ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΒΟΡΙΩΣΗΣ ΣΕ ΧΑΛΥΒΑ st-37 ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΟΔΟ SLURRY

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ Επιβλέπων: ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΤΣΙΠΑΣ Καθηγητής Υπεύθυνος Παρακολούθησης: ΣΤΕΡΓΙΟΥΔΗ ΦΑΝΗ Δρ. ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΒΟΡΙΩΣΗΣ ΣΕ ΧΑΛΥΒΑ st-37 ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΟΔΟ SLURRY ΛΙΑΚΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΑΕΜ: 5004 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2014

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Φτάνοντας στο τέλος αυτής της προσπάθειας νιώθω την ανάγκη να ευχαριστήσω όλους του καθηγητές μου για την πολύτιμη συνεισφορά τους κατά τη διάρκεια της φοίτησής μου στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Α.Π.Θ.. Θέλω να πιστεύω πως τα εφόδια που αποκόμισα όλα αυτά τα χρόνια, θα με βοηθήσουν στη συνέχεια τόσο σε επαγγελματικό όσο και σε προσωπικό επίπεδο. Ευχαριστώ θερμά τον καθηγητή μου, κ. Δημήτριο Τσιπά, που μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ με το αντικείμενο της τεχνολογίας υλικών, που αποτελεί έναν κλάδο πολύ σημαντικό και αναπόσπαστο για κάθε μηχανικό. Στην έως τώρα παρουσία μου στο εργαστήριο Μεταλλογνωσίας του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών, είχα την τύχη να συναναστραφώ με εξαίρετους ανθρώπους και σίγουρα μόνο κέρδος αποκόμισα από αυτή μου την πορεία. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την διδάκτορα του εργαστηρίου κα Φανή Στεργιούδη, που ως υπεύθυνη παρακολούθησης της διπλωματικής μου εργασίας, ήταν πάντα πρόθυμη και έτοιμη να με συμβουλέψει και να εργαστεί μαζί μου ώστε το έργο να γίνει ευκολότερο. Η συνεργασία μαζί της ήταν αναμφίβολα πολύτιμη και αναγκαία για να έρθει εις πέρας αυτή η εργασία. Βέβαια, δεν θα μπορούσα να παραλείψω τον καθηγητή κ. Στέφανο Σκολιανό, καθώς και τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Νικόλαο Μιχαηλίδη. Τους ευχαριστώ για το ευχάριστο κλίμα εργασίας και για τις πολύτιμες συμβουλές τους όποτε αυτό ήταν απαραίτητο. Κλείνοντας, ευχαριστώ θερμά τους φίλους και κολλητούς μου Γιάννη, Γιάννη, Αντώνη, Άρη, Βασίλη, Δημήτρη οι οποίοι φρόντισαν στο να γίνουν τα φοιτητικά χρόνια τα πιο όμορφα της μέχρι τώρα ζωής μου. Τέλος, αφιερώνω αυτή την διπλωματική εργασία στους γονείς μου Γιάννη και Μαρία, οι οποίοι μου παρείχαν όλα τα εφόδια ώστε να καταφέρω να φέρω εις πέρας τις σπουδές μου, τόσο υλικά όσο και πνευματικά, καθώς και την αδερφή μου Νένα η οποία μου στέκεται σε όλες τις στιγμές της ζωής μου. 1

3 Περιεχόμενα 1.Εισαγωγή Σ.4 2.Θεωρητικό Υπόβαθρο Σ.5 2.1Μέθοδος pack cementation Σ Μέθοδος Βορίωσης Σ Γενικές πληροφορίες για τη μέθοδο βορίωσης Σ Pack boronizing Σ Paste boronizing Σ Ιδιότητες των στρωμάτων βορίωσης Σ Επιπτώσεις των κραματικών στοιχείων του υποστρώματος Σ.11 στη δομή των στρωμάτων βορίδίου σε σίδηρο/χάλυβα 2.3 Αλουμινίωση Σ Χαρακτηριστικά αλουμινίωσης Σ Μορφή της σχηματιζόμενης επικάλυψης αλουμινίου Σ Μέθοδος slurry Σ Υλικά Σ Προετοιμασία επιφανειών Σ Προετοιμασία επικάλυψης Σ Εφαρμογή της επικάλυψης Σ Στέγνωμα επικάλυψης Σ Θερμική κατεργασία Σ.21 3.Εργαστηριακός εξοπλισμός Σ Ζυγός ακριβείας Σ Κοπή δοκιμίων Σ Λειαντικός τροχός Σ Καθαρισμός με υπερήχους Σ Ανάμιξη σκονών Σ Ξηραντήριο Σ Φούρνοι Σ Εγκιβωτισμός Σ Οπτική μικροσκοπία Σ Περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας Σ Δοκίμια Σ Binder Σ Επικαλύψεις Σ Σκόνες Σ Προετοιμασία slurry Σ Εφαρμογή slurry Σ Στέγνωμα slurry Σ.32 2

4 4.6 Θερμική κατεργασία Σ Ετοιμασία επικαλυμμένων δοκιμίων για οπτική μικροσκοπία Σ Αποτελέσματα και σχολιασμός φωτογραφιών Σ Μικροδομή χάλυβα Σ Σχολιασμός φωτογραφιών επικαλύψεων Σ Δοκίμιο Α (100% Αl w/w ) Σ Δοκίμιο Β (Β 100% w/w) Σ Δοκίμιο Γ (Al 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) Σ Δοκίμιο Δ (KBF 4 100% w/w) Σ Δοκίμιο E (B 10%, KBF 4 2%, Al 2 O 3 88% w/w) Σ Δοκίμιο Ζ (KBF 4 2%, Al 2 O 3 88%, B 4 C 10% w/w) Σ Δοκίμιο Η (Β 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) Σ Δοκίμιο Θ (Al 1%, Β 15%, ΚΒF 4 2%, Al 2 O 3 82% w/w) Σ Συμπεράσματα Σ Βιβλιογραφία Σ.55 3

5 1. Εισαγωγή Με την συνεχόμενη ανάπτυξη και εξέλιξη της τεχνολογίας, υπάρχει μία τάση για αύξηση της αποδοτικότητας κατά την παραγωγή ισχύος. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω της αύξησης της θερμοκρασίας λειτουργίας, καθώς και μέσω της διεύρυνσης του φάσματος των πιθανών καυσίμων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την λειτουργία μιας μηχανής. Πολύ συχνά, η επιλογή του καυσίμου μπορεί να περιορίζεται ώστε να αντιμετωπίσει τόσο περιβαλλοντικούς, όσο και νομοθετικούς ή εμπορικούς στόχους. Γίνεται, επομένως, προφανές πως στις δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας των διαφόρων μηχανολογικών κατασκευών, πρέπει να υπάρχει επαρκής προστασία των εξαρτημάτων. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση των επικαλύψεων οι οποίες επιτρέπουν ασφαλή λειτουργία, για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, σε υψηλά διαβρωτικά περιβάλλοντα και υψηλές θερμοκρασίες. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πρακτική επαφή με το αντικείμενο της μεταλλογνωσίας και η μελέτη και έρευνα ενός πολύ υποσχόμενου κλάδου της που είναι οι επικαλύψεις με φιλικά προς το περιβάλλον χημικά στοιχεία. Μέσω της πειραματικής φύσεως της εργασίας, γίνεται εφικτή η γνωριμία σε βάθος με τα επιμέρους στάδια παραγωγής και εφαρμογής της επικάλυψης με την μέθοδο slurry. Τέλος, γίνεται μια προσπάθεια εφαρμογής μιας μεθόδου υδατικής φύσεως σε μη ανοξείδωτο υλικό, η οποία αποτελεί ένα πολύ ενδιαφέρον αντικείμενο προς μελέτη στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης. 4

6 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο Οι επικαλύψεις μπορούν να χωριστούν σε πολλές κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής και εφαρμογής τους. Οι κυριότερες κατηγορίες είναι οι εξής: 2.1 Μέθοδος pack cementation Σκοπός των επικαλύψεων με την μέθοδο pack cementation, είναι η βελτίωση των ιδιοτήτων των υλικών, τόσο των διαβρωτικών, όσο και των μηχανικών και των ηλεκτρικών.[1] Πρόκειται για CVD(ChemicalVaporDisposition) μέθοδο επικάλυψης, όπου το υλικό της επικάλυψης,την στιγμή που γίνεται η διάχυσή του στο μητρικό υλικό, βρίσκεται σε αέρια φάση[2]. Κατά την επικάλυψη με την παρούσα μέθοδο, πριν την εναπόθεση της επικάλυψης, γίνεται προθέρμανση του υποστρώματος. Το κλασσικό πακέτο περιλαμβάνει τέσσερα μέρη: το υπόστρωμα ή τα μηχανικά μέρη που πρόκειται να επικαλυφθούν, το μίγμα σκόνης που περιέχει τα χημικά συστατικά που θα τοποθετηθούν στην επιφάνεια μέσω της επικάλυψης, ένα πληρωτικό μέσο (Αl 2 O 3, SiO 2 ή SiC) αλογονούχο άλας ως ενεργοποιητή (NaCl, NaF, NH 4 Cl, κλπ.) Σημαντικό πλεονέκτημα της παραπάνω διαδικασίας είναι η απουσία καπνού κατά την διάρκεια της επίστρωσης του επιθυμητού υλικού, καθώς το σύστημα είναι μονωμένο, και η ατμόσφαιρα κατά την θέρμανση είναι αδρανής (συνήθως παρουσία Αr). Επίσης η μέθοδος είναι αρκετά οικονομική, καθώς απαιτεί αρκετά χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση σε σχέση με άλλες μεθόδους όπως ο γαλβανισμός με εμβάπτιση ή το sputtering. [3] Το μίγμα σκόνης, ο ενεργοποιητής και το πληρωτικό μέσο ανακατεύονται εκτενώς, και τα προς επικάλυψη τεμάχια βυθίζονται στο μίγμα αυτό, μέσα σε ένα αποστακτήρα υψηλής θερμικής αντοχής. Στο εμπόριο, αντιστρόφως στοιβάζονται κιβώτια Inconel χρησιμοποιούνται ως αποστακτήρες. Το αντιστρόφως στοίβαγμα στα κιβώτια, δημιουργεί οδούς για το αδρανές φέρον αέριο. Ως είσοδος για αυτό το αέριο, χρησιμοποιείται ένας σωλήνας που τοποθετείται στο εξωτερικό του κιβωτίου. Το δοχείο τέλος σφραγίζεται με ένα εύτηκτο πυριτικό υλικό. Το κλειστό δοχείο θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες (π.χ o C) σε αδρανή ατμόσφαιρα, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Αναλόγως με το μέγεθος των δοκιμίων προς επικάλυψη, οι ρυθμοί θέρμανσης ποικίλουν μεταξύ του εύρους 4-12 ωρών. Στην αυξημένη αυτή θερμοκρασία, το μίγμα σκόνης αντιδρά με τον ενεργοποιητή και παράγει πτητικά αλογονούχα μέταλλα, τα οποία διαχέονται ανάμεσα από την αέρια φάση του πορώδους πακέτου, και τελικά επικάθονται και διαχέονται στο υπόστρωμα του προς επικάλυψης τεμαχίου. Η θερμοκρασία θέρμανσης εκλέγεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να παράγεται επαρκής πίεση του αλογονούχου ατμού, αλλά και πραγματοποίηση διάχυσης σε στερεά κατάσταση. Επειδή, γενικά, οι πιέσεις των ατμών των 5

7 πτητικών αλογόνων διαφέρει σημαντικά σε μέγεθος από στοιχείο σε στοιχείο, η εναπόθεση μόνο ενός στοιχείου επιχειρείται συνήθως. Παρόλα αυτά, με πρόσφατες εξελίξεις στον κλάδο, μπορεί να επιτευχθεί συνδυαστική διάχυση δύο ή περισσοτέρων στοιχείων. [1,3] 2.2 Μέθοδος Βορίωσης Γενικές πληροφορίες για τη μέθοδο βορίωσης Είναι γνωστό πως η σκληρότητα, δηλαδή η δυνατότητα χάραξης ενός υλικού με ένα άλλο, είναι μια βασική παράμετρος για να εκτιμηθεί η αντίσταση στη φθορά. Σχετικό παράδειγμα αποτελεί η επικάλυψη βορίωσης.η βορίωση είναι μια θερμοχημική επιφανειακή κατεργασία, όπου άτομα βορίου διαχέονται σε ένα μεταλλικό υπόστρωμα για να δημιουργήσουν μία, ή περισσότερες, σκληρές στρώσεις βορίου στην μεταλλική επιφάνεια. [4-11] Επίσης, δημιουργείται και μια μεγάλη ζώνη διάχυσης βορίου ακριβώς κάτω απο την εξωτερική ζώνη βορίωσης, με αποτέλεσμα να προσδίδεται ικανοποιητική μηχανική στήριξη στην τελευταία. Τα βορίδια του σιδήρου αποτελούν γενικά χημικά σταθερές και σκληρές ενώσεις, η σκληρότητα των οποίων κυμαίνεται μεταξύ 1700 έως και 2150 ΗΚ. Τέλος, δεν πρέπει να παραληφθεί η αναφορά στην πολύ καλή αντοχή σε κόπωση και σε διάβρωση που παρουσιάζουν τα βορίδια του σιδήρου.[12-15] Η βορίωση μπορεί να λάβει χώρα τόσο σε στερέο, σε υγρό, όσο και σε αέριο μέσο. [16-28]. Η διαδικασία περιλαμβάνει συνήθως την θέρμανση του υποστρώματος σε μια θερμοκρασία ανάμεσα στους 700 ο C με 1000 ο C για συγκεκριμένη ώρα (1-12 ώρες) και στο κατάλληλο χημικό περιβάλλον. Τα βορίδια του χάλυβα παρουσιάζουν ανώτερες τριβολογικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα αντίστοιχα καρβίδια και νιτρίδια χαλύβων, κυρίως λόγω της ανώτερης σκληρότητας (16 με 20GPa) σε αντίθεση με τις άλλες δύο κατηγορίες των οποίων η σκληρότητα κυμαίνεται στο εύρος των 7 με 11 GPa.[29] Η σκληρότητα της στρώσης βορίωσης είναι συγκρίσημη με εκείνη μεταβατικών επικαλύψεων μεταλλικών νιτριδίων και καρβιδίων, που έχουν παραχθεί μέσω PVDκαι CVDμεθόδους. Σε σύγκριση με τις επιφάνειες νιτριδίων και καρβιδίων, και άλλων επικαλύψεων οξειδίων, οι επιφάνειες βορίωσης παρέχουν πολύ υψηλότερη αντοχή σε θερμική κόπωση, σε οξείδωση, σε διάβρωση λόγω οξέων και υψηλή αντίσταση σε διάβρωση από ελαφρά υγρά μέταλλα. [30,31] 6

8 2.2.2 Pack boronizing Η μέθοδος pack boronizing είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη διαδικασία βορίωσης, λόγω της απλότητάς της. Η μέθοδος περιλαμβάνει την ενσωμάτωση μεταλλικών κομματιών σε ένα μίγμα σκόνης, το οποίο περιέχεται σε ένα στεγανό δοχείο-αποστακτήρα. Η σκόνη αποτελείται από τρία συστατικά, μια πηγή βορίου, ένα φορέα ή πληρωτικό μέσο, και έναν ενεργοποιητή [1]. Ο αποστακτήρας που περιέχει το μίγμα σκόνης και τα στοιχεία που πρέπει να βοριωθούν θερμαίνεται στην απαιτούμενη θερμοκρασία σε αδρανή ατμόσφαιρα. Αυτό διατηρείται σε αυτή τη θερμοκρασία για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (1-12 ώρες) και στη συνέχεια ψύχεται [1].Η μέθοδος pack boronizing εκτελείται γενικά με παράγοντες που αποτελούνται από περίπου 5% B 4 C, 5% το KBF 4 και 90% SiC. Ανάμεσα σε όλες τις άλλες τεχνικές βορίωσης, η pack boronizing είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη από τη βιομηχανία. Είναι μια ώριμη τεχνολογία παρά τις υψηλές θερμοκρασίες επεξεργασίας και τις μεγάλες χρονικές περιόδους που απαιτούνται, παράγοντες που αποτελούν τα μειονεκτήματά της [1, 2]. Μία τυπική διαδικασία pack boronizing περιέχει (περίπου 90%) σκόνη φορέως βορίου ή πληρωτικό μέσο (όπως Al 2 Ο 3 ή SiC), μία πηγή βορίου (όπως το καρβίδιο του βορίου ή άμορφο βόριο), και έναν ενεργοποιητή (όπως NH 4 CI ή το KBF 4 ) για να ενισχυθεί η διάχυση του ατομικού βορίου μέσα στα δοκίμια εργασίας [1, 2]. Το πάχος και ο τύπος των στρωμάτων βοριδίου που λαμβάνονται, καθορίζονται από τις παραμέτρους της διαδικασίας (θερμοκρασία, σύνθεση σκόνης και χρόνος θερμικής κατεργασίας), αλλά τυπικά βρίσκονται στην κλίμακα από 10 έως 300 μm. Χρησιμοποιώντας την ανωτέρω διαδικασία, το μίγμα σκόνης μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί για περίπου 5-6 φορές με ανάμιξη σε 20-50% με το νέο μίγμα σκόνης [1, 2]. Παρά το γεγονός αυτό, οι σκόνες που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία δημιουργούν δυσκολίες στη διαχείριση και στην απομάκρυνση αποβλήτων, δεδομένου ότι μπορούν μόνον εν μέρει να επαναχρησιμοποιηθούν αλλά δεν είναι εύκολο να ανακυκλωθούν. Μια λίστα με άλλα τυπικά συστατικά για σκόνη pack boronizing είναι: Πηγή βορίου: καρβίδιο του βορίου (B 4 C), σιδηροβόριο, και άμορφο βόριο Ενεργοποιητής: NaBF 4, το KBF 4, (NH 4 ) 3 BF 4, NH 4 CI, Na 2 CO 3, BaF 2, και Na 2 B 4 O Πληρωτικό μέσο: SiC, Al 2 O 3 Για να αποφευχθεί η αρνητική επίδραση του οξυγόνου στη βορίωση, η διαδικασία βορίωσης πραγματοποιείται συνήθως υπό την προστατευτική ατμόσφαιρα αερίου, όπως Ar, Ν 2, Η 2, ή ενός μίγματος από Ar-Ν 2 -Η 2. Η ατμόσφαιρα προστατευτικού αερίου πρέπει να διατηρείται αμέσως μετά βορίωση μέχρις ότου η θερμοκρασία μειωθεί στους 300 C ή ισοδυνάμως στους 570 F, [1, 2]. 7

9 2.2.3 Paste boronizing Η μέθοδος paste boronizing είναι μια δημοφιλής μέθοδος καθώς μπορεί να εφαρμοστεί είτε σε ολόκληρο το εξάρτημα, είτε τοπικά σε συγκεκριμένα τμήματά του. Η μέθοδος συνίσταται στην εφαρμογή μιας πάστας με εμβάπτιση, βούρτσισμα, ψεκασμό ή μέχρις ότου η πάστα έχει ένα πάχος περίπου 1-2 χιλιοστά, και το επικαλυμμένο υλικό θερμαίνεται υπό μία ατμόσφαιρα προστατευτικού αερίου. Μετά τη θερμική κατεργασία, η πάστα απομακρύνεται μέσω αμμοβολής, βουρτσίσματος ή πλυσίματος. Η πάστα και η μέθοδος pasteboronizing παρουσιάζουν μια ποικιλία καινοτομιών. Οι περισσότερες από αυτές έχουν ως βασικό συστατικό B 4 C και 45% κρυόλιθο (Na 3 AIF 6 ) ή το παραδοσιακό μείγμα σκόνης βορίωσης π.χ. (B 4 C-SiC-ΚBF 4 ) και ένα μέσο συνδετικό όπως νιτροκυτταρίνη/οξικό βουτύλιο, μεθυλικό ή υδρολυτικό αιθυλικό πυρίτιο για τον έλεγχο του ιξώδους και του σχηματισμού πάστας, καθώς και την σταθερότητα της πάστας σε βάθος χρόνου [33-35]. Για παράδειγμα [25], τα συνδετικά μέσαμπορούν να περιέχουν εκτός από το μίγμα βορίου, τουλάχιστον τρεις ενώσεις, οι οποίες μαζί με τις κατάλληλες ποσότητες νερού και μπετονίτη, ελέγχουν το ιξώδες και τη σταθερότητα της πάστας. Μπορούν επίσης να αποτρέψουν τη διάβρωση των εξαρτημάτων που πρέπει να βοριωθούν και μπορούν να παράγουν μονοστιβάδα, μονοφασικούfe 2 B χωρίς πόρους, εάν εφαρμοστεί στη συνιστώμενη θερμοκρασία και χρόνο και σε αδρανή ατμόσφαιρα. Σε μία εργασία [35] προβάλλεται ο ισχυρισμός ότι η διαδικασία paste boronizing μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Επίσης φαίνεται ότι η παρουσία των σπάνιων γαιών ενώσεων στο μίγμα της πάστας παίζει ένα σημαντικό ρόλο τόσο στην ποιότητα όσο και στην κινητική στη συγκεκριμένη διαδικασία. Οι διαδικασίες pack και paste boronizing κυρίως αναπτύσσονταν εμπορικά σε βιομηχανίες, επειδή είναι απλές και δεν απαιτούν υψηλή αρχική επένδυση κεφαλαίου. Ωστόσο, οι μέθοδοι περιορίζονται μόνον σε προϊόντα μικρού μεγέθους. Επιπλέον, απαιτούν υψηλό κόστος στην προετοιμασία και στην εφαρμογή των σκονών, καθώς και στην αφαίρεσή τους από τα δείγματα μετά από το πέρας της διαδικασίας βορίωσης. Ανεξάρτητα από την ικανότητα να παράγουν πιο ανθεκτικές, τόσο σε κόπωση όσο και σε διάβρωση, επιφάνειες, οι δύο αυτές μέθοδοι βορίωσης (pack και paste boronizing) αρχίζουν σιγά σιγά να χάνουν την θέση τους στην βιομηχανία. Αντίθετα, έχουν αντικατασταθεί από την εναζώτωση και την ενανθράκωση, καθώς αυτές προσφέρουν χαμηλότερα υλικά και εργατικά κόστη, χαμηλότερο χρόνο κατεργασίας, χαμηλότερους ρύπους και καλύτερη τελική επιφάνεια προϊόντος. Σε πρόσφατη δημοσίευση [36], η οποία είχε ως στόχο την δημιουργία ενός τεχνολογικού χάρτη που αφορά τον τομέα της μηχανικής ως προς την επιφάνεια. Στο άρθρο δόθηκε σημασία στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των μεθόδων ενανθράκωσης, εναζώτωσης και της pack βορίωσης ως θερμικές κατεργασίες. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ θετικά στοιχεία για την βιομηχανία όσον αφορά την ενανθράκωση και την εναζώτωση, και γίνεται φανερό πως η παραδοσιακή μέθοδος pack βορίωσης είναι ασύμφορη και θα αποσυρθεί σταδιακά από την αγορά. Ωστόσο, το συγκεκριμένο άρθρο κάνει μια σύγκριση των παραπάνω μεθόδων, χωρίς να έχει λάβει υπόψην τις τελευταίες εξελίξεις στις μεθόδους βορίωσης (όπως ultrafast boronizing, superlastic boronizing), μερικές από τις οποίες είναι ταυτόχρονα φιλικές προς το περιβάλλον, καθώς και οικονομικές. 8

10 2.2.4 Ιδιότητες των στρωμάτων βορίωσης Η σκληρότητα των στρωμάτων βορίωσης στους χάλυβες κυμαίνεται μεταξύ των 1700 και 2150 HV (σκληρότητα Vickers) και ξεπερνάει αυτή των επισκληρυμένων εργαλειοχαλύβων, των ενανθρακωμένων και εναζωτωμένων χαλύβων. Στρώματα βορίωσης με σκληρότητα 605 HV έχουν βρεθεί [31] στην θερμοκρασία των 600 o C, ενώ σκληρότητα μειώνεται στα 350 HV στην θερμοκρασία των 700 o C. Δεν υπάρχε οξείδωση στις στρώσεις βορίωσης για θερμοκρασίες κάτω των 730 o C, και μικρή οξείδωση έχει παρατηρηθεί μεταξύ των 730 και 930 o C. Ο μετασχηματισμός από την FeB φάση στην Fe 2 B φάση λαμβάνει χώρα περίπου στους 860 o C, ενώ καμία αλλαγή στην μορφολογία των στρωμάτων βορίωσης έχει παρατηρηθεί κάτω από αυτήν την θερμοκρασία. Ακόμα αναφέρεται πως σε βιομηχανικές εφαρμογές η ύπαρξη μονοφασικής επικάλυψης Fe 2 B είναι επιθυμητή, καθώς παρουσιάζει μεγάλη δυσθραυστότητα και μπορεί να γίνει θερμική κατεργασία χωρίς να έχουμε μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων και απώλεια συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα. Ειδικότερα, κατά την διάχυση του βορίου στο υπόστρωμα (σίδηρος), δημιουργείται μια στρώση επικάλυψης, η οποία χαρακτηρίζεται από την οδοντωτή της μορφή. Οι συνθήκες που επικρατούν κατά την διαδικασία επικάλυψης του υποστρώματος, επηρεάζουν την απόδοση της σχηματιζόμενης επικάλυψης. [18-26] Η επικάλυψη βορίωσης μπορεί να αποτελείται είτε μόνο από την ενδομεταλλική ένωση Fe 2 B, είτε από συνδυασμό των ενώσεων FeB και Fe 2 B. Σημαντική παράμετρο για τον χαρακτηρισμό της επικάλυψης βορίου, αποτελεί ο λόγος μεταξύ των διαστάσεων του υποστρώματος και του πάχους της επικάλυψης σε εγκάρσια τομή. Η θεώρηση πως το υπόστρωμα και η επικάλυψη αποτελούν ενιαίο υλικό, έχει σαν αποτέλεσμα η ψαθυρότητα της επικάλυψης να είναι πλέον μείζονης σημασίας. Μάλιστα, αποδεικνύεται πειραματικά πως σε δοκίμια που έχουν υποστεί μονοφασική επικάλυψη Fe 2 B, όταν αυτά καταπονηθούν σε κάμψη, μετά από παραμόρφωση 4-8% αρχίζει να εμφανίζεται ρωγμάτωση της επικάλυψης. Εξ αντιστρόφου, οι διφασικές επικαλύψεις, παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά. Τέλος, αναφέρεται πως κυρίως εφελκυστικές τάσεις παρουσιάζονται στη φάση FeB ενώ θλιπτικές κάνουν την εμφάνισή τους στην Fe 2 B.[37] Μια εξίσου σημαντική παράμετρος για την επίτευξη καλής ποιότητας επικάλυψης, είναι ο συντελεστής θερμικής διαστολής. Αν ο συντελεστής θερμικής διαστολής του υποστρώματος διαφέρει κατά πολύ από αυτόν της επικάλυψης, σε τυχόν θερμοκρασιακές μεταβολές κατά την λειτουργία του επικαλυμμένου εξαρτήματος, θα παρατηρηθεί αποκόλληση της επικάλυψης από το υπόστρωμα. Επίσης, αντίστοιχο πρόβλημα παρουσιάζεται και σε ήδη επικαλυμμένο αντικείμενο που πρόκειται να δεχθεί περεταίρω θερμική κατεργασία. Στην περίπτωση όμως της βορίωσης, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του σιδήρου είναι πολύ κοντά σε αυτόν του βορίου, άρα δεν υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης ρωγμών λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών. [37] Η βορίωση αυξάνει την διαβρωτική αντίσταση των χαλύβων από θειικά, φωσφορικά και υδροχλωρικά οξέα και την αντίσταση σε οξείδωση υψηλής θερμοκρασίας [38]. Πιο συγκεκριμένα, η επικάλυψη βορίωσης έχει βελτιώσει κατά πέντε φορές την οξειδωτική αντίσταση του απλού χάλυβα AISI 1018(χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα) σε 9

11 θερμοκρασίες κάτω των 900 o C [39].Μερικές από τις ιδιότητες των χαλύβων που έχουν υποστεί βορίωση γίνονται εμφανή στα παρακάτω διαγράμματα Διάγραμμα 1. Διαβρωτική επίδραση οξέων (α) 0.45%C (Ck-45) steel σε βοριωμένα και μη βοριωμένα δοκίμια (b)18cr-9ni steel [2] 10

12 Διάγραμμα 2. Σχέση μεταβολής βάρους σε συνάρτηση με τον χρόνο για βοριωμένο χάλυβα 1020 σε οξείδωση υψηλής θερμοκρασίας στους 650 ο C στον αέρα[15] Επιπτώσεις των κραματικών στοιχείων του υποστρώματος στη δομή των στρωμάτων βορίδίου σε σίδηρο/χάλυβα Έχει παρατηρηθεί ότι η προσθήκη κραματικών στοιχείων σε χάλυβα, γενικά μειώνει το πάχος στρωμάτων βοριδίου και ισοπεδώνει την οδοντωτή μορφή κατά την ενδιάμεση φάση βοριδίου/υποστρώματος [9-17]. Τα Si, C, και ΑΙ δεν είναι διαλυτά στα στρώματα βοριδίου, το Cr ενσωματώνεται εντός των στιβάδων βοριδίου σχηματίζοντας είτε (FeCr)B, είτε (FeCr) 2 Β, και το Νi διαχέεται μέσω των στρωμάτων βοριδίου σχηματίζοντας Ni 3 B που καθιζάνει ανάμεση στη φάση Fe 2 B και το υπόστρωμα [40-41]. Το Si και ο C, στοιχεία που απομακρύνονται από τα στρώματα βοριδίου, σχηματίζουν ιζήματα σιδήρου silicoboride (FeSi 0.4B 0.6 ή FeSiB 2 ) και σιδήρου carboboride Fe 23 (B,C) 6 και Fe 3 (Β,C), αντίστοιχα κάτω και / ή μεταξύ της οδοντωτής δομής του βοριδίου. Τέλος έχει παρατηρηθεί ότι το χρώμιο επιδρά θετικά στον σχηματισμό στρώματος FeB, ενώτο νικέλιο και ο χαλκός επιδρούν αρνητικά [42]. 11

13 Διάγραμμα 3. Διάγραμμα πάχους της επικάλυψης βορίου συναρτήσει της περιεκτικότητας σε κραματικά στοιχεία[37] 2.3 Αλουμινίωση Χαρακτηριστικά αλουμινίωσης Η αλουμινίωση ως επικάλυψη, με σκοπό την προστασία κάποιου μεταλλικού υποστρώματος, δεν είναι τόσο ευρέως διαδεδομένη όσο η βορίωση, η οποία βρίσκει πίο συχνά εφαρμογή. Στην συνέχεια, στο διάγραμμα 4 παρουσιάζεται το διάγραμμα φάσεων αλουμινίου-σιδήρου. Διάγραμμα 4. Διάγραμμα φάσεων Αl-Fe 12

14 Όπως και στην περίπτωση της βορίωσης, η αλουμινίωση στοχεύει στην προστασία από οξείδωση, η οποία λαμβάνει χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και από την επερχόμενη διάβρωση[43] Όσον αναφορά την αλουμινίωση με τη μέθοδο packaluminizing, θα πρέπει το επικαλυμμένο μεταλλικό υπόστρωμα να υποστεί θέρμανση με σκοπό να επιτευχθεί η διαδικασία της διάχυσης. Απαιτείται θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία και για συγκεκριμένο, διαφορετικό ανά περίπτωση, χρονικό διάστημα, κατά την διάρκεια του οποίου γίνεται διάχυση και ταυτόχρονα ο σχηματισμός της επιφανειακής επικάλυψης με πάχος τόσο, όσο είχε προβλεφθεί και πριν την έναρξη της θερμικής κατεργασίας. [43] Ακόμη έχει μελετηθεί η προσπάθεια ταυτόχρονης εναπόθεσης αλουμινίου με χρώμιο, ή αλουμινίου με πυρίτιο τόσο σε μεταλλικό υπόστρωμα από χάλυβα όσο και σε υπόστρωμα υπερκραμάτων. Η διαδικασία της εναπόθεσης στη συγκεκριμένη περίπτωση, μπορεί να επιτευχθεί με μορφή σκόνης, της οποίας οι κόκκοι είναι τα στοιχεία με τα οποία πρόκειται να επικαλυφθεί το υπόστρωμα.[44] Από τις πιο γνωστές μεθόδους, που χρησιμοποιούνται με σκοπό την αλουμινίωση μεταλλικού υποστρώματος, είναι η μέθοδος pack cementation και η CVD (Chemical Vapor Deposition). Αυτές λαμβάνουν χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως από 700 ο C έως 1150 ο C.[44] Οι επικαλύψεις με τη χρήση αλουμινίου χρησιμοποιούνται συχνά με σκοπό την αύξηση της αντοχής του χάλυβα σε διάφορα διαβρωτικά περιβάλλοντα, όπως για παράδειγμα οξειδωτικά περιβάλλοντα. Μεγάλη ανάγκη για προστασία παρουσιάζουν αρκετά εξαρτήματα σε σταθμούς επεξεργασίας άνθρακα, σε διυλιστήρια αργού πετρελαίου και σε αρκετές πετροχημικές βιομηχανίες. Πέρα από αυτά, η αλουμινίωση έχει την ικανότητα να προστατέψει το μεταλλικό υπόστρωμα από την φθορά τριβής, ενώ ακόμα μπορεί να μειώσει την φθορά σε κατασκευές εξατμίσεων καθώς και σε περιβάλλοντα ατμών. Αυτό γίνεται διότι επιφανειακά συντίθεται ένα φιλμ αλούμινας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον υπάρχει στην προστασία που προσφέρει το παραπάνω φιλμ, σε περίπτωση που οι θερμοκρασίες λειτουργίας είναι υπερβολικά υψηλές. Αυτό γίνεται εφικτό, καθώς το φιλμ αλούμινας παρουσιάζει εξαιρετική σταθερότητα, προστατεύοντας επαρκώς το υπόστρωμα.[43] Μορφή της σχηματιζόμενης επικάλυψης αλουμινίου Η παρατήρηση της σχηματιζόμενης μορφής της επικάλυψης αλουμινίου, θα φανεί μέσω ενός παραδείγματος αλουμινίωσης. Πρόκειται για φωτογραφίες και διαγράμματα που έχουν προκύψει μέσω πειραματικής διαδικασίας. Συγκεκριμένα, θα παρατηρηθούν φωτογραφίες και διαγράμματα που έχουν προκύψει με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου, SEM και ανάλυσης EDS επιστρώματος αλουμινίου επί του χάλυβα AISI

15 Εικόνα 1. Επίστρωμα επικάλυψης αλουμινίου σε χάλυβα AISI 4140 στους 800 ο C για 1h[43] Παρατηρώντας την παραπάνω φωτογραφία οπτικού μικροσκοπίου, φαίνεται ότι η επικάλυψη αλουμινίου παρουσιάζει μια χαρακτηριστική λάμψη, σε σχέση με το χρώμα του υποστρώματος, που πρόκειται να προστατέψει. Η φωτογραφία δείχνει την επικάλυψη αλουμινίου που έγινε σε χάλυβαaisi 4140, η οποία έγινε στους 800 ο C και η θερμική κατεργασία διήρκησε περίπου μία ώρα. Εικόνα 2. Επίστρωμα επικάλυψης αλουμινίου σε χάλυβα AISI 4140 στους 800 ο C για 3h[43] Στην εικόνα 2 παρουσιάζεται επικάλυψη αλουμινίου σε ίδιο υπόστρωμα με πριν, αλλά με την διαφορά ότι στην συγκεκριμένη περίπτωση η θέρμανση στους 800 ο C διήρκησε τρεις ώρες. Ως αποτέλεσμα, παρατηρήθηκε η σύνθεση επίστρωσης αλουμινίου επί χαλύβδινου υποστρώματος, το οποίο παρουσίαζε ομοιογένεια σε όλο του το πάχος, ενώ παράλληλα δημιουργήθηκε και μια σχετικά λεία διεπιφάνεια μεταξύ του χαλύβδινου υποστρώματος και του αλουμινίου.[43] Χρησιμοποιώντας EDS ανάλυση, φάνηκε ότι η συγκέντρωση του αλουμινίου στην επικάλυψη είναι αρκετά μεγάλη στα εξωτερικά τμήματα της επικάλυψης, ενώ από την 14

16 άλλη, η συγκέντρωση του σιδήρου γίνεται συνεχώς πιο έντονη από τα εξωτερικά στρώματα προς τα εσωτερικά. Στο επόμενο διάγραμμα (5) η επίστρωση αλουμινίου στην περίπτωση που έγινε θέρμανση για 3 ώρες, παρουσιάζει διαφορετικές φάσεις. Στην παρούσα περίπτωση που έγινε επικάλυψη χάλυβα AISI 4140 με αλουμίνιο, εμφανίζονται οι διαφορετικές ενώσεις αλουμινίου, και πιο συγκεκριμένα οι: Fe 2 Al 5, FeAl 2, AlNκαιAl 2 O 3. Διάγραμμα 5. XRD προφίλ του χάλυβα AISI 4140 που υπέστη αλουμινίωση στους 800 ο C για 3h[43] Όπως θα γίνει φανερό από τα παρακάτω διαγράμματα 6 και 7, το πάχος της επικάλυψης αλουμινίου ποικίλει ανάλογα την θερμοκρασία στην οποία θα γίνει η θερμική κατεργασία, καθώς και από τον χρόνο παραμονής στην εν λόγω θερμοκρασία. Διάγραμμα 6. Μεταβολή πάχους επίστρωσης συναρτήσει του χρόνου θέρμανσης[43] 15

17 Διάγραμμα 7. Μεταβολή του πάχους της επικάλυψης σε σχέση με τις παραμέτρους της διαδικασίας επικάλυψης Μελετώντας τα παραπάνω διαγράμματα, προκύπτει το συμπέρασμα ότι με αύξηση του χρόνου θέρμανσης αυξάνεται το πάχος της επικάλυψης, αλλά ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί με σχετική αύξηση της θερμοκρασίας στον ίδιο χρόνο θέρμανσης. Αυτό γίνεται επίσης φανερό στο παρακάτω παράδειγμα αλουμινίωσης 0.45C-χάλυβα. Εικόνα 3. Επικάλυψη αλουμινίου του 0.45C-χάλυβα 16

18 2.4 Μέθοδος slurry Η μέθοδος slurry είναι μία τεχνική επικάλυψης, η οποία βρίσκει εφαρμογή σε μεταλλικά υποστρώματα. Πρόκειται για τεχνική με αρκετά έντονη εξέλιξη τα τελευταία χρόνια. Για να επιτευχθεί επικάλυψη με αυτή την μέθοδο, πρέπει να δημιουργηθεί ένα μίγμα το οποίο περιλαμβάνει τα στοιχεία με τα οποία θα επικαλυφθεί το μεταλλικό υπόστρωμα. Η επικάλυψη δύναται να επιτευχθεί τόσο με εμβύθιση, όσο και με ψεκασμό. Στην συνέχεια ακολουθεί θερμική κατεργασία μέσα σε προστατευτικό περιβάλλον. Η μεταφορά των ατόμων που συνθέτουν την επικάλυψη, μπορεί να γίνει είτε μέσω αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αέρια μορφή, είτε μέσω υγρής μορφής, ή ακόμη και στερεάς. Πρέπει να επισημανθεί πως η επικάλυψη με την συγκεκριμένη μέθοδος βρίσκει μεγάλη ανταπόκριση σε επικαλύψεις που η σύνθεσή τους γίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες και πρόκειται να εφαρμοσθούν σε πυρίμαχα μέταλλα. [45] Εικόνα 4. Βήματα παρασκευής επικάλυψης τύπου PARTICOAT, όπου (a) μικροσωματίδια Al ενωμένα με το binder τοποθετούνται (b) στο υπόστρωμα. Μετά από κατάλληλη θερμική κατεργασία προκύπτει η τελική δομή (c) που αποτελείται από την περιοχή όπου έγινε η διάχυση των μικροσωματιδίων, και μια στρώση οξειδωμένης επιφάνειας πάνω από αυτήν.[45] Ένα βασικό μειονέκτημα που παρουσιάζει η συγκεκριμένη μέθοδος, είναι η αδυναμία ελέγχου του πάχους που χαρακτηρίζει το επίστρωμα. Έτσι δημιουργούνται ανάγκες για περεταίρω έρευνα και μελέτη επί του θέματος αυτού, με σκοπό την κάλυψη των αναγκών των βιομηχανιών. Παράλληλα πραγματοποιούνται εργαστηριακές μελέτες και πειράματα, όπως και είναι αντικείμενο της παρούσας εργασίας, με στόχο την βελτίωση και την εξέλιξη της μεθόδου αυτής. [46] Η μέθοδος επικάλυψης με slurries βρίσκει εφαρμογή σε επικαλύψεις διαφόρων εξαρτημάτων, με πιο συνηθισμένη την περίπτωση επικάλυψης αλουμινίου σε υπόστρωμα υπερκράματος. Πρόκειται για αλουμινίωση πτερυγίων σε βιομηχανίες μαζικής παραγωγής τουρμπίνων. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί πως, ο αυτοματισμός κατά την επικάλυψη με την συγκεκριμένη μέθοδο, μπορεί να επιφέρει σημαντική μείωση του κόστους παράγωγης, σε σύγκριση με άλλες μεθόδους επικάλυψης, π.χ. pack cementation. [47] 17

19 Για να έχουμε μια επιτυχή επικάλυψη, πρέπει να λάβουμε υπόψη πολλές παραμέτρους. Οι πιο σημαντικές από αυτές είναι: τα υλικά που χρησιμοποιούνται, οι μηχανικές και χημικές ιδιότητες των υλικών της επικάλυψης στις συνθήκες λειτουργίας, η συνάφεια με το προς επικάλυψη τεμάχιο, ο τρόπος εφαρμογής της επικάλυψης και η διαδικασία παρασκευής της. Κρίνεται επομένως σκόπιμο να γίνει εκτενής ανάλυση για κάθε παράμετρο Υλικά Τα κύρια υλικά που χρησιμοποιούνται στις μηχανολογικές κατασκευές είναι, συνήθως, τα υπερκράματα σιδήρου-άνθρακα, κοβαλτίου και νικελίου. Τα πρώτα έχουν πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες υποβαθμίζονται σε σημαντικό βαθμό στις υψηλές θερμοκρασίες. Ειδικότερα, αν υπάρχουν και προσμίξεις χρωμίου σε μικρές ποσότητες, δημιουργείται ο ανοξείδωτος χάλυβας, ο οποίος έχει και πολύ καλές αντιοξειδωτικές ιδιότητες. Τα κράματα βασισμένα στο κοβάλτιο αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του παραγόμενου κοβαλτίου. Η σταθερότητα θερμοκρασίας αυτών των κραμάτων τα καθιστά κατάλληλα, σε συνδυασμό με νικέλιο, για τη χρήση στις λεπίδες των τουρμπίνων στις μηχανές τουρμπίνων αερίων και αεριωθούμενων αεροσκαφών. Τα κράματα βασισμένα στο νικέλιο έχουν καλή μηχανολογική συμπεριφορά τόσο σε χαμηλές, αλλά κυρίως, σε υψηλές θερμοκρασίες, πράγμα που τα καθιστά απαραίτητα σε εφαρμογές όπως αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω.[48] Προετοιμασία επιφανειών Για να έχουμε καλή ποιότητα επικάλυψης, πρέπει να υπάρχει καλή συνάφεια μεταξύ του μητρικού υλικού και της επικάλυψης. Είναι απαραίτητη, επομένως, η προετοιμασία του υλικού πριν την εφαρμογή της. Για να επιτευχθεί αυτό, γίνεται λείανση των επιφανειώνμε λειαντικά χαρτιά με μέγεθος κόκκων από ανά περίπτωση υλικού. Σε ειδικές περιπτώσεις που απαιτείται καλύτερη επιφάνεια, μπορεί να εφαρμοσθεί αμμοβολή της επιφάνειας. Επίσης, είναι απαραίτητος ο καθαρισμός της επιφάνειας μετά το στάδιο της λείανσης. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει καθαρισμό με αιθανόλη (ethanol) ή ακετόνη, συνήθως σε συνδυασμό με συσκευή παραγωγής υπερήχων. Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις υπερκραμάτων νικελίου (όπως το CN247), κρίνεται απαραίτητη η εφαρμογή μιας ενδιάμεσης στρώσης νικελίου, η οποία βοηθά στην απόκτηση καλής συνάφειας με τις εξωτερικές στρώσεις αλουμινίου, και τοποθετείται ηλεκτρολυτικά μέσα σε σουλφαμινικό λουτρό νικελίου. [49] 18

20 2.4.3 Προετοιμασία επικάλυψης Για να γίνει μια επικάλυψη με την μέθοδο slurryχρειάζεται η μεταλλική σκόνη (μεγέθους μικρομέτρων ή νανομέτρων) και το binder. Η σκόνη μπορεί να είναι αλουμινίου, βορίου, μαγνησίου, κασσιτέρου, κλπ. Συνήθως προτιμάται του αλουμινίου, καθώς είναι η οικονομικότερη λύση, όμως και το βόριο παρουσιάζει πολύ καλές αντιοξειδωτικές ιδιότητες και προτιμάται σε επικαλύψεις κραμάτων τιτανίου. Όσον αφορά τα binders, μπορούν να χρησιμοποιηθούν α) ceramic matrixcomposites (CMC) β) latex binders γ) water-based binders Τα σύνθετα κεραμικά υλικά (CMCs) είναι μια υποομάδα των σύνθετων υλικών, καθώς και μια υποομάδα των τεχνικών κεραμικών. Αποτελούνται από κεραμικές ίνες που είναι ενσωματωμένες σε μία κεραμική μήτρα, σχηματίζοντας έτσι ένα κεραμικά ενισχυμένο με ίνες κεραμικό (CFRC) υλικό. Η μήτρα και ίνες μπορεί να αποτελούνται από οποιοδήποτε κεραμικό υλικό, όπως μπορούν επίσης να θεωρηθούν ως κεραμικό υλικό και ίνες άνθρακα και διοξειδίου του άνθρακα.προσφέρουν τέλεια σταθερότητα της επικάλυψης, αλλά παράλληλα αυξάνεται σημαντικά το ιξώδες. Αυτό σημαίνει την ανάγκη κατανάλωσης περισσότερης ενέργειας κατά την παρασκευή τους,οπότε και δεν αποτελεί οικονομική λύση για μαζική παραγωγή.[50] Τα latexbinders αποτελούν πολυμερή latexes, τα οποία δημιουργούν επικαλύψεις με λεπτό διαφανές φιλμ που χαρακτηρίζεται από πολύ καλές μηχανικές ιδιότητεςκαι στιλπνότητα.τα αντίστοιχα προϊόντα τους έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ως επιχρίσματα, χρώματα και κόλλες.[51] Τα υδατικής φύσεως binder χρησιμοποιούν ένα μίγμα απεσταγμένου νερού και polyvinyl alcohol (PVA). Χαρακτηριστικό αυτού του binder είναι η πολύ κακή σταθερότητα σε σχέση με τα υπόλοιπα, αλλά αυτό το αντισταθμίζει η πολύ καλή τελική επιφάνεια. Τέλος, δεν περιέχει βλαβερά προς το περιβάλλον χημικά και αποτελεί την οικονομικότερη μέθοδο για μαζική παραγωγή. Για αυτούς τους λόγους στην παρούσα διπλωματική θα γίνει χρήση των water-basedbinders. [52] Αφού εκλεχθούν οι κατάλληλες ποσότητες binder και σκόνης, πρέπει να γίνει η ανάμιξή τους. Για την ομαλή διαλυτοποίηση του PVAστο νερό χρησιμοποιείται μηχανισμός μαγνητικής ανάδευσης.επίσης κατά την προσθήκης της σκόνης, πρέπει να γίνεται ομαλή ανάδευση για την αποφυγή παραγωγής φυσαλίδων αέρα, οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν αστοχία κατά την θερμική κατεργασία που θα ακολουθήσει. Προτείνεται να αφεθεί το μίγμα σε ηρεμία για περίπου 10 λεπτά πριν το επόμενο στάδιο, ώστε να γίνει η διαδικασία απομάκρυνσης των φυσαλίδων με φυσικό τρόπο. [53] 19

21 Για την καλή συμπεριφορά της επικάλυψης κατά την εφαρμογή της, το slurry πρέπει να έχει συγκεκριμένη τιμή ιξώδους. Επομένως γίνονται ρεολογικές μετρήσεις με ιξωδόμετρο περιστρεφόμενου άξονα στα διαφορετικά θερμοκρασιακά στάδια που θα ακολουθήσουν, καθώς η συμπεριφορά του ιξώδους εξαρτάται άμεσα από την θερμοκρασία. Σε θερμοκρασία δωματίου, ιξώδες centipoises για το binder, και centipoises μετά την προσθήκη της σκόνης, είναι ικανοποιητικά. [54] Μια άλλη πολύ σημαντική παράμετρος είναι η ποιότητα της τελικής επιφάνειας. Αυξάνοντας την ποσότητα binder με ταυτόχρονη μείωση της περιεκτικότητας της σκόνης, μπορούμε να αλλάξουμε την τελική επιφάνεια από τραχιά σε λεία. Αυτό γίνεται επίσης και με την χρησιμοποίηση μικρότερου μεγέθους κόκκων στο μίγμα. Έτσι θα καταφέρουν οι κόκκοι να πάρουν ομαλότερη θέση στην στρώση της επικάλυψης και οι ποιότητα της επιφάνειας θα βελτιωθεί σημαντικά.[53] A) Τραχιά επιφάνεια λόγω μεγάλης περιεκτικότητας Αlσε σχέση με PVA Β) Ίδια επικάλυψη μετά την αύξηση % του binder Τέλος, μπορούμε να καλυτερεύσουμε τις μηχανικές ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες με την προσθήκη επιπλέον στοιχείων στο slurry, όπως για παράδειγμα τον λευκόχρυσο (Pt).[55] Εφαρμογή της επικάλυψης Η εφαρμογή της επικάλυψης στο υπόστρωμα μπορεί να γίνει με πολλές μεθόδους, οι επικρατέστερες των οποίων είναι: α) brushing, β) dipping και γ) spraying. Οι επικαλύψεις με την μέθοδο slurry, συχνά παράγονταν με τη χρήση μεθόδων ψεκασμού, και ήταν συνδεδεμένες με παραγωγή εξοπλισμού με υψηλέςαπαιτήσεις και κατ επέκταση, υψηλού κόστους. Αντίθετα, διαδικασίες brushing και βύθισης,απαιτούν απλούστερες και φθηνότερες εγκαταστάσεις, ενώ παράλληλα σπαταλούν ελάχιστη ποσότητα slurry. Η μέθοδοςbrushing είναι επίσης δυνητικά ελκυστική ως μέθοδος επισκευήςεπιφάνειας. Ωστόσο, επικαλύψεις τύπου slurry που παράγονται με αυτή τημέθοδο, σε προηγούμενες μελέτες έχουν παρουσιάσει ατέλειες, όπως ρωγμές και μη ομοιόμορφα πάχη τα οποία επηρεάζουν την τελική απόδοση της επίστρωσης. Τέλος, κατά την μέθοδο βύθισης, πρέπει να προσεχθεί πάρα πολύ ο τρόπος συγκράτησης του τεμαχίου ώστε να μπορέσει να γίνει ομαλή εφαρμογή της επικάλυψης σε όλη την επιφάνεια. 20

22 Προτείνεται, επομένως, η διαδικασία να γίνει σε 2 φάσεις, ώστε να έχει προλάβει να στεγνώσει στο σημείο συγκράτησης.[56,57] Στέγνωμα επικάλυψης Μετά την εφαρμογή της επικάλυψης, ακολουθεί το στάδιο του στεγνώματός της. Σε αυτό το στάδιο, γίνεται η απομάκρυνση του υγρού μέσου μέσω θέρμανσης, αφήνοντας έτσι μια στρώση από ανομοιόμορφα κατανεμημένη μεταλλική σκόνη μέσα στο binder πάνω στην επιφάνεια. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία χρησιμοποιείται πληθώρα μεθόδων για το στέγνωμα του εφαρμοσμένου slurry. Η διαδικασία έρχεται εις πέρας με φούρνους, κλίβανους, υπέρυθρες λάμπες και μέσω εκτόξευσης θερμού αέρα. Παρατηρείται πως η μέθοδος που θα χρησιμοποιηθεί δεν επηρεάζει το αποτέλεσμα, αρκεί η θερμοκρασία να είναι αρκετή για να εξατμίσει το υγρό μέσο, χωρίς να καταστραφεί το binder και να οξειδωθεί η επιφάνεια. Η ατμόσφαιρα πρέπει να είναι απαλλαγμένη από ακαθαρσίες για να αποφευχθεί η μόλυνση του slurryκατά το στέγνωμα. Για τον λόγο αυτό προτιμάται η διαδικασία να γίνεται σε ατμόσφαιρα αργού, το οποίο αδρανοποιεί τις αντιδράσεις οξείδωσης.[54-58] Θερμική κατεργασία Στη συνέχεια, ακολουθεί το στάδιο της θερμικής κατεργασίας. Για την περίπτωση του αλουμινίου, μια σωστά διαχυμένη και ομοιόμορφη επικάλυψη slurry, λαμβάνεται μετά από θέρμανση πάνω από τους 660 ο C. Οι Priceman και Sama αναφέρουν πως οι επικαλύψεις βελτιώνονται όταν το slurry λιώνει κατά την θερμική κατεργασία. Θέρμανση σε θερμοκρασία κατώτερη από αυτή της θερμοκρασίας σύντηξης του slurry, οδηγεί σε σχηματισμό επιχρίσματος από διάχυση στερεάς κατάστασης και πυροσυσσωμάτωσης. Θερμική κατεργασία πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, επιτρέπει στο slurry να ρέει ευκολότερα και ως αποτέλεσμα η τελική επικάλυψη είναι περισσότερο ομοιογενής και δεν υπάρχει υλικό σε επαφή με το υπόστρωμα που να έχει αντιδράσει μερικώς ή καθόλου με αυτό. Για να ολοκληρωθεί αυτό το στάδιο, χρειάζεται να παραμείνει το υλικό σε αυτή τη θερμοκρασία για 1-2 ώρες. Για την πιο ομαλή διεξαγωγή προτείνεται σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας με σταθερό ρυθμό περίπου 5 ο C/min. [59] Έπειτα, χρειάζεται να γίνει περεταίρω θέρμανση σε μεγαλύτερη θερμοκρασία (περίπου o C) για 2 περίπου ώρες ακόμη για την ενοποίηση της επικάλυψης, και την ομογενοποίηση των μεταλλικών φάσεων που έχουν εμπλουτιστεί με αλουμίνιο. Κατά την διάρκεια της θέρμανσης, γίνεται έκχυση αργού στην ατμόσφαιρα του φούρνου. Επειδή η εξάτμιση του binder θα οδηγήσει σε παραγωγή υδρατμών Η 2 Ο και CO 2, πριν την έκχυση του Αργού, με αντλία δημιουργείται υποπίεση στην ατμόσφαιρα του φούρνου.[52-62] Τέλος, το στάδιο της ψύξης μπορεί να γίνει μέσα στον φούρνο με φυσικό τρόπο με παραμονή 24 περίπου ωρών. Ωστόσο, για πειραματικούς σκοπούς, έχει μελετηθεί ταχεία απόψυξη με ρυθμό 50 o C/min.[63,64] 21

23 3 Εργαστηριακός εξοπλισμός Στο συγκεκριμένο σημείο γίνεται ανάλυση του εργαστηριακού εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των πειραμάτων και την μελέτη των αποτελεσμάτων τους. 3.1 Ζυγός ακριβείας Εικόνα 5. Ζυγός ακριβείας τύπου Sartorius Στο ζυγό της εικόνας 5 (μοντέλο Sartorius) πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις των μαζών των σκονών που χρησιμοποιήθηκαν για την πειραματική διαδικασία. Ο ζυγός είναι μεγάλης ακρίβειας και συγκεκριμένα παρουσιάζεται η μετρούμενη μάζα μέχρι και το χιλιοστό του γραμμαρίου. Οι αναλογίες των μαζών των συστατικών που θα χρησιμοποιηθούν σε κάθε επικάλυψη παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην αποτελεσματικότητα της, και για αυτό τον λόγο δόθηκε μεγάλη σημασία στην ακρίβεια των μετρήσεων στο συγκεκριμένο στάδιο. 3.2 Κοπή δοκιμίων Υπάρχουν δύο στάδια στην κοπή των δοκιμίων. Στο πρώτο στάδιο, γίνεται η κοπή των τεμαχίων του χάλυβα που πρόκειται να επικαλυφθούν. Επειδή στο συγκεκριμένο στάδιο δεν απαιτείται ιδιαίτερη ποιότητα στην επιφάνεια, καθώς θα ακολουθήσει λείανση πριν το στάδιο της εμβύθισης, χρησιμοποιείται το κοπτικό μηχάνημα του εργαστηρίου που φαίνεται στην εικόνα 6. 22

24 Εικόνα 6. Κοπτικός τροχός εργαστηρίου Για την προστασία του κοπτικού τροχού, το μηχάνημα περιλαμβάνει σύστημα ψύξης της κοπής μέσω έγχυσης σαπουνέλαιου. Το δεύτερο στάδιο κοπής δοκιμίων γίνεται μετά το πέρας της θερμικής κατεργασίας, για να γίνει μελέτη των δοκιμίων στο μικροσκόπιο. Στο συγκεκριμένο στάδιο απαιτείται υψηλή ποιότητα επιφάνειας, καθώς δεν πρέπει να επηρεαστεί η στιβάδα επικάλυψης. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται κοπτική μηχανή τύπου low speed, κατά την λειτουργία της οποίας η πρόωση της κοπής γίνεται μέσω της δύναμης που ασκεί το βάρος ενός βαριδίου (συγκεκριμένη μάζα ανά περίπτωση) και ο κοπτικός τροχός ψύχεται με βύθιση σε λουτρό λαδιού κατά την περιστροφή του. Η συγκεκριμένη διάταξη φαίνεται στις εικόνες 7 και 8. Εικόνα 7. Κοπτικό low speed Εικόνα 8. Κοπτικό low speed εν λειτουργία 23

25 3.3 Λειαντικός τροχός Μετά την κοπή των δοκιμίων ακολουθεί λείανση και στίλβωση. Για τα σιδηρούχα υλικά χρησιμοποιούνται λειαντικά χαρτιά καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Υπάρχουν διάφορα ως προς την τραχύτητα χαρτιά (εικόνα 9), με ονομασία έναν αριθμό (π.χ. 60,120,220 κλπ) όπου ο αριθμός δηλώνει αριθμό κόκκων ανά τετραγωνική ίντσα. Επομένως για επίτευξη καλύτερης ποιότητας επιφάνειας, πρέπει να αλλάζουν τα χαρτιά και να γίνεται κίνηση από μικρά προς μεγάλα νούμερα. Για την λείανση χρησιμοποιείται νερό για την ψύξη και την απομάκρυνση των αποβλίτων. Η στίλβωση, αντιθέτως, αποτελεί λεπτομερή λείανση και για αυτό, αν και γίνεται στους ίδιους τροχούς με την λείανση, χρησιμοποιούνται ειδικά λειαντικά πανιά στα οποία προστίθενται ειδικές ουσίες που περιέχουν διαμαντόσκονη ή σκληρά σωματίδια σε υγρό διάλυμα (Αl 2 O 3 ). Εικόνα 9. Λειαντικό χαρτί Εικόνα 10. Λειαντικός τροχός 3.4 Καθαρισμός με υπερήχους Για τον πλήρη καθαρισμό των δοκιμίων πριν την εφαρμογή της επικάλυψης, αλλά και μετά την θερμική κατεργασία, απαιτείται η χρήση της μηχανής παραγωγής υπερήχων Sonorex (εικόνα 11). Το δοκίμιο τοποθετείται σε ένα δοχείο και είναι βυθισμένο σε ακετόνη. Εικόνα 11. Μηχανή καθαρισμού μέσω παραγωγής υπερήχων 24

26 3.5 Ανάμιξη σκονών Γα να γίνει ομογενοποίηση των σκονών που θα χρησιμοποιηθούν σε κάθε επικάλυψη, χρησιμοποιείται η διάταξη της εικόνας 12. Οι σκόνες αφού μετρηθούν στις κατάλληλες ποσότητες, τοποθετούνται σε πλαστικά δοχεία (εικόνα 13) και ύστερα αναμιγνύονται για μισή ώρα. Εικόνα 12. Αναδευτήρας Εικόνα 13. Δοχείο ανάμιξης σκονών 3.6 Ξηραντήριο Λόγω της υδατικής φύσεως του binder, τα δοκίμια πρέπει να τοποθετηθούν στο ξηραντήριο (εικόνα 14) μετά την εφαρμογή της επικάλυψης και πριν εισέλθουν στον φούρνο για την θερμική κατεργασία. Αυτό συμβαίνει για να απομακρυνθεί η υγρασία, η οποία έχει αρνητικές συνέπειες για την ποιότητα της επικάλυψης. Το συγκεκριμένο μηχάνημα διαθέτει μεγάλο χώρο ξήρανσης μέσα στον οποίο κυκλοφορεί θερμός αέρας, με εύρος λειτουργίας ο C. Εικόνα 14. Ξηραντήριο Melag 25

27 3.7 Φούρνοι Για τις απαιτήσεις του πειράματος χρησιμοποιήθηκαν 2 ειδών φούρνων. Στην πρώτη περίπτωση, όπου γίνεται η παραγωγή του binder, χρησιμοποιείται η διάταξη της εικόνας 15. Αυτή η διάταξη διαθέτει θερμοστοιχείο το οποίο μετρά την θερμοκρασία ώστε να μπορεί να ρυθμιστεί σε μια σταθερή τιμή. Επίσης διαθέτει και ρύθμιση για παραγωγή μαγνητικού πεδίου, το οποίο σε συνδυασμό με μαγνήτη κατάλληλης μορφής, μπορεί να κάνει μαγνητική ανάμιξη του διαλύματος, ταυτόχρονη με την θέρμανσή του. Αυτό αποτελεί σημαντική λεπτομέρεια για την ομαλή διαλυτοποίηση του PVA στο νερό. Για την διαδικασία της θερμικής κατεργασίας των δοκιμίων μετά την εφαρμογή της επικάλυψης, χρησιμοποιείται ο φούρνος τύπου Furnace που φαίνεται στην εικόνα 16. Ο συγκεκριμένος φούρνος έχει την δυνατότητα να ανεβάσει τη θερμοκρασία του χώρου που διαθέτει, σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, ενώ τελικά προκύπτει μια μικρή έως και αμελητέα θερμοκρασιακή απόκλιση από την επιθυμητή. Τέλος, μπορεί να διαθέτει ατμόσφαιρα αργού, η οποία είναι μείζονος σημασίας για την διαδικασία της θερμικής κατεργασίας. Εικόνα 16.Εργαστηριακός φούρνος με ατμόσφαιρα αργού 26

28 3.8 Εγκιβωτισμός Ο εγκιβωτισμός αποτελεί μια βοηθητική διαδικασία για την λείανση των δοκιμίων. Λόγω του μικρού μεγέθους τους δεν μπορούν εύκολα να συγκρατηθούν από το ανθρώπινο χέρι για να γίνει η διαδικασία της λείανσης. Για αυτόν τον λόγο, χρησιμοποιείται η διάταξη της εικόνας 17, όπου με την βοήθεια σκόνης βακελίτη (εικόνα 18) γίνεται ο εγκιβωτισμός. Εικόνα 17. Διάταξη εγκιβωτισμού Εικόνα 18. Βακελίτης σε μορφή σκόνης 3.9 Οπτική μικροσκοπία Για την παρατήρηση των αποτελεσμάτων γίνεται χρήση οπτικού μικροσκοπίου. Με την βοήθειά του, γίνεται εφικτή η παρατήρηση και η μελέτη των μικροδομών των δοκιμίων. Τα μικροσκόπια της εικόνας 19 διαθέτουν αρκετές επιλογές μεγέθυνσης (50, 100, 200, 500, 1000Χ), καθώς και φίλτρα, όπως πολωτή και αναλυτή για απευθείας βελτίωση της εικόνας. Η κάμερα του μικροσκοπίου συνδέεται μέσω θύρας usb απευθείας στον υπολογιστή, για την εξαγωγή των εικόνων που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Εικόνα 19. Μικροσκόπια τύπου Leica για την παρατήρηση των δοκιμίω 27

29 4. Περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας 4.1 Δοκίμια Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για τα δοκίμια είναι ο χάλυβας st-37. H προμήθειά του έγινε από μηχανουργείο στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, υπό την μορφή κυλίνδρου με μήκος 1 μέτρο και διάμετρο 10 χιλιοστά ( ). Στην συνέχεια ακολουθεί κοπή δεκαπέντε δοκιμίων σε μικρότερους κυλίνδρους με ύψος περίπου 5 με 8 χιλιοστών (Εικόνα 20). Εικόνα 20. Χάλυβας St-37 στη μορφή των δοκιμίων πριν την εφαρμογή της επικάλυψης Από αυτά τα δοκίμια, το ένα χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη της μικροδομής του χάλυβα, ενώ τα υπόλοιπα επικαλύφθηκαν. Το δοκίμιο για την μελέτη της μικροδομής, μετά την κοπή του, περνάει από το στάδιο της λείανσης. Για την επίτευξη επιφάνειας κατάλληλη για οπτική μικροσκοπία, γίνεται λείανση σταδιακά με την χρήση λειαντικών χαρτιών πλήθους κόκκων 120, 220, 400, 600, 800,1000 και 1200 ανά τετραγωνική ίντσα. Έπειτα ακολούθησε το στάδιο της στίλβωσης με χρήση υγρού διαλύματος σκόνης αλούμινας μεγέθους κόκκων 5μm. Μετά τον λεπτομερή καθαρισμό της επιφάνειας του δοκιμίου, παρατηρείται πως η επιφάνεια που πρόκειται να μελετηθεί έχει την μορφή καθρέπτη. Αυτό εμποδίζει την διαδικασία της οπτικής μικροσκοπίας, καθώς το φως του μικροσκοπίου ανακλάται την επιφάνεια που μελετείται. Για την αποφυγή αυτού του προβλήματος, μετά το στάδιο της στίλβωσης, ακολουθεί χημική προσβολή των επιφανειών. Για την χημική προσβολή του χάλυβα χρησιμοποιήθηκε το χημικό Νital 4%. Η διαδικασία έγινε με βύθιση της επιφάνειας του δοκιμίου για 10s σε δοχείο που περιείχε το χημικό. Μετά το πέρας της χημικής προσβολής, το μελετάται η μικροδομή του χάλυβα. Όσον αφορά τα υπόλοιπα δοκίμια, κρίθηκε απαραίτητη η προετοιμασία της επιφάνειας με λείανση μέχρι το λειαντικό χαρτί με πλήθος κόκκων 400 ανά τετραγωνική ίντσα. Αυτό θα βοηθήσει στην καλύτερη εφαρμογή της επικάλυψης και θα διευκολύνει την θερμική κατεργασία καθώς θα υπάρχει καλύτερη συνάφεια μεταξύ του slurry και του υποστρώματος. 28

30 4.2 Binder Για να γίνει το πείραμα χρησιμοποιήθηκε ως binder μείγμα υδατικής φύσεως με αναλογίες: 90 wt% απoσταγμένο νερό 10 wt% PVA(polyvinyl alcohol) Για την παρασκευή του θερμάνθηκε το νερό στους 85 ο C και ανά τακτά χρονικά διαστήματα τοποθετούνταν μικρή ποσότητα από το PVA. Πιο συγκεκριμένα, μετρήθηκαν 180g νερού και 20g PVA. Για την ομογενοποίηση του μείγματος χρησιμοποιήθηκε μαγνητική ανάδευση. Αυτό έγινε εφικτό τοποθετώντας έναν μαγνήτη σε μορφή μπάρας μέσα στο δοχείο και κατά την θέρμανση, εφαρμόζεται μέσω κατάλληλης διάταξης μαγνητικό πεδίο το οποίο προκαλεί την περιστροφή του μαγνήτη. Η συγκεκριμένη διάταξη φαίνεται στην εικόνα Επικαλύψεις Σκόνες Για την μελέτη των επικαλύψεων αλουμινίωσης και βορίωσης διαλέχθηκαν 8 διαφορετικές περιπτώσεις συγκεντρώσεων σκονών. Η διαφορά σε κάθε περίπτωση έχει να κάνει με το αν θα χρησιμοποιηθεί ενεργοποιητής ή όχι, καθώς και το πιο είναι το πληρωτικό μέσο. Σε κάθε περίπτωση, μετρώνται 10 γραμμάρια σκονών και προστίθεται κατάλληλη ποσότητα binder ώστε το slurry να αποκτήσει την επιθυμητή ρευστότητα για να γίνει ομοιόμορφη η επικάλυψη. Το μέγεθος των κόκκων του αλουμινίου και του βορίου είναι 5μm αντίστοιχα. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι συγκεντρώσεις της κάθε ουσίας στην επικάλυψη. Χάριν συντομίας, η κάθε επικάλυψη θα αναφέρεται παρακάτω με συγκεκριμένο γράμμα (Α, Β, Γ κλπ) Αρι Al( B( KBF NH 4 Al 2 B 4 C θμός δοκιμίων %) %) 4(%) Cl(%) O 3 (%) (%) 1(Α) (Β) (Γ) (Δ) 100 2(Ε) (Ζ) (Η) (Θ ) Πίνακας 1. Συγκεντρώσεις %w/w των συστατικών της κάθε επικάλυψης 29

31 Για πιο λεπτομερή περιγραφή, παρατίθενται και οι αντίστοιχες μάζες που μετρήθηκαν σε κάθε περίπτωση σε ακρίβεια χιλιοστού του γραμμαρίου. Αριθμός Al(g) B(g) KBF 4 (g) NH 4 Cl(g) Al 2 O 3 (g) B 4 C(g) δοκιμίων 1(Α) 10,025 1(Β) 10,032 2(Γ) 1,003 0,103 8,92 2(Δ) 10 2(Ε) 1,004 0,202 8,801 2(Ζ) 0,201 8,802 1,003 2(Η) 1 0,1021 8,905 2(Θ) 0,118 1,535 0,235 8,242 Πίνακας 2. Μετρούμενες μάζες των συστατικών της κάθε επικάλυψης Μετά την τοποθέτηση των σκονών σε πλαστικά δοχεία, ακολουθεί η ανάδευσή τους με το μηχάνημα της εικόνας 12 που βρίσκεται στο εργαστήριο. Η διαδικασία αυτή διήρκησε λεπτά για κάθε δοχείο Προετοιμασία slurry Μετά την ετοιμασία των σκονών, ακολουθεί το στάδιο της προετοιμασίας του slurry. Κύριος στόχος για την επίτευξη καλής ποιότητας στην εφαρμογή της επικάλυψης είναι η ρευστότητα του slurry. Στον πίνακα 3 γίνεται λεπτομερής παρουσίαση των τιμών που μετρήθηκαν. Όνομα επικάλυψης Βάρος μίγματος σκονών(g) Βάρος binder(g) Συνολικό βάρος slurry(g) Περιεκτικ ότητα binder(%) Α 10,025 16,17 26,195 61,72 Β 10,032 30,243 40,275 75,09 Γ 10,026 5,126 15,152 33,83 Δ 10 6,03 16,03 37,61 Ε 10,007 17,53 27,537 63,65 Ζ 10,006 5,1 15,106 33,76 Η 10,007 19,251 29,258 65,79 Θ 10,13 15,6 25,73 60,62 Πίνακας 3. Μετρούμενες μάζες slurry Όπως γίνεται άμεσα αντιληπτό, οι περιεκτικότητες του binder κυμαίνονται κοντά στις τιμές 35% στις περιπτώσεις που έχουμε αλουμινίωση, και 63% στις περιπτώσεις βορίωσης. Εξαίρεση αποτελούν οι επικαλύψεις Α και Β, στις οποίες όμως έχουμε την ύπαρξη μόνο των σκονών αλουμινίου και βορίου, αντίστοιχα, όπου και κρίθηκε αναγκαία η επιπλέον προσθήκη binder. Σε κάθε περίπτωση το binder τοποθετείται στο δοχείο με το εκάστοτε μείγμα σκόνης μέσω σύριγγας ενώ παράλληλα μετρούνταν το βάρος του στον ηλεκτρονικό ζυγό. Η 30

32 ανάδευση έγινε μηχανικά, με την χρήση μεταλλικής σπάτουλας, σε αντίθεση με την ανάμιξη του binder που είχε γίνει μαγνητικά. Έπειτα, το slurry αφήνεται σε ηρεμία για 10 λεπτά, ώστε να μπορέσουν να απομακρυνθούν φυσαλίδες αέρα που έχουν δημιουργηθεί κατά την ανάδευση, και οι οποίες θα προκαλούσαν προβλήματα κατά την θερμική κατεργασία. Στην εικόνα 21 φαίνεται ένα δοχείο μετά την ανάδευση. 4.4 Εφαρμογή slurry Εικόνα 21. Δοχείο με slurry μετά την ανάδευση Η εφαρμογή του slurry στα δοκίμια γίνεται με την μέθοδο της βύθισης. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην συγκράτηση των δοκιμίων κατά την διαδικασία, καθώς πρόκειται για σημαντικό στάδιο της επιτυχούς εφαρμογής της επικάλυψης. Η συγκράτηση έγινε με την χρήση μεταλλικής τσιμπίδας, ενώ μετά την βύθιση χρησιμοποιήθηκε και μεταλλική σπάτουλα για να απλωθεί ομοιόμορφα η επικάλυψη σε όλη την επιφάνεια του δοκιμίου. Ύστερα το κάθε δοκίμιο αφήνεται να στεγνώσει για 15 περίπου λεπτά (εικόνα 22) πριν τοποθετηθεί στο ξηραντήριο. Εικόνα 22. Δοκίμιο αμέσως μετά το στάδιο της βύθισης Το πάχος του εφαρμοσμένου slurry μετρήθηκε περίπου 1-2mm σε κάθε δοκίμιο. 31

33 4.5 Στέγνωμα slurry Για την αποφυγή οξείδωσης της επιφάνειας του υποστρώματος, καθώς και την απομάκρυνση του υδατικού μέσου του binder, τα δοκίμια τοποθετούνται σε κατάλληλα δοχεία και έπειτα στο ξηραντήριο του εργαστηρίου για μισή ώρα. 4.6 Θερμική κατεργασία Μετά το ξηραντήριο, τα δοκίμια είναι έτοιμα για την θερμική κατεργασία. Κατά την διαδικασία αυτή, παράγονται αέρια λόγω της καύσης τα οποία διαφέρουν σε κάθε περίπτωση ενεργοποιητή. Για τον λόγο αυτό, η θερμική κατεργασία των δοκιμίων με τις επικαλύψεις Γ και Η δεν έγινε μαζί με τις υπόλοιπες. Αρχικά, τοποθετούνται τα δοκίμια σε πυρίμαχα δοχεία και έπειτα εισέρχονται στον φούρνο (εικόνα 23). Η διαδικασία της θέρμανσης πρέπει να γίνει ομαλά, οπότε αρχικά ο φούρνος ρυθμίζεται στους 200 Ο C για 30min. Έπειτα, η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 50 Ο C ανά 15min έως ότου φτάσει τους 420 Ο C όπου γίνεται η διαλυτοποίηση του binder και παραμένει εκεί για 30min. Έπειτα, συνεχίζεται η σταδιακή άνοδος της θερμοκρασίας μέχρι τους 900 Ο C, όπου και παραμένει για 4-5h. Μετά το πέρας της διεργασίας, τα δοκίμια επανέρχονται σε θερμοκρασία δωματίου με ψύξη μέσα στον φούρνο. Εικόνα 23. Φούρνος με δοκίμιο έτοιμο για θερμική κατεργασία Τέλος, πρέπει να σημειωθεί πως για αποφυγή επηρεασμού της θερμικής κατεργασίας από τα παράγωγα της καύσης των χημικών, χρησιμοποιείται ατμόσφαιρα αργού στον φούρνο. 32

34 4.7 Ετοιμασία επικαλυμμένων δοκιμίων για οπτική μικροσκοπία Μετά το πέρας της θερμικής κατεργασίας, τα δοκίμια βγαίνουν από τον φούρνο και προετοιμάζονται για να μελετηθούν στο μικροσκόπιο. Αρχικά γίνεται κάθετη τομή των δοκιμίων στην κυκλική τους επιφάνεια στο κοπτικό μηχάνημα low speed, καθώς δύνεται έμφαση στην προστασία της επικαλυμμένης ζώνης. Για τον ίδιο λόγο, πριν το στάδιο του εγκιβωτισμού των δοκιμίων, γίνεται καθαρισμός των επιφανειών στο μηχάνημα παραγωγής υπερήχων για 30min, ενώ τα δοκίμια είναι βυθισμένα σε δοχεία με ακετόνη. Μετά τον επαρκή καθαρισμό τους και το στέγνωμα των επιφανειών, τα δοκίμια εγκιβωτίζονται σε βακελίτη για να ακολουθήσει το στάδιο της λείανσης. Η διαδικασία είναι παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη της μικροδομής του χάλυβα, δηλαδή γίνεται σταδιακή λείανση με τα λειαντικά χαρτιά μεγέθους κόκκων 120, 220, 400, 600, 800,1000 και 1200 ανά τετραγωνική ίντσα. Έπειτα ακολούθησε το στάδιο της στίλβωσης με την χρήση υδατικού διαλύματος αλούμινας μεγέθους κόκκων 5μm. Τέλος, γίνεται χημική προσβολή των επιφανειών με τη χρήση Nital 5% και τα δοκίμια μελετώνται στο οπτικό μικροσκόπιο. 33

35 5. Αποτελέσματα και σχολιασμός φωτογραφιών 5.1 Μικροδομή χάλυβα Αρχικά κρίνεται απαραίτητη η μικροδομή του υλικού που χρησιμοποιείται για το υπόστρωμα πριν την εφαρμογή της θερμικής κατεργασίας. Εικόνα 24. Χάλυβας st-37, Μεγέθυνση x100 Όπως παρατηρείται ακόμα και από τη μικρότερη μεγέθυνση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, αναμένεται η δομή του χάλυβα να αποτελείται από φερρίτη και περλίτη. Για καλύτερη ανάλυση, όμως, της μικροδομής απαιτείται η μελέτη μεγαλύτερης μεγέθυνσης. 34

36 Εικόνα 25. Χάλυβας st-37, Μεγέθυνση x200 Διπλασιάζοντας την μεγέθυνση στο μικροσκόπιο αρχίζουν να φαίνονται καθαρότερα οι κόκκοι του περλίτη, ενώ ανάμεσά τους βρίσκεται ο φερρίτης. Όσο ανεβαίνει η μεγέθυνση, τα όρια των κόκκων θα γίνουν πιο εμφανή. Εικόνα 26. Χάλυβας st-37, Μεγέθυνση x500 35

37 Στην εικόνα 26, μπορεί πλέον να φανούν καθαρά τόσο τα όρια των κόκκων του περλίτη (λευκές περιοχές), όσο και ο φερρίτης (μαύρες περιοχές). Σύμφωνα με την βιβλιογραφία, εκτιμάται ότι η απόψυξη του χάλυβα έγινε με μέσο τον αέρα. Τέλος, παρατίθενται και δύο εικόνες σε μεγέθυνση x1000, τόσο από το κέντρο του κυλινδρικού δοκιμίου (εικόνα 27), όσο και από περιοχή της περιφέρειας της κάθετης διατομής (εικόνα 28). Εικόνα 27. Χάλυβας st-37, Μεγέθυνση x1000 (κέντρο) Εικόνα 28. Χάλυβας st-37, Μεγέθυνση x1000 (περιφέρεια) Παρόλο που θα αναμενόταν σχετικά μικρές διαφορές στην μικροδομή μεταξύ του κέντρου και της περιφέρειας, λόγω της φύσεως του τρόπου απόψυξης, εν τέλει δεν παρατηρούνται καθόλου διαφορές. Αυτό εκτιμάται πως έγινε λόγω της πολύ μικρής διατομής του δοκιμίου, η οποία βοήθησε στο να μην δημιουργηθούν διαφορετικές θερμικές βαθμίδες κατά την απόψυξη. 36

38 5.2 Σχολιασμός φωτογραφιών επικαλύψεων Δοκίμιο Α (100% Αl w/w ) Το πρώτο δοκίμιο έγινε σύμφωνα με την μέθοδο που περιγράφεται στην ενότητα 5.3 και το μίγμα σκόνης αποτελούνταν από 100% σκόνης Αl. a b Εικόνα 30,a και b. Επικάλυψη με 100% σκόνη Al και slurry (61,72% w/w binder), Μεγέθυνση x100 Από τόση μικρή μεγέθυνση δεν μπορεί να παρατηρηθεί εμφανώς το αποτέλεσμα της επικάλυψης, αλλά παρατίθενται οι δύο αυτές εικόνες για να σχολιασθεί πως με λευκή περιοχή παρουσιάζεται ο χάλυβας (ο οποίος φανερά δεν έχει πια την φερριτοπερλιτική του μικροδομή), ενώ με μαύρη παρουσιάζεται ο βακελίτης που χρησιμοποιήθηκε για τον εγκιβωτισμό του δοκιμίου μετά το πέρας της θερμικής κατεργασίας. Η περιοχή που αποκτά μεγάλο ενδιαφέρον, όπου θα φανούν και τα αποτελέσματα της επικάλυψης, βρίσκεται στην διαχωριστική επιφάνεια των δύο προηγούμενων περιοχών. Τέλος, οι ιδιομορφίες που παρουσιάζονται στην περιοχή του βακελίτη δεν αποτελούν αναμενόμενα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας, και εκτιμάται ότι παρουσιάστηκαν κατά το στάδιο της κοπής του δοκιμίου μετά το πέρας της πειραματικής διαδικασίας και πριν τον εγκιβωτισμό για την τελική λείανσή του. 37

39 Εικόνα 31. Επικάλυψη με 100% σκόνη Al και slurry (61,72% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Ανεβαίνοντας μεγεθύνσεις αρχίζει σιγά σιγά να γίνεται περισσότερο διακριτή η εξωτερική στοιβάδα του δοκιμίου όπου είναι εμφανή τα αποτελέσματα της επικάλυψης (εικόνα 31). Εικόνα 32. Επικάλυψη με 100% σκόνη Al και slurry (61,72% w/w binder), Μεγέθυνση x500 38

40 Στην εικόνα 32 φαίνονται πλέον καθαρά μικρορωγμές με ακανόνιστο σχήμα στην εξωτερική στοιβάδα του χάλυβα (δεξιά περιοχή). Αυτές αποτελούν την επικάλυψη του δοκιμίου, καθώς έχουν επηρεάσει την μορφή και κατ επέκταση τις ιδιότητες του αρχικού υλικού ώστε να γίνει πιο ανθεκτικό. Η περιοχή της επικάλυψης είναι της τάξεως των 30μm. Εικόνα 33. Επικάλυψη με 100% σκόνη Al και slurry (61,72% w/w binder), Μεγέθυνση x1000 Στην εικόνα 33 παρουσιάζεται καλύτερα το σχήμα που έχουν οι ρωγμές, οι οποίες δεν ακολουθούν πορεία μοναχά προς το εσωτερικό της επιφάνειας, αλλά γίνεται και η ένωση μερικών λίγα μm κάτω από το υπόστρωμα Δοκίμιο Β (Β 100% w/w) Για το δεύτερο δοκίμιο ακολουθείται παρόμοια διαδικασία με το πρώτο, μόνο που αντί η σκόνη να αποτελείται από 100% Al, έχουμε 100% Β. 39

41 Εικόνα 34. Επικάλυψη με 100% σκόνη Β και slurry (75,09% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Στην εικόνα 34 παρατηρείται από χαμηλή μεγέθυνση το δοκίμιο στο οποίο μπορεί να παρατηρηθεί ήδη, έστω και αμυδρά, η στρώση επικάλυψης. Επίσης παρατηρείται και η μικροδομή στο εσωτερικό του χάλυβα η οποία δεν παρουσιάζει σημαντικές διαφορές από την αρχική του δομή πριν την θερμική κατεργασία. Για να μελετηθεί όμως καλύτερα η ζώνη επικάλυψης, πρέπει πάλι να αυξηθεί η μεγέθυνση στο μικροσκόπιο. Εικόνα 35. Επικάλυψη με 100% σκόνη Β και slurry (75,09% w/w binder), Μεγέθυνση x500 40

42 Στην εικόνα 35 φαίνεται πλέον καθαρά η ζώνη επικάλυψης η οποία διεισδύει σε βάθος μm. Επίσης, μπορεί να επισημανθεί πως φαίνεται να υπάρχει μια ασυνέχεια στο κάτω μέρος της εικόνας, η οποία μπορεί να οφείλεται σε ύπαρξη λεπτότερης στρώσης slurry στο συγκεκριμένο σημείο πριν την θερμική κατεργασία. Επισημαίνεται επομένως, η σημαντικότητα της λεπτομερούς προσοχής και φροντίδας κατά τα επιμέρους στάδια προετοιμασίας. Εικόνα 36. Επικάλυψη με 100% σκόνη Β και slurry (75,09% w/w binder), Μεγέθυνση x1000 Στην μεγαλύτερη μεγέθυνση που επιτρέπει το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο του εργαστηρίου είναι πλέον φανερή με μεγάλη ευκρίνεια η περιοχή επηρεασμού της εξωτερικής στοιβάδας λόγω της επικάλυψης. Αξίζει να αναφερθεί ακόμη μία φορά το ακανόνιστο σχήμα των ρωγμών που εμφανίζονται. 41

43 Δοκίμιο Γ (Al 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) Στο συγκεκριμένο δοκίμιο αναμένεται η εμφάνιση εντονότερης ζώνης επιρροής της επικάλυψης, καθώς σε σχέση με τα προηγούμενα, στο δοκίμιο Γ γίνεται χρήση ενεργοποιητών. Οι ενεργοποιητές θα απελευθερώσουν ενέργεια κατά την καύση τους και έτσι θα γίνει εντονότερη διείσδυση των μικροσωματιδίων Al στο υπόστρωμα του χάλυβα. Εικόνα 37. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (Al 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) και slurry (33,83% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Όπως παρατηρείται στην εικόνα 37, η εξωτερική επιφάνεια του δοκιμίου δεν παρουσιάζει την ομαλότητα των προηγούμενων δοκιμίων. Η επηρεασμένη στρώση έχει φτάσει περίπου τα 100μm και είναι σαφώς πιο έντονη. Για καλύτερη παρατήρηση των αποτελεσμάτων απαιτείται μελέτη σε μεγαλύτερη μεγέθυνση. (α) (β) Εικόνα 38(α) κ (β). Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (Al 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) και slurry (33,83% w/w binder), Μεγέθυνση x500 42

44 Στις εικόνες 38(α) και 38(β) παρατηρούνται περιοχές από την περιφέρεια των δύο διαφορετικών δοκιμίων. Ενώ έχει εφαρμοσθεί το ίδιο slurry, παρατηρούνται διαφορές στα αποτελέσματα. Τόσο στο πρώτο, όσο και στο δεύτερο μελετάται το αποτέλεσμα της θερμικής κατεργασίας. Στο μεν πρώτο, η επηρεασμένη επιφάνεια είναι αποκλειστικά η εξωτερική. Στο δεύτερο υπάρχει έντονη παραμόρφωση του υποστρώματος και ίσως αποτελέσει σημείο εμφάνισης ρωγμών κάτω από έντονες καταπονήσεις. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε εναπομένουσες φυσαλίδες αέρα που εισχώρησαν στο εσωτερικό του δοκιμίου κατά την θέρμανση στον φούρνο, οι οποίες κατά την καύση τους δημιούργησαν αυτές τις ρωγμές. (α) (β) Εικόνα 39.(α) κ (β). Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (Al 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) και slurry (33,83% w/w binder), Μεγέθυνση x1000 Παρατηρώντας τις εικόνες 39 (α) και (β) γίνεται εμφανής πλέον η βασική διαφορά ανάμεσα στα δύο δοκίμια. Αν και το δεύτερο δοκίμιο παρουσιάζει στην υπόλοιπη εξωτερική περιοχή την μορφή που έχει και το πρώτο, κρίθηκε σημαντικό να επισημανθεί η συγκεκριμένη μορφή ως σφάλμα, και όχι σαν επιτυχής επικάλυψη. Αυτό που έχει περισσότερη σημασία όμως, είναι η πολύ έντονη διαφορά στην τελική επιφάνεια όταν το slurry περιέχει ενεργοποιητή. 43

45 Δοκίμιο Δ (KBF 4 100% w/w) Για ερευνητικούς σκοπούς, δύο δοκίμια επικαλύφθηκαν με slurry που ήταν αναμειγμένο εξ ολοκλήρου με ενεργοποιητή, με απουσία δηλαδή σκόνης και πληρωτικού μέσου. Ενώ το slurry παρουσίασε μεγαλύτερη ρευστότητα έναντι των υπολοίπων δοκιμίων, καθώς το μέγεθος των κόκκων του KBF 4 ήταν πολύ μικρό (1μm), η επικάλυψη εφαρμόσθηκε όπως και στα υπόλοιπα δοκίμια, και η θερμική κατεργασία έγινε στις ίδιες συνθήκες. Εικόνα 40. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (KBF 4 100% w/w) και slurry (37,61% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Στην εικόνα 40 παρατηρείται η επιφάνεια του χάλυβα. Στο εσωτερικό του είναι εμφανείς οι κόκκοι περλίτη (αναμενόμενοι λόγω της αργής απόψυξης μέσα σε φούρνο) ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η εξωτερική στοιβάδα του. Στη συγκεκριμένη μεγέθυνση φαίνεται να ακολουθεί την μορφή που έχουν και τα υπόλοιπα δοκίμια, ωστόσο σε μεγαλύτερες μεγεθύνσεις η διαφορά είναι περισσότερο διακριτή. 44

46 Εικόνα 41. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (KBF 4 100% w/w) και slurry (37,61% w/w binder), Μεγέθυνση x500 Οι κόκκοι του περλίτη συνεχίζουν κανονικά μέχρι το εξωτερικό του δοκιμίου, όπως γίνεται εμφανές στην εικόνα 42. Αυτό δείχνει πως δεν έχει δημιουργηθεί στρώση επικάλυψης, η οποία θα είναι διακριτή. Επομένως η ανωμαλία στην εξωτερική στοιβάδα εκτιμάται ότι οφείλεται στην κοπή του δοκιμίου. Εικόνα 42. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (KBF 4 100% w/w) και slurry (37,61% w/w binder), Μεγέθυνση x1000 Σε ακόμα μεγαλύτερη ανάλυση, μπορεί να θεωρηθεί ότι λόγω της υδατικής φύσεως του binder, κατά την εφαρμογή του πάνω στο δοκίμιο, πριν το στάδιο της τοποθέτησης του στο ξηραντήριο, γίνεται αντίδραση του νερού με τον χάλυβα και οξειδώνεται μερικώς η εξωτερική του στοιβάδα. Στις υπόλοιπες περιπτώσεις που υπάρχουν κόκκοι Al ή Β στο slurry παρατηρείται ομαλή εμφάνιση της στρώσης επικάλυψης. 45

47 Δοκίμιο E (B 10%, KBF 4 2%, Al 2 O 3 88% w/w) Τα 2 δοκίμια που ακολουθούν επικαλύφθηκαν με slurry που περιέχει τόσο σκόνη βορίου, όσο και ενεργοποιητή και πληρωτικό μέσο. Εικόνα 43. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (B 10%, KBF 4 2%, Al 2 O 3 88% w/w) και slurry (63,65% w/w binder), Μεγέθυνση x100 Στην εικόνα 43 παρατηρείται η μορφή του δοκιμίου σε μικρή σχετικά μεγέθυνση. Ενώ αμέσως γίνεται εμφανής πολύ τραχειά επιφάνεια στην εξωτερική στοιβάδα, όσο γίνεται μελέτη σε μεγαλύτερες μεγεθύνσεις τα αποτελέσματα είναι πιο ενδιαφέροντα. 46

48 Εικόνα 44. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (B 10%, KBF 4 2%, Al 2 O 3 88% w/w) και slurry (63,65% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Στην εικόνα 44, σε διπλάσια δηλαδή μεγέθυνση, μπορούν εύκολα να παρατηρηθούν στην εξωτερική στοιβάδα τα αποτελέσματα της επικάλυψης. Φαίνεται πως υπάρχει διαφοροποίηση σε σχέση με τους κόκκους στο εσωτερικό του δοκιμίου. Εικόνα 45. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (B 10%, KBF 4 2%, Al 2 O 3 88% w/w) και slurry (63,65% w/w binder), Μεγέθυνση x500 Για καλύτερη μελέτη, η μεγέθυνση αυξάνεται στις 500 φορές σε σχέση με το γυμνό μάτι. Παρατηρούνται ρωγματώσεις που οφείλονται στην επιτυχή επικάλυψη στο δοκίμιο. Αυτές έχουν ακανόνιστη μορφή, όπως αναμένεται άλλωστε, και διαφορετική μορφή από τα όρια των κόκκων του χάλυβα. 47

49 Εικόνα 46. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (B 10%, KBF 4 2%, Al 2 O 3 88% w/w) και slurry (63,65% w/w binder), Μεγέθυνση x1000 Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι πέρα από τις μεγάλες ρωγματώσεις, σε ακόμη μεγαλύτερες μεγεθύνσεις παρατηρούνται μικρότερες ρωγμές που εκτείνονται κάθετα στις μεγαλύτερες. Γίνεται επομένως φανερό πως η ζώνη επικάλυψης έχει πολυπλοκότερη δομή απ ότι μπορεί να φανεί μέσω του οπτικού μικροσκοπίου και θα ήταν ενδιαφέρουσα η μελέτη της και σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Δοκίμιο Ζ (KBF 4 2%, Al 2 O 3 88%, B 4 C 10% w/w) Η επικάλυψη που εφαρμόσθηκε στα δοκίμια αυτά, έχει σαν χαρακτηριστικό πως αντί για σκόνη βορίου, χρησιμοποιούνται καρβίδιά του. Εικόνα 47. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (KBF 4 2%, Al 2 O 3 88%, B 4 C 10% w/w) και slurry (33,76% w/w binder), Μεγέθυνση x100 Ήδη από τις μικρότερες μεγεθύνσεις, εικόνα 47, γίνεται εμφανές πως η μορφή της επιφάνειας δεν ακολουθεί την κλασσική μορφή των προηγούμενων δοκιμίων. Κρίνεται αναγκαία όμως περεταίρω ανάλυση. 48

50 Εικόνα 48. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (KBF 4 2%, Al 2 O 3 88%, B 4 C 10% w/w) και slurry (33,76% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Γίνεται εστίαση σε μια ιδιαιτερότητα που έχει διεισδύσει ακόμα και στο εσωτερικό του χάλυβα και μάλιστα και σε πολύ μεγάλο βαθμό. Δεν δικαιολογείται η ύπαρξη αυτής της μορφής λόγω της θερμικής κατεργασίας και εκτιμάται ότι έγινε λόγω φθοράς της επιφάνειας κατά την χημική προσβολή της με το Nital. Όσον αφορά την επικάλυψη, δεν παρατηρείται ούτε και σε αυτή τη μεγέθυνση εμφανής ζώνη, αλλά ούτε και σε μεγαλύτερη (εικόνα 49). Εικόνα 49. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (KBF 4 2%, Al 2 O 3 88%, B 4 C 10% w/w) και slurry (33,76% w/w binder), Μεγέθυνση x500 49

51 Δοκίμιο Η (Β 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) Η συγκεκριμένη επικάλυψη αποτελεί επικάλυψη βορίωσης και χρησιμοποιεί χλωριούχο αμμώνιο ως ενεργοποιητή. Εικόνα 50. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (B 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) και slurry (65,79% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Ενώ στην αντίστοιχη επικάλυψη αλουμινίωσης (δοκίμιο Γ) υπήρχαν πιο εμφανή αποτελέσματα, στην εικόνα 50 δεν παρατηρούνται ξεκάθαρα ζώνες επικάλυψης. Κρίνεται επομένως σκόπιμο να γίνει παρατήρηση σε μεγαλύτερες μεγεθύνσεις. Εικόνα 51. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (B 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) και slurry (65,79% w/w binder), Μεγέθυνση x500 50

52 Στην εικόνα 51 μπορεί να φανεί καλύτερα πως σε βάθος περίπου 150 μm η εξωτερική στοιβάδα έχει επηρεαστεί από την θερμική κατεργασία της επικάλυψης. Έχει αλλάξει η μικροδομή του χάλυβα σε μια πιο ανθεκτική σε διάβρωση στρώση, πράγμα που ήταν και αρχικός στόχος της επικάλυψης. Σε ακόμα μεγαλύτερες μεγεθύνσεις (εικόνα 52), που επιτρέπει το οπτικό μικροσκόπιο του εργαστηρίου, παρατηρείται η συμπαγής μορφή της επικάλυψης με μεγαλύτερη ευκρίνεια. Η διαφορά σε σχέση με τις υπόλοιπες δομές επικάλυψης εκτιμάται πως λαμβάνει χώρα λόγω του διαφορετικού ενεργοποιητή που χρησιμοποιείται. Εικόνα 52. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (B 10%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 89% w/w) και slurry (65,79% w/w binder), Μεγέθυνση x Δοκίμιο Θ (Al 1%, Β 15%, ΚΒF 4 2%, Al 2 O 3 82% w/w) Τέλος, κρίνεται απαραίτητη η μελέτη μιας μεικτής επικάλυψης μικροσωματιδίων τόσο Al, όσο και Β. Στην εικόνα 53 παρατηρείται ήδη η ζώνη επικάλυψης στην εξωτερική στοιβάδα του δοκιμίου, ενώ είναι εμφανής και η περλιτική δομή του εσωτερικού του χάλυβα. 51

53 Εικόνα 53. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (Al 1%, Β 15%, ΚΒF 4 2%, Al 2 O 3 82% w/w) και slurry (60,62% w/w binder), Μεγέθυνση x200 Στην εικόνα 54 φαίνεται πλέον πολύ καλύτερα η εν λόγο επικάλυψη και η ζώνη επιρροής της αγγίζει τα 200μm και ακολουθεί τη μορφή των ρωγματώσεων όπως και στα προηγούμενα δοκίμια. Εικόνα 54. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (Al 1%, Β 15%, ΚΒF 4 2%, Al 2 O 3 82% w/w) και slurry (60,62% w/w binder), Μεγέθυνση x500 52

54 Εικόνα 55. Επικάλυψη με μίγμα σκόνης (Al 1%, Β 15%, ΚΒF 4 2%, Al 2 O 3 82% w/w) και slurry (60,62% w/w binder), Μεγέθυνση x1000 Οι ρωγμές φαίνονται καλύτερα στην μεγαλύτερη μεγέθυνση του μικροσκοπίου και παρατηρείται πως έχει επιτευχθεί η επικάλυψη στα δοκίμια. Πάλι τονίζεται πως μελέτη σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο θα μπορούσε να δώσει και πιο ενδιαφέρουσες εικόνες στην καρδιά της επικάλυψης. 53