טיפולי שטח ושינויים

משטחים מכסים הכל. המשיכה והתפקודים שמשטחי החומר מספקים לנו הם בעלי חשיבות עליונה. Therefore SURFACE TREATMENT and SURFACE MODIFICATION are among our everyday industrial operations. טיפול ושינוי פני השטח מובילים לתכונות משטח משופרות וניתן לבצע אותם כפעולת גימור סופית או לפני פעולת ציפוי או צירוף. התהליכים של טיפולי משטח ושינוי (המכונה גם SURFACE ENGINEERING) , להתאים את משטחי החומרים והמוצרים ל:

 

 

 

- בקרת חיכוך ובלאי

 

- שיפור עמידות בפני קורוזיה

 

- שפר את ההידבקות של הציפויים הבאים או החלקים המחוברים

 

- שינוי תכונות פיזיקליות מוליכות, התנגדות, אנרגיית פני השטח והשתקפות

 

- שינוי תכונות כימיות של משטחים על ידי הכנסת קבוצות פונקציונליות

 

- שנה מידות

 

- שנה את המראה, למשל, צבע, חספוס וכו'.

 

- נקה ו/או חיטוי המשטחים

 

 

 

באמצעות טיפול ושינוי פני השטח, ניתן לשפר את הפונקציות ואת חיי השירות של חומרים. ניתן לחלק את שיטות הטיפול והשינוי הנפוצות שלנו לשתי קטגוריות עיקריות:

 

 

 

טיפול ושינוי משטחים המכסים משטחים:

 

ציפויים אורגניים: הציפויים האורגניים מורחים צבעים, צמנטים, למינציה, אבקות התמזגות וחומרי סיכה על משטחי החומרים.

 

ציפויים אנאורגניים: הציפויים האנאורגניים הפופולריים שלנו הם ציפוי אלקטרו, ציפוי אוטוקטליטי (ציפוי אלקטרולי), ציפויים המרה, תרסיסים תרמיים, טבילה חמה, ציפוי קשיח, היתוך תנור, ציפויי סרט דק כגון SiO2, SiN על מתכת, זכוכית, קרמיקה וכו'. טיפול ושינוי פני השטח הכוללים ציפויים מוסבר בפירוט תחת תפריט המשנה הקשור, בבקשהלחץ כאן ציפויים פונקציונליים / ציפויים דקורטיביים / סרט דק / סרט עבה

 

 

 

טיפול ושינוי משטחים המשנים משטחים: כאן בעמוד זה נתרכז באלה. לא כל טכניקות הטיפול ושינוי פני השטח שאנו מתארים להלן הן בקנה מידה מיקרו או ננו, אך בכל זאת נזכיר אותן בקצרה מכיוון שהמטרות והשיטות הבסיסיות דומות במידה משמעותית לאלה שנמצאות בסולם המיקרו.

 

 

 

התקשות: התקשות משטח סלקטיבי על ידי לייזר, להבה, אינדוקציה וקרן אלקטרונים.

 

 

 

טיפולי אנרגיה גבוהה: חלק מטיפולי האנרגיה הגבוהה שלנו כוללים השתלת יונים, זיגוג והיתוך לייזר וטיפול בקרן אלקטרונים.

 

 

 

טיפולי דיפוזיה דקה: תהליכי דיפוזיה דקים כוללים פריטי-ניטרוקרבוריזציה, בורוניזציה, תהליכי תגובה אחרים בטמפרטורה גבוהה כגון TiC, VC.

 

 

 

טיפולי דיפוזיה כבדים: תהליכי הדיפוזיה הכבדים שלנו כוללים קרבוריזציה, ניטרידה וקרבוניטרידינג.

 

 

 

טיפולי משטח מיוחדים: טיפולים מיוחדים כגון טיפולים קריוגניים, מגנטיים וקוליים משפיעים הן על המשטחים והן על החומרים בתפזורת.

 

 

 

תהליכי ההתקשות הסלקטיביים יכולים להתבצע על ידי להבה, אינדוקציה, קרן אלקטרונים, קרן לייזר. מצעים גדולים מתקשים עמוק באמצעות התקשות להבה. התקשות אינדוקציה לעומת זאת משמשת לחלקים קטנים. לעיתים אין הבחנה בהתקשות הלייזר והאלקטרון מאלו שבטיפולים קשים או בטיפולים בעלי אנרגיה גבוהה. תהליכי טיפול ושינוי פני השטח חלים רק על פלדות בעלות תכולת פחמן וסגסוגת מספקת כדי לאפשר התקשות מרווה. ברזל יצוק, פלדות פחמן, פלדות כלי עבודה ופלדות סגסוגת מתאימות לשיטת טיפול ושינוי פני השטח. מימדים של חלקים אינם משתנים באופן משמעותי על ידי טיפולי משטח התקשות אלה. עומק ההתקשות יכול לנוע בין 250 מיקרון לעומק החתך כולו. עם זאת, במקרה של החתך כולו, החתך חייב להיות דק, פחות מ-25 מ"מ (1 אינץ'), או קטן, שכן תהליכי ההתקשות דורשים קירור מהיר של חומרים, לפעמים תוך שנייה. קשה להשיג זאת בחלקי עבודה גדולים, ולכן בחלקים גדולים ניתן להקשיח רק את המשטחים. כתהליך פופולרי לטיפול ושינוי פני השטח אנו מקשיחים קפיצים, להבי סכינים ולהבים כירורגיים בין מוצרים רבים אחרים.

 

 

 

תהליכים בעלי אנרגיה גבוהה הם שיטות טיפול ושינוי פני שטח חדשות יחסית. מאפייני המשטחים משתנים מבלי לשנות את המידות. תהליכי טיפול פני השטח הפופולריים שלנו באנרגיה גבוהה הם טיפול בקרן אלקטרונים, השתלת יונים וטיפול בקרן לייזר.

 

 

 

טיפול בקרן אלקטרונים: טיפול במשטח של קרן אלקטרונים משנה את תכונות פני השטח על ידי חימום מהיר וקירור מהיר - בסדר גודל של 10Exp6 Centigrade/sec (10exp6 Fahrenheit/sec) באזור רדוד מאוד בסביבות 100 מיקרון ליד פני החומר. ניתן להשתמש בטיפול בקרן אלקטרונים גם בחיפוי קשיח לייצור סגסוגות פני השטח.

 

 

 

השתלת יונים: שיטת טיפול ושינוי משטחים זו משתמשת בקרן אלקטרונים או בפלזמה כדי להמיר אטומי גז ליונים בעלי אנרגיה מספקת, ולהשתיל/להכניס את היונים לסריג אטומי של המצע, המואץ על ידי סלילים מגנטיים בתא ואקום. ואקום מקל על יונים לנוע בחופשיות בתא. חוסר ההתאמה בין יונים מושתלים למשטח המתכת יוצר פגמים אטומיים שמקשיחים את פני השטח.

 

 

 

טיפול בקרן לייזר: כמו טיפול ושינוי משטח קרן אלקטרונים, טיפול בקרן לייזר משנה את תכונות פני השטח על ידי חימום מהיר וקירור מהיר באזור רדוד מאוד ליד פני השטח. שיטת טיפול ושינוי משטחים זו יכולה לשמש גם בחיפוי קשיח לייצור סגסוגות משטח.

 

 

 

ידע במינוני שתלים ופרמטרי טיפול מאפשר לנו להשתמש בטכניקות אלו לטיפול במשטחים בעלי אנרגיה גבוהה במפעלי הייצור שלנו.

 

 

 

טיפולי משטח דיפוזיה דקה:

​

Nitrocarburizing Ferritic הוא תהליך התקשות המארז שמפזר חנקן ופחמן למתכות ברזליות בטמפרטורות תת-קריטיות. טמפרטורת העיבוד היא בדרך כלל 565 צלזיוס (1049 פרנהייט). בטמפרטורה זו פלדות וסגסוגות ברזליות אחרות עדיין נמצאות בשלב פריטי, וזה יתרון בהשוואה לתהליכי התקשות אחרים המתרחשים בשלב האוסטניטי. התהליך משמש לשיפור:

 

•התנגדות לשפשוף

 

•תכונות עייפות

 

• עמידות בפני קורוזיה

 

מעט מאוד עיוות צורה מתרחש במהלך תהליך ההתקשות הודות לטמפרטורות העיבוד הנמוכות.

 

 

 

בורון, הוא התהליך שבו בורון מוכנס למתכת או סגסוגת. זהו תהליך התקשות ושינוי פני השטח שבאמצעותו מתפזרים אטומי בורון אל פני השטח של רכיב מתכת. כתוצאה מכך המשטח מכיל בורידים מתכתיים, כגון בורידים מברזל ובורידים ניקל. במצבם הטהור לבורידים הללו יש קשיות גבוהה במיוחד ועמידות בפני שחיקה. חלקי מתכת בורונים עמידים במיוחד בפני שחיקה ולעתים קרובות יחזיקו מעמד עד פי חמישה יותר מאשר רכיבים שטופלו בטיפולי חום קונבנציונליים כגון התקשות, פחמימות, ניטרידינג, ניטרוקרבוריזציה או התקשות אינדוקציה.

 

​

 

טיפול ושינוי משטחים בדיפוזיה כבדה: אם תכולת הפחמן נמוכה (פחות מ-0.25% למשל) אז נוכל להגדיל את תכולת הפחמן של המשטח לצורך התקשות. החלק יכול לעבור טיפול בחום על ידי מרווה בנוזל או לקרר באוויר דומם בהתאם למאפיינים הרצויים. שיטה זו תאפשר התקשות מקומית רק על פני השטח, אך לא בליבה. זה לפעמים רצוי מאוד מכיוון שהוא מאפשר משטח קשה עם תכונות בלאי טובות כמו בגלגלי שיניים, אבל יש לו ליבה פנימית קשיחה שתתפקד היטב תחת עומס פגיעה.

 

 

 

באחת מטכניקות טיפול ושינוי פני השטח, כלומר Carburizing, אנו מוסיפים פחמן למשטח. אנו חושפים את החלק לאטמוספירה עשירה בפחמן בטמפרטורה מוגברת ומאפשרים דיפוזיה להעביר את אטומי הפחמן לתוך הפלדה. דיפוזיה יקרה רק אם לפלדה יש תכולת פחמן נמוכה, מכיוון שהדיפוזיה פועלת על פי ההפרש של עקרון הריכוזים.

 

 

 

פחמימות חבילה: החלקים נארזים במדיום גבוה בפחמן כמו אבקת פחמן ומחוממים בכבשן למשך 12 עד 72 שעות ב-900 צלזיוס (1652 פרנהייט). בטמפרטורות אלו נוצר גז CO שהוא חומר מפחית חזק. תגובת ההפחתה מתרחשת על פני הפלדה המשחררת פחמן. הפחמן מתפזר אל פני השטח הודות לטמפרטורה הגבוהה. הפחמן על פני השטח הוא 0.7% עד 1.2% בהתאם לתנאי התהליך. הקשיות שהושגה היא 60 - 65 RC. עומק המארז המקרבור נע בין כ-0.1 מ"מ ל-1.5 מ"מ. קרבורור חבילה דורש שליטה טובה על אחידות הטמפרטורה ועקביות בחימום.

 

 

 

פחמימות גז: בגרסה זו של טיפול פני השטח, גז פחמן חד חמצני (CO) מסופק לתנור מחומם ותגובת ההפחתה של שקיעת פחמן מתרחשת על פני החלקים. תהליך זה מתגבר על מרבית הבעיות של קרבורינג חבילה. אולם דאגה אחת היא בלימה בטוחה של גז ה-CO.

 

 

 

קרבורור נוזלי: חלקי הפלדה טבולים באמבט עשיר בפחמן מותך.

 

 

 

ניטרידינג הוא תהליך טיפול ושינוי פני השטח הכולל דיפוזיה של חנקן אל פני השטח של פלדה. חנקן יוצר ניטרידים עם יסודות כמו אלומיניום, כרום ומוליבדן. החלקים מטופלים בחום ומטוממים לפני הניטרד. לאחר מכן, החלקים מנוקים ומחוממים בכבשן באווירה של אמוניה מנותקת (המכילה N ו-H) למשך 10 עד 40 שעות בטמפרטורה של 500-625 צלזיוס (932 - 1157 פרנהייט). חנקן מתפזר לתוך הפלדה ויוצר סגסוגות ניטריד. זה חודר לעומק של עד 0.65 מ"מ. המארז קשה מאוד והעיוות נמוך. מכיוון שהמארז דק, השחזה של פני השטח אינה מומלצת ולכן טיפול משטחי ניטרד עשוי להיות אופציה עבור משטחים עם דרישות גימור חלקות מאוד.

 

 

 

תהליך טיפול ושינוי משטח קרבוניטריד מתאים ביותר לפלדות מסגסוגת פחמן נמוכה. בתהליך הפחמניטרידה, הן פחמן והן חנקן מתפזרים אל פני השטח. החלקים מחוממים באווירה של פחמימן (כגון מתאן או פרופאן) מעורבב עם אמוניה (NH3). במילים פשוטות, התהליך הוא שילוב של Carburizing ו Nitriding. טיפול משטח קרבוניטריד מתבצע בטמפרטורות של 760 - 870 צלזיוס (1400 - 1598 פרנהייט), לאחר מכן הוא נכבה באווירת גז טבעי (ללא חמצן). תהליך הפחמניטרידה אינו מתאים לחלקים בעלי דיוק גבוה בגלל העיוותים הטמונים. הקשיות שהושגה דומה לקרבוריזציה (60 - 65 RC) אך אינה גבוהה כמו ניטרידינג (70 RC). עומק המארז הוא בין 0.1 ל-0.75 מ"מ. המארז עשיר בניטרידים כמו גם מרטנסיט. יש צורך במזג לאחר מכן כדי להפחית את השבריריות.

 

 

 

תהליכי טיפול ושינוי משטח מיוחדים נמצאים בשלבי פיתוח מוקדמים ויעילותם עדיין לא הוכחה. הם:

 

 

 

טיפול קריוגני: מיושם בדרך כלל על פלדות מוקשות, מקררים באיטיות את המצע לכ-166 מעלות צלזיוס (-300 פרנהייט) כדי להגביר את צפיפות החומר ובכך להגביר את עמידות הבלאי ויציבות הממדים.

 

 

 

טיפול ברטט: אלה מתכוונים להקל על מתח תרמי שנבנה בטיפולי חום באמצעות רעידות ולהאריך את חיי הבלאי.

 

 

 

טיפול מגנטי: אלה מתכוונים לשנות את מערך האטומים בחומרים באמצעות שדות מגנטיים ובתקווה לשפר את חיי הבלאי.

 

 

 

היעילות של טכניקות טיפול ושינוי פני שטח מיוחדות עדיין נותרה להוכחה. גם שלוש הטכניקות הללו לעיל משפיעות על החומר בתפזורת מלבד משטחים.