινο αντικείµενο βυθίζεται σε υδατικό διάλυµα φωσφορικού οξέος, όπου λαµβάνει χώρα χηµική αντίδραση µε το υπόστρωµα: 2Η3PO4 + Fe Æ Fe(H2PO4)2 + H2↑ Το φωσφορικό άλας εναποτίθεται στην επιφάνεια σε πάχος 10-20 µm, παρέχοντας σηµαντική προστασία του υποστρώµατος από διάβρωση. Πολλές φορές, η φωσφάτωση αποτελεί το πρώτο στάδιο επιφανειακής κατεργασίας που προετοιµάζει τη µεταλλική επιφάνεια για να δεχθεί επικάλυψη µε οργανικές βαφές ή λιπαντικά υγρά. • Στη χηµική επινικέλωση το χαλύβδινο αντικείµενο βυθίζεται σε υδατικό διάλυµα άλατος του νικελίου, όπου λαµβάνει χώρα χηµική αντίδραση µε το υπόστρωµα: 2NiSO4 + 2NaH2PO2 + 2H2O Æ 2Ni + 2NaHPO4 + 2H2HPO4 + H2↑ Η χηµική εναπόθεση νικελίου υπερτερεί της ηλεκτρολυτικής, αφού δεν απαιτείται ηλεκτρική αγωγιµότητα του υποστρώµατος και µπορεί να εφαρµοστεί σε αντικείµενα σύνθετης γεωµετρίας. Το πάχος τηςεπικάλυψης φτάνει τα 10-20 µm και βρίσκει, κυρίως, αντιδιαβρωτικές εφαρµογές. 27 3.4. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ – ΑΝΟ∆ΙΩΣΗ 3.4.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην κατηγορία αυτή των επικαλύψεων, επιφανειακό στρώµα του µετάλλου βάσης µετατρέπεται σε συµπαγές στρώµα οξειδίου, πάνω στο οποίο οικοδοµείται η κυρίως επικάλυψη. Σηµαντικότερη τεχνική αυτής της κατηγορίας είναι η κατεργασία της ανοδίωσης (anodising), η οποία εφαρµόζεται σε όλα τα αντικείµενα αλουµινίου, από αυτά απλών δοµικών χρήσεων έως τµήµατα αεροναυπηγικών κατασκευών, προσφέροντάς τους χηµική αδράνεια σε ατµοσφαιρικές συνθήκες και υψηλή σκληρότητα επιφάνειας. Ως επιφανειακή κατεργασία του αλουµινίου, η ανοδίωση εφαρµόζεται περισσότερο από 50 χρόνια. Με την ανοδίωση, µετασχηµατίζεται η επιφάνεια του αλουµινίου και δηµιουργείται, τεχνητά, ένα στρώµα οξειδίου. Επειδή η διαδικασία γίνεται σε απόλυτα ελεγχόµενες συνθήκες, αυτό το στρώµα οξειδίου είναι πάρα πολύ συνεκτικό και σκληρό. Το στρώµα αυτό, επειδή είναι ήδη οξείδιο, όταν εκτίθεται στην ατµόσφαιρα δεν διαβρώνεται και έτσι προστατεύει το µέταλλο. Το ανοδικό επίστρωµα που το πάχος του κυµαίνεται από 10-25 µm, είναι διαφανές και η δοµή του φέρει πόρους και επιτρέπει την ενσωµάτωση χρωστικών υλών για την ηλεκτροστατική βαφή του που ακολουθεί. Μερικά από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της ανοδίωσης είναι: • Το στρώµα ανοδίωσης δηµιουργείται από το ίδιο το µέταλλο, είναι πλήρως ενσωµατωµένο σ'αυτό και έτσι δεν υπάρχουν προβλήµατα πρόσφυσης. • Η αντιδιαβρωτική συµπεριφορά της ανοδίωσης είναι πάρα πολύ καλή, εφόσον τηρηθούν όλοι οι κανόνες παραγωγικής διαδικασίας, εφαρµογής και χρήσης. • Τα ανοδιωµένα προϊόντα αλουµινίου έχουν µεταλλική εµφάνιση. 3.4.2. ΣΤΑ∆ΙΑ ΑΝΟ∆ΙΩΣΗΣ Τα βασικά στάδια της δηµιουργίας ανοδικού επιστρώµατος είναι: η προεργασία, η ανοδίωση, ο χρωµατισµός (αν απαιτείται) και το σφράγισµα. Προεργασία: Οι επιφάνειες που πρόκειται να ανοδιωθούν υποβάλλονται, συνήθως, σε µηχανικές ή και σε χηµικές επεξεργασίες λείανσης µε κατάλληλα λειαντικά µέσα ή χηµικά αντιδραστήρια. Σκοπός αυτής της επεξεργασίας είναι να δώσει στην επιφάνεια 28 εµφάνιση γυαλιστερή ή µατ. Στην συνέχεια, τα τεµάχια αλουµινίου υφίστανται επεξεργασία απολίπανσης (σόδα) και εξουδετέρωσης (νιτρικό οξύ). Ανοδίωση: Η διαδικασία γίνεται µε ηλεκτρόλυση (διοχέτευση συνεχούς ρεύµατος), σε µπάνιο θειικού οξέος, κάτω από αυστηρές συνθήκες ελέγχου των συγκεντρώσεων των χηµικών συστατικών, της θερµοκρασίας, της πυκνότητας του ρεύµατος κτλ. Αποτέλεσµα της ηλεκτρόλυσης είναι η, -µε απόλυτα ελεγχόµενο τρόπο,- οξείδωση της επιφάνειας του αλουµινίου. Το ανοδικό επίστρωµα είναι διαφανές και έχει ιδιότυπη πορώδη δοµή µε πόρους κάθετους την αρχική επιφάνεια του µετάλλου (σχήµα 3.16). ∆οµικό στοιχείο Πόρος ∅ ~35 nm ∅ ~15 nm Ανοδικό στρώµα Πάχους ~20 µm Συµπαγές στρώµα Al2O3 Πάχους ~15 nm Κράµα Al (α) (β) Σχήµα 3.16. ∆οµή ανοδικών στρωµάτων: (α) Σχηµατική παρουσίαση, (β) Μικροδοµή από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης (SEM). 29 Χρωµατισµός: Το έγχρωµο ανοδιωµένο αλουµίνιο επιτυγχάνεται µε την εναπόθεση έγχρωµων στοιχείων στους πόρους του ανοδικού επιστρώµατος (ηλεκτρολυτικός χρωµατισµός) και γίνεται µετά την φάση της ανοδίωσης και πριν τη φάση του σφραγίσµατος. Τα πλέον διαδεδοµένα χρώµατα ανοδίωσης είναι οι αποχρώσεις του καφέ. Αυτό επιτυγχάνεται µε την εµβάπτιση των τεµαχίων σε µπάνιο που περιέχει άλατα κασσιτέρου (Sn). Ανάλογα µε το χρόνο παραµονής τους στο µπάνιο, επιτυγχάνονται οι διάφορες αποχρώσεις του καφέ. Σφράγισµα: Το σφράγισµα των πόρων αποτελεί µία από τις βασικότερες διεργασίες προκειµένου να εξασφαλισθεί η σωστή προστασία του αλουµινίου. Όπως αναφέρθηκε πριν, το ανοδικό επίστρωµα παρουσιάζει πόρους. Στα σηµεία των πόρων, το πάχος της ανοδίωσης είναι πολύ µικρό (2-3 µικρά), και η προστασία στα σηµεία αυτά είναι ασθενής. Με την διαδικασία του σφραγίσµατος ενυδατώνεται το οξείδιο του αλουµινίου και µε διόγκωσή του στη συνέχεια σφραγίζονται οι πόροι. Επιπλέον, στην περίπτωση που έχει προηγηθεί η διαδικασία του ηλεκτρολυτικού χρωµατισµού, οι χρωστικές ύλες εγκλωβίζονται µέσα στους πόρους και εξασφαλίζεται έτσι η σταθερότητα του χρώµατος στον χρόνο. Το σφράγισµα των πόρων επιτυγχάνεται µε δύο τρόπους : • Ζεστό σφράγισµα, γίνεται µε την εµβάπτιση των τεµαχίων αλουµινίου σε απιονισµένο νερό 96οC, τουλάχιστον για 2 min για κάθε µm πάχους ανοδίωσης. • Κρύο σφράγισµα, γίνεται µε την εµβάπτιση σε µπάνιο θερµοκρασίας 25-30 0C που περιέχει άλατα φθοριούχου νικελίου κάτω από αυστηρά ελεγχόµενες συνθήκες συγκεντρώσεων των συστατικών, pΗ, θερµοκρασίας κτλ. Η ολοκλήρωση του σφραγίσµατος επιτυγχάνεται µε την παραµονή των τεµαχίων σε µπάνιο θειικού νικελίου 60 0C και για 0,8 - 1,2 min για κάθε µm πάχους ανοδίωσης. 30 3.4.3. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΑΝΟ∆ΙΩΜΕΝΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ Ανάλογα µε την τελική εφαρµογή του τελικού αντικειµένου, η χηµική σύσταση των λουτρών ανοδίωσης και η θερµοκρασία τους µεταβάλλονται, ώστε το ανοδικό στρώµα να έχει το πάχος και τις ιδιότητες που απαιτούνται. Ενδεικτικά: • Η κοινή θειική ανοδίωση χρησιµοποιείται για διαφανή ανοδικά στρώµατα µε πάχος 5-30 µm που βρίσκουν εφαρµογές στη διακόσµηση και την αρχιτεκτονική. • Η χρωµική ανοδίωση χρησιµοποιείται για φαιά ανοδικά στρώµατα µε πάχος 3-7 µm που βρίσκουν εφαρµογές στη ναυπηγική και την αεροναυπηγική. • Η σκληρή ανοδίωση χρησιµοποιείται για ανοδικά στρώµατα υψηλής σκληρότητας µε πάχος 30-80 µm που βρίσκουν µηχανολογικές εφαρµογές. Στο σχήµα 3.17 παρουσιάζονται αντικείµενα αλουµινίου µετά από επιφανειακή κατεργασία ανοδίωσης. Σχήµα 3.17. Εξαρτήµατα οπλικών συστηµάτων από κράµα Al, µετά από ανοδίωση: (α) Μετά το σφράγισµα των πόρων και (γ) Μετά από ηλεκτροστατική βαφή. 31 4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Οι τεχνικές τροποποίησης επιφανειακών στρωµάτων του υλικού του αντικειµένου που υποβάλλεται σε κατεργασία έχουν ως στόχο: • Την αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας του αντικειµένου. Αυτό, γενικά, έχει ως συνέπεια την αύξηση της αντοχής του υλικού σε φθορά λόγω τριβής. • Την εισαγωγή «επωφελών» πεδίων εσωτερικών τάσεων σε υποεπιφανειακό στρώµα. Οι θλιπτικές παραµένουσες τάσεις σε επιφανειακό στρώµα ενός µεταλλικού αντικειµένου συνεισφέρουν θεαµατικά στην απόκριση του υλικού υπό καθεστώς εναλλασσόµενων φορτίσεων (κόπωση). Η επίτευξη των στόχων που προαναφέρθηκαν γίνεται µε τεχνικές επιφανειακής κατεργασίας είτε µε µηχανικό ή θερµικό τρόπο χωρίς µεταβολή στη χηµική σύσταση του υλικού, είτε µε διάχυση στο επιφανειακό στρώµα «ευκίνητων» ατόµων (σχήµα 4.1). ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΥΛΙΚΟΥ ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΣΥΣΤΑΣΗΣ Σφαιροβολή (εισαγωγή θλιπτικών τάσεων) Φλογοβαφή (µετασχηµατισµός φάσεων) Επαγωγική βαφή (µετασχηµατισµός φάσεων) ΜΕ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΣΥΣΤΑΣΗΣ Εναζώτωση Ενανθράκωση Ενανθρακαζώτωση Βορίωση Σχήµα 4.1. Γενική ταξινόµηση τεχνικών ενίσχυσης µεταλλικών υλικών µε τροποποίηση επιφανειακών στρωµάτων τους. 4.1. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Η µηχανική τροποποίηση επιφανειακών στρωµάτων αφορά κυρίως σιδηρούχα κράµατα (χάλυβες και χυτοσιδήρους) και συνίσταται στην απορρόφηση από το υλικό κρουστικής ενέργειας που προέρχεται είτε από το βοµβαρδισµό της επιφάνειας µε σωµατίδια (σφαιροβολή, shot peening), είτε από την εκτόνωση πλάσµατος δηµιουργηµένου από laser (laser shock hardening). 32 Κατά τη σφαιροβολή, δέσµη ταχέως κινούµενων σφαιριδίων από σκληρυµένο χάλυβα, κεραµικό ή γυαλί προσκρούει στην κατεργαζόµενη επιφάνεια (σχήµα 4.2) προκαλώντας πλαστική παραµόρφωση των επιφανειακών στρωµάτων του υλικού, η οποία εισάγει µεταβολές στο πεδίο των επιφανειακών τάσεων (σχήµα 4.3α). Πιο συγκεκριµένα, εισάγονται θλιπτικές τάσεις, οι οποίες στην περίπτωση εναλλασσόµενης µηχανικής φόρτισης κατά τη λειτουργία του αντικειµένου, µειώνουν το µέγεθος των συνολικών τάσεων που εµφανίζονται στο υλικό (σχήµα 4.3β). Το βάθος µεταβολής των τάσεων, καθώς και το µέγεθός τους, ελέγχεται πλήρως µε την κατάλληλη επιλογή των συνθηκών σφαιροβολής: µέγεθος σφαιριδίων και σκληρότητα, ταχύτητα και γωνία προσπτωσης στη µεταλλική επιφάνεια, χρόνος κατεργασίας. Εκτός από την εισαγωγή θλιπτικών τάσεων που ενισχύουν την αντοχή του υλικού σε κόπωση, το επιφανειακό στρώµα σφαιροβολής εµφανίζει επίσης υψηλότερη σκληρότητα και αντοχή σε διάβρωση υπό τάση. (α) Σχήµα 4.2. Επιφανειακή κατεργασία µε σφαιροβολή: (α) Βιοµηχανική εφαρµογή και (β) Σχηµατική παρουσίαση της τεχνικής. (β) Σχήµα 4.3. Μεταβολή πεδίου τάσεων σε επιφανειακό στρώµα: (α) Θλιπτικές επιφανειακές τάσεις µετά τη σφαιροβολή και (β) Μείωση συνολικών τάσεων κατά τη λειτουργία. 33 4.2. ΘΕΡΜΙΚΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Κατά την επιφανειακή σκλήρυνση µε παροχή θερµότητας, σε επιφανειακό στρώµα υλικού λαµβάνουν χώρα µεταλουργικοί µετασχηµατισµοί µε δηµιουργία φάσεων υψηλότερης σκληρότητας απ’αυτή του µετάλλου βάσης. Πρόκειται, δηλαδή, για επιφανειακή βαφή του αντικειµενου (θέρµανση ακολουθούµενη από ταχεία ψύξη) και αφορά κατά κύριο λόγο σιδηρούχα κράµατα. 4.2.1. ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΕΠΑΦΑΝΕΙΑΚΗ ΒΑΦΗ ΧΑΛΥΒΩΝ Κατά την επιφανειακή βαφή χαλύβων διακρίνονται τρεις ζώνες, στις οποίες λαµβάνουν χώρα διαφορετικοί µεταλλουργικοί µετασχηµατισµοί, ως συνέπεια της θερµοκρασίας που αναπτύσσεται σ’αυτές κατά τη θέρµανση του αντικειµένου (σχήµα 4.4): • Επιφανειακό στρώµα χάλυβα θερµαίνεται σε θερµοκρασία υψηλότερη της θερµοκρασίας ωστενιτοποίησης (Αc3), ώστε να έχουµε πλήρη ωστενιτοποίηση του στρώµατος αυτού. Με ταχεία ψύξη του αντικειµένου, ο ωστενίτης µετατρέπεται σε µαρτενσίτη, ενώ το ποσοστό του υπολειπόµενου ωστενίτη είναι ελάχιστο. • Στη ζώνη του υλικού κάτω από το επιφανειακό στρώµα βαφής (θερµικά επηρεασµένη ζώνη), στην οποία οι αναπτυσσοµενες θερµοκρασίες είναι µεταξύ της Αc3 και της Αc1, σηµειώνεται µερική ωστενιτοποίηση που κατά την ταχεία ψυξη δίνει φερριτική-µπαινιτική δοµή. • Στο υποκείµενο υλικό του οποίου η θερµοκρασία δεν ξεπερνα την Αc1, παρατηρείται επαναφορά και ελάχιστη µείωση της σκληρότητας του υλικού. Σχήµα 4.4. Μεταβολή των επιφανειακών ιδιοτητων χαλύβων µετά από επιφανειακή βαφή. 34 4.2.2. ΒΑΘΟΣ ΕΠΑΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ ΧΑΛΥΒΩΝ Το βάθος βαφής, καθώς επίσης και το βάθος της θερµικά επηρεασµένης ζώνης (HAZ), µπορούν να προβλεφθούν µε ασφάλεια µε κατάλληλη επιλογή των βασικών παραµέτρων της θερµικής κατεργασίας (παρεχόµενη θερµική ισχύς και χρόνος κατεργασίας). Το βάθος βαφής χαρακτηρίζεται, –κατά σύµβαση,– από σκληρότητα µεγαλύτερη των 550 ΗV και συνήθως κυµαίνεται µεταξύ 1-2 mm, αλλά µπορεί να φθάσει µέχρι 6-8 mm, αναλόγως των συνθηκών κατεργασίας και της χηµικής σύστασης του χάλυβα. Στό σχήµα 4.5, παρουσιάζονται ποιοτικά, ως συνάρτηση του βάθους από την επιφάνεια, οι κατανοµές της θερµοκρασίας κατά την επιφανειακή θέρµανση µε διαφορετικές συνθήκες κατεργασίας: Παροχή υψηλής θερµικής ισχύος για σύντοµο χρονικό διάστηµα, έχει ως αποτέλεσµα: • Πολύ υψηλή θερµοκρασία στην κατεργαζόµενη επιφάνεια. • Πολύ µικρό βάθος επιφανειακού στρώµατος ωστενιτοποίησης. • Πολύ µικρού πάχους θερµικά επηρεασµένη ζώνη. Παροχή χαµηλής θερµικής ισχύος για µεγάλο χρονικό διάστηµα, έχει ως αποτέλεσµα: • Χαµηλότερη θερµοκρασία στην επιφάνεια. • Μεγαλύτερο βάθος βαφής. • Μεγάλο πάχος θερµικά επηρεασµένης ζώνης. Σχήµα 4.5. Μεταβολή της κατανοµής θερµοκρασίας για δυο διαφορετικές συνθήκες κατεργασίας. 35 4.2.3. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ ΧΑΛΥΒΩΝ Η σκλήρυνση µε επιφανειακή βαφή εφαρµόζεται σε κοινούς ανθρακούχους χάλυβες και µικροκραµατωµένους χάλυβες µε ποσοστό άνθρακα 0.3-0.6%. Στα πλεονεκτήµατα της µεθόδου συγκαταλέγονται το χαµηλό της κόστος και η δυνατότητα κατεργασίας σε σχετικά µεγάλο βαθος από την επιφάνεια. Τα κυριότερα µειονεκτήµατά της είναι οι περιορισµοί που τίθενται από τη χηµική σύσταση των χαλύβων, καθώς και η πιθανότητα διαστασιακής στρέβλωσης του αντικειµένου. Η επιφανειακή θέρµανση γίνεται συνήθως µε χρήση επαγωγικών πηνίων (επαγωγική βαφή, induction hardening), φλόγιστρων (φλογοβαφή, flame hardening), αντιστάσεις υψίσυχνου ρεύµατος (high frequency resistance hardening), δεσµών υψηλής ενεργειας (laser transformation hardening και electron beam hardening). Η ταχεία ψύξη γίνεται µε ψεκασµό ή βυθιση του αντικειµένου σε νερό ή λάδι. Στον πίνακα 4.1., παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά των τεχνικών επιφανειακής βαφής χαλύβων. Πίνακας 4.1. Κύρια χαρακτηριστικά τεχνικών επιφανειακής βαφής χαλύβων. ΦΛΟΓΟΒΑΦΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΒΑΦΗ ΒΑΦΗ ΜΕ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ • • • • • Τοπική θέρµανση µε φλόγα αερίων (ακετυλένιο, προπάνιο ή φυσικό αέριο). Βάθος σκλήρυνσης εξαρτώµενο από τη µεταφορά θερµότητας από το µίγµα καυσίµου/ οξυγόνου προς το αντικείµενο. Αυτοµατοποιηµένες διατάξεις θέρµανσης/ ψύξης Ευκολία κατεργασίας αντικειµένων σύνθετης γεωµετρίας. Ενίοτε δαπανηρή και δύσκολα ελεγχόµενη. • • • • • Πηνίο διαρρέεται από • εναλλασσόµενο ρεύµα επάγοντας δινορρεύµατα • στο κατεργαζόµενο • τεµάχιο. Τα δινορρεύµατα προκαλούν θέρµανση λόγω του φαινοµένου Joule. Υψηλή συχνότητα ρεύµατος στο πηνίο (500kHz) προκαλεί µικρό βάθος βαφής (0,5mm). Χαµηλή συχνότητα ρεύµατος στο πηνίο (1kHz) προκαλεί µεγάλο βάθος βαφής (5mm). Ταχεία, επαναλήψιµη και «καθαρή». Ταχεία απαγωγή της θερµότητας µε υδρόψυξη. Επιλεκτική σκλήρυνση. Χαµηλό κόστος. 36 4.3. ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Ο όρος θερµοχηµική κατεργασία (thermochemical surface treatment) χρησιµοποιείται για την περιγραφή µιας οµάδας επιφανειακών κατεργασιών που συνίστανται στον εµπλουτισµό επιφανειακού στρώµατος χάλυβα σε άνθρακα, άζωτο ή βόριο. Ο εµπλουτισµός γίνεται µε µηχανισµούς διάχυσης σε στερεή κατάσταση, οι οποίοι επιταχύνονται σε σχετικά υψηλές θερµοκρασίες. Το φαινόµενο υπακούει στο δεύτερο νόµο του Fick, για διάχυση σε µη µόνιµη κατάσταση. Το προς κατεργασία αντικείµενο τοποθετείται στον αντιδραστήρα υψηλής θερµοκρασίας, όπου βρίσκεται σε άµεση επαφή µε το φορέα του στοιχείου διάχυσης που εισάγεται υπό τη µορφή σκόνης (pack cementation), αερίου ή τηγµένου άλατος. Οι πιο συχνά εφαρµοζόµενες θερµοχηµικές κατεργασίες σε βιοµηχανική κλίµακα είναι: • Eνανθράκωση (carburising) • Eναζώτωση (nitriding) • Eνανθρακαζώτωση (nitrocarburising) • Bορίωση (boronising) 4.3.1. ΕΝΑΝΘΡΑΚΩΣΗ Η ενανθράκωση εφαρµόζεται κυρίως σε χάλυβες µε χαµηλό ποσοστό άνθρακα (0,100,25%) και πραγµατοποιείται σε δυο στάδια: • 1ο στάδιο διάχυσης O χάλυβας θερµαίνεται παρουσία ενανθρακωτικού µέσου σε θερµοκρασία πλήρους ωστενιτοποίησης (900-950 °C). Τα άτοµα άνθρακα διαχέονται στο πλέγµα του ωστενίτη, σε ορισµένο βάθος από την επιφάνεια, µέχρι την τιµή της µέγιστης διαλυτότητας σ’ αυτόν (0,80 %). Ακολουθεί βραδεία απόψυξη µέχρι τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Λόγω της παρατεταµένης θέρµανσης, σχηµατίζονται κόκκοι µεγάλου µεγέθους, τόσο στον πυρήνα (φερρίτης και περλίτης), όσο και στην εµποτισµένη επιφάνεια (σεµεντίτης και περλίτης). • 2ο στάδιο βαφής Μετά τη διάχυση το αντικείµενο θερµαίνεται σε θερµοκρασία υψηλότερη της Αc3, ώστε ο χονδρόκοκκος ωστενίτης του πυρήνα να µετασχηµατιστεί σε λεπτόκοκκο ωστενίτη και ακολουθεί βαφή σε νερό. Ετσι, ο λεπτόκοκκος ωστενίτης του πυρήνα 37 µετασχηµατίζεται σε λεπτόκοκκο φερρίτη και µαρτενσίτη, η δοµή όµως της εµποτισµένης επιφάνειας παραµένει χονδρόκοκκη. Το αντικείµενο, σε δεύτερη φαση, επαναθερµαίνεται στους 760 οC και σχηµατιζεται λεπτόκοκκος ωστενίτης ευτηκτοειδούς σύστασης στην εµποτισµένη επιφάνεια. Με τη βαφή σε λάδι που ακολουθεί, ο λεπτόκοκκος αυτός ωστενίτης µετασχηµατίζεται σε λεπτόκοκκο σκληρό µαρτενσίτη, ενώ ο µαρτενσίτης του πυρήνα υφίσταται επαναφορά. Ως µέσα ενανθράκωσης (πηγές ατµόµων άνθρακα που θα διαχυθουν) χρησιµοποιούνται είτε µίγµατα κόνεων ξυλάνθρακα και ανθρακούχων ενώσεων, τήγµατα ανθρακούχων ενώσεων, είτε αέρια µίγµατα οξειδίων του άνθρακα, υδρογονανθράκων και υδρογόνου. Το βάθος εµποτισµού εξαρτάται από τη θερµοκρασία και το χρόνο της κατεργασίας. Για δεδοµένη θερµοκρασία το βάθος εµποτισµού δίνεται από την εµπειρική σχέση: x=(2Dt)1/2, όπου: D ο συντελεστής διάχυσης και t ο χρόνος ενανθράκωσης. Συνήθως επιλέγεται να ενανθρακωθεί το χαλύβδινο αντικείµενο σε βάθος ίσο προς το 10% της µέγιστης διάστασης της διατοµής του. Ο χρόνος ενανθράκωσης κυµαίνεται µεταξύ 4-5 h, ενώ ο συντελεστής διάχυσης αυξάνεται µε αύξηση του ποσοστού C. Όταν ενανθρακώνονται αντικείµενα µε πολύπλοκη γεωµετρία και διαβαθµίσεις πάχους, πρέπει να δίνεται µεγάλη προσοχή στα σηµεία µεγάλης καµπυλότητας, όπου το βάθος ενανθράκωσης µπορεί να είναι µεγαλύτερο από το πάχος του αντικειµένου. Στην περίπτωση αυτή δηµιουργούνται καρβίδια στα όρια κόκκων που οδηγούν σε ψαθυρή συµπεριφορά του υλικού. 4.3.2. ΕΝΑΖΩΤΩΣΗ Η εναζώτωση πραγµατοποιείται σε θερµοκρασία 500-525 °C (χαµηλότερη της ευτηκτικής του συστήµατος Fe-N ~590 °C), χωρίς ο χάλυβας να υφίσταται ωστενιτοποίηση. H διάχυση του αζώτου στο πλέγµα του φερρίτη (α-Fe) οδηγεί στο σχηµατισµό κατακρηµνισµάτων ή στρώµατος νιτριδίων, στα οποία οφείλεται η πολύ υψηλή επιφανειακή σκληρότητα. Οταν στο χάλυβα περιέχονται και στοιχεία όπως Al, Cr, Mo and V, τα οποία έχουν την τάση σχηµατισµού νιτριδίων η σκληρότητα στο επιφανειακό στρώµα µπορεί να υπερβεί τα 750HV. Επιπλέον, το χαλύβδινο αντικείµενο υφίσταται: 38 • Βελτίωση της αντοχής σε κόπωση (σχήµα 4.6), λόγω της εισαγωγής «επωφελούς» πεδίου θλιπτικών τάσεων στην επιφανειακή στιβάδα, που προέρχεται από τη στρέβλωση του κρυσταλλικού πλέγµατος του Fe από την παρουσία των νιτριδίων. • Βελτίωση της αντοχής σε φθορά, λόγω του χαµηλού συντελεστή τριβής των νιτριδίων Σχήµα 4.6. Βελτίωση της συµπεριφοράς σε κόπωση εναζωτωµένου χυτοσιδήρου. Σε σχέση µε την ενανθράκωση, η εναζώτωση υπερτερεί λόγω της χαµηλότερης θερµοκρασίας της κατεργασίας, της υψηλής σκληρότητας που λαµβάνεται και παραµένει σταθερή σε θερµοκρασίες µέχρι και τους 500° C και της µη αναγκαιότητας περαιτέρω βαφής, ενώ µειονεκτεί λόγω του µεγάλου χρόνου που απαιτείται και του µικρού πάχους κατεργασίας που επιτυγχάνεται (ως ~700 µm). 39 4.3.3. ΕΝΑΝΘΡΑΚΑΖΩΤΩΣΗ Κατά την ενανθρακαζώτωση πραγµατοποείται ταυτόχρονη ενανθράκωση και εναζώτωση των χαλύβδινων προϊόντων σε θερµοκρασία 570°C. Τα συνήθη µέσα βιοµηχανικής ενανθρακαζώτωσης είναι είτε λουτρά τήγµατος κυανιούχων αλάτων, είτε αέρια µίγµατα ΝΗ3 και CO. Με την κατεργασία αυτή δηµιουργείται (σχήµα 4.7): • Ενα επιφανειακό στρώµα αντίδρασης, που καλείται συνήθως «λευκό στρώµα», το οποίο αποτελείται κυρίως από ε-καρβονιτρίδιο και εµφανίζει υψηλή µικροσκληρότητα και άριστη συµπεριφορά σε φθορά/ τριβή. • Μια ζώνη διάχυσης, θλιπτικών παραµενουσών τάσεων, η σκληρότητα της οποίας µειώνεται µε το βάθος από την επιφάνεια. AISI D6: 2% C, 12.5% Cr, 0.8% Mn, 0.3% Si Ζώνη διάχυσης Μικροδοµή εξαρτώµενη από τα κραµατικά στοιχεία Αύξηση της αντοχής σε κόπωση AISI H13: 0.4% C, 5.2% Cr, 1.4% Μο, 1% Si, 0.9% V, 0.4%Mn Ζώνη αντίδρασης ε-καρβονιτρίδιο Fe2-3(C,N) & γ’-νιτρίδιο Fe4N Αύξηση της αντοχής σε φθορά λόγω τριβής: (α) Μικροσκληρότητα (ΗV 0.3) 1000 Κατεργασµένη ζώνη 900 Μέταλλο βάσης 800 700 600 AISI H13 500 400 300 AISI D6 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Απόσταση από την επιφάνεια (µm) (β) Σχήµα 4.7. Ενανθρακαζώτωση δυο εργαλειοχαλύβων: (α) Μικροδοµή επιφανειακού στρώµατος (κάθετη τοµή) και (β) Κατανοµή της µικροσκληρότητας µε το βάθος κατεργασίας. 40 4.3.4. ΒΟΡΙΩΣΗ Κατά τη βορίωση, άτοµα βορίου διαχέονται στην επιφάνεια κοινού ανθρακούχου ή µικροκραµατωµένου χάλυβα σε θερµοκρασία 950°C. Το επιφανειακό στρώµα βοριδίων του σιδήρου που δηµιουργείται έχει συνήθως πάχος ~100µm (αναλόγως του χρόνου κατεργασίας), ενώ η σκληρότητά του κυµαίνεται από 1800 έως 2100HV. Εκτός απο τους χάλυβες η τεχνική µπορεί επίσης να εφαρµοστεί για την επιφανειακή κατεργασία κραµάτων κοβαλτίου, νικελίου και τιτανίου. (α) (β) Σχήµα 4.8. (α) Μικροδοµη βοριωµένου χάλυβα και (β) Καµπύλες διάβρωσης από τηγµένα µέταλλα Εκτός από την υψηλή σκληρότητα, στα πλεονεκτήµατα της τεχνικής συγκαταλέγεται η πολύ καλή πρόσφυση του στρώµατος των βοριδίων λόγω της ιδιαίτερης «οδοντωτής» 41 δοµής που λαµβάνεται (σχήµα 4.8α) και η πολύ υψηλή προστασία που προσφέρει στο υποκείµενο µέταλλο ένατι διάβρωσης από τηγµένα µέταλλα (σχήµα 4.8β). Τα µειονεκτήµατα της τεχνικής είναι η πολύ υψηλή θερµοκρασία κατεργασίας που πιθανά να εισάγει διαστασιακές στρεβλώσεις, η ευθραυστότητα του επιφανειακού στρώµατος και η χαµηλή αντοχή σε ατµοσφαιρική διάβρωση. 4.4. ΕΥΡΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ Το εύρος των εφαρµοζοµένων θερµοκρασιών και του επιτυγχανόµενου βάθους σκλήρυνσης για τις συνήθεις θερµικές και θερµοχηµικές επιφανειακές κατεργασίες χαλύβων παρουσιάζονται στο σχήµα 4.9. Σχήµα 4.9. Εύρος χρήσης τεχνικών επιφανειακής τροποποίησης. 42 5. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ∆ΕΣΜΩΝ LASER Η τεχνολογία των laser για εφαρµογές στον κλάδο της βιοµηχανικής επιφανειακής κατεργασίας υλικών άρχισε να βρίσκει φανατικούς οπαδούς στις αρχές της δεκαετίας του ’80 (1980). Εικοσιπέντε χρόνια µετά η τεχνολογία αυτή εξακολουθεί να έχει πολλούς οπαδούς, παρά τα όποια µειονεκτήµατα που καταγράφηκαν στην πορεία. Κοινό χαρακτηριστικό των επιφανειακών κατεργασιών µε laser είναι η συγκεντρωµένη ακτινοβόληση του υλικού µε µονοχρωµατική δέσµη υψηλής ενέργειας. Ανάλογα µε το είδος της πηγής παραγωγής της µονοχρωµατικής δέσµης, τα laser εκπέµουν ακτινοβολία σ’ενα ευρύ φάσµα µηκών κύµατος (πίνακας 5.1). Πίνακας 5.1. Πηγές Laser που χρησιµοποιούνται σε βιοµηχανικές κατεργασίες υλικών. ΕΙ∆ΟΣ ΠΗΓΗΣ LASER ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Laser CO2 10,6 µm (µακρυνό υπέρυθρο) Laser Nd:YAG 1,06 µm (εγγύς υπέρυθρο) και 0,530 µm (ορατό) Excimer Laser 0,248 µm (υπεριώδες Η µονοχρωµατική δέσµη, διαφόρων τιµών ισχύος, κατευθύνεται µέσα από σύστηµα κατόπτρων και φακών στην επιφάνεια του αντικειµένου και εστιάζεται πάνω από το υλικό, στην επιφάνειά του ή µέσα σ’αυτό. Αναλόγως του τρόπου µε τον οποίο παρέχεται η ισχύς, διακρίνουµε πηγές laser που λειτουργούν κατά συνεχή ή παλµικό τρόπο και ο χρόνος αλληλεπίδρασής τους µε το υλικό καθορίζεται, αντιστοίχως, από την ταχύτητα µετακίνησης της δέσµης ή τη διάρκεια και τη συχνότητα των παλµών. Το αποτέλεσµα που έχει η ακτινοβόληση του υλικού µε δέσµες laser, εκτός από τις παραµέτρους εργασίας, επηρεάζεται επίσης από τις οπτικές και τις θερµικές ιδιότητες του κατεργαζόµενου υλικού. Οι πρώτες καθορίζουν το ποσοστό της ακτινοβολίας που θα απορροφηθεί ως θερµική ενέργεια από το υλικό και το βάθος από την επιφάνεια στο οποίο αυτό θα συµβεί. Οι δεύτερες καθορίζουν την ταχύτητα διάχυσης και απαγωγής της θερµικής αυτής ενέργειας και κατά συνέπεια το τελικό αποτέλεσµα στο υλικό. 43 Το ιδιαίτερο ενδιαφέρον που έχει η τεχνολογία laser για τις επιφανειακές κατεργασίες εκπηγάζει από το γεγονός ότι υψηλή πυκνότητα ενέργειας δύναται να παρέχεται για µικρό σχετικά χρονικό διάστηµα σε επιφανειακό µόνο στρώµα υλικού, ενώ ταχύτατη είναι επίσης η απαγωγή της προς το υπόλοιπο υλικό και τον περιβάλλοντα χώρο (σχήµα 5.1). Με τον τρόπο αυτό, τα φαινόµενα είναι επιφανειακά, ο όγκος του υπόλοιπου υλικού παραµένει ανεπηρέαστος, ενώ λαµβάνουν χώρα µετασχηµατισµοί φάσεων εκτός των προβλεποµένων από τα αντίστοιχα διαγράµµατα ισορροπίας των φάσεων (µετασχηµατισµοί εκτός ισορροπίας). (α) (β) Σχήµα 5.1. Επιφανειακή κατεργασία µεταλλικού υλικού µε χρήση laser: (α) Εικόνα laser σε λειτουργία και (β) Σχηµατική παρουσίαση της χρήσης του laser για την κατεργασία του υλικού. Στο σχήµα 5.2, παρουσιάζεται ο χάρτης κατεργασιών µεταλλικών υλικών µε χρήση πηγών laser ως συνάρτηση της πυκνότητας ισχύος της δέσµης και του χρόνου επίδρασής της επί του υλικού. Οι επιφανειακές κατεργασίες που υλοποιούνται µε τη χρήση δεσµών laser, µπορούν γενικά να καταταγούν σε: Πυκνότητα ισχύος της δέσµης, W.cm-2 44 1,0E+11 1,0E+10 Πυκνότητα ενέργειας, J.cm-2 1 100 104 106 Σκλήρυνση λόγω κρουστικών κυµάτων 1,0E+09 1,0E+08 Αποµάκρυνση επιφανειακών οξειδίων 1,0E+07 1,0E+06 ∆ιάτρηση Ταχεία επιφανειακή τήξη & κραµατοποίηση Συγκόλληση & Κοπή 1,0E+05 1,0E+04 Cladding & Επιφανειακή τήξη Σκλήρυνση λόγω µετασχηµατισµού φάσεων 1,0E+03 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 Χρόνος αλληλεπίδρασης laser-υλικού, s Σχήµα 5.2. Χάρτης κατεργασιών µεταλλικών υλικών µε χρήση πηγών laser. 1. Κατεργασίες που οδηγούν σε επιφανειακά υψηλές θερµοκρασίες ως την τήξη επιφανειακού στρώµατος και την εν συνεχεία ταχεία επαναστερεοποίησή του. Τέτοιες είναι: • Η επιφανειακή σκλήρυνση µέσω ανάτηξης (laser melting) και ταχείας επαναστερεοποίησης (σχήµα 5.3). • Η ολική τήξη προαποτεθέντος στρώµατος σκόνης και δηµιουργία επικάλυψης (cladding), η οποία αφορά υλικά δύστηκτα µε συµβατικές τεχνικές (σχήµα 5.4). • Η επιφανειακή κραµατοποίηση (laser surface alloying), συνήθως µε δηµιουργία επιφανειακού στρώµατος σύνθετου υλικού µεταλλικής µήτρας µε ενίσχυση κεραµικών σωµατιδίων, κατά την οποία επιφανειακό στρώµα του µετάλλου τήκεται, ενώ ταυτόχρονα στο τήγµα παρέχονται τα κεραµικά σωµατίδια (σχήµα 5.5). 45 Σχήµα 5.3. Μικροδοµή επιφανειακά σκληρυµένου χάλυβα µε τήξη και ταχεία στερεοποίηση. Σχήµα 5.4. ∆ηµιουργία επικάλυψης στελλίτη σε χάλυβα µε τη χρήση laser CO2. (α) Σχήµα 5.5. Επιφανειακή κραµατοποίηση: (α) Σχηµατική παρουσίαση της κατεργασίας και (β) Μικροδοµή επιφανειακού στρώµατος µήτρας Al µε ενίσχυση σωµατιδίων SiC. (β) 46 2. Κατεργασίες που οδηγούν σε αναθέρµανση χωρίς τήξη επιφανειακού στρώµατος και εν συνεχεία ταχεία απόψυξη. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται σκλήρυνση µέσω µετασχηµατισµού φάσεων, π.χ. επιφανειακή βαφή του υλικού (σχήµα 5.6). 900 ΗV 380 ΗV Σχήµα 5.6. Μικροδοµή χυτοσιδήρου σφαιροειδούς γραφίτη µετά από επιφανειακή του σκλήρυνση µε χρήση παλµικού laser Nd:YAG 3. Κατεργασίες χαµηλής θερµοκρασίας, στις οποίες η χρήση πηγής laser ενεργοποιεί µηχανικά φαινόµενα. Πρόκειται για κατεργασίες που πραγµατοποιούνται µε χρήση δέσµης υψηλής ισχύος, η οποία όµως επιδρά στο υλικό για πολύ µικρό χρονικό διάστηµα (της τάξεως των ns). Με τον τρόπο αυτό, ένα µεταλλικό υλικό σκληραίνεται επιφανειακά µε την εισαγωγή θλιπτικών τάσεων που προκαλούνται από κρουστικά κύµατα (laser shock hardening) ή αποµακρύνονται επιφανειακά στρώµατα ανεπιθύµητων οξειδίων (laser cleaning) από τη µεταλλική επιφάνεια µε µηχανική θραύση της διεπιφάνειας (σχήµα 5.7). Τέλος, δέσµες laser χρησιµοποιούνται για την επιφανειακή διαµόρφωση της µεταλλικής επιφάνειας και την τοπική αφαίρεση υλικού µε εξάχνωση, η οποία ως σκοπό µπορεί να έχει είτε τη χάραξη (laser marking) παραστάσεων ακριβείας (σχήµα 5.8), είτε τη διαµόρφωση κοιλοτήτων µικρών διαστάσεων (laser micromachining) που θα λειτουργήσουν ως «αποθήκες» λιπαντικού κατά τη λειτουργία (σχήµα 5.9). Τέλος, πηγές laser χρησιµοποιούνται σε θαλάµους PVD προκειµένου να προκαλέσουν την εξάχνωση του προς επικάλυψη υλικού από στερεό στόχο (laser-assisted PVD). 47 (β) (α) Σχήµα 5.7. Μηχανική αποµάκρυνση θερµικών οξειδίων από την επιφάνεια ανοξείδωτων χαλύβων µε παλµικό laser Nd:YAG: (α) Επιφάνεια οξειδίων πριν την ακτινοβόληση και (β) Αποκαλυµµένη «καθαρή» µεταλλική επιφάνεια. Σχήµα 5.8. Παραστάσεις, µεγέθους µερικών χιλιοστών, που χαράχτηκαν µε ακρίβεια στην επιφάνεια φύλλου χαλκού µε χρήση laser Nd:YAG (α) (β) Σχήµα 5.9. Επιφανειακή µικροκατεργασία για τη διαµόρφωση µικροκοιλοτήτων. Ελεγχόµενη επιφανειακή εξάχνωση κράµατος τιτανίου, µε παλµικό Excimer laser. (α)Æ(γ): αύξηση αριθµού παλµών. (γ) 48 6. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Συνοψίζοντας, ο όρος Επιφανειακή Κατεργασία (Surface Engineering ή Surface Modification Technologies) αναφέρεται στην αλλαγή των ιδιοτήτων της επιφάνειας ενός υλικού προκειµένου αυτό να αποκτήσει χρήση/ λειτουργικότητα/ απόδοση που δεν µπορεί να επιτευχθεί από την αρχική ποιότητα είτε του υλικού, είτε της επιφάνειάς του. Αφού επιλεγεί το υλικό κατασκευής του αντικειµένου και καταγραφούν πλήρως οι ιδιότητές του, βάσει των καταπονήσεων που πρόκειται να δεχθεί και του περιβάλλοντος λειτουργίας του, προσδιορίζονται οι ιδιότητες της επιφάνειας η βελτίωση των οποίων θα επιφέρει αύξηση της απόδοσης ή/ και του χρόνου ζωής του. Η επιλογή της καταλληλότερης κατεργασίας γίνεται λαµβάνοντας υπόψιν τόσο την επιδεκτικότητα του υλικού στην κατεργασία, όσο και την ποιότητα του λαµβανόµενου επιφανειακού στρώµατος και την απόκριση του τελευταίου στις δεδοµένες µηχανικές και χηµικές συνθήκες λειτουργίας. Αυτή αποτελεί τη γενική µεθοδολογία επιλογής επιφανειακής κατεργασίας για οποιαδήποτε εφαρµογή από τον κλάδο των µηχανολογικών και δοµικών κατασκευών έως την κατασκευή βιοϊατρικών εµφυτευµάτων και ηλεκτρονικών κυκλωµάτων και σχηµατικά παρουσιάζεται στο σχήµα 6.1. Χηµική βιοµ ηχανία ή τ ικ Οπ Πρόσφυση Κλ ωσ τοϋ φ Θερµός ψεκασµός Πε ριβ άλλ ον ή Τρ ιβ η ωσ είδ Οξ ∆ιάβρωση Θρ αύ ση Οργανικές επικαλύψεις ση πω Κό Τοπογραφία ση µη ∆ό ν ω ντ ς ιό φή η πα υσ ήε νικ χα Μη ΥΛΙΚΑ χρ ήσ ης τε η νσ πα Λί εση ύνθ σ ο Απ ση οίω οµ οσ Πρ µων τροφί χανία Βιοµη ά ικι ακ ής φύ Εµ ∆ιασφάλιση ποιότητας Φθορ ση υν α ρ ή νί κλ κα χα σ η τε Σχήµα & αισθητική ή οµ ργ ικ βι ασ αν ή χ ία κ η τι Μ ∆έσµες Laser υν µ Α Βιοϊα τρικ ήµατα ή Μηχαν ή νικ ρο κτ λε Η Θ ερ µι κή Είδ ηο PVD/ CVD αν το υρ γία Θ ερ Κα µ θα οχ ρισ ηµ µό ικ ς ές Μ Εργαλεία ές φορ ετα Σχήµα 6.1. Σχηµατική παρουσίαση γενικής µεθοδολογίας επιλογής επιφανειακής κατεργασίας: Από το αρχικό υλικό κατασκευής έως την χρήση του τελικού προϊόντος. 49 6.1. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΠΟ∆ΟΣΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ Ανάλογα µε τις συνθήκες λειτουργίας, οι ιδιότητες των οποίων επιδιώκεται η ενίσχυση στις συνήθεις βιοµηχανικές εφαρµογές είναι: η αντοχή σε φθορά (wear resistance), η σκληρότητα και η µηχανική αντοχή (hardness/ strength), η αντίσταση σε διαβρωτικούς παράγοντες (corrosion resistance) και η αντοχή σε κρούση (impact resistance). Επιπλέον, το µέγεθος των επιφανειακών φορτίσεων επιβάλλει τόσο τις διαστάσεις που θα πρέπει να έχει το επιφανειακό στρώµα (πάχος επικάλυψης ή βάθος κατεργασίας) όσο και το θερµοκρασιακό εύρος στο οποίο αυτό θα παρέχει ενισχυτική δράση προς το µέταλλο βάσης. Ενδεικτικά: 1. Σκληρότητα. Ο προσδιορισµός της σκληρότητας του επιφανειακού στρώµατος πολλές φορές χρησιµοποιείται ως κριτήριο της συµπεριφοράς έναντι τριβής και φθοράς. Πολλές αντιτριβικές επικαλύψεις επιδεικνύουν ταυτόχρονα και υψηλή σκληρότητα, χωρίς ωστόσο αυτή να αποτελεί και ασφαλή ένδειξη καλής συµπεριφοράς έναντι φθοράς. Ωστόσο, πρέπει να αναφερθεί ότι ενώ για µεταλλικά στοιχεία υπάρχει γραµµική εξάρτηση της αντοχής σε φθορά από τη σκληρότητα, αυτή δεν επιβεβαιώνεται στην περίπτωση πολυφασικών υλικών. Επίσης, µε τη µείωση του πάχους µιας επικάλυψης, η τιµή της σκληρότητας της επιφάνειας παύει να συνδέεται αποκλειστικά µε την επικάλυψη, αλλά χαρακτηρίζει µάλλον το σύστηµα υποστρώµατος/ επικάλυψης. 2. Αντοχή σε επιφανειακή κρούση. Γενικά, όλκιµα υλικά επικάλυψης, χαµηλής µάλλον σκληρότητας, παρουσιάζουν καλή συµπεριφορά σε επιφανειακή κρούση, σε αντίθεση µε υλικά υψηλής µηχανικής αντοχής και σκληρότητας. ∆ηλαδή, ένα σκληρό υλικό επικάλυψης που παρουσιάζει άριστη συµπεριφορά έναντι τριβής/ φθοράς, εµφανίζει χαµηλή αντοχή σε κρουστικά επιφανειακά φορτία. Ωστόσο, στην πλειοψηφία εφαρµογών που εµφανίζεται φθορά λόγω τριβής συνυπάρχουν σε µικρότερο ή µεγαλύτερο βαθµό και κρουστικά επιφανειακά φορτία. Στις περιπτώσεις αυτές, η καταλληλότερη επιφανειακή κατεργασία είναι αυτή που µεγιστοποιεί την απόδοση της επιφάνειας έναντι της σύνθετης καταπόνησης. Επιλέγεται για παράδειγµα, µια επικάλυψη χαµηλότερης σκληρότητας, η οποία να εµφανίζει ταυτόχρονα και ολκιµότητα ικανή να αναλάβει κρουστικά φορτία. 50 3. Μέγιστη θερµοκρασία λειτουργίας. Το εύρος θερµοκρασιών στο οποίο µπορεί να αποδόσει ικανοποιητικά µια επικάλυψη περιορίζεται από τις αλλαγές µικροδοµής που µπορεί να λαµβάνουν χώρα οδηγώντας σε µείωση της σκληρότητας ή σε ενεργοποίηση µηχανισµών οξείδωσης. Για παράδειγµα, χάλυβες µε επιφανειακή βαφή (επιφανειακό στρώµα µαρτενσίτη) «µαλακώνουν» σηµαντικά σε θερµοκρασία υψηλότερη των 200°C, ενώ σύνθετες επικαλύψεις µήτρας Co µε ενίσχυση σωµατιδίων WC εµφανίζουν φαινόµενα οξείδωσης σε θερµοκρασία υψηλότερη των 550°C. Για εφαρµογές όπου οι αναπτυσσόµενες θερµοκρασίες στην επιφάνεια κατά τη λειτουργία είναι πολύ υψηλές, λαµβάνεται επίσης υπόψιν η συµπεριφορά σε ερπυσµό, και απαιτείται η χρήση κραµάτων µε υψηλά ποσοστά Cr, Ni ή Co. Ειδικά, σε θερµοκρασίες υψηλότερες των 1000°C, η χρήση κεραµικής επικάλυψης είναι σχεδόν κανόνας. 6.2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Πρέπει να σηµειωθεί ότι στην περίπτωση επικαλύψεων, παρότι η χηµική σύσταση του υλικού παίζει πρωτεύοντα ρόλο, η συνολική µηχανική και χηµική συµπεριφορά του επιφανειακού στρώµατος µπορεί να ποικίλλει σηµαντικά, ανάλογα µε τις συνθήκες εναπόθεσης, αλλά και τις ιδιότητες του µεταλλικού υποστρώµατος. Για παράδειγµα, οι επικαλύψεις αλούµινας ανάλογα µε τις συνθήκες του θερµικού ψεκασµού µπορεί να εµφανίζουν αντοχή πρόσφυσης σε υπόστρωµα χάλυβα από 20 έως 75 MPα, πορώδες από 2 έως 20%, καθώς και υψηλές παραµένουσες τάσεις. Ενδεικτικά: 1. Αντοχή πρόσφυσης. Είναι σηµαντικός παράγοντας στην περίπτωση εναπόθεσης επικαλύψεων και αποδίδει την αντοχή της διεπιφάνειας επιστρώµατος/ υποστρώµατος, δηλαδή πόσο καλά «κολληµένα» είναι µεταξύ τους τα δυο υλικά διαφορετικής χηµικής σύστασης. Προφανώς, στις κατεργασίες τροποποίησης επιφανειακού στρώµατος δεν υφίσταται ο παράγοντας της πρόσφυσης, αφού δεν υφίσταται και διακριτή διεπιφάνεια διαφορετικών υλικών. Η αντοχή της πρόσφυσης εξαρτάται από µια σειρά παραµέτρων, όπως: • Το είδος των διεπιφανειακών χηµικών δεσµών που αναπτύσσονται µεταξύ υλικού επικάλυψης και υποστρώµατος. Γενικά, ιοντικοί και οµοιοπολικοί 51 δεσµοί είναι ισχυρότεροι από τους δεσµούς van der Waals, δίνοντας διεπιφάνειες υψηλότερης αντοχής. • Η καθαρότητα της επιφάνειας που επικαλύφθηκε. • Η τραχύτητα της επιφάνειας του υποστρώµατος. • Οι παραµένουσες τάσεις της επιφάνειας πριν την επικάλυψη. • Η θερµοκρασία εναπόθεσης. Γενικά υψηλές θερµοκρασίες ευνοούν την καλύτερη πρόσφυση, αλλά µπορεί να εισάγουν δευτερογενώς ανεπιθύµητες τάσεις, στην περίπτωση εξαιρετικά ανόµοιων θερµικών ιδιοτήτων επικάλυψης και υποστρώµατος. • Αλλες παράµετροι που σχετίζονται µε τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της επιλεγµένης τεχνικής επικάλυψης (π.χ. µέγεθος και ταχύτητα κίνησης σωµατιδίων στο θερµικό ψεκασµό). 2. Πορώδες. Αποτελεί κύριο παράγοντα απόδοσης της επικάλυψης και, ανάλογα µε το µέγεθος το σχήµα και τη θέση των πόρων στον όγκο της επικάλυψης, µπορεί να µειώσει σηµαντικά τη µηχανική της αντοχή ή/ και να επιταχύνει την εσωτερική διάβρωση του υποστρώµατος επιτρέποντας σε δραστικά αέρια ή υγρά συστατικά του περιβάλλοντος να διεισδύσουν έως τη διεπιφάνεια. Σε ορισµένες ειδικές περιπτώσεις, η ύπαρξη ανοικτού πορώδους είναι ευκταία αφού εξωτερικοί πόροι µπορεί να δράσουν ως αποθήκες λιπαντικών. Ο έλεγχος του πορώδους γίνεται µε κατάλληλη επιλογή των παραµέτρων εναπόθεσης, του πάχους της επικάλυψης ή µε κατεργασία της επικάλυψης για το «σφράγισµα» των πόρων (π.χ. δεύτερο στάδιο ανοδίωσης κραµάτων αλουµινίου ή επιφανειακή ανάτηξη επικαλύψεων αλούµινας θερµικού ψεκασµού). 6.3. Ι∆ΙΑΙΤΕΡΟΤΗΤΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ Ολες οι τεχνικές επιφανειακής κατεργασίας δεν είναι κατάλληλες για όλα τα υλικά, αλλά ούτε και για αντικείµενα διαφορετικής γεωµετρίας του ίδιου υλικού. Η καταλληλότητα αφορά τόσο την τεχνική δυνατότητα δηµιουργίας της επικάλυψης, όσο και το οικονοµικό κόστος και την τεχνική ευελιξία υλοποίησης της σε βιοµηχανική κλίµακα. Ενδεικτικά: 1. Γεωµετρία και µέγεθος αντικειµένου. Ορισµένες τεχνικές είναι ακατάλληλες για την επιφανειακή κατεργασία αντικειµένων πολύπλοκης γεωµετρίας. Για 52 παράδειγµα, αντικείµενα µε ακµές ή επιφανειακές κοιλότητες δε µπορούν να επικαλυφθούν ηλεκτρολυτικά. Το µέγεθος των αντικειµένων που µπορούν να επικαλυφθούν µε τεχνικές PVD και CVD περιορίζεται από το µέγεθος του κλειστού θαλάµου εναπόθεσης. 2. Ρυθµός εναπόθεσης/ επιφανειακής τροποποίησης. Ο ρυθµός εναπόθεσης αποτελεί ίσως το σηµαντικότερο κριτήριο για την υιοθέτηση µιας τεχνικής επιφανειακής κατεργασίας υλικού σε βιοµηχανική κλίµακα, αφού σχετίζεται άµεσα µε το οικονοµικό κόστος παραγωγής ενός τελικού προϊόντος. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση των επικαλύψεων PVD: ενώ τεχνικά είναι εφικτή η εναπόθεση επιστρωµάτων µε εξαιρετικές αντιτριβικές ιδιότητες πάχους µεγαλύτερου των 5 µm, οι χαµηλοί ρυθµοί εναπόθεσης περιορίζουν την χρήση των τεχνικών PVD στην εναπόθεση επικαλύψεων µικρού πάχους. Επιπλέον, στις περισσότερες τεχνικές υπάρχει ένα µέγιστο πάχος εναπόθεσης που µπορεί να επιτευχθεί χωρίς να επηρεάζεται η ποιότητα της επικάλυψης από τις παραµένουσες εσωτερικές τάσεις. 3. Εισαγωγή τάσεων στο σύστηµα επικάλυψης/ υποστρώµατος. Οι επιφανειακές κατεργασίες των υλικών εισάγουν στο υπόστρωµα πεδίο τάσεων, οι οποίες ανάλογα µε το πρόσηµό τους επηρεάζουν θετικά η αρνητικά τη συµπεριφορά του συστήµατος σε εναλλασσόµενα µηχανικά ή θερµικά φορτία (κόπωση). • Θερµικές και θερµοχηµικές κατεργασίες χαλύβων, όπως αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 4, εισάγουν σε υποεπιφανειακό στρώµα του υποστρώµατος ένα πεδίο θλιπτικών τάσεων, το οποίο ενισχύει το υλικό έναντι κόπωσης. • Ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις εισάγουν εφελκυστικές παραµένουσες τάσεις, οι οποίες µπορεί να οδηγήσουν σε καταστροφική αποκόλληση της επικάλυψης και µείωση της ζωής του συστήµατος. • Επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού µπορεί να εισάγουν είτε θλιπτικές είτε εφελκυστικές τάσεις, ανάλογα µε τις παραµέτρους κατεργασίας, υποβαθµίζοντας ή ενισχύοντας αντίστοιχα τη συµπεριφορά σε κόπωση. • Επιστρώµατα εναπόθεσης από ατµούς µε κολωνοειδή ανάπτυξη µειώνουν τη διάρκεια ζωής του συστήµατος, αφού σε συνθήκες κόπωσης, η περιοχή µεταξύ των κόκκων µπορεί να αποτελέσει σηµείο έναρξης ρωγµάτωσης. 53 Γι’αυτό και όταν το αντικείµενο πρόκειται να δεχθεί τέτοια φόρτιση, επιλέγεται η επικάλυψη να είναι άµορφη ή πολυστρωµατική του τύπου κεραµική στρώση/ µεταλλική στρώση (π.χ. Ti/TiN). Στους πίνακες 6.1 και 6.2, δίνονται παραδείγµατα µεταλλικών και κεραµικών, αντιστοίχως, επικαλύψεων που βρίσκουν αντιτριβικές εφαρµογές. Στον πίνακα 6.3, δίνονται τα υλικά και οι αντίστοιχες τεχνικές κατεργασίας που συνήθως εφαρµόζονται για διάφορες καταπονήσεις φθοράς. 6.4. ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ ΓΙΑ Ο∆ΟΝΤΩΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ (ΓΡΑΝΑΖΙΑ) Σε συνθήκες λειτουργίας, οι χαλύβδινοι οδοντωτοί τροχοί (γρανάζια) συµπλέκονται και κινούνται µε τον τρόπο που φαίνεται στο σχήµα 6.2. Σχήµα 6.2. Συνθήκες λειτουργίας και καταπόνησης οδοντωτών τροχών. Για την απρόσκοπτη λειτουργία του συστήµατος απαιτείται επιφανειακή κατεργασία των δυο τροχών ώστε: • Τα πλευρικά τµήµατα των «δοντιών» να αναλάβουν τις υποεπιφανειακές τάσεις που θα αναπτυχθούν από την επαφή και τη σχετική κίνηση των δυο τροχών. • Οι βάσεις των δοντιών να αναλάβουν τάσεις κάµψης. • Ολες οι επιφάνειες να ισχυροποιηθούν έναντι επιφανειακής κόπωσης. • Ολες οι εφαπτόµενες επιφάνειες να εµφανίζουν χαµηλό συντελεστή φθοράς. 54 Σε περιπτώσεις τριβής, όπως αυτή που εξετάζεται εδώ, το επίπεδο τάσεων που αναπτύσσεται κατά τη λειτουργία στο εσωτερικών των συζυγών επιφανειών σε επαφή, µπορεί να υπολογιστεί βάσει της Θεωρίας Hertz. Για τη συγκεκριµένη περίπτωση, από τη θεωρία αυτή προσδιορίζεται µια µέγιστη τιµή διατµητικών τάσεων λόγω επαφής (1.52.0 GΡα), σε κάποιο βάθος από την επιφάνεια, το οποίο αυξάνεται µε την αύξηση του επιβαλλόµενου φορτίου και της καµπυλότητας των «δοντιών». Από το είδος της φόρτισης που δέχονται και την ανάλυση του επιπέδου των τάσεων που διαµορφώνεται κατά τη λειτουργία των τροχών, η καταλληλότερη επιφανειακή κατεργασία των χαλύβδινων αυτών αντικειµένων κρίνεται ότι είναι η επιφανειακή βαφή, η εναζώτωση ή η ενανθράκωση. Για τον ακριβή καθορισµό της κατεργασίας και των παραµέτρων της, θα πρέπει να είναι γνωστή η ακριβής χηµική σύσταση του υλικού και το επιδιωκόµενο βάθος κατεργασίας (από την υπολογιστική ανάλυση των τάσεων). Για τη συγκεκριµένη εφαρµογή, επικάλυψη των επιφανειών των τροχών είναι τεχνικά δύσκολη λόγω της πολύπλοκης γεωµετρίας των αντικειµένων. Πίνακας 6.1. Μεταλλικές επικαλύψεις για αντιτριβικές εφαρµογές. Μέγιστη Σκληρότητα Αντοχή σε Τεχνική επιφανειακής Υλικό επικάλυψης θερµοκρασία κατά διάβρωση κατεργασίας (HV) τη λειτουργία (°C) Μέταλλα µε διασπορά οξειδίων Mo 390 250 Μέτρια Ψεκασµός φλόγας 13% Cr χάλυβας 330 600 Καλή Ψεκασµός φλόγας Μεσοµεταλλικές NiAl 250-350 850 Φτωχή Ψεκασµός φλόγας ή πλάσµατος Co-Cr-Mo 1100 1000 Πολύ καλή Ψεκασµός πλάσµατος Σκληρυµένοι χάλυβες 12% Mn 150-400 150-200 Φτωχή Αναγόµωση Μαρτενσιτικοί 300-850 150-200 Φτωχή-µέτρια Αναγόµωση Θερµοχηµική Εναζωτωµένοι 800-1200 500 Καλή-µέτρια Θερµοχηµική Χυτοσίδηροι Μαρτενσιτικοί 400-600 200-250 Φτωχή-µέτρια Αναγόµωση Υψηλού χρωµίου 400-600 1000 Καλή Αναγόµωση Κράµατα NiCoCr Κράµατα κοβαλτίου 300-700 850 Πολύ καλή Ψεκασµός πλάσµατος Κράµατα νικελίου 350-700 850 Πολύ καλή Ψεκασµός φλόγας και ανάτηξη NiP, NiB 850-950 300 Πολύ καλή Χηµική εναπόθεση Χρώµιο 850-1000 350 Πολύ καλή Ηλεκτροεναπόθεση 55 Πίνακας 6.2. Κεραµικές επικαλύψεις για αντιτριβικές εφαρµογές. Υλικό Σκληρότητα Μέγιστη Αντοχή σε Τεχνική επιφανειακής επικάλυψης (HV) θερµοκρασία κατά διάβρωση κατεργασίας τη λειτουργία (°C) Cermets WC/Co 1300-1600 550 Καλή D-gun, HVOF και plasma spraying Cr3C2-Ni-Cr 1100 820 Πολύ καλή D-gun και plasma spraying 450-500 800 Καλή Ηλεκτροεναπόθεση Cr3C2-Co WC/χάλυβας 500 300 Φτωχή-µέτρια Αναγόµωση Οξείδια Αλουµίνα 2100 >1000 Πολύ καλή D-gun, plasma spraying CVD, PVD Χρωµία 2400 >1000 Πολύ καλή D-gun, plasma spraying Καρβίδια TiC 3200 500 Πολύ καλή CVD, PVD VC 2600 500 Πολύ καλή Θερµοχηµική Diamond 10000 650 Πολύ καλή CVD Diamond-like carbon (DLC) 1200 250 Πολύ καλή CVD, PVD Νιτρίδια 2400 500 Πολύ καλή CVD, PVD TiN TiAlN 2300 850 Πολύ καλή PVD CrN 2000 850 Πολύ καλή PVD Καρβονιτρίδια 4500 450 Πολύ καλή TiCN PVD, CVD, Θερµοχηµική Βορίδια 1650 200 Μέτρια Θερµοχηµική FeB CrB 3500-4000 800 Καλή Ανάτηξη σκόνης 56 Πίνακας 6.3. Κύρια κριτήρια επιλογής Επιφανειακής Κατεργασίας. Συνθήκες λειτουργίας Απαιτούµενες ιδιότητες Κύρια επιφανειακή που επηρεάζουν την Μηχανισµός φθοράς επιφανειών κατεργασία επιλογή Τριβή λόγω ταλάντωσης Μέταλλα διαφορετικής Επικαλύψεις κραµάτων Στερεά λίπανση (Fretting) χηµικής σύστασης, Cu µε θερµικό ψεκασµό Υψος ταλάντωσης Υψος επιβαλλόµενων µέταλλα υψηλής Ανοδίωση τάσεων σκληρότητας Ενανθρακαζώτωση Επικαλύψεις Cermet* µε ψεκασµό πλάσµατος ή ηλεκταπόθεση Μέγεθος επιβαλλόµενων Κόπωση λόγω τριβής Υψηλό όριο διαρροής, Θερµικές & τάσεων δυσθραυστότητα, καλή θερµοχηµικές πρόσφυση κατεργασίες Αναγόµωση Επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού Πρόσφυση λόγω τριβής Επιφάνειες σε επαφή από Επικαλύψεις Cu ή Mo Βαθµός λίπανσης µέταλλα διαφορετικής θερµικού ψεκασµού Επιφανειακή τραχύτητα χηµικής σύστασης, θερµοχηµικές Θερµοκρασία και σκληρά µέταλλα ή κατεργασίες διαβρωτικό περιβάλλον κεραµικά TiC (CVD) ή TiN (PVD) Τάσεις κρούσης Επιφανειακή κρούση Υψηλό όριο διαρροής, Επικαλύψεις δυσθραυστότητα, καλή αναγόµωσης, θερµικές πρόσφυση και θερµοχηµικές κατεργασίες, επικαλύψεις κραµάτων Co θερµικού ψεκασµού. Εκτριβή χαµηλών Υψηλή σκληρότητα Ολες οι επικαλύψεις Σκληρότητα, τάσεων υψηλής σκληρότητας επιβαλλόµενες τάσεις, δυνάµεις κρούσης Μηχανουργική Υψηλή σκληρότητα Ολες οι επικαλύψεις Σκληρότητα, κατεργασία αφαίρεσης υψηλής σκληρότητας επιβαλλόµενες τάσεις, υλικού χηµική αδράνεια των γρεζιών αποκοπής Μέγεθος και σκληρότητα Επικαλύψεις Εκτριβή υψηλών τάσεων Υψηλή σκληρότητα, αναγόµωσης, θερµικές υλικού εκτριβής, ύψος δυσθραυστότητα & επιβαλλόµενων τάσεων πρόσφυση επικαλύψεων και θερµοχηµικές κατεργασίες µεγάλου πάχους Ταχύτητα πρόσκρουσης, Μηχανική διάβρωση Υψηλή σκληρότητα & Επικαλύψεις λόγω πρόσκρουσης υπό δυσθραυστότητα αναγόµωσης, Cermets & µέγεθος, σκληρότητα και δυσθραυστότητα υψηλές γωνίες µετάλλων ψεκασµού πλάσµατος, εναπόθεσης στερεών σωµατιδίων ατµών Μηχανική διάβρωση Υψηλή σκληρότητα Ολες οι επικαλύψεις Σκληρότητα και λόγω πρόσκρουσης υπό υψηλής σκληρότητας δυσθραυστότητα χαµηλές γωνίες στερεών σωµατιδίων *Cermet: σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας µε ενίσχυση κεραµικών σωµατιδίων. 57 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 58 Α. ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ [1] Εξετάστε την περίπτωση της αέριας ενανθράκωσης στους 892 °C, ενός εξαρτήµατος κατασκευασµένου από ανθρακούχο χάλυβα µε περιεκτικότητα σε άνθρακα 0,30% κ.β. Υπολογίστε το χρόνο που απαιτείται προκειµένου σε βάθος 500 µm από την επιφάνεια, η περιεκτικότητα σε άνθρακα να ανέλθει στα 0,40% κ.β. Θεωρείστε ότι η περιεκτικότητα σε άνθρακα της επιφάνειας είναι 0,95% κ.β., καθόλη τη διάρκεια της κατεργασίας. ∆ίνεται ο συντελεστής διάχυσης του C στους 892 °C, για το γ-Fe: D892=1,74×10-11 m2.s-1. Θεωρείστε ότι στη θερµοκρασία ενανθράκωσης έχει συντελεσθεί ωστενιτοποίηση. ΕΠΙΛΥΣΗ Οι θερµοχηµικές επιφανειακές κατεργασίες, στις οποίες ανήκει η ενανθράκωση, πραγµατοποιούνται µέσω µηχανισµών διάχυσης, κατά τη διάρκεια της οποίας η συγκέντρωση των ατόµων του διαχεόµενου στοιχείου, εν προκειµένω του άνθρακα, σε κάθε σηµείο της κατεργαζόµενης επιφάνειας µεταβάλλεται µε το χρόνο. Πρόκειται, δηλαδή, για διάχυση µη-µόνιµης κατάστασης (non-steady state diffusion). Αυτή η δυναµική κατάσταση περιγράφεται µαθηµατικά από το δεύτερο νόµο του Fick: dCx d 2C x =D dt dx 2 (Α.1) Στην περίπτωση της αέριας ενανθράκωσης, κατά την οποία η περιεκτικότητα του άνθρακα στην επιφάνεια του αντικειµένου παραµένει σταθερή, η προηγούµενη σχέση παίρνει τη µορφή: Cs − C x x = erf Cs − C0 2 Dt (Α.2) όπου: Cs, η συγκέντρωση του άνθρακα στην επιφάνεια, σταθερή κατά την ενανθράκωση C0, η αρχική συγκέντρωση του άνθρακα στο υλικό Cx, η συγκέντρωση του άνθρακα στο υλικό σε απόσταση x από την επιφάνεια, κατά τη χρονική στιγµή t erf, η Gaussian συνάρτηση σφάλµατος ή κανονικοποιηµένη πιθανότητα, της οποίας η τιµή δίνεται από τυπολόγιο (ενδεικτικές τιµές στον Πίνακα Α.1). 59 Πίνακας Α.1. Μέρος του πίνακα τιµών κανονικοποιηµένης πιθανότητας. y erf (y) y Erf (y) 0,30 0,3286 0,80 0,7421 0,40 0,4284 0,85 0,7707 0,50 0,5205 0,90 0,7970 0,60 0,6039 0,95 0,8209 0,65 0,6420 1,00 0,8427 0,70 0,6778 1,50 0,9661 0,75 0,7112 2,00 0,9953 Αντικαθιστώντας στο πρώτο µέλος της σχέσης (Α.2) τα δεδοµένα του προβλήµατος, θα έχουµε: 0,95 − 0,40 x = 0,846 = erf 0,95 − 0,30 2 D 892 t (Α.3) Από τον πίνακα (Α.1) φαίνεται ότι η συνάρτηση erf (y) παίρνει την τιµή 0,846 όταν η αναξάρτητη µεταβλητή (y) ισούται µε (1). Είναι δηλαδή: x 1 = y ⇔ x = 2 y D892 t ⇔ t = D892 2 D892 t 1 ⇒t = 1,74 × 10 −11 0,5 × 10 −3 2 ×1 2 x ⇒ y 2 (Α.4) 2 = 3.592 s ≈ 1h (Α.5) Εποµένως, κατά την αέρια ενανθράκωση στους 892 °C ενός χαλύβδινου εξαρήµατος περιεκτικότητας 0,30% κ.β. C, σε 1 ώρα και σε βάθος 500 µm από την επιφάνεια του εξαρτήµατος, η περιεκτικότητα σε άνθρακα θα ανέρχεται στα 0,40% κ.β. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ [2] Σε συνέχεια του προηγούµενου προβλήµατος, υπολογίστε το χρόνο που απαιτείται προκειµένου στο ίδιο βάθος από την επιφάνεια του εξαρτήµατος η περιεκτικότητα σε 60 άνθρακα να ανέλθει διαδοχικά στα 0,50, 0,60, 0,70 και 0,80 % κ.β. και σχεδιάστε το διάγραµµα µεταβολής της περιεκτικότητας σε άνθρακα µε το χρόνο, για τα σηµεία του εξαρτήµατος που απέχουν 500 µm από την επιφάνεια. Θεωρείστε ότι η περιεκτικότητα σε άνθρακα της επιφάνειας είναι 0,95% κ.β., καθόλη τη διάρκεια της κατεργασίας. ∆ίνεται ο συντελεστής διάχυσης του C στους 892 °C, για το γ-Fe: D892=1,74×10-11 m2.s-1. ΕΠΙΛΥΣΗ Για τις διάφορες τιµές των συγκεντρώσεων επαναλαµβάνουµε τα βήµατα της προηγούµενης άσκησης. ∆ηλαδή: • Από τη σχέση (Α.2), υπολογίζουµε το λόγο των συγκεντρώσεων. • Από τον πίνακα (Α.1), βρίσκουµε την τιµή της ανεξάρτητης µεταβλητής (y), για την οποία η τιµή της συνάρτησης κανονικοποιηµένης πιθανότητας ισούται µε το λόγο των συγκεντρώσεων. • Από τη σχέση (Α.4) και τα δεδοµένα της άσκησης, υπολογίζουµε το ζητούµενο χρόνο σε s. Συνοπτικά, τα αποτελέσµατα από την εφαρµογή των ανωτέρω βηµάτων παρουσιάζονται στον πίνακα (Α.2) και το αντίστοιχο διάγραµµα στο σχήµα 1. Πίνακας Α.2. Υπολογισµός απαιτούµενου χρόνου για την αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα σε απόσταση 500 µm από την επιφάνεια του κατεργαζόµενου εξαρτήµατος. Cx Cs − Cx C s − C0 y= x 2 D.t 1 x t = D 2 y 2 [=erf(y)] [από τον πίνακα 14.1] (s) (h) 0,4 0,8462 1 3.592 1 0,5 0,6923 0,7 7.331 2 0,6 0,5385 0,5 14.368 4 0,7 0,3846 0,35 29.322 8h 9’ Τα σκιασµένα κελλιά του πίνακα αφορούν υπολογισµούς που έγιναν κατά την επίλυση του προβλήµατος [1]. 61 ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ, % κ.β. C 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 ΑΡΧΙΚΗ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΜΕΤΑΛΛΟΥ 0.2 0.1 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ΧΡΟΝΟΣ, h Σχήµα Α.1. Μεταβολή της περιεκτικότητας σε άνθρακα, κατά τη διάρκεια αέριας ενανθράκωσης κοινού χάλυβα 1030 στους 892 °C, σε βάθος 500 µm από την επιφάνεια του κατεργαζόµενου εξαρτήµατος. Β. ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ Μεταλλικός κύλινδρος µε διάµετρο βάσης (D) 2 cm και µήκος (l) 10 cm πρόκειται να επιχρωµιωθεί ηλεκτρολυτικά, µε στόχο η διακοσµητική επικάλυψη που θα επιτευχθεί να έχει πάχος (e) 10 µm. Για την ηλεκτραπόθεση χρησιµοποιείται υδατικό λουτρό H2CrO3 και H2SO4 θερµοκρασίας 45 °C και απαιτείται ρεύµα πυκνότητας (i) 10 Α.dm-2. Θεωρώντας ότι η απόδοση του επιβαλλόµενου ρεύµατος για τη χρησιµοποιούµενη σύνθεση λουτρού είναι 30%, υπολογίστε την τιµή των παραµέτρων εργασίας, δηλαδή την ένταση του επιβαλλόµενου συνεχούς ρεύµατος και το χρόνο εφαρµογής του για την ηλεκτραπόθεση τρισθενούς χρωµίου, όταν είναι γνωστό ότι το ατοµικό βάρος (AB) και η πυκνότητα (ρ) του τελευταίου είναι 52 g.mol-1 και 7,19 g.cm-3. ΕΠΙΛΥΣΗ Η συνολική επιφάνεια του κυλίνδρου (Stot) που µετέχει στην ηλεκτραπόθεση είναι: 62 S tot = 2.(π . D2 ) + π . D.l 4 (Β.1) Ο πρώτος όρος του αθροίσµατος της σχέσης Β.1 αφορά την επιφάνεια των δυο κυκλικών βάσεων του κυλίνδρου, ενώ ο δεύτερος όρος την παράπλευρη επιφάνειά του. Με αντικατάσταση των δεδοµένων του προβλήµατος στη σχέση αυτή, βρίσκουµε τη συνολική επιφάνεια προς επιχρωµίωση Stot = 69,08 cm2. Αφού η απόδοση του επιβαλλόµενου ρεύµατος είναι 30% και η απαιτούµενη στην επιφάνεια πυκνότητα έντασης ρεύµατος (i) 10 A. dm-2, η ένταση του ρεύµατος (Ι) που θα πρέπει να επιβληθεί στο λουτρό ηλεκτρόλυσης από εξωτερική πηγή συνεχούς ρεύµατος, θα είναι: I= 1 1 ⋅ i . S tot ⇒ I = × 0,1( A.cm − 2 ) × 69,08(cm 2 ) ⇒ I = 23 A 0, 3 a Οπως είναι γνωστό η δηµιουργία ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων υπακούει στο νόµο του Faraday, που δίνει το βάρος του στοιχείου που αποτίθεται σύµφωνα µε τη σχέση Β.2: m =α I .t . AB n. F (Β.2) Λύνοντας τη σχέση αυτή ως προς το ζητούµενο, δηλαδή το χρόνο, και εκφράζοντας τα περιεχόµενα µεγέθη συναρτήσει των δεδοµένων του προβλήµατος θα έχουµε: t= n.F .m n.F . ρ .e . Stot ⇔t= a . I . AB a . I . AB (Β.3) Με αντικατάσταση των δεδοµένων του προβλήµατος στη σχέση Β.3, αφού γίνουν οι απαραίτητες µετατροπές για την οµοιογενοποίηση των µονάδων του συστήµατος, βρίσκουµε τελικά τον απαιτούµενο χρόνο για την επιχρωµίωση: t= n.F .ρ .e.Stot 3 × 96500(C.mol −1 ) × 7,19( g .cm −3 ) × 10−3 (cm) × 69,08(cm 2 ) ⇒t = ⇒ t = 97 mim a.I . AB 0,3 × 23( A) × 52( g.mol −1 ) Συνοψίζοντας, µε την επίλυση της άσκησης προσδιορίστηκε ότι θα πρέπει να επιβληθεί συνεχές ρεύµα έντασης 23 Α, για χρονικό διάστηµα 5.801 s ή 97 min, προκειµένου η εξωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου να επικαλυφθεί µε ηλεκτρολυτικό στρώµα χρωµίου πάχους 10 µm. 63 Γ. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Αναγνωρίστε τα αντικείµενα που παρουσιάζονται στις ακόλουθες εικόνες και µε βάση τα όσα αναφέρθηκαν σ’αυτή τη διδακτική ενότητα, προσδιορίστε την/ τις κύρια/-ες ιδιότητητα/-τες που πρέπει να έχει η επιφάνειά τους προκειµένου να εξασφαλιστεί ορθή λειτουργία. Ποιά πιστεύετε ότι είναι η καταλληλότερη επιφανειακή κατεργασία για κάθε εφαρµογή; (α) (β) (γ) (δ) (ε) (στ) (ζ) (η) (θ)
© Copyright 2024 Paperzz
