ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6.1 ΕΠΙΜΕΤΑΛΛΩΣΗ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6.1 ΕΠΙΜΕΤΑΛΛΩΣΗ Με τον όρο επιμετάλλωση εννοούμε τη δημιουργία ενός στρώματος μετάλλου πάνω στο μέταλλο βάσης για την προσθήκη ορισμένων επιθυμητών ιδιοτήτων. Οι ιδιότητες που συνήθως επιδιώκουμε να δώσουμε σε μία μεταλλική επιφάνεια με τη μέθοδο της επιμετάλλωσης είναι συνήθως η αντοχή στη διάβρωση και στην οξείδωση, η βελτίωση των ιδιοτήτων τριβής και η αύξηση των πόρων της μεταλλικής επιφάνειας για τη βελτίωση των συνθηκών τριβής, και λίπανσης εδράνων και αξόνων και η επαναφορά φθαρμένων αντικειμένων στις αρχικές τους διαστάσεις. Οι βασικοί τρόποι επιμετάλλωσης είναι: ο ψεκασμός με υγρό μέταλλο, η ηλεκτρόλυση και η έμβάπτιση του αντικειμένου σε ρευστό μέταλλο. Για τον ψεκασμό με ρευστό μέταλλο, εκτός από το όπλο πλάσματος, χρησιμοποιείται και η διάταξη του σχήματος 102. Σχήμα 102

2 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 99 Με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα, ρευστό μέταλλο προερχόμενο από την τήξη με τη βοήθεια φλόγας ακετυλενίου, ψεκάζεται στην επιθυμητή επιφάνεια. Για την επιτυχία της επιμετάλλωσης βασικό ρόλο παίζει η προετοιμασία της επιφάνειας πού θα δεχθεί το ρευστό μέταλλο. Η προετοιμασία αυτή γίνεται είτε με θέρμανση του μετάλλου της βάσης, είτε με μηχανουργική δημιουργία επιφανειακών ανωμαλιών, είτε με ενδιάμεση επιμετάλλωση με μολυβδένιο το οποίο δρα σαν συγκολλητικό των δύο μετάλλων. Βασικό χαρακτηριστικό του μεταλλικού στρώματος που εναποτίθεται είναι η κόκκωση η οποία μειώνει τη μηχανική αντοχή του. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η επαναφορά ενός φθαρμένου αντικειμένου στις παλιές του διαστάσεις, αλλά η μηχανική αντοχή του θα είναι αναγκαστικά μικρότερη. Η ύπαρξη των πόρων στην επιφάνεια των επιμεταλλωμένων αντικειμένων αποτελεί βασικό πλεονέκτημα για την κατασκευή εδράνων γιατί συντελούν στη συγκράτηση του λιπαντικού ελαίου. Για να αποφύγουμε την αποφλοίωση της επικάλυψης είναι σκόπιμο τα πάχη της επιμετάλλωσης να είναι μικρά και το μέταλλο βάσης να προθερμαίνεται. Μετά την επιμετάλλωση συνήθως ακολουθεί μηχανουργική επεξεργασία και λείανση του αντικειμένου. Τα χρησιμοποιούμενα μέταλλα για ψεκασμό είναι το αλουμίνιο, τα διάφορα κράματα ορειχάλκου, ο λευκοσίδηρος, ο ψευδάργυρος, το νικέλιο, ο σίδηρος, ο χάλυβας άνθρακος, ο ανοξείδωτος χάλυβας κ.ά. Συνήθως οι διάφοροι τύποι χαλύβων χρησιμοποιούνται για να προσδίδουν επιφανειακή σκληρότητα σε σημεία πού φορτίζονται ιδιαίτερα, εδράσεις αξόνων, έδρανα κλπ. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες χρησιμοποιούνται για την τοπική προστασία στοιχείων μηχανών από την οξείδωση σε συνδυασμό με υψηλή επιφανειακή σκληρότητα, το αλουμίνιο, ο ψευδάργυρος, το νικέλιο, ο λευκοσίδηρος και το χρώμιο για την τοπική προστασία από την οξείδωση κυρίως των χαλύβων και το λευκό μέταλλο για τη βελτίωση των ιδιοτήτων τριβής και λίπανσης εδράνων. Οι επιμεταλλώσεις χαλκού και των κραμάτων του χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας και ιδίως για τη βελτίωση της αντοχής των επιφανειών στη φθορά. Εκτός από τη μέθοδο του ψεκασμού μετάλλων, η οποία όπως είδαμε μπορεί να εφαρμοσθεί σχεδόν σε κάθε είδος βιομηχανικού μετάλλου, για τη βελτίωση μεγάλης ποικιλίας επιφανειακών ιδιοτήτων, υπάρχουν ειδικές μέθοδοι επιμετάλλωσης πού χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για την αντιοξειδωτική προστασία των μετάλλων. Τις μεθόδους αυτές και τα αντίστοιχα χρησιμοποιούμενα μέταλλα θα εξετάσουμε στη συνέχεια Επιμετάλλωση Καδμίου. Το κάδμιο χρησιμοποιείται σαν αντιοξειδωτική προστασία κυρίως του σιδήρου, του χάλυβα, του χαλκού και των κραμάτων του και σπανιότερα του αλουμινίου και του ψευδαργύρου. Η συνηθισμένη μέθοδος είναι η ηλεκτρόλυση κυανιούχων αλάτων του καδμίου ή η έμβάπτιση σε λιωμένο διάλυμα Cd-Ζn. Η αντιοξειδωτική προστασία του καδμίου οφείλεται στη μεγαλύτερη χημική δράση του καδμίου με το οξυγόνο, η οποία προκαλεί την οξείδωση του καδμίου αντί του μετάλλου της βάσης. Η επιμετάλλωση καδμίου παρουσιάζει σημαντική αντοχή στη διάβρωση από το θαλασσινό νερό και τη μολυσμένη ατμόσφαιρα των βιομηχανικών πόλεων.

3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι Επιμετάλλωση Μολύβδου. Ο μόλυβδος χρησιμοποιείται σαν αντιδιαβρωτική προστασία του σιδήρου, του χαλκού και του χάλυβα. Ο μόλυβδος παρουσιάζει μικρότερη χημική δράση με το οξυγόνο από τα μέταλλα αυτά, γι' αυτό είναι απαραίτητη η πλήρης κάλυψη των μεταλλικών επιφανειών με το στρώμα του μολύβδου. Η επιμετάλλωση μολύβδου γίνεται με ψεκασμό, ηλεκτρόλυση, έμβάπτιση και επάλειψη στη θερμή επιφάνεια του μετάλλου της βάσης. Η επιμεταλλωμένη επιφάνεια παρουσιάζει συνήθως κακή εξωτερική εμφάνιση, αλλά σημαντική αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση από τη δράση χημικών ουσιών. Γενικά, οι επιμεταλλώσεις μολύβδου παρουσιάζουν ευπάθεια στη διάβρωση του θαλασσινού νερού ενώ αντίθετα σημαντική αντοχή, στην επίδραση, της μολυσμένης ατμόσφαιρας Επιμετάλλωση Νικελίου και Χρωμίου. Το βασικό πλεονέκτημα των επιμεταλλώσεων του νικελίου και του χρωμίου είναι η ικανοποιητική αντιοξειδωτική προστασία σε συνδυασμό με την καλή εξωτερική εμφάνιση. Οι επιμεταλλώσεις νικελίου-χρωμίου χρησιμοποιούνται για την προστασία του σιδήρου, των διαφόρων κραμάτων χάλυβα, των κραμάτων του χαλκού, του αλουμινίου, του μαγνησίου κ.ά. Το νικέλιο και το χρώμιο παρουσιάζουν καθοδική συμπεριφορά ως προς τα μέταλλα αυτά, με αποτέλεσμα να εξασφαλίζεται η προστασία των μετάλλων της βάσης μόνον εάν επιτευχθεί η 100% κάλυψη τους. Δυστυχώς, για τις συνήθεις επικαλύψεις μέχρι πάχους 25 μm δεν είναι δυνατή η αποφυγή κενών στην κάλυψη από τα οποία αρχίζει η οξείδωση. Γενικά ο ρυθμός οξειδώσεως εξαρτάται από το περιβάλλον και χαρακτηριστικά αναφέρεται, ότι από άποψη προστασίας επικαλύψεις πάχους 12.5 μm σε καθαρή ατμόσφαιρα είναι ισοδύναμες με επικαλύψεις πάχους 25 μm σε παραθαλάσσια περιοχή ή 50 μm σε βιομηχανική στην περίπτωση του χάλυβα και του νικελίου. Επίσης, ο ρυθμός οξείδωσης εξαρτάται και από το μέταλλο βάσης, έτσι 30 μm επικάλυψης χάλυβα είναι ισοδύναμα με 25 μm επικάλυψης ψευδαργύρου και 10 μm επικάλυψης χαλκού. Για την προστασία του αλουμινίου χρησιμοποιούνται συνήθως στρώματα νικελίου πάχους τουλάχιστον 40 μm. Η επικάλυψη χρωμίου παρουσιάζει ανάλογη δράση με το νικέλιο, αλλά παρά την καλύτερη αντιοξειδωτική δράση χρησιμοποιείται σπανιότερα γιατί είναι δύσκολο να αποφευχθεί η ριγμάτωση του στρώματος. Το νικέλιο χρησιμοποιείται επίσης σε διαδοχικά στρώματα με το χαλκό, η προστασία όμως που επιτυγχάνεται είναι μικρότερη από αυτή ισοπαχούς στρώματος καθαρού νικελίου. Για την καλύτερη προστασία των μετάλλων χρησιμοποιούνται και επιμεταλλώσεις νικελίου μεγάλου πάχους έως 7 mm με τη χρησιμοποίηση της μεθόδου της ηλεκτρόλυσης, το κόστος όμως παραγωγής είναι μεγάλο. Μεγάλες όμως προοπτικές εφαρμογής παρουσιάζει η μέθοδος επένδυσης φύλλων χάλυβα με λεπτότατα φύλλα νικελίου Επιμετάλλωση Λευκοσιδήρου. Η κυριότερη εφαρμογή του λευκοσιδήρου σαν βιομηχανικό μέταλλο είναι η επιμετάλλωση του χάλυβα για την παραγωγή του ντενεκέ. Με τον τρόπο αυτό συνδυάζεται η χαμηλή τιμή του χάλυβα

4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 101 με τις αντιοξειδωτικές ιδιότητες και την καλή εξωτερική εμφάνιση του λευκοσιδήρου. Η συνηθέστερη μέθοδος επιμετάλλωσης λευκοσιδήρου είναι η έμβάπτιση. Με τη μέθοδο αυτή το μέταλλο της βάσης βαπτίζεται πρώτα σε συλλίπασμα ή γράσο και στη συνέχεια σε σειρά δοχείων με λιωμένο λευκοσίδηρο. Μετά βαπτίζεται σε λουτρό από φοινικέλαιο και στη συνέχεια περνά από έλαστρα όπου; αφαιρείται η περίσσεια του λευκοσιδήρου ώστε,, το τελικό στρώμα να έχει πάχος περίπου 2.5 μm. Το στρώμα του λευκοσιδήρου παρά το ελάχιστο πάχος του προσφύεται εξαιρετικά στην επιφάνεια του χάλυβα γιατί μέρος του σχηματίζει την χημική ένωση FeSn 2. Τα τελευταία χρόνια μεγάλη εξάπλωση έχει η μέθοδος επιμετάλλωσης λευκοσιδήρου με ηλεκτρόλυση. Το πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι η επιτυχής επιμετάλλωση με μικρότερα ακόμη πάχη λευκοσιδήρου της τάξης των 0.4 μm. Η επιμετάλλωση κραμάτων χαλκού με λευκοσίδηρο είναι επίσης ικανοποιητική και δίνει αντιοξειδωτική προστασία για τις συνηθισμένες εφαρμογές με ελάχιστα πάχη της τάξης των 0.25 μm. Ο λευκοσίδηρος δρα καθοδικά ως προς το σίδηρο, για το λόγο αυτό η αντιοξειδωτική προστασία απαιτεί πλήρη κάλυψη του μετάλλου της βάσης. Για την προστασία του λευκοσιδήρου από αλκαλικές, όξινες ή ουδέτερες επιδράσεις αλάτων που υπάρχουν στα προϊόντα κονσερβοποιίας, χρησιμοποιούνται επικαλύψεις ρητινοχρωμάτων Επιμετάλλωση Ψευδαργύρου. Ο ψευδάργυρος χρησιμοποιείται σε μεγάλη κλίμακα για την επιμετάλλωση χάλυβα γιατί παρουσιάζει μεγάλη αντοχή στην οξείδωση και γαλβανική προστασία ακόμη και σε ακάλυπτα σημεία. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται ή περιορίζεται η οξείδωση του χάλυβα για όσο χρόνο υπάρχει στρώμα ψευδαργύρου. Η επιμετάλλωση του χάλυβα με ψευδάργυρο επιτυγχάνεται συνήθως με ηλεκτρόλυση, με εμβάπτιση και με ψεκασμό. Τα συνήθη πάχη της επιμετάλλωσης είναι της τάξης των 50μm για σωλήνες στο ύπαιθρο ή 90 μm για υπόγειους σωλήνες. Η διάρκεια ζωής στρώματος πάχους 25 μm είναι σε βιομηχανικές περιοχές 4 χρόνια, σε παραθαλάσσιες εφαρμογές 5-10 χρόνια και σε αγροτικές περιοχές 10 χρόνια Ανοδική Προστασία. Τα κράματα το αλουμινίου, εάν συνδεθούν με τον αρνητικό πόλο αποκτούν ένα επιφανειακό οξείδιο πού εμποδίζει την περαιτέρω διάβρωση του μετάλλου. Για την ηλεκτρόλυση χρησιμοποιούνται οι μέθοδοι του Πίνακα 13. Πίνακας 13. Μέθοδοι ηλεκτρόλυσης

5 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 102 Για την καλύτερη προστασία του μετάλλου από την οξείδωση στην ατμόσφαιρα ή στη θάλασσα, χρησιμοποιούνται επίσης βαφές με ρητινοχρώματα. Η ανοδική προστασία χρησιμοποιείται επίσης και στην περίπτωση του μαγνησίου και του ψευδαργύρου, τα αποτελέσματα της όμως είναι κατώτερα του αλουμινίου. 6.2 ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ Η κονιομεταλλουργία είναι η τεχνική με την οποία κονιοποιημένα μέταλλα και κράματα συμπιέζονται μέσα σε μήτρες ώστε να πάρουν το επιθυμητό σχήμα. Οι κόκκοι της σκόνης συμπιεζόμενοι συγκολλούνται προσωρινά και παίρνουν το σχήμα της μήτρας. Το αντικείμενο στη συνέχεια θερμαίνεται σε κάμινο με κατάλληλη ατμόσφαιρα με αποτέλεσμα οι κόκκοι μεταξύ τους να συγκολληθούν μόνιμα, παράγοντας το τελικό προϊόν. Σε άλλες περιπτώσεις η θέρμανση γίνεται κατά τη διάρκεια της συμπίεσης. Η πρώτη ύλη της κονιομεταλλουργίας παράγεται κατά διάφορους τρόπους, μηχανικούς, φυσικούς ή χημικούς, οι σπουδαιότεροι των όποιων είναι: 1. Οι θραυστήρες πού κονιορτοποιούν τα υπολείμματα των μηχανουργικών κατεργασιών. 2. Ο ψεκασμός υγρού μετάλλου με μορφή αεροσόλ. 3. Ο καταιονισμός υγρού μετάλλου, μέσω κατάλληλου κόσκίνου από μεγάλο ύψος. 4. Η εναποθέτηση μετάλλων υπό μορφή σκόνης στα ηλεκτρόδια συσκευών ηλεκτρόλυσης. 5. Η αντικατάσταση σιδήρου, χαλκού, νικελίου κλπ. από τα σουλφίδια τους από το αλουμίνιο. Βασικό ρόλο στην κονιομεταλλουργία παίζει το μέγεθος και το σχήμα των κόκκων του μετάλλου. Γενικά, είναι επιθυμητή η χρησιμοποίηση σκόνης με κατά το δυνατό πιο ομοιόμορφη κόκκωση. Μεγάλη σημασία επίσης έχει η εφαρμοζόμενη πίεση πού κυμαίνεται ανάλογα με το μέγεθος του αντικειμένου από kp/mm 2. Μετά τη συμπίεση τα αντικείμενα έχουν ικανοποιητική αντοχή για να μεταφερθούν στην κάμινο. Εκεί με την κατάλληλη θερμοκρασία και ατμόσφαιρα αδρανών αερίων ή κενού επιτυγχάνουμε συγκόλληση στα όρια των κόκκων. Βασικό χαρακτηριστικό των προϊόντων της κονιομεταλλουργίας είναι η κόκκωση του μετάλλου. Η ιδιότητα αυτή είναι συνήθως μειονέκτημα του προϊόντος, αλλά σε πολλές περίπτώσεις επιθυμητό χαρακτηριστικό. Η μέθοδος της κονιομεταλλουργίας χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή αντικειμένων από υλικά εξαιρετικά σκληρά, δύστηκτα ή με δύσκολη μηχανουργική κατεργασία όπως π.χ. τα καρβίδια ή τα κεραμικά. Επίσης για την παραγωγή υλικών τριβής, για την κατασκευή μαγνητών, για την κατασκευή αυτολιπαινομένων εδράνων, οδοντωτών τροχών, έκκεντρων, επιστρώσεων φρένων κ.ά. Στις περιπτώσεις αυτές η κόκκωση αποτελεί βασικό προτέρημα του υλικού. Βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η μεγάλη παραγωγικότητα κομμάτια το λεπτό, και η σχεδόν παντελής έλλειψη άχρηστου υλικού. Η ακρίβεια των διαστάσεων των προϊόντων είναι πολύ ικανοποιητική της τάξης του 1/1000 και είναι ανάλογη με την ακρίβεια των συνήθων μηχανουργικών κατεργασιών στον τόρνο, φρέζα, δράπανο κλπ.