Površinski tretmani i modifikacije

Površine pokrivaju sve. Privlačnost i funkcije koje nam pružaju materijalne površine su od najveće važnosti. Stoga surface tretman and surface modification are među našim svakodnevnim industrijskim operacijama. Površinska obrada i modifikacija dovode do poboljšanih svojstava površine i mogu se izvesti ili kao završna završna operacija ili prije nanošenja premaza ili spajanja. Procesi površinske obrade i modifikacije (također se nazivaju kao SURFACE INŽENJERING) , prilagodite površine materijala i proizvoda:

 

 

 

- Kontrola trenja i habanja

 

- Poboljšajte otpornost na koroziju

 

- Poboljšava prianjanje naknadnih premaza ili spojenih dijelova

 

- Promjena fizičkih svojstava provodljivosti, otpornosti, površinske energije i refleksije

 

- Promijeniti hemijska svojstva površina uvođenjem funkcionalnih grupa

 

- Promijenite dimenzije

 

- Promijenite izgled, npr. boju, hrapavost…itd.

 

- Očistite i/ili dezinfikujte površine

 

 

 

Korištenjem površinske obrade i modifikacije, funkcije i vijek trajanja materijala mogu se poboljšati. Naše uobičajene metode površinske obrade i modifikacije mogu se podijeliti u dvije glavne kategorije:

 

 

 

Površinski tretman i modifikacije koje pokrivaju površine:

 

Organski premazi: Organski premazi nanose boje, cemente, laminate, fuzionisane prahove i maziva na površine materijala.

 

Anorganski premazi: Naši popularni neorganski premazi su galvanizacija, autokatalitička prevlaka (elektrobez prevlake), prevlake za konverziju, termalni sprejevi, vruće potapanje, tvrdo navarivanje, topljenje u peći, tankoslojni premazi kao što su SiO2, SiN na metalu, staklu, keramici,….itd. Površinska obrada i modifikacije koje uključuju premaze detaljno su objašnjene u odgovarajućem podmeniju, molimokliknite ovdje Funkcionalni premazi / Dekorativni premazi / Tanki film / Debeli sloj

 

 

 

Površinska obrada i modifikacije koje mijenjaju površine: Ovdje na ovoj stranici ćemo se koncentrirati na njih. Nisu sve tehnike površinske obrade i modifikacije koje opisujemo u nastavku na mikro ili nano skali, ali ćemo ih ipak ukratko spomenuti budući da su osnovni ciljevi i metode u značajnoj mjeri slični onima koji se nalaze na skali mikroproizvodnje.

 

 

 

Stvrdnjavanje: Selektivno površinsko očvršćavanje laserom, plamenom, indukcijom i elektronskim snopom.

 

 

 

Tretmani visoke energije: Neki od naših visokoenergetskih tretmana uključuju ionsku implantaciju, lasersko zastakljivanje i fuziju i tretman elektronskim snopom.

 

 

 

Tretmani tankom difuzijom: Procesi tanke difuzije uključuju feritno-nitrokarburizaciju, boronizaciju, druge procese reakcije na visokim temperaturama kao što su TiC, VC.

 

 

 

Tretmani teške difuzije: Naši procesi teške difuzije uključuju karburizaciju, nitriranje i karbonitriranje.

 

 

 

Specijalni površinski tretmani: Specijalni tretmani kao što su kriogeni, magnetni i zvučni tretmani utiču i na površine i na rasute materijale.

 

 

 

Procesi selektivnog očvršćavanja mogu se izvoditi plamenom, indukcijom, elektronskim snopom, laserskim snopom. Velike podloge su duboko očvršćene pomoću plamenog očvršćavanja. Indukcijsko kaljenje se s druge strane koristi za male dijelove. Stvrdnjavanje laserom i elektronskim snopom ponekad se ne razlikuje od onih u navarivanju ili visokoenergetskim tretmanima. Ovi procesi površinske obrade i modifikacije primjenjivi su samo na čelike koji imaju dovoljan sadržaj ugljika i legure da bi omogućili kaljenje. Za ovu metodu površinske obrade i modifikacije pogodni su lijevano željezo, ugljični čelici, alatni čelici i legirani čelici. Dimenzije dijelova nisu značajno promijenjene ovim površinskim obradama očvršćavanja. Dubina stvrdnjavanja može varirati od 250 mikrona do dubine cijelog presjeka. Međutim, u cijelom slučaju presjeka, presjek mora biti tanak, manji od 25 mm (1 in), ili mali, budući da procesi stvrdnjavanja zahtijevaju brzo hlađenje materijala, ponekad u roku od jedne sekunde. To je teško postići kod velikih obradaka, pa se stoga u velikim presjecima mogu očvrsnuti samo površine. Kao popularan proces površinske obrade i modifikacije, očvršćavamo opruge, oštrice noževa i kirurške oštrice među mnogim drugim proizvodima.

 

 

 

Visokoenergetski procesi su relativno nove metode površinske obrade i modifikacije. Svojstva površina se mijenjaju bez promjene dimenzija. Naši popularni visokoenergetski procesi površinske obrade su tretman elektronskim snopom, ionska implantacija i tretman laserskim snopom.

 

 

 

Tretman elektronskim snopom: Površinska obrada elektronskim snopom mijenja svojstva površine brzim zagrijavanjem i brzim hlađenjem — reda veličine 10Exp6 Celzijusa/sec (10exp6 Farenhajta/sec) u vrlo plitkom području oko 100 mikrona blizu površine materijala. Obrada elektronskim snopom se također može koristiti u navarivanju za proizvodnju površinskih legura.

 

 

 

Ionska implantacija: Ova metoda površinske obrade i modifikacije koristi snop elektrona ili plazmu za pretvaranje atoma plina u jone s dovoljno energije i implantiranje/umetanje jona u atomsku rešetku supstrata, ubrzano magnetnim zavojnicama u vakuumskoj komori. Vakum olakšava jonima da se slobodno kreću u komori. Neusklađenost između implantiranih iona i površine metala stvara atomske defekte koji očvršćavaju površinu.

 

 

 

Tretman laserskim snopom: Kao i površinski tretman i modifikacija elektronskim snopom, tretman laserskim snopom mijenja svojstva površine brzim zagrijavanjem i brzim hlađenjem u vrlo plitkom području blizu površine. Ova metoda površinske obrade i modifikacije također se može koristiti u navarivanju za proizvodnju površinskih legura.

 

 

 

Znanje u doziranju implantata i parametrima tretmana omogućava nam da koristimo ove visokoenergetske tehnike površinske obrade u našim proizvodnim pogonima.

 

 

 

Površinski tretmani tankom difuzijom:

​

Feritno nitrougljičenje je proces očvršćavanja kućišta kojim se dušik i ugljik difundiraju u željezne metale na podkritičnim temperaturama. Temperatura obrade je obično na 565 C (1049 Farenhajta). Na ovoj temperaturi čelici i druge legure željeza su još uvijek u feritnoj fazi, što je prednost u odnosu na druge procese očvršćavanja kućišta koji se javljaju u austenitnoj fazi. Proces se koristi za poboljšanje:

 

•otpornost na habanje

 

• svojstva zamora

 

•otpornost na koroziju

 

Zbog niskih temperatura obrade dolazi do vrlo malog izobličenja oblika tokom procesa očvršćavanja.

 

 

 

Boronizacija je proces u kojem se bor uvodi u metal ili leguru. To je proces površinskog očvršćavanja i modifikacije kojim se atomi bora difundiraju u površinu metalne komponente. Kao rezultat toga, površina sadrži metalne boride, kao što su boridi gvožđa i boridi nikla. U svom čistom stanju ovi boridi imaju izuzetno visoku tvrdoću i otpornost na habanje. Borizirani metalni dijelovi su izuzetno otporni na habanje i često će trajati i do pet puta duže od komponenti tretiranih konvencionalnim termičkim tretmanima kao što su stvrdnjavanje, karburiziranje, nitriranje, nitrougljičenje ili indukcijsko kaljenje.

 

​

 

Površinska obrada i modifikacija teške difuzije: Ako je sadržaj ugljika nizak (manje od 0,25% na primjer) onda možemo povećati sadržaj ugljika na površini za očvršćavanje. Dio se može termički obrađivati gašenjem u tekućini ili hladiti na mirnom zraku ovisno o željenim svojstvima. Ova metoda će omogućiti samo lokalno stvrdnjavanje na površini, ali ne iu jezgri. Ovo je ponekad vrlo poželjno jer omogućava tvrdu podlogu sa dobrim svojstvima habanja kao kod zupčanika, ali ima čvrsto unutrašnje jezgro koje će se dobro ponašati pod udarnim opterećenjem.

 

 

 

U jednoj od tehnika obrade i modifikacije površine, odnosno karburizaciji, na površinu dodajemo ugljik. Izlažemo dio atmosferi bogatoj ugljikom na povišenoj temperaturi i dopuštamo difuziju za prijenos atoma ugljika u čelik. Difuzija će se dogoditi samo ako čelik ima nizak sadržaj ugljika, jer difuzija radi na principu diferencijalne koncentracije.

 

 

 

Karburizacija pakovanja: Dijelovi se pakuju u mediju s visokim udjelom ugljika kao što je ugljični prah i zagrijavaju se u peći 12 do 72 sata na 900 C (1652 Farenhajta). Na ovim temperaturama se proizvodi CO gas koji je jako redukciono sredstvo. Reakcija redukcije se događa na površini čelika oslobađajući ugljik. Ugljik se zatim difundira u površinu zahvaljujući visokoj temperaturi. Ugljik na površini je 0,7% do 1,2% ovisno o uvjetima procesa. Postignuta tvrdoća je 60 - 65 RC. Dubina karburiziranog kućišta kreće se od oko 0,1 mm do 1,5 mm. Ugljičenje pakovanja zahteva dobru kontrolu ujednačenosti temperature i konzistentnosti pri zagrevanju.

 

 

 

Ugljičenje plinom: U ovoj varijanti površinske obrade, plin ugljični monoksid (CO) se dovodi u zagrijanu peć i reakcija redukcije taloženja ugljika se odvija na površini dijelova. Ovaj proces prevazilazi većinu problema sa karburizacijom. Međutim, jedna briga je sigurno zadržavanje CO gasa.

 

 

 

Tečno karburiziranje: Čelični dijelovi su uronjeni u kupku bogatu rastopljenim ugljikom.

 

 

 

Nitriranje je proces površinske obrade i modifikacije koji uključuje difuziju dušika u površinu čelika. Azot formira nitride sa elementima kao što su aluminijum, hrom i molibden. Dijelovi su termički obrađeni i temperirani prije nitriranja. Dijelovi se zatim čiste i zagrijavaju u peći u atmosferi disociranog amonijaka (koji sadrži N i H) 10 do 40 sati na 500-625 C (932 - 1157 Farenhajta). Dušik difundira u čelik i formira legure nitrida. Ovo prodire do dubine do 0,65 mm. Kućište je veoma tvrdo i izobličenja su niska. Budući da je kućište tanko, površinsko brušenje se ne preporučuje i stoga nitriranje površinske obrade možda nije opcija za površine sa zahtjevima za vrlo glatkom završnom obradom.

 

 

 

Proces površinske obrade i modifikacije karbonitriranja najprikladniji je za niskougljične legirane čelike. U procesu karbonitriranja, i ugljik i dušik se difundiraju na površinu. Dijelovi se zagrijavaju u atmosferi ugljikovodika (kao što je metan ili propan) pomiješanog s amonijakom (NH3). Jednostavno rečeno, proces je mješavina karburizacije i nitriranja. Površinska obrada karbonitriranjem se izvodi na temperaturama od 760 - 870 C (1400 - 1598 Farenhajta), a zatim se gasi u atmosferi prirodnog gasa (bez kiseonika). Proces karbonitriranja nije prikladan za dijelove visoke preciznosti zbog inherentnih izobličenja. Postignuta tvrdoća je slična naugljičenju (60 - 65 RC), ali ne tako visoka kao nitriranje (70 RC). Dubina kućišta je između 0,1 i 0,75 mm. Kućište je bogato nitridima kao i martenzitom. Naknadno kaljenje je potrebno kako bi se smanjila lomljivost.

 

 

 

Posebni procesi površinske obrade i modifikacije su u ranoj fazi razvoja i njihova efikasnost još nije dokazana. Oni su:

 

 

 

Kriogena obrada: Općenito se primjenjuje na kaljenim čelicima, polako hladi podlogu na oko -166 C (-300 Farenhajta) kako bi se povećala gustoća materijala i time povećala otpornost na habanje i stabilnost dimenzija.

 

 

 

Tretman vibracijama: Oni imaju za cilj da ublaže termički stres nastao u termičkim tretmanima kroz vibracije i produže vijek trajanja.

 

 

 

Magnetna obrada: Oni imaju za cilj da izmijene postavu atoma u materijalima putem magnetnih polja i nadamo se da produže vijek trajanja.

 

 

 

Učinkovitost ovih specijalnih tehnika površinske obrade i modifikacije tek treba da se dokaže. Također ove tri gore navedene tehnike utječu na rasuti materijal osim na površine.