Elförzinkning Enkel och billig, fungerar som offeranod till järn/stål (omvänt över 60 grader), god vidhäftning.

Transkript

1 Ytbeläggningar Elektrolytisk beläggning + I eller nära rumstemperatur Spröda faser i gränsytan undermineras + Beläggningar med fin mikrostruktur Goda mekaniska och fysikaliska egenskaper + God processtyrning Kan välja tjocklek på bråkdelar av en µm + Enklast och billigaste metoden för rena metallskikt med hög smältpunkt - Kräver elektriskt ledande substrat - Beläggningsmaterial begränsas till endast rena metaller och enkla legeringar - Mycket geometriberoende - Finns risk för väteförsprödning för stål (lös med en spänningsutjämnande värmebehandling) - Dåligt ur miljösynpunkt Elförzinkning Enkel och billig, fungerar som offeranod till järn/stål (omvänt över 60 grader), god vidhäftning. Dekorativ förnickling (Dekorativ förkromning) Först ett nickelskikt (10-50µm) sedan ett kromskikt (0,25-2µm), bra mot korrosion, bra nötningsmotstånd. Hårdkromning Skikt på µm, hög hårdhet (HV ), god vidhäftning, låg friktion mot stål, bra korrosionsbeständigt (dock ej helt tät så kan behöva ett tunt zink- eller nickellager under), bra mot nötning. Borstplätering Selektiv beläggning och reparationsbeläggning, mobil metod, snabb skiktuppbyggnad. Bättre vidhäftning och mindre poröst. Dispersionshärdade skikt Impregneras med hårda partiklar (Som bör bara mindre än 5 µm för annars skadas substratet). Kemisk beläggning Precis som elektrolytisk beläggning förutom att metoden öppnar upp för substrat som inte är elektriskt ledande. + Okänslig för geometrieffekter Beläggningen blir mycket jämntjock + Beläggning på keramer och polymerer utöver metaller är också möjlig +Betydligt högre hårdhet kan uppnås för kemiskt nickel än för elektrolytiskt. - Dyrare process CVD + Kan skapa skikt av många olika material + Multilager + Hög skiktkvalité + Bra vidhäftning + Tryckspänningar i skikten + Lågt geometriberoende + Kornstorleksstyrning + Möjlighet till lokal uppvärmning 1

2 + Enkel fixturering - Hög substrattemperatur - Samtliga ytor beläggs - Lämpad endast för större serier ty hög kostnad Varmväggsreaktor Substrat och kammare beläggs, kan flagna av från väggarna och kontaminera substratet. Kallväggsreaktor Endast substratet är uppvärmt vilket medför att partiklarna endast fastnar på substratet. Tempraturgradienten nära substratytan kan dock orsaka problem. Plasmaaktiverad CVD Processtemperaturen kan sänkas med hjälp av att metoden aktiveras med hjälp av plasma. Laseraktiverad CVD Utnyttjas när konstant temperatur på ytan önskas. Möjlighet för lokal uppvärmning är även möjlig. Pyrolytisk LCVD Optik används för att fokusera laserstrålen på substratet, lokal uppvärmning är därför möjlig. Endast mycket små gasflöden krävs vilket minimerar riskerna för problem av utarmning i gasfas. Fotolytisk LCVD Laserstrålen är parallell med substratytan. Fotodissociation sker och därför krävs mindre aktiveringsenergi. PVD Förångning - Hög geometrikänslighet - Svår metod för legeringar Vakumförångning Används för skikt av olegerade metaller. Aktiverad reaktiv förångning (ARE) Aktiveras av plasma, möjliggör beläggningar av nitrider, karbider, oxider. Snabbaste metoden för att syntetisera nitrider och karbider. ARC-förångning (Jonaktiverad) Utmärkt vidhäftning och täta beläggningar (droppar kan dock bildas och träffa substratet som försvagar skiktet med medförda spänningskoncentrationer). Sputtring + Mindre geometrikänsligt + Högre ytdiffusion och blandning + Tätare skikt - Låg beläggningshastighet Magnetronsputtring Med hjälp av magnetfält styrs sputtringen. Jämntjocka skikt över stora ytor, fördelaktig för material med komplicerad form. Biassputtring Sputtras med hjälp av negativ potential Sputteravverkningen blir väldigt långsam, skiktegenskaperna påverkas positivt. 2

3 Jonstrålesputtring Alstrar plasmat i en kanon och skjuter ut beläggningen därifrån så att material som är känsligt för strålning kan beläggas (Typ elektronik). Reaktiv sputtring Möjligt att belägga material som inte klarar hög temperatur. Ett ämne upphettas och skjuts ut i en gasatmosfär som rom reagerar och sedan fastnar på substratet. Förångning i kombination med sputtring Jonplätering Förångning + Sputtring i samma process och kammare. Ger bättre vidhäftning, växande beläggning och är mindre geometrikänsligt. Termisk sprutning Metod där beläggningen sprutas ut ur ett munstycke som fastnar på den kalla substratytan. Bildar oftast ojämn yta men möjliggör snabb beläggning. Ljusbågssprutning Kräver elektriskt ledande beläggning. Kan belägga stora ytor. Plasmasprutning med pulver Material med hög smältpunkt kan sprutas, korta sprutavstånd ger litet oxidinnehåll. Hög hastighet på partiklarna Stor anslagskraft Täta skikt. En nackdel är den höga kostnaden. Höghastighetssprutning Täta skikt och mycket god vidhäftning. Billigare än plasmasprutning men genererar högt ljud och har hög gasförbrukning. Detonationssprutning Mycket täta skikt. Explosionssvettning + Kan producera mycket tjocka skikt på plåtar och rör v stora dimensioner + Mycket god vidhäftning + Sker i fastfas Lösligheter och olika smältpunkter är inga problem -Relativt komplicerat förarbete - Bullersamt - Olämpligt för små detaljer och komplicerade former Friktionsdeponering + I stort sett alla metaller och metallegeringar kan användas, till och med extremt höga hårdheter + Sker i fast fas så behöver inte jämviktsförhållanden och löslighet att tas i åtanke - Metoden ger mycket liten inlöslighet av skiktmaterialet i substratet - Härdningen går inte djupt ner i substratet - Det höga trycket gör det svårt att bearbeta tunna eller ihåliga detaljer Påsvetsning + Tekniken är beprövad + Tjocka lager är möjligt + Bra för korrosionsskydd och nötningsskydd 3

4 - Kräver efterarbete - Uppkommer ofta sprickor i ytskiktet på grund av avsvalningen som sker efter Gasmetallbågsvetsning (GMAW, MIG) En gasbehållare skyddar processen från syre och väte, gasen väljs med avseende på substratet. Metoden är delvis automatiserad vilket medför hög deponeringshastighet. Möjligt att punktsvetsa. Kraftig UV-strålning genereras. Metoden klarar skikt från 3 mm och uppåt. Gasbågssvetsning Smältning av substratet sker och det blandas med tillsatsmaterial i form av tråd eller pulver. Substratet skyddas från syre och väte. Hög deponeringshastighet. Ytskikt från 2 mm och uppåt. Metoden är inte lämplig för punktsvetsning. Laserpåsvetsning Tillsastmaterialet tillförs antingen innan eller under processen. Ger mycket god kvalitet i form och tunna och porfria skikt med låg inblandning av substratet. Kräver mindre efterarbetning. Utrustningen är dyr men kräver mycket mindre påsvesningsmaterial. Varmdoppning Fullskiktsdeponering genom doppning i metallsmälta. +God vidhäftning (mellanliggande legeringsskikt bildas) - Skikten är inte hygienklassade och är ej lämpade för transport av livsmedel (dricksvatten är okej) - Rinneffekter är svårundvikliga - Inte vackert - Begränsad skikttjocklek Varmförzinkning Vanligaste metoden för korrosionsskydd för allehanda ståldetaljer. Skikttjockleken varierar mellan µm. Korrosionsskyddet är utmärkt i marin miljö. Kräver mycket förarbete. 4

5 Jämförelser av ytbeläggningar Elektrolytisk Kemisk CVD PVD Termisk sprutning Substrat Skiktmaterial Temp. Vidhäftning Skikt Geometriberoende Bra för Elektriskt ledande Metaller, keramer, polymerer Keramer, hårdmetall, (finns få refraktonsm etaller) Keramer, metaller, polymerer De allra flesta Rena metaller, enkla legeringar Metaller Keramer, metaller Rumstemper atur Rumstemper atur (vanligast ) God God Mycket god Tunna och fina Tunna och fina µm Mycket Mycket Keramer, metaller Mycket god 1-10µm Mycket - OK Metaller, keramer, legeringar Kall: Varm: ca 1100 Explosion Metaller Metaller Hög Extremt god Friktionsdeponering Metaller Metaller Hög God Lågt God 1-13µm OK Upp till 50mm 0,2-2,5mm Plana eller rörformade Plana, ej ihåliga Påsvetsning Metaller Metaller >600 God 3-10mm Mycket Varmdoppning Material med högre smältpunkt än * Större tabeller (Ej lika överblicklig) Ytomvandlingar Metaller * Hög Mycket god µm Låg Medel Dekorativa, korrosionsrecessiva ytor, skydd i nötande och kemiskt aggressiva miljöer Dekorativa, korrosionsrecessiva ytor, skydd i nötande och kemiskt aggressiva miljöer Elektronik, slitstarka ytskikt Kretsar, elektronik, mekaniska komponenter, verktyg Korrosionsskydd, värmeskydd, slitageskydd, elektriskt ledande skikt Stora materialytor Rostskydd, reparation Skydd mot abrasion, nötning och korrosion Korrosionsskydd i marina miljöer, stora materialytor, hög kvantitet Mekanisk ytomvandling Utförs främst av två skäl: Ythärdning genom deformationshärdning och skapande av tryckspänningar i ytskikt. Kulpening Metod för att skapa tryckspänningar i ytskiktet på metaller genom att beskjuta dem med höga doser av små partiklar. Kulorna är vanligen av stål eller glas och storleken varierar mellan 0,1 och 2,5mm. Syftet är att härda och skapa tryckspänningar i ytskiktet. Kan användas för att undertrycka utmattning av ex. kugghjul, turbinblad och gängförband. Blästring Kantiga partiklar skjuts på samma sätt som i kulpening. Används för att rensa en yta på ett substrat. Ytan blir ojämn och uppruggad vilket är lämpligt för vissa ytbeläggningar. Tryckrullning Ett mer kontrollerat alternativ till kulpening men med större begränsningar vad gäller krångliga former och trånga utrymmen. Här används större kulor som rullar över materialet och härdar det. Eftersom kulan har en större radie blir ytan därför också mer jämn. Det går även att styra härdningsdjupet mellan några tiondels millimeter till ett par millimeter. Laser shock peening LSP Laserljus pulseras med hög energitäthet och utbredd stråltäthet över ett materials yta. Laserljuset värmer mycket hastigt upp ett offerlager som övergår i plasmafas och expanderar mycket kraftigt vilket leder till en tryckpuls, en deformationsvåg som leds genom materialet. Tryckpulsen blir mer 5

6 utbredd och planare än vid exempel kulpening vilket medför ett större härddjup. Två olika lager krävs, ett offerlager och ett inneslutande lager. Friktionsomvandling Vid friktionsomvandling plasticeras ytan som ska omvandlas utan att materialöverföring sker. Den snabba rotationen och friktionstemperaturen plasticerar och rör om ytskiktet vilket finfördelar kornstrukturen och modifierar de mekaniska egenskaperna. Materialen är ofta av olika Al-legeringar men legeringar med bas av Cu, Fe, Mg och Ni förekommer också. Termisk ytomvandling genom värmebehandling De flesta stål kan härdas genom upphettning till austenitområdet (ca 850 grader) följt av en släckning till rumstemperatur. Detta skapar ett martensitisk skiktstruktur. Materialets seghetsökas men tyvärr på bekostnad av dess hårdhet. Stål med en kemisk sammansättning som anpassats för härdning och anlöpning av relativt grova dimensioner kallas seghärdningsstål. För att full hårdhet ska kunna uppnås krävs en kolhalt av minst 0,3%. Induktionshärdning Vanligaste metoden. En elektrisk växelström i en spole genererar ett växlande magnetfält. När stål (eller annat magnetiskt material) för in i spolen genereras en växelström i materialet som hettar upp på grund av resistansen i materialet. Härddjupet faller gradvis med ökande djup under ytan. Typiska hårdhetsvärden är HV. Härddjupet infinner sig vanligtvis på några tiondels mm till mer än 3mm Flamhärdning Uppvärmning med hjälp av en svetslåga som förs över detaljen. Driftkostnaden är dyr vilket gör flamhärdning mindre lämpat för serieproduktion. Stora ytor kan härdas i ett svep Formförändringar kan uppstå Risk finns att metallytan oxideras Kylmedel krävs (gäller ej lufthärdande stål) Bättre än sätthärdning men sämre än laser- och elektronstrålehärdning i fråga om snabbhet, energiförbrukning och möjlighet till selektiv behandling Investeringskostnaden är låg, driftkostnaden är hög Laserhärdning Lasern kan mycket lokalt värma upp materialet under en väldigt kort tid. Ej lämpad för blanka ytor då dessa reflekterar bort strålen. CO 2-laser är det som används mest. Fördelen är att den snabba uppvärmen och avkylningen ger minimal påverkan på materialet i övriga områden. Laserhärdning är ytters selektiv. Utgångssturkturen påverkar värmebehandlingsresultatet Stål med lägre kolhalt kan härdas Mindre maximalt härddjup Mycket lämplig för partiell härdning Lämplig för svåråtkomliga ytor Tunna detaljer kan inte härdas utan speciella åtgärder Små eller inga formomvandlingar uppstår 6

7 Inget kylmedel behövs Processtiden är kort Investeringskostnaden är hög men driftkostnaden är låg Laseruppsmältning Kan användas för andra legeringssystem och inte bara stål. Ger en finstrukturbehandling av ytskikten genom smältning. Ythårdheten lan bli mycket hård. Sätthärdning Partiell härdning är mer kostsam och omständlig än härdning av hela ytan Flexibel i fråga om detaljformen Formförändringar kan uppstå Kylmedel krävs Behandlingstiden är lång Energiförbrukningen är hög Giftiga gaser eller saltbad används ofta Termisk ytlegering Ythärdning genom ytlegering Sätthärdning En av de mest tillämpade metoderna för uppkolning är sätthärdning. Ursprungsmaterialet är ett ickehärdbart, lågkolhaltigt och låglegerat stål. Värmebehandling till austenitiskt område i en kolhaltig atmosfär får kolatomer att diffundera in i stålet. Därefter släcks stålet vilket resulterar i en martensitomvandling. Härddjupet definieras vilket där hårdheten ej understiger 550 HV. Härddjupet styrs av temperatur och hålltid. Karbonitrering Variant av sätthärdning men att förutom kol så tillsätts kväve i atmosfären som även diffunderar in i ytan. Detta är både billigare och enklare. Nitrering Påminner om uppkolning då stålet upphettas i en kemisk reaktiv omgivning var vid intersitiell lösning samt diffusion sker. Indiffunderade kvävet ger en hårdhetsökning genom att förena sig med järn eller vissa av stålets legeringsämnen till hårda nitrider och dels genom att töja ut gittret. Gasnitrering + Lägre behandlingstemperatur (500 grader), detaljen kan bearbetas till färdig form innan process + Högre ythårdhet kan uppnås. ( HV) + Ytan behåller håg hårdhet upp till högre temperaturer - Den lägre behandlingstemperaturen leder till att härddjupet blir betydligt mindre Nitrokarburering Utförs i gas eller saltbad vid 570 grader i en till två timmar. Liknar nitrering men förutom kväve tillförs även kol till stålytan. Består av en annan typ av nitrid an vid nitrering vilket har fördelen att vara segare. Skiktet blir något tjockare än vid nitrering ty högre temperatur och blir ca 5-20 µm. Bildar ett vitt skikt som innehåller porer som tjänar som oljedepåer och kan därför förbättra smörjning. Anses ge något bättre nötningsegenskaper är sätthärdning och gasnitrering men däremot något sämre hållfasthet. 7

8 Borering Ännu bättre hårdheter än vid nitrering och nitrokarborering. I denna process tillförs bor till detaljens yta vilket leder till en kemisk reaktion där hårda järnborider bildas. Sker oftast genom lådinpackning i pulver som består av en borkarbid, fyllmedel och aktivator. Lådan placeras i en ugn vid grader under 1 till 6 timmar. Skikttillväxten är långsammare för höglegerade stål. Vanadisering Utvecklats av tillverkaren Toyota och kallas därför ibland även som TD-process. Vid behandling sänks detaljerna ned i ett saltbad av smält borax med karbidbildande element. Ett karbidskikt bildas på stålytan genom att kolet i stålets grundmassa diffunderar ut till utan och reagerar med tillsatserna. Brukar bilda ett vanadinskikt med extremt hög hårdhet ( HV). För pressverktyg är det vanligast med skikttjocklekar på 5-12 µm. Eftersom behandlingstemperaturen ligger mellan grader så omhärdas ofta detaljen. Det går att få selektiv behandling genom maskning. Forcerad ytlegering Jonimplantation En yta bestrålas med högenergetiska joner keV som tränger in i ytskiktet och förändrar dess sammansättning och ofta även dess struktur. Förbättringar av friktionstal. Ythårdhet samt nötningsoch korrosionsmotstånd. Även utmattningshållfastheten kan förbättras. Viktig metod för supraledande material. Alla element kan implanteras i alla typer av material. + Alla jonslag kan implanteras i alla typer av material + Även kemiskt omöjliga föreningar kan skapas + Temperaturhöjningen under bestrålningen kan hållas låg + Dimensionsförändringarna hos det bestrålade materialet är försumbar. - Geometrikänslig - Skiktet är mycket tunns 0,1-0,3 µm - Metoden är exklusiv och dyrbar Metoden är bra för: + Plastformningsverktyg + Verktyg för skärande bearbetning av plast, gummi och papper + Plåtpressningsverktyg + Tråddragningsblock för stål- och koppartråd + Kallvalsar för koppar Jonnitrering Även kallad plasmanitrering eller glimnitrering. Jonbombardering leder till att ytan värms upp och ingen extern uppvärmning krävs. Koncentrationen av fria kväveatomer samt kvävejoner ökar nära ytan. Kväve kommer därför att i högt tempo att tillföras ytan som diffunderar in i materialet. Processen blir snabb och kan styras noggrant. Kemisk ytomvandling Termisk oxidering Svartoxidering Ett tunt skikt av magnetit som är mörkbrunt till djupsvart skapas genom behandling av stål vid 140 grader i en mycket stark natriumhydroxidlösning med mindre tillsatser av natriumnitrit och/eller 8

9 natriumnitrat. Ger ett fint utseende efter inoljning eller lackning. Ger även tålighet mot repning och visst korrosionsskydd. Beläggningen ger även låg friktionskoefficient. Ånganlöpning Alternativ metod för att erhålla magnetitskit på stålgods. Godset exponeras för vattenånga vid en temperatur av grader. Kan ha negativ effekt på hållfasthetsegenskaperna. Används för att ge korrosionsskydd och ett vackert utseende på symaskinsdelar, vapen, verktyg, etc. samt för att förbättra nötningsbeständigheten på gjutgods. Kromatering Ytbehandling med kromlösningar på icke-järnmetaller, framförallt aluminium, zink, förzinkade detaljer och kadmium. Ger korrosionsskydd, bättre utseende och bättre vidhäftning ved efterföljande målning och lackering samt vid ingjutning i betong. Kan användas för att reparera skador. Långvarig kontakt kan framkalla allergiska reaktioner. Fosfatering Innebär doppning särskilt av ståldetaljer i fosfaslösning vid ca 70 grader varvid ett tunt, poröst, kristallint fosfatskikt utfälls. Zinkfosfatering ger bra korrosionsskydd för fästelement. Ger även bra målningsunderlag. Järnfosfatering precis som Zinkfosfatering förutom att denna ger mindre korrosionsskydd. Är tunna och jämnare skikt än zinkfosfatering. Manganfosfatering ger tjockare skikt (upp till 20 µm) med större absorptionsförmåga. Används som inslitningsskydd på diverse maskindelar. Mycket goda mekaniska och korrosionsskyddande egenskaper kan erhållas. Elektrolytisk ytomvandling Anodisering Omvandling av metallytskikt till oxid genom elektrolys. Det bildas alltså oxidskikt som är väsentligt tjockare än det som bildas naturligt. Magnesium-, titan- och, i mest utbrett bruk, aluminiumlegeringar kan anodiseras. Magnesiumlegeringar ger porösa och spröda skikt och för att dessa skikt ska få goda mekaniska egenskaper och ge ett bra korrosionsskydd måste porerna fyllas med färg eller lackering Titanskikten ger i sig fina färger och i vissa fall får skiktet även utgöra skydd mot adhesivt slitage. Anodisering av aluminium + För att ge ytan ett ännu bättre korrosionsskydd än den naturliga oxiden + För att ge en smutsavvisande yta för tex. Livsmedelshantering + För att ge en dekorativ och beständig färg och glans + För att ge nötningsskydd + För att ge elektrisk isolering + För att ge underlag för tryckfärg eller plastskikt Skiktet är transparent och ofta väljs skikttjocklekar om 5-25 µm. Hårdanodisering Det hårda oxidskiktet som bildas vid den vanliga anodiseringsprocessen är allt för tunt för att fe tillräckligt deformations- och nötningsskydd för tuffare belastningar. Skiktmaterialet i 9

10 hårdanodisering är i sig inte hårdare utan den resulterande större tjockleken förhindrar att skiktet alltför lätt bryts igenom och nöts bort. Processen använder mer utspädda syralösningar, låga temperaturer (kring 0 grader) och höga strömtätheter. Skikttjockleken är vanligtvis µm och hårdheten HV. 10