Dodaj ofertę za darmo

Napylanie powłok na elementy stalowe

2008-05-21

Szereg własności stali ma charakter powierzchniowy. Różne konstrukcje – w budownictwie stalowym, budowie maszyn, różnych urządzeń energetycznych, okrętowych i morskich; budowie pojazdów transportowych, hydrotechnicznych itd. – wymagają wysokiej wytrzymałości na całym przekroju. Istnieje jednak cała olbrzymia dziedzina zastosowań, gdzie pierwszoplanową rolę odgrywają własności powierzchniowe, takie jak twardość, odporność na ścieranie i zużycie, odporność na korozję, względnie także estetyka wyrobu. Przedstawimy jedną z najnowocześniejszych technik obróbki powierzchniowej: napylanie warstw ceramicznych lub cermetalowych techniką PVD (Physical Vapour Deposition).

Wiele wyrobów stalowych – zwłaszcza blach – pokrywa się powłokami (cynkowymi, cynowymi, aluminiowymi; chromowymi; także organicznymi: tworzywami, farbami itd.) lub modyfikuje ich chemiczną strukturę powierzchniową przez: nawęglanie, naazotowanie lub liczne metody metalizowania dyfuzyjnego. Nakładanie powierzchni pozwala tworzyć materiały o zróżnicowanych własnościach na przekroju, np. o wysokiej ciągliwości rdzenia, a zarazem wysokiej twardości powierzchniowej.

Jedną z najnowocześniejszych technik obróbki powierzchniowej jest napylanie warstw ceramicznych lub cermetalowych techniką PVD (Physical Vapour Deposition). Technika ta ma wiele odmian i wymaga specjalistycznych urządzeń, które można nabyć u renomowanych dostawców. Więcej na ten temat można znaleźć w fachowych czasopismach, takich jak „Inżynieria Powierzchni”, „Przegląd Mechaniczny”, „Applied Physics Letters”, „Journal of Physics”, „Journal of Applied Physics”, „Plasma Chemistry & Plasma Processing”, „Chemical Vapour Deposition”, „Surface & Coatings Technology” (podaję w ślad za http://plazma.efuturo.pl/cvd.htm.; tamże namiary: dr inż. Piotr Jamróz / Politechnika Wrocławska). Wiele informacji znajdziemy poszukując cierpliwie pod różnymi hasłami (najlepiej: Physical Vapour Deposition) w internecie. Do technik tych niektórzy zaliczają zarazem CVD: Chemical Vapour Deposition czasami określane jako PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) i inne.

Istota metody PVD

Generalnie, metoda polega na wysokotemperaturowym odparowaniu w próżni czynnika aktywnego; proces ten jest wspomagany „bombardowaniem” materiału aktywnego wysokoenergetyczną wiązką elektronową ( „sputtering”), co powoduje wybicie atomów z „targetu” (płytki stanowiącej reaktywny substrat, zwykle metal), zjonizowanie odparowanych atomów (zjonizowanie oznacza ubytki – lub dodatki – w powłokach elektronowych, a w konsekwencji nadanie atomom ładunku elektrycznego. Zjonizowany atom uzyskuje ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, co zmusza go do poruszania się od anody do katody lub odwrotnie. Jony mogą być ponadto w swym biegu sterowane przez przyłożenie pola magnetycznego (tzw. technika magnetronowa).

Technika ta zwiększa szybkość powlekania, skraca czas procesu i zwiększa gęstość i szczelność powłoki; ponadto temperatura napylania jest w tych warunkach umiarkowanie wysoka, nie przekracza 450oC, często leży znacznie poniżej, nawet ok. 150 oC , co stanowi dużą zaletę, albowiem napylaniu nie towarzyszą zmiany strukturalne w stali (niekoniecznie w stali; napylać można także inne metale lub nie-metale). Równolegle zachodzą reakcje z gazem aktywnym jak azot, metan, tlen i inne, zazwyczaj dawkowanym w określonej ilości do gazu obojętnego (np.argon).

W obszarze niższej temperatury, na napylanym elemencie zachodzi osadzenie (kondensacja) określonego związku lub kombinacji związków i atomów. Natężenie pola elektrycznego lub magnetycznego oraz ukierunkowanie tego natężenia – w połączeniu z dodatkami gazów obojętnych lub reaktywnych – umożliwia kontrolę jakości i grubości nakładanych powłok. Powstają cienkie, ca 3- 5 mm, niekiedy do 10 mm, skrajnie twarde i odporne na ścieranie (ale własności powłok mogą być też inne, zależnie od potrzeb, np. smarujące) warstwy powierzchniowe, mocno związane z podłożem metalicznym lub innym.

Napylaniu poddaje się elementy wykonane juz na gotowo, po napyleniu z reguły nie stosuje się dodatkowej obróbki (rzadko tylko polerowanie). Powierzchnia napylanych elementów powinna być idealnie metalicznie czysta, wolna od tlenków, zwłaszcza wolna od smarów, tłuszczów (!) itp. Od odpowiedniego przygotowania powierzchni zależy końcowy sukces. Jeśli element jest zatłuszczony, cząstki tłuszczu w próżni ulegają odparowaniu, zanieczyszczają próżnię, mogą nawet doprowadzić do iskrzenia wewnątrz komory: takie elementy absolutnie nie mogą być dopuszczone do obróbki. Klient, który zleca elementy do napylenia powinien zadbać o ich bardzo staranne oczyszczenie i staranne opakowanie.

W przypadku wstępnego szlifowania materiałów np. papierami ściernymi, do metalu mogą wniknąć cząstki SiC (szare papiery są na bazie SiC) lub Al2O3 (brunatno-różowe papiery ścierne są na bazie Al2O3). Takie powierzchnie można napylać, jednak powstaje niebezpieczeństwo, że wspomniane cząstki się wykruszą i powstanie wżer. Radą na to jest szlifowanie możliwie drobnoziarnistym papierem. Ponadto na powierzchni nie powinno być niewyszlifowanych spawów, nierówności. Bardzo szkodliwe i trudne do usunięcia są zanieczyszczenia silikonem.

Na powierzchniach wysoko wypolerowanych, powstaje po napyleniu minimalna matowość, wynikła z mikroskopijnych nierówności powierzchni rzędu 0,5-1 mm, rzecz praktycznie do pominięcia.. Zachowane zostają ostre naroża, nie pojawiają się zaokrąglenia. Jeśli na napylanej powierzchni występują otwory, nawiercenia, należy się liczyć z tym, że zasięg napylenia wgłąb jest ograniczony i zbliżony do średnicy otworu. Rozmiary napylanych przedmiotów są stosunkowo niewielkie, zależnie od wielkości komory.

Dla inżyniera, użytkownika tych technik, sprawa sprowadza się do przestudiowania teorii konkretnego procesu oraz starannej i prawidłowej obsługi urządzenia napylającego. Wymaga to głębokiej wiedzy i doświadczenia. Dla ambitnej firmy, która chciałaby się podjąć takiej technologii, wskazane są długie i staranne konsultacje nad wyborem optymalnej dla danych celów aparatury i specjalistyczne doradztwo, o które najłatwiej na niektórych uczelniach lub w instytutach. Natomiast dla użytkownika elementów napylanych właściwą drogą jest zlecenie napylania specjalistycznej, godnej zaufania firmie. Albowiem nie ma powłok i metod uniwersalnych, w każdym przypadku trzeba rozważyć: jaki materiał ma być pokryty warstwą specjalną, co chcemy przez to osiągnąć i w związku z tym jaka jest w każdym przypadku optymalna technika, rodzaj i grubość warstwy. Różne pokrycia są przydatne dla różnych celów. Im dokładniej użytkownik swój cel przemyśli, tym lepszy uzyska końcowy produkt.

Napylanie powłok różnego rodzaju

Postępowanie zależy od potrzeb, a więc napylać można powłoki: odporne na ścieranie, odporne na korozję, zmniejszające adhezję do innego materiału (na narzędzie pokryte odpowiednią powłoką nie przykleja się np. obrabiane skrawaniem tworzywo sztuczne), polepszające własności poślizgowe. Jeśli najważniejsza jest odporność na ścieranie, poleca się powłoki TiN (azotek tytanu, przy czym możliwe są niestechiometryczne odmiany takiej powłoki, nie odpowiadające dokładnie wzorowi TiN); dalszym rozwinięciem tej struktury jest np.azotek tytanowo-aluminiowy TiAlN, lub azotek tytanowo-węglowy TiCN i cały szereg innych.

Istnieje też możliwość napylania powłok wielowarstwowych (multilayer). Jest to zalecane w przypadku, gdy wymagana jest szczególnie wysoka ciągliwość powłoki: ewentualne mikrorysy, jakie powstają w trakcie pracy, nie ulegają wówczas propagacji wgłąb powłoki, co by mogło prowadzić do jej pęknięcia; efektem końcowym jest zwiększona trwałość narzędzia. Taka własność jest np. szczególnie pożądana przy uchwytach narzędziowych. Ale można też tak sterować procesem napylania, aby uzyskać warstwę w sposób ciągły niejednorodną, o własnościach płynnie zmieniających się na (tak przecież niewielkiej!) grubości warstwy.

Jak wspomniano, napylanie najlepiej jest zlecać specjalistycznej firmie. Mamy wtedy pewność, że doświadczony wykonawca prawidłowo wykonał usługę. Oczywiście, są lepsi i gorsi. Najbardziej ceni się tych, którzy potrafią indywidualnie dopasować się do potrzeb klienta i doradzić zastosowanie optymalnej w konkretnym przypadku powłoki. – albowiem każde zapotrzebowanie należy traktować indywidualnie. Usługodawca powinien wspólnie z zamawiającym przeanalizować konkretne potrzeby i dopasować do nich optymalna technikę; następnie sprawdzić efekt w warunkach laboratoryjnych. Badaniu podlegają: grubość powłoki, mikrotwardość HV, przyczepność, odporność na propagację mikropęknięć, elastyczność, współczynnik tarcia; rozkład naprężeń, chropowatość. Dalsze doświadczenia praktyczne u użytkownika służą nieustannemu doskonaleniu powłok. Optymalne działanie polega na bliskiej współpracy i konsultacji. Dlatego wskazane jest, aby korzystać z napylania u tego samego, sprawdzonego partnera, o ustalonej renomie.

Firma, która pragnie zlecić dokonanie pokryć odpowiednimi warstwami, powinna na wstępie określić:

- wymiary elementu, najlepiej szkic;
- jaki materiał ma zostać powierzchniowo pokryty?
- jaka jest jakość powierzchni (chropowatość) tego elementu?
- dla jakich celów przeznaczony jest element; jeśli jest to narzędzie (wiertło, frez), to jakie materiały będą podlegały obróbce, w jaki sposób?
- czy już próbowano stosować tego rodzaju pokrycia, jeśli tak to jakie i jakie są przyczyny niezadowolenia klienta z dotychczasowej technologii?

Takie problemy często wymagają nie tylko ogólnej informacji, ale także bezpośredniej rozmowy i konsultacji na miejscu u użytkownika. Ważne dla użytkownika i kooperanta jest określenie własności materiału podstawowego, albowiem zbyt wysokie temperatury napylania mogą negatywnie wpłynąć na ten materiał. O ile zatem pewnym standardem przy napylaniu jest 450 oC , to jednak są możliwości obniżenia tej temperatury do 200 oC, a nawet 150 oC.

Perspektywy w tej dziedzinie ocenia się jako silnie rozwojowe, mimo stosunkowo wysokich kosztów aparatury. Korzyści jednak przewyższają nakłady. Dzieje się tak z powodów o których juz wspomniano: uszlachetniania narzędzi i elementów maszyn. Z drugiej strony, przemysł reaguje ofertą nowych wyrobów, które bez doskonałych narzędzi nie były by możliwe do wykonania. Istnieje więc sprzężenie zwrotne między wykonawcą i odbiorcą.

Gatunki powłok są różnorodne i pojawiają sie coraz to nowe. Ten trend będzie się utrzymywał, ponieważ technika napylania pozwala nakładać powłoki nie koniecznie odpowiadające konkretnym związkom chemicznym, ale złożone kombinacje atomów. Przykładowe, najpopularniejsze gatunki powłok to: TiN; TiAlN; TiCN; TiAlCN; a także tlenki jak Al2O3. bądź kombinacje związków jak AlTiN.Si3N4. – i wiele innych. Powrócimy szerzej do tych spraw w dalszych publikacjach.

Zastosowania stali napylanych powłokami

Duży zakres zastosowań dotyczy powlekania narzędzi skrawających. Nieustającym trendem w tej technice jest: obrabiać szybciej, dokładniej, narzędziami o zwiększonej odporności na zużycie. Trend wynika m.in. stąd, ze do użytku wchodzą materiały coraz trudniej obrabialne. Przykładów można szukać wśród wysokowytrzymałych i wysokostopowych gatunków stali; wysokowytrzymałych stopów lekkich.

Nowoczesne, sterowane komputerowo maszyny do obróbki wymagają od narzędzi zdolności do pracy z różnymi prędkościami, kątami i głębokościami skrawania frezy do wysokowydajnej obróbki aluminium, stali wysokostopowych i hartowanych, także do obróbki elektrod grafitowych, do obróbki żeliwa szarego. Najczęściej spotykane narzędzia napylane to wiertła i frezy. Frezy oferowane są w wersji standardowej względnie wykonywane wg życzeń klienta. Ponadto napylaniu poddaje się: narzędzia do zaginania, do wykrawania, różne narzędzia do obróbki plastycznej, tłoczenia itp. śruby (funkcjonalne i dekoracyjne zarazem!); koła zębate, elementy maszyn, tłoki, prowadnice, trzpienie napinające, łożyska toczne (pierścień zewnętrzny i wewnętrzny), pierścienie poślizgowe do pomp; także narzędzia chirurgiczne; elementy w mikroelektronice.

Interesującą perspektywę dla producentów stwarza fakt, iz powłoki mogą sie odznaczać różnorodnym ubarwieniem: szaro-czarnym, złocistym, purpurowym, czerwonym, niebieskim. Efekty kolorystyczne mogą być dodatkowym atutem powłok.

Przykład szczególnie skutecznych zastosowań techniki PVD

W technologii walcowania, szczególnie w walcach profilowych, zawsze po pewnym czasie, w wyniku zużycia i powierzchniowego spękania, powstaje konieczność przeszlifowania walców. Przykład: walec wykonany ze stali do pracy na gorąco (1.3343) pokryto warstwą TiAlN. Żywotność narzędzia wzrosła o 700%!

W silnikach spalinowych, pokryte odpowiednią powłoką powierzchnie cylindrów i tłoków, zyskują znacznie na trwałości i odporności temperaturowej. Normalny silnik samochodowy ma obroty maksymalne do ok. 6000/min. W Formule 1, ok. 2 lata temu, osiągano max 18.000 obr/min, w ubiegłym roku max. 19.500, zapewne w tym roku zostanie przekroczona wartość 20.000, przy znacznie wyższych niż normalnie obciążeniach temperaturowych. Jak to możliwe? Otóż dzięki nowym technikom materiałowym, zwłaszcza powierzchniowym.

Obecnie w handlu spotyka się już wysokowydajne wiertła, najczęściej napytane azotkiem tytanu (nawiasem mówiąc, sprzedawcy często błędnie reklamują te wiertła jako „tytanowe”, jest to stal narzędziowa napylana TiN, przy czym po zużyciu tej warstwy – co po pewnym czasie musi nastąpić - wiertło powraca do normalnego, stalowego standardu).

Urządzenia

Jak wspomniano, urządzenia do napylania PVD są dość drogie, toteż i sam proces nie jest tani. Jednakże po zbilansowaniu kosztów i zysków, wynik jest dość oczywisty: jest to technika opłacalna, nie tylko ze względu na zwiększenie żywotności narzędzi i elementów, ale także z uwagi na otwarcie nowych perspektyw w technice obróbki metali.

Do najwydajniejszych, nowoczesnych urządzeń techniki PVD należy zaliczyć komory CameCon; oczywiście komputerowo sterowane i proste w obsłudze. Rzeczą wykonawcy jest takie urządzenie optymalnie zaprogramować – a to wymaga wiedzy, nierzadko stanowiącej tajemnicę firmową. Najbardziej interesujący w tym wszystkim jest fakt, iż dla rozwoju technik napylania nie można właściwie postawić granic. Liczba kombinacji pierwiastków, zarówno w sensie jakościowym jak ilościowym, jest praktycznie nieograniczona, już obecnie szacuje się ją na ponad 1000. Można tu już właściwie mówić o nanotechnologii – zważywszy, że pojawiają sie powłoki nie tylko o zróżnicowanym składzie, ale i o specjalnej substrukturze. Otwiera to szerokie pole dla nieustającego postępu – a także dla różnych niszowych specjalizacji – albowiem żadna firma nie jest w stanie objąć swą ofertą całości zagadnienia.

Intencją niniejszego artykułu jest zainteresowanie technologów i firm tą innowacyjną techniką. Mamy na myśli z jednej strony firmy, które mogłyby sie podjąć takiej działalności. Znany mi jest przypadek firmy operującej techniką PVD, założonej przed 10-ciu laty i już obecnie osiągającej znaczące sukcesy na trudnym europejskim rynku. Z drugiej strony, bodajże ważniejsze jest zainteresowanie technologów tymi nowymi możliwościami. Słyszałem opinie, iż jest to technika za droga.

To prawda i nieprawda zarazem: sam posiadam komplet wierteł napylanych – istotnie droższych niż zwykłe – ale o ileż wydajniejszych i efektywniejszych! Nie należy tylko patrzeć na cenę, ale bilansować całość zysków. Jeśli np. w przypadku wymienionego wyżej walca czas eksploatacji wydłużył się aż 7 - krotnie, to jest o czym myśleć. Wolę mieć wiertło ostre i trwałe, niż co chwilę kupować nowe „tanie” wiertła. Postęp materiałowy jest zbyt olbrzymi, abyśmy mieli z niego nie korzystać. To wręcz obowiązek nowoczesnego menedżera.

Temat będziemy kontynuować, już w konkretnym odniesieniu do różnych możliwych zastosowań.

PS. Redakcja i autor dziękują firmie PlasmOtec GmbH za udostępnienie wielu interesujących informacji.

Źródło: Tomasz Sękowski - STAL Metale & Nowe Technologie, NR 5-6/2008





Świat metali

2014-03-14 09:35:00 | Komentarze: 0

Nowoczesna przeglądarka plików 3D (modele CAD) od Elesa+Ganter

Firma ELESA+GANTER, lider w produkcji standardowych elementów maszyn, stworzyła we współpracy z portalem PartCommunity.com interaktywny katalog plików CAD. Dzięki temu rozwiązaniu konstruktorzy odpowiedzialni za projektowanie maszyn i urządzeń mogą za darmo pobrać trójwymiarowe modele części ELESA+GANTER.

Innowacyjne zawieszenie zdobywa nagrodę „Swedish Steel Prize 2013“

Automaty spawalnicze Promotechu podbijają rosyjski rynek

Ruukki poszerza swoją ofertę wysokowytrzymałych stali Optim

Dzień FAMURU na Targach w Katowicach!

Spotkanie prezesa firmy ECKERT z Prezydentem Komorowskim

Zarezerwuj swój czas na spotkania kooperacyjne!

Nowe zastosowanie stali specjalnych RUUKKI

Audyt sourcingowy wśród dóbr konsumenckich

FAMUR Polskim Czempionem!