FELÜLETKEZELÉS A gépelemek, a fémszerkezetek, de még inkább a szerszámok működő felületeinek igénybevétele jelentősen eltér a belső anyagrészekétől, így a konstrukció egészét általában nem előnyös ugyanazon anyagból ill. azonos technológiával gyártani, hanem célszerű a fokozott igénybevételű felületi részeken ellenállóbb anyagot alkalmazni és/vagy intenzívebb energiabevitellel anyagszerkezet-módosulást kiváltani, s ezáltal jobb károsodásállóságra, nagyobb várható élettartamra törekedni. Felületkezeléssel tehát a felülettől a mag (belső anyagrészek) felé változó tulajdonságok hozhatók létre eltérő fázisátalakulások és/vagy különböző kémiai összetétel beállításával. 1
Anyagok károsodási formái Egy termék anyagát érő mechanikai-, termikus-, vegyi-, biológiai-, elektromos-, mágneses-, sugár- és hanghatások, igénybevételek által kiváltott elhasználódási formák közül: a rövid üzemelés során fellépő károsodási folyamatok nem lehetnek meghatározók egyetlen termék esetében sem, ezek megelőzése alapvető tervezési, gyártási, üzemeltetési és ellenőrzési (állapotfelügyeleti) feladat. a hosszabb üzemelés során fellép(het)ő károsodás-felhalmozódási folyamatok érint(het)ik a termék anyagának egészét (nem lokalizáltak), vagy egy résztartományát (lokalizáltak), miközben a biztonságos üzemeltetés szempontjából eredetileg helyesen megválasztott anyagtulajdonságok megváltoz(hat)nak. 2
Az alkatrész- és a szerszámgyártás gyakori dilemmája a két fizikailag ellentétes tulajdonság (keménység szívósság) arányának kompromisszumos (szilárdságot is mérlegelő) beállítása, ami gyakran a felületkezelés alkalmazását teszi indokolttá. Felületkezelés indoka 3
Felületkezelés, felületi megmunkálás hatásai: károsodásállóság (kopásállóság, korrózióállóság) javítása különleges anyag felvitelével, nagy fajlagos energia bevitelével 4
Felületkezelés, mint anyagszerkezet-változtató technológia 5
Felületkezelési eljárások felosztása 6
Felületkezeléshez alkalmazható energia 7
Fontosabb hőforrások jellemzői 8
Energiaforrások felületkezelésekhez való alkalmazhatósága 9
Kezelendő felület előkészítése felülettisztítás ill. azzal egyidejűleg a kiindulási felületi érdesség beállítása és a felület aktiválása. oxidmentesítés, reveréteg és korróziós nyomok eltávolítása, azaz a szervetlen szennyezőanyagok eltüntetése: mechanikai módszerekkel: szemcseszórással, szemcsefúvással, forgódobos koptatással, köszörüléssel, csiszolással, kefézéssel, kaparással, polírozással, nagynyomású vízsugárral stb.; kémiai vagy elektrokémiai ill. termikus módszerekkel: savas vagy lúgos pácolással, sóolvadékos kezeléssel, lánggereblyézéssel stb. zsírtalanítás, olajfoltok és festék- ill. lakkmaradványok eltávolítása, vagyis a szerves szennyezőanyagok eltüntetése: termikus módszerekkel: gázégővel, kemencében stb.; kémiai és fizikai módszerekkel: speciális szerves oldószerekkel, lúgos oldatokkal, gőzsugárral stb. megtisztított felület roncsolásmentes repedésvizsgálata a hibás munkadarabok kiszűrése, s ezáltal a felesleges további munka elkerülése céljából. egyes összetételváltozásos felületkezelési eljárásoknál szükséges lehet a nem kezelendő felületrészek takarása, a szelektív (bizonyos felületrészekre korlátozódó) kezelés lehetővé tétele is, pl. árnyékolódobozzal, műanyag szalaggal, galvanotechnikai védőlakkal, vagy más speciális bevonóanyaggal. 10
Lézeres eljárások feltétele a hullámhosszfüggő abszorpciós tényező megfelelő értéke 11
Felületminőség, felületállapot: hullámosság, érdesség (R y maximális, R a átlagos; R z egyenetlenség-magasság) 12
Alakítási keményedés, mint a felületszilárdítás alapja 13
Felületszilárdítás Hidegalakítási keményedés és maradó nyomófeszültség bevitele jellemzi a felületszilárdítási eljárásokat, amelyek a kifáradási határt, a kopásállóságot növelik, az érdességet csökkentik. 14
Martenzites átalakulás, mint a felületedzés alapja 15
Felületedzés Nem egyensúlyi szövetszerkezetet létrehozása akkor valósul meg, ha az edzhetőség három kritériuma (az anyag megfelelő intersztíciós ötvözőtartalma, átalakulási hőmérséklet feletti homogenizáló izzítás, majd a kritikusnál nagyobb hűlési sebesség) közül a második csak bizonyos felületi kéregvastagságban teljesül. A teljes térfogatukban nemesített acél munkadarabok felületének gyors felhevítése só- vagy fémolvadékba mártással, éghető gáz lángjával ill. reakcióhőjével, nagyfrekvenciás induktorral gerjesztett örvényáram- és mágneses hiszterézis-veszteséggel, nagyhőmérsékletű technikai plazmával, elektronsugár kinetikai energiájának átalakulásával, vagy lézersugárzás abszorbeálódó fotonáramával történhet. A gyors lehűtést a nagyobb tömegében hidegen maradó munkadarab intenzív hőelvonása és/vagy a ráfújt vízpermet biztosítja. 16
Felületedzés termikus ciklusa 17
Indukciós felülethevítés induktor hűtővíz alakos induktor kezelendő felület mozgatás kezelendő felület 18
Indukciós felületedzés Váltakozó áramot az induktoron átvezetve és abba mágnesezhető anyagú munkadarabot helyezve, a fémben örvényáram indukálódik. Az áram hatására - a fém ellenállása következtében - hő fejlődik. A melegedést részben ez a Joule-veszteség, részben a mágnesezési hiszterézis-veszteség okozza. A hiszterézis-veszteségek csak a Curie-pontig lépnek fel, ahol a ferromágneses acél paramágnesessé válik. 19
Fogaskerekek indukciós edzése Frekvencia hatása: 20
Fogaskerék indukciós edzése előhevítés hevítés hűtés 21
Lézeres edzés A szerkezeti acélok területén terjedt el. A létrehozott edzett rétegek mélysége néhány tizedmilliméterig terjed. Elsősorban gépkocsialkatrészek felületedzését végzik ily módon, a nagyfrekvenciás indukciós edzést vagy - ha a követelmények megengedik - a cementálás + edzést helyettesítve. A felületi edzés csak akkor lehet gazdaságos lézerrel, ha azt más, hagyományos módszerekkel nem, vagy csak káros kompromisszumok árán lehet megvalósítani. 22
Felületi átolvasztás A lézer-, az elektron- és a plazmasugár kellően nagy teljesítményének igen kicsi felületre (fókuszfoltra) koncentrálásával a munkadarab vékony felületi rétege megolvasztható, sőt elgőzölögtethető. Mivel a munkadarab térfogata túlnyomórészt hideg állapotban marad, így annak hőelvonó (hűtő) hatása igen nagy dermedési sebességet idéz elő a megolvadt rétegben. Ezáltal a hagyományosan öntött struktúrához képest megnő az oldott ötvöző- és szennyezőtartalom szilárd állapotban, csökken a szemcseméret és a zárványtartalom, megváltozik (finomodik) a kiválások mérete ill. diszperzebb (egyenletesebb) lesz az eloszlása, homogénebb anyagszerkezet alakul ki, növekszik a diszlokációsűrűség és a pontszerű rácshibák koncentrációja, különleges metastabil fázisok jönnek létre stb., amelyek szilárdságnövekedést és kopásállóság-javulást eredményeznek. 23
Felületi átolvasztás 24
Elektronsugaras felületi átolvasztás Egy kezelt bütyök metszete: Felületi átolvasztással létrehozott zóna alakja kisebb és nagyobb nagyításban: 25
Alakító szerszámok acéljai elektronsugaras átolvasztásának hatása 26
Felolvasztó hegesztés A felolvasztó hegesztés is tulajdonképpen felületi átolvasztás, de az elérhető energiasűrűség, dermedési sebesség, ill. szerkezetmódosulás "szerényebb". Olyan ömlesztő hegesztési eljárások jöhetnek itt szóba, amelyek hozaganyag-adagolás nélkül is "működnek". Ezért lánghegesztéssel és volfrámelektródás semleges védőgázos ívhegesztéssel lehet felolvasztó kezeléseket végezni, pl. öntöttvas termékek felületi rétegében grafit helyett metastabil, kopásállóbb vaskarbid (ledeburit) létrehozásával. 27
Felolvasztó hegesztés TIG (141-es) eljárással A felolvasztott zónát úgy kell kialakítani, hogy az olvadt fém megtartására megfelelő lágy szél alakuljon ki. 28
Védőbevonatolás 29
Ragasztáskor megfelelő arányban kikevert, egyenletesen vékony rétegben felhordott, majd előszárítás és térhálósítás útján kikeményedő ragasztóréteg köti a por-, lemez- vagy fólia bevonatot a - kikeményítéshez szükséges hőkezelés során nem kilágyuló fémötvözetből készült - tárgy felületéhez. Lehetőség van önmagában kopás-, korrózió- vagy vegyszerálló, majd térhálósodás után megmunkálható gittek, paszták önálló alkalmazására ill. fluidágyas műanyagbevonatolásra is. Festés során természetes és/vagy műgyanta kötőanyagú, szobahőmérsékleten száradó, vagy növelt hőmérsékleten kikeményedő szerves bevonat(rendszer) alakítható ki szabadtéri, vagy erősen igénybevett beltéri objektumok felületén. A kellő védelmet biztosító bevonatrendszer kialakításának műveleti sorrendje a következő: felületelőkészítés után tapadásjavító réteg kialakítása alapozás tapaszolás csiszolás közbülső réteg felvitele fedőlakkvagy átvonó zománcréteg létrehozása szárítás (esetleg beégetés). Az egyes rétegek ecseteléssel, szórással, bemártással vagy más eljárással (pl. elektroforézissel) juttathatók a védendő felületre. 30
A zománcozás kerámiai módszerekkel létrehozott - a védendő fém hőtágulási együtthatójához "hangolt", anyagával színezett - zománcüveg, vagyis nem teljesen felolvasztott oxidkerámia-réteggel történik. Főbb műveletei: felületelőkészítést követő savas pácolás semlegesítés zománciszap felvitel bemártással, szórással, vagy más módszerrel szárítás (T<120 C) beégetés (T<900 C). Az áram nélküli kémiai fémleválasztás során az elektronegatívabb (bevonandó) fém az elektropozitívabb (bevonó) fémet erős savakkal képezett sóinak oldatából a felületére leválasztja, miközben kismértékben oldatba megy (pl. Fe + CuSO 4 Cu bevonatú Fe + FeSO 4 ). A galvanizálás során a katódként kapcsolt bevonandó fémtárgyra elektrokémiai úton fémes bevonatot választanak le, elektrolitként ható, fémsókat tartalmazó vizes oldatból. Ilyen módon vörös- vagy sárgaréz; fényes vagy fekete nikkel; fényes-, kemény- vagy fekete króm; Zn, Cd, Sn, Pb, Fe, Co, Ag, Au, Rh, Pd, Pt, Ru, As, Sb vagy ötvözetbevonatok hozhatók létre acél, réz, cink, nikkel anyagú munkadarabokon. Az alumínium a felületi védőoxidrétegének eltávolítása ill. tapadásbiztosító alapozóréteg létrehozása után galvanizálható. Műanyagok is galvanizálhatók maratás, érzékenyítés, aktiválás (azaz fémréteg-kötődést elősegítő kristálymagok létrehozása) ill. kémiai előbevonás után. 31
Galvánbevonat anyagok a periódusos rendszerben 32
Termikus szórás 33
Termikus szóráskor a por, granulátum, pálca vagy huzal formájában adagolt hozaganyag részleges vagy teljes megolvasztásával és így folyamatosan képződő nagy hőmérsékletű részecskék kezelendő felületre szórásával, termomechanikai úton jön létre bevonat. A hőt láng, elektromos ív, plazma- vagy lézersugár, ill. gázkeverék ciklikus robbanása biztosítja, míg a felületre szórást sűrített levegő, plazmaáramlás vagy detonációsorozat végzi. Fémek, fémötvözetek, fémvegyületek, kerámiák vagy műanyagok alkotta bevonat kötési (tapadási) szilárdsága arányosan növekszik a szórt részecskék mozgási energiájával és hőmérsékletével, a kezelendő felület tisztasági fokával, a felületelőkészítő aktiválás és a szórás között eltelő időtartam rövidítésével, a felületi érdesség megfelelő profilalakjával. A szórt bevonat porozitása elsősorban a részecske-becsapódási sebesség növelésével csökkenthető. Az alkalmazási területek mintegy 60 %-át a kopásálló bevonatok jelentik, kb. 15 %-ot tesz ki a korrózióvédelem, 10 % körüli az elektronikai vékonyrétegek aránya, míg a megmaradó kb. 15 % egyéb célokat szolgál. 34
Plazmaszórás A plazmaszóró berendezések működése a belsőíves rendszeren alapszik. A bevonatképzéshez szükséges anyagot por állapotban a plazmagenerátor fúvókáján kilépő nagy sebességű és nagy hőmérsékletű plazmasugárba juttatják A bevonóanyag részecskéit a plazmasugár gyorsítja, és hőcsere révén hevíti. A részecskék a tárgyfelületbe való ütközés pillanata után ellapulnak, és a tárgyfelülethez vagy egymáshoz tapadnak. 35
Plattírozás 36
A plattírozási eljárások egyik csoportja a bevonatot képező plattíranyag és a plattírozandó anyag együttes képlékeny alakításával valósul meg. Az eljárások másik csoportjánál a nagyobb tömegű, fixen alátámasztott plattírozandó darabra robbantás vagy súrlódás (dörzsölés) révén kerül rá a plattírréteg. Húzásos plattírozás során a plattírozandó csövet vagy rudat a ráhúzott plattíranyag-csővel együtt, egy meghatározott alakváltozást biztosító húzógyűrűn húzzák át. Folyatásos plattírozáskor a plattírozandó- ill. a plattíranyag együttes hátrafolyatásával hozzák létre a bimetall csövet, amelyben a plattírréteg a külső vagy a belső oldalon is lehet. A hideg- vagy meleghengerléses plattírozásnál a plattírozandó anyagot és a plattíranyagot együttesen hengerlik a méreteiktől (vastagságuktól) és alakítási szilárdságuktól függő hőmérsékleten. A robbantásos plattírozás célszerűen beállított plattírlemezre kerülő robbanóanyag-réteg teljes szélességben történő begyújtásával indul. A kialakuló detonációs nyomáshullám a plattírlemezt nagy sebességgel felütközteti a stabilan rögzített alaplemezre, melynek felületén kialakuló normál- és csúsztatófeszültségek hatására kötődik a plattírréteg. Dörzsplattírozáskor a plattíranyag rudat forgatva rányomják a plattírozandó felületre, majd folyamatos relatív elmozdulás mellett a kívánt kiterjedésben bevonatréteget hoznak létre. 37
Fizikai gőzfázisú bevonás (Physical Vapour Deposition PVD) 38
Fizikai gőzfázisú bevonás esetében a bevonóanyagot vagy a leendő bevonat komponenseit (melyek átalakítandó vegyületeket nem tartalmaznak) fizikai módszerekkel (párologtatással, porlasztással) szilárd állapotból gőzfázisba viszik és az így létrejött bevonat-alkotórészeket a munkadarab felületére csapatják. A kezelés vákuumban történik és a munkadarab-felület hőmérséklete nem haladja meg az 550 C-ot, így előnyös készre forgácsolt ill. nemesített gyorsacél szerszámok bevonására is, pl. max. 4 µm vastag TiN-réteggel (2Ti + N 2 2TiN), hiszen nem következik be allotróp átalakulás miatti méretváltozás, vagy nagyfokú megeresztődés (kilágyulás). Az eljárásváltozatok - vákuumgőzölés, katódporlasztás, ionsugaras bevonatolás ill. -leválasztás - megkülönböztetésének alapja az, hogy megolvasztott párolgó vagy hideg atomütköztetéssel porlasztott bevonóanyaggal, ill. elektromosan semleges (földelt), vagy negatív potenciálra kapcsolt bevonandó anyaggal működnek-e. Az ionsugaras eljárásváltozatoknál a keletkező plazma lehetővé teszi keményebb, tartósabb rétegek képződését a bevonatoló kamrából, vákuumrendszerből, hevítő berendezésből és gázellátó egységből álló célberendezésben. 39
Elektronsugaras párologtatású PVD 40
Bevonatolt fémipari és faipari szerszámok 41
Kémiai gőzfázisú bevonás (Chemical Vapour Deposition CVD) Kémiai gőzfázisú bevonás során két vagy több szabályozott összetételű, gőz- ill. gázállapotú vegyületet - megfelelő hőközlés mellett - kémiai reakcióba visznek, aminek során a bevonandó tárgy felülete közelében termokémiai bomlás és további reakciók játszódnak le. Az így keletkező gőzfázisú reakciótermék a munkadarab felületére lecsapódva szilárd bevonatréteget képez és rendszerint gázfázisú melléktermékek is keletkeznek. A kezelés a PVD-hez hasonlóan vákuumban történik, 850...1050 C-os hőmérséklettartományban. Mivel a kezelendő tárgy jelentős hőhatásnak van kitéve, ezért főként keményfémszerszámok felületkezelésére alkalmas, max. 10 µm rétegvastagságban. Az eljárásváltozatok - hagyományos CVD: pl.: (TiCl 4 )+{1/2N 2 }+{2H 2 } [TiN]+{4HCl}; kombinált CVD: {CH 4 } [Cgyémánt]+{2H 2 }; kémiai szórás: pl. (TiCl 4 )+{CH 4 }+[2Fe] [TiC]+(2FeCl 2 )+{2H 2 }; reaktív kémiai szórás - aszerint különböztethetők meg, hogy a leendő bevonat-komponens gőzállapotba vitele párologtatással vagy porlasztással történik-e, ill. a reakciókat csak hőközlés (hőkezelés) vagy plazma-aktiválás is segíti-e (a reakcióegyenletekben a ( ) folyékony, a { } gáz és a [ ] szilárd állapotot jelöl). 42
Ionimplantáció Ionimplantációnál kb. 10 17 ion/cm 2 mennyiségű, nagy sebességre gyorsított N, Mo, Ti, Co,... ion bombázza a vákuumban ill. hűtött asztalon elhelyezett tárgy felületi rétegét és max. 1 µm mélységre behatol abba, járulékos nyomófeszültséget is létrehozva. A belőtt ionok vegyületet képezhetnek, növelik a rácshibák számát és így a szilárdságot is. Mivel a kezelés irányfüggő, az éppen kezelés alatt álló felületrész normálisának az ionforrás irányába kell mutatnia, azaz a munkadarabot mozgatni kell. 43
Passziválás Passziváláskor a kezelendő tárgy felszíni rétege - megfelelő kezelőatmoszférában - kémiai összetételét és szerkezetét tekintve is módosul. A kémiai oxidálás, az anódos oxidálás, a vegyületréteg-kialakítás célja a termodinamikailag instabil állapotú fém felületén egy alacsonyabb energiaszintű, stabilabb állapotú réteg előállítása a fém azon természetes "törekvésének" kihasználásával, mely összefüggő védőréteg kialakításában nyilvánul meg. Kémiai oxidálás kisebb védőértékű rétegek előállítását teszi lehetővé sóolvadékba mártással, vas- és színesfémek felületén. Az anódos oxidálás savelektrolitokban, áramátvezetéssel (elektrokémiai folyamatként) alumíniumhoz ill. ötvözeteihez alkalmazható. 44
A vegyületréteg-kialakítás foszfátozást, kromátozást, oxalátozást, jelent savban, sóban, vagy lúgban végezve. Az ilyen kezelés célja lehet többek között hidegalakítás elősegítése, lakktapadás javítása, megmunkálószerszámok élettartamának növelése. A fémszínezés az anódos oxidálással létrehozott, "kifelé" nyitott pórusokkal rendelkező oxidrétegek további felületkezelése. Ez szervetlen fémvegyületek (fémsók) vagy szerves színezékanyagok oldatába történő bemártással lehetséges, rendszerint elektrolitikus úton. Az anódos oxidrétegbe beépülő színezékszármazékok mellett még további pórustömítésre is szükség lehet. 45
Ötvöződúsítás 46
Ötvöződúsítás vagy termokémiai kezelés történhet aktív szabad ötvözőatomokat leadó porközegben, sóolvadékban vagy gázközegben. Az eljárások célja a kezelendő tárgy felületének feldúsítása a tárgy anyagában oldódó fémes vagy nemfémes elemmel (vagy elemekkel), növelt hőmérsékleten, diffúzió révén, megfelelő koncentrációra törekedve. Szükség szerint - eljárástól függően - további hőkezelésekkel együtt érhetők el a kívánt tulajdonságok. Egyes bediffundáló elemfajták esetében szilárd oldat létrejötte mellett vegyületfázisok is képződhetnek. A termokémiai kezelések fő paraméterei: a felületi ötvözőpotenciál, a hőmérséklet és a diffúziós időtartam, melyek elsődleges meghatározói a kialakuló réteg-vastagságnak, ill. a koncentráció-eloszlásnak. Fémes elemekkel a kromálás, alitálás, titánozás, vanádiumozás, volframozás, ; nemfémes elemekkel a cementálás, nitridálás, boridálás, szulfidálás, szilikálás, ; több elemmel a nitrocementálás, karbonitridálás, titánnitridálás, oxinitridálás, szulfonitridálás, oxikarbonitridálás, krómalitálás, krómboridálás, valósul meg. Ezek közül széleskörű ipari alkalmazást mutat az acélok felületkezelésére alkalmazott cementálás és nitridálás. 47
Betétedzés = cementálás + edzés Az ausztenites állapotban (A 3 hőmérséklet felett) történő cementálás során az egyébként nem edzhető, azaz "betétben edzhető" (C<0,2 %) acél vékony felületi kérgét karbonban feldúsítják (C>0,35 %). A cementálást követő "magedzés" során a szívósan maradó magot finomszemcséssé teszik ill. a "kéregedzéssel" nagy kopásállóságú kemény felületet állítanak elő. 48
Cementált munkadarabok edzése A cementált munkadarabok felületének széntartalma kb. 0,8%, a magé 0,1...0,25%, ennek következtében különbözők az ausztenitesítési és a martenzites átalakulási hőmérsékletei is. a)közvetlen edzés a cementálás hőmérsékletéről; b)egyszeri edzés a mag edzési hőmérsékletéről; c)lágyítás, majd forgácsolás után egyszeri edzés a mag edzési hőmérsékletéről; d)cementálást követő izotermikus lágyításhoz kapcsolt egyszeri edzés; e)kettős edzés úgy, hogy a cementálás után lehűtött munkadarabokat újból felmelegítve először a mag, majd a cementált réteg ausztenites átalakulásának hőmérsékletéről történik az edzés. 49
Betétedzett alkatrészek Betétedzett bolygókerék Betétedzett tányérkerék 50
Nitridálás A ferrit-perlites ill. nemesített állapotban (A 1 alatt) végzett nitridáláskor a felületbe jutó atomos nitrogén elsősorban - az ott lévő nitridképző ötvözőkkel (Cr, Al, Mo) történő reakciója révén - nagykeménységű nitridvegyületek létrejöttével biztosít jó felületi kopásállóságot. Az így kapott kéreg keményebb és megeresztésállóbb, mint a cementálás + edzés ill. a felületedzés utáni martenzites kéreg, mely a 180...220 C-os feszültségcsökkentő megeresztés hőmérsékletéig alkalmazható. Plazmanitridálás 51
Nitridálás Nitridekből álló vegyületi fehér kéreg Nitridált kéreg ötvözetlen acélon Nitridált fogaskerék 52
Felületi ráolvasztás 53
A felületi ráolvasztásra jellemző, hogy a felületre előzetesen vagy kezelés közben felvitt bevonatréteg részlegesen vagy teljesen megolvad, de a kezelendő tárgy felülete nem. A fémolvadékba mártással végzendő tűzi mártó fémbevonás (cinkezés, ónozás, ólmozás, alumíniumozás, ) után a legkülső, tisztán bevonófémet tartalmazó réteg többszörös átmeneti diffúziós réteggel kötődik a kezelt tárgy felületéhez. Természetesen csak olyan bevonó fémek jöhetnek szóba, amelyek a munkadarab anyagának olvadáspontjánál lényegesen kisebb hőmérsékleten olvadnak meg. A hőkezeléssel, lánggal, plazmával, elektronsugárral vagy lézerrel végezhető kezelés egyik fő alkalmazási területe a termikus szórással felvitt adhéziósan tapadó, porózus, inhomogén rétegek utókezelése. Hatására a felszórt réteg tömörödik, homogenizálódik, simább felületűvé válik ill. a nagy hőmérsékletű diffúziós folyamatok révén növekszik az alapanyaghoz való kötődésének (tapadásának) szilárdsága. 54
További alkalmazást jelent a tűzi mártó fémbevonással nem létrehozható vastagságú, agresszív korróziós közegek hatásának ellenálló fémrétegek kialakítása a védendő tárgy felületén. Ilyenkor a bevonó fémet nem olvadékfürdő alakjában használják, hanem a munkadarab megfelelően előkészített felületén hozzák olvadék állapotba. Jellemző példa az acéltartályok belső felületének savállóvá tétele ún. homogén ólmozással. A csíkokra vágott ólomlemezeket az előónozott vasötvözet felületére felhelyezve, nagyhőmérsékletű lánggal végzik a ráolvasztást. Az ón párnarétegre azért van szükség, mert a vas és az ólom kölcsönösen oldhatatlan, így direkt kötés nem jönne létre. A hőkezeléskor, azaz kemencében történő ráolvasztáskor semleges, vagy redukáló atmoszférában végzik a hevítést, a hőntartást és a lehűtést is, lehetőséget adva a diffúziós folyamatok megfelelő lejátszódásának, ill. a belső sajátfeszültségek elkerülésének. 55
Felületötvözés A felületötvözés, nagy energiasűrűségű hőforrásokkal (lézer, elektronsugár) végzett felületi átolvasztás, amelynek során az előzetesen vagy a folyamat közben felvitt ötvözőanyag belekeveredik, beleolvad, beleötvöződik az alapanyag megolvasztott, majd gyorsan megdermedő felületi rétegébe. A rendszerint por alakú ötvözőanyag felvihető kötőanyaggal vagy anélkül. Kötőanyagként pl. acetonban oldott cellulózt alkalmaznak, míg kötőanyag nélküli felvitelhez a termikus szórás vagy a közvetlen ráfúvás (rászórás) jöhet szóba. Némely ötvözőanyag felületre juttatható vékony fóliaként vagy galvanikus úton is. A lézer-, elektronvagy plazmasugárral végezhető felületötvözés célja elsősorban sav-, hő- vagy kopásálló réteg kialakítása. 56
Felrakó hegesztés A felületötvözéshez hasonló elvet, de kisebb teljesítménysűrűséget és dermedési sebességet megvalósító felrakó hegesztési eljárások a vastagabb rétegek létrehozásának módszerei. A kötőhegesztésnél megismert ömlesztő eljárások közül elsősorban ívhegesztéssel lehet felrakó hegesztést végezni. A bevonatos elektróda, pálca, huzal, (tömör, porbeles), szalag (tömör, porbeles) hozaganyagból, hegeszthető vagy előmelegítéssel (esetleg közbenső réteg felrakásával) hegeszthetővé tett alapanyagokon (gyakran acélokon) akár 15 mm vastag rétegek is kialakíthatók. A hozaganyagok összetételüket tekintve vasalapúak vagy vasban szegények lehetnek. Míg az előbbiek között alacsony- és közepes ötvözőtartalmúak (túlnyomórészt martenzites szövetszerkezetű réteget eredményezők), magas ötvözőtartalmúak (kopásálló vagy korrózióálló ausztenites szövetszerkezetű réteget eredményezők), vagy szívós anyagrétegbe beágyazódó nagykeménységű fázisokat tartalmazók lehetnek, addig az utóbbiak a Covagy Ni-bázisú keményötvözetek, a fémkarbidok, vagy a nemvas fémek ill. ötvözeteik közül kerülnek ki. 57
Duplex felületkezelések A duplex felületkezelések két egymást követően végrehajtott felületkezelést kombináló, anyagok, illetve belőlük készülő termékek károsodásállóságának javítása érdekében alkalmazható technológiák. Az ábra a kombinálható eljárásokat rendszerezve tartalmazza a duplex felületkezeléseket. Az X-szel jelölt változatok előnytelenek, illetve nem értelmezhetők, a "?"-lel jelöltek elvileg elképzelhetők, míg az 0-val jelöltek a gyakorlatban (kísérletileg, iparilag) már kipróbált, illetve publikált lehetőségeket takarnak. Ez utóbbiak közül kiemelhetők azok, amelyek valamilyen termokémiai elővagy utókezelést foglalnak magukban. 58
Átmeneti korrózióvédelem Az átmeneti korrózióvédelem fémfelületek szállítás, tárolás, állásidő alatti, illetve műveletek közötti ideiglenes védelme. Főleg kohászati féltermékek, fémalkatrészek, gépek, készülékek, berendezések és műszerek korrózióvédelmére alkalmazzák. A védelem időtartama a védőanyag fajtájától és a tárolás jellegétől (zárt, fedett, szabadtéri) függően igen széles tartományban mozog (1 2 hónaptól több évig terjedhet). Az átmeneti korrózióvédelem a következő esetekben lehet indokolt: ha a védendő tárgy félkész termék (pl. rúd, cső, lemez, idomvas), és más telephelyen dolgozzák fel tovább; ha állandó korrózióvédő bevonat (pl. festék, műanyag) a további feldolgozást zavarná; ha az egyes munkafázisok között is védeni kell a termékeket; a rövid ideig tartó védelmet a megmunkáláshoz használt hűtő-kenő emulziók biztosítják; ha berendezések, alkatrészek, műszerek hosszabb ideig tartó szállítása agresszív körülmények között (pl. tengeri szállítás) történik, de különösen, ha a megérkezés után még hosszabb tárolásra is számítani kell; ha gépek, berendezések időszakos üzemszünetében, pl. a mezőgazdaságban, az árvízvédelemben, a tűzoltóságnál, a honvédelemben és a közlekedésben az időszakosan működtetett gépeket, járműveket a korróziós szempontból legártalmasabb időszakokban részben szabadban vagy fedett téren tárolják. 59
Átmeneti korrózióvédelem Az átmeneti védőanyagokat két nagy csoportba sorolják: átmeneti védőbevonatot képező anyagok és csomagolóanyagok, illetve csomagban ható védőanyagok. Az átmeneti védőbevonatot képező anyagok lehetnek: védőolajok, védőzsírok, védőviaszok, bitumenalapú védőanyagok, védőlakkok, védőemulziók, fémpigmenttartalmú védőanyagok, primerek. A csomagolóanyagok és csomagban ható védőanyagok lehetnek: csomagolópapírok és -fóliák, inhibitorok és páracsökkentők. 60
Felületkezelés keménységalapú rétegminősítési sémája 61
Vizuális és optikai felületvizsgálatok Az ábra bemutatja a vizuális azaz szemmel érzékelhető eredményt produkáló vizsgálatok egy általános folyamatábráját, pontosabban alapvető szempontjainak rendszerét. Mivel szemünk felbontóképessége korlátozott, ezért már a makroszerkezet vizsgálatához is szükségessé válhat valamilyen optikai nagyító eszköz igénybevétele. Az anyagok igénybevehetőségét és károsodásállóságát jelentősen is befolyásol(hat)ó felületi ill. felületközeli anyaghibák veszélyességének megítéléséhez szükséges: a hiba helyének pontos behatárolása, a hiba orientációjának várható terhelés irányához képesti helyzetének tisztázása, a hiba fajtájának (karcolás, repedés, kötéshiány, üreg, zárvány, pórus, ) azonosítása, a hiba jellemző méretének meghatározása, a hiba térbeli és időbeli gyakoriságának (hely és idő szerinti előfordulása statisztikai jellegének) megállapítása. 62
Bevonatos kompozitok 63
Műanyag bevonatok jellemzői 64
Félvezető eszközök planártechnológiája A félvezető eszközök fő részei a pn-átmenetek, azaz egykristályon belül p és n típusú - egymással közvetlenül érintkező - réteget tartalmaznak. A diódák egy, a tranzisztorok kettő, a tirisztorok három-négy, az integrált áramkörök nagyon sok pn-átmenetet tartalmaznak. Ilyen pn-átmenetek készítésének eljárásai -a planártechnológia alapvatő műveletei - a következők: az ötvözés során három vagy öt vegyértékű elemet ( akceptort vagy donort ) visznek be pl. ionimplantációval germániumba; a diffúzió során a szilíciumlapkára felviszik a diffúziós anyagot, ami a 700 1300 C hőmérséklet-intervallum meghatározott értékén adott idő alatt a kívánt mélységbe diffundál. Pl. egy npn tranzisztor elkészítéséhez két diffúzióra van szükség. Először bórdiffúzióval p-réteget, majd foszforral n-réteget állítanak elő. az epitaxiális rétegnövesztés során szilárd Siegykristály alapra gőzfázisból más szennyezésű réteget növesztenek úgy, hogy a kialakuló réteg szerkezete az alappal azonos legyen. Pl. 1000 C körüli hőmérsékleten szilícium-tetrakloridot (SiCl 4 ) és vele együtt arzéntrikloridot (AsC l3 ) redukálnak hidrogénnel: SiCl 4 + H 2 SiCl 2 + 2HCl SiCl 2 Si + SiCl 4 ill. 2AsCl 3 + 3H 2 2As + 6HCl. Az így keletkezett elemi Si és As tovább építi a Si-egykristályt. Ha az alap p-típusú, akkor az arzénnal szennyezett 10 15 µm-es réteg pn-átmenetet képez. 65
(Mikro)elektronikai alkatrészek gyártása A Si-alapú integrált áramkörök (Integrated Circuit) gyártásakor p-típusú Si-szeleteken néhány ezer Ǻ vastag SiO 2 réteget hoznak létre. A SiO 2 segítségével valósítható meg a maszkolás, mivel az a diffúziót megakadályozza. Fotoreziszt technikával a kívánt helyeken az oxidot megvédik, viszont a diffúzióra kijelölt helyeken hidrogén-fluoridos maratással eltávolítják, ablakot nyitnak rajta. As-diffúzió után kb. 10 µm vastag epitaxiális n-réteget hoznak létre és ebből szigetelő bórdiffúzióval (p-típusú) alakítják ki a kollektor-rétegeket. A kollektor alatt általában egy foszfor-diffúziós - erősen szennyezett n+ - réteg helyezkedik el. A bázist és az ellenállást egyidejűleg alakítják ki bórdiffúzióval. Az emitter- és a kollektor-kontaktus erősen szennyezett n+ réteg. Az oxidált felületen fut az Al-vezető hálózat, mely csak az emitter (E), a bázis (B), a kollektor (C) és az ellenállás végpontjain érintkezik a félvezetővel, a többi részen a SiO 2 -réteg szigetel. A szeleteket elemekre (chip-ekre) szétválasztják, szerelőszalagra forrasztják és 25 µm-es aranyhuzallal kötéseket létesítenek az elemek és a kivezető lábak között. Pl. fröccssajtolással műanyag házat készítenek, a lábakat behajtják és ónozzák. 66
Alkalmazás: Pentium Processzor (a) Egy komplett nyolc inch-es szilíciumszelet kész chip-ekkel (b) Egy különálló chip tokozva, eltávolított burkolattal Pl. míg a 486-os számítógépek processzoraiban csak 1,2 millió, addig a Core2 Extreme CPU-kban már 2x291=582 millió, fotolitográfiás eljárással Si-lapkákon kialakított tranzisztor van. A processzor mérete nem nagyon növelhető, így a benne lévő tranzisztorok jellemző méretét kellett csökkenteni 0,8 µm-ről 0,065 µm-re ( 65 nm-es technológia ). 67
Hibatesztelés szilícium szeleten Egy vizsgálószonda hibafelderítés közben, ami tintajelet helyez a hibás chip-ekre 68
Lézeres hónolás Hagyományos hónolással az olaj felületen való megtapadását segítik; A hagyományos hónoláskor keletkezett karcok nem előnyösek a kenés szempontjából; Ezért a hónolási karcok helyett olajzsákokat (zsebeket) alakítanak ki a felületen, erre legalkalmasabb eszköz a lézersugaras kezelés Alkalmazási területek: 69
Henger-dugattyú kapcsolat tribológiai viszonyai Hagyományos hónolás: A dugattyúgyűrű mozgása kiszorítja az olajat a karcokból Lézeres hónolás: Lokális olajzsákok képzése révén az olaj megmarad az üregekben Dugattyúgyűrű Dugattyúgyűrű Dugattyú haladási iránya Érintkezés lehetséges (vegyes súrlódás) Gyűrű Gyűrű Dugattyúgyűrű úszik (hidrodimamikai kenés)