Tribotechnické listy

 

 

Otěruvzdorné povrchové úpravy - 2. 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.

 

Technologické procesy přípravy otěruvzdorných povlaků
Otěruvzdorné povlaky lze vytvářet tepelně-mechanickými procesy jako jsou plátování (naválcování, detonační plátování), termickými  nástřiky, odléváním (gravitační, odstředivé), tepelně-fyzikálními procesy (navařování, přitavení, přislinování, procesy PVD), elektrochemickými procesy (katodové, elektroforetické) a tepelně-chemickými procesy (chemické niklování, metody CVD).
Tepelně-mechanické procesy se používají pro vytváření povlaků se zvýšenou odolností proti opotřebení jen vyjímečně. Hlavní oblastí jejich aplikace je příprava povlaků z korozivzdorných ocelí na konstrukčních ocelích. Pouze detonační povlakování se ukazuje jako zajímavý technologický postup pro vytváření nekonvenčních povlaků v kusové a maloseriové výrobě.
Termické nástřiky (žárové nástřiky) vytváří na povrchu povlakované součásti z natavených nebo částečně natavených částic  o velikosti 0,05 - 100 hm široké spektrum kovových, keramických i kompozitních povlaků. Některé z nich mají velmi dobré tribologické vlastnosti. Tyto závisí jak na složení povlaku a technologii nástřiku, tak na přípravě povrchů před aplikací nástřiku (odmaštění a otryskání). Při termických nástřicích je malé nebezpečí vzniku deformací a trhlin. Prakticky nedochází k tepelnému ovlivnění základního materiálu. Velkou výhodou je možnost vytváření povlaků s proměnným chemickým i strukturním složením. K nedostatkům termických nástřiků patří porovitost, poměrně nízká pevnost rozhraní nástřik - podklad a většinou nízké využití materiálu nástřiku.
Gravitačním i odstředivým odléváním lze vytvářet povlaky o velké tloušťce. Tyto technologické postupy lze efektivně použít  pouze v omezeném počtu případů (např. kluzná ložiska).
Navařování plamenem, elektrickým obloukem nebo plazmou se v širokém měřítku používá v průmyslu. Navařováním se vytvoří pevný metalurgický spoj mezi návarem a podkladem. Přídavné materiály ve formě obalených elektrod, trubičkových elektrod, drátů, tyčinek, prášků, navařovacích past představují široký sortiment kovových a kompozitních materiálů s rozmanitými vlastnostmi. Volba přídavného materiálu a technologie navařování závisí na tvaru a rozměrech součásti, na chemickém složení základního materiálu, na způsobu namáhání, na druhu opotřebení a na celkových nákladech na navaření součásti. Jejich tribologické vlastnosti závisí na chemickém složení přídavného materiálu i na technologii navařování. Při navařování prvé vrstvy návaru dochází k promíšení přídavného materiálu s materiálem podkladu a proto požadované vlastnosti  se docílí při použití vícevrstvých návarů. Velmi často se navařování používá pro renovaci opotřebených strojních součástí.
Výhodou je široké spektrum vyráběných přídavných materiálů a navařovacích technologií. K nevýhodám patří deformace navařovaných součástí vlivem teplotních pnutí, hrubý povrch návaru (nutnost opracování) a nebezpečí vzniku trhlin, které mohou iniciovat lom dynamicky zatěžované součásti.
Elektrochemické povlaky vznikají při průchodu proudu na povrchu součástí a nástrojů ponořených do vodných roztoků solí kovů (elektrolytů). Elektrolyty obsahují kromě solí i další přísady zlepšující některé parametry povlaku - adhezi, jemnozrnnost a pod. Elektrochemické pochody dovolují vytvořit povlaky, které nelze připravit běžnými metalurgickými postupy. Jejich struktura se výrazně liší od struktury povlaků připravených jinými postupy. V technické praxi se nejvíce používá povlak tvrdého chromu, případně kompozitní povlaky na bázi niklu s tvrdými částicemi (BN, diamant) nebo kompozitní povlaky s částicemi teflonu, grafitu, MoS2 a pod.
Procesy CVD (Chemical Vapour Deposition) spočívají v heterogenní chemické reakci plynných složek reakční směsi za různého tlaku a při dodávání tepelné nebo světelné energie, přičemž se na povrch podkladového materiálu ukládají pevné látky ve formě povlaku a vznikají vedlejší plynné látky. Teploty procesů CVD jsou vysoké (přes 800 °C) a proto při povlakování ocelí dochází  k výraznému snížení jejich fyzikálně mechanických vlastností. Oceli se proto musí po ukončení povlakovacího procesu tepelně zpracovat ve vakuu, aby se zabránilo oxidaci povrchu. Proto se CVD používá především u nástrojů ze slinutých karbidů. Pro dobrou funkci musí být materiál podkladu pouze elasticky deformován a musí dobře odvádět tepelnou energii vznikající při tření. Od jednovrstvových povlaků se přechází na vícevrstvé povlaky, které mají mezivrstvy z  různých chemických sloučenin. Tyto mezivrstvy mohou též vyrovnávat rozdíl v koeficientech tepelné roztažnosti povlaku a základního materiálu.
PA CVD (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) je chemické povlakování v plynné fázi za sníženého tlaku při doutnavém výboji. Ionizace urychluje proces povlakování, zlepšuje adhezi povlaků k podkladu a snižuje reakční teploty (< 500 °C).
Mezi tepelně-fyzikální procesy patří též PVD (Physical Vapour Deposition), které lze rozdělit do 3 skupin - napařování, naprašování a iontové povlakování.  Při napařování se materiál povlaku odpařuje ve vakuu a jeho částice se usazují na podklad. Povlaky karbidů, nitridů a oxidů vznikají reakcí par kovu s reaktivním plynem přiváděným do pracovního prostoru v blízkosti povrchu podkladového materiálu. Velmi malou rychlost vytváření povlaků lze výrazně urychlit účinkem elektrostatického pole.
Při magnetronovém naprašování na povrch vodou chlazených terčů, které tvoří katody, dopadají ionty argonu a uvolňují z jejich povrchu částice materiálu. Působením elektromagnetického pole se tyto částice nanáší na povrch povlakované součásti. Za přítomnosti reaktívního plynu se na povrchu podkladu tvoří povlak sloučeniny. Na rozdíl od napařování zůstává teplota povlakované součásti nízká ( 200 °C).

 

suchanek


Iontové povlakování využívá pro zvýšení adheze povlaku k podkladu částečnou ionizaci par kovu, která se docílí v pracovním prostoru za sníženého tlaku průchodem elektrického proudu mezi odpařovačem a povlakovaným nástrojem nebo součástí. Iontové povlakování lze modifikovat použitím vysokofrekvenčního napětí, což umožňuje povlakovat i nevodivé materiály. Přivedením reaktivního plynu s malým parciálním tlakem do oblasti plazmy je možné vytvářet povlak chemické sloučeniny. Výhodou iontového povlakování je možnost odstranění adsorbovaných vrstev z povrchu před vlastním povlakováním, což se projeví pozitivně zlepšením adheze povlaku k podkladu. 
Povlaky připravované metodami PVD lze vytvářet jako jednosložkové, např. TiN, nebo vícesložkové. 

 

Vícesložkové povlaky mohou mít  charakter:
a) směsi sloučenin (ternárních, kvaternárních),
b) gradientních povlaků (proměnné chemické složení nebo stav),
c) mnohovrstvých povlaků (tzv. „supermřížka" - tlouštka vrstev 1 - 10 nm),
d) heterogenních povlaků


Ternární sloučeniny jako karbonitridy, oxinitridy a boronitridy různých přechodných kovů jsou navzájem dobře mísitelné. Tyto povlaky mají zlepšené vlastnosti v porovnání s povlaky na bázi jedné sloučeniny. Jejich oblast použití jsou řezné nástroje z rychlořezných ocelí, kdežto u strojních součástí se nepoužívají.

 

Duplexní povlaky
Ke kombinovaným způsobům vytváření povlaků patří duplexní galvanické povlaky, které se vytváří dvoustupňovým procesem. V prvé fázi se vyloučí elektrochemicky povlak neželezného kovu. V dru-hé fázi se difuzně žíhá při teplotě dané složením povlaku a podkladu. Výsledný duplexní povlak obsahuje intermetalické sloučeniny s požadovanými tribologickými vlastnostmi. Pochody Stanal, Forez, Delsun a Zinal se však příliš nerozšířily, protože jejich technologie jsou značně citlivé na dodržení všech parametrů procesů. Mezi moderní varianty duplexních procesů patří iontové směšování (ion-beam mixing) a procesy IBAD (ion-beam assisted deposition). Tyto procesy kombinují procesy PVD s iontovou implantací. V případě iontového směšování probíhají procesy povlakování a iontové implantace postupně, kdežto u IBAD probíhají současně. Tyto duplexní povlaky mohou mít konstantní nebo proměnné chemické složení. Vlivem dopadu iontů dochází k zvětšení hustoty povlaku, ke zmenšení pórů a potlačení sloupcovité struktury v porovnání s původními PVD povlaky. Na rozhraní mezi rostoucím povlakem a základním materiálem se v důsledku atomárního míšení vytváří přechodová oblast tlustá několik desítek nanometrů. To se projeví výrazným zvýšením adheze. Dopadem iontů se může měnit struktura a napětí v povlaku z tahového na tlakové.
Přednostmi metody IBAD v porovnání s metodami PVD je možnost vytvářet povlaky různých tloušťek a různých typů, dobrá adheze k podkladu, nízká teplota pochodu (4 000 °C) a schopnost vytvářet vícevrstvé povlaky z různých sloučenin. Mezi nevýhody lze zařadit pomalý růst  povlaku a vysokou pořizovací cenu zařízení.
Jinou variantou duplexních povlaků je kombinace chemicko-tepelného zpracování, např. plazmové nitridace, a povlaku TiN vytvořeného metodou PVD. Tento hybridní povlak může eliminovat některé problémy s pevností rozhraní povlak-podklad a s nedostatečnou pevností ma-teriálu podkladu.

 


Text: Prof. Ing. Suchánek, CSc.

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
3 + 3 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd