ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (MIS: )

Transcript

1 Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ (MIS: ) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2.3. Επιφανειακές κατεργασίες μετάλλων για ειδικές εφαρμογές Δρ. Πανδώρα ΨΥΛΛΑΚΗ, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.

2 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 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» το βάθος κατεργασίας, ενώ για τις δεύτερες το πάχος της επικάλυψης (σχήμα 1.1). ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Σχήμα 1.1. Επίδραση των τεχνικών επιφανειακής ενίσχυσης στην τελική επιφάνεια του κατεργαζόμενου αντικειμένου. 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 επιτυγχάνονται επιφανειακά στρώματα υψηλής σκληρότητα και καλής αντοχής σε φθορά από τριβή. Ταυτόχρονα, δημιουργείται υποεπιφανειακή ζώνη θλιπτικών τάσεων, η οποία όπως και προηγούμενα ενισχύει την αντοχή του υλικού σε κόπωση. Ειδικά στην περίπτωση που το διαχεόμενο στοιχείο είναι το βόριο, η αντοχή του υλικού σε διάβρωση υψηλών θερμοκρασιών αυξάνεται εντυπωσιακά. Οι επιφανειακές αυτές κατεργασίες είναι γνωστές ως θερμοχημικές και εφαρμόζονται ευρέως για την ενίσχυση χαλύβων. Στην περίπτωση προστατευτικών επικαλύψεων, η επιφάνεια του προς προστασία υλικού καλύπτεται από στρώμα άλλου υλικού, ανώτερων ιδιοτήτων και μικρού πάχους σχετικά με τις διαστάσεις του μεταλλικού αντικειμένου. Η επικάλυψη αυτή δημιουργείται με ψεκασμό, χημικά, ηλεκτρολυτικά ή με εναπόθεση από ατμούς, και η επιφάνειά της βρίσκεται σε άμεση επαφή με το «εχθρικό περιβάλλον» (διαβρωτικοί παράγοντες, συζυγής τριβόμενη επιφάνεια, περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας) και έχοντας καλύτερη συμπεριφορά από το υλικό βάσης το προστατεύει από τους παράγοντες αυτούς. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ενώ η ορθή εφαρμογή μιας τεχνικής επιφανειακής κατεργασίας σ ένα μεταλλικό εξάρτημα μπορεί να βελτιώσει θεαματικά τη συμπεριφορά του σε συνθήκες «εχθρικού περιβάλλοντος» και να επιμηκύνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του, ο μη σωστός σχεδιασμός ή υλοποίηση της κατεργασίας, τις περισσότερες φορές, επιταχύνει μηχανισμούς αστοχίας με καταστροφικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι η εφαρμογή μη βέλτιστων συνθηκών εναπόθεσης μπορεί να οδηγήσει σε επικαλύψεις με εσωτερικές δομικές ατέλειες (πόρους, ρωγμές ή εγκλείσματα) που κατά τη χρήση του επικαλυμένου αντικειμένου θα αποτελέσουν περιοχές αυξημένων τάσεων ή συσσώρευσης διαβρωτικών ειδών επιβαρύνοντας έτσι με πρόσθετους παράγοντες τη διάρκεια ζωής του μεταλλικού αντικειμένου. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της ηλεκτρολυτικής εναπόθεσης χρωμίου από υδατικά διαλύματα, η οποία πρέπει να πραγματοποιείται σε λουτρά θερμοκρασίας C, έστω και εάν, στη θερμοκρασιακή αυτή περιοχή, η απόδοση του επιβαλλόμενου ρεύματος μειώνεται έχοντας ως επακόλουθο την αύξηση του απαιτούμενου χρόνου επιχρωμίωσης. Ο περιορισμός αυτός τίθεται διότι η ηλεκτραπόθεση χρωμίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος συνοδεύεται από ταυτόχρονη έκλυση υδρογόνου στην κάθοδο, το οποίο εγκλωβίζεται στον όγκο του αποτιθέμενου μετάλλου και συμβάλλει στην εκτεταμένη ρωγμάτωσή του εντός διαστήματος ~3 εβδομάδων από την εναπόθεση.

5 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. Δ.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 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 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% 22% 5% 24% 2% Lower energy consumption Increased plant life & efficiency Less lubricant Less maintenance Less manpower needed Fewer breakdowns 45% Σχήμα 2.1. Ανηγμένη κατανομή της εξοικονόμησης πόρων από την εφαρμογή αντιτριβικών επιφανειακών κατεργασιώς χαλύβδινων εξαρτημάτων στη Μεγάλη Βρετανία, σε διάστημα 25 ετών.

7 3. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ Οι τεχνικές δημιουργίας επικαλύψεων (coatings) περιλαμβάνουν τις επιφανειακές εκείνες κατεργασίες κατά τις οποίες υλικό, διαφορετικής χημικής σύστασης από το μέταλλο 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 Κατάσταση υλικού επικάλυψης ΑΕΡΙΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΥΓΡΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΕΤΗΚΥΙΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Φυσική εναπόθεση ατμών, PVD Χημική εναπόθεση ατμών, CVD Αναγόμωση/ Θερμικός ψεκασμός Εμποτισμός εν θερμώ Χημική εναπόθεση Ηλεκτροχημική εναπόθεση Εναπόθεση από κολλοειδή, Sol gel Σχήμα 3.1. Ταξινόμηση 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 (<5 μm), ενώ οι τεχνικές αναγόμωσης και θερμικού ψεκασμού χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία επιστρωμάτων μεγάλου πάχους (>200 μm). Ολες οι υπόλοιπες τεχνικές χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία επικαλύψεων ενδιάμεσου πάχους (20-80 μm).

8 3.1. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΙΚΡΟΥ ΠΑΧΟΥΣ Μεγάλος αριθμός υλικών (μεταλλικών, κεραμικών ή πολυμερών) χρησιμοποιείται με τη μορφή 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 υμένιο (thin solid film). 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) 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 των μεθόδων 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 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. 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 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

9 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 cm απ αυτόν. Σχήμα 3.2. Θάλαμος εναπόθεσης με εξάχνωση υπό κενό. Κατά την εναπόθεση, τα στοιχειώδη σωματίδια φτάνουν στο υπόστρωμα με κινητική ενέργεια αντίστοιχη της θερμοκρασίας του θαλάμου. Εκεί, αποβάλλουν την ενέργειά τους 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). 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 κάθοδο και 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

10 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). Σχήμα 3.3. Σηματική παρουσίαση της τεχνικής εναπόθεσης ατμών Sputtering. Σχήμα 3.4. Διάγραμμα ζωνών μικροδομής κατά την εναπόθεση με Sputtering.

11 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: 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 φαινόμενα διάχυσης 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 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. Σχήμα 3.5. Σχηματική παρουσίαση της τεχνικής χημικής εναπόθεσης ατμών.

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 με την 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. Στο σχήμα 3.6, παρουσιάζεται η μικροδομή CVD επικάλυψης πολυκρυσταλλικού διαμαντιού σε υπόστρωμα πυριτίου από μίγμα μεθανίου (1%) και υδρογόνου. Σχήμα 3.6. Μικροδομή πολυκρυσταλλικού διαμαντιού CVD: (α) Κάτοψη και (β) Κάθετη τομή ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΠΑΧΟΥΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ Ο όρος Θερμικός Ψεκασμός (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

13 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. (β) Ψεκασμός με δημιουργία ηλεκτρικού τόξου (arc wire spraying), σχήμα 3.8β (γ) Η τεχνική περιορίζεται για εφαρμογές, στις οποίες το προς απόθεση υλικό είναι αγώγιμο. Δυο 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,. 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 ( m/s) και θερμοκρασίες έως C. (δ) Ψεκασμός με χρήση πλάσματος (plasma spraying). Ο δαυλός πλάσματος αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια, μεταξύ των οποίων δημιουργείται ηλεκτρικό 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 του δαυλού με τη μορφή φλόγας υψηλής θερμοκρασίας ( C) και ταχύτητας ( m/s). H σκόνη του προς απόθεση υλικού εισάγεται κάθετα στη φλόγα του πλάσματος.

14 ΔΟΜΗ 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 προς επίστρωση 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 3.7α). Η διαδικασία αυτή, επαναλαμβάνεται καθ όλη τη διάρκεια του ψεκασμού, δίνοντας στο επίστρωμα στρωματική δομή (σχήμα 3.7β), με χαρακτηριστική διεπιφανειακή τραχύτητα μεταξύ των διαδοχικών στρώσεων. Το επιθυμητό πάχος επιστρώματος, επιτυγχάνεται με περισσότερα του ενός «περάσματα» του δαυλού. (α) Σχήμα 3.7. Δημιουργία επικάλυψης θερμικού ψεκασμού: (α) Απόθεση ένα προς ένα, των σωματιδίων της ψεκαζόμενης σκόνης. (β) Στρωματική δομή επιστρωμάτων θερμικού ψεκασμού. (β) 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 3.8α). Η πρόσφυση των επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού γίνεται με μηχανική αγκύρωση των σωματιδίων στο

15 υπόστρωμα (σχήμα 3.8β), γι αυτό και επιδιώκεται οι επιφάνειες των υποστρωμάτων προ ψεκασμού να έχουν αυξημένη τραχύτητα. (α) (β) Σχήμα 3.8. Επικάλυψη APS αλούμινας σε μεταλλικό υπόστρωμα: (α) Κάθετη τομή και κάτοψη της επικάλυψης και (β) Διεπιφάνεια επικάλυψης/ υποστρώματος 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 3.9), οι επικαλύψεις θερμικού ψεκασμού χαρακτηρίζονται από στρωματική διάταξη με διεπιφάνειες «χαλαρής συνάφειας» τις επιφάνειες μεταξύ των διαδοχικών στρώσεων. Σχήμα 3.9. Σύγκριση δομής επικαλύψεων PVD και θερμικού ψεκασμού.

16 3.3. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΣΟΥ ΠΑΧΟΥΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΕΜΠΟΤΙΣΜΟΥ ΕΝ ΘΕΡΜΩ Ο εμποτισμός εν θερμώ ή εμβάπτιση σε λουτρό τήγματος (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 επιμετάλλωσης με εμβάπτιση σε λουτρό τήγματος. ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΧΡΗΣΕΙΣ Λουτρό: ZnCl2 + NH4Cl Εξωτερικό στρώμα: Zn Θερμοκρασία: C Διεπιφάνεια: FeZn 3, FeZn 7 Γαλβανισμός (επιψευδαργύρωση) Γάνωμα (επικασσιτέρωση) Επικάλυψη αλουμινίου Λουτρό: τήγμα Sn Θερμοκρασία: C Λουτρό: τήγμα Al Θερμοκρασία: C Πάχος: <75 μm Εξωτερικό στρώμα: Sn Διεπιφάνεια: FeSn, FeSn 2 Πάχος: 5-30 μm Εξωτερικό στρώμα: Al Διεπιφάνεια: FeAl, FeAl 2, FeAl 3, Fe 2 Al 5 Πάχος: <50 μm Προστασία από ατμοσφαιρική διάβρωση Αντιδιαβρωτική, μη τοξική προστασία μεταλλικών βάζων διατήρησης τροφίμων Προστασία από διάβρωση μέχρι θερμοκρασία 540 C ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ Στο κελλί της ηλεκτραπόθεσης (σχήμα 3.10) το προς επικάλυψη αντικείμενο αποτελεί την κάθοδο, ενώ το υλικό επικάλυψης εισάγεται σ αυτό είτε ως καταναλισκόμενη άνοδος, είτε μέσω του υδατικού διαλύματος της ηλεκτρόλυσης, όπου προστίθεται ως άλας του μετάλλου επικάλυψης.

17 Σχήμα Σχηματική παρουσίαση ηλεκτρολυτικού κελλιού για την επιμετάλλωση μεταλλικών αντικειμένων. Η δημιουργία ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων υπακούει στο νόμο του Faraday: όπου: α, η απόδοση του ρεύματος I. t. AB m n. F 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 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 ΒΗΝ Θαμπό φαιό Μικρή Αντιδιαβρωτικές Cd HV Λαμπερό λευκό Μέτρια Αισθητικές Sn 5 ΒΗΝ Λαμπερό λευκό Μικρή Αντιδιαβρωτικές, αντιμικροβιακές Cu HV Λαμπερό ροζ Μικρή Ηλεκτρικές Ni ΗV Λευκό Καλή Αντιδιαβρωτικές Cr HV Αριστη Αντιτριβικές Al HV Λευκό Μικρή Θερμικής προστασίας Co Knoop Φαιό Καλή Οπτικές

18 3.4. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΑΝΟΔΙΩΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην 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 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 ΣΤΑΔΙΑ ΑΝΟΔΙΩΣΗΣ 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

19 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), σε μπάνιο 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 3.11). (α) Σχήμα Δομή ανοδικών στρωμάτων: (α) Σχηματική παρουσίαση, (β) Μικροδομή από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). (β)

20 Χρωματισμός: Το έγχρωμο ανοδιωμένο αλουμίνιο επιτυγχάνεται με την εναπόθεση έγχρωμων στοιχείων στους πόρους του ανοδικού επιστρώματος (ηλεκτρολυτικός χρωματισμός) και γίνεται μετά την φάση της ανοδίωσης και πριν τη φάση του σφραγίσματος. Τα πλέον διαδεδομένα χρώματα ανοδίωσης είναι οι αποχρώσεις του καφέ. Αυτό επιτυγχάνεται με την εμβάπτιση των τεμαχίων σε μπάνιο που περιέχει άλατα κασσιτέρου (Sn). Ανάλογα με το χρόνο παραμονής τους στο μπάνιο, επιτυγχάνονται οι διάφορες αποχρώσεις του καφέ. Σφράγισμα: Το σφράγισμα των πόρων αποτελεί μία από τις βασικότερες διεργασίες προκειμένου να εξασφαλισθεί η σωστή προστασία του αλουμινίου. Όπως αναφέρθηκε πριν, το ανοδικό επίστρωμα παρουσιάζει πόρους. Στα σημεία των πόρων, το πάχος της ανοδίωσης είναι πολύ μικρό (2-3 μικρά), και η προστασία στα σημεία αυτά είναι ασθενής. Με την διαδικασία του σφραγίσματος ενυδατώνεται το οξείδιο του αλουμινίου και με διόγκωσή του στη συνέχεια σφραγίζονται οι πόροι. Επιπλέον, στην περίπτωση που έχει προηγηθεί η διαδικασία του ηλεκτρολυτικού χρωματισμού, οι χρωστικές ύλες εγκλωβίζονται μέσα στους πόρους και εξασφαλίζεται έτσι η σταθερότητα του χρώματος στον χρόνο. Ανάλογα με την τελική εφαρμογή του τελικού αντικειμένου, η χημική σύσταση των λουτρών ανοδίωσης και η θερμοκρασία τους μεταβάλλονται, ώστε το ανοδικό στρώμα να έχει το πάχος και τις ιδιότητες που απαιτούνται. Ενδεικτικά: Η κοινή θειική ανοδίωση χρησιμοποιείται για διαφανή ανοδικά στρώματα με πάχος 5-30 μm που βρίσκουν εφαρμογές στη διακόσμηση και την αρχιτεκτονική. Η χρωμική ανοδίωση χρησιμοποιείται για φαιά ανοδικά στρώματα με πάχος 3-7 μm που βρίσκουν εφαρμογές στη ναυπηγική και την αεροναυπηγική. Η σκληρή ανοδίωση χρησιμοποιείται για ανοδικά στρώματα υψηλής σκληρότητας με πάχος μm που βρίσκουν μηχανολογικές εφαρμογές. 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.

21 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 επιφανειακής κατεργασίας είτε με μηχανικό ή θερμικό τρόπο χωρίς μεταβολή στη χημική σύσταση του υλικού, είτε με διάχυση στο επιφανειακό στρώμα «ευκίνητων» ατόμων 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). Κατά τη σφαιροβολή, δέσμη ταχέως κινούμενων σφαιριδίων από σκληρυμένο χάλυβα, κεραμικό ή γυαλί προσκρούει στην κατεργαζόμενη επιφάνεια (σχήμα 4.1) προκαλώντας πλαστική παραμόρφωση των επιφανειακών στρωμάτων του υλικού, η οποία εισάγει μεταβολές στο πεδίο των επιφανειακών τάσεων (σχήμα 4.2α). 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 4.2β). 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.

22 (β) (α) Σχήμα 4.1. Επιφανειακή κατεργασία με σφαιροβολή: (α) Βιομηχανική εφαρμογή και (β) Σχηματική παρουσίαση της τεχνικής. Σχήμα 4.2. Μεταβολή πεδίου τάσεων σε επιφανειακό στρώμα: (α) Θλιπτικές επιφανειακές τάσεις μετά τη σφαιροβολή και (β) Μείωση συνολικών τάσεων κατά τη λειτουργία 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 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.

23 Επιφανειακό στρώµα χάλυβα θερµαίνεται σε θερµοκρασία υψηλότερη της θερμοκρασίας ωστενιτοποίησης (Α c3 ), 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 Α c3 και της Α c1, σημειώνεται μερική ωστενιτοποίηση που κατά την ταχεία ψυξη δίνει φερριτική-μπαινιτική δομή. Στο υποκείμενο υλικό του οποίου η θερμοκρασία δεν ξεπερνα την Α c1, παρατηρείται επαναφορά και ελάχιστη μείωση της σκληρότητας του υλικού 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 550 ΗV και συνήθως κυµαίνεται µεταξύ 1-2 mm, αλλά µπορεί να φθάσει µέχρι 6-8 mm, αναλόγως των συνθηκών κατεργασίας και της χηµικής σύστασης του χάλυβα ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ ΧΑΛΥΒΩΝ Η σκλήρυνση με επιφανειακή βαφή εφαρμόζεται σε κοινούς ανθρακούχους χάλυβες και μικροκραματωμένους χάλυβες με ποσοστό άνθρακα %. Στα πλεονεκτήματα της μεθόδου συγκαταλέγονται το χαμηλό της κόστος και η δυνατότητα κατεργασίας σε σχετικά μεγάλο βαθος από την επιφάνεια. Τα κυριότερα μειονεκτήματά της είναι οι περιορισμοί που τίθενται από τη χημική σύσταση των χαλύβων, καθώς και η πιθανότητα διαστασιακής στρέβλωσης του αντικειμένου. Η επιφανειακή θέρμανση γίνεται συνήθως με χρήση επαγωγικών πηνίων (επαγωγική βαφή, induction hardening), φλόγιστρων (φλογοβαφή, flame hardening), αντιστάσεις υψίσυχνου ρεύματος (high frequency resistance hardening), δεσμών υψηλής ενεργειας (laser transformation hardening και electron beam hardening). Η ταχεία ψύξη γίνεται με ψεκασμό ή βυθιση του αντικειμένου σε νερό ή λάδι.

24 Στον πίνακα 4.1., παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά των τεχνικών επιφανειακής βαφής χαλύβων. Πίνακας 4.1. Κύρια χαρακτηριστικά τεχνικών επιφανειακής βαφής χαλύβων. ΦΛΟΓΟΒΑΦΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΒΑΦΗ ΒΑΦΗ ΜΕ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Τοπική θέρμανση με φλόγα αερίων (ακετυλένιο, προπάνιο ή φυσικό αέριο). Βάθος σκλήρυνσης εξαρτώμενο από τη μεταφορά θερμότητας από το μίγμα καυσίμου/ οξυγόνου προς το αντικείμενο. Αυτοματοποιημένες διατάξεις θέρμανσης/ ψύξης Ευκολία κατεργασίας αντικειμένων σύνθετης γεωμετρίας. Ενίοτε δαπανηρή και δύσκολα ελεγχόμενη. Πηνίο διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα επάγοντας δινορρεύματα στο κατεργαζόμενο τεμάχιο. Τα δινορρεύματα προκαλούν θέρμανση λόγω του φαινομένου Joule. Υψηλή συχνότητα ρεύματος στο πηνίο (500kHz) προκαλεί μικρό βάθος βαφής (0,5mm). Χαμηλή συχνότητα ρεύματος στο πηνίο (1kHz) προκαλεί μεγάλο βάθος βαφής (5mm). Ταχεία, επαναλήψιμη και «καθαρή». Ταχεία απαγωγή της θερμότητας με υδρόψυξη. Επιλεκτική σκλήρυνση. Χαμηλό κόστος ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Ο όρος θερμοχημική κατεργασία (thermochemical surface treatment) χρησιμοποιείται για την περιγραφή μιας ομάδας επιφανειακών κατεργασιών που συνίστανται στον εμπλουτισμό επιφανειακού στρώματος χάλυβα σε άνθρακα, άζωτο ή βόριο. Ο εμπλουτισμός γίνεται με μηχανισμούς διάχυσης σε στερεή κατάσταση, οι οποίοι επιταχύνονται σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Το φαινόμενο υπακούει στο δεύτερο νόμο του Fick, για διάχυση σε μη μόνιμη κατάσταση. Το προς κατεργασία αντικείμενο τοποθετείται στον αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασίας, όπου βρίσκεται σε άμεση επαφή με το φορέα του στοιχείου διάχυσης που εισάγεται υπό τη μορφή σκόνης (pack cementation), αερίου ή τηγμένου άλατος. Οι πιο συχνά εφαρµοζόµενες θερµοχηµικές κατεργασίες σε βιοµηχανική κλίµακα είναι: Eνανθράκωση (carburising) Eναζώτωση (nitriding)

25 Eνανθρακαζώτωση (nitrocarburising) Bορίωση (boronising) ΕΝΑΝΘΡΑΚΩΣΗ Η ενανθράκωση εφαρµόζεται κυρίως σε χάλυβες µε χαµηλό ποσοστό άνθρακα (0,10-0,25%) και πραγματοποιείται σε δυο στάδια: 1ο στάδιο διάχυσης O χάλυβας θερµαίνεται παρουσία ενανθρακωτικού µέσου σε θερµοκρασία πλήρους ωστενιτοποίησης ( C). Τα άτοµα άνθρακα διαχέονται στο πλέγµα του ωστενίτη, σε ορισµένο βάθος από την επιφάνεια, µέχρι την τιµή της µέγιστης διαλυτότητας σ αυτόν (0,80 %). Ακολουθεί βραδεία απόψυξη µέχρι τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Λόγω της παρατεταµένης θέρµανσης, σχηµατίζονται κόκκοι µεγάλου µεγέθους, τόσο στον πυρήνα (φερρίτης και περλίτης), όσο και στην εµποτισµένη επιφάνεια (σεµεντίτης και περλίτης). 2ο στάδιο βαφής Μετά τη διάχυση το αντικείμενο θερμαίνεται σε θερμοκρασία υψηλότερη της Α c3, ώστε ο χονδρόκοκκος ωστενίτης του πυρήνα να μετασχηματιστεί σε λεπτόκοκκο ωστενίτη και ακολουθεί βαφή σε νερό. Ετσι, ο λεπτόκοκκος ωστενίτης του πυρήνα μετασχηματίζεται σε λεπτόκοκκο φερρίτη και µαρτενσίτη, η δοµή όµως της εµποτισµένης επιφάνειας παραµένει χονδρόκοκκη. Το αντικείμενο, σε δεύτερη φαση, επαναθερμαίνεται στους 760 ο C και σχηματιζεται λεπτόκοκκος ωστενίτης ευτηκτοειδούς σύστασης στην εµποτισµένη επιφάνεια. Με τη βαφή σε λάδι που ακολουθεί, ο λεπτόκοκκος αυτός ωστενίτης μετασχηματίζεται σε λεπτόκοκκο σκληρό µαρτενσίτη, ενώ ο µαρτενσίτης του πυρήνα υφίσταται επαναφορά. Ως μέσα ενανθράκωσης (πηγές ατμόμων άνθρακα που θα διαχυθουν) χρησιμοποιούνται είτε μίγματα κόνεων ξυλάνθρακα και ανθρακούχων ενώσεων, τήγματα ανθρακούχων ενώσεων, είτε αέρια μίγματα οξειδίων του άνθρακα, υδρογονανθράκων και υδρογόνου. Το βάθος εμποτισμού εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το χρόνο της κατεργασίας. Για δεδομένη θερμοκρασία το βάθος εμποτισμού δίνεται από την εμπειρική σχέση: x=(2dt) 1/2, όπου: D ο συντελεστής διάχυσης και t ο χρόνος ενανθράκωσης. Συνήθως επιλέγεται να ενανθρακωθεί το χαλύβδινο αντικείμενο σε βάθος ίσο προς το 10% της

26 µέγιστης διάστασης της διατοµής του. Ο χρόνος ενανθράκωσης κυµαίνεται µεταξύ 4-5 h, ενώ ο συντελεστής διάχυσης αυξάνεται µε αύξηση του ποσοστού C. Όταν ενανθρακώνονται αντικείµενα µε πολύπλοκη γεωµετρία και διαβαθµίσεις πάχους, πρέπει να δίνεται µεγάλη προσοχή στα σηµεία µεγάλης καµπυλότητας, όπου το βάθος ενανθράκωσης µπορεί να είναι µεγαλύτερο από το πάχος του αντικειµένου. Στην περίπτωση αυτή δηµιουργούνται καρβίδια στα όρια κόκκων που οδηγούν σε ψαθυρή συµπεριφορά του υλικού ΕΝΑΖΩΤΩΣΗ Η εναζώτωση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία C (χαμηλότερη της ευτηκτικής του συστήµατος Fe-N ~590 C), χωρίς ο χάλυβας να υφίσταται ωστενιτοποίηση. H διάχυση του αζώτου στο πλέγµα του φερρίτη (α-fe) οδηγεί στο σχηµατισµό κατακρηµνισµάτων ή στρώµατος νιτριδίων, στα οποία οφείλεται η πολύ υψηλή επιφανειακή σκληρότητα. Οταν στο χάλυβα περιέχονται και στοιχεία όπως Al, Cr, Mo and V, τα οποία έχουν την τάση σχηματισμού νιτριδίων η σκληρότητα στο επιφανειακό στρώμα μπορεί να υπερβεί τα 750HV. Επιπλέον, παρατηρείται: Βελτίωση της αντοχής σε κόπωση (σχήμα 4.3), λόγω της εισαγωγής «επωφελούς» πεδίου θλιπτικών τάσεων στην επιφανειακή στιβάδα, που προέρχεται από τη στρέβλωση του κρυσταλλικού πλέγµατος του Fe από την παρουσία των νιτριδίων. Βελτίωση της αντοχής σε φθορά, λόγω του χαµηλού συντελεστή τριβής των νιτριδίων Σχήμα 4.3. Βελτίωση της συμπεριφοράς σε κόπωση εναζωτωμένου χυτοσιδήρου.

27 Μικροσκληρότητα (ΗV 0.3 ) AISI D6: 2% C, 12.5% Cr, 0.8% Mn, 0.3% Si Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» ΕΝΑΝΘΡΑΚΑΖΩΤΩΣΗ Κατά την ενανθρακαζώτωση πραγματοποείται ταυτόχρονη ενανθράκωση και εναζώτωση των χαλύβδινων προϊόντων σε θερμοκρασία 570 C. Τα συνήθη μέσα βιομηχανικής ενανθρακαζώτωσης είναι είτε λουτρά τήγματος κυανιούχων αλάτων, είτε αέρια µίγµατα ΝΗ 3 και CO. Με την κατεργασία αυτή δημιουργείται (σχήμα 4.4): Ενα επιφανειακό στρώμα αντίδρασης, που καλείται συνήθως «λευκό στρώμα», το οποίο αποτελείται κυρίως από ε-καρβονιτρίδιο και εμφανίζει υψηλή μικροσκληρότητα και άριστη συμπεριφορά σε φθορά/ τριβή. Μια ζώνη διάχυσης, θλιπτικών παραμενουσών τάσεων, η σκληρότητα της οποίας μειώνεται με το βάθος από την επιφάνεια. Ζώνη αντίδρασης ε-καρβονιτρίδιο Fe 2-3 (C,N) & γ -νιτρίδιο Fe 4 N Αύξηση της αντοχής σε φθορά λόγω τριβής: Ζώνη διάχυσης Μικροδομή εξαρτώμενη από τα κραματικά στοιχεία Αύξηση της αντοχής σε κόπωση (α) Κατεργασμένη ζώνη AISI D6 Μέταλλο βάσης AISI H Απόσταση από την επιφάνεια (μm) Σχήμα 4.4. Ενανθρακαζώτωση δυο εργαλειοχαλύβων: (α) Μικροδομή επιφανειακού στρώματος (κάθετη τομή) και (β) Κατανομή της μικροσκληρότητας με το βάθος κατεργασίας. (β)

28 ΒΟΡΙΩΣΗ Κατά τη βορίωση, άτομα βορίου διαχέονται στην επιφάνεια κοινού ανθρακούχου ή μικροκραματωμένου χάλυβα σε θερμοκρασία 950 C. Το επιφανειακό στρώμα βοριδίων του σιδήρου που δημιουργείται έχει συνήθως πάχος ~100μm (αναλόγως του χρόνου κατεργασίας), ενώ η σκληρότητά του κυμαίνεται από 1800 έως 2100HV. Εκτός απο τους χάλυβες η τεχνική μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για την επιφανειακή κατεργασία κραμάτων κοβαλτίου, νικελίου και τιτανίου. (α) (β) Σχήμα 4.5. (α) Μικροδομη βοριωμένου χάλυβα και (β) Καμπύλες διάβρωσης από τηγμένα μέταλλα Εκτός από την υψηλή σκληρότητα, στα πλεονεκτήματα της τεχνικής συγκαταλέγεται η πολύ καλή πρόσφυση του στρώματος των βοριδίων λόγω της ιδιαίτερης «οδοντωτής»

29 δομής που λαμβάνεται (σχήμα 4.5α) και η πολύ υψηλή προστασία που προσφέρει στο υποκείμενο μέταλλο ένατι διάβρωσης από τηγμένα μέταλλα (σχήμα 4.5β). Τα μειονεκτήματα της τεχνικής είναι η πολύ υψηλή θερμοκρασία κατεργασίας που πιθανά να εισάγει διαστασιακές στρεβλώσεις, η ευθραυστότητα του επιφανειακού στρώματος και η χαμηλή αντοχή σε ατμοσφαιρική διάβρωση.

30 5. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΔΕΣΜΩΝ LASER Η τεχνολογία των laser για εφαρμογές στον κλάδο της βιομηχανικής επιφανειακής κατεργασίας υλικών άρχισε να βρίσκει φανατικούς οπαδούς στις αρχές της δεκαετίας του 80 (1980). Εικοσιπέντε χρόνια μετά η τεχνολογία αυτή εξακολουθεί να έχει πολλούς οπαδούς, παρά τα όποια μειονεκτήματα που καταγράφηκαν στην πορεία. Κοινό χαρακτηριστικό των επιφανειακών κατεργασιών με laser είναι η συγκεντρωμένη ακτινοβόληση του υλικού με μονοχρωματική δέσμη υψηλής ενέργειας. Ανάλογα με το είδος της πηγής παραγωγής της μονοχρωματικής δέσμης, τα laser εκπέμουν ακτινοβολία σ ενα ευρύ φάσμα μηκών κύματος (πίνακας 5.1). Πίνακας 5.1. Πηγές Laser που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές κατεργασίες υλικών. ΕΙΔΟΣ ΠΗΓΗΣ LASER ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Laser CO 2 10,6 μm (μακρυνό υπέρυθρο) Laser Nd:YAG 1,06 μm (εγγύς υπέρυθρο) και 0,530 μm (ορατό) Excimer Laser 0,248 μm (υπεριώδες Η μονοχρωματική δέσμη, διαφόρων τιμών ισχύος, κατευθύνεται μέσα από σύστημα κατόπτρων και φακών στην επιφάνεια του αντικειμένου και εστιάζεται πάνω από το υλικό, στην επιφάνειά του ή μέσα σ αυτό. Αναλόγως του τρόπου με τον οποίο παρέχεται η ισχύς, διακρίνουμε πηγές laser που λειτουργούν κατά συνεχή ή παλμικό τρόπο και ο χρόνος αλληλεπίδρασής τους με το υλικό καθορίζεται, αντιστοίχως, από την ταχύτητα μετακίνησης της δέσμης ή τη διάρκεια και τη συχνότητα των παλμών. Το αποτέλεσμα που έχει η ακτινοβόληση του υλικού με δέσμες laser, εκτός από τις παραμέτρους εργασίας, επηρεάζεται επίσης από τις οπτικές και τις θερμικές ιδιότητες του κατεργαζόμενου υλικού. Οι πρώτες καθορίζουν το ποσοστό της ακτινοβολίας που θα απορροφηθεί ως θερμική ενέργεια από το υλικό και το βάθος από την επιφάνεια στο οποίο αυτό θα συμβεί. Οι δεύτερες καθορίζουν την ταχύτητα διάχυσης και απαγωγής της θερμικής αυτής ενέργειας και κατά συνέπεια το τελικό αποτέλεσμα στο υλικό.

31 Το ιδιαίτερο ενδιαφέρον που έχει η τεχνολογία laser για τις επιφανειακές κατεργασίες εκπηγάζει από το γεγονός ότι υψηλή πυκνότητα ενέργειας δύναται να παρέχεται για μικρό σχετικά χρονικό διάστημα σε επιφανειακό μόνο στρώμα υλικού, ενώ ταχύτατη είναι επίσης η απαγωγή της προς το υπόλοιπο υλικό και τον περιβάλλοντα χώρο (σχήμα 5.1). Με τον τρόπο αυτό, τα φαινόμενα είναι επιφανειακά, ο όγκος του υπόλοιπου υλικού παραμένει ανεπηρέαστος, ενώ λαμβάνουν χώρα μετασχηματισμοί φάσεων εκτός των προβλεπομένων από τα αντίστοιχα διαγράμματα ισορροπίας των φάσεων (μετασχηματισμοί εκτός ισορροπίας). (α) (β) Σχήμα 5.1. Επιφανειακή κατεργασία μεταλλικού υλικού με χρήση laser: (α) Εικόνα laser σε λειτουργία και (β) Σχηματική παρουσίαση της χρήσης του laser για την κατεργασία του υλικού. Στο σχήμα 5.2, παρουσιάζεται ο χάρτης κατεργασιών μεταλλικών υλικών με χρήση πηγών laser ως συνάρτηση της πυκνότητας ισχύος της δέσμης και του χρόνου επίδρασής της επί του υλικού. Οι επιφανειακές κατεργασίες που υλοποιούνται με τη χρήση δεσμών laser, μπορούν γενικά να καταταγούν σε:

32 Πυκνότητα ισχύος της δέσμης, W.cm -2 1,0E+11 1,0E+10 1,0E+09 1,0E+08 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 Πυκνότητα ενέργειας, J.cm Απομάκρυνση επιφανειακών οξειδίων Σκλήρυνση λόγω κρουστικών κυμάτων Διάτρηση Ταχεία επιφανειακή τήξη & κραματοποίηση Συγκόλληση & Κοπή Cladding & Επιφανειακή τήξη Σκλήρυνση λόγω μετασχηματισμού φάσεων 1,0E-10 1,0E-09 1,0E-08 1,0E-07 1,0E-06 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 Χρόνος αλληλεπίδρασης laser-υλικού, s Σχήμα 5.2. Χάρτης κατεργασιών μεταλλικών υλικών με χρήση πηγών laser. 1. Κατεργασίες που οδηγούν σε επιφανειακά υψηλές θερμοκρασίες ως την τήξη επιφανειακού στρώματος και την εν συνεχεία ταχεία επαναστερεοποίησή του. Τέτοιες είναι: Η επιφανειακή σκλήρυνση μέσω ανάτηξης (laser melting) και ταχείας επαναστερεοποίησης (σχήμα 5.3). Η ολική τήξη προαποτεθέντος στρώματος σκόνης και δημιουργία επικάλυψης (cladding), η οποία αφορά υλικά δύστηκτα με συμβατικές τεχνικές (σχήμα 5.4). Η επιφανειακή κραματοποίηση (laser surface alloying), συνήθως με δημιουργία επιφανειακού στρώματος σύνθετου υλικού μεταλλικής μήτρας με ενίσχυση κεραμικών σωματιδίων, κατά την οποία επιφανειακό στρώμα του μετάλλου τήκεται, ενώ ταυτόχρονα στο τήγμα παρέχονται τα κεραμικά σωματίδια (σχήμα 5.5).

33 Σχήμα 5.3. Μικροδομή επιφανειακά σκληρυμένου χάλυβα με τήξη και ταχεία στερεοποίηση. Σχήμα 5.4. Δημιουργία επικάλυψης στελλίτη σε χάλυβα με τη χρήση laser CO 2. (α) Σχήμα 5.5. Επιφανειακή κραματοποίηση: (α) Σχηματική παρουσίαση της κατεργασίας και (β) Μικροδομή επιφανειακού στρώματος μήτρας Al με ενίσχυση σωματιδίων SiC. (β)

34 2. Κατεργασίες που οδηγούν σε αναθέρμανση χωρίς τήξη επιφανειακού στρώματος και εν συνεχεία ταχεία απόψυξη. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται σκλήρυνση μέσω μετασχηματισμού φάσεων, π.χ. επιφανειακή βαφή του υλικού (σχήμα 5.6). 900 ΗV 380 ΗV Σχήμα 5.6. Μικροδομή χυτοσιδήρου σφαιροειδούς γραφίτη μετά από επιφανειακή του σκλήρυνση με χρήση παλμικού laser Nd:YAG 3. Κατεργασίες χαμηλής θερμοκρασίας, στις οποίες η χρήση πηγής laser ενεργοποιεί μηχανικά φαινόμενα. Πρόκειται για κατεργασίες που πραγματοποιούνται με χρήση δέσμης υψηλής ισχύος, η οποία όμως επιδρά στο υλικό για πολύ μικρό χρονικό διάστημα (της τάξεως των ns). Με τον τρόπο αυτό, ένα μεταλλικό υλικό σκληραίνεται επιφανειακά με την εισαγωγή θλιπτικών τάσεων που προκαλούνται από κρουστικά κύματα (laser shock hardening) ή απομακρύνονται επιφανειακά στρώματα ανεπιθύμητων οξειδίων (laser cleaning) από τη μεταλλική επιφάνεια με μηχανική θραύση της διεπιφάνειας (σχήμα 5.7). Τέλος, δέσμες laser χρησιμοποιούνται για την επιφανειακή διαμόρφωση της μεταλλικής επιφάνειας και την τοπική αφαίρεση υλικού με εξάχνωση, η οποία ως σκοπό μπορεί να έχει είτε τη χάραξη (laser marking) παραστάσεων ακριβείας (σχήμα 5.8), είτε τη διαμόρφωση κοιλοτήτων μικρών διαστάσεων (laser micromachining) που θα λειτουργήσουν ως «αποθήκες» λιπαντικού κατά τη λειτουργία (σχήμα 5.9). Τέλος, πηγές laser χρησιμοποιούνται σε θαλάμους PVD προκειμένου να προκαλέσουν την εξάχνωση του προς επικάλυψη υλικού από στερεό στόχο (laser-assisted PVD).

35 (α) Σχήμα 5.7. Μηχανική απομάκρυνση θερμικών οξειδίων από την επιφάνεια ανοξείδωτων χαλύβων με παλμικό laser Nd:YAG: (α) Επιφάνεια οξειδίων πριν την ακτινοβόληση και (β) Αποκαλυμμένη «καθαρή» μεταλλική επιφάνεια. (β) Σχήμα 5.8. Παραστάσεις, μεγέθους μερικών χιλιοστών, που χαράχτηκαν με ακρίβεια στην επιφάνεια φύλλου χαλκού με χρήση laser Nd:YAG (α) (β) (γ) Σχήμα 5.9. Επιφανειακή μικροκατεργασία για τη διαμόρφωση μικροκοιλοτήτων. Ελεγχόμενη επιφανειακή εξάχνωση κράματος τιτανίου, με παλμικό Excimer laser. (α)(γ): αύξηση αριθμού παλμών.