Površinske obrade i modifikacije

Površine pokrivaju sve. Privlačnost i funkcije koje nam materijalne površine pružaju od iznimne su važnosti. Therefore SURFACE TREATMENT and SURFACE MODIFICATION are among our everyday industrial operations. Površinska obrada i modifikacija dovodi do poboljšanih svojstava površine i može se izvesti ili kao završna završna operacija ili prije operacije premazivanja ili spajanja. Procesi površinske obrade i modifikacije (također se nazivaju SURFACE ENGINEERING) , prilagoditi površine materijala i proizvoda prema:

 

 

 

- Kontrolirajte trenje i trošenje

 

- Poboljšati otpornost na koroziju

 

- Poboljšajte prianjanje naknadnih premaza ili spojenih dijelova

 

- Promjena fizikalnih svojstava vodljivosti, otpora, površinske energije i refleksije

 

- Promjena kemijskih svojstava površina uvođenjem funkcionalnih skupina

 

- Promjena dimenzija

 

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

 

- Očistite i/ili dezinficirajte površine

 

 

 

Obradom i modifikacijom površine mogu se poboljšati funkcije i životni vijek materijala. Naše uobičajene metode površinske obrade i modifikacije mogu se podijeliti u dvije glavne kategorije:

 

 

 

Površinska obrada i modifikacija koja pokriva površine:

 

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

 

Anorganski premazi: Naši popularni anorganski premazi su galvanizacija, autokatalitička prevlaka (bezelektro prevlake), pretvorbeni premazi, toplinski sprejevi, vruće uranjanje, navarivanje, topljenje u pećima, premazi tankog filma kao što su SiO2, SiN na metalu, staklu, keramici,… itd. Površinska obrada i modifikacija koja uključuje premaze detaljno je objašnjena u odgovarajućem podizbornikukliknite ovdje Funkcionalni premazi / Dekorativni premazi / Tanki sloj / Debeli film

 

 

 

Površinska obrada i modifikacije koje mijenjaju površine: Ovdje na ovoj stranici usredotočit ćemo se na njih. Nisu sve tehnike površinske obrade i modifikacije koje opisujemo u nastavku na mikro ili nano razini, ali ćemo ih ipak ukratko spomenuti jer su osnovni ciljevi i metode u značajnoj mjeri slični onima na mikroproizvodnoj razini.

 

 

 

Kaljenje: Selektivno površinsko kaljenje laserom, plamenom, indukcijom i elektronskim snopom.

 

 

 

Tretmani visoke energije: Neki od naših tretmana visokom energijom uključuju ionsku implantaciju, lasersko glaziranje i fuziju te tretman elektronskom zrakom.

 

 

 

Tretmani tanke difuzije: procesi tanke difuzije uključuju feritno-nitrougljičenje, boriranje, druge visokotemperaturne reakcijske procese kao što su TiC, VC.

 

 

 

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

 

 

 

Posebni površinski tretmani: Posebni tretmani kao što su kriogeni, magnetski i zvučni tretmani utječu i na površine i na rasute materijale.

 

 

 

Selektivni postupci kaljenja mogu se provoditi plamenom, indukcijom, elektronskim snopom, laserskim snopom. Velike podloge se duboko kale pomoću plamenog kaljenja. S druge strane, indukcijsko kaljenje koristi se za male dijelove. Kaljenje laserom i elektronskim snopom ponekad se ne razlikuje od onih kod navarivanja ili tretmana visokom energijom. Ovi procesi površinske obrade i modifikacije primjenjivi su samo na čelike koji imaju dovoljan sadržaj ugljika i legure da se omogući kaljenje. Lijevano željezo, ugljični čelici, alatni čelici i legirani čelici prikladni su za ovu površinsku obradu i metodu modifikacije. Dimenzije dijelova se značajno ne mijenjaju ovim obradama površine za otvrdnjavanje. Dubina otvrdnjavanja može varirati od 250 mikrona do cijele dubine presjeka. Međutim, u slučaju cijelog presjeka, presjek mora biti tanak, manji od 25 mm (1 in), ili malen, jer procesi otvrdnjavanja zahtijevaju brzo hlađenje materijala, ponekad unutar jedne sekunde. To je teško postići kod velikih izradaka, pa se stoga kod velikih presjeka mogu očvrsnuti samo površine. Kao popularan postupak površinske obrade i modificiranja, među mnogim drugim proizvodima kalimo opruge, oštrice noževa i kirurške oštrice.

 

 

 

Visokoenergetski procesi su relativno nove metode površinske obrade i modifikacije. Svojstva površina se mijenjaju bez promjene dimenzija. Naši popularni procesi visokoenergetske površinske obrade su obrada elektronskom zrakom, ionska implantacija i obrada laserskom zrakom.

 

 

 

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

 

 

 

Implantacija iona: Ova metoda površinske obrade i modifikacije koristi snop elektrona ili plazmu za pretvaranje atoma plina u ione s dovoljnom energijom i implantaciju/umetanje iona u atomsku rešetku supstrata, ubrzanu magnetskim zavojnicama u vakuumskoj komori. Vakuum olakšava ionima slobodno kretanje u komori. Neusklađenost između implantiranih iona i površine metala stvara atomske defekte koji stvrdnjavaju površinu.

 

 

 

Obrada laserskom zrakom: Poput obrade i modifikacije površine elektronskom zrakom, obrada laserskom zrakom 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 i iskustvo u dozama implantata i parametrima liječenja omogućuje nam korištenje ovih visokoenergetskih tehnika površinske obrade u našim proizvodnim pogonima.

 

 

 

Tanke difuzijske površinske obrade:

​

Feritno nitrougljičenje je postupak otvrdnjavanja koji difundira dušik i ugljik u željezne metale na nižim od kritičnih temperatura. Temperatura obrade je obično 565 C (1049 Fahrenheita). Na ovoj temperaturi čelici i druge željezne legure su još uvijek u feritnoj fazi, što je prednost u usporedbi s drugim postupcima kaljenja koji se odvijaju u austenitnoj fazi. Proces se koristi za poboljšanje:

 

• otpornost na habanje

 

•svojstva zamora

 

•otpornost na koroziju

 

Tijekom procesa otvrdnjavanja dolazi do vrlo malog izobličenja oblika zahvaljujući niskim temperaturama obrade.

 

 

 

Boriranje je proces u kojem se bor uvodi u metal ili leguru. To je proces otvrdnjavanja i modifikacije površine kojim se atomi bora difundiraju na površinu metalne komponente. Kao rezultat toga površina sadrži metalne boride, kao što su boridi željeza i boridi nikla. U svom čistom stanju ovi boridi imaju izuzetno visoku tvrdoću i otpornost na trošenje. Dijelovi od boroniziranog metala izuzetno su otporni na trošenje i često će trajati do pet puta dulje od komponenti tretiranih konvencionalnim toplinskim tretmanima kao što su kaljenje, naugljičenje, nitriranje, nitrougljičenje ili indukcijsko kaljenje.

 

​

 

Površinska obrada i modifikacija teškom difuzijom: Ako je sadržaj ugljika nizak (na primjer, manji od 0,25%) tada možemo povećati sadržaj ugljika na površini za otvrdnjavanje. Dio se može ili toplinski obraditi kaljenjem u tekućini ili ohladiti 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 omogućuje tvrdu površinu s dobrim svojstvima trošenja kao kod zupčanika, ali ima čvrstu unutarnju jezgru koja će dobro funkcionirati pod udarnim opterećenjem.

 

 

 

U jednoj od tehnika površinske obrade i modifikacije, točnije karburizaciji, na površinu dodajemo ugljik. Dio izlažemo 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 razlike koncentracija.

 

 

 

Naugljičenje pakiranja: dijelovi se pakiraju u medij s visokim udjelom ugljika kao što je ugljični prah i zagrijavaju u peći 12 do 72 sata na 900 Celzijusa (1652 Fahrenheita). Na tim temperaturama nastaje plin CO koji je jako redukcijsko sredstvo. Reakcija redukcije odvija se na površini čelika pri čemu se oslobađa ugljik. Ugljik se zatim raspršuje 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. Naugljičenje paketa zahtijeva dobru kontrolu ujednačenosti temperature i dosljednosti u zagrijavanju.

 

 

 

Plinsko pougljičenje: U ovoj varijanti površinske obrade, plin ugljični monoksid (CO) dovodi se u zagrijanu peć i reakcija redukcije taloženja ugljika odvija se na površini dijelova. Ovaj proces prevladava većinu problema naugljičavanja. Međutim, jedna briga je sigurno zadržavanje CO plina.

 

 

 

Tekuće pougljičenje: čelični dijelovi uronjeni su u rastopljenu kupku bogatu ugljikom.

 

 

 

Nitriranje je proces površinske obrade i modifikacije koji uključuje difuziju dušika u površinu čelika. Dušik tvori nitride s elementima kao što su aluminij, krom i molibden. Dijelovi su toplinski obrađeni i kaljeni 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 Fahrenheita). Dušik difundira u čelik i stvara nitridne legure. To prodire do dubine do 0,65 mm. Kućište je vrlo tvrdo i izobličenje je malo. Budući da je kućište tanko, površinsko brušenje se ne preporučuje i stoga površinska obrada nitriranjem možda nije opcija za površine sa zahtjevima za vrlo glatku završnu obradu.

 

 

 

Proces površinske obrade i modifikacije karbonitriranjem najprikladniji je za legirane čelike s niskim udjelom ugljika. U procesu karbonitriranja, i ugljik i dušik 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 izvodi se na temperaturama od 760 - 870 Celzijusa (1400 - 1598 Fahrenheita), zatim se gasi u atmosferi prirodnog plina (bez kisika). Proces karbonitriranja nije prikladan za dijelove visoke preciznosti zbog izobličenja koja su inherentna. Postignuta tvrdoća slična je tvrdoći naugljičavanja (60 - 65 RC), ali nije tako visoka kao nitriranju (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.

 

 

 

Specijalni procesi površinske obrade i modifikacije su u ranim fazama razvoja i njihova učinkovitost još nije dokazana. Oni su:

 

 

 

Kriogena obrada: Općenito se primjenjuje na kaljeni čelik, polako ohladite podlogu na oko -166 Celzijusa (-300 Fahrenheita) kako biste povećali gustoću materijala i tako povećali otpornost na trošenje i stabilnost dimenzija.

 

 

 

Tretman vibracijama: Namjera im je ublažiti toplinski stres nastao toplinskim tretmanima kroz vibracije i produžiti vijek trajanja.

 

 

 

Magnetska obrada: Namjera im je promijeniti raspored atoma u materijalima pomoću magnetskih polja i, nadamo se, poboljšati životni vijek.

 

 

 

Učinkovitost ove posebne površinske obrade i tehnika modifikacije tek treba dokazati. Također ove tri gore navedene tehnike utječu na rasuti materijal osim površina.