Felületkezelések Dr. Fábián Enikő Réka

Átírás

1 Hőkezelés- 2016/2017 ősz Felületkezelések Dr. Fábián Enikő Réka

2 Termokémiai kezelések A termokémiai kezelések célja az acél felületén meghatározott mélységig valamilyen fémes vagy nemfémes elem koncentrációját megnövelni (a felület ötvözése), és így a kéreg tulajdonságát a kívánt módon megváltoztatni. Cél: mechanikai-, hő- és vegyi hatásokkal szembeni ellenállás növelése, a legtöbb esetben azonban a cél a felület kopásállóságának és a munkadarab kifáradással szembeni ellenállásának növelése a kemény kéreg és szívós mag biztosításával. A felület ötvözéséhez szükséges elemet a darabot körülvevő közeg biztosítja. A kölcsönhatás részfolyamatai: 1. Az ötvöző elemet atomos állapotban kell a felületre juttatni. Ez az atomos állapotú elem rendszerint disszociáció eredménye. 2. A közeg által atomos állapotban leadott elemnek meg kell tapadni az acél felületén. Ez a folyamat az adszorpció. 3. Az adszorbeált elemnek a felületi rétegbe kell vándorolni. Ez a diffúzió révén lehetséges.

3 Cementálás Cementáláskor a szénszegény acél felületének széntartalmát dúsítjuk. A folyamat során az acélt atomos szenet tartalmazó közegben izzítjuk. A szén bediffundál az alkatrész felületébe, megemelve annak széntartalmát. Ennek a szénben gazdag rétegnek a mérete és széntartalma függ az acél minőségétől és a cementálás körülményeitől. A cementálási folyamatban a kis karbontartalmú(c%<0,2) munkadarab felületi rétegében a karbontartalmat 0,6 1,2 %-ra dúsítják fel diffúzióútján. A szokásos kéregvastagság 0,1 3,0 mm

4 Karbonpotenciál A cementáló közeg karbonpotenciálja azt fejezi ki, hogy a közeg az adott hőmérsékleten a cementálandó munkadarab felületén milyen széntartalommal (karbontartalommal) tart egyensúlyt. Ha valamely cementálószernek adott hőmérsékleten a karbonpotenciálja 1%, akkor az 1%-nál kisebb széntartalmú acél legfeljebb 1%-os karbontartalmúra cementálódik, a nagyobb mennyiségű szenet tartalmazó acél széntartalma viszont 1%-ra dekarbonizálódik (vagyis szenet veszít). A cementáló közeg adott karbonpotenciálja és az acél felületének széntartalma között a kinetikai feltételektől függően rövidebb-hosszabb idő alatt egyensúly áll be. A felület széntartalmának megnövekedése kémiai potenciálkülönbséget idéz elő a munkadarab belső részeihez képest, ez a diffúzió hajtóereje. Ha a cementáló közegből elegendő utánpótlást kap az acél felületétől befelé diffundáló atomos szén, akkor bizonyos idő elteltével dinamikus egyensúly áll be a közeg karbonpotenciálja és az acél felületének széntartalma között.

5 Cementálás A cementálás során az alkatrészt karbont leadó közegben ausztenites állapotban (A 3 hőmérséklet felett) izzítjuk, majd ezt különböző hőkezelések követik

6 Cementálás A létrejött kemény, kopásálló felületi zóna és a szívós, nagyszilárdságú mag klasszikus példája az anyagtulajdonságok célirányos egyesítésének. A hőmérséklet és a cementáló közeg összetételének ismeretében lehet meghatározni az előírt kéregvastagsághoz szükséges cementálási időt.

7 Cementálás A cementálás időigénye a cementáló tér (közeg és munkadarab) egyenletes, aránylag lassú felfűtéséből és a tényleges cementálási időből tevődik össze. -szilárd (faszén+katalizátor) esetén óránként körülbelül 0,1mm szénben dúsult réteg keletkezik, amelynek széntartalma 0,7-0,8% körül van. Cementálási hőmérséklet 850 C C. -sófürdő alkalmazása esetén 850 C C-on 30 perc alatt 0,2-0,25mm cementált réteg keletkezik. Efölötti hőmérsékleten mérgező gázok keletkeznek a ciánsók párolgása miatt. -gázcementálás esetén 930 C C-on 30 perc alatt 0,3-0,4mm cementált réteg keletkezik.

8 Cementálás

9 Cementálás A cementáló közeg lehet: szilárd szemcsés, pasztás (faszén, csontszén, koksz) +gyorsító BaCO3 folyékony (sófürdõ + karbont leadó anyag) nem aktivált gyengén aktivált erösen aktivált gáz (szabályzott gázatmoszférában, C-leadóközegben) Ipari körülmények között már csak a gázcementálásnak van jelentősége. Újabb technológiák ionos, fluidizáltközegű, vákuumos cementálás

10 Cementálás kis sorozat

11 Cementálás Sófürdők: ciános( tiltó listás): : Nem aktivált: 80% NaCN +20% KCl 0,1-0,3 mm kéregvastagság(t= C) Gyengén aktivált 50% NaCN +10% KCl+ 40% BaCl 2 0,5-0,8mm kéregvastagság (T= C) aktív sókkal használatos: 85%BaCl 2 +10%NaCN+5%NaCl (35%) 50% BaCl 2 +30% KCl+20% NaCl (60%) NaCN (5%) 98%NaCN+2% faszénpor (75%) 50%Na 2 CO 3 +50%KCl (25%)

12 Gázcementálás A gázcementálás előnyei: - gyors - tiszta - egyenletes minőség - reprodukálható Általánosan a kéregvastagság 0,8 mm, de speciális esetben ez akár 2 mm is lehet.

13 Gázcementálás

14 Gázcementálás

15 Gázcementálás

16 Endogázas és nitrogén-hordozógázas (szintetuikus) cementáló gázatmoszférák jellemző tulajdonságai

17 Betétedzhető acélok 1 B B 0,0008-0,0050

18 Betétedzhető acélok 2

19 Cementálás A cementálást követő un. kettős edzés során először a magot edzik, ezáltal a kis karbontartalmú magot finomszemcséssé teszik, majd a "kéregedzéssel" nagy kopásállóságú, kemény felületet állítanak elő.

20 Cementálás

21 Nitridálás

22 Nitridálás Célja az acél felületébe nitrogén bejuttatása, amely a felületen kemény kopásálló, korrózióálló, a kifáradással szemben ellenálló kérget hoz létre anélkül, hogy azt edzeni kellene. A darabot a kezelés megkezdése előtt a legtöbb esetben nemesítik, így a mag szívós lesz.

23

24 Nitridálás Keménység Felületi kem. Magkem. + 50HV Magkem. Erősen ötvözött acél Nagy felületi keménység Csekély nitridálási mélység Gyengén ötvözött acél Csekély felületi keménység Nagy nitridálási mélység Nitridálási mélység Felülettől mért távolság

25 Nitridálás

26 Nitridálható acélok Nitridálható acélok

27 Nitridálás sófürdőben Régebben a sófürdő kénvegyületek és cianidsók megolvasztott keverékéből állt. A szokásos kezelés hőmérséklete ºC, Időtartama 2 3 óra. A kéregben nitridek mellett karbidok és szulfidok is létrejönnek. A Tenifer-eljárás kénmentes módszert alkalmaz, de a fürdő cianid tartalma 3% körüli Cianidsó-mentes technológiák: "Sursulf" eljárás, ahol alkálicianátból naszcensz nitrogén szabadul fel, miközben a cianátok karbonátokká oxidálódnak. A jelenlévő lítiumsók az oxidációsebességét mintegy a felére csökkentik. Ha a fürdőként tartalmaz, a kezelt darabok kérgében kénvegyületek is keletkeznek. Megfelelő folyamatvezetés esetén a Sursulf-fürdők cianidtartalma kisebb, mint 0,2 %.

28 Plazmanitridálás A nitrogént kis nyomású munkatérben, áramerős glimmkisülés plazmájaként juttatják a munkadarab felületére Az ionok ütközési energiája biztosítja a munkadarab felmelegedését a diffúzióhoz szükséges C-ra A kezelési idő a kívánt keménységtől és a munkadarab anyagától függően 10 perc-36h

29 Nitridálás A nitridált rétegnek meglehetősen nagy a melegszilárdsága, ~450 o C-ig alig változik. A nitridálás az jelentősen javítja. acél korrozióállósági tulajdonságait A nitridálást előnyösen lehet használni minden olyan alkatrésznél, ahol szükség van a nagy kéregkeménységre, nincs megengedve kopás, vagy korróziónak kell ellenállni. A nitridálás nem alkalmazható dinamikai igénybevételnek kitett alkatrészeknél, mivel a nitridált réteg letöredezhet.

30 Aknás kemence Aknás, retortás kemence SLR-5 többcélú aknás kemence Alkalmas gázban történő cementálásra, nitrocementálásra, védőgázban történő lágyításra, edzésre SLR-4 nitridáló kemence Alkalmas nitridáslásra karbonitridálásra, védőgáz alatti feszültségcsökkentésre

31 NITRIDÁLÁS (diffúzió miatt hosszadalmas művelet) Sófürdős nitridálás - jó technológia, egészségre ártalmas Gáznitridálás - relativ magas hőmérséklet - furatok nitridálása megoldott - nitridréteg alatt rideg átmeneti zóna, - dinamikus igénybevétel esetén lepereghet Plazmanitridálás - nem túl magas hőmérséklet, kis elhúzódás, -magas hőmérséklet. Megeresztés szükséges, -vékony, de kemény réteg, nincs átmeneti zóna.

32 Acélok nitrocementálása és karbonitridálása A munkadarab felületi rétegében a karbon és a nitrogén egyidejű dúsításával egyesítik a két különálló eljárás előnyeit Magas hőmérsékletű folyamatoknál (nitrocementálás) a karbon diffúziója a döntő és szén-nitrogén tartalmú, martenzit jellegű fázis alakul ki. Alacsony hőmérsékletű technológiáknál (karbonitridálás) karbonitrideket tartalmazó vegyületi zóna és alatta növelt nitrogén-és karbontartalmú diffúziós zóna képződik. A karbonitridálás só- és gázközegből egyaránt elvégezhető

33 Karbonitridálás és nitrocementálás paraméterei

34 Karbonitridálás A gyakorlatban elterjedtebben alkalmazott a karbonitridálás (nikotrálás), ahol a közeg 50 % ammónia és 50 % cementáló gáz. A kezelés hõmérséklete 570 C ideje 3-4 óra. A kéreg két részből áll: μm vastagságú vegyületi kéreg (nitridek), alatta 0,3-0,5 mm nitrogénben dús diffúziós zóna.

35 Karbonitridálás Az alkatrészeket először atmoszférikus kemencében kb. 350 C ra előmelegítik. A karbonitridálás az úgynevezett nitridáló fürdőben történik C on, ahol a szokásos hőmérsékletet leggyakrabban 580 C ra választják meg. A sóolvadék lényegében alkáli cianátból valamint alkáli karbonátból áll és egy különleges anyagból készült levegőztető berendezéssel ellátott tégelyben van. A nitridáló fürdőben az aktív alkotórész az alkáli cianát. A karbonitridálási folyamat közben az alkáli cianát alkatrészfelülettel történő reakciójánál alkáli karbonát képződik. A nem mérgező regeneráló adalék célszerű hozzáadásával az aktív nitridáló komponens közvetlenül ismét a sóolvadékban képződik, és a fürdő aktivitását nagyon szűk határok között tartja.

36 Karbonitridálás QPQ Quench Polish Quench

37 Acélok boridálása A bór rendkívül kis mértékben oldódik vasban. Ezért bórleadó közegben a termikus kezelés során FeB és Fe 2 B- ből állóvegyületi zóna képződik a munkadarabok felületén. A réteg vastagsága ~0,15 (max. 0,3) mm, mikrokeménysége eléri a 2000 HV-t. A kéregnek az alapszövethez kapcsolódására az igen kedvező "fokozatos" kötődés a jellemző. A boridált felületek jó siklási tulajdonságokkal rendelkeznek, alacsony a hideghegedési hajlamuk, kiváló a korróziós, eróziós és kavitációs ellenállásuk.

38 Boridálás

39 Acélok szilikálása A kezelendő munkadarabokat szilicium-karbiddal együtt, klórgázzal átáramoltatott, fűtött forgócsöves kemencébe helyezik. A kezelési hőmérséklet ºC, kezelési idő~2 óra. A legfeljebb 1 mm vastagságú réteg 15 %-ig terjedő Sitartalmú α-keverék-kristályból áll, de kisebb mennyiségben Fe 3 Si fázis is előfordul. A szilicid bevonatok korrózióállósága kiváló, elsősorban savakkal szemben.

40 Termokémiai kezelés fémes elemekkel Fémtárgyak felületvédelme fémes anyagok (Al, Zn, Sn, Cu, Cr) termikus diffúziójával is kialakítható. Kromálás Krómot diffundáltatnak magas karbontartalmú acélok felületi rétegébe és a keletkező krómkarbidok keménységnövelő hatását használják fel. A kialakuló réteg legfeljebb 0,1 mm vastag, keménysége függ az alapacél karbontartalmától: HV értékű. Kedvező tribológiai tulajdonságokat eredményez Kombinált eljárások (a kezelendő fémtárgyra galvanikus úton viszik fel a kiválasztott fémet és azt utána aktív gázban bediffundáltatják) acél anyagra ón leválasztása és nitrogén atmoszférában történő diffundáltatása ("Stanal"); acél anyagra bronzötvözet leválasztása és nitrogénben történő diffundáltatása ("Forez"); sárgaréz és bronz anyagokra ón + kadmium leválasztása, és levegőben történő diffundáltatása ("Delsun"); alumínium ötvözetekre indium-alapú komplex ötvözet leválasztása és levegőn történő diffundáltatása ("Zinal")

41 Termokémiai kezelés fémes elemekkel Alitálás Hőállóság növelése, 0,3 0,8 mm nagy Al tartalmú kéreg ( ºC 6-8 h) Kromálás (keménykrómozás) Hő- és korrózióálló, kopásálló 0,1 0,3 mm ( ºC h) Szilikálás Hő- és savállóság, 0,5 1 mm kéreg ( ºC 4 10 h) Boridálás Jelentős felületi keménység (HV > 1200) Jó sav- és hőállóság is

42 PVD bevonatok A PVD eljárás, azaz a Physical Vapor Deposition (fizikai gőzfázisú leválasztás) több különböző eljárás gyűjtőneve. A közös vonása ezeknek a technológiáknak, hogy jellemzően 500 C alatti hőmérsékleten, 10-2 Pa nyomás alatt játszódnak le, fizikai kölcsönhatások során. A felhevített, nagy tisztaságú bevonatoló anyag párolog, vagy azt elektronsugárral, ívkisülésekkel porlasztják. Ezt követően az elporlasztott anyag felületi rétegként lecsapódik a bevonni kívánt munkadarabra. Az elpárologtatott, porlasztott anyag gerjesztett állapotban van, ezt az energiát a bevonni kívánt alkatrésznek adja le. A folyamat során reaktív gázokat, nitrogént, acetilén, oxigént, stb. is juttatnak a vákuumkamrába, melyek a fémgőzzel, bevonó anyaggal együtt csapódnak le a bevonandó felületeken, így nagyon erős adhéziós kötés alakul ki a felület és a bevonat között. A legjellemzőbb bevonatoló anyagok a TiN, TiAlN, CrN, TiBN, TiCN.

43

44 PVD bevonatok Titán -nitrid alapú bevonat Max hőmérséklet terhelés 600 C Keménység: HV. Bevonatolási hőmérséklet : 300 C Bevonat vastagsága: 2 6 μm, Bevonatolás a készre munkált alkatrészen. Nincs jelentős méret és érdesség változás. Kiváló kémiai ellenálló képesség. Króm nitrid alapú bevonat CCF típusú Maximális hőmérséklet terhelés 900 C ig Keménység: HV. Bevonatolási hőmérséklet: 300 C Bevonat vastagsága1 5 μm, Magas hő- és kopási terhelésű, forgácsoló és alakító szerszámok, alkatrészek. Bevonatolás a készremunkált alkatrészen, Nincs jelentős méret és érdesség változás, Kiváló kémiai ellenálló képesség.

45 PVD bevonatok Króm nitrid alapú bevonat tömör, nano-méretű szemcsés CrVI eljárás kiváltása, Maximális hőmérséklet terhelés: 700 C ig Keménység HV Bevonat vastagsága1 5 μm, Bevonatolási hőmérséklet: C Bevonatolás készremunkált alkatrészen, nincs jelentős méret és érdesség változás, kiváló kémiai, ellenálló képesség. Abrazív terhelésnek kitett mechanikus alkatrészek, Műanyag szerszámoknál tapadási és kopási problémákra, elektromos alkatrészekre. Titán Bór Nitrid Maximális hőmérséklet terhelés 800 C ig Keménység HV Bevonatolási hőmérséklet300 C Bevonat vastagsága 2 6 μm, Bevonatolás a készremunkált alkatrészen, nincs jelentős méret és érdesség változás, kiváló kémiai, ellenálló képesség. Alumínium, magnézium és műanyag feldolgozó iparban kopási és tapadási problémák elkerülésére.

46 CVD bevonatok A CVD eljárás, Chemical Vapor Deposition (kémiai gőzfázisú leválasztás) annyiban különbözik az előbb bemutatott PVD eljárástól, hogy magasabb hőmérsékleten, C között játszódik le. A folyamat során valamilyen kémiai reakció során bontják le majd építik fel az alkatrészre a felületi réteganyagot. Mivel a reakciótér hőmérséklete nem éri el a reakcióhoz szükséges hőmérsékletet, a felhevített bevonandó alkatrészen játszódik le a lecsapódási folyamat. Kemény, kopásálló rétegeket, DLC réteget (Diamond Like Coating gyémánthoz hasonló bevonat), de mesterséges gyémánt bevonatot is készítenek ezzel a technológiával.

47 Alkalmazási példák

48 Különböző technikákkal létrehozott rétegek