ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ (SURFACE ENGINEERING)

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ (SURFACE ENGINEERING) ΓΕΝΙΚΑ ΣΚΟΠΟΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Οι επιφανειακές κατεργασίες που εφαρµόζονται στα χαλύβδινα αντικείµενα έχουν σκοπό να τα προστατεύσουν (δηλ. να αυξήσουν την αντοχή τους) έναντι: Φθοράς, που προκαλείται από την επαφή της επιφάνειας µε τις επιφάνειες άλλων αντικειµένων. ιάβρωσης, όταν η επιφάνεια φέρεται σε υγρό περιβάλλον που δρα δυσµενώς επ αυτής. Οξείδωσης, όταν η επιφάνεια υπόκειται σε ξηρό περιβάλλον µε υψηλές θερµοκρασίες που ενεργοποιεί τη χηµική δράση των οξειδωτικών αερίων. Κόπωσης, η οποία εκδηλώνεται ως αστοχία του υλικού λόγω εναλλασσόµενης µηχανικής ή θερµικής φόρτισης. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Οι επιφανειακές κατεργασίες διακρίνονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες: (α) Κατεργασίες τροποποίησης της επιφάνειας, µε τις οποίες επιτυγχάνεται µεταβολή της κρυσταλλικής δοµής ή/και της χηµικής σύστασης της επιφάνειας, χωρίς εναπόθεση πρόσθετου υλικού σ αυτή. (β) Κατεργασίες µε απόθεση υλικού, κατά τις οποίες εναποτίθεται πάνω στην υπό προστασία επιφάνεια στρώµα άλλου υλικού (επίστρωση ή επικάλυψη). ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ (Πίν. 1) Θερµικές επιφανειακές κατεργασίες Θερµοχηµικές επιφανειακές κατεργασιές ή εµποτισµοί Πίνακας 1: Υποκατηγορίες κατεργασιών τροποποίησης της επιφάνειας Υποκατηγορία Χαρακτηριστικά Είδος κατεργασίας Μηχανικές επιφανειακές κατεργασίες Εισαγωγή «επωφελών» πεδίων παραµενουσών τάσεων στην επιφάνεια του υλικού. Κρυσταλλική δοµή και χηµική σύσταση της επιφάνειας παραµέ- 1. Σφαιροβολή 2. Επιφανειακή έλαση νουν αµετάβλητες. Επιβολή συνδυασµένων κύκλων θέρµανσης/ψύξης. Μεταβάλλεται µόνο η κρυσταλλική δοµή της επιφάνειας, ενώ η χηµική της σύσταση δεν αλλάζει. Η επιφάνεια εµπλουτίζεται µε άτοµα άλλου στοιχείου µέσω µηχανισµών διάχυσης, µε αποτέλεσµα την αλλαγή της χηµικής της σύστασης. 1. Φλογοβαφή 2. Επαγωγική βαφή 3. Βαφή µε δέσµη laser 4. Βαφή µε δέσµη ηλεκτρονίων 1. Ενανθράκωση 2. Εναζώτωση 3. Ενανθρακαζώτωση 4. Ενδοκυάνωση 5. Εγχρωµίωση 6. Εναργιλίωση 7. Ενσιλίκωση 8. Βορίωση 9. Σεραρδίωση 10. Βαναδίωση 11. Εµφύτευση ιόντων 1

Α. ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ (ΧΑΛΥΒΩΝ) ΓΕΝΙΚΑ Με τις θερµικές επιφανειακές κατεργασίες επιτυγχάνεται σκλήρυνση του επιφανειακού στρώµατος του αντικειµένου, ενώ το εσωτερικό τµήµα του παραµένει στα αρχικά επίπεδα σκληρότητας. Εφαρµόζονται µε πολύ καλά αποτελέσµατα σε αντικείµενα από χάλυβα και φαιό χυτοσίδηρο. Συνίστανται σε θέρµανση των επιφανειακών στρωµάτων σε θερµοκρασία θ Є (Α c3, T m ) και απότοµη ψύξη (βαφή). Οι βασικές θερµικές επιφανειακές κατεργασίες είναι: η φλογοβαφή (επιφανειακή σκλήρυνση µε φλόγιστρα), η επαγωγική επιφανειακή σκλήρυνση και ο βοµβαρδισµός µε δέσµες υψηλής πυκνότητας ενέργειας. ΒΑΘΟΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ 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 από 550 ΗV. Συνήθως κυµαίνεται µεταξύ 1-2 mm, αλλά µπορεί να φθάσει µέχρι 6-8 mm. Εξαρτάται από τις συνθήκες κατεργασίας και τη χηµική σύσταση του χάλυβα. ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ (Σχ. 1) Επιφανειακό στρώµα χάλυβα που θερµαίνεται σε θερµοκρασία θ>α c3 αναπτύσσει ωστενική δοµή κατά τη θέρµανση και µαρτενσιτική δοµή κατά τη βαφή, ενώ στην τελική δοµή ο υπολειπό- µενος ωστενίτης κυµαίνεται σε πολύ µικρά ποσοστά (µικρός χρόνος ωστενιτοποίησης µερική διαλυτοποίηση καρβιδίων ανύψωση του σηµείου Μ f ). Ζώνη υλικού που θερµαίνεται σε θερµοκρασίες θ Є [Α c1, A c3 ] υφίσταται µερική ωστενιτοποίηση κατά τη θέρµανση και αναπτύσσει φερριτική και µπαινιτική δοµή κατά τη βαφή. Ζώνη υλικού που θερµαίνεται σε θερµοκρασίες θ<α c1 υφίσταται επαναφορά κατά τη θέρµανση και παρατηρείται µείωση της σκληρότητας. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ Σχήµα 1 Οι συνήθεις τεχνικές µπορεί να αποδώσουν µια από τις ακόλουθες χαρακτηριστικές περιπτώσεις επιφανειακής βαφής: 2

(i) Υψηλή θερµική ισχύς και µικρός χρόνος κατεργασίας (καµπύλη Α στο Σχ. 2) οδηγούν στα εξής επιµέρους χαρακτηριστικά: Πολύ υψηλή θερµοκρασία στην κατεργαζόµενη επιφάνεια. Πολύ µικρό βάθος επιφανειακού στρώµατος όπου η θερµοκρασία θ>α c3. Πολύ µικρού πάχους ζώνη HAZ. (ii) Σχετικά χαµηλότερη θερµική ισχύς από την προηγούµενη περίπτωση και µεγαλύτερος χρόνος κατεργασίας (καµπύλη Β στο Σχ. 2) εξασφαλίζουν: Χαµηλότερη θερµοκρασία στην επιφάνεια. Μεγαλύτερο βάθος βαφής. Μεγάλο πάχος ζώνης HAZ. 1. Φλογοβαφή ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ (Σχ. 3 και 4) Σχήµα 2 Εφαρµόζεται κυρίως στην επιφανειακή σκλήρυνση µεγάλων επιφανειών ή εξαρτηµάτων πολύπλοκης γεωµετρίας και µικρού αριθµού παραγωγής, καθώς επίσης και σε περιπτώσεις στις οποίες δεν είναι συµφέρουσα η µέθοδος των επαγωγικών ρευµάτων (οδοντωτοί τροχοί). Η θέρµανση γίνεται µε τη χρήση φλογίστρων (δαυλών). Μπορεί να χρησιµοποιηθεί απλή φλόγα δαυλού µεγάλης ισχύος ή πολυάριθµες φλόγες παραγόµενες από σύστηµα δαυλών. Στην τελευταία περίπτωση επιτυγχάνεται πιο οµοιόµορφη θέρµανση της επιφάνειας. Η φλόγα προέρχεται από την καύση µε οξυγόνο ενός καυσίµου, συνήθως προπανίου, µεθανίου ή ασετιλίνης. Η παρεχόµενη ισχύς ανά µονάδα επιφανείας είναι της τάξης των 1.500 W/cm 2. Η κατεργαζόµενη επιφάνεια, ταυτόχρονα µε την θέρµανσή της, ψύχεται αµέσως µε ψεκασµό της µε ψυκτικό υγρό. Ο δαυλός και το σύστηµα ψύξης κινούνται µε ταχύτητα υ=0.1-0.4 m/min. Η φλογοβαφή ακολουθείται συχνά από επαναφορά σε θερµοκρασία 180-200 ο C. Ανάλογα µε το βάθος βαφής που επιδιώκεται και την θερµαντική ισχύ του χρησιµοποιούµενου εξοπλισµού, έχουν αναπτυχθεί δύο µέθοδοι φλογοβαφής: (α) Η ταυτόχρονη µέθοδος και (β) η σταδιακή µέθοδος. Κατά τη σταδιακή µέθοδο, τα φλόγιστρα αποµακρύνονται και το τεµάχιο εµβαπτίζεται στο ψυκτικό µέσο (λάδι ή νερό). Στην ταυτόχρονη µέθοδο, το φλόγιστρο ακολουθείται από το σύστηµα ψύξης σε συγκεκριµένη απόσταση. Το βάθος βαφής εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Γενικά µπορεί να γραφεί: x = f (P, υ, d), όπου: x το βάθος της ζώνης σκλήρυνσης, Ρ η παρεχόµενη θερµική ισχύς, υ η ταχύτητα µετακίνησης του φλογίστρου και d η απόσταση µεταξύ φλογίστρου-ψύκτη. 3

Σχήµα 3: Σχηµατική παράσταση φλογοβαφής 1: δαυλός, 2: πορεία δαυλού, 3: φλόγα, 4: ψύξη, 5: κατεργαζόµενη επιφάνεια 2. Επαγωγική επιφανειακή σκλήρυνση Σχήµα 4: ιαδικασία επιφανειακής σκλήρυνσης οδοντωτού τροχού ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Εφαρµόζεται κυρίως για την επιφανειακή σκλήρυνση εξαρτηµάτων µικρών διαστάσεων και/ή απλής σχετικά γεωµετρίας και για µεγάλη σειρά παραγωγής (άξονες κιβωτίων ταχυτήτων). Το κατεργάσιµο υλικό τοποθετείται ως πυρήνας στο εσωτερικό ενός επαγωγικού πηνίου που διαρρέεται από υψίσυχνο ρεύµα (µέχρι 1 MHz), βλ. Σχ. 5. Το αναπτυσσόµενο ισχυρό µαγνητικό πεδίο επάγει επιφανειακά στο τεµάχιο δινορρεύµατα Foucault, που µεταφέρουν θερµότητα Joule και θερµαίνουν το µέταλλο. Το βάθος διείσδυσης των δινορρευµάτων µειώνεται µε αύξηση της συχνότητας του ρεύµατος τροφοδοσίας του πηνίου. Η παρεχόµενη ισχύς µπορεί να φθάσει την τιµή 25.000 W/cm 2. 4 ρ Το βάθος της ζώνης σκλήρυνσης παρέχεται από την εµπειρική σχέση: x = 5.03 10, µ f όπου: x το βάθος βαφής [mm], ρ η ειδική αντίσταση του κατεργαζόµενου υλικού [Ω.mm 2 /m], µ η µαγνητική διαπερατότητα του κατεργαζόµενου υλικού [G/Oe] και f η συχνότητα του ρεύµατος τροφοδοσίας του πηνίου [Hz]. 4

(α) (β) Σχήµα 5: Βασικές αρχές της επαγωγικής σκλήρυνσης 3. Bοµβαρδισµός µε δέσµες υψηλής πυκνότητας ενέργειας ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ H τεχνική του βοµβαρδισµού µε δέσµες υψηλής πυκνότητας ενεργείας έχει αναπτυχθεί σχετικά πρόσφατα (τελευταία 20ετία). Εφαρµόζονται δέσµες ηλεκτρονίων ή ιόντων και δέσµες ακτίνων laser. Η υψηλής ενεργειακής πυκνότητας δέσµη (10 3-10 7 W/cm 2 ) εστιάζεται µέσω ειδικών διατάξεων εστίασης σε πολύ µικρές επιφάνειες (>100 µm 2 ), ενώ επιτυγχάνεται η δυνατότητα τοπικής κατεργασίας µικρού πάχους επιφανειακών στρωµάτων (0.1-3 mm). Η ψύξη της επιφάνειας είναι ταχεία και εξασφαλίζεται δι αγωγής της θερµότητας µέσα από τον κύριο όγκο του αντικειµένου (αυτοβαφή της επιφάνειας). Η δέσµη ηλεκτρονίων και ιόντων εκπέµπεται υπό κενό και απορροφάται εύκολα από τη µεταλλική επιφάνεια. Η δέσµη laser δεν απαιτεί εφαρµογή κενού και ανακλάται εύκολα από ανοικτόχρωµες και λείες επιφάνειες. Για αύξηση της απορροφητικής ικανότητας της κατεργαζόµενης επιφάνειας επιβάλλεται αµµοβολή της ή επικάλυψή της µε γραφίτη πριν από την εφαρµογή της δέσµης laser. 5

Β. ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ (ΧΑΛΥΒΩΝ) ΓΕΝΙΚΑ Πραγµατοποιούνται σε σχετικά υψηλές θερµοκρασίες. Ταξινοµούνται µε βάση το στοιχείο εµπλουτισµού της µεταλλικής επιφάνειας. Οι βασικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα σ όλους τους εµποτισµούς είναι: (i) ιάλυση του στοιχείου εµπλουτισµού. (ii) Προσρόφηση. (iii) ιάχυση. Πριν από κάθε εµποτισµό απαιτείται πολύ καλός καθαρισµός της προς κατεργασία επιφάνειας, ώστε να διευκολύνεται η προσρόφηση και διάχυση του στοιχείου εµπλουτισµού από αυτή. Οι πιο συχνά εφαρµοζόµενες θερµοχηµικές κατεργασίες σε βιοµηχανική κλίµακα είναι: (i) H ενανθράκωση. (ii) Η εναζώτωση. (iii) Η ενανθρακαζώτωση. 1. Ενανθράκωση ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ Εφαρµόζεται κυρίως σε χάλυβες µε χαµηλό ποσοστό C (π(c)=0.10-0.25%) και επιτελείται σε 2 στάδια: Στάδιο 1 O χάλυβας θερµαίνεται παρουσία ενανθρακωτικού µέσου σε θερµοκρασία πλήρους ωστενιτοποίησης (900-950 ο C). Τα άτοµα άνθρακα διαχέονται στο πλέγµα του ωστενίτη, σε ορισµένο βάθος από την επιφάνεια, µέχρι την τιµή της µέγιστης διαλυτότητας σ αυτόν (βλ. λεπτοµέρειες κατωτέρω). Ακολουθεί βραδεία απόψυξη µέχρι τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Λόγω της παρατεταµένης θέρµανσης, σχηµατίζονται κόκκοι µεγάλου µεγέθους, τόσο στον πυρήνα (φερρίτης+περλίτης), όσο και στην εµποτισµένη επιφάνεια (σεµεντίτης+περλίτης). Στάδιο 2 Ακολουθεί βαφή που επιτελείται σε 2 φάσεις: Φάση 1 Θέρµανση σε θερµοκρασία θ>α c3. Μετασχηµατισµός του χονδρόκοκκου ωστενίτη του πυρήνα σε λεπτόκοκκο ωστενίτη. Ακολουθεί βαφή σε νερό. Μετασχηµατισµός του λεπτόκοκκου ωστενίτη του πυρήνα σε λεπτόκοκκο φερρίτη και µαρτενσίτη, η δοµή όµως της εµποτισµένης επιφάνειας παραµένει χονδρόκοκκη. Φάση 2 Επαναθέρµανση σε θερµοκρασία θ 760 ο C. Σχηµατισµός λεπτόκοκκου ωστενίτη (ευτηκτοειδούς σύστασης) στην εµποτισµένη επιφάνεια. Ακολουθεί βαφή σε λάδι. Μετασχηµατισµός του λεπτόκοκκου ωστενίτη σε λεπτόκοκκο σκληρό µαρτενσίτη, ενώ ο µαρτενσίτης του πυρήνα υφίσταται επαναφορά. ΕΝΑΝΘΡΑΚΩΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Στερεά Σκόνη µίγµατος ξυλάνθρακα και ανθρακούχων ενώσεων (BaCO 3 και Na 2 CO 3 ) καλύπτουν την προς κατεργασία επιφάνεια. 6

Με τη θέρµανση οι σκόνες διασπώνται προς CO και CO 2 που αποτελούν το φορέα του C που διαχέεται στο επιφανειακό στρώµα. Μια τυπική σειρά αντιδράσεων που λαµβάνουν χώρα κατά την ενανθράκωση παρουσιάζονται αµέσως παρακάτω: C + O 2 CO 2 BaCO 3 BaO + CO 2 CO 2 + C 2CO 2CO CO 2 + C Fe-γ + C Fe-γ (C) Υγρά Λουτρά τηγµάτων ανθρακούχων ενώσεων (Βa(CN) 2, NaCN, Na 2 CO 3 ). Με τη θέρµανση διασπώνται και επιτελείται η διάχυση των ατόµων C ως ανωτέρω. Ως ενεργοποιητές της διεργασίας χρησιµοποιούνται χλωρίδια Νa, Ba, Sr (τα δύο τελευταία είναι τοξικά) Εφαρµόζουν στην ενανθράκωση αντικειµένων µικρών διαστάσεων, όπου απαιτείται µικρό βάθος εµποτισµού. Αέρια Αέρια µίγµατα H 2, CO, CO 2, CH 4, C 2 H 6. Mε τη θέρµανση αντιδρούν µεταξύ τους και παράγουν τον απαραίτητο C για την ενανθράκωση. ΒΑΘΟΣ ΕΜΠΟΤΙΣΜΟΥ Εξαρτάται από τη θερµοκρασία και το χρόνο ενανθράκωσης. Για δεδοµένη θερµοκρασία, υπολογίζεται από τη σχέση: x = 2Dt, όπου: D ο συντελεστής διάχυσης και t ο χρόνος ενανθράκωσης. Συνήθως επιλέγεται x 10% της µέγιστης διάστασης της διατοµής του χαλύβδινου αντικειµένου. Ο χρόνος ενανθράκωσης κυµαίνεται µεταξύ 4-5 h. Ο συντελεστής διάχυσης αυξάνεται µε αύξηση του ποσοστού C. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Η θερµοκρασία του φούρνου πρέπει να είναι αυστηρά ρυθµισµένη. Οποιαδήποτε θερµοκρασιακή απόκλιση επηρεάζει το ποσοστό C στην επιφανειακή στιβάδα. H ενανθράκωση µε αέρια ενανθρακωτικά µέσα είναι η πλέον εφαρµοζόµενη µέθοδος σε βιοµηχανική κλίµακα, διότι παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήµατα έναντι των άλλων ενανθρακωτικών µέσων, όπως: Μείωση του χρόνου ενανθράκωσης κατά 2-3 h. Αύξηση της παραγωγικότητας. Μικρότερη µόλυνση περιβάλλοντος. υνατότητα επέµβασης κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. υνατότητα άµεσης εφαρµογής της επόµενης θερµικής κατεργασίας (βαφής). υνατότητα υψηλού βαθµού αυτοµατισµού της κατεργασίας. Περιοχές που δεν πρέπει να ενανθρακωθούν επικαλύπτονται µε ηλεκτρολυτικό Cu, που αφαιρείται µετά το πέρας της κατεργασίας. Θερµοκρασίες µεγαλύτερες από 950 ο C οδηγούν σε µεγέθυνση των κόκκων και ψαθυροποίηση του χάλυβα. 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. 7

Για την επιφανειακή σκλήρυνση χαλύβων µε 0.25% π(c) 0.30% χρησιµοποιούνται κραµατωµένοι χάλυβες (τυπική σύνθεση: 4% Ni, 1.1% Cr, 0.2-0.3% Mo). ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΩΝ ΚΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΗΝ ΕΝΑΝΘΡΑΚΩΣΗ Το Mg (έως 8%) προκαλεί αύξηση της σκλήρυνσης και της τάσης επιφανειακής ρηγµάτωσης. Το Ni (έως 5%) παρεµποδίζει την αύξηση του µεγέθους κόκκων. Το Cr συντελεί στην αύξηση της σκληρότητας, της αντοχής σε φθορά και του µεγέθους κόκκων. Το Μο (έως 1%) ευνοεί τη δηµιουργία ψαθυρών καρβιδίων στα όρια κόκκων. 2. Εναζώτωση ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ Πρόκειται για κατεργασία εµποτισµού της επιφανειακής στιβάδας χαλύβων µε άτοµα αζώτου. Το προς κατεργασία αντικείµενο τοποθετείται σε αεροστεγές δοχείο, όπου θερµαίνεται µαζί µε NH 3 σε θερµοκρασία χαµηλότερη από την ευτηκτική του συστήµατος Fe-N (~590 ο C), δηλαδή ο χάλυβας δεν υφίσταται ωστενιτοποίηση. Η NH 3 διασπάται και παρέχει το αναγκαίο N 2. H διάχυση του Ν 2 στο πλέγµα του φερρίτη (Fe-α) οδηγεί στο σχηµατισµό κατακρηµνισµάτων ή στρώµατος νιτριδίων, στα οποία οφείλεται η πολύ υψηλή επιφανειακή σκληρότητα. Επιπλέον, επιτυγχάνονται για τον κατεργαζόµενο χάλυβα: (α) Βελτίωση της αντοχής σε κόπωση, 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. (β) Βελτίωση της αντοχής σε φθορά, λόγω του χαµηλού συντελεστή τριβής των νιτριδίων. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Βάθος εµποτισµού: 1 µm. Θερµοκρασία κατεργασίας: 500-550 ο C. Η επιφανειακή σκληρότητα ανέρχεται στους 1350 ΗV και διατηρείται αµείωτη µέχρι θερµοκρασία 500 ο C περίπου. Ο χρόνος εναζώτωσης είναι αρκετά µεγάλος (50-60 h), λόγω της µικρής ταχύτητας διάχυσης του Ν 2. εν απαιτείται περαιτέρω βαφή του χάλυβα. Εφαρµόζεται σ όλα τα είδη χαλύβων και χυτοσιδήρων χωρίς κανένα περιορισµό. Η παρουσία Αl, Cr και V, ως κραµατικών στοιχείων του χάλυβα, συντελεί σε επιπρόσθετη σκλήρυνση της επιφανειακής ζώνης, λόγω σχηµατισµού σκληρών νιτριδίων τους. 3. Ενανθρακαζώτωση ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Χρησιµοποιείται για ταυτόχρονη ενανθράκωση και εναζώτωση των χαλύβδινων προϊόντων. Το µέσο που εξασφαλίζει τα άτοµα εµποτισµού είναι µίγµα ΝΗ 3 και CO. Επιτελείται αρχικά θέρµανση του συστήµατος στο θερµοκρασιακό εύρος των 750-900 o C και ακολουθεί απόψυξη σε ισχυρό θερµό ρεύµα αέρα. 4. Λοιπές κατεργασίες εµποτισµού (Πίν. 2) 8

Πίνακας 2: Λοιπές κατεργασίες εµποτισµού χαλύβων Τεχνική Μέσο εµποτισµού Αντίδραση Θερ/σία κατ/σίας ( ο C) Επιπλέον θερµική κατ/σία Ενδοκυάνωση Εναργιλίωση Λουτρά τηγµένων αλάτων τυπικής σύ-στασης: NaCN (30%), Na 2 CO 3 (40%), NaCl (30%) Σκόνη Al και NH 4 Cl σε ειδικό φούρνο Fe + AlCl 3 FeCl 3 + Al Περιορισµοί - Παρατηρήσεις 760-870 Βαφή Εµπλουτισµός σε C και N. Bάθος εµποτισµού: 30-50 µm. Επικίνδυνη κατεργασία λόγω του CN Απαιτείται σύστηµα απαγωγής τοξικών αερίων. Επιτυγχάνεται επιφανειακή σκλήρωση Εφαρµογές: Χάλυβες µικρής π(c). 800-1000 - Εµπλουτισµός σε Al. Βάθος εµποτισµού: <1 µm. ιάρκεια κατεργασίας: 40-50 h. Επιτυγχάνεται προστασία σε διάβρωση µέχρι 750 ο C λόγω σχηµατισµού Al 2 O 3 στην επιφάνεια. Εφαρµογές: Χάλυβες µε π(c)=0.08-0.2% κ.β., εσχάρες φούρνων, σωλήνες ατµού, σερπαντίνες κλπ. Εγχρωµίωση Σκόνη Cr 1300-1400 - Εµπλουτισµός σε Cr. Βάθος εµποτισµού: <1 µm. Επιτυγχάνεται προστασία σε διάβρωση σε περιβάλλον ΗΝΟ 3 και σε θερµό περιβάλλον. Εφαρµογές: Χάλυβες µε π(c)=0.05-0.2% κ.β., σε χηµικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας ΗΝΟ 3. Ενσιλίκωση Σκόνη SiC ή SiCl 4 σε ατµόσφαιρα Cl 2. 930-1010 - Εµπλουτισµός σε Si, που παράγεται µε διάσπαση της σκόνης από το Cl 2. Βάθος εµποτισµού: 0.1-2.5 µm. ιάρκεια κατεργασίας: ~2 h. Επιτυγχάνεται προστασία σε διάβρωση σε υψηλή θερµοκρασία. Εφαρµογές: Κοινοί χάλυβες µε µικρές π(c) και π(si), εξαρτήµατα αντλιών αυτ/του, βαλβίδες, κύλινδροι ΜΕΚ, εγκαταστάσεις επεξεργασίας πετρελαίου Σεραρδίωση Λεπτή σκόνη Zn. 350-380 - Εµπλουτισµός σε Αl και σχηµατισµός των φάσεων FeZn 7 και FeZn 10. Βάθος εµποτισµού: < 300 µm. ιάρκεια κατεργασίας: πολύ µεγάλη. Υψηλό κόστος. Επιτυγχάνεται βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση και οξείδωση. Εφαρµόζεται σπάνια. Βορίωση Σκόνη Β. 815-980 ιάφοροι θερµικοί κύκλοι Εµπλουτισµός σε Β και σχηµατισµός των σκληρών ενώσεων FeB και Fe 2 B. Βάθος εµποτισµού: 25-125 µm. ιάρκεια κατεργασίας: 15 min 2 h. Επιτυγχάνονται πολύ µεγάλη σκληρότητα (1500-2000 HV), προστασία σε φθορά και διάβρωση σε όξινο περιβάλλον. Εφαρµογές σε πολλά είδη χαλύβων, γρανάζια αντλιών λαδιού σε ΜΕΚ, εγχυτήρες καυστήρων υψηλής πίεσης, βαλβίδες ασφαλείας, βάνες διαβρωτικών ρευστών κλπ. 9

Το εύρος των εφαρµοζοµένων θερµοκρασιών και του επιτυγχανόµενου βάθους σκλήρυνσης για τις συνήθεις θερµικές και θερµοχηµικές επιφανειακές κατεργασίες χαλύβων παρουσιάζονται στο Σχ, 6. Σχήµα 6 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕ ΑΠΟΘΕΣΗ ΥΛΙΚΟΥ (ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ) Α. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΕΜΒΑΠΤΙΣΗ ΣΕ ΛΟΥΤΡΟ (Πίν. 3) Απαιτείται πολύ καλός καθαρισµός της προς επικάλυψη επιφάνειας. Το λουτρό εµβάπτισης είναι συνήθως τήγµα του µετάλλου επικάλυψης. Η σχετικά υψηλή θερµοκρασία του λουτρού εξασφαλίζει διεπιφάνεια επικάλυψης/υποστρώ- µατος µε πολύ καλή πρόσφυση. Στη διεπιφάνεια επικάλυψης/υποστρώµατος σχηµατίζονται όλες οι ενδιάµεσες φάσεις και ενώσεις που προβλέπονται στο αντίστοιχο διάγραµµα ισορροπίας του διφασικού κράµατος. Πίνακας 3: Βασικές επικαλύψεις µε εµβάπτιση σε λουτρό Τεχνική Λουτρό Θερµοκρασία λουτρού Πάχος επικάλυψης ιεπιφάνεια Επιψευδαργύρωση (γαλβάνισµα) Επικασσιτέρωση (γάνωµα) Καθαρός Zn ή ZnCl 2 +NH 4 Cl 450-460 o C για µικρό χρόνο 50-75 µm Καθαρός Zn και µεσοµεταλλικές ενώσεις FeZn 3, FeZn 7 Καθαρός Sn 280-300 o C 5-30 µm Καθαρός Sn (στιλπνός) και µεσοµεταλλικές ενώσεις FeSn, FeSn 2 Επαργιλίωση Καθαρό Al 650-700 o C <50 µm Καθαρό Αl, µεσο- µεταλλικές ενώσεις FeAl,FeAl 2, FeZn 3 και Fe 2 Zn 5 Παρατηρήσεις Προστασία από οξείδωση στον αέρα. Εφαρµογές σε σύρµατα, πλαίσια και ελάσµατα χάλυβα. Προστασία από οξείδωση και διάβρωση από οργανικά οξέα Εφαρµογές στη βιοµηχανία τροφίµων και την κονσερβοποιία 10

Β. ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ (Πίν. 4) Βασίζονται στο µηχανισµό της ηλεκτρόλυσης. Το ηλεκτρολυτικό κελλί περιλαµβάνει: Άνοδο: Το υλικό της επικάλυψης που διαλύεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης ή υδατικό διάλυµα άλατος αυτού. Κάθοδο: Το προς επικάλυψη µέταλλο. Πηγή ρεύµατος: Συνδέεται µε άνοδο (θετικός πόλος) και κάθοδο (αρνητικός πόλος) αποκαθιστώντας κλειστό κύκλωµα µε το διάλυµα. AB I t Η µάζα του υλικού εναπόθεσης υπολογίζεται από το νόµο του Faraday: m = α (σε g) n F όπου: α η απόδοση του ρεύµατος (~0.90), ΑΒ το ατοµικό βάρος του µετάλλου, n το σθένος του µετάλλου, F η σταθερά Faraday (96500 C), Ι η ένταση του ρεύµατος (σε Α), t η χρονική διάρκεια της επιµετάλλωσης. Πρέπει να αποφεύγεται ο σχηµατισµός Η 2 στην κάθοδο διότι προκαλεί ψαθυροποίηση της επένδυσης. Πίνακας 4: Βασικές ηλεκτρολυτικές επιµεταλλώσεις Τεχνική Λουτρό ηλεκτρόλυσης Συνθήκες ηλεκτρόλυσης Επιψευδαρ- ZnCN+NaCN+NaOH T=60-70 o C γύρωση Επικαδµίωση Επικασσιτέρωση Επιχάλκωση Επινικέλωση Επιχρωµίωση Cd(CN) 2 +NaCN+NaOH + NiSO 4 Sn+NaOH CuCN+NaCN+KOH ή CuSO 4 +H 2 SO 4 NiSO 4 +NaCl+Bορικό οξύ ιακοσµητική Η 2 CrO 3 + H 2 SO 4 Σκληρή Η 2 CrO 3 + H 2 SO 4 Γ. ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ 1. Φωσφάτωση i=2-4 A/dm 2 T=18-36 o C i=2-7 A/dm 2 Παρατηρήσεις Στιλπνό επίστρωµα Cd. Προστασία σε διάβρωση σε θαλάσσιο περιβάλλον T=70-80 o C i=1.5-2 A/dm 2 T=60-80 o C To επίστρωµα Cu επικαλύπτεται i=2-5 A/dm 2 συνήθως µε λεπτό στρώµα Ni (προστασία από το H 2 SO 4 ) Προστασία σε διάβρωση. T=45-55 o C i=2-5 A/dm 2 T=40-45 o C i=10-20a/dm 2 T=50-55 o C i=25-50a/dm 2 Πάχος επιστρώµατος: 25-50 µm. Προστασία σε οξείδωση και για διακοσµητικούς σκοπούς. Στιλπνό επίστρωµα Cr σε υπόστρωµα Cr. Πάχος επικάλυψης: 2.5-5 µm. Μικρή αντίσταση σε φθορά. Πάχος επικάλυψης: 5-500 µm. Προστασία και διάβρωση ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗ: 2 H 3 PO 4 + Fe Fe(H 2 PO 4 ) 2 + H 2 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ηµιουργία φωσφορικού άλατος του Fe σε επιφανειακή στιβάδα πάχους 10-20 µm. Μεγάλη αντοχή σε διάβρωση. Υπόβαθρο για περαιτέρω επικάλυψη µε χρώµα ή για πρόσφυση λιπαντικού. 2. Χηµική επινικέλωση ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗ: 2NiSO 4 + 2NaH 2 PO 2 + 2H 2 O 2Ni + 2NaHPO 3 + 2H 2 SO 4 +H 2 11

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Πρόκειται για επινικέλωση χωρίς τη χρήση ρεύµατος. Η χηµική πλεονεκτεί διότι δεν απαιτεί αγωγιµότητα του προς επικάλυψη υλικού και δίνει πιο οµοιόµορφη επικάλυψη επιφανειών πολύπλοκης µορφής. ίδεται ιδιαίτερη προσοχή στη ρύθµιση της οξύτητας του λουτρού. Πάχος επικάλυψης: 10-20 µm. Μεγάλη αντοχή σε διάβρωση.. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΘΕΡΜΙΚΟ ΨΕΚΑΣΜΟ Κατά τον θερµικό ψεκασµό το υλικό επικάλυψης οδηγείται σε ζώνη υψηλών θερµοκρασιών, όπου τήκεται µερικά ή ολοκληρωτικά, και εκτοξεύεται (ψεκάζεται) µε µεγάλη ταχύτητα πάνω στην επιφάνεια κατάλληλα προετοιµασµένου υποστρώµατος. Οι σταγόνες του υλικού προσκρούουν πάνω στο υπόστρωµα και στερεοποιούνται απότοµα, µε αποτέλεσµα την παραγωγή µιας επικάλυψης. Το υλικό της επικάλυψης µπορεί να είναι κεραµικό, κεραµοµεταλλικό, µέταλλο (σε ειδικές περιπτώσεις και πλαστικό) και έχει τη µορφή σκόνης, σύρµατος ή ράβδου, η δε τήξη του µπορεί να επιτευχθεί µε καύση αερίων, µε ηλεκτρικό τόξο ή µε τόξο πλάσµατος. Η πρόσφυση της επικάλυψης είναι µηχανική. Η θερµοκρασία στην επιφάνεια του υποστρώµατος σπάνια ξεπερνά τους 1500 ο C, οπότε δεν λαµβάνει χώρα τήξη του υλικού και σχηµατισµός στερεού διάλυµατος υποστρώµατος-επικάλυψης. Άρα, κάθε υπόστρωµα που δεν αλλοιώνεται από τις αναπτυσσόµενες θερµοκρασίες µπορεί να υποβληθεί σε ψεκασµό φλόγας, π.χ. σκληρά µέταλλα και κεραµικά µπορούν να επικαλύψουν ακόµη και υποστρώµατα από θερµοσκληρυνόµενα πολυµερή (thermosetting). Για την επίτευξη καλής πρόσφυσης της επικάλυψης πάνω στο υπόστρωµα, απαιτείται προηγούµενη εκτράχυνση της επιφάνειας του υποστρώµατος (συνήθως µε αµµοβολή). ΕΙ Η ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ 1. Ψεκασµός Φλόγας Η αναγκαία θερµότητα για την τήξη προέρχεται από την καύση αερίου καυσίµου, βλ. Σχ. 7. Τα υλικά είναι επικάλυψης είναι σε µορφή σκόνης ή ράβδου. Οι θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στο συµβατικό ψεκασµό φλόγας φθάνουν κυµαίνονται µεταξύ 3000-5000 ο C. Χρήσεις: Αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις δοχείων και δεξαµενών στη χηµική βιοµηχανία. Σχήµα 7: Ψεκασµός φλόγας 12

2. Ψεκασµός Τόξου Η πηγή θερµότητας δηµιουργείται από ηλεκτρικό τόξο µεταξύ δύο συγκλινόντων ηλεκτροδίων, βλ. Σχ. 8. Είναι ιδιαίτερα αποτελεσµατική και ταχεία µέθοδος και χρησιµοποιείται κυρίως για µεταλλικές επικαλύψεις. Το υλικό επικάλυψης βρίσκεται σε µορφή δύο συρµάτων, µεταξύ των οποίων σχηµατίζεται το τόξο που τα τήκει. Πεπιεσµένος αέρας παρασύρει τα τηγµένα σωµατίδια και τα ψεκάζει στην επιφάνεια του υποστρώµατος. Η θερµοκρασία του σχηµατιζόµενου τόξου κυµαίνεται µεταξύ 4000-5000 o C. Η µέθοδος παράγει επικαλύψεις για προστασία κατά της διάβρωσης και της φθοράς, αλλά χρησιµοποιείται και για την αναγόµωση φθαρµένων περιοχών, είναι δε δυνατή η παραγωγή επιστρωµάτων από δύο διαφορετικά µέταλλα πάνω σε έδρανα, τριβείς, κλπ. Σχήµα 8: Ψεκασµός ηλεκτρικού τόξου 3. Ψεκασµός µε υψηλής ταχύτητας καύση µε οξυγόνο (High Velocity Oxygen Fuel - HVOF) Σε αυτή τη µέθοδο ψεκασµού (Σχ. 9), η καύση γίνεται σε θάλαµο πολύ υψηλής πίεσης µε έξοδο µικρής διαµέτρου, µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται αέριο ρεύµα υπερηχητικής ταχύτητας. Οι υπερηχητικές ταχύτητες ψεκασµού (έως και 1100 m/s) που επιτυγχάνονται, εξασφαλίζουν σηµαντική βελτίωση στη θέρµανση, τήξη και πυκνή απόθεση του υλικού. Οι επικαλύψεις είναι υψηλής ποιότητας µε µεγάλη πυκνότητα, υψηλή σκληρότητα και καλή πρόσφυση στο υπόστρωµα. Η θερµοκρασία υπερβαίνει τους 3000 ο C. Η µέθοδος είναι ιδανική για επικαλύψεις κεραµικών και ιδίως καρβιδίων. Σχήµα 9: Ψεκασµός µε υψηλής ταχύτητας καύση µε οξυγόνο (ΗVOF) 13

4. Ψεκασµός Πλάσµατος Είναι η σηµαντικότερη από τις µεθόδους επικάλυψης µε ψεκασµό. Το υλικό, υπό µορφή σκόνης, τήκεται λόγω της ενέργειας πλάσµατος (θερµό ιονισµένο αέριο) που δηµιουργείται µε το πέρασµα ενός αερίου µίγµατος από ηλεκτρικό τόξο, το οποίο σχηµατίζεται µεταξύ δύο µη αναλώσιµων ηλεκτροδίων (Σχ. 10). Για το σχηµατισµό του πλάσµατος συνήθως χρησιµοποιείται αέριο µίγµα αποτελούµενο από αργό, ήλιο, υδρογόνο, άζωτο και άλλα αέρια κατά περίπτωση. Η θερµοκρασία στο πλάσµα κυµαίνεται µεταξύ 5000-40000 ο C. Ακόµα και στην έξοδο του πλάσµατος, όπου η θερµοκρασία είναι γύρω στους 5500 ο C, είναι δηλαδή πολύ υψηλότερη από την θερµοκρασία τήξης οποιουδήποτε δύστηκτου υλικού. Η ταχύτητα ψεκασµού είναι της τάξης των 250-600 m/s. Οι συνήθεις κεραµικές επικαλύψεις που παράγονται µε την µέθοδο αυτή για προστασία από την φθορά είναι: Al 2 Ο 3 και Cr 2 Ο 3. Άλλα κεραµικά, όπως η σταθεροποιηµένη µε ύττρια, ή µε ασβέστιο ζιρκονία και το ζιρκονικό µαγνήσιο, χρησιµοποιούνται σαν θερµικά φράγµατα σε εξαρτήµατα µηχανών. Το καρβίδιο του βολφραµίου (WC) µε συνδετικό κοβάλτιο (Co) είναι το συνηθέστερα ψεκαζόµενο µεταλλοκεραµικό για εφαρµογές κατά της φθοράς. Σχήµα 10: Ψεκασµός πλάσµατος Το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα του ψεκασµού πλάσµατος σε σύγκριση µε τις άλλες µεθόδους θερµικού ψεκασµού (φλόγας και τόξου) είναι η ποιότητα της επικάλυψης. Το µεγαλύτερο µειονέκτηµά του είναι το κόστος του αντίστοιχου εξοπλισµού. ύο νεότερες παραλλαγές του συµβατικού ψεκασµού µε πλάσµα είναι: Ο ψεκασµός µε πλάσµα υψηλής ενέργειας. Ο ψεκασµός µε πλάσµα υπό κενό. Η µέθοδος ψεκασµού µε πλάσµα υψηλής ενέργειας εξασφαλίζει σταθερότερο και µακρύτερο τόξο µε σηµαντικά µεγαλύτερες ενθαλπίες αερίου. Η παρεχόµενη ισχύς κυµαίνεται στην περιοχή 100-250 KW (2-3πλάσια εκείνης του συµβατικού πλάσµατος. Η θερµοκρασία στην έξοδο του πλάσµατος είναι 8300 ο C. Η ταχύτητα πρόσπτωσης των σωµατιδίων φθάνει την τιµή 1200 m/s. Η τελική επικάλυψη είναι εξαιρετικής ποιότητας. Στην περίπτωση του πλάσµατος υπό κενό, χρησιµοποιείται ο εξοπλισµός του συµβατικού πλάσµατος, αλλά σε θάλαµο όπου επικρατούν πιέσεις 0.1-0.5 atm. Σε χαµηλές πιέσεις το πλάσµα είναι µεγαλύτερο σε διάµετρο, µακρύτερο και έχει µεγαλύτερη ταχύτητα. Η θερµοκρασία στην έξοδο του πλάσµατος είναι πολύ υψηλή (8300 ο C), η δε ταχύτητα ψεκασµού αρκετά µεγάλη (300-800 m/s). Η απουσία οξυγόνου δίνει πυκνές επικαλύψεις µε πολύ µικρό ποσοστό περιεχοµένων οξειδίων και καλή πρόσφυση στο υπόστρωµα. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Η υψηλή αντίσταση των κεραµικών στη φθορά και στη διάβρωση και η χαµηλή θερµική αγωγιµότητά τους, συντελούν ώστε οι εφαρµογές των κεραµικών επικαλύψεων µε θερµικό ψεκασµό να αποβλέπουν κατά κύριο λόγο σε: Προστασία από φθορά 14

Προστασία από διάβρωση και από οξείδωση υψηλής θερµοκρασίας Θερµική µόνωση και δευτερευόντως σε ειδικές εφαρµογές που αφορούν σε: Βιοσυµβατότητα Ηλεκτρική µόνωση ιαχυσιακή µόνωση Υπεραγωγιµότητα. Οι βιοµηχανικοί τοµείς στους οποίους βρίσκουν και µπορούν να βρουν ακόµη περισσότερες εφαρµογές οι θερµικές επικαλύψεις είναι : Αεροναυπηγική, αυτοκινητοβιοµηχανία, ναυπηγεία στροβιλοµηχανές, ντηζελοµηχανές, αντλίες-υδραυλικά συστήµατα χηµική, πετροχηµική βιοµηχανία, τσιµεντοβιοµηχανία (αλεστικά συστήµατα, πτερωτές αερισµού, συστήµατα µεταφοράς υλικού) παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος, ηλεκτρονική γεωργικά µηχανήµατα/εργαλεία, εργαλεία µεταλλείων και ορυχείων µεταφορά και επεξεργασία βιοµηχανικών ορυκτών και µεταλλευµάτων (σωλήνες, χοάνες, µύλοι λειοτρίβισης, κυκλώνες, µεταφορικές ταινίες) εξοπλισµός αµµοβολής κλωστοϋφαντουργία (οδηγοί νηµάτων, καρούλια, βελόνες), χαρτοβιοµηχανία (πτερωτές, χιτώνια αναλυτή), µηχανές τυπογραφείων πλακίδια, είδη υγιεινής, είδη εστιάσεως, τούβλα, κεραµίδια (ανάµιξη, εξώθηση, κοπή πηλού) ιατρικά εµφυτεύµατα. Ε. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ LASER Οι κατεργασίες επικάλυψης µε δέσµη ακτίνων laser υψηλής ισχύος (10 4-10 6 W/cm 2 ) διακρίνονται µε κριτήριο τον τρόπο τροφοδοσίας του υλικού επικάλυψης σε δύο τεχνικές: Επικάλυψη µε προαπόθεση σκόνης στην επιφάνεια του τεµαχίου. Επικάλυψη µε ταυτόχρονο ψεκασµό σκόνης. 1. Επικάλυψη µε προαπόθεση σκόνης στην επιφάνεια του τεµαχίου (Σχ. 11) Σχήµα 11: Επικάλυψη µε laser µε προαπόθεση σκόνης στην επιφάνεια του τεµαχίου. Η δέσµη laser σαρώνει την επιφάνεια του υποστρώµατος η οποία φέρει προαποτεθειµένη σκόνη επ αυτής. Επέρχεται τήξη της σκόνης, που οδηγεί σε ανάµιξη των υλικών επιθέµατος και υποστρώµατος. 15

2. Επικάλυψη µε ταυτόχρονο ψεκασµό σκόνης (Σχ. 12 ). Σχήµα 12: Επικάλυψη µε laser µε ταυτόχρονο ψεκασµό σκόνης. Η δέσµη laser προκαλεί τήξη της επιφάνειας του υποστρώµατος µέσα στην οποία καταλήγει το ψεκαζόµενο υλικό. Η τεχνική αυτή χαρακτηριζεται από: επαναληψιµότητα, δυνατότητα αυτοµατοποίησης, ευχέρεια κατεργασίας πολύπλοκων γεωµετριών. Πάχος επιστρωµάτων: 0.5-2 mm. ΧΡΗΣΕΙΣ: Σκληρές και ανθεκτικές επιστρώσεις σε εργαλεία κάθε είδους, πτερύγια πτερωτών, έµβολα, καλούπια διαµόρφωσης, κλπ. ΣΤ. ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΜΕ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΑΤΜΩΝ 1. Φυσική εναπόθεση ατµών (PVD) Είναι ο σχηµατισµός λεπτού επιστρώµατος µε συµπύκνωση ατµών του υλικού εναπόθεσης στην επιφάνεια του υποστρώµατος. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ (Σχ. 13) Εξάχνωση του υλικού επικάλυψης σε θάλαµο κενού µε τη βοήθεια πηγής θερµότητας. Συµπύκνωση των παραγοµένων ατµών κατά την πρόσπτωσή τους στην επιφάνεια υποστρώµατος. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Λεπτά επιστρώµατα µε πολύ χαµηλό πορώδες, πάχους 1-10 µm. Μεγάλη ανθεκτικότητα σε φθορά και διάβρωση. Εφαρµογή σε κοπτικά εργαλεία, πτερωτές στροβιλοµηχανών, βιοϊατρικά εµφυτεύµατα κ.ο.κ. 2. Χηµική εναπόθεση ατµών (CVD) Είναι ο σχηµατισµός επιστρώµατος µε κατάλληλη χηµική αντίδραση πάνω στην επιφάνεια του υποστρώµατος. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ (Σχ. 14) Χηµικές αντιδράσεις σχηµατισµού TiC και TiN µε χηµική εναπόθεση ατµών: 900 o TiCl 4 + CH 4 C TiC + 4 HCl 1000 o 2 TiCl 4 + N 2 + 4 H 2 C 2 TiN + 8 HCl ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Λεπτά και πολύ σκληρά επιστρώµατα. Μεγάλη ανθεκτικότητα σε φθορά. Εφαρµογή σε κοπτικά εργαλεία κ.ο.κ. 16

Σχήµα 13: Μέθοδος PVD Σχήµα 14: Μέθοδος CVD Το εύρος του επιτυγχανόµενου πάχους επιστρώµατος στις διάφορες επιφανειακές κατεργασίες επικάλυψης παρουσιάζεται στο Σχ. 15. 17

Σχήµα 15 18