5.2.1. Ionimplantáció Az ionimplantáció elsődlegesen az elektronikai technológiák fejlesztésekor került az érdeklődés középpontjába. Alapvető sajátossága, hogy a szilárd anyag felületének (felületi összetételének) módosítása az anyagba (szubsztrátumba) ütköző és beépülő ionok révén történik. Ionimplantációnál (1. ábra) kb. 10 17 ion/cm 2 mennyiségű, nagy sebességűre gyorsított N-, Mo-, Ti-, Co- stb. ionokkal bombázzák a vákuumban, illetve hűtött asztalon elhelyezett tárgy felületi rétegét. Az ionok max. 1 µm mélységben képesek a felületet ötvözni, abban 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 pozícionálni kell. 1. ábra Ionimplantációs berendezés elvi felépítése Fémes és nemfémes anyagok ionsugaras kezelésével olyan anyagszerkezet-módosítás érhető el, melynek során az adott gyártmány élettartama, igénybevételekkel, például kopással, korrózióval szembeni ellenállása jelentősen nő. Ugyancsak ezen eljárással oldható meg a mikroelektronikai ipar egyes alkatrészeinek előállítása. A technológia alkalmas továbbá metastabil szerkezetek előállítására, valamint a termék felületének bizonyos mélységű atomötvözésére". Ez hagyományos metallurgiai folyamattal megvalósíthatatlan. Lehetséges az ionsugárzás más eljárásokkal való kombinációja. Az eljárás variációkon alapuló technológiák segítségével megoldható a szerkezeti anyagok tartós korrózióvédelme, a működő felületek élettartam-növelése, a különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkező rétegek együttdolgozása. Az ionimplantációval számottevő anyagfelhasználás nélkül olyan anyagtulajdonságok érhetők el, amelyeket monolit anyagok alig, vagy csak részben rendelkeznek. Azonos eljárás és berendezés alkalmazható a gépipar, a műanyagipar, a mikroelektronikai ipar területén. Az 2
eljáráshoz szükséges berendezés beruházási összege jelentős, ami bizonyos mértékig korlátozza az ionimplatációs eljárások szélesebb körű ipari alkalmazását. Az 1. táblázat adatai az ipari hasznosítás egyes területein elért eredményekről informálnak, az alkalmazás célja igen változatos lehet: az elektronikai iparban használatos nyákfúrók élettartamának növelése, volfrám-karbid-alapú szerszámok éltartósságának növelése, abrazív kopásnak kitett felületek ellenálló-képességének növelése, korrózióállóság növelése, az ionsugárzás és egyéb technológiák kombinációja. 1. táblázat. Nitrogén- implantációval javított kopásállóság Alkalmazás Anyag Élettartam-javulás Alumínium sörösdoboz présszerszáma D2 szerszámacél 3-szoros Huzalvezető kemény Cr-lap 3-szoros Rézrúd finisher-henger H13 acél 3-szoros Papírszeletelő 1,6% Cr + 1% C acél 2-szeres Szintetikus gumi vágószerszáma WC + 6% Co 12-szeres Fenolgyanta kinyomó M2 gyorsacél 5-szörös Menetvágó M2 gyorsacél 5-szörös Szerszámbetétek 4% Ni + 1% Cr acéi 3-szörös Alakító szerszám 12% Cr + 2% C acél csökkent adhéziós kopás Fűtőanyag-fúvóka mérő szerszámacél 100-szoros Műanyagvágó gyémántszerszám 2 4-szeres Izületprotézis Ti(6AI)4V 100-szoros Fogorvosi fúró WC + Co 2 7-szeres Precíziós lyukasztó WC + 15% Co 2-szeres Keréksajtó WC + Co 2-szeres Rézrúdmegmunkáló WC + 6% Co 5-szörös Vágószerszámok WC + Co 3 4-szeres Fúvókák üveg és fémtöltésű műanyagokhoz szerszámacél és krómozott acél 4 6-szoros Nitridált acél öntőforma szerszámacél jobb, mint bármelyik Műanyagsajtoló szerszám P20 szerszámacél 4-szeres 3
5.2.2. Termokémiai felületi kezelések Acélok és ötvözetek termokémiai kezelés történhet aktív szabad ötvöző atomokat leadó porközegben, sóolvadékban vagy gázközegben. Napjainkban főként környezetvédelmi szempontok érvényesülése miatt - a gázközegben végzett termokémiai kezelések térhódításának vagyunk tanúi. A gázközegű termokémiai kezelések jól szabályozhatók, ami a tömeggyártás esetében (például igényes kivitelezésű járműipari alkatrészek előállításakor) nem elhanyagolható szempont. A termokémiai eljárásokat szilárd fázisban végzik, céljuk a kezelendő munkadarab felületének feldúsítása az ötvözetben oldódó fémes vagy nemfémes elemmel (vagy elemekkel). A kezelés hőmérséklete az eljárások típusától függően változó, általában 500-1100 C között hőmérséklet tartományba esik, a felület ötvözésében, a kéreg szerkezetének és vastagságának, a koncentráció-eloszlás alakulásában alapvető szerepet játszik a szilárd fázisú diffúzió. A termikusan aktivált folyamatokra általánosan jellemző módon, a termokémiai folyamatok sebessége döntően függ a kezelési hőmérséklettől, ezért a gyakorlati esetek zömében az időszükséglet csökkentése végett lehetőség szerint a hőmérséklet növelésére törekszenek. A termokémiai kezelés során a felületi rétegben szilárdoldatok és vegyületfázisok egyaránt létrejöhetnek. A termokémiai kezelések fő paraméterei: a felületi ötvözőpotenciál, a hőmérséklet, a diffúziós kezelés időtartama, ezek elsődleges meghatározói a kialakuló rétegvastagságnak, koncentráció eloszlásnak, keménységeloszlásnak. A különféle termokémai kezelések számos változata ismert és iparilag is alkalmazott: fémes elemekkel a kromálás, alitálás, titánozás, vanádiumozás, volframozás stb.; nemfémes elemekkel a cementálás, nitridálás, boridálás, szulfidálás, szilikálás stb. Többféle elem kombinációjával ún. szimultán kezelések is megvalósíthatók: ilyen a nitrocementálás, karbonitridálás, titánnitridálás, oxinitridálás, szulfonitridálás, oxikarbonitridálás, krómalitálás, krómboridálás, stb. Kétségtelen tény, az iparban a termokémiai eljárások közül a legszélesebb körben és volumenben a gázlégkörben végzett cementálást és nitridálást alkalmazzák. 5.2.2.1. Acélok gázcementálása Az acél ausztenites állapotában (A 3 hőmérséklet feletti 800-950 C hőmérséklet tartományban) végzett cementálás a nagy hőmérsékletű termokémiai felületkezelések legismertebb változata. Cementálni (az acél felületét adott koncentrációeloszlás szerint karbonnal ötvözni) az eleve kis karbontartalmú acélból készült munkadarabokat szokás. A cementálás céljára használatos acélok (szokásos elnevezéssel élve betétedzhető acélok) karbontartalma 0.1-0.2%. A kis karbontartalmú acél előnyös tulajdonsága, ha megedzik és megeresztik, akkor kellően szívós lesz, továbbá szilárdsága is megfelel az elvárásoknak. Azonban épp a kis karbontartalom következtében, az ilyen acélból gyártott munkadarab felülete nem lesz kellően kemény és kopásálló. A cementálás, mint diffúziós kezelésnek a lényege, hogy a betétedzhető acélból gyártott munkadarab (például fogaskerék) felületi rétegében adott rétegvastagságban a karbontartalmat szándékosan megnövelik. A tapasztalatok szerint cementáláskor kb. 0.1-1 mm kéregvastagságban a munkarab felületi karbontartalmát 0,6-0,9 % értékűre célszerű megnövelni. A növelt karbon tartalmú felületen a cementálást követő edzéskor nagy keménységű martenzites réteg alakul ki. Mivel a martenzit 4
keménysége döntően az acél (az ausztenit) karbon tartalmának függvénye, és a 0,6-0,9 % karbontartalmú martenzit keménysége már igen jelentős (800-900 HV), ezért a felület növelt kopásállósága már eleve biztosított. (A felület és magrész eltérő karbontartalma következtében így megvalósítható, hogy egyazon munkadarabon belül a szívós-szilárd magrész egy kemény és kopásálló felülettel párosuljon.) Gázcementáláskor a kemencetérben olyan légkört (speciális összetételű atmoszférát) alakítanak ki, amely alkalmas a felület karbontartalmának kívánt mértékű megváltoztatására. A cementáló légkört többnyire földgázból állítják elő, amely 95-98% metánt tartalmaz. A cementálás hőmérsékletén (800-900 C hőmérséklet tartományban) földgáz és levegő elegyéből olyan atmoszféra jön létre, amelynek főbb komponensei CO, CO 2, H 2 O, H 2, N 2, O 2, CH 4. A légkör cementáló (karbonleadó) képességét döntően a szénmonoxid és a széndioxid térfogataránya (parciális nyomása) határozza meg. A kezelési hőmérsékletet növelve a diffúzió sebessége is megnövekszik, nagyobb lesz a karbon behatolási mélysége (a cementált kéreg vastagsága). Mivel a diffúziós folyamatok sebessége exponenciális függvény szerint hő a hőmérséklettel, ezért a karbon-diffuzió sebessége is elsődlegesen a hőmérséklet növelésével fokozható. Cementálásnál mód van parciális kezelésre is, a nem kívánt felületek levédésével (pl. galvanikus rézbevonattal). A hagyományos cementálási technológiák (szilárd közegű szemcsés, pasztás; folyékony közegű sófürdős, csepegtetős; gázközegű eljárások) mellett újabb technológiák is megjelentek: plazmacementálás, fluidizált közegben végzett cementálás, tiszta metángázzal végzett ún. vákuum-cementálás. 5.2.2.2. Acélok gáznitridálása Egyes acél alkatrészek, (mint pl. a tengelyek, fogaskerekek, lánckerekek, dugattyúk, fúvókák, csúszkák, vezetékek, görgők, stb.) különösen nagy felületi koptató igénybevételnek vannak kitéve. Ezeket a többnyire nemesíthető szerkezeti acélból gyártott alkatrészeket először a hagyományos nemesítő hőkezelésnek (edzés és magas hőmérsékletű megeresztésnek) vetik alá a szívós de kellően szilárd magrész kialakítása céljából, majd ezt követően kemény és kopásálló felület létrehozása végett utólag nitridálást alkalmaznak- A nitridálás, a cementálás mellett a leginkább alkalmazott felületötvöző termokémiai eljárás. Előnye, hogy a kezelés hőmérséklete - a cementálással összehasonlítva viszonylag alacsony, ezért allotróp átalakulásokkal, a munkadarab vetemedésével nem kell számolni. A ferrit-perlites, illetve nemesített állapotban szferoidites szövetszerkezetű munkadarabok gáznitridálását ammónia gázközetben (NH 3 ) végzik az A 1 hőmérséklet alatti tartományban. A kezelés hőmérsékletén (500-570 C) bekövetkezik az ammónia részleges bomlása (disszociációja), ennek eredményeként jelentős mértékben atomos nitrogén képződik. Ötvözetlen acél felületén nitridáláskor vékony, tömör vas-nitrid réteg (Fe 2 N, Fe 4 N) képződik, azonban ennek keménysége kicsi, így kopásállósága is mérsékelt. Kemény kopásálló vegyületek nitridáláskor csak akkor képződnek, ha az acél megfelelő mennyiségben tartalmaz speciális nitridképző ötvözőket, ilyen a Cr, V, Al, Ti, Mo. Az ilyen nitridálható acélok nitridrétegének (vegyületi rétegének) felületi keménysége elérheti az 1100 HV értéket. Sajnos, a vegyületi réteg vastagság igen kicsi, a tapasztalatok szerint 0.1 mm vastagságú vegyületi réteg létrehozásához ötvözött acélok esetében - 20-30 óra szükséges. A nitridálás jellegzetességei: 5
A nitridált kéreg maximális keménysége a növekvő kezelési hőmérséklettel csökken, növekvő kezelési időtartammal növekszik. A nitridált kéreg vastagságát vagyis a növelt nitrogénkoncentrációjú zóna mélységirányú kiterjedését a hőmérséklet és az idő növelése egyaránt növeli, miközben a felszín nitrogénkoncentrációja gyakorlatilag nem változik. Az 500-570 C-os nitridálás megfelelő (kb. % C-tartalmú, nitridképzőkkel ötvözött, 600 650 C-os megeresztéssel nemesített) acélon keményebb kérget hoz létre, mint a betétedzés (cementálás + edzés). A nitridált kéreg legkeményebb része nem közvetlenül a felületen van, hanem a beljebb lévő γ'-fázisú vagy a martenzitessé alakuló nitro-ausztenites rétegbe esik. A hatásos nitridképzők (Al, Cr, Mo) az elérhető kéregvastagságot ugyan csökkentik, de keménységnövelő hatásuk bizonyos értelemben szuperponálódik. A nitridált kéreg teherviselő képessége erősen korlátozott, ugyanis a kéreg maximális vastagsága többnyire nem nagyobb, mint 0.1 mm. Nagyobb terhelés esetén számolni kell a kemény kéreg lepattogzásával. A nitridálás a munkadarab gyártástechnológiájának utolsó, befejező művelete, a rendkívül vékony felületi réteg utólagos megmunkálására (pl. köszörülésére) gyakorlatilag már nincs lehetőség, legfeljebb a polírozás jöhet számítása. 5.2.3. Plazmanitridálás (ionnitridálás) A plazmanitridálás (más néven ionnitridálás) jellegzetessége, hogy a nitrogént alacsony nyomású munkatérben, glimmkisülés plazmájaként juttatják a munkadarab felületére (2. ábra). A munkadarab felmelegedését a diffúzióhoz szükséges 350-600 ºC-ra az ionok ütközési energiája biztosítja. Ez az egyetlen olyan nitridálási eljárás, ahol lehetőség van monofázisú vegyületi zóna és nitridhálómentes diffúziós zóna kialakítására. A kezelési idő a kívánt kéregmélységtől és a munkadarab anyagától függően 10 perc és 36 óra között változik. 6
2. ábra Plazma-nitridálás elve A hagyományos, sófürdőben vagy gázban végzett nitridálással szemben a plazmanitridálás jól szabályozható folyamat. Elterjedten alkalmazzák fogaskerekek, tengelyek, szerszámok felületi kopásállóságának növelésére. A plazmanitridálás tipikus befejező művelet, ezt megelőzően a munkadarabokat szokásos módon edzik és megeresztik (nemesítik). Mivel a nitridálás A 1 hőmérséklet alatt történik, így az alkatrész vetemedésével gyakorlatilag nem kell számolni. A plazma nitridálást előszeretettel alkalmazzák hosszú és karcsú munkadarabok (például műanyagalakító extruder csigák) felületkezelésére. Az anódként szolgáló kemencefal előtt pozitív töltésű nitrogén ionok képződnek, ezek nagy becsapódási sebességgel ütköznek a negatív pólusú katódot reprezentáló munkadaraboknak. Ez az ionzápor először egy nagyon intenzív felülettisztítást eredményez, majd felhevíti és nitridálja a munkadarab felületét. A plazmanitridálás végezhető egyenáramú és pulzált plazmában egyaránt. A plazma-nitridálás vákuumkemencében (200-500 Pa nyomáson), ionizált gáz atmoszférában (ammónia, nitrogén, metán vagy hidrogén) történik, de kopásállóbb felületi rétegek kialakításához gázkeveréket is használnak. A plazmanitridálással előállított kéreg összetételét, tulajdonságait, vastagságát a gáz összetétele, a nyomás, a hőmérséklet és a művelet idő-tartama határozza meg. Azoknál az eljárásoknál, ahol rétegeket képeznek vagy hordanak fel, az alapanyag minősége éppen úgy döntő, mint maga a hőkezelés. Plazmában valamennyi ötvözetlen vagy ötvözött acél, öntvény és szinterelt anyag nitridálható a többi eljárással ellentétben. A nitridált kéreg két részből áll: 7
külső ún. vegyületi réteget (a nitridképző ötvözők típusától és mennyiségétől függően max. 30 µm vastagságú) kemény és stabil nitridek alkotják, ez alatt helyezkedik el a kis mennyiségű oldott nitrogént is tartalmazó diffúziós zóna, amely max. 1 mm vastag lehet. Mint említettük, általában csak készre munkált alkatrészeken végeznek plazmanitridálást, mert a hőkezelést követően nincs szükség, illetve nincs lehetőség semmilyen utómegmunkálásra. A nitridált munkadarabok méretei a kéregvastagság ~1%-val növekednek, amely elhanyagolható méretváltozás. A plazmanitridálás előnyei: a nagy kopásállóságú rétegek az igénybevételnek megfelelően alakíthatók ki, csekély vetemedés, minimális elhúzódás ill. méretváltozás, szükségtelen az utólagos megmunkálás, korrózióálló rétegek hozhatók létre, a réteg az ötvözőelemeknek köszönhetően megeresztésálló, nem lágyul ki ~550 C-ig, a technológia kielégíti a munka- és környezetvédelem fokozott követelményeit, jól szabályozható, automatizálható, így alkatrészgyártó sorokba közvetlenül beilleszthető szinte valamennyi acél- és öntöttvasféleség, a korrózióálló acélok is nitridálhatók. 2. táblázat. Acélokon plazmanitridálással elérhető keménység, rétegvastagság Acélcsoport Acéltípus Anyagszám Keménység Rétegvastagság HV1 max. [mm] Betonacél St 60 1.0062 350-450 St 37 1.0116 300-400 Automataacél 9 S 20 9 SMnPb 28 ETG 80 ETG 100 16 MnCrS5 1.0711 1.0718 1.0727 1.0727 1.7139 280-350 280-350 450-550 650-750 Ck 15 1.1141 400-500 15 CrNi 6 1.5919 650-750 Betétben 21 NiCrMo 2 1.6523 edzhető 17 CrNiMo 6 1.6587 650-750 acélok 16 MnCr 5 1.7131 650-750 20 MnCr 5 1.7147 650-750 Nemesíthető ötvözetlen acél CK 30 CK 45 CK 60 1.1178 1.1191 1.1221 0400-500 450-550 25 CrMo 4 1.7218 550-650 Nemesíthető 42 CrMo 4 1.7225 ötvözött 30 CrMoV 9 1.7707 700-800 acél 50 CrV 4 1.8159 Nitridálható acélok 43 CrAl 6 34 CrAlMo 5 31 CrMoV 9 34 CrAlNi 7 1.8504 1.8507 1.8519 1.8550 900-1000 Csapágy acél 100 Cr 6 1.3505 550-650 8
Rugóacél Ötvözött szerszámacél Gyorsacél Hidegmegmunkálóacélok Melegmegmunkálóacélok Rozsdamentes és saválló acélok Szürkeöntvény Gömbgrafitos acélöntvény X 102 CrMo 17 1.3543 Ck 75 60 SiMn 5 58 CrV 4 C 105 W 1 C 80 W 2 S 12-1-4 S 6-5-2 S 18-0-1 X 165 CrV 12 29 CrMoV 9 40 CrMnMo 7 40CrMnMoS 8-7 X100 CrMoV5-1 X155CrVMo12-1 X 45 NiCrMo 4 90 MnCr 8 42 Cr 13 40 CrMoV 5-1 60 WcrMoV 9-4 55 NiCrMoV 6 15CrCoMoV10-10-5 X 30Cr 13 X 14 CrMoS 17 X 90 CrMoV 18 X 38 CrMoV 15 X 5 CrNi 8 10 X 10 CrNiS 18 9 X5CrNiMo17 12 X90 CrCoMoV 17 GG 25 CrMo GG 25 GG 30 GGG 40 GGG 60 GGG 70 1.1248 1.5142 1.8161 1.1545 1.1625 1.3302 1.3343 1.3355 1.2201 1.2307 1.2311 1.2312 1.2362 1.1379 1.2767 1.2842 1.2082 1.2344 1.2622 1.2713 1.2886 1.4028 1.4104 1.4112 1.4117 1.4301 1.4305 1.4401 1.4535 550-600 550-650 850-950 800-900 550-650 850-950 800-900 300-400 350-450 400-500 0,5 9