Otěruvzdorné povrchové úpravy - 1. část
Povrchové úpravy představují široké spektrum technologických procesů, které dovolují vytvářet povrchové vrstvy nebo povlaky s požadovanými funkčními vlastnostmi na povrchu kovových materiálů, které nesplňují podmínky jejich provozního nasazení. Rozhodujícími degradačními procesy jsou obvykle koroze a opotřebení, které podle dominantního mechanizmu opotřebení lze rozdělit na adhezívní, abrazívní, erozívní, kavitační, vibrační a únavové. V reálných podmínkách se však musí počítat s kombinovaným účinkem těchto procesů.
Opotřebení funkčních povrchů rozhodujících součástí nebo konstrukčních uzlů strojů a strojních zařízení má ve většině případů rozhodující vliv na životnost a spolehlivost strojů a strojních zařízení. Proces opotřebení však obvykle vede k jen postupnému zhoršování technických a ekonomických parametrů, a proto se mu zatím věnuje v praxi podstatně menší pozornost než procesům náhlého porušení součástí. Průzkumy provozních poruch ukazují, že v 80 % případů primární příčinou vyřazení strojů a strojních zařízení z provozu je opotřebení důležitých součástí nebo konstrukčních uzlů.
Požadavky na zvýšení výkonových charakteristik strojů, strojních zařízení i nástrojů spolu se zvýšením jejich životnosti, spolehlivosti a ekonomické efektivnosti při použití standardních kovových materiálů postupně naráží na meze. Další možnosti poskytují pouze kompozitní materiály, které kombinují charakteristické vlastnosti kovových materiálů (houževnatost, plasticitu, tepelnou a elektrickou vodivost) a keramických materiálů (pevnost, tvrdost, tepelná stabilita) nebo polymerních materiálů (houževnatost, dobré tribologické charakteristiky, odolnost proti chemickým vlivům a pod.).
Jedním z používaných kompozitních systémů jsou tenké otěruvzdorné povlaky nebo povrchové vrstvy na funkčním povrchu kovových součástí. Tloušťka tenkých povlaků nebo modifikovaných povrchových vrstev je < 20 µm .
Při povrchových úpravách vznikají kompozity, které kombinují objemové vlastnosti základního materiálu (pevnost, houževnatost) se specifickými vlastnostmi povrchové vrstvy nebo povlaku (odolnost proti opotřebení, odolnost proti chemickým, fyzikálním a tepelným účinkům prostředí a pod.).
Povrchové úpravy, které zlepšují tribologické charakteristiky kovových materiálů (koeficient tření a odolnosti proti různým druhům opotřebení) lze principielně rozdělit do 2 základních skupin:
A) Povrchové vrstvy a povlaky s vysokou tvrdostí
U tvrdých povrchů se výrazně sníží rozsah plastické mikrodeformace ve styku jednotlivých nerovností i hloubka vniknutí hrotů a řezných hran abrazívních částic. Sníží se koeficient tření v případech, kdy k interakci povrchů dochází při tření bez maziva, protože se zmenší rýhovací i adhezívní složky tření. Zmenší se tepelné i mechanické namáhání v oblasti kontaktu, což se projeví zmenšením intenzity degradačních procesů, případně změnou dominantního mechanizmu opotřebení.
B) Měkké a houževnaté povrchové vrstvy a povlaky
U těchto povrchových úprav jsou smyková deformace i porušování lokalizovány do tenké vrstvy s vysokou plasticitou. Vyšší pevnost materiálu pod povrchovou vrstvou modifikuje pole napětí a deformací a brání rozvoji plastické mikrodeformace, a tím i porušování materiálu do větší hloubky. Prakticky se realizuje základní požadavek Kragelského molekulárně-mechanické teorie tření a opotřebení, t.j. kladný gradient fyzikálně-mechanických vlastností. Tyto povrchové úpravy se uplatňují především u strojních součástí v podmínkách adhezívního opotřebení.
V současné době jsou známy stovky technologických postupů pro vytváření povrchových úprav, které umožňují ve větší či menší míře řešit problémy nízké životnosti a spolehlivosti strojních součástí a nástrojů. Povrchové úpravy lze rozdělit na 3 základní skupiny - povrchové vrstvy, povlaky a duplexní povlaky.
Při vytváření povrchových vrstev se modifikuje 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. Proto zpravidla nevzniká výrazné rozhraní mezi povrchovou vrstvou a jádrem materiálu, které může být slabým místem při provozním zatěžování součásti.
Povlaky se nanáší 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 při vytváření povlaků i při jejich aplikaci. Dochází k superpozici pole napětí vyvolaného zatěžováním součásti při provozu a zbytkových pnutí v oblasti rozhraní povlaku a podkladu.
Duplexní povlaky kombinují modifikaci povrchových vrstev s nanesením povlaku. Lze tím zabránit náhlé změně fyzikálně-mechanických i chemických vlastností směrem od povrchu do jádra a zároveň se docílí požadované vlastnosti povrchu. Duplexní procesy však vyžadují kombinaci dvou i více technologických postupů, což komplikuje a zdražuje výrobu.
Technologické procesy vytváření otěruvzdorných povrchových vrstev
Povrchové vrstvy lze vytvářet mechanickými, fyzikálními, chemicko-tepelnými a elektrochemickými procesy. Při mechanických procesech se zlepšuje drsnost povrchu a pevnostní charakteristiky povrchových vrstev pomocí plastické deformace za studena (kuličkování, válečkování, otryskání, kalibrování, detonační zpevňování) nebo speciální technologií opracování (leštění, tření za spec. podmínek, vtírání částic, hlazení). Zlepšená topografie povrchu a zpevnění povrchových vrstev ovlivňuje především fázi záběhu kluzného uzlu. Při opotřebení částicemi zpevnění povrchových vrstev nevede k zvýšené životnosti součástí.
Iontová implantace je fyzikální proces, který využívá pro modifikaci tenkých povrchových vrstev dopad iontů s vysokou energií. Proces se odehrává ve vakuu 10-4 Pa, zdroj vysílá svazek elektricky zrychlených iontů zvolených prvků, které pronikají do podpovrchových vrstev do hloubky 0,15 - 0,3 μm, kde generují řadu okamžitých nebo zpožděných dějů. Dopadající ionty s energií 50-200 keV ovlivňují strukturu a substrukturu tenkých povrchových vrstev a zároveň odprašují částice mate-riálu z povrchu implantovaného materiálu. Dávky iontů dopadající na kovový povrch jsou v rozmezí 1016 - 1018 iontů.cm-2. Dovolují vytvářet unikátní struktury, které nelze získat konvenčními metodami, na př. metastabilní fáze prvků navzájem nerozpustných nebo amorfní povrchy s mimořádnými vlastnostmi. K výhodám iontové implantace patří, že proces je bezdeformační, univerzálně použitelný, nemění rozměry a zlepšuje původní topografii povrchu. Nevýhodami jsou vysoká investiční náročnost, potřeba vysokého vakua, vysoké nároky na kvalitu povrchu a značně složitý systém manipulace s nástrojem či součástí při iontové implantaci tvarově složitých ploch.
Povrchovým kalením plamenem, indukcí, elektronovým svazkem nebo laserem dochází k transformačnímu zpevnění povrchových vrstev ocelí (austenitizace s následným kalením na martenzit), přičemž v jádře materiálu nedochází k strukturním změnám. Povrchové kalení plamenem nebo indukcí jsou standardní technologie používané v průmyslu. Relativně nové jsou technologie povrchového kalení laserem nebo elektronovým paprskem. Při laserovém transformačním zpevnění, které využívá pro ohřev povrchových vrstev kontinuálně nebo pulzně působící energii laserového svazku, mohou nastat dva případy. V prvém případě je teplota povrchových vrstev vyšší než austenitizační teplota, ale nižší než teplota tavení, a pak se jedná o kalení z pevné fáze. V druhém případě dojde k natavení povrchu a proto se jedná o kalení z kapalné fáze. Při natavení povrchu se výrazně změní jeho topografie a je nezbytné jeho mechanické opracování. Laserové transformační zpevnění má proti povrchovému kalení plamenem nebo indukcí některé přednosti - nízká spotřeba energie (lokální ohřev jen tenké povrchové vrstvy), malá deformace povrchu, možnost povrchově kalit malé a tenké součásti, povrchové kalení vnitřních povrchů, velmi rychlý proces, bez negativních vlivů na životní prostředí. Mezi nevýhody patří vysoké pořizovací a provozní náklady, vysoké nároky na obsluhu a nezbytnost dodržovat přísná bezpečnostní opatření. Povrchové kalení elektronovým paprskem má obdobné přednosti i nevýhody jako laserové transformační zpevnění. K tomu je nutné vzít v úvahu, že proces musí probíhat ve vakuové komoře. Technologie využívající laser nebo svazek elektronů se úspěšně prosazují v velkosériové nebo hromadné výrobě při dělení nebo svařování materiálů. Transformační zpevnění laserem zatím představuje jen malou část jejich provozního nasazení.
Povrchové vrstvy součástí lze též modifikovat chemickotepelnými procesy - sycením povrchu C (cementace), N (nitridace), B (bórování), B a dalšími prvky (Al, V, Nb, Cr, Ti), S (difuzní sírování), případně S + N (sulfonitridace), Cr (difuzní chromování), V (vanadování) nebo kombinací C + N (karbonitridace, nitrocementace) a pod.
Chemicko-tepelné zpracování patří k tradičním technologickým procesům používaným ve strojírenských podnicích pro docílení povrchových vrstev s příznivými tribologickými vlastnostmi. Vývoj technologií CHTZ směřuje od zpracování součástí v zásypu (vysoká pracnost, negativní působení na životní prostředí a pod.) nebo v solných lázních (kontaminace životního prostředí) k pochodům v plynech, zejména za sníženého tlaku. Intenzita procesů sycení povrchu se zvyšuje při průchodu proudu, kdy se část plynů je ve formě plazmy, na př. plazmová nitridace nebo plazmová cementace. Plazmové procesy lze lépe řídit v různých fázích difuzního sycení a tím zajistit standardní kvalitu a reprodukovatelnost strukturních charakteristik povrchových vrstev. Začínají se též používat pulzní plazmová zařízení, která umožňují snížit náklady na reakční plyny a snížit rozsah deformací po chemicko-tepelném zpracování. Zároveň stále menší oblast aplikací mají vysokoteplotní procesy, které jsou časově i energeticky náročné a zároveň vyžadují následné tepelné zpracování součásti.
Elektrochemickým procesem modifikace povrchu je anodizace, která vytváří na povrchu Al a jeho slitin vrstvu tvrdého a porézního oxidu Al 2 O 3 , který lze sytit kapalinným mazivem. To umožňuje alespoň částečně eliminovat velmi špatné tribologické charakteristiky hliníku a většiny jeho slitin. Základní charakteristiky některých technologických postupů pro vytváření povrchových vrstev jsou shrnuty v tab.1.
Text: Prof. Ing. Suchánek, Csc.
