OTĚRUVZDORNÉ POVRCHOVÉ ÚPRAVY Jan Suchánek ČVUT FS, ÚST
Úvod Povrchové úpravy zlepšující tribologické charakteristiky kovových materiálů: A) Povrchové vrstvy a povlaky s vysokou tvrdostí pro podmínky adhezívního i abrazívního opotřebení B) Měkké a houževnaté povrchové vrstvy a povlaky - pro podmínky adhezívního opotřebení
Úvod Povrchové úpravy: 1) Povrchové vrstvy - modifikuje se chemické složení, struktura nebo substruktura na povrchu a v podpovrchových vrstvách základního materiálu. Od povrchu do jádra materiálu se vytváří gradient fyzikálně-mechanických i chemických vlastností bez jejich náhlé změny.
Úvod 2. Povlaky - nanáší se na původní povrch materiálu a obvykle mají odlišné chemické složení i strukturu než základní materiál. Přitom vzniká rozhraní s výraznou změnou fyzikálně-mechanických i chemických vlastností, což může vytvářet problémy jak při vytváření povlaků, tak při jejich aplikaci.
Úvod 3. Duplexní povlaky - kombinují modifikaci povrchových vrstev s nanesením povlaku. Zabrání se náhlé změně fyzikálně-mechanických i chemických vlastností směrem od povrchu do jádra a docílí se požadované vlastnosti povrchu. Duplexní procesy vyžadují kombinaci dvou i více technologických postupů.
Povrchové vrstvy A) Mechanické procesy: 1) zpevnění povrchových vrstev plastickou deformací za studena - kuličkování, válečkování, otryskání, kalibrování, detonační zpevňování 2) speciální technologie opracování - leštění, tření za spec. podmínek, vtírání částic, hlazení povrchu
Povrchové vrstvy Zlepšená topografie povrchu a zpevnění povrchových vrstev ovlivňuje především fázi záběhu kluzného uzlu zmenšení intenzity adhezívního opotřebení v počátečních fázích. V podmínkách intenzívního abrazívního opotřebení prakticky bez příznivého účinku!
Závislost poměrné odolnosti proti abrazívnímu opotřebení na tvrdosti
Povrchové vrstvy B) Fyzikální procesy: a) iontová implantace - ionty s energií 50-200 kev, dávky 10 16-10 18 iontů.cm -2. Teplota procesu - do 150 0 C. Tloušťka ovlivněné povrchové vrstvy - 0,15-0,3 m. Snížení intenzity adhezívního opotřebení. Pro intenzívní abrazívní opotřebení prakticky bez příznivého účinku.
Povrchové vrstvy C) Tepelné procesy: a) povrchové kalení plamenem, b) povrchové kalení indukcí, c) povrchové kalení laserem, d) povrchové kalení elektronovým svazkem Tloušťka transformačně zpevněné povrchové vrstvy - do 2,5 mm; Základní materiál - uhlíkové oceli s 0.4-0.5%C, nízkolegované oceli, litiny (tvrdost povrchu - 650 HV)
Povrchové vrstvy D) Chemicko-tepelné procesy: a) Cementace (difuze C) - 850-950 0 Cplyn Tloušťka povrchové vrstvy - do 2 mm Základní materiál - oceli s max. 0.3%C (tvrdost povrchu - 800-900 HV)
Poměrná odolnost proti abrazívnímu opotřebení ocelí Ocel Povrchová úprava Tvrdost V a1 1 * a2 1 ** 12 010 cementace 761 1,87 7,75 14 223 cementace 754 2,38 6,24 16 220 cementace 741 2,48 3,97 19 015 cementace 724 1,79 -- 19 486 cementace 743 2,03 -- 19 015 cementace -- 1,79 -- 14 340 nitridace 953 2,05 3,99 15 330 nitridace 894 1,99 4,73 Pozn. * stanoveno na přístroji s brusným plátnem SVÚM-AB 1 ** stanoveno na přístroji s pryžovým kotoučem SVÚM-AB 2
Povrchové vrstvy b) Nitridace (difuze N) - 500-560 0 Csůl, 480-550 0 C plyn, 450-550 0 Cplazma Tloušťka povrchové vrstvy - 100-650 m Základní materiál - oceli legované Cr, Mo, Al, V (tvrdost povrchu - 500-700 HV, resp. 900 HV, u nitrid. ocelí až 1 150 HV)
Povrchové vrstvy c) Karbonitridace (difuze N+C) - 540-560 0 Csůl, 570-620 0 Cplyn Tloušťka povrchové vrstvy - do 50 m Základní materiál - nízkolegované oceli s 0,4%C (tvrdost povrchu - do 1000 HV) Zvyšuje odolnost proti adhezívnímu opotřebení. Do podmínek abrazívního opotřebení nevhodná.
Povrchové vrstvy d) Nitrocementace (difuze C+N) - 800-850 0 C sůl, 820-860 0 C plyn Tloušťka povrchové vrstvy - 400-800 m Základní materiál - oceli s Cr, Mo, V (tvrdost povrchu - do 800 HV) Zvyšuje odolnost proti adhezívnímu opotřebení. Do podmínek abrazívního opotřebení nevhodná.
Hmotnostní otěr kluzných dvojic nitridovaných v plynu, nitrocementovaných v soli, iontově nitridovaných. a - F-P tvárná litina, b - ocel 42CrMo4 c - ocel 31CrMoV9 d - X40Cr13
Povrchové vrstvy e) Difúzní sírování nebo sulfonitridace (difuze S nebo S+N) - 570 0 Csůl (kyanid sodný!), 600 0 Cplyn (čpavek + 3% H 2 S!) Tloušťka povrchové vrstvy - 10-300 m Základní materiál - oceli, litiny Dobrá odolnost proti adhezívnímu opotřebení. Nevhodné do podmínek abraze.
Zkoušky opotřebení uhlíkové oceli na přístroji Amsler (F = 200N) Lineární otěr uhlíkové oceli při tření bez maziva (protikus - kalená ocel)
Povrchové vrstvy f) Bórování (difuze B) 900 0 C (zásyp, soli, plyn) - jednofázová nebo dvoufázová vrstva (FeB a Fe 2 B). Tloušťka povrchové vrstvy 20-250 m Základní materiál - oceli, SK, slitiny Ni a Co (tvrdost povrchu - 1600-2000 HV) Odolnost proti adhezívnímu i abrazívnímu opotřebení.
Povrchové vrstvy g) Difúzní chromování (difuze Cr) - 950 1050 0 C (retorta zásyp) Tloušťka povrchové vrstvy (až 30% Cr) 5-60 m Základní materiál - uhlíkové oceli (tvrdost povrchu 1600-2000 HV). C - tloušťka vrstvy, H, odolnost proti opotřebení. Otěruvzdornost při tření bez maziva po chromování vzroste u uhlíkových ocelí 6x a u legovaných ocelí 8x v porovnání s ocelí 14 109.
Povrchové vrstvy h) Vanadování (difuze V) - 1000-1100 0 C Tloušťka povrchové vrstvy - 5-15 m Základní materiál - oceli 0.4%C (tvrdost povrchu - 2500-3000 HV) Všechny procesy chemicko-tepelných úprav snižují intenzitu adhezívního opotřebení. V případě abrazívního opotřebení pozitivně působí především vrstvy s vysokou tvrdostí.
Povrchové vrstvy E) Elektrochemické procesy a) Tvrdá anodizace (tvorba oxidu hlinitého) -5- +10 0 C elektrolyt Tloušťka povrchové vrstvy - do 100 m Základní materiál - Al a Al slitiny (tvrdost povrchu - 400-500 HV) Anodizace snižuje intenzitu adhezívního i abrazívního opotřebení.
Povlaky A) Tepelně-mechanické procesy: a) Plátování (naválcování, detonační plátování). Pro zvýšení odolnosti proti opotřebení se prakticky nepoužívají.
Povlaky b) Termické nástřiky (plamen, oblouk, plazma - různé technologie vytváření povlaků) Tloušťka povlaku - do 2 000 m kovové materiály, do 500 m keramika Základní materiál - kovy, keramika
Povlaky
Povlaky HVOF
Povlaky Detonační nástřik
Povlaky Tribologické vlastnosti povlaků závisí na nanášeném materiálu, použité technologii a parametrech procesu. Termické nástřiky zvyšují odolnost proti adhezívnímu i abrazívnímu opotřebení.
Povlaky c) odlévání (gravitační, odstředivé) - Základní materiál kovy a slitiny kovů Lze vytvářet povlaky s vysokou odolností proti adhezívnímu i abrazívnímu opotřebení.
Povlaky B) Tepelně-fyzikální procesy: a) Navařování - (plamen, oblouk, plazma - různé technologie vytváření povlaků) Teplota procesu - teplotou tavení základního kovového materiálu Tloušťka povlaku - 250 m avíce Fyzikálně-mechanické a tribologické vlastnosti podle chem. složení návaru a technologie
Povlaky b) Přislinování Na povrch součástí - vrstva otěruvzdorných práškových materiálů, které se přislinují pomocí indukčního ohřevu, průchodem elektrického proudu nebo impulzním elektromagnetickým polem. Prášky Fe a TiC (tvrdost povrchu až 550HV) Výrazné zvýšení odolnosti proti abrazívnímu opotřebení.
Povlaky c) Procesy PVD (karbidy, nitridy, bóridy, oxidy a jejich kombinace) - 400-550 0 C Tloušťka povlaku - 2-8 m Základní materiál - oceli, SK (tvrdost povlaku - 1750-3000 HV) Lze vytvářet povlaky s vysokou odolností proti adhezívnímu i abrazívnímu opotřebení v různých prostředích.
Povlaky C) Elektrochemické procesy: a) katodové (tvrdé chromování, niklování, galvanické kompozitní povlaky) v různých elektrolytech při specifických podmínkách procesů. Povlaky zvyšují odolnost proti adhezívnímu opotřebení a abrazívnímu opotřebení s malou intenzitou (malé abrazívní částice, abraze s mezivrstvou částic)
Povlaky b) elektroforetické V lázních obsahujících jemné koloidní karbidické látky. Přenos částic na povrch působením elektrostatického výboje. Povlak je k podkladu zakotven slinováním ve vakuu - natavení částic pojiva a vytvoření otěruvzdorného povlaku Zvýšení odolnosti proti abrazívnímu opotřebení.
Povlaky D) Tepelně-chemické procesy: a) chemické niklování (Ni-P nebo Ni-B) - 85-95 0 C lázeň, při vytvrzování 300 0 C/4-8 h Tloušťka povlaku - 8-100 m Základní materiál - kovy, plasty, keramika (tvrdost povrchu - 500 HV, po vytvrzení - až 1200 HV) Kompozit Ni-SiC se vytváří mechanicky zachycením částic SiC a jejich obalením matricí. Částice mají velikost max. 4 µm a jejich podíl v povlaku je max. 30 hmot.%.
Povlaky V lázni tvoří SiC jemnou suspenzi (podíl SiC je 0,5-2 hmot.%) -při vylučování povlaku rovnoměrná koncentrace promícháváním obsahu lázně. Tloušťka povlaku je min. 8-10 µm a max. 100 µm. Nelze používat v podmínkách tření bez maziva, protože dochází k intenzívnímu adhezívnímu opotřebení. Dobře funguje při spolehlivém mazání. Zvýšená odolnost proti abrazívnímu opotřebení.
Povlaky b) Procesy CVD (karbidy, nitridy, bóridy, oxidy a jejich kombinace) - 800 0 C Modifikace CVD procesů PA CVD (nižší povlakovací teploty 500 C ) pro oceli Tloušťka povlaku - do 10 m Základní materiál - oceli, SK (tvrdost - 1800-5200 HV podle typu povlaku) Hlavně pro povlakování nástrojů z SK. Vysoká odolnost proti adhezívnímu a abrazívnímu opotřebení.
Povlaky c) Elektrojiskrové povlaky Přenos karbidu kovu (obvykle WC) v oblouku vytvořeném vibrující elektrodou (anoda) a zpevňovaným povrchem. Při výboji se povrchová oblast ohřeje na ~1000 C a rychle se ochladí odvodem tepla do okolí. Materiál elektrody se natavuje a částečně se přenáší na zpracovávaný povrch.
Povlaky Uplatňují se dva procesy změna struktury materiálů vlivem fázových transformací a přenos tvrdého materiálu. Tloušťka povlaku - do 1 mm Povrch ocelí zpevněný elektrojiskrově WC má tvrdost ~1530 HV. Vysoká odolnost proti adhezívnímu a abrazívnímu opotřebení.
Duplexní povlaky A) Duplexní galvanické povlaky Hybridní galvanické povlaky se vytváří dvoustupňovým procesem. V prvé fázi se vyloučí galvanický povlak neželezného kovu, a ten se v druhé fázi difúzně zpracuje při určité teplotě. Vytvoří se povlak, obsahující intermetalické sloučeniny s vhodnými tribologickými vlastnostmi. Procesy Stanal, Forez, Delsun, Zinal
Duplexní povlaky B) Iontové směšování (kombinace PVD a iontové implantace) Vytvoření tenkého PVD povlaku a zlepšení jeho adheze k podkladu iontovou implantací. Zvýšení odolnosti proti adhezívnímu opotřebení.
Duplexní povlaky C) IBAD IBAD = Ion-Beam-Assisted Deposition kombinace PVD + bombardování povlaku energetickými ionty (1keV) vysoce kvalitní povlaky (1-10 μm). Vysoká odolnost proti adhezívnímu opotřebení.
Duplexní povlaky D) Kombinace ChTZ (plazmová nitridace) a PVD (mono- i multivrstvové povlaky) Tvrdé povlaky PVD vlivem mechanického zatížení a tepelného působení v oblasti kontaktu se mohou porušovat, dojde-li k plastické deformaci vrstev pod povlakem - zpevnění povrchových vrstev. Optimální duplexní povrchová úprava - 3 faktory: povlak, povrchové vrstvy podkladu a rozhraní povlak/podklad. Synergický efekt dvou procesů.
60 Wo (m 3 *m -1.*10-14 ) 50 40 30 20 10 2,5 km 5 km 10 km 0 TiN PNI+TiN PNII+TiN PNIII+TiN PPNI+TiN PPNII+TiN Poměrný objemový otěr nezpracované, PVD TiN povlakované, duplexně zpracované PM RO (Parametry zkoušení: tribometer HEF, zatížení - 50 N, rychlost - 0.915 m/s, kluzná dráha - 2500, 5000, 10000 m, bez maziva)
8 7 6 Wh (g*10-3 ) 5 4 3 82 m 410 m 820 m 1230 m 2 1 0 TiN PNI+TiN PNII+TiN PNIII+TiN PPNI+TiN PPNII+TiN Hmotnostní otěr nezpracované, PVD TiN povlakované, duplexně zpracované PM RO (Parametry zkoušky: tribometer SVUM, tlak - 0.947 MPa, rychlost - 0.026 m/s, dráha - 82, 410, 820, 1230 m; bez maziva)