toplinska obrada vjezbe

Kolegij : Tehnologija II

Proizvodne tehnologije II Područje: Toplinska obrada Vježba: Postupci toplinske obrade čitavog volumena

(podloge za vježbu) Podloge pripremio: Doc. dr. sc. Darko Landek e-mail: [email protected] Podloge odobrio: Prof. dr. sc. Franjo Cajner

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

Zavod za materijale

Ak. god. 2012./13.

Tehnologija II Vježba 1. Postupci toplinske obrade čitavog volumena

_________________________________________________________________________________________ Fakultet strojarstva i brodogradnje-Zagreb Zavod za materijale

2

Dijagram postupka kaljenja

Tem

pera

tura

°C

ϑ TO

ugrijavanje progrijavanje držanje ohlađivanje Vrijeme

grijanje

površina

jezgra

jezgra

površina

ukupno vrijeme ugrijavanja

AUSTENITIZACIJA- , t- zaštitaϑa a

REŽIM GRIJANJA GAŠENJE

ϑa

Opći dijagram postupka kaljenja A. Određivanje parametara austenitizacije i izbor uređaja za ugrijavanje A.1. Parametri austenitizacije:

I. Temperatura austenitizacije ϑa : a) podeutektoidni čelici: ϑa = A3 + (30 ...70 °C) (1) b) nadeutektoidni čelici: ϑa = A1 + (50 ...70 °C) (2) Podaci iz TTT dijagrama, dijagrama stanja, priručnika, preporuka proizvođača čelika

II. Režim ugrijavanja na temperaturu austenitizacije a) Konstrukcijski čelici predgrijavaju se ovisno o Cekv:

101055

5,0510345

AlWTiSiVNiMoCrMnCCekv +++−

++++++= (3)

Najveći sadržaj elementa do kojeg vrijedi jednadžba (3):

%C %Mn %Cr %Mo %Ni %V %Si %Ti %W %Al 0,9 1,1 1,8 0,5 5 0,25 0,5 0,5 2 2

Potreban broj predgrijavanja ovisno o Cekv:

Cekv < 0,55 > 0,55 Broj i temperatura predgrijavanja

Predgrijavanje nije potrebno

Predgrijavanje na 400...500 ºC

b) Alatni čelici obavezno se predgrijavaju prema slijedećim preporukama - I. predgrijavanje na 400 ... 500 ºC (sve vrste alatnih čelika) - II. predgrijavanje na 860 ... 880 ºC (visokolegirani alatni čelici sa ϑa = 960... 1150 ºC imaju I. + II. predgrijavanje) - III. predgrijavanje na 1050 ºC (brzorezni čelici imaju I. + II. + III. predgrijavanje)

III. Vrijeme austenitizacije (vrijeme grijanja) Na vrijeme austenitizacije utječu čimbenici zavisni od samog obradka, izabranih tehnoloških parametara i uređaja u kojem se provodi grijanje. Za određivanje vremena grijanja koriste se različite analitičke i numeričke metode.

IV. Zaštitna atmosfera: a) plinske zaštitne atmosfere (inertne, aktivne) b) rastaljena sol c) fluidizirane kupke d) vakuum



3

Aktivne plinske zaštitne atmosfere sadrže (zavisno od vrste) različite plinske komponente koje mogu reagirati s čelikom i izazvati nepoželjne reakcije oksidacije i razugljičenja površine obradka.

Oksidacija (→) Redukcija (←)

Fe + CO2 ↔ FeO + CO Fe + H2O ↔ FeO + H2

Izborom odgovarajućeg sastava plinske atmosfere treba spriječiti odvijanje oksidacije čelika, tj. zaštitna atmosfere treba biti reducirajuća

Razugljičenje (→) Pougljičenje (←)

CO2 + [C] ↔ 2CO H2O + [C] ↔ CO + H2

U plinskoj atmosferi mogu se odvijati nepoželjne reakcije razugljičenja površine čelika koje treba spriječiti izborom odgovarajućeg ''C-potencijala'' atmosfere.

Reakcija vodenog plina

CO2 + H2 ↔ CO + H2O

Odvija se u plinskim atmosferama koje sadrže CO, CO2, H2O i H2

Utjecaj volumnih udjela komponenata vodenog plina na reakcije oksidacije i redukcije površine nelegiranog čelika

Svaka aktivna plinska atmosfera ima svoj karakterističan C-potencijal (''potencijal ugljika''), tj. onaj %C koji čisto željezo primi u termodinamičkoj ravnoteži s ispitivanom plinskom atmosferom. Ako je C-potencijal plinske atmosfere viši od sadržaja uglijka u čeliku nastupit će pougljičenje, a ako je niži nastaje nepoželjno razugljičenje površine čelika.

Primjer određivanja C-potencijala plinske atmosfere na osnovi mjerenja %CO2

Metode ispitivanja C-potencijala atmosfere:

a) direktne metode: ispitivanje Fe-folijom, ispitivanje mjerenjem električnog otpora

b) indirektne metode (temelje se na poznavanju jednadžbi oksidacije, razugljičenja, reakcije vodenog plina i konstanti ravnoteže ovih kemijskih reakcija): određivanje %CO2 plinskim analizatorom, određivanje temperature rošenja plinske atmosfere (odnosno sadržaja vlage u atmosferi), ispitivanja sadržaja kisika ''kisikovom sondom''



4

Razugljičenje i pougljičenje različitih čelika u plinskoj atmosferi

Postizanje i održavanje zahtijevanog C-potencijala atmosfere provodi se povećanjem ili smanjivanjem protoka pojedinih plinskih komponenti ovisno o temperaturi. Sve zapaljive komponente zaštitne atmosfere (CO, H2) spaljuju se na baklji prije ispuštanja u okoliš

A.2. Uređaji za grijanje

Peći Kupke

plamene

električne

komorne jamske konvejerske

solne

fluidizirane

vakuumske horizontalne (1, 2, 3-komorne) vertikalne

PLAMENE PEĆI a)sa zaštitnom atmosferom (ili bez nje) grijane

plamenom iz plamenika (prirodni plin, loživo ulje)

b) sa zaštitnom atmosferom, grijane zračenjem iz cijevnih grijača (prirodni plin, smjesa propana i zraka)

ELEKTRIČNE PEĆI

Komorna električna peć sa zaštitnom atmosferom i regulacijskim uređajima

a) Električne peći bez zaštitne atmosfere: za popuštanje i žarenja ispod A1

b) Električne peći s plinskom zaštitnom atmosferom (inertni plinovi, aktivne plinske atmosfere): za austenitizaciju i toplinsko-kemijske obrade

Toplinske obrade: žarenje, popuštanje, kaljenje, pougljičavanje, nitriranje, nitrokarburiranje, ...



5

VAKUUMSKE PEĆI Radno područje peći: - vakuum < 10-4 mbar - ϑmax <1200 (1350) ºC - inertni plinovi: N2, Ar, He, H2 - pohl = 1 ... 20 bar

Toplinske obrade: kaljenje, žarenje, otplinjavanje, nitriranje u plazmi plinova,...

Materijali: alatni čelici (12% Cr za hladni rad, za topli rad, brzorezni čelici) ,nehrđajući čelici, legirani čelici za poboljšavanje, vatrootporni čelici

Tem

pera

tura

, o CTl

ak, m

bar

Površina

Jezgra

0

20

1300

Vrijeme, h

10-4

10005000

Grijanje Gašenje

800

Presjek kroz horizontalnu jednokomornu vakuumsku peć i primjer dijagram postupka kaljenja brzoreznog čelika

KUPKE

Solna kupka grijana električnim grijačima

Fluidna kupka grijana električnim ili plamenicima grijačima

B. Određivanje parametara gašenja i izbor sredstva za gašenje

B.1 Metode ispitivanja sposobnosti ohlađivanja a) Laboratorijske metode (npr. metoda prema normi ISO 9950:1995(E)) b) Pogonske metode (''metoda Meinhardt'')

Mjerna naprava za ispitivanje hlađenja prema normi ISO 9950:1995(E)

Mjerna naprava za ispitivanje hlađenja prema ''metodi Meinhardt''



6

Faze pri gašenju u sredstvu koje podliježe Leidenfrost-ovom fenomenu (voda, ulja za kaljenje)

I. Faza parnog omotača

→ nastaje na početku gašenja kad se oko obratka stvara parni omotač koji spriječava odvođenje topline

II. Faza vrenja

→ nastaje kad dolazi do raskidanja parnog omotača i postizanja najvećeg odvođenja topline iz obratka

III. Faza hlađenja konvekcijom

→ nastaje na završetku gašenja kad se vrijednost temperature obratka spusti do temperature vrelišta sredstva za gašenje

Intenzitet gašenja

Krivulja hlađenja i određivanje srednje brzine hlađenja mjerne sonde u temperaturnom intervalu od 700 do 300 ºC

B.2. Uređaji za gašenje

- bazeni za gašenje, solne kupke, fluidizirane kupke, - hladne komore (u dvokomornim pećima) - stolovi i palete za hlađenje na zraku



7

BAZEN ZA GAŠENJE HLADNA KOMORA (u dvokomornoj peći)

Bazen za gašenje s cirkulacijom sredstva za gašenje (FSB-LTO & QRC)

Dvokomorna plinska peć sa zaštitnom atmosferom u komori za grijanje i bazenom za gašenje u ulju u komori za gašenje

Zadatak Provedena su ispitivanja hlađenja prema normiranoj metodi ISO 9950:1995(E) u mirnoj vodi i ulju za kaljenje sobne temperature (18 ºC). Iz rezultata ispitivanja u dijagramu temperatura-vrijeme odrediti srednju brzinu hlađenja vsr (između 700 do 300 ºC) i intenzitet gašenja H mirnog ulja ulja za kaljenje i 5%-tne vodene otopine polimera PAG.

Rješenje

Sredstvo za gašenje:

Vrijeme hlađenja probe (s) / Temperatura u središtu probe (oC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60

Mirna voda 18oC 845 450 140 100 70 60 50 45 42 40 38 35 Mirno ulje 1 845 830 770 560 380 290 240 205 185 170 160 140 5%PAG u vodi 844 830 780 725 480 260 165 130 110 90 80 70

Sredstvo za gašenje: mirna voda (18 ºC) mirno ulje (18 ºC) 5% PAG u vodi (18 0C) Srednja brzina hlađenja od 700 do 300 ºC (ºC/s)

Intenzitet gašenja H (1) 1

Kolegij : Tehnologija II

Proizvodne tehnologije II Područje: Toplinska obrada Vježba: Postupci modificiranja površina

(podloge za vježbu) (4. izdanje) Podloge pripremio: Doc. dr. sc. Darko Landek e-mail: [email protected] Podloge odobrio: Prof. dr. sc. Franjo Cajner


Zavod za materijale

Ak. god. 2012./13.

Tehnologija II Vježba 2. Postupci modificiranja površina


1

Uvod Osnovni cilj postupaka modificiranja površina metala je postizanje otpornosti na trošenje. Dodatno se određenim postupcima povisuje korozijska postojanosti (npr nitriranjem, boriranjem), otpornost na djelovanje povišenih temperatura (npr. boriranjem, vanadiranjem) te otpornost na kontaktne pritiske i dinamička izdržljivost (npr. indukcijskim kaljenjem, cementiranjem). Površinski sloj se može modificirati djelovanjem topline, mehaničkih djelovanjem ili toplinsko-kemijskim procesima .

MODIFICIRANJA POVRŠINA

TOPLINSKA

TOPLINSKO -KEMIJSKA

MEHANIÈKA

Površinsko kaljenje: - plameno - indukcijsko - elektronskim snopom - laserskim snopom

Difuzija metalnihelemenata:- alitiranje (Al)- difuzijsko kromiranje (Cr)- siliciranje (Si)- legiranje laserskim snopom- legiranje snopom elektrona

Difuzija nemetalnih elemenata:- oksidiranje- nitriranje- nitrokarburiranje- postupak QPQ- oksinitrokarburiranje- sulfonitriranje- sulfokarbonitriranje- cementiranje- karbonitriranje- boriranje

Difuzija metalnih i nemetalnih elemenata:- vanadiranje (V, C)- niobiranje (Ni, C)- titaniranje (Ti, C)

- Saèmarenje- Valjanje

Podjela postupaka modificiranja površina metala

Modificiranje površinskih slojeva toplinskim postupcima → Plameno kaljenje

Lokalno ograničeno grijanje površinskog sloja na temperaturu austenitizacije ostvaruje se izgaranjem gorivog plina (zemni plin, propan-butan, acetilen) i kisika u plameniku. Gašenje se provodi uglavnom prskanjem u prskalici. Plamenik i prskalicu treba posebno konstruirati za konkretan obradak i potom provesti izbor optimalnih parametara postupka.

→ Indukcijsko kaljenje

Lokalno ograničeno grijanje površinskog sloja na temperaturu austenitizacije ostvaruje se elektromagnetskim poljem induktora koje inducira vrtložne struje u obratku (tj. toplina potrebna za grijanje dobiva se radom vrtložnih struja neposredno u površinskom sloju koji treba zakaliti, što je jedan od najpovoljnijih načina unosa topline u materijal).

Gašenje se ostvaruje prskanjem mlazovima sredstva za gašenje u prskalici ili potapanjem u bazen za gašenje.

Induktor (i prskalicu) treba posebno konstruirati za svaku novu seriju obratka i prilagoditi ih oblikom i dimenzijama kaljenom segmentu površine, te potom izabrati optimalne parametre postupka (frekvenciju i snagu generatora, temperaturu grijanja, trajanje ili posmak grijanja, protok sredstva za gašenje kroz prskalicu i dr.)



2

Primjer postavljanja zahtijeva za indukcijskim kaljenjem

Metode plamenog i indukcijskog kaljenja: stacionarno, rotaciono, posmično, rotaciono-posmično

Rotaciono plameno kaljenje rukavca Rotaciono indukcijsko kaljenje koljenaste osovine

Određivanje efektivne dubine plamenog ili indukcijskog kaljenja (prema normi DIN 50190)

(SHD)

Efektivna dubina kaljena (SHD) definira se kao udaljenost od površine obratka do mjesta gdje se postiže granična tvrdoća. Vrijednost granične tvrdoće (HV1) odgovara vrijednosti 80% minimalne površinske tvrdoće.

Usporedba osnovnih parametara postupaka površinskog kaljenja i uobičajenih dubina zakaljenog sloja

Postupak Gustoća snage (kW/cm2)

Trajanje grijanja (s)

Dubina zakaljene zone (mm)

plameno kaljenje 1 10 – 100 2,0 – 6,0 indukcijsko kaljenje 3 - 20 0,5 – 10 0,5 – 5,0 kaljenje laserskim snopom 0,5 – 5 0,01 – 10 0,2 – 2,0 kaljenje snopom elektrona 10 – 1 000 0,001 – 0,1 0,1 – 1,5

Čelici i lijevovi za površinsko kaljenje → Prikladni čelici za površinsko kaljenje moraju ispunjavati određene uvjete:

- sadržaj ugljika između 0,35 do 0,7 % - smanjeni sadržaj sumpora i fosfora na manje od 0,035 % - visok stupanj čistoće tj. odsutnost oksida i što manje segregacija, - što manja sklonost stvaranju zaostalog austenita, - najpovoljnija polazna mikrostruktura jest kaljena + popuštena, a manje su povoljne

normalizacijski i sferodizacijski žarene mikrostrukture. → Željezni lijevovi (sivi lijev, nodularni lijev) prikladni za indukcijsko kaljenje moraju imati perlitnu ili

barem feritno perlitna željeznu matricu po mogućnosti bez slobodnih karbida i steadita. Primjeri površinski zakaljenih dijelova: rukavci osovina i vratila, radilice, bregaste osovine, zupčanici, dijelovi kotrljajućih ležajeva, dijelova zupčastih i kardanskih spojki radna vretena, svornjaci, cilindri, čahure, vodilice alatnih strojeva, svrdla, pile, noževi, ručni neprofesionalni alat, alat za obradu drveta i sl.



3

Modificiranje površinskih slojeva toplinsko – kemijskim postupcima Kod postupaka toplinsko-kemijskog modificiranja površina djelovanjem topline iz aktivnog medija ostvaruje se difuzija atoma nemetala (C, N, B, S) ili metala (Cr, Al, Si, V, Ti, Nb...) u površinski sloj, pri čemu se mijenja kemijski sastav i struktura sloja. Aktivni medij može biti granulat, pasta, solna kupka, plinska atmosfera ili plazma ioniziranih plinova.

→ Cementiranje

Postupak cementiranja se sastoji od pougljičavanja, kaljenja i niskotemperaturnog popuštanja.

Osnovni cilj cementiranja je obogaćivanje površinskih slojeva čelika ugljikom (najpovoljnije je sadržaj oko 0,8%C), radi dobivanja tvrdog površinskog sloja (minimalno 60 HRC) otpornog na trošenje, a da pri tom niskougljična jezgra (sa <0,25%C) ostane žilava (otporna na udarce).

A1 (jezgra)

A3 (jezgra)

Tem

pera

tura

, o C

Vrijeme, h

pougljicavanje kaljenje niskotemperaturnopopuštanje

sporohladenje

gašenje

mar

tenz

itni

sloj

prije

lazn

azo

na

jezgra

(0,1 ... 0,22 % C)

Dijagram postupaka cementiranja čelika Zone na cementiranom obratku

Postupak cementiranja može se provoditi uz pougljičenje u različitim sredstvima granulatu, solnoj kupki, fluidiziranoj kupki, plinskoj atmosferi ili ioniziranom plinu.

→ Pougljičenje u granulatu je najstariji, najjednostavniji i najjeftiniji način pougljičavanja. Proizvođači granulata daju tehničke podatke o potrebnom trajanju pougljičenja za određenu dubinu i primjenjivosti granulata za upotrebljeni čelik.

→ Pougljičenje u solnim kupkama daje određeni C-potencijal, a izborom soli moguće je postići njegove različite vrijednosti. Pri radu sa solnim kupkama potrebne su posebne mjere opreza i postrojenje za neutralizacija otrovnih otpadnih tvari.

→ Pougljičenje u plinskim atmosferama (CO, CH4 i drugi ugljikovodici, etilacetat, metanol) je znatno brže nego u granulatu, a moguća je i izvrsna regulacija C-potencijala atmosfere, kao i rad s više C-potencijala, odnosno promjenljivim C-potencijalom.

Tijek koncentracije ugljika tijek tvrdoće i efektivna dubina cementiranog sloja

Utjecaj trajanja pougljičavanja na sadržaj ugljika u rubnom sloju pri pougljičavanju u plinskoj atmosferi



4

Efektivna dubina cementiranja (CHD) određuje se prema normi HRN ISO 15787:2001 kao ona okomita udaljenost od ruba do mjesta gdje je postignuta granična tvrdoća od 550 HV1. Uobičajene su dubine cementiranja 0,1 do 3 mm.

Označavanje dubine cemenitranja na crtežu prema normi DIN 6773:2001

Primjer označavanja zahtjeva za cementiranje na crtežu

Mikrostruktura cementiranih dijelova promatra se na svjetlosnom mikroskopu nakon uobičajene metalografske pripreme.

Mikrostruktura cementiranog čelika 20MnCr5 s karbidima izlučenim u rubnom sloju

Do izlučivanja karbida u rubnom sloju došlo je zbog prenaugljičenja ruba.

→ sprječavanje: postavljanje i održavanje optimalnog C-potencijala takvim da se u rubnoj zoni postigne 0,7 ... 0,9 %C ili regulirana promjena C-potencijala (npr. rad s dva C -potencijala ili kontinuirano promjenljivim C – potencijalom) Mikrostruktura cementiranog čelika 20MnCr5 s rasporedom

tvrdoće (pravilno proveden postupak cementiranja)

Primjeri cementiranih dijelova: zupčanici za prijenos snage, vodeće čahure, koljenasti zglobovi, svornjaci, koljenaste osovine, lančanici, automobilske poluosovine, stapni svornjaci, vretena, kardanski zglobovi i sl

→ Nitriranje

Nitriranje je postupak u kojem u površinu čelika difundira dušik pa se stvaraju Fe-nitridi (npr. Fe4N i Fe2-3N) Svim postupcima nitriranja i nitrokarburiranja zajedničko je da se odvijaju ispod temperature A1 tako da mikrostruktura u jezgri obratka ne doživljava nikakvu promjenu (uz nužno prethodno kaljenje i popuštanje na dovoljno visoku temperaturu).

Nitriranje se može provoditi u prašku, solnim kupkama (npr. postupak TENIFER), plinu i u plazmi ioniziranih plinova.

Svojstva nitriranih dijelova: povišena površinska tvrdoća, povećana otpornost na (adhezijsko) trošenje, povećana otpornost na koroziju, dobra otpornost trošenju na povišenim temperaturama (500–550 °C), otpornost toplinskom umoru, povećana dinamička izdržljivost, male ili zanemarive deformacije obratka.



5

Zonaspojeva Difuzijska zona

a)

b)

20 µm

Određivanje dubina nitriranja (NHD) (prema normi HRN ISO 15787:2001)

Raspored tvrdoće po poprečnom presjeku čelika 34CrAlNi7 nitrokarburiranog postupkom Tenifer pri 580ºC / 2h / voda

Mikrostruktura površinskog sloja nitrokarburiranog čelika C15, u solnoj kupki Tenifer pri 580 °C / 2 h: (a) hlađeno u vodi; (b) hlađeno u vodi i dodatno grijano na 300 °C / 1 h / zrak

Efektivne dubine nitriranog sloja (NHD) iznose do 0,6 mm, a debljine zone spojeva iznose do 20 µm. Zona spojeva nosilac je otpornosti na trošenje i koroziju, a difuzijska zona povećava dinamičku izdržljivost.

nitrirano ≥800 HV 3 NHD = 0,1 ± 0,05

Označavanje dubine nitriranja na crtežu prema normi DIN 6773:2001

Primjer označavanja zahtjeva za nitriranje kada opterećenja za ispitivanje tvrdoće odstupaju od propisanih

→ Boriranje

Boriranje je toplinsko-difuzijski postupak pri kojem u površinske slojeve difundira bor na temperaturama od 800 do 1100 °C u trajanju od nekoliko sati. Boriranje se provodi u prašku (granulatu), pasti (pogodno za lokalno boriranje), plinskim atmosferama (vrlo otrovan i rijetko primjenjivan postupak), solnim kupkama, te u plazmi ioniziranih plinova.

Dubine boridnih slojeva su od nekoliko desetaka µm do 0,3 mm. Tvrdoće boridnih slojeva iznose oko 2000 HV. Nakon boriranja obrati se mogu naknadno zakaliti pri čemu se ne smije koristiti ''oštro'' sredstvo za gašenje zbog mogućeg pucanja boridnog sloja. Borirani dijelovi imat će, uz nešto nižu žilavost i čvrstoću savijanja, slijedeća svojstva, vrlo visoku tvrdoću, visoku otpornost na trošenje (abraziji, eroziji, kavitaciji i postojanost na temperaturama do oko 600 °C, otpornost prema kiselinama i lužinama.

Primjeri: trnovi i žigovi za duboko vučenje, dijelovi mjenjača, valjci za graviranje, dijelovi za oblikovanje betona, kalupi za prešanje, sapnice za lijevanje, dijelovi ventila

Mikrostruktura i raspored tvrdoće na boriranom uzorku od čelika C45 (monofazni sloj Fe2B)



6

Modificiranje površinskih slojeva dupleks postupcima Primjena samo jednog postupka modificiranja ili prevlačenja površina u nizu primjera ne omogućuje potrebnu kombinaciju svojstava (triboloških, korozijskih, mehaničkih i ostalih), već je potrebno provesti dva ili više različitih postupaka toplinske obrade, tj. primjeniti ''dupleks postupak''.

Primjer 1. Nitrokarburiranje s naknadnom oksidacijom (postupak TENIFER QPQ)

Dijagram postupka nitrokarburiranja s naknadnom oksidacijom (TENIFER QPQ), primjeri površinski modificiranih obradaka i usporedba postignutih triboloških i korozijskih svojstava sloja

Primjer 2. Nitriranje u plazmi i prevlačenje površine PVD postupkom slojem TiN

Fizikalno prevlačenje iz parne faze (postupak PVD)

Shema uređaja za PVD postupak

PVD postupci su postupci prevlačenja površine iz parne faze pri kojima se materijal prevlake u vakuumskoj komori dovodi u parnu fazu (isparavanjem, sublimacijom, bombardiranjem ionima…) te se potom usmjerava na površinu obratka. PVD postupak sastoji od slijedećih faza: 1. Isparivanje materijala prevlake na substrat; 2. Prijenos materijala prevlake na substrat; 3. Kondenzacija para, nastanak i rast klica

kristalizacije; 4. Stvaranje veza prevlaka-substrat



7

Dijagram dupleks postupka ionskog nitriranja i PVD prevlačenja provedena u istom uređaju

Unutrašnjost uređaja za prevlačenje PVD postupkom i šarža alata nakon prevlačenja

Shematski prikaz ispitivanja otpornosti na trošenje

Rezultati ispitivanja otpornosti na adhezijsko trošenje pritiskanjem keramičke kuglice na površinski modificirani i/ili prevučeni ispitni uzorak (disk) od čelika EN40B

Kolegij : Proizvodne tehnologije Područje: Toplinska obrada Vježba: Postupci prevlačenja površina

(podloge za vježbu) (izd. 1) Podloge pripremio: dr. sc. Darko Landek e-mail: [email protected] Podloge odobrio: Prof. dr. sc. Franjo Cajner


Zavod za materijale

Ak. god. 2012./13.

Proizvodne tehnologije Vježba 3. Postupci prevlačenja površina


1

Uvod → Osnovni cilj postupaka prevlačenja površina alata i konstrukcijskih dijelova je postizanje otpornosti

na trošenje (tzv. ''tribološke prevlake''). Dodatno se određenim postupcima povisuje korozijska postojanost, otpornost na visokotermperaturnu oksidaciju i toplinski umor.

Prevlačenja površine alata i dijelova tribološkim prevlakama mogu se provesti djelovanjem topline, pritiska, naparivanjem, kemijskim i elektrokemijskim postupcima (vidi sliku.). Pri tome se stvaraju tanki i tvrdi keramički ili dijamantu slični slojevi. Keramički slojevi uobičajeno su višeslojni sastavljeni od oksidnih (Al2O3) i neoksidnih spojeva (TiC, TiN, TiCN). Od niza dolje navedenih postupaka za primjenu u izradi alata i dijelova zbog povoljnih svojstava prevlaka te produktivnosti, fleksibilnosti i ekonomičnosti postupka ističu se postupci prevlačenja (i legiranja) laserskim snopom, postupci naštrcavanja (plamenom ili plazmom) te postupci kemijskog (CVD) i fizikalnog (PVD) prevlačenja iz parne faze.

Slika 1. Podjela postupaka prevlačenja površina alata i konstrukcijskih dijelova

Prevlačenje laserskim snopom

Prevlačenje laserskim snopom je postupak toplinskog nanošenja prevlaka na na osnovni materijal nedovoljno otporan na trošenje, koroziju ili povišene temperature. Prevlake su od poluplemenitih i plemenitih metala (legure nikla ili kobalta), tvrdih metala (niklene ili koblatne legure s karbidnim česticama poput WC, TiC, VC, Cr3C2) ili keramičkih prahova (Al2O3, ZrO2). Osnovni materijal je uobičajeno ugljični čelik, alatni čelik za hladni rad, austenitni čelik, bakar, legure nikla i kobalta (superlegure) ili legure titana. Postupak laserskog prevlačenja omogućuje lokalno nanošenje prevlake na određena mjesta alata i konstrukcijskih dijelova u debljinama od 0,2 do uobičajeno 2 mm.

Materijal prevlake (u obliku praška, paste ili galvanski nanesenog sloja) rastaljuje se laserskim snopom i metalurški veže s osnovnim materijalom, ali se s njim ne miješa. Prikladnim izborom materijala prevlaka i parametara procesa mogu se dobiti različite vrste prevlaka: jednoslojne (jednokomponentne), legirane ili disperzijske (višekomponentne).

Slika 2. Shematski prikaz laserskog prevlačenja

materijalom prevlake u obliku praha Slika 3. Primjer laserskog prevlačenje svrdla za naftne

bušotine



2

Naneseni sloj jednoličnog je sastava i svojstava pa se može trošiti po čitavoj debljini bez promjene otpornosti i postojanosti. Zona utjecaja topline oko nanesenog sloja vrlo je mala i izaziva minimalne deformacije. Nanesene prevlake ujednačenih su svojstava i kvalitete zbog automatiziranog vođenja procesa

Primjena postupka ograničena je relativno visokim troškovima opreme i malom brzinom nanošenja prevlake. Tipični dijelovi prevlačeni ovim postupkom su lopatice i sapnice plinskih turbina zrakoplova, sjedišta ventila automobilskih motora, rotori hidrauličkih pumpi, svrdla za naftne bušotine, ukovnji, kalupi za tlačni lijev, ortopedski implantati i sl. Naštrcavanje površinskih slojeva plamenom ili plazmom

Postupcima toplinskog naštrcavanja nanose se prevlake debljine od 10 µm do nekoliko milimetara na čelike, željezne lijevove, aluminijske, bakrene, titanove i niklene legure: naštrcane prevlake mogu se biti čisti metali (Cr, W, Ni, Cu, Al, Mo), legure (NiCr, NiAl, čelici, CuAl, CoCrW), metalni karbidi (WC, TiC, WC-Co), oksidi (Al2O3, TiO2, ZrO2, Al2O3-TiO2) i dr. Osim gore navedenih funkcija otpornosti na trošenje, koroziju i povišene temperature toplinski naštrcani slojevi mogu ispunjavati i druge funkcije, ovisno o vrsti i strukturi sloja, npr. postizanje biokompaktibilnosti implantata i proteza, povoljno ponašanje pri uhodavanju visokobrzinskih strojeva (kompresori, turbine) i dr. Podjela postupaka naštrcavanja uobičajeno se provodi prema vrsti dodatnog materijala za naštrcavanje ili nositelju energije (plin, plazma, električni luk).

Kod plamenog naštrcavanja (slika 4) dodatni materijal dovodi se pomoću žice ili praha i rastaljuje se u plamenu gorivog plina (acetilen, propan, vodik) i kisika. Čestice rastaljenog praha ili žice naštrcavaju se na prevlačenu površinu ekspanzijom procesnog plina ili uz pomoć dodatnih plinova. Postupak plamenog naštrcavanje jednostavan je i jeftin za provedbu, ali daje slojevitu strukturu prevlake s visokom poroznošću.

Kod plazmatskog naštrcavanja dodatni materijal (prah) rastaljuje se u struji ioniziranog plazmatskog plina (Ar, He, H2, N2) i kroz zaštitnu atmosferu (inertni plin ili vakuum) naštrcava se na obradak (slika 5).

Slika 3. Shema postupka plamenog

naštrcavanja pomoću žice Slika 4. Shema postupka plazmatskog naštrcavanja

Površinski slojevi nanešeni plamenom ili plazmom razlikuju se od slojeva nanesenih drugim postupcima po strukturi, mehanizmu prianjanja na osnovni materijal i mogućnostima naknadne obrade. Toplinski naštrcani slojevi uvijek imaju određeni stupanj poroznosti ovisan o materijalu prevlake, osnovnom materijalu i postupku naštrcavanja. Prianjanje sloja na osnovni materijal uglavnom je mehaničkim sidrenjem bez značajnijih toplinskih deformacija obratka.

Postupci nanošenja prevlaka toplinskim naštrcavanjem predstavljaju široko rasprostranjenu industrijsku tehnologiju koja se primjenjuje u gotovo svim industrijskim područjima (zrakoplovna industrija, izrada strojeva i aparata za termoelektrane, hidroelektrane, spalionice otpada, automobilska industrija, izrada uređaja i reaktora za kemijsku industriju, industrija stakla, opća strojogradnja i dr.). Kemijsko prevlačenje iz parne faze (postupak CVD) Kemijsko prevlačenje iz parne faze (Chemical Vapour Deposition – skraćeno postupak CVD) izvodi se pri temperaturama oko 900 ºC u struji reakcijskog plina. Ovisno o sastavu reakcijskog plina mogu se postići prevlake karbida (TiC, VC, W2C, Sic, B4C, Cr7C3), nitrida (TiN, , ZrN, BN), karbonitrida (Ti(C,N)) ili keramički slojevi (Al2O3). Najprikladni osnovni materijali za CVD postupak jesu visokolegirani čelici s temperaturama austenitizacije 900 do 1000 ºC (npr. brzorezni čelici, ledeburitni čelici za hladni rad), tvrdi metali, legure nikla i kobalta te metalno-keramički kompoziti.



3

Proces kemijskog taloženja sastoji se od dva događaja( slika 5): prijenosa plinova i parovitih rektanata do obratka (uz adsorpciju reaktanata na njegovoj površini) i kemijskih reakcija adsorbiranih komponenata u kojima nastaje tvrdi površinski sloj. Nakon CVD prevlačenja čelika nužno je izvesti (za dotični čelik) odgovarajuću toplinsku obradu.

Tipični primjer posupka CVD je nastanak TiC u kemijskoj reakciji titanova tetraklorida i metana:

TiCl4 + CH4 → TiC + 4HCl

TiC se taloži na površinu obratka, a parovita HCl izlazi iz reakcijske komore. Optimalna debljina TiC prevlake iznosi do 10 µm.

Slika 5. Shema uređaja za CVD postupak (za prevlačenje slojem TiC)

Slika 6. Rezne pločice od tvrdog metala prevučene višeslojnim CVD prevlakama (TiN/TiCN/Al2O3/TiN)

CVD prevlake povećavaju otpornost na trošenje (adhezijom i abrazijom) i u manjoj mjeri otpornost na koroziju. Najveća dopuštena temperatura primjene CVD prevlaka na čelicima iznosi 500 ºC, jer iznad te temperature vrlo brzo dolazi do oksidacije sloja. Primjena postupka CVD prevlačenja zahtijeva čistu i odmašćenu površinu osnovnog materijala zbog osiguranja dobre prionjivosti prevlake Fizikalno prevlačenje iz parne faze (postupak PVD) Fizikalno prevlačenje iz parne faze (Physical Vapour Deposition – skraćeno postupak PVD) izvodi se isparivanjem atoma, molekula ili iona u vakuumu, njihovim prijenosom do obradaka te njihovim taloženjem na površinu obratka (slika 7).

PVD postupkom mogu se postići tanke prevlake (debljina do 5µm) praktički od svih elemenata kao i od izlučenih kemijskih spojeva (ako u procesu prevlačenja sudjeluju reaktivni plinovi). Za tribološke svrhe primjenjivi su nitridi i karbonitridi: TiN, CrN, Cr2N, Ti[C,N], [Ti,Al]N i dr. Od njih se zahtijeva dobra prionjivost na osnovni materijal i kompaktna morfologija. PVD postupak provodi se na temperaturama ispod 500 ºC pa su za osnovni materijal prikladni svi čelici kojima se popuštanje izvodi pri temperaturama višim od 500ºC (brzorezni čelici, alatni čelici za topli rad, poboljšani čelici) te metalno-keramički kompoziti, tvrdi metali i neželjezne legure. Prevlake postignute PVD postupkom sličnih su svojstava kao CVD prevlake.

Slika 7. Shema uređaja za PVD postupak Slika 6. Primjeri alata prevučenih PVD prevlakom TiN

Documents

toplinska obrada vjezbe