Površinske obdelave in modifikacije

Površine pokrivajo vse. Privlačnost in funkcionalnost, ki nam jo zagotavljajo materialne površine, so izjemnega pomena. Therefore SURFACE TREATMENT and SURFACE MODIFICATION are among our everyday industrial operations. Površinska obdelava in modifikacija vodita do izboljšanih površinskih lastnosti in se lahko izvedeta kot končna končna obdelava ali pred postopkom premazovanja ali spajanja. Postopki površinske obdelave in modifikacije (imenovani tudi kot SURFACE ENGINEERING) , prilagoditi površine materialov in izdelkov:

 

 

 

- Nadzor trenja in obrabe

 

- Izboljšajte odpornost proti koroziji

 

- Povečajte oprijem naslednjih premazov ali spojenih delov

 

- Spremenite fizikalne lastnosti prevodnost, upornost, površinsko energijo in odboj

 

- Spreminjanje kemijskih lastnosti površin z vnosom funkcionalnih skupin

 

- Spremenite dimenzije

 

- Spremenite videz, npr. barvo, hrapavost … itd.

 

- Očistite in/ali razkužite površine

 

 

 

Z uporabo površinske obdelave in modifikacije je mogoče izboljšati funkcije in življenjsko dobo materialov. Naše običajne metode površinske obdelave in spreminjanja lahko razdelimo v dve veliki kategoriji:

 

 

 

Površinska obdelava in modifikacija, ki zajema površine:

 

Organski premazi: Organski premazi nanesejo barve, cemente, laminate, taljene prahove in maziva na površine materialov.

 

Anorganski premazi: Naši priljubljeni anorganski premazi so galvanizacija, avtokatalitska prevleka (brezelektrične prevleke), pretvorbeni premazi, termični razpršilci, vroče namakanje, navarjanje, taljenje v peči, tankoslojni premazi, kot so SiO2, SiN na kovino, steklo, keramiko,… itd. Površinska obdelava in modifikacija, ki vključuje premaze, je podrobno razložena v ustreznem podmenijukliknite tukaj Funkcionalni premazi / Dekorativni premazi / Tanek film / Debel film

 

 

 

Površinska obdelava in modifikacija, ki spremeni površine: na tej strani se bomo osredotočili na to. Niso vse tehnike površinske obdelave in modifikacije, ki jih opisujemo spodaj, na mikro ali nano merilu, vendar jih bomo kljub temu na kratko omenili, saj so osnovni cilji in metode v veliki meri podobni tistim, ki so na mikroproizvodnem merilu.

 

 

 

Kaljenje: Selektivno površinsko kaljenje z laserjem, plamenom, indukcijo in elektronskim žarkom.

 

 

 

Visokoenergijski tretmaji: Nekateri naši visokoenergijski tretmaji vključujejo ionsko implantacijo, lasersko zasteklitev in fuzijo ter obdelavo z elektronskim žarkom.

 

 

 

Obdelave s tanko difuzijo: postopki tanke difuzije vključujejo feritno-nitrokarburiziranje, boriranje in druge visokotemperaturne reakcijske procese, kot sta TiC, VC.

 

 

 

Obdelave težke difuzije: Naši postopki težke difuzije vključujejo naogljičenje, nitriranje in karbonitriranje.

 

 

 

Posebne površinske obdelave: Posebne obdelave, kot so kriogene, magnetne in zvočne obdelave, vplivajo tako na površine kot na razsute materiale.

 

 

 

Selektivne postopke kaljenja lahko izvajamo s plamenom, indukcijo, elektronskim žarkom, laserskim žarkom. Velike podlage so globoko utrjene s plamenskim utrjevanjem. Indukcijsko kaljenje pa se uporablja za majhne dele. Lasersko utrjevanje in kaljenje z elektronskim žarkom se včasih ne razlikujeta od tistih pri utrjevanju ali obdelavi z visoko energijo. Ti postopki površinske obdelave in modifikacije so uporabni samo za jekla, ki imajo zadostno vsebnost ogljika in zlitin, da omogočijo utrjevanje pri kaljenju. Lito železo, ogljikova jekla, orodna jekla in legirana jekla so primerna za to metodo površinske obdelave in modifikacije. Dimenzije delov se s temi utrjevalnimi površinskimi obdelavami bistveno ne spremenijo. Globina utrjevanja se lahko spreminja od 250 mikronov do celotne globine reza. Vendar pa mora biti v primeru celotnega odseka odsek tanek, manjši od 25 mm (1 in), ali majhen, saj postopki utrjevanja zahtevajo hitro ohlajanje materialov, včasih v eni sekundi. Pri velikih obdelovancih je to težko doseči, zato je pri velikih prerezih mogoče utrditi le površine. Kot priljubljen postopek površinske obdelave in modifikacije med številnimi drugimi izdelki utrjujemo vzmeti, rezila nožev in kirurška rezila.

 

 

 

Visokoenergijski procesi so relativno nove metode površinske obdelave in modifikacije. Lastnosti površin se spreminjajo brez spreminjanja dimenzij. Naši priljubljeni postopki obdelave površin z visoko energijo so obdelava z elektronskim žarkom, ionska implantacija in obdelava z laserskim žarkom.

 

 

 

Obdelava z elektronskim žarkom: površinska obdelava z elektronskim žarkom spremeni lastnosti površine s hitrim segrevanjem in hitrim ohlajanjem - v vrstnem redu 10Exp6 Celzijusov/s (10exp6 Fahrenheitov/s) v zelo plitvem območju okoli 100 mikronov blizu površine materiala. Obdelava z elektronskim žarkom se lahko uporablja tudi pri navarjanju za izdelavo površinskih zlitin.

 

 

 

Ionska implantacija: Ta metoda površinske obdelave in modifikacije uporablja elektronski žarek ali plazmo za pretvorbo plinskih atomov v ione z zadostno energijo in implantacijo/vstavljanje ionov v atomsko mrežo substrata, pospešeno z magnetnimi tuljavami v vakuumski komori. Vakuum olajša prosto gibanje ionov v komori. Neskladje med implantiranimi ioni in površino kovine ustvarja atomske napake, ki utrdijo površino.

 

 

 

Obdelava z laserskim žarkom: Tako kot obdelava in modifikacija površine z elektronskim žarkom tudi obdelava z laserskim žarkom spremeni lastnosti površine s hitrim segrevanjem in hitrim ohlajanjem v zelo plitvem območju blizu površine. Ta metoda površinske obdelave in modifikacije se lahko uporablja tudi pri navarjanju za izdelavo površinskih zlitin.

 

 

 

Znanje in izkušnje pri odmerjanju vsadkov in parametrih zdravljenja nam omogočajo uporabo teh visokoenergijskih tehnik površinske obdelave v naših proizvodnih obratih.

 

 

 

Tanke difuzijske površinske obdelave:

​

Feritno nitrokarburiranje je postopek utrjevanja, pri katerem dušik in ogljik difundirata v železne kovine pri podkritičnih temperaturah. Temperatura obdelave je običajno 565 stopinj Celzija (1049 Fahrenheitov). Pri tej temperaturi so jekla in druge železove zlitine še vedno v feritni fazi, kar je prednost v primerjavi z drugimi postopki utrjevanja, ki potekajo v avstenitni fazi. Postopek se uporablja za izboljšanje:

 

• odpornost proti praskam

 

•utrujalne lastnosti

 

• odpornost proti koroziji

 

Zaradi nizkih temperatur obdelave pride do zelo majhnega popačenja oblike med postopkom kaljenja.

 

 

 

Boriranje je postopek, pri katerem se bor doda kovini ali zlitini. To je proces utrjevanja in modifikacije površine, s katerim se atomi bora razpršijo na površino kovinske komponente. Posledično površina vsebuje kovinske boride, kot so železovi boridi in nikljevi boridi. V čistem stanju imajo ti boridi izjemno visoko trdoto in odpornost proti obrabi. Borirani kovinski deli so izjemno odporni proti obrabi in bodo pogosto trajali do petkrat dlje kot komponente, obdelane s konvencionalno toplotno obdelavo, kot so kaljenje, naogljičenje, nitriranje, nitrokarburiziranje ali indukcijsko kaljenje.

 

​

 

Površinska obdelava in modifikacija z močno difuzijo: Če je vsebnost ogljika nizka (na primer manj kot 0,25 %), lahko povečamo vsebnost ogljika na površini za utrjevanje. Del je lahko toplotno obdelan s kaljenjem v tekočini ali ohlajen v mirnem zraku, odvisno od želenih lastnosti. Ta metoda bo omogočila samo lokalno utrjevanje na površini, ne pa tudi v jedru. To je včasih zelo zaželeno, ker omogoča trdo površino z dobrimi obrabnimi lastnostmi, kot pri prestavah, vendar ima trdno notranje jedro, ki se dobro obnese pri udarni obremenitvi.

 

 

 

Pri eni od tehnik površinske obdelave in modifikacije, in sicer naogljičenju, na površino dodamo ogljik. Del izpostavimo atmosferi, bogati z ogljikom, pri povišani temperaturi in omogočimo difuzijo za prenos ogljikovih atomov v jeklo. Do difuzije bo prišlo le, če ima jeklo nizko vsebnost ogljika, ker difuzija deluje na principu diferenciala koncentracij.

 

 

 

Paketno naogljičenje: Deli so zapakirani v medij z visoko vsebnostjo ogljika, kot je ogljikov prah, in segrevani v peči 12 do 72 ur pri 900 stopinjah Celzija (1652 Fahrenheita). Pri teh temperaturah nastaja plin CO, ki je močno redukcijsko sredstvo. Reakcija redukcije poteka na površini jekla, pri čemer se sprošča ogljik. Ogljik se nato zaradi visoke temperature razprši na površino. Ogljik na površini je od 0,7 % do 1,2 %, odvisno od pogojev postopka. Dosežena trdota je 60 - 65 RC. Globina karburiziranega ohišja se giblje od približno 0,1 mm do 1,5 mm. Naogljičenje zahteva dober nadzor enakomernosti temperature in doslednosti pri segrevanju.

 

 

 

Plinsko naogljičenje: Pri tej različici površinske obdelave se plin ogljikov monoksid (CO) dovaja v ogrevano peč in na površini delov poteka redukcijska reakcija odlaganja ogljika. Ta postopek premaga večino težav naogljičenja. Eden od pomislekov pa je varno zadrževanje plina CO.

 

 

 

Tekoče naogljičenje: jekleni deli so potopljeni v staljeno kopel, bogato z ogljikom.

 

 

 

Nitriranje je postopek površinske obdelave in modifikacije, ki vključuje difuzijo dušika v površino jekla. Dušik tvori nitride z elementi, kot so aluminij, krom in molibden. Deli so pred nitriranjem toplotno obdelani in kaljeni. Deli se nato očistijo in segrevajo v peči v atmosferi disociiranega amoniaka (ki vsebuje N in H) 10 do 40 ur pri 500–625 C (932–1157 Fahrenheitov). Dušik difundira v jeklo in tvori nitridne zlitine. Ta prodre do globine do 0,65 mm. Ohišje je zelo trdo in popačenja je malo. Ker je ohišje tanko, površinsko brušenje ni priporočljivo, zato površinska obdelava z nitriranjem morda ne bo možnost za površine z zelo gladko končno obdelavo.

 

 

 

Postopek površinske obdelave in modifikacije karbonitriranja je najprimernejši za nizkoogljična legirana jekla. V procesu karbonitriranja se tako ogljik kot dušik razpršita na površino. Deli se segrevajo v atmosferi ogljikovodika (kot je metan ali propan), pomešanega z amoniakom (NH3). Preprosto povedano, postopek je mešanica naogljičenja in nitriranja. Površinska obdelava s karbonitriranjem se izvaja pri temperaturah 760 - 870 C (1400 - 1598 Fahrenheitov), nato pa se pogasi v atmosferi zemeljskega plina (brez kisika). Postopek karbonitriranja ni primeren za visoko precizne dele zaradi popačenj, ki so neločljivo povezana. Dosežena trdota je podobna naogljičenju (60 - 65 RC), vendar ni tako visoka kot pri nitriranju (70 RC). Globina ohišja je med 0,1 in 0,75 mm. Ohišje je bogato z nitridi in martenzitom. Za zmanjšanje krhkosti je potrebno naknadno kaljenje.

 

 

 

Posebni postopki površinske obdelave in modifikacije so v zgodnjih fazah razvoja in njihova učinkovitost še ni dokazana. To so:

 

 

 

Kriogena obdelava: Običajno se uporablja za kaljena jekla, substrat počasi ohladite na približno -166 stopinj Celzija (-300 Fahrenheitov), da povečate gostoto materiala in tako povečate odpornost proti obrabi in dimenzijsko stabilnost.

 

 

 

Obdelava z vibracijami: Namenjena je razbremenitvi toplotne obremenitve, ki nastane pri toplotni obdelavi zaradi vibracij, in podaljšanju življenjske dobe.

 

 

 

Magnetna obdelava: Ti nameravajo spremeniti razporeditev atomov v materialih z magnetnimi polji in, upajmo, izboljšati življenjsko dobo.

 

 

 

Učinkovitost teh posebnih tehnik površinske obdelave in spreminjanja je treba še dokazati. Te tri zgornje tehnike poleg površin vplivajo tudi na razsuti material.