Part a Surface Engineering

8/19/2019 Part a Surface Engineering

1/64

ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

ΣΤΕΦ/ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ

ΣΤ ’ ΕΞΑΜΗΝΟ

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟΥ

ΤΟΜΕΑ

ΕΝΟΤΗΤΑ A: ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ

ΥΛΙΚΩΝ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Δρ. Πανδώρα Ψυλλάκη

Μάρτιος 2013


2/64

1

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ο όρος Επιφανειακή Κατεργασία (Surface Engineering) χρησιµοποιείται για να

περιγράψει ένα ευρύ φάσµα διεργασιών τροποποίησης των εξωτερικών στρωµάτων ενός υλικού που στόχο έχει είτε την µικροδοµική και µηχανική τους ενίσχυση, ή την

µεταβολή της µικρο-γεωµετρίας τους. Οποιονδήποτε από τους δυό στόχους κι αν

καλείται να ικανοποιήσει µια επιφανειακή κατεργασία, αυτή αποτελεί το τελευταίο

στάδιο κατεργασίας ενός τελικού αντικειµένου πριν αυτό τεθεί σε λειτουργία. Περαιτέρω

κατεργασία ενός αντικειµένου µετά την επιφανειακή του κατεργασία είναι επιτρεπτή

µόνο για λόγους διόρθωσης ή συντήρησης του αντικειµένου.

Σε αντίθεση µε τις θερµικές κατεργασίες που επηρεάζουν το συνολικό όγκο του υλικού,

οι επιφανειακές περιορίζονται σε µια εξωτερική στοιβάδα του, πάχους µερικών µm έως

µερικών δεκάτων του χιλιοστού. Η σηµασία τους για την καλή απόκριση του µεταλλικού

αντικειµένου σε συνθήκες λειτουργίας είναι τεράστια, αφού το µεγαλύτερο µέρος των

αστοχιών που καταγράφονται καθηµερινά έχουν ως σηµεία έναρξης επιφανειακές

περιοχές του υλικού.

Ανάλογα µε το σκοπό που εξυπηρετούν, οι επιφανειακές κατεργασίες διακρίνονται σε:

• Κατεργασίες επιφανειακής ενίσχυσης του υλικού έναντι µηχανικών φορτίσεων ή/

και δράσεων χηµικών παραγόντων. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι οι δαπάνες που

καταναλώνονται παγκοσµίως για την εφαρµογή κατεργασιών αυτής της κατηγορίας

αφορούν σε ποσοστό 50% την προστασία µεταλλικών υλικών έναντι διάβρωσης,

30% την προστασία έναντι φθοράς από τριβή και 20% άλλες ειδικές απαιτήσεις.

• Κατεργασίες εξοµάλυνσης του ανάγλυφου ή χάραξης µε επέµβαση στη

µικρογεωµετρία της επιφάνειας και ταυτόχρονη αφαίρεση υλικού. Στην κατηγορία

αυτή ανήκουν οι τεχνικές λείανσης (π.χ . τόρνευση, «ρεκτιφιάρισµα»), επιφανειακής

διαµόρφωσης (π.χ . ηλεκτροδιάβρωση), µαρκαρίσµατος (π.χ . laser marking), κλπ. Οι

τεχνικές αυτές εξετάζονται ως υποκατηγορία του επιστηµονικού πεδίου των

«Μηχανουργικών Κατεργασιών», γι’αυτό και δε θα αναλυθούν σ’αυτή την ενότητα.

Οι τεχνικές της πρώτης κατηγορίας διακρίνονται, σε γενικές γραµµές, αφενός σε αυτές

που ενισχύουν το ίδιο το µέταλλο βάσης χωρίς ή µε την προσθήκη άλλου στοιχείου και

στις οποίες η εξωτερική επιφάνεια του κατεργασµένου αντικειµένου ταυτίζεται µε την

εξωτερική επιφάνεια του αρχικού υλικού, και αφετέρου σε αυτές που αποσκοπούν στη


3/64

2

δηµιουργία προστατευτικής, µεταλλικής ή κεραµικής, επικάλυψης και στις οποίες η

τελική εξωτερική επιφάνεια του κατεργασµένου αντικειµένου είναι πλέον η εξωτερική

επιφάνεια της επικάλυψης. Ετσι, για τις µεν πρώτες η εφαρµογή τους «προκαλεί» τοβάθος κατεργασίας, ενώ για τις δεύτερες το πάχος της επικάλυψης (σχήµα 1.1).

ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ

ΤΕΧΝΙΚΕΣ ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ

Σχή µα 1.1. Επίδραση των τεχνικών επιφανειακής ενίσχυσης στην τελική επιφάνεια τουκατεργαζό µενου αντικει µένου.

Στην περίπτωση των τεχνικών τροποποίησης του ίδιου του υλικού βάσης χωρίς την

προσθήκη άλλου στοιχείου, επιδιώκεται είτε εισαγωγή θλιπτικών εσωτερικών τάσεων ή

µεταβολή της µικροδοµής σε επιφανειακό στρώµα του υλικού που οδηγούν τελικά σε

σκλήρυνσή του και επιτυγχάνονται, αντιστοίχως, µε µηχανικό (π.χ . σφαιροβολή,

εφαρµογή κρουστικών κυµάτων laser) ή θερµικό τρόπο (π.χ . φλογοβαφή). Η εισαγωγή

θλιπτικών τάσεων σε επιφανειακό στρώµα µετάλλου αποδεικνύεται ότι συµβάλλει,επίσης, στην αύξηση της αντοχής του υλικού σε κόπωση (µεταβαλλόµενη µηχανική

φόρτιση), καθώς και σε καλύτερη συµπεριφορά του σε διάβρωση υπό τάση.

Οταν η επιφάνεια του υλικού θερµαίνεται σε σχετικά υψηλή θερµοκρασία µε την

ταυτόχρονη παρουσία στοιχείων «µικρού» µεγέθους, όπως είναι ο άνθρακας, το άζωτο ή

το βόριο, ενεργοποιούνται µηχανισµοί διάχυσης που επιτρέπουν την εισχώρηση των

µικρών ατόµων στο κρυσταλλικό πλέγµα του µετάλλου βάσης όπου σχηµατίζουν στερεά

διαλύµατα και/ ή τα αντίστοιχα καρβίδια, νιτρίδια και βορίδια. Με τον τρόπο αυτό


4/64


5/64

4

2. Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ

Οπως προσδιορίστηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο, οι επιφανειακές κατεργασίες

στοχεύουν στην τροποποίηση της ποιότητας/ συµπεριφοράς επιφανειακού στρώµατος υλικού, πολύ µικρών διαστάσεων σε σχέση µε το συνολικό µέγεθος του αντικειµένου.

Οποιαδήποτε κι αν είναι η τελική χρήση ενός επιφανειακά κατεργασµένου προϊόντος, δε

θα πρέπει να αγνοείται ο ρόλος του βασικού µετάλλου, το οποίο αποτελεί τον κύριο

«φορέα» των καταπονήσεων που υφίσταται η κατασκευή και που θα πρέπει να είναι,

ανάλογα µε την εφαρµογή, στιβαρό ή ελαστικό ή δύσθραυστο ή µονωτικό.

Σε ένα τέτοιο υπόστρωµα, η τροποποίηση της ποιότητας της επιφάνειάς του στόχο την

προστασία της υπόλοιπης κατασκευής από ένα «εχθρικό» περιβάλλον λειτουργίας ή την

πρόσδοση ιδιαίτερων χαρακτηριστκών. Για παράδειγµα, η επιφάνεια των «τακακιών»

των φρένων του αυτοκινήτου, προκειµένου να εξασφαλίζεται η καλή λειτουργία τους, θα

πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλό συντελεστή τριβής και ταυτόχρονα χαµηλό

συντελεστή φθοράς, σταθερούς για µεγάλο εύρος θερµοκρασιών. Η επιφάνεια των

φακών τηλεσκοπίου θα πρέπει να ανακλά την ακτινοβολία, ενώ ταυτόχρονα η υπόλοιπη

κατασκευή να έχει µηχανική αντοχή και να είναι διαστασιακά αµετάβλητη.

Σε βιοµηχανικές εφαρµογές, οι επιφανειακές κατεργασίες των υλικών ως κύριο σκοπό

έχουν την προστασία της συνολικής κατασκευής έναντι:

• Φθοράς , που προκαλείται από την επαφή της επιφάνειας µε τις επιφάνειες άλλων

αντικειµένων.

• ∆.ιάβρωσης , όταν η επιφάνεια φέρεται σε υγρό περιβάλλον που δρα δυσµενώς επ’

αυτής.

• Οξείδωσης , όταν η επιφάνεια υπόκειται σε ξηρό περιβάλλον µε υψηλές

θερµοκρασίες που ενεργοποιεί τη χηµική δράση των οξειδωτικών αερίων.

• Κόπωσης , η οποία εκδηλώνεται ως αστοχία του υλικού λόγω εναλλασσόµενης

µηχανικής ή θερµικής φόρτισης.

Βέβαια, στις περισσότερες εφαρµογές οι καταπονήσεις των υλικών είναι σύνθετες, αφού

εναλλασσόµενες µηχανικές φορτίσεις µπορεί να λαµβάνουν χώρα σε οξειδωτικά

περιβάλλοντα, ενώ ταυτόχρονα δυο επιφάνειες βρίσκονται σε επαφή. Σ’αυτές τις

περιπτώσεις ο µηχανικός καλείται να εκτιµήσει τη «βιαιότητα» του κάθε παράγοντα και

να συναξιολογήσει τη δράση τους προκειµένου να υιοθετήσει µια επιφανειακή


6/64

5

κατεργασία που να ενισχύει την κατασκευή κατά το βέλτιστο τρόπο έναντι όλων

ταυτόχρονα των «εχθρικών» παραγόντων.

Οικονοµοτεχνική µελέτη που έγινε στη Μεγάλη Βρετανία κατέδειξε ότι εάν η γνώση που

έχουµε σήµερα πάνω στις αντιτριβικές επιφανειακές κατεργασίες χαλύβων είχε

εφαρµοστεί κατά τη διάρκεια µιας εικοσιπενταετίας, η συνολική εξοικονόµιση πόρων θα

ήταν της τάξης των 515.000.000 £. Πιο συγκεκριµένα, η εξοικονόµηση αυτή θα

προερχόταν από (σχήµα 2.1):

• Τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας, κατά 5%.

•

Την αύξηση της διάρκειας ζωής και της απόδοσης του προϊόντος, κατά 24%.

• Τη µείωση της χρήσης λιπαντικών, κατά 2%.

• Τη µείωση των αναγκαίων εργασιών συντήρησης, κατά 45%.

• Τη µείωση των απαιτούµενων ανθρωποµηνών, κατά 2%

• Τη µείωση της συχνότητας διακοπής της λειτουργίας, κατά 22%

2%

45%

24%

5%22%

2%

Lower energy consumption

Increased plant life & efficiency

Less lubricant

Less maintenance

Less manpower needed

Fewer breakdowns

Σχή µα 2.1. Ανηγ µένη κατανο µή της εξοικονό µησης πόρων από την εφαρ µογή αντιτριβικών

επιφανειακών κατεργασιώς χαλύβδινων εξαρτη µάτων στη Μεγάλη Βρετανία , σε διάστη µα 25 ετών.


7/64

6

3. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ

Οι τεχνικές δηµιουργίας επικαλύψεων (coatings) περιλαµβάνουν τις επιφανειακές

εκείνες κατεργασίες κατά τις οποίες υλικό, διαφορετικής χηµικής σύστασης από τοµέταλλο βάσης, µε ιδιότητες τις επιθυµητές ιδιότητες επιφάνειας του αντικειµένου

εναποτίθεται σχηµατίζοντας επιπρόσθετο στρώµα, το οποίο καλείται επίστρωµα ή

επικάλυψη.

Οι διεργασίες επικάλυψης γίνονται σε αντιδραστήρες όπου τοποθετείται το προς

επικάλυψη αντικείµενο ( υπόστρωµα), και το υλικό της επικάλυψης εισέρχεται υπό

µορφή ατµών, από υδατικά διαλύµατα ή σε κατάσταση τήγµατος (σχήµα 3.1).

ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ

ΑΕΡΙΑΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

ΥΓΡΗΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

ΤΕΤΗΚΥΙΑΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

Κατάσταση υλικού επικάλυψης

Φυσική

εναπόθεση

ατµών, PVD

Χηµική

εναπόθεση

ατµών, CVD

Ηλεκτροχηµικήεναπόθεση

Χηµικήεναπόθεση

Εναπόθεση απόκολλοειδή, Sol gel

Εµποτισµός ενθερµώ

Αναγόµωση/Θερµικός ψεκασµός

Σχή µα 3.1. Ταξινό µηση τεχνικών επικάλυψης βάσει της κατάστασης του υλικού

επικάλυψης κατά την εισαγωγή του στον αντιδραστήρα.

Γενικά, οι τεχνικές εναπόθεσης ατµών χαρακτηρίζονται ως τεχνικές δηµιουργίας

επιστρωµάτων µικρού πάχους (200

µm). Ολες οι υπόλοιπες τεχνικές χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία επικαλύψεων

ενδιάµεσου πάχους (20-80 µm).


8/64

7

3.1. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ – ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΙΚΡΟΥ

ΠΑΧΟΥΣ

Μεγάλος αριθµός υλικών (µεταλλικών, κεραµικών ή πολυµερών) χρησιµοποιείται µε τηµορφή λεπτών επιστρωµάτων, το πάχος των οποίων µπορεί να κυµαίνεται από µερικά nm

έως µερικά µm. Ειδικά για τα επιστρώµατα µε πάχος µικρότερο του 1 µm,

χρησιµοποιείται ο όρος υ µένιο (thin solid film). Παραδείγµατα εφαρµογών επικαλύψεων

µικρού πάχους φαίνονται στον πίνακα 3.1.

Πίνακας 3.1. Κύριες εφαρ µογές επικαλύψεων µικρού πάχους .

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑΤΑ

Οπτικές Ειδικές ανακλαστικές ή απορροφητικές επικαλύψεις οπτικών µερώνοργάνων υψηλής τεχνολογίας.

Ηλεκτρικές Αγώγιµα ή µονωτικές επικαλύψεις ολοκληρωµένων κυκλωµάτων.

Μηχανολογικές Αντιτριβικές επικαλύψεις κοπτικών άκρων εργαλείων µικρού

µεγέθους.

Βιοϊατρικές Βιοσυµβατές αντιτριβικές επικαλύψεις ορθοπαιδικών εµφυτευµάτων.

Ανάλογα µε τη συγκεκριµένη εφαρµογή, τα επιστρώµατα µικρού πάχους πρέπει να έχουν

µικροδοµή, η οποία να εξασφαλίζει τις επιθυµητές φυσικές, χηµικές και µηχανικές

ιδιότητες. Για τη δηµιουργία τους χρησιµοποιούνται θάλαµοι εναπόθεσης χαµηλήςπίεσης, οι οποίοι καλούνται και θάλαµοι κενού. Η ραγδαία ανάπτυξη που σηµείωσαν τις

δυο τελευταίες δεκαετίες οι τεχνικές εναπόθεσης υπό κενό, κατέστησε δυνατό τον ορθό

σχεδιασµό της εναπόθεσης (επιλογή τεχνικής και συνθηκών), προκειµένου τα

λαµβανόµενα επιστρώµατα να έχουν δοµή πλήρως προβλέψιµη και ελεγχόµενη.

Παράλληλα, η έρευνα για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των επιστρωµάτων αυτών οδήγησε

στη δηµιουργία νέων «αρχιτεκτονικών», όπως είναι τα επιστρώµατα βαθµιαίας

µεταβολής της χηµικής σύστασης και τα επιστρώµατα άµορφου άνθρακα µε ιδιότητες

διαµαντιού (Diamond-like Carbon coatings, DLC). Αυτά τα δυο νέα, σχετικά,

επιστρώµατα εµφανίζουν εντυπωσιακά υψηλές αντοχές σε τριβή/ φθορά και σε κόπωση.

Με βάση τις δράσεις που λαµβάνουν χώρα, οι τεχνικές εναπόθεσης µικρού πάχους

κατατάσσονται σε δυο κύριες κατηγορίες:

• Τεχνικές Φυσικής Εναπόθεσης Ατµών (Physical Vapour Deposition, PVD)

• Τεχνικές Χηµικής Εναπόθεσης Ατµών (Chemical Vapour Deposition, CVD)


9/64

8

Κοινό στοιχείο των δυο τεχνικών είναι το ότι στον αντιδραστήρα επικάλυψης, το προς

εναπόθεση υλικό είναι ή µεταβαίνει σε αέρια κατάσταση. Καθεµία από τις κατηγορίες

αυτές περιλαµβάνει πλήθος τεχνικών, οι οποίες διαφοροποιούνται µεταξύ τους βάσει τωνµεθόδων ατµοποίησης του προς εναπόθεση στοιχείου, του τρόπου επιτάχυνσης των

ατόµων προς το υπόστρωµα και της χρήσης ή όχι ατµόσφαιρας πλάσµατος ή δέσµης

ιόντων ή δέσµης laser που υποβοηθούν την εναπόθεση.

3.1.1. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ

Οι τεχνικές Φυσικής Εναπόθεσης Ατµών διακρίνονται σ’αυτές που λαµβάνουν χώρα υπό

υψηλό κενό: τεχνικές Εξάχνωσης υπό κενό (Vacuum evaporation deposition) και

σ’αυτές που πραγµατοποιούνται σε ατµόσφαιρα πλάσµατος (Sputtering):.

1. Απόθεση µε εξάχνωση υπό κενό

Κύριο χαρακτηριστικό της τεχνικής είναι η ανάπτυξη στο θάλαµο εναπόθεσης πολύ

υψηλών θερµοκρασιών. Η εναπόθεση πραγµατοποιείται σε τρία στάδια:

• Στο θάλαµο εναπόθεσης (σχήµα 3.2) δηµιουργείται κενό, δηλαδή η πίεση του

θαλάµου διατηρείται σε τιµές χαµηλότερες των 10-3 Pα.

Σχή µα 3.2. Θάλα µος εναπόθεσης µε εξάχνωση υπό κενό.

• Το προς εναπόθεση υλικό, το οποίο έχει εισαχθεί στο θάλαµο σε στερεή κατάσταση

µε τη µορφή κόνεως ή ράβδου (στόχος), εξαχνώνεται. Η εξάχνωση επιτυγχάνεται µε


10/64

9

θέρµανση µέσω ωµικών αντιστάσεων, µε γεννήτρια υψηλών συχνοτήτων, µε

βοµβαρδισµό ηλεκτρονίων ή µε δέσµη laser.

•

Ατµοί του εξαχνούµενου υλικού συµπυκνώνονται στην επιφάνεια του

υποστρώµατος, όπου σχηµατίζουν την επικάλυψη. Λόγω του υψηλού κενού, στο

θάλαµο το εξαχνούµενο υλικό παραµένει υπό µορφή στοιχειωδών σωµατιδίων

(ατόµων), τα οποία δε συγκρούονται µεταξύ τους, αλλά κινούνται σε ευθείες γραµµές

προς το υπόστρωµα που τοποθετείται µπροστά από το στόχο και σε απόσταση 20-50

cm απ’αυτόν.

Κατά την εναπόθεση, τα στοιχειώδη σωµατίδια φτάνουν στο υπόστρωµα µε κινητική

ενέργεια αντίστοιχη της θερµοκρασίας του θαλάµου. Εκεί, αποβάλλουν την ενέργειάτους και η θερµοκρασία του υποστρώµατος αυξάνεται (συνήθως ~500 °C). Στην

επιφάνεια του υποστρώµατος τα σωµατίδια κινούνται κατά τυχαίο τρόπο και η

στερεοποίησή τους αρχίζει σε σηµεία της επιφάνειας όπου υπάρχουν κρυσταλλικές

ατέλειες ή ακαθαρσίες και οι οποίες δρούν ως σηµεία έναρξης πυρηνοποίησης.

2. Sputtering

Σε αντίθεση µε την προηγούµενη τεχνική, κατά το Sputtering η εναπόθεση λαµβάνει

χώρα εν ψυχρώ σε ατµόσφαιρα αντινοβολούντος πλάσµατος (σχήµα 3.3).

Σχή µα 3.3. Ση µατική παρουσίαση της τεχνικής εναπόθεσης ατ µών Sputtering.


11/64

10

Το προς απόθεση υλικό (στόχος) εισάγεται στο θάλαµο υπό τη µορφή στερεού δίσκου,

πάχους µερικών χιλιοστών και προσαρµόζεται σε ψυχόµενο ηλεκτρόδιο που αποτελεί

την κάθοδο. Ενα δεύτερο ηλεκτρόδιο, η άνοδος τοποθετείται απέναντι από την κάθοδοκαι αποτελεί, συνήθως, το φορέα του υποστρώµατος.

Στο θάλαµο εναπόθεσης διοχετεύεται αδρανές αέριο, συνήθως αργό, και η κάθοδος

τίθεται υπό αρνητική τάση. Το πεδίο που αναπτύσσεται µεταξύ ανόδου και καθόδου

προκαλεί τον ιονισµό του αδρανούς αερίου που σχηµατίζει ηλεκτρικά αγώγιµο νέφος, το

πλάσµα. Τα θετικά ιόντα του πλάσµατος έλκονται από την κάθοδο, όπου βοµβαρδίζουν

το στόχο, προκαλώντας εξαγωγή στοιχειωδών σωµατιδίων του προς απόθεση υλικού. Τα

σωµατίδια αυτά κινούνται προς την άνοδο, όπου και δηµιουργούν την επιθυµητή

επικάλυψη.

Η µικροδοµή των επιστρωµάτων που αποτέθηκαν µε την τεχνική Sputtering εξαρτάται

από την πίεση του αδρανούς αερίου στο θάλαµο και τη θερµοκρασία του υποστρώµατος

(σχήµα 3.4).

Σχή µα 3.4. ∆ιάγρα µµα ζωνών µικροδο µής κατά την εναπόθεση µε Sputtering.

Για δεδοµένη πίεση στο θάλαµο εναπόθεσης και µεταβάλλοντας το λόγο Τ/Τm (όπου T:

η θερµοκρασία του υποστρώµατος και Τm: το σηµείο τήξης του υλικού), είναι δυνατή η

ανάπτυξη τεσσάρων τύπων µικροδοµής:


12/64

11

• Για χαµηλές τιµές Τ/Τm και σχετικά υψηλή πίεση αερίου λαµβάνεται η κρυσταλλική

δοµή της ζώνης 1, η οποία χαρακτηρίζεται από ανάπτυξη κολωνοειδών κόκκων,

χαµηλής συνάφειας, κάθετων στην επιφάνεια του υπόστρώµατος.

• Για χαµηλές τιµές Τ/Τm και σχετικά χαµηλή πίεση αερίου λαµβάνεται η δοµή της

ζώνης µετάβασης (Τ). Προκειται για πυκνή δοµή κόκκων εξαιρετικά µικρών

διαστάσεων, των οποίων τα όρια είναι δυσδιάκριτα και η επικάλυψη µπορεί να

χαρακτηριστεί ως άµορφη.

• Με αύξηση των τιµών του λόγου Τ/Τm, η λαµβανόµενη δοµή (ζώνη 2 και 3)

χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη κολωνοειδών κόκκων, των οποίων το µέγεθος

αυξάνεται µε τη θερµοκρασία. Στη ζώνη 2 παρατηρούνται επίσης φαινόµεναδιάχυσης µεταξύ των κόκκων, τα οποία εξασφαλίζουν την καλή τους συνάφεια, ενώ

στη ζώνη 3, η ανακρυστάλλωση της επικάλυψης µπορεί να οδηγήσει και σε δοµές

επίταξης.

3.1.2. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ

Κατά τη χηµική εναπόθεση ατµών (σχήµα 3.5), η επικάλυψη δηµιουργείται µε τη

συµπύκνωση ενός ή περισσότερων αερίων συστατικών στην επιφάνεια στερεού

υποστρώµατος µέσω χηµικής αντίδρασης, ενώ η πίεση εργασίας στο θάλαµο εναπόθεσης

κυµαίνεται από 1 έως 7 Ρα.

Σχή µα 3.5. Σχη µατική παρουσίαση της τεχνικής χη µικής εναπόθεσης ατ µών.


13/64

12

Το αντιδρόν συστατικό, εάν δεν είναι εξαρχής σε αέρια κατάσταση, µεταβαίνει σε αυτήν

µε εξάτµιση από την υγρή ή εξάχνωση από τη στερεή και βρίσκεται σε επαφή ή

εξαναγκάζεται σε ροή προς το υπόστρωµα, είτε µε εφαρµογή διαφοράς πίεσης, είτε µετην κίνηση φέροντος αερίου.

Κατά τη χηµική εναπόθεση ατµών, οι περισσότερες αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται

είναι ενδόθερµες και για την ενεργοποίησή τους απαιτείται ενέργεια, η οποία συνήθως

παρέχεται στο σύστηµα µέσω της θέρµανσης του υποστρώµατος.

Οι χηµικές αντιδράσεις που συνήθως λαµβάνουν χώρα στο θάλαµο χηµικής εναπόθεσης

από ατµούς συνοψίζονται στον πίνακα 3.2.

Πίνακας 3.2. Συνήθεις χη µικές αντιδράσεις σε θάλα µο CVD.

ΕΙ∆ΟΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΤΙ∆ΡΑΣΗΣ ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ

Αντίδραση αντικατάστασης:

(ΒΧm)+(AXm)+ Σχηµατισµός κράµατος Fe-Cr στην

επιφάνεια σιδήρου, µε διοχέτευση αέριου

CrCl2Αντίδραση οξειδοαναγωγής:

(ΒΧm)+m/2(H2)m(HX)+ Εναπόθεση Cr, µε διοχέτευση αέριου

µίγµατος φθοριούχου χρωµίου και

υδρογόνου.(ΒΧm)+(Hn|C,N,O,…|)+H|X,C,N,O| E ναπόθεση οξειδίου του τιτανίου, µε

διοχέτευση µίγµατος χλωριούχου

τιτανίου και υδρατµών.

Αντίδραση διάσπασης:

∆ιάσπαση σε ↑Τ: (ΒΧm)+m/2(X2) Εναπόθεση στερεού Zn, από τηδιάσπαση ιωδιούχου ψευδαργύρου.

∆ιάσπαση σε ↓Τ: (Μ(CO)n)+n(CO) Εναπόθεση νικελίου από τη διάσπασηανθρακικού νικελίου.

Αντίδραση διµερισµού:

2(MX)+(MX2) Εναπόθεση Ge µε διάσπαση GeI2, στην

επιφάνεια του υποστρώµατος.

Κατά την εναπόθεση, εκτός από τη βασική χηµική αντίδραση, λαµβάνουν χώρα και

άλλοι µηχανισµοί που συνεργούν στη δηµιουργία της επικάλυψης (σχήµα 3.6):

• Τα αέρια αντιδρώντα διαχέονται προς το υπόστρωµα (α), ενώ τα πτητικά προϊόντα

της αντίδρασης διαχέονται προς την αέρια φάση µέσω µιας οριακής στοιβάδας (στ).

Η αύξηση της µάζας του αερίου που διαχέεται προς το υπόστρωµα προκαλεί αύξηση

των πτητικών προϊόντων που επαναδιαχέονται προς την αέρια φάση.


14/64

13

Σχή µα 3.6. Φυσικοί και χη µικοί µηχανισ µοί που λα µ βάνουν χώρα στη χη µική εναπόθεση ατ µών.

• Η προσρόφηση ενός ή περισσοτέρων αερίων από την επιφάνεια του υποστρώµατος

(β) συνδέεται µε εκρόφηση απ’αυτήν των πτητικών προϊόντων της αντίδρασης (ε),

ακολουθώντας τους σχετικούς νόµους της φυσικοχηµείας.

• Ο σχηµατισµός του στερεού (γ) ακολουθεί την κινητική της χηµικής αντίδρασης, ενώ

λόγω των υψηλών θερµοκρασιών στο θάλαµο εναπόθεσης ευνοούνται φαινόµενα

διάχυσης σε στερεή κατάσταση (δ) διαµέσου της επιφάνειας του υποστρώµατος προς

το εσωτερικό του. Η τελευταία δράση ελέγχεται από το 2ο νόµο του Fick. Η ύπαρξηστοιβάδας διάχυσης ενισχύει την αντοχή της πρόσφυσης επιστρώµατος/

υποστρώµατος.

Στο σχήµα 3.7, παρουσιάζεται η µικροδοµή CVD επικάλυψης πολυκρυσταλλικού

διαµαντιού σε υπόστρωµα πυριτίου από µίγµα µεθανίου (1%) και υδρογόνου.

Σχή µα 3.7. Μικροδο µή πολυκρυσταλλικού δια µαντιού CVD: ( α ) Κάτοψη και ( β ) Κάθετη το µή.


15/64

14

3.2. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ – ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ

ΜΕΓΑΛΟΥ ΠΑΧΟΥΣ

3.2.1. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ

Ο όρος Θερ µικός Ψεκασ µός (Plasma Spraying) περιγράφει µια οµάδα κατεργασιών

απόθεσης, κατά τις οποίες κεραµικά ή µεταλλικά σωµατίδια, ή και µίγµα τους, σε

λεπτοµερή διαµερισµό, διοχετεύονται σε ρεύµα αερίου υψηλής θερµοκρασίας και

αποτίθενται στην προς επικάλυψη επιφάνεια σε κατάσταση πλήρους ή µερικής τήξης.

Εκεί στερεοποιούνται ταχύτατα παρέχοντας το επιδιωκόµενο επίστρωµα.

Το υλικό απόθεσης παρέχεται υπό µορφή σκόνης, σύρµατος ή ράβδου, απ’όπου

εξάγονται τα προς απόθεση σωµατίδια. Λόγω των χαµηλών θερµοκρασιών που

αναπτύσσονται στο υπόστρωµα, κατά τον ψεκασµό, (ως 200 ºC) οι τεχνικές αυτές είναι

κατάλληλες για την κάλυψη υλικών χαµηλού σηµείου τήξης, π.χ . θερµοσκληρυνόµενων

πολυµερών. Tα λαµβανόµενα επιστρώµατα, -µε σύνηθες πάχος από 50 µm έως µερικά

εκατοστά,- βρίσκουν ευρύτατες εφαρµογές που σχετίζονται µε την προστασία από φθορά

λόγω τριβής και µηχανικής διάβρωσης, την προστασία από διάβρωση και οξείδωση σε

υψηλές θερµοκρασίες, τη θερµική και ηλεκτρική µόνωση, τη βιοσυµβατότητα και την

υπεραγωγιµότητα. Ειδικότερα, οι κεραµικές επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού

χρησιµοποιούνται, κυρίως, για την προστασία από φθορά και ως θερµικά φράγµατα,

στην αεροναυπηγική, την αυτοκινητοβιοµηχανία, τη βιοµηχανία κατασκευής σκαπτικών

εργαλείων, εργαλείων επεξεργασίας βιοµηχανικών ορυκτών και µεταλλευµάτων, τη

χαρτοβιοµηχανία, την κλωστοϋφαντουργία, κλπ.

Ανάλογα µε την πηγή θερµότητας που χρησιµοποιείται, οι τεχνικές θερµικού ψεκασµού

διακρίνονται σε τέσσερεις κατηγορίες (σχήµα 3.8):

(α) Ψεκασµός µε χρήση φλόγας καύσης (combustion flame spraying), σχήµα 3.8α. Η

φλόγα καύσης δηµιουργείται µε ανάφλεξη µίγµατος οξυγόνου-ακετυλενίου, µετά

τη διέλευσή του από κατάλληλο ακροφύσιο. Το προς απόθεση υλικό εισάγεται µε

τη µορφή σκόνης ή σύρµατος, στη φλόγα και επιταχύνεται κινούµενο προς το

υπόστρωµα όπου και αποτίθεται. Λόγω της χαµηλής θερµοκρασίας της φλόγας

(~3.000 °C) και της µικρής ταχύτητας κίνησης των σωµατιδίων (90-180 m/s), τα

λαµβανόµενα επιστρώµατα είναι εξαιρετικά πορώδη (10-15%). Αν αυτά είναι


16/64

15

µεταλλικά, παρουσιάζουν έντονη τάση προς οξείδωση. Παρότι είναι η

οικονοµικότερη των τεχνικών θερµικού ψεκασµού, οι χρήσεις της περιορίζονται σε

περιπτώσεις που το υψηλό πορώδες ή το υψηλό ποσοστό οξειδίων (10-15%) στοεπίστρωµα, έχουν ευνοϊκές επιπτώσεις.

Σχή µα 3.8. Σχη µατική αναπαράσταση των τεχνικών θερ µικού ψεκασ µού


17/64

16

(β) Ψεκασµός µε δηµιουργία ηλεκτρικού τόξου (arc wire spraying), σχήµα 3.8β

Η τεχνική περιορίζεται για εφαρµογές, στις οποίες το προς απόθεση υλικό είναιαγώγιµο. ∆υο καταναλισκόµενα ηλεκτρόδια θερµαίνονται στο ένα άκρο τους,

µέσω ωµικής αντίστασης, και τήκονται. Με τη βοήθεια πεπιεσµένου αέρα, το

τηγµένο υλικό οδηγείται προς την επιφάνεια του υποστρώµατος,. Η θερµοκρασία

του αέρα φτάνει τους 4.000 °C, ενώ η ταχύτητα των σωµατιδίων τα 240 m/s. Τα

λαµβανόµενα επιστρώµατα εµφανίζουν, επίσης, υψηλό πορώδες (10-20%) και

υψηλό ποσοστό οξειδίων (10-20%), έχουν ωστόσο καλύτερη πρόσφυση στο

υπόστρωµα, λόγω της υψηλής ταχύτητας µε την οποία προσκρούουν σ’αυτό.

(γ) Ψεκασµός υψηλής ταχύτητας µε χρήση φλόγας καύσης (high velosity

combustion spraying ή high velocity oxygen flame, HVOF). Mε την τεχνική αυτή

επιτυγχάνονται υπερηχητικές ταχύτητες ψεκασµού (750-1.100 m/s) και

θερµοκρασίες έως 4.500 °C, ενώ τα λαµβανόµενα επιστρώµατα έχουν χαµηλό

πορώδες (1-2%), χαµηλό ποσοστό περιεχοµένων οξειδίων (1-5%) και πολύ καλή

πρόσφυση στο υπόστρωµα. Οι κυριότερες παραλλαγές της τεχνικής είναι:

• Ο ψεκασµός µε χρήση κάνης εκτόνωσης (detonation gun spraying, D-gun),

σχήµα 3.8γ. Η θερµότητα παρέχεται µέσω ελεγχόµενων εκρήξεων, κατά την

ανάφλεξη µίγµατος οξυγόνου-ακετυλενίου µε τη βοήθεια ηλεκτρικού

σπινθήρα. Σκόνη του πρός απόθεση υλικού εισάγεται παραλλήλως του

επιµήκους άξονα του κυλινδρικού δαυλού, επιταχύνεται από τα αέρια της

καύσης, εξέρχεται από το δαυλό µε υπερηχητική ταχύτητα (~750 m/s) και

προσπίπτοντας στην επιφάνεια του υποστρώµατος σχηµατίζει το υψηλής

ποιότητας επίστρωµα.

• Η τεχνική Jet-Kote, σχήµα 3.8δ. Με την τεχνική αυτή, η θερµότητα παρέχεται

από ανάφλεξη µίγµατος υδρογόνου-οξυγόνου, σε θάλαµο υψηλής πίεσης. Τα

καυσαέρια, που µεταφέρουν σκόνη του προς απόθεση υλικού, εξέρχονται από

το δαυλό, µέσω ακροφυσίου µικρής διαµέτρου. Ετσι, επιτυγχάνονται ταχύτητες

της τάξης των 1.100 m/s.

(δ) Ψεκασµός µε χρήση πλάσµατος (plasma spraying). Ο δαυλός πλάσµατος

αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια, µεταξύ των οποίων δηµιουργείται ηλεκτρικό


18/64

17

τόξο, µε εκκένωση υψηλής συνεχούς τάσης. Αδρανές αέριο, -συνήθως, αργό ή

µίγµα αργού µε άζωτο, ήλιο ή υδρογόνο,- διοχετευόµενο µεταξύ των ηλεκτροδίων,

θερµαίνεται και ιονίζεται πλήρως, δηµιουργώντας πλάσµα, το οποίο εξέρχεται τουδαυλού µε τη µορφή φλόγας υψηλής θερµοκρασίας (4.500-20.000 °C) και

ταχύτητας (200-600 m/s). H σκόνη του προς απόθεση υλικού εισάγεται κάθετα στη

φλόγα του πλάσµατος. Ανάλογα µε το περιβάλλον όπου λαµβάνει χώρα ο

ψεκασµός, διακρίνουµε τέσσερεις κύριες παραλλαγές της τεχνικής:

• Ψεκασµός πλάσµατος στον αέρα (air plasma spraying, APS) ή

Ατµοσφαιρικός ψεκασµός πλάσµατος, σχήµα 3.8ε.

H τεχνική χρησιµοποιείται, κυρίως, για τη δηµιουργία κεραµικώνεπιστρωµάτων, δεδοµένου ότι οι µεταλλικές σκόνες, στον αέρα και σε υψηλές

θερµοκρασίες οξειδώνονται. Η ταχύτητα κίνησης των σωµατιδίων είναι 200-

400 m/s και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει πορώδες 8-10% και πολύ καλή

πρόσφυση µε το υπόστρωµα.

• Ψεκασµός πλάσµατος σε περιβάλλον αργού (argon-shrouded plasma

spraying, ASPS).

• Ψεκασµός πλάσµατος υπό κενό (vacuum plasma spraying, VPS) ή χαµηλή

πίεση (low pressure plasma spraying, LPPS), σχήµα 3.8στ. Με τις τεχνικές

αυτές επιτυγχάνονται υψηλότερες ταχύτητες κίνησης των σωµατιδίων (400-

600 m/s) και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει ελάχιστο πορώδες (έως 2%) και

ποσοστό οξειδίων (100µm).

Tαυτόχρονα, το αδρανές αέριο ανακυκλώνεται µέσω φίλτρων και εναλλακτών

θερµότητας, υποβοηθώντας έτσι την ψύξη του υποστρώµατος και την

εξοικονόµηση αερίου.


19/64

18

3.2.2. ΚΥΡΙΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΠΟΘΕΣΗΣ

Οι κρίσιµες παράµετροι θερµικού ψεκασµού που επηρεάζουν την ποιότητα της

επικάλυψης µπορούν να ταξινοµηθούν σε αυτές που επιδρούν στην κατανοµή τωνθερµοκρασιών στη φλόγα του πλάσµατος, στους µηχανισµούς αλληλεπίδρασής της µε τα

σωµατίδια του ψεκαζοµένου υλικού και στη στερεοποίηση των τελευταίων στην προς

επικάλυψη επιφάνεια.

1. Θερµοκρασιακή κατανοµή στη φλόγα πλάσµατος

Η θερµοκρασιακή κατανοµή εντός της φλόγας του πλάσµατος εξαρτάται τόσο από τη

φύση, την παροχή και την πίεση των χρησιµοποιούµενων αδρανών αερίων, όσο και από

την εφαρµοζόµενη ηλεκτρική τάση, που προκαλεί τον ιονισµό τους, για δεδοµένες

διαστάσεις και σχήµα δαυλού.

Κατά τον ψεκασµό σε ατµοσφαιρική πίεση, η τιµή της παρεχόµενης ισχύος κυµαίνεται

από 10 έως 100 kW. Υπό αυτές τις συνθήκες, η θερµική απόδοση εξαρτάται κυρίως από

το χρησιµοποιούµενο αέριο και κυµαίνεται από 30 έως 90%. Συνήθως, το ιονιζόµενο

αέριο είναι αργό ή µίγµα αργού µε ήλιο ή διατοµικά αέρια, όπως το οξυγόνο, το άζωτο,

το υδρογόνο, κλπ. Η προσθήκη των διατοµικών αυτών αερίων προκαλεί σηµαντική

αύξηση της ενθαλπίας του πλάσµατος (σχήµα 3.9α), κατά συνέπεια και της

θερµοκρασίας της φλόγας που εξέρχεται από το δαυλό. Η θερµοκρασία αυτή

ελαττώνεται µε ταχείς ρυθµούς µε την αύξηση της απόστασης από το ακροφύσιο (σχήµα

3.9β), καθώς τα ιονισµένα θερµά αέρια αναµιγνύονται µε τον ψυχρό ατµοσφαιρικό αέρα.

Τέλος, για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, όσο µικρότερη είναι η διάµετρος του

ακροφυσίου, τόσο υψηλότερες θερµοκρασίες είναι δυνατό να επιτευχθούν.

2.

Αλληλεπίδραση υλικού - φλόγας πλάσµατος

Η προς απόθεση σκόνη εισάγεται, καθέτως ή υπό γωνία, στο πλάσµα µέσω ενός ή

περισσοτέρων σωλήνων µικρής διαµέτρου, µε τη βοήθεια φέροντος αδρανούς αερίου. Η

συµπεριφορά της σκόνης και τα φαινόµενα που λαµβάνουν χώρα κατά την πορεία της

µέσα στο δαυλό και, εν συνεχεία, µέσα στη φλόγα του πλάσµατος εξαρτώνται από τα

ίδια χαρακτηριστικά της -µορφολογικά, φυσικές και χηµικές ιδιότητες,- τις τιµές των


20/64

19

παραµέτρων εισαγωγής της στο δαυλό του πλάσµατος, καθώς επίσης και από την

κατανοµή των θερµοκρασιών και των χηµικών ειδών που συναντά στην πορεία της.

Σχή µα 3.9.

( α ) Μεταβολή της ενθαλπίας αερίων του πλάσ µατος , συναρτήσει της θερ µοκρασίας του , σε

ατ µοσφαιρική πίεση.

( β ) Ισοθερ µοκρασιακές κα µπύλες συναρτήσει της αξονικής και της ακτινικής απόστασης από το

ακροφύσιο ψεκασ µού , για φλόγα πλάσ µατος αζώτου-υδρογόνου.

( γ ) Μεταβολή της ταχύτητας των αερίων πλάσ µατος , σε φλόγα µε τη θερ µοκρασιακή κατανο µή

του σχή µατος ( β ).


21/64

20

Τα µορφολογικά χαρακτηριστικά του υλικού που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του είναι

το σχήµα των σωµατιδίων της σκόνης, το µέγεθος τους και η κατανοµή του τελευταίου.

∆εδοµένου ότι κατά τον ψεκασµό λαµβάνει χώρα τήξη των σωµατιδίων της σκόνης, απότις κρίσιµες παραµέτρους της διεργασίας είναι η ακριβής χηµική σύσταση του

ψεκαζοµένου υλικού, η πυκνότητά του, το σηµείο τήξης του, ο συντελεστής θερµικής

αγωγιµότητας, η τάση του προς εξάχνωση στις αναπτυσσόµενες υψηλές θερµοκρασίες

και η χηµική του αδράνεια στην παρουσία των χηµικών ειδών του πλάσµατος και της

περιβάλλουσας ατµόσφαιρας.

Ως προς τις παραµέτρους εισαγωγής της σκόνης στο δαυλό του πλάσµατος, καθοριστικό

ρόλο στη διεργασία παίζουν το είδος και η παροχή του φέροντος αερίου, ο ρυθµός

τροφοδότησης της σκόνης σε αυτό, και, τέλος, η θέση, η διάµετρος και η κλίση των

σωλήνων εισαγωγής της στο δαυλό.

Η παροχή του φέροντος αερίου, που καθορίζεται µε βάση τη µάζα των σωµατιδίων,

πρέπει να εξασφαλίζει την είσοδό τους στον πυρήνα της φλόγας του πλάσµατος, όπου

αναπτύσσονται οι υψηλότερες θερµοκρασίες και ταχύτητες αερίων. Εισερχόµενα στο

πλάσµα, τα σωµατίδια της σκόνης θερµαίνονται και επιταχύνονται, αποκτώντας την

ταχύτητα των αερίων του πλάσµατος σε συγκεκριµένη απόσταση από το ακροφύσιο του

δαυλού, η οποία εξαρτάται από τη µάζα και το µέγεθός τους (σχήµα 3.10).

Σχή µα 3.10. Μεταβολή της ταχύτητας σω µατιδίων αλού µινας , διαφόρων µεγεθών , κατά την κίνησή

της µέσα σε φλόγα πλάσ µατος αζώτου-υδρογόνου.


22/64


23/64

22

3.2.3. ∆ΟΜΗ ΕΠΙΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ

Η ιδιαιτερότητα της δοµής των επιστρωµάτων θερµικού ψεκασµού εκπηγάζει από τον

τρόπο απόθεσης του υλικού. Ο δαυλός πλάσµατος µετακινείται εµπρός από την προςεπίστρωση επιφάνεια εκτοξεύοντας σωµατίδια σκόνης, τα οποία σε τετηκυΐα κατάσταση,

προσκρούουν στο υπόστρωµα ένα προς ένα. Εκεί, στερεοποιούνται ταχύτατα,

δηµιουργώντας ένα «µονοσωµατιδιακό υπόστρωµα», όπου αποτίθενται τα νέα σωµατίδια

σκόνης, υψηλής θερµοκρασίας, που εξακολουθούν να φθάνουν στην επιφάνεια (σχήµα

3.12α). Η διαδικασία αυτή, επαναλαµβάνεται καθ’όλη τη διάρκεια του ψεκασµού,

δίνοντας στο επίστρωµα στρωµατική δοµή (σχήµα 3.12β), µε χαρακτηριστική

διεπιφανειακή τραχύτητα µεταξύ των διαδοχικών στρώσεων. Το επιθυµητό πάχος

επιστρώµατος, επιτυγχάνεται µε περισσότερα του ενός «περάσµατα» του δαυλού.

(α)

(β)

Σχή µα 3.12. ∆η µιουργία επικάλυψης θερ µικού ψεκασ µού:

( α ) Απόθεση ένα προς ένα , των σω µατιδίων της ψεκαζό µενης σκόνης .( β ) Στρω µατική δο µή επιστρω µάτων θερ µικού ψεκασ µού.

Η λαµβανόµενη, τελικά, δοµή χαρακτηρίζεται από τη συνύπαρξη τηγµένων και

επαναστερεοποιηµένων, άτηκτων ή και οξειδωµένων, -στην περίπτωση ψεκασµού

µεταλλικής σκόνης,- σωµατιδίων, ρωγµών και πόρων (σχήµα 3.13α). Η πρόσφυση των

επικαλύψεων θερµικού ψεκασµού γίνεται µε µηχανική αγκύρωση των σωµατιδίων στο


24/64

23

υπόστρωµα (σχήµα 3.13β), γι’αυτό και επιδιώκεται οι επιφάνειες των υποστρωµάτων

προ ψεκασµού να έχουν αυξηµένη τραχύτητα.

(α)

(β) Σχή µα 3.13. Επικάλυψη APS αλού µινας σε µεταλλικό υπόστρω µα:

( α ) Κάθετη το µή και κάτοψη της επικάλυψης και ( β ) ∆ιεπιφάνεια επικάλυψης / υποστρώ µατος

υψηλής τραχύτητας .

Οι τελικές τιµές των µηχανικών ιδιοτήτων των επιστρωµάτων θερµικού ψεκασµού

επηρεάζονται από αυτή την ιδιότυπη particle-by-particle δόµησή τους. Συγκρινόµενα µε

τα PVD επιστρώµατα κολωνοειδούς ανάπτυξης, στα οποία οι διεπιφάνειες «χαλαρής

συνάφειας» είναι κάθετες στην επιφάνεια του υποστρώµατος (σχήµα 3.14), οι

επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού χαρακτηρίζονται από στρωµατική διάταξη µε

διεπιφάνειες «χαλαρής συνάφειας» τις επιφάνειες µεταξύ των διαδοχικών στρώσεων.

Σχή µα 3.14. Σύγκριση δο µής επικαλύψεων PVD και θερ µικού ψεκασ µού.


25/64

24

3.3. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΣΟΥ ΠΑΧΟΥΣ

3.3.1. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΕΜΠΟΤΙΣΜΟΥ ΕΝ ΘΕΡΜΩΟ ε µποτισ µός εν θερ µώ ή ε µ βάπτιση σε λουτρό τήγ µατος (hot dipping) εφαρµόζεται,

κυρίως, για την επιµετάλλωση χαλύβδινων αντικειµένων. Μετά από πολύ καλό

καθαρισµό της προς επικάλυψη επιφάνειας, το αντικείµενο εµβαπτίζεται σε λουτρό

τήγµατος του µετάλλου επικάλυψης. Στη διεπιφάνεια επικάλυψης/ υποστρώµατος

σχηµατίζονται όλες οι ενδιάµεσες φάσεις και ενώσεις που προβλέπονται στο αντίστοιχο

διάγραµµα ισορροπίας του διφασικού κράµατος, ενώ η σχετικά υψηλή θερµοκρασία του

λουτρού εξασφαλίζει διεπιφάνεια επικάλυψης/ υποστρώµατος µε πολύ καλή πρόσφυση.

Οι επικαλύψεις αυτές λειτουργούν ως «φράγµατα» της δράσης χηµικών στοιχείων και

για το λόγο αυτό χρησιµοποιούνται ευρέως για την προστασία έναντι της διάβρωσης. Οι

κυριότερες επικαλύψεις αυτής της κατηγορίας παρουσιάζονται στον πίνακα 3.3.

Πίνακας 3.3. Κύριες τεχνικές επι µετάλλωσης µε ε µ βάπτιση σε λουτρό τήγ µατος .

ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ

ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΧΡΗΣΕΙΣ

Γαλβανισµός

(επιψευδαργύρωση)

Λουτρό: ZnCl2 + NH4Cl

Θερµοκρασία: 450-460 °C

Εξωτερικό στρώµα: Zn

∆ιεπιφάνεια: FeZn3, FeZn7Πάχος:


26/64

25

Σχή µα 3.15. Σχη µατική παρουσίαση ηλεκτρολυτικού κελλιού για την επι µετάλλωση µεταλλικών

αντικει µένων.

Η δηµιουργία ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων υπακούει στο νόµο του Faraday:

F n

ABt I m

.

..

όπου: α, η απόδοση του ρεύµατος

Ι, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύµατος (Α)

t, o χρόνος επικάλυψης (s)

AB & n, το ατοµικό βάρος & το σθένος αντίστοιχα του αποτιθέµενου µετάλλου,

F, η σταθερά Faraday (96500 Cb).

Κατά την ηλεκτρολυτική εναπόθεση από υδατικά διαλύµατα, στην κάθοδο

συναποτίθεται υδρογόνο, το οποίο εγκλωβίζεται στην επικάλυψη οδηγώντας σε

ψαθυροποίησή της. Γι’αυτό το λόγο, συνήθως ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις λαµβάνονται

από λουτρά θερµοκρασίας 40-70 °C. Στον πίνακα 3.4, συνοψίζονται οι κυριότερες

τεχνικές ηλεκτρολυτικής επικάλυψης µεταλλικών αντικειµένων, από υδατικά διαλύµατα.

Πίνακας 3.4. Κύριες τεχνικές ηλεκτρολυτικής επικάλυψης .

ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΧΡΩΜΑ ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ

ΕΚΤΡΙΒΗ

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Zn 50-50 ΒΗΝ Θαµπό φαιό Μικρή Αντιδιαβρωτικές

Cd 30-70 HV Λαµπερό λευκό Μέτρια Αισθητικές

Sn 5 ΒΗΝ Λαµπερό λευκό Μικρή Αντιδιαβρωτικές,

αντιµικροβιακές

Cu 50-220 HV Λαµπερό ροζ Μικρή Ηλεκτρικές

Ni 140-500 ΗV Λευκό Καλή Αντιδιαβρωτικές

Cr 900-1100 HV Αριστη Αντιτριβικές

Al 30-90 HV Λευκό Μικρή Θερµικής

προστασίας

Co 250-300 Knoop Φαιό Καλή Οπτικές


27/64

26

3.3.3. ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ

Οι χηµικές επικαλύψεις (chemical ή electroless coatings) δηµιουργούνται στην επιφάνεια

µεταλλικών αντικειµένων µε εµβάπτισή τους σε υδατικό λουτρό άλατος του προςεναπόθεση µετάλλου. Με αυτή την τεχνική εναποτίθενται συνήθως επικαλύψεις

νικελίου-βορίου ή νικελίου-φωσφόρου. Γενικά, η σκληρότητα των χηµικών

επικαλύψεων είναι χαµηλή και για την αύξησή της απαιτείται θερµική κατεργασία των

επικαλύψεων. Εκτός απ’αυτό το µειονέκτηµα, οι χηµικές επικαλύψεις παρουσιάζουν

πλεονεκτήµατα, όπως:

• Χαµηλή θερµοκρασία εναπόθεσης

• Επικαλύψεις υψηλής αντιδιαβρωτικής προστασίας.

• Εφαρµογή σε αντικείµενα σύνθετης γεωµετρίας

• Επιτρέπουν τη συναπόθεση σκληρών σωµατιδίων ενίσχυσης ή και PTFE για τη

δηµιουργία σύνθετων αντιτριβικών επικαλύψεων.

• Εφαρµόζονται σε όλα σχεδόν τα υποστρώµατα, αγώγιµα και µη.

Οι σηµαντικότερες τεχνικές χηµικής επικάλυψης χαλύβων µε βιοµηχανικό ενδιαφέρον

είναι η φωσφάτωση και η χηµική επινικέλωση.

• Στη φωσφάτωση το χαλύβδινο αντικείµενο βυθίζεται σε υδατικό διάλυµαφωσφορικού οξέος, όπου λαµβάνει χώρα χηµική αντίδραση µε το υπόστρωµα:

2Η3PO4 + Fe Fe(H2PO4)2 + H2↑

Το φωσφορικό άλας εναποτίθεται στην επιφάνεια σε πάχος 10-20 µm, παρέχοντας

σηµαντική προστασία του υποστρώµατος από διάβρωση. Πολλές φορές, η

φωσφάτωση αποτελεί το πρώτο στάδιο επιφανειακής κατεργασίας που προετοιµάζει

τη µεταλλική επιφάνεια για να δεχθεί επικάλυψη µε οργανικές βαφές ή λιπαντικά

υγρά.

• Στη χηµική επινικέλωση το χαλύβδινο αντικείµενο βυθίζεται σε υδατικό διάλυµα

άλατος του νικελίου, όπου λαµβάνει χώρα χηµική αντίδραση µε το υπόστρωµα:

2NiSO4 + 2NaH2PO2 + 2H2O 2Ni + 2NaHPO4 + 2H2HPO4 + H2↑

Η χηµική εναπόθεση νικελίου υπερτερεί της ηλεκτρολυτικής, αφού δεν απαιτείται

ηλεκτρική αγωγιµότητα του υποστρώµατος και µπορεί να εφαρµοστεί σε αντικείµενα

σύνθετης γεωµετρίας. Το πάχος τηςεπικάλυψης φτάνει τα 10-20 µm και βρίσκει,

κυρίως, αντιδιαβρωτικές εφαρµογές.


28/64

27

3.4. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ – ΑΝΟ∆ΙΩΣΗ

3.4.1.

ΕΙΣΑΓΩΓΗΣτην κατηγορία αυτή των επικαλύψεων, επιφανειακό στρώµα του µετάλλου βάσης

µετατρέπεται σε συµπαγές στρώµα οξειδίου, πάνω στο οποίο οικοδοµείται η κυρίως

επικάλυψη. Σηµαντικότερη τεχνική αυτής της κατηγορίας είναι η κατεργασία της

ανοδίωσης (anodising), η οποία εφαρµόζεται σε όλα τα αντικείµενα αλουµινίου, από

αυτά απλών δοµικών χρήσεων έως τµήµατα αεροναυπηγικών κατασκευών,

προσφέροντάς τους χηµική αδράνεια σε ατµοσφαιρικές συνθήκες και υψηλή σκληρότητα

επιφάνειας. Ως επιφανειακή κατεργασία του αλουµινίου, η ανοδίωση εφαρµόζεται

περισσότερο από 50 χρόνια.

Με την ανοδίωση, µετασχηµατίζεται η επιφάνεια του αλουµινίου και δηµιουργείται,

τεχνητά, ένα στρώµα οξειδίου. Επειδή η διαδικασία γίνεται σε απόλυτα ελεγχόµενες

συνθήκες, αυτό το στρώµα οξειδίου είναι πάρα πολύ συνεκτικό και σκληρό. Το στρώµα

αυτό, επειδή είναι ήδη οξείδιο, όταν εκτίθεται στην ατµόσφαιρα δεν διαβρώνεται και έτσι

προστατεύει το µέταλλο. Το ανοδικό επίστρωµα που το πάχος του κυµαίνεται από 10-25

µm, είναι διαφανές και η δοµή του φέρει πόρους και επιτρέπει την ενσωµάτωση

χρωστικών υλών για την ηλεκτροστατική βαφή του που ακολουθεί.

Μερικά από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της ανοδίωσης είναι:

• Το στρώµα ανοδίωσης δηµιουργείται από το ίδιο το µέταλλο, είναι πλήρως

ενσωµατωµένο σ'αυτό και έτσι δεν υπάρχουν προβλήµατα πρόσφυσης.

• Η αντιδιαβρωτική συµπεριφορά της ανοδίωσης είναι πάρα πολύ καλή, εφόσον

τηρηθούν όλοι οι κανόνες παραγωγικής διαδικασίας, εφαρµογής και χρήσης.

• Τα ανοδιωµένα προϊόντα αλουµινίου έχουν µεταλλική εµφάνιση.

3.4.2. ΣΤΑ∆ΙΑ ΑΝΟ∆ΙΩΣΗΣ

Τα βασικά στάδια της δηµιουργίας ανοδικού επιστρώµατος είναι: η προεργασία, η

ανοδίωση, ο χρωµατισµός (αν απαιτείται) και το σφράγισµα.

Προεργασία: Οι επιφάνειες που πρόκειται να ανοδιωθούν υποβάλλονται, συνήθως, σε

µηχανικές ή και σε χηµικές επεξεργασίες λείανσης µε κατάλληλα λειαντικά µέσα ή

χηµικά αντιδραστήρια. Σκοπός αυτής της επεξεργασίας είναι να δώσει στην επιφάνεια


29/64

28

εµφάνιση γυαλιστερή ή µατ. Στην συνέχεια, τα τεµάχια αλουµινίου υφίστανται

επεξεργασία απολίπανσης (σόδα) και εξουδετέρωσης ( νιτρικό οξύ).

Ανοδίωση: Η διαδικασία γίνεται µε ηλεκτρόλυση (διοχέτευση συνεχούς ρεύµατος), σεµπάνιο θειικού οξέος, κάτω από αυστηρές συνθήκες ελέγχου των συγκεντρώσεων των

χηµικών συστατικών, της θερµοκρασίας, της πυκνότητας του ρεύµατος κτλ . Αποτέλεσµα

της ηλεκτρόλυσης είναι η, -µε απόλυτα ελεγχόµενο τρόπο,- οξείδωση της επιφάνειας του

αλουµινίου. Το ανοδικό επίστρωµα είναι διαφανές και έχει ιδιότυπη πορώδη δοµή µε

πόρους κάθετους την αρχική επιφάνεια του µετάλλου (σχήµα 3.16).

Πόρος

~15 nm

∆ο µικό στοιχείο

~35 nm

Ανοδικό στρώ µα

Πάχους ~20 µm

Συ µπαγές στρώ µα Al

2O

3

Πάχους ~15 nm

Κρά µα Al (α)

(β)

Σχή µα 3.16. ∆ο µή ανοδικών στρω µάτων:

( α ) Σχη µατική παρουσίαση , ( β ) Μικροδο µή από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης (SEM).


30/64


31/64


32/64

31

4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ

Οι τεχνικές τροποποίησης επιφανειακών στρωµάτων του υλικού του αντικειµένου που

υποβάλλεται σε κατεργασία έχουν ως στόχο:

• Την αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας του αντικειµένου. Αυτό, γενικά, έχει

ως συνέπεια την αύξηση της αντοχής του υλικού σε φθορά λόγω τριβής.

• Την εισαγωγή «επωφελών» πεδίων εσωτερικών τάσεων σε υποεπιφανειακό

στρώµα. Οι θλιπτικές παραµένουσες τάσεις σε επιφανειακό στρώµα ενός

µεταλλικού αντικειµένου συνεισφέρουν θεαµατικά στην απόκριση του υλικού υπό

καθεστώς εναλλασσόµενων φορτίσεων (κόπωση).

Η επίτευξη των στόχων που προαναφέρθηκαν γίνεται µε τεχνικές επιφανειακήςκατεργασίας είτε µε µηχανικό ή θερµικό τρόπο χωρίς µεταβολή στη χηµική σύσταση του

υλικού, είτε µε διάχυση στο επιφανειακό στρώµα «ευκίνητων» ατόµων (σχήµα 4.1).

ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΥΛΙΚΟΥ

ΧΩΡΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ

ΧΗΜΙΚΗΣ ΣΥΣΤΑΣΗΣ

ΜΕ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ

ΧΗΜΙΚΗΣ ΣΥΣΤΑΣΗΣ

Σφαιροβολή ( εισαγωγή θλιπτικών τάσεων )

Φλογοβαφή (µετασχη µατισ µός φάσεων )

Επαγωγική βαφή (µετασχη µατισ µός φάσεων )

Εναζώτωση

Ενανθράκωση

Ενανθρακαζώτωση

Βορίωση

Σχή µα 4.1. Γενική ταξινό µηση τεχνικών ενίσχυσης µεταλλικών υλικών µε τροποποίησηεπιφανειακών στρω µάτων τους .

4.1. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ

Η µηχανική τροποποίηση επιφανειακών στρωµάτων αφορά κυρίως σιδηρούχα κράµατα

(χάλυβες και χυτοσιδήρους) και συνίσταται στην απορρόφηση από το υλικό κρουστικής

ενέργειας που προέρχεται είτε από το βοµβαρδισµό της επιφάνειας µε σωµατίδια

(σφαιροβολή, shot peening), είτε από την εκτόνωση πλάσµατος δηµιουργηµένου από

laser (laser shock hardening).


33/64

32

Κατά τη σφαιροβολή, δέσµη ταχέως κινούµενων σφαιριδίων από σκληρυµένο χάλυβα,

κεραµικό ή γυαλί προσκρούει στην κατεργαζόµενη επιφάνεια (σχήµα 4.2) προκαλώντας

πλαστική παραµόρφωση των επιφανειακών στρωµάτων του υλικού, η οποία εισάγειµεταβολές στο πεδίο των επιφανειακών τάσεων (σχήµα 4.3α). Πιο συγκεκριµένα,

εισάγονται θλιπτικές τάσεις, οι οποίες στην περίπτωση εναλλασσόµενης µηχανικής

φόρτισης κατά τη λειτουργία του αντικειµένου, µειώνουν το µέγεθος των συνολικών

τάσεων που εµφανίζονται στο υλικό (σχήµα 4.3β).

Το βάθος µεταβολής των τάσεων, καθώς και το µέγεθός τους, ελέγχεται πλήρως µε την

κατάλληλη επιλογή των συνθηκών σφαιροβολής: µέγεθος σφαιριδίων και σκληρότητα,

ταχύτητα και γωνία προσπτωσης στη µεταλλική επιφάνεια, χρόνος κατεργασίας.

Εκτός από την εισαγωγή θλιπτικών τάσεων που ενισχύουν την αντοχή του υλικού σε

κόπωση, το επιφανειακό στρώµα σφαιροβολής εµφανίζει επίσης υψηλότερη σκληρότητα

και αντοχή σε διάβρωση υπό τάση.

(α) (β)

Σχή µα 4.2. Επιφανειακή κατεργασία µε σφαιροβολή:( α ) Βιο µηχανική εφαρ µογή και ( β ) Σχη µατική παρουσίαση της τεχνικής .

Σχή µα 4.3. Μεταβολή πεδίου τάσεων σε επιφανειακό στρώ µα:( α ) Θλιπτικές επιφανειακές τάσεις µετά τη σφαιροβολή και ( β ) Μείωση συνολικών τάσεων κατά τη

λειτουργία.


34/64

33

4.2. ΘΕΡΜΙΚΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ

Κατά την επιφανειακή σκλήρυνση µε παροχή θερµότητας, σε επιφανειακό στρώµα

υλικού λαµβάνουν χώρα µεταλουργικοί µετασχηµατισµοί µε δηµιουργία φάσεων υψηλότερης σκληρότητας απ’αυτή του µετάλλου βάσης. Πρόκειται, δηλαδή, για

επιφανειακή βαφή του αντικειµενου (θέρµανση ακολουθούµενη από ταχεία ψύξη) και

αφορά κατά κύριο λόγο σιδηρούχα κράµατα.

4.2.1. ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΚΑΤΑ ΤΗΝ

ΕΠΑΦΑΝΕΙΑΚΗ ΒΑΦΗ ΧΑΛΥΒΩΝ

Κατά την επιφανειακή βαφή χαλύβων διακρίνονται τρεις ζώνες, στις οποίες λαµβάνουν

χώρα διαφορετικοί µεταλλουργικοί µετασχηµατισµοί, ως συνέπεια της θερµοκρασίας

που αναπτύσσεται σ’αυτές κατά τη θέρµανση του αντικειµένου (σχήµα 4.4):

• Επιφανειακό στρώµα χάλυβα θερµαίνεται σε θερµοκρασία υψηλότερη της

θερµοκρασίας ωστενιτοποίησης (Αc3), ώστε να έχουµε πλήρη ωστενιτοποίηση του

στρώµατος αυτού. Με ταχεία ψύξη του αντικειµένου, ο ωστενίτης µετατρέπεται σε

µαρτενσίτη, ενώ το ποσοστό του υπολειπόµενου ωστενίτη είναι ελάχιστο.

• Στη ζώνη του υλικού κάτω από το επιφανειακό στρώµα βαφής (θερµικά

επηρεασµένη ζώνη), στην οποία οι αναπτυσσοµενες θερµοκρασίες είναι µεταξύ της

Αc3 και της Αc1, σηµειώνεται µερική ωστενιτοποίηση που κατά την ταχεία ψυξη δίνει

φερριτική-µπαινιτική δοµή.

• Στο υποκείµενο υλικό του οποίου η θερµοκρασία δεν ξεπερνα την Αc1, παρατηρείται

επαναφορά και ελάχιστη µείωση της σκληρότητας του υλικού.

Σχή µα 4.4. Μεταβολή των επιφανειακών ιδιοτητων χαλύβων µετά από επιφανειακή βαφή.


35/64

34

4.2.2. ΒΑΘΟΣ ΕΠΑΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ ΧΑΛΥΒΩΝ

Το βάθος βαφής, καθώς επίσης και το βάθος της θερµικά επηρεασµένης ζώνης (HAZ),µπορούν να προβλεφθούν µε ασφάλεια µε κατάλληλη επιλογή των βασικών παραµέτρων

της θερµικής κατεργασίας (παρεχόµενη θερµική ισχύς και χρόνος κατεργασίας).

Το βάθος βαφής χαρακτηρίζεται, – κατά σύµβαση,– από σκληρότητα µεγαλύτερη των

Documents

Part a Surface Engineering