Immaginate se ogni macchinario, dagli utensili più semplici ai motori più complessi, iniziasse improvvisamente a guastarsi. La causa? Corrosione, abrasione e altri danni superficiali. Questo blog si addentra nell'affascinante mondo dell'ingegneria delle superfici metalliche, esplorando le tecniche per migliorarne la durata e le prestazioni. Dal rafforzamento delle superfici ai trattamenti avanzati al plasma e al laser, scopriamo come questi metodi proteggono e prolungano la vita dei componenti critici. Scoprite come queste innovazioni possono far risparmiare alle industrie tempo, denaro e risorse, mantenendo il funzionamento dei macchinari regolare ed efficiente.
I fenomeni e i cambiamenti della superficie sono frequenti in natura. In ingegneria, quasi tutti i componenti entrano in contatto con l'ambiente e la loro superficie è direttamente esposta all'ambiente.
Durante l'interazione con l'ambiente, la superficie può essere soggetta a corrosione, abrasione, ossidazione ed erosione, che possono causare danni o guasti ai componenti. Di conseguenza, la superficie agisce come prima linea di difesa contro i guasti delle apparecchiature.
L'ingegneria delle superfici consiste nel migliorare la morfologia e la composizione chimica di superfici solide metalliche o non metalliche attraverso il rafforzamento, la modifica o una combinazione di tecniche di ingegneria delle superfici, dopo averle sottoposte a pretrattamento. L'obiettivo dell'ingegneria delle superfici è quello di progettare sistematicamente la struttura dell'organizzazione e lo stato di stress per ottenere le proprietà superficiali desiderate.
Il rafforzamento per deformazione superficiale consiste nel creare una deformazione per compressione sulla superficie del metallo attraverso mezzi meccanici come la laminazione o la pallinatura, con il risultato di uno strato indurito sulla superficie. Questo strato può avere una profondità di 0,15-1,5 mm.
I principali metodi di rafforzamento delle deformazioni superficiali includono la pallinatura pallinatura, tecnologia di laminazione superficiale e rafforzamento dell'estrusione dei fori.
Durante il processo di compressione, nello strato indurito dalla deformazione si verificano due cambiamenti:
(1) In termini di struttura organizzativa, la densità di dislocazioni nello strato di rinforzo è molto elevata e il reticolo cristallino è gravemente distorto. Quando viene applicata una sollecitazione alternata, le dislocazioni di segno opposto si annullano a vicenda quando si scontrano e le dislocazioni con lo stesso segno si riorganizzano. Ciò comporta una diminuzione della densità di dislocazioni nello strato di rinforzo, mentre si formano gradualmente sottograni più fini.
(2) In termini di stato di sollecitazione, a causa dello squilibrio del grado di deformazione del metallo tra lo strato superficiale e quello interno, quando il metallo dello strato superficiale si estende plasticamente all'area circostante, viene ostacolato dal metallo dello strato interno, determinando un aumento del livello macroscopico. sollecitazione residua nello strato di rinforzo.
1. Pallinatura rafforzamento
La pallinatura, detta anche pallinatura controllata, è un processo in cui un flusso di proiettili ad alta velocità viene diretto sulla superficie di un pezzo, provocando una deformazione plastica e formando uno strato rinforzato di uno spessore specifico.
Poiché la superficie del pezzo subisce una sollecitazione di compressione, una parte di questa sollecitazione può essere compensata quando il pezzo è sottoposto a carico, migliorando così la sua resistenza alla fatica. La pallinatura è illustrata nella Figura 1.
Figura 1 Schema del processo di rafforzamento mediante pallinatura
A temperatura ambiente, piccoli proiettili duri vengono diretti ad alta velocità verso la superficie del pezzo, provocando una deformazione elastica e plastica alla temperatura di ricristallizzazione. Ne consegue una grande tensione di compressione residua, come si può vedere nella Figura 2.
Ogni pallino d'acciaio, colpendo il pezzo, crea delle piccole rientranze o depressioni nella superficie metallica, come se una bacchetta in miniatura colpisse la superficie. Per formare queste depressioni, lo strato superficiale del metallo deve essere stirato.
Sotto lo strato superficiale, i grani compressi tentano di riportare la superficie alla sua forma originale, creando una semisfera sottoposta a forte compressione. La sovrapposizione di numerose depressioni di questo tipo forma uno strato uniforme di tensione di compressione residua, migliorando così la resistenza alla fatica superficiale e alla corrosione da stress.
Figura 2 Deformazione plastica della superficie di pallinatura
La pallinatura può essere utilizzata anche per rimuovere l'ossido, la ruggine, la sabbia e la vecchia vernice da prodotti metallici con uno spessore di 2 mm o meno, o da fusioni e fucinati che non devono mantenere dimensioni e forme precise, e serve come metodo di pulizia della superficie prima del rivestimento o della placcatura.
La pallinatura è un processo di trattamento a freddo ampiamente utilizzato per migliorare le proprietà anti-fatica di parti metalliche sottoposte a sollecitazioni elevate per lunghi periodi, come le pale dei compressori dei motori degli aerei, le parti strutturali della fusoliera e i componenti del settore automobilistico. sistema di trasmissione.
La pallinatura si divide in pallinatura ordinaria e pallinatura superficiale supersonica in base alla velocità dei proiettili. La velocità dei proiettili della pistola supersonica è compresa tra 300-500 m/s e, mentre il pezzo ruota, la pallinatura può essere eseguita sull'intera superficie.
(1) Apparecchiature per la pallinatura
La pallinatrice può essere classificata in due categorie: pallinatrice meccanica centrifuga e pallinatrice pneumatica, in base al metodo di azionamento dei pallini.
Inoltre, le pallinatrici possono essere a spruzzo a secco o a umido.
Le condizioni di lavoro della pallinatrice a spruzzo a secco sono sfavorevoli, mentre la pallinatrice a spruzzo a umido migliora le condizioni mescolando i proiettili in sospensione prima di spruzzarli.
La pallinatrice meccanica centrifuga funziona accelerando i proiettili sotto l'azione della forza centrifuga dovuta alla rotazione ad alta velocità della lama e della girante.
Tuttavia, questo tipo di pallinatrice ha una potenza di pallinatura limitata e costi di produzione elevati. Viene utilizzata principalmente per pezzi con elevata resistenza alla pallinatura, varietà limitata, lotti di grandi dimensioni, forme semplici e grandi dimensioni, come illustrato nella Figura 3.
Figura 3 Pallinatrice meccanica centrifuga
② La pallinatrice centrifuga pneumatica utilizza l'aria compressa come forza motrice per spingere i proiettili ad alta velocità. I proiettili colpiscono quindi la superficie del pezzo, ottenendo l'effetto di pallinatura desiderato.
Questa macchina ha il vantaggio della pressione dell'aria regolabile, che consente un controllo flessibile dell'intensità della pallinatura. Inoltre, può gestire più pezzi contemporaneamente.
Questa macchina è la più adatta per pezzi con bassa resistenza alla pallinatura, forme e dimensioni diverse, lotti di piccole dimensioni e geometrie complesse. Tuttavia, è importante notare che ha un elevato consumo di energia e una bassa produttività, come illustrato nella Figura 4.
Figura 4 Pallinatrice pneumatica centrifuga
(2) Tipi di proiettili
Pellet per taglio a filo: Il filo comunemente utilizzato ha un diametro compreso tra 0,4 e 1,2 mm e una durezza di 45-50 HRC. Il metodo di tempra migliore è M o B.
Pellet di acciaio fuso: La dimensione dei pellet varia da 0,2 mm a 1,5 mm. Dopo ricotturaLa durezza varia da 30 a 57 HRC. Sebbene sia fragile e abbia un alto tasso di consumo, il suo prezzo è basso. La qualità dei pallini d'acciaio fuso è legata alla loro contenuto di carbonioche generalmente varia da 0,85% a 1,2%, e il suo contenuto di manganese, che varia da 0,65% a 1,2%.
Pallini di vetro: È costituita da 60% SiO2 e ha una durezza compresa tra 46 e 50 HRC. È altamente fragile e quindi è adatto per applicazioni in cui i pezzi hanno una durezza inferiore a quella della graniglia.
Graniglia di ceramica: Ha un'elevata durezza e un'alta fragilità, e dopo la granigliatura si può ottenere un'elevata tensione di compressione residua.
Pallini liquidi: Questo tipo di graniglia contiene particelle di SiO₂ e particelle di Al₂O₃. Le particelle di SiO₂ sono mescolate con acqua e spinte da aria compressa durante il processo di sabbiatura.
2.Tecnologia di laminazione delle superfici
La laminazione superficiale è una tecnologia che prevede l'uso di sfere o rulli per applicare una pressione sulla superficie di un pezzo lavorato. Questa pressione provoca una deformazione plastica che forma uno strato di rinforzo sulla superficie del pezzo. Questo processo è illustrato nella Figura 5.
Fig. 5 Schema del rafforzamento del rullo di superficie
La profondità dello strato modificato creato dalla tecnologia di laminazione superficiale può raggiungere oltre 5 mm, il che la rende ideale per i pezzi piatti con forme semplici, alberi e scanalature, ma non può essere utilizzata per i pezzi complessi.
La tecnologia di laminazione superficiale offre numerosi vantaggi che non hanno eguali. Ad esempio, altera solo lo stato fisico del materiale senza modificarne la composizione chimica. Inoltre, questa tecnologia utilizza strumenti e processi semplici, che consentono un'elevata efficienza di lavorazione.
Essendo una tecnologia di lavorazione senza taglio, la tecnologia di laminazione non produce trucioli o liquidi di scarto, il che la rende ecologica e in linea con il concetto di "produzione verde".
Inoltre, la tecnologia elimina le tensioni di trazione causate dal taglio e pone la superficie del pezzo in uno stato di tensione di compressione. Questa tensione residua di compressione può impedire l'espansione delle cricche e migliorare la vita a fatica del pezzo.
In conclusione, questa tecnologia è stata ampiamente adottata in vari settori industriali e ha generato notevoli vantaggi economici.
(1) Meccanismo
① Meccanismo di microstruttura:
Dopo il taglio, sulla superficie del metallo rimangono i segni di taglio dell'utensile. A livello microscopico, si osserva che la superficie del metallo è irregolare. La laminazione è un tipo di finitura a pressione e la superficie del metallo subisce una forte deformazione plastica sotto la pressione del piano di lavoro.
Secondo le teorie dei materiali ingegneristici, il meccanismo di base della deformazione plastica nel metallo è lo scorrimento, che si verifica quando il cristallo scivola rispetto a un'altra parte lungo un determinato piano e direzione del cristallo. Sotto la forza esterna, il cristallo continua a scivolare e i grani del cristallo ruotano gradualmente dall'orientamento morbido all'orientamento duro durante il processo di deformazione. I grani sono incastrati tra loro, ostacolando la deformazione di ciascun grano.
Poiché la maggior parte dei metalli utilizzati nell'industria sono policristallini, possono sopportare una significativa deformazione plastica senza subire danni. Il continuo slittamento dei grani cristallini nel metallo aumenta la densità delle dislocazioni e la distorsione del reticolo cristallino. Le dislocazioni di segno opposto si annullano a vicenda, mentre quelle dello stesso segno si riorganizzano in sottograni più piccoli. Più fini sono i grani cristallini, maggiore è la densità di dislocazioni, con conseguente maggiore deformazione e dispersione.
Ciò significa che è difficile produrre concentrazioni locali di tensioni, migliorando la resistenza allo snervamento e le prestazioni a fatica del materiale. metallo laminato materiale.
② Meccanismo di qualità della superficie:
La qualità della superficie metallica viene spesso misurata in base alla sua rugosità, che è una delle principali cause di concentrazione delle tensioni. Una superficie ruvida ha maggiori probabilità di formare tagli netti, causando la concentrazione di tensioni e diventando una fonte comune di fatica.
In presenza di sollecitazioni alternate, la concentrazione di tensioni favorisce la formazione e la propagazione di cricche da fatica. Quanto più ruvida è la superficie e quanto più affilata è la punta dell'incisione, tanto più grave è la concentrazione delle sollecitazioni.
L'irrobustimento per rullatura consiste nell'utilizzare l'effetto di rotolamento del rullo sulla superficie del pezzo per provocare un flusso plastico nel metallo di superficie e riempire gli avvallamenti originali poco concavi, riducendo la rugosità della superficie del pezzo ed eliminando i segni residui dell'utensile. Ciò riduce la concentrazione di tensioni e migliora la durata a fatica del pezzo.
③ Meccanismo della tensione residua di compressione:
Già negli anni '30 si scoprì che le tensioni residue di compressione sulla superficie di un pezzo potevano prolungarne la vita a fatica. La propagazione delle cricche sulla superficie dei materiali metallici avviene quando il carico alternato applicato raggiunge un certo limite, ovvero quando l'intensità della sollecitazione raggiunge l'intensità critica della sollecitazione del materiale stesso.
La rullatura può ridurre le microfratture originali sulla superficie e generare tensioni residue di compressione, aumentando così la durata a fatica dei pezzi.
(2) Parametri di processo che influenzano l'effetto di laminazione
I parametri chiave del processo che influiscono sul risultato della laminazione superficiale sono: pressione di laminazione, numero di rulli e velocità di laminazione.
La pressione di laminazione si riferisce alla forza applicata dal rullo sulla superficie del pezzo e ha un impatto significativo sulla sua resistenza alla fatica. Tuttavia, la ricerca attuale è limitata e non esiste una formula matematica precisa per calcolare la pressione di laminazione ottimale. Essa è inoltre influenzata da fattori quali la resistenza del pezzo, le sue dimensioni e il diametro del rullo. In pratica, la pressione di laminazione migliore viene determinata attraverso prove ed errori.
Il numero di rulli si riferisce al numero di volte in cui il rullo preme sullo stesso punto del pezzo e ha un impatto significativo sulla resistenza alla fatica del pezzo. Se il numero di rulli è troppo basso, la superficie del pezzo potrebbe non raggiungere la deformazione plastica desiderata. Se il numero di rulli è troppo alto, il pezzo può essere sottoposto a fatica da contatto e, nei casi più gravi, la superficie può deteriorarsi gravemente.
La velocità di laminazione è la velocità di rotazione del pezzo durante il processo di laminazione e ha un effetto limitato sulla sua resistenza alla fatica, ma influisce sull'efficienza del processo di laminazione. Se la velocità è troppo elevata, può causare un'eccessiva deformazione plastica, mentre se è troppo lenta, può ridurre l'efficienza produttiva. Nella produzione, è essenziale determinare la velocità di laminazione appropriata in base alle condizioni specifiche.
(3) Rinforzo con estrusione di fori
L'estrusione di fori è un processo di rafforzamento della superficie che prevede l'uso di strumenti specifici, come aste, boccole e matrici, per applicare una pressione graduale e costante alle pareti o alla periferia di un foro in un pezzo. Questo processo porta alla formazione di uno strato di deformazione plastica di spessore specifico, che migliora la resistenza alla fatica e alla corrosione da stress della superficie.
Esistono diversi metodi comunemente utilizzati per l'estrusione dei fori, tra cui l'estrusione di aste, l'estrusione di boccole, l'estrusione di stampi e l'estrusione di filatura, come illustrato nella Figura 6.
Figura 6 Metodo di processo per il rafforzamento dell'estrusione dei fori
Il rafforzamento dell'estrusione dei fori è utilizzato principalmente per i pezzi che richiedono una maggiore resistenza alla fatica nei fori interni e che non possono essere ottenuti con altri metodi, come ad esempio i componenti critici degli aeroplani.
L'estrusione a stampo è ideale per rafforzare le parti critiche dei cuscinetti, come i componenti di grandi dimensioni e le pelli, mentre l'estrusione per filatura è più adatta per migliorare i fori interni dei componenti di grandi dimensioni, come i carrelli di atterraggio.
Il plasma è una miscela di elettroni e ioni liberi che si comporta come un gas ionizzato ed è sostanzialmente neutro. La tecnologia di trattamento termico chimico al plasma, nota anche come tecnologia di diffusione al plasma (PDT) o tecnologia di diffusione a bombardamento di particelle, utilizza ioni prodotti attraverso scariche di gas a bagliore in un ambiente a basso vuoto per bombardare la superficie del pezzo e alterarne la composizione, la struttura e le prestazioni.
Rispetto alla tradizionale tecnologia di diffusione termica dei gas, la diffusione termica degli ioni presenta diversi vantaggi:
(1) Il bombardamento ionico rimuove la pellicola di ossigeno (passivazione) o le impurità dalla superficie del pezzo, migliorando così la sua attività superficiale e facilitando l'assorbimento degli elementi infiltranti. Ciò accelera la velocità di diffusione termica.
(2) Il plasma può attivare il gas di reazione e abbassare la temperatura della reazione chimica.
(3) La struttura dello strato termoespanso e il suo spessore possono essere controllati regolando i parametri del processo.
(4) È un processo ecologico che non inquina l'ambiente.
Il plasma può essere suddiviso in plasma ad alta temperatura e plasma a bassa temperatura. Esempi di plasma a bassa temperatura sono l'aurora, le lampade fluorescenti, gli archi elettrici e le lampade di tungsteno allo iodio, mentre la fusione e il nucleo solare appartengono al plasma ad alta temperatura.
Nel plasma a bassa temperatura (noto anche come plasma di non equilibrio), la temperatura delle particelle pesanti è vicina alla temperatura normale, mentre la temperatura degli elettroni è compresa tra 10³ e 10⁴K.
La trasformazione di un gas da isolante a conduttore viene definita scarica gassosa e richiede una certa intensità di campo elettrico e la presenza di particelle cariche nel gas. In un campo elettrico, le particelle cariche si muovono con un movimento direzionale che porta a una serie di cambiamenti fisici e chimici tra le particelle cariche e gli atomi del gas e tra le particelle cariche e gli elettrodi. Ciò deriva dalle collisioni tra particelle cariche che causano l'eccitazione e la ionizzazione del gas.
La collisione fa sì che gli elettroni degli atomi passino dal loro livello energetico normale a un livello energetico superiore, dando origine a un atomo eccitato metastabile. Quando l'elettrone eccitato torna al suo stato fondamentale, rilascia energia sotto forma di fotoni (bagliore). Se l'energia dell'impatto della particella carica è sufficientemente grande, può allontanare un elettrone dall'atomo, causando la ionizzazione.
1. Il meccanismo della nitrurazione ionica
(1) Modello di nitrurazione per sputtering ionico Kolbel
Gli ioni di azoto ad alta energia colpiscono il catodo, provocando lo sputtering di atomi di Fe dalla sua superficie. Gli atomi di Fe reagiscono quindi con gli atomi di N per formare FeN, che viene ridepositato sulla superficie del pezzo (backscattering).
Il FeN metastabile subisce la decomposizione nella seguente sequenza: FeN → Fe₂-₃N → Fe₄N. Durante questo processo, gli atomi di N decomposti penetrano nella superficie o quasi superficie dell'acciaio.
Contemporaneamente, sulla superficie dell'acciaio si forma uno strato nitrurato di Fe₂-₃N (fase ε) e Fe₄N (fase γ'), dall'esterno verso l'interno, come illustrato in Figura 7.
Figura 7 Modello di nitrurazione per sputtering ionico di Kolbel
(2) Nuovo modello di nitrurazione ionica
Il diagramma del nuovo modello di nitrurazione ionica a corrente continua (DC) è riportato nella Figura 8, mentre il progetto del dispositivo di nitrurazione ionica è illustrato nella Figura 9.
Figura 8 Nuovo modello di nitrurazione ionica in corrente continua
Figura 9 Schema del dispositivo per la nitrurazione ionica
2. Processo di nitrurazione ionica
(1) Il pezzo pulito deve essere posto nel forno di nitrurazione ionica e aspirato a una pressione di circa 1Pa.
(2) Introdurre una piccola quantità di gas ricco di azoto e attivare l'alimentazione ad alta tensione CC per provocare l'accensione e la scarica del gas.
(3) La superficie del pezzo deve essere spruzzata e pulita.
(4) Regolare la pressione e la tensione dell'aria, riscaldare il pezzo alla temperatura di lavorazione richiesta e iniziare la nitrurazione.
(5) Il pezzo deve essere mantenuto alla temperatura richiesta per una durata specifica per ottenere lo spessore dello strato di nitrurazione desiderato.
(6) Dopo l'interruzione dell'alimentazione, il pezzo deve essere raffreddato a meno di 200°C in un ambiente sotto vuoto. La superficie del pezzo nitrurato apparirà grigio argento.
3. Tipi di tessuto e fattori di influenza della nitrurazione ionica
La nitrurazione viene effettuata in un intervallo di temperatura inferiore a 590°C (temperatura eutettoide). All'aumentare del contenuto di azoto, la struttura dello strato nitrurato cambia dall'esterno all'interno come segue: ε → ε + γ' → γ' + strato di diffusione → α strato di diffusione, come illustrato nella Figura 10.
Fig. 10 Morfologia della struttura superficiale dell'acciaio 38CrMoAl dopo la nitrurazione (560℃×5h)
I fattori principali che influenzano lo strato di nitrurazione ionica sono i seguenti:
(1) Temperatura di nitrurazione: Lo spessore dello strato di nitrurazione aumenta con l'aumentare della temperatura.
(2) Tempo di nitrurazione: Durante la fase iniziale della nitrurazione (<30 minuti), il tasso di nitrurazione è molto più veloce rispetto a nitrurazione a gas. Con l'avanzare del tempo, il tasso di infiltrazione diminuisce e alla fine raggiunge il tasso di nitrurazione del gas.
(3) Gas di azoto: I gas di azoto comunemente utilizzati includono ammoniaca, azoto + idrogeno, ecc.
(4) Pressione, tensione e densità di corrente del gas azoto:
4. Le prestazioni dello strato di nitrurazione ionica
Le prestazioni dello strato di nitrurazione ionica sono valutate principalmente in base ai seguenti indicatori:
(1) Durezza: La durezza dello strato di nitrurazione è determinata dalla temperatura di nitrurazione, dal tipo di elementi di lega presenti nell'acciaio e dalla temperatura di nitrurazione. tipo di acciaio.
(2) Resistenza alla fatica: La nitrurazione può migliorare la resistenza alla fatica del pezzo, che aumenta con lo spessore dello strato di diffusione.
(3) Tenacità: Nello strato nitrurato, lo strato di diffusione presenta la tenacità più elevata, seguito dallo strato composto monofase (fase ε o fase γ'), mentre la fase mista γ' + ε presenta la tenacità più bassa.
(4) Resistenza all'usura: Rispetto ad altri metodi di nitrurazione, la nitrurazione ionica offre la migliore resistenza all'usura contro l'attrito volvente.
Il processo di nitrurazione ionica dei gradi di acciaio comunemente utilizzati è presentato nella Tabella 1.
Tabella 1 Processo di nitrurazione ionica di acciai di uso comune
| Grado di acciaio | Parametri di processo | Durezza della superficie (HV0.1) | Composto profondità dello strato (µm) | Profondità totale del rivestimento (mm) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatura (oC) | Tempo (h) | Pressione (Pa) | ||||
| 38CrMoaIa | 520～550 | 8～15 | 266～532 | 888～1164 | 3～8 | 0.30～045 |
| 40Cr | 520～540 | 6～9 | 266～532 | 750～900 | 5～8 | 0.35～0.45 |
| 42CrMo | 520～560 | 8～15 | 266～532 | 750～900 | 5～8 | 0.35～0.40 |
| 3Cr2w8V | 540～550 | 6～8 | 133～400 | 900~1000 | 5～8 | 0.20～0.90 |
| 4Cr5MoVI | 540～550 | 6～8 | 133～400 | 900~1000 | 5～8 | 0.20～0.30 |
| Crl2MiV | 530～550 | 6～8 | 133～400 | 841～1015 | 5～7 | 0.20～0.40 |
| QT60-2 | 570 | 8 | 266～400 | 750～900 | ___ | 0.30 |
La tecnologia di trattamento laser delle superfici prevede l'utilizzo di caratteristiche del laser per lavorare la superficie di un materiale e formare uno strato di trattamento di spessore specifico. Ciò porta a miglioramenti significativi delle proprietà meccaniche, metallurgiche e fisiche della superficie del materiale. Di conseguenza, migliora la resistenza all'usura, alla corrosione e alla fatica di parti e pezzi, rendendola una tecnologia di trattamento superficiale efficiente e consolidata.
1. Caratteristiche
(1) Il trattamento con fascio laser determina un'elevata uniformità chimica sulla superficie del materiale, grani di cristallo fini e una maggiore durezza superficiale. Ciò consente di migliorare la resistenza all'usura e le prestazioni superficiali senza sacrificare la tenacità.
(2) Il processo ha un basso apporto di calore e una deformazione termica minima.
(3) È caratterizzato da un'alta densità di energia e da un tempo di elaborazione rapido.
(4) Il trattamento può essere applicato a parti specifiche come fori profondi, scanalature e altre aree complesse raggiungibili con il laser.
(5) Il processo non richiede il vuoto e non comporta inquinamento chimico.
(6) Durante il trattamento, lo strato superficiale subisce la trasformazione in martensite e conserva le tensioni di compressione residue, migliorando la resistenza alla fatica.
2. Apparecchiature per il trattamento laser delle superfici
Le apparecchiature per il trattamento laser delle superfici comprendono:
3. Il principio e le caratteristiche della tecnologia di trattamento laser delle superfici
Il laser è un tipo di onda elettromagnetica che ha la stessa fase, una specifica lunghezza d'onda e una forte qualità direzionale. Il raggio laser è controllato da una serie di specchi e lenti che permettono di focalizzarlo in un fascio di diametro ridotto (fino a 0,1 mm) e di alta densità di potenza (da 10⁴ a 10⁹W/cm²).
L'interazione tra il laser e il metallo può essere suddivisa in diverse fasi in base all'intensità del laser e alla durata della radiazione, tra cui: l'assorbimento del fascio di luce, il trasferimento di energia, l'alterazione della struttura del metallo e il raffreddamento per azione del laser.
La tecnologia di trattamento laser delle superfici utilizza un raggio laser ad alta densità di potenza per riscaldare la superficie del materiale senza contatto, affidandosi alla conducibilità termica della superficie per raffreddarla e ottenere il rafforzamento della superficie.
Questa tecnologia offre diversi vantaggi per la lavorazione dei materiali:
4. Il tipo di tessuto dopo il trattamento laser della superficie
Il processo di riscaldamento laser è incredibilmente veloce e porta a un elevato grado di surriscaldamento durante il processo di cambiamento di fase. Ne consegue un elevato tasso di nucleazione dei nuclei cristallini.
A causa del breve tempo di riscaldamento, la diffusione dell'atomo di carbonio e la crescita dei grani sono limitate, con conseguente riduzione della dimensione del grano. austenite grani.
La velocità di raffreddamento è inoltre più rapida rispetto a qualsiasi altro agente di tempra, il che facilita la realizzazione di un ago nascosto o di un ago sottile. struttura della martensite.
Il tipo di tessuto formatosi sulla superficie dell'acciaio trattato con il raggio laser può essere determinato mediante osservazione.
Gli acciai a basso tenore di carbonio possono essere suddivisi in due strati: lo strato esterno è una zona completamente bonificata con un ago nascosto struttura della martensitementre lo strato interno è un'area non completamente temprata che conserva la ferrite.
L'acciaio a medio tenore di carbonio presenta quattro strati: lo strato esterno è costituito da una martensite ad aghi nascosta, bianca e brillante, con una durezza di 800HV, superiore di oltre 100 volte alla durezza generale di tempra. Il secondo strato è una combinazione di martensite ad aghi nascosta e una piccola quantità di troostite, con una durezza leggermente inferiore. Il terzo strato è una combinazione di martensite ad aghi nascosta, troostite a rete e una piccola quantità di ferrite. Il quarto strato è composto da martensite ad aghi nascosti e da una maglia completa di ferrite.
Acciaio ad alto tenore di carbonio ha anch'esso due strati: lo strato esterno è martensite crittografica e lo strato interno è una combinazione di martensite crittografica e carburi non disciolti.
La ghisa può essere suddivisa grossolanamente in tre strati: lo strato superficiale è costituito da cristalli dendritici provenienti dalla fusione e dalla solidificazione e diminuisce con l'aumento della velocità di scansione. Il secondo strato è costituito dalla struttura eutettica della martensite criptoneedrica e da una piccola quantità di grafite e fosforo residui. Il terzo strato è costituito da martensite formatasi a una temperatura inferiore.
5. La classificazione della tecnologia di trattamento laser delle superfici
(1) Indurimento per transizione di fase al laser
La tempra laser a transizione di fase, detta anche tempra laser, prevede l'utilizzo di un raggio laser ad alta densità energetica per irradiare la superficie del pezzo. L'area interessata assorbe istantaneamente l'energia luminosa e la converte in calore, provocando un forte aumento della temperatura della zona d'azione del laser e un rapido cambiamento del tipo di struttura in cui si trova il pezzo. austenite. Dopo un rapido processo di raffreddamento, il risultato è una martensite molto fine e altre strutture.
Le caratteristiche principali del Laser Quenching sono le seguenti:
(2) Rivestimento laser della superficie
Il rivestimento laser della superficie è un processo che migliora la resistenza della superficie riscaldando e fondendo rapidamente la lega o la polvere di ceramica e la superficie del substrato con un raggio laser. Il raggio viene poi rimosso, consentendo al materiale di raffreddarsi e solidificarsi.
Le sue caratteristiche principali sono le seguenti:
(3) Legatura superficiale al laser
L'alligazione superficiale laser è un processo che prevede la rapida fusione e miscelazione di un sottile strato del materiale di base con elementi di lega esterni mediante un raggio laser ad alta energia. Si ottiene così la formazione di uno strato di fusione superficiale con uno spessore che varia da 10 a 1000 μm.
La velocità di raffreddamento dello strato fuso durante la solidificazione può essere compresa tra 10⁵ e 10⁸ ℃/s, paragonabile alla velocità di raffreddamento ottenuta con la tecnologia di tempra.
Inoltre, i fenomeni fisici di diffusione e tensione superficiale nello strato liquido fuso portano alla formazione di uno strato superficiale di lega di profondità e composizione chimica predeterminate in un breve lasso di tempo compreso tra 50 μs e 2 ms.
Il vantaggio principale del processo di lega superficiale al laser è che le modifiche alla composizione, alla struttura e alle prestazioni avvengono solo nella zona di fusione e in una piccola zona interessata, riducendo al minimo l'effetto termico sulla matrice e la deformazione. Questo processo soddisfa i requisiti di utilizzo della superficie senza sacrificare le caratteristiche strutturali complessive.
La profondità di fusione è controllata attraverso le regolazioni di potenza del laser e il tempo di irradiazione. Sul metallo di base si può formare uno strato superficiale di lega con uno spessore compreso tra 0,01 e 2 mm.
Grazie all'elevata velocità di raffreddamento, la segregazione è ridotta al minimo e i grani di cristallo sono notevolmente raffinati.
(4) Tempra laser per urti
Quando un fascio laser ad alto picco e ad alta densità di potenza, con una durata dell'impulso di decine di nanosecondi, viene diretto verso un bersaglio metallico, la superficie del metallo assorbe l'energia laser e si vaporizza istantaneamente, dando luogo a un plasma ad alta temperatura e ad alta pressione.
Quando il plasma è confinato da uno strato di confinamento, genera un'onda d'urto ad alta intensità che colpisce la superficie del metallo e si propaga al suo interno.
Quando la pressione di picco dell'onda d'urto supera la pressione dinamica resistenza allo snervamento del materiale, provoca un indurimento da deformazione sulla superficie del materiale, lasciando una grande tensione di compressione nel materiale.
Questo processo è noto come rafforzamento laser degli urti, anche detto pallinatura laser. Presenta i vantaggi di uno strato di influenza di deformazione profonda, di un'area e di una pressione d'impatto controllabili, di un impatto minimo sul materiale. rugosità della superficiee di facile automazione.
Rispetto alla pallinatura, il trattamento laser d'urto può produrre uno strato di tensione residua di compressione da 2 a 5 volte più profondo, fino a 1 mm.
Al contrario, le tecniche di rinforzo come l'estrusione e il rinforzo per impatto possono essere applicate solo a superfici piane o di forma regolare.
Inoltre, il rinforzo laser a urto può preservare la rugosità superficiale e l'accuratezza dimensionale dell'area rinforzata.
(5) Amorfizzazione della superficie del laser
L'amorfizzazione superficiale laser è un processo che sfrutta le condizioni di raffreddamento rapido di un bagno fuso generato dal laser per formare uno speciale strato amorfo sulla superficie di alcune leghe.
Rispetto ad altri metodi di amorfizzazione, l'amorfizzazione laser può produrre un'ampia area di strato amorfo sulla superficie del pezzo e può anche espandere la composizione dello strato amorfo.
Il processo che consiste nell'aumentare la temperatura della superficie di un materiale e nell'alterarne la composizione e la struttura per migliorarne le prestazioni attraverso l'uso di fasci di elettroni ad alta energia è chiamato Electron Beam Surface Treatment.
Utilizza elettroni ad alta velocità in un campo elettrico come portatori di energia e il fascio di elettroni può avere una densità di energia fino a 10⁹W/cm².
Le caratteristiche principali del trattamento superficiale a fascio di elettroni sono le seguenti:
1. Il principio della tecnologia di trattamento superficiale a fascio di elettroni
Il fascio di elettroni è un flusso di elettroni ad alta energia generato da un filamento catodico.
Quando il fascio di elettroni con carica negativa viaggia ad alta velocità verso l'elettrodo positivo ad alto potenziale, viene accelerato da un acceleratore e focalizzato da una lente elettromagnetica, aumentando la potenza del fascio.
Dopo la seconda focalizzazione, la sua densità di energia diventa altamente concentrata, facendola precipitare ad alta velocità verso una piccola area della superficie del pezzo.
La maggior parte dell'energia cinetica trasportata dal fascio di elettroni viene trasformata in energia termica, facendo sì che la parte della superficie del materiale colpito raggiunga rapidamente diverse migliaia di gradi Celsius in una frazione di microsecondo. Questo provoca la fusione o la vaporizzazione istantanea del materiale.
2. Apparecchiature per la tecnologia di trattamento superficiale a fascio di elettroni
L'apparecchiatura per il trattamento delle superfici a fascio di elettroni comprende cinque sistemi:
3. Caratteristiche della tecnologia di trattamento superficiale a fascio di elettroni
① Il pezzo da lavorare viene riscaldato in una camera a vuoto, evitando così l'ossidazione o il decarburazione. Il processo di rafforzamento della superficie a cambiamento di fase non richiede un mezzo di raffreddamento. Invece, basandosi sul comportamento di raffreddamento della matrice stessa, è possibile ottenere un "rafforzamento superficiale verde".
Il fascio di elettroni ha un tasso di conversione dell'energia di circa 80% - 90%, che consente di concentrare l'energia e di ottenere un'elevata efficienza termica. Ciò consente di ottenere un rafforzamento locale della trasformazione di fase e un'alligazione superficiale.
Il calore concentrato del fascio di elettroni determina un punto d'azione termico ridotto e uno stress termico minimo durante il riscaldamento. Inoltre, lo strato indurito poco profondo porta a sollecitazioni strutturali minime e a distorsioni di rinforzo della trasformazione superficiale.
Il costo delle apparecchiature per il trattamento superficiale a fascio di elettroni è inferiore a quello delle apparecchiature laser, con un input una tantum inferiore a 1/3 dei costi del laser, e il costo del trattamento a fascio di elettroni è solo la metà di quello del trattamento laser.
⑤ La struttura dell'apparecchiatura è semplice: il fascio di elettroni viene ruotato e scansionato attraverso la deflessione magnetica. Non sono necessari meccanismi di rotazione e movimento del pezzo o di trasmissione della luce.
Il trattamento superficiale a fascio di elettroni ha un'ampia gamma di applicazioni e può essere utilizzato per il trattamento superficiale di vari materiali, tra cui acciaio e ghisa, nonché per pezzi di forma complessa.
⑦ I fasci di elettroni sono facilmente eccitabili e possono produrre raggi X, pertanto è importante fare attenzione a proteggerli durante l'uso.
4. La classificazione della tecnologia di trattamento superficiale a fascio di elettroni
La classificazione delle tecnologie di trattamento superficiale a fascio di elettroni è illustrata nella Figura 11.
Figura 11 Classificazione delle tecnologie di trattamento superficiale a fascio di elettroni
(1) Rafforzamento del cambiamento di fase della superficie con fascio di elettroni
Per i metalli sottoposti a trasformazione martensitica, il successo del processo risiede nel controllo dei parametri. La densità di potenza media del fascio di elettroni dovrebbe essere compresa tra 10⁴ e 10⁵ W/cm², mentre la velocità di riscaldamento dovrebbe essere compresa tra 10³ e 10⁵ ℃/s. La velocità di raffreddamento deve essere in grado di raggiungere 10⁴ a 10⁶ ℃/s.
La rapida fusione del fascio di elettroni crea una soluzione solida supersatura, rafforzando il materiale e formando martensite ultrafine. Ciò aumenta la durezza del materiale e lascia una tensione di compressione residua sulla superficie, migliorando la resistenza all'usura.
(2) Trattamento di rifusione superficiale con fascio di elettroni
La rifusione a fascio di elettroni ha la capacità di ridistribuire gli elementi chimici delle leghe e di ridurre la microsegregazione di alcuni elementi, con conseguente miglioramento delle prestazioni superficiali del pezzo.
Inoltre, poiché il processo di rifusione viene condotto in un ambiente sotto vuoto, si evita l'ossidazione della superficie.
Di conseguenza, la rifusione a fascio di elettroni è un trattamento ideale per il miglioramento della superficie di magnesio e di leghe di alluminio.
(3) Legatura superficiale con fascio di elettroni
In genere, elementi come il tungsteno (W), titanio (Ti), boro (B), molibdeno (Mo) e i loro carburi sono selezionati come elementi di lega per aumentare la resistenza all'usura dei materiali.
L'aggiunta di elementi come il nichel (Ni) e il cromo (Cr) può migliorare la resistenza alla corrosione del materiale.
Inoltre, la combinazione appropriata di elementi come cobalto (Co), nichel (Ni), silicio (Si) e altri può aumentare l'effetto di lega complessivo.
(4) Trattamento di amorfizzazione della superficie con fascio di elettroni
Aumentando la densità di potenza media del fascio di elettroni a un intervallo compreso tra 10⁶ e 10⁷ W/cm² e riducendo il tempo di esposizione a circa 10⁵ secondi, è possibile creare un gradiente di temperatura sostanziale tra il substrato e la superficie fusa del metallo.
Una volta interrotta l'irradiazione del fascio di elettroni, la velocità di raffreddamento della superficie metallica, da 10⁷ a 10⁹ s-¹, supera significativamente la velocità di raffreddamento nei processi di preparazione amorfa convenzionali, che è compresa tra 10³ e 10⁶ s-¹.
Di conseguenza, la struttura amorfa ottenuta è densa e vanta un'eccellente resistenza alla fatica e alla corrosione.
(5) Ricottura del sottile strato di superficie del fascio elettronico
Quando il fascio di elettroni viene utilizzato come fonte di calore per la ricottura di uno strato sottile sulla superficie, la densità di potenza necessaria è molto inferiore a quella richiesta dal metodo precedente, con conseguente rallentamento della velocità di raffreddamento del materiale.
Questo metodo è utilizzato principalmente per il trattamento superficiale di strisce sottili in materiali metallici.
Inoltre, la ricottura a fascio di elettroni è stata applicata efficacemente anche ai materiali semiconduttori.
5. Applicazione della tecnologia di rafforzamento delle superfici a fascio di elettroni
Dopo che la superficie dell'acciaio per stampi è stata rafforzata attraverso il trattamento a fascio di elettroni, lo strato più esterno del materiale subisce una fusione. Quando lo spessore dello strato rifuso raggiunge circa 10 μm, questa fusione determina una diminuzione della microdurezza superficiale.
Le particelle di carburo superficiali si dissolvono nel cromo della soluzione solida della matrice e causano un aumento dell'energia, portando al rafforzamento della soluzione solida supersatura e alla formazione di martensite ultrafine. Ne consegue un aumento della microdurezza del campione da 955,2 HK a 1169 HK e un aumento della resistenza all'usura relativa di 5,63 volte.
Più frequente è il bombardamento, più profonda diventa la zona interessata e maggiore è l'aumento della microdurezza.
La tecnologia di trattamento superficiale a scintilla elettrica si basa sul principio che una fonte di energia di accumulo viene fatta passare attraverso un elettrodo per creare una scarica di scintille tra l'elettrodo e il pezzo in lavorazione a una frequenza compresa tra 10 e 2000 Hz.
L'elettrodo, costituito da materiale conduttivo, si fonde sulla superficie del pezzo per formare uno strato di lega che migliora le proprietà fisiche e chimiche della superficie.
L'efficacia dello strato di rinforzo della superficie per elettroerosione è influenzata sia dal materiale di base che dalla materiale dell'elettrodo. I materiali elettrodici comuni includono TiC, WC, ZrC, NbC, Cr3C2, e carburo cementato.
1. Processo tecnologico di trattamento superficiale dell'elettroerosione
La Figura 12 illustra il processo di trattamento superficiale a scintilla elettrica.
Nella Figura 12(a), quando la distanza tra l'elettrodo e il pezzo è grande, l'alimentazione carica il condensatore attraverso il resistore R e l'elettrodo viene avvicinato al pezzo attraverso l'azione di un vibratore.
La Figura 12(b) mostra che quando lo spazio tra l'elettrodo e il pezzo raggiunge una certa distanza, il forte campo elettrico ionizza l'aria nello spazio, dando luogo a una scarica di scintille.
La scarica provoca la parziale fusione o addirittura la vaporizzazione del metallo nel punto di contatto tra l'elettrodo e il pezzo. L'elettrodo continua ad avvicinarsi e a entrare in contatto con il pezzo, causando l'interruzione della scarica e il passaggio di una corrente di cortocircuito attraverso il punto di contatto per un ulteriore riscaldamento.
Nella Figura 12(c), la corretta pressione dell'elettrodo sul pezzo da lavorare assicura che i materiali fusi si leghino e si diffondano per formare leghe o nuovi composti.
Infine, come mostrato nella Figura 12(d), l'elettrodo viene separato dal pezzo in lavorazione grazie all'azione di un oscillatore.
Figura 12 Schema del processo di rafforzamento della superficie mediante elettroerosione
(1) Processo di metallurgia chimico fisica in condizioni di alta temperatura e alta pressione.
L'alta temperatura generata dalla scarica di scintille provoca la fusione parziale del materiale dell'elettrodo e del materiale della matrice sulla superficie del pezzo. La pressione generata dall'espansione termica del gas e dalla forza d'urto meccanica dell'elettrodo fa sì che il materiale dell'elettrodo e il materiale della matrice si fondano e subiscano un'interazione fisica e chimica. L'interazione di elementi gassosi ionizzati, come azoto e ossigeno, produce una lega speciale sulla superficie del substrato.
(2) Processo di diffusione ad alta temperatura.
Il processo di diffusione avviene sia nella zona di fusione che al confine tra la fase liquida e quella solida.
A causa del breve tempo di diffusione, la diffusione degli elementi liquidi nella matrice è limitata, con il risultato di uno strato di diffusione poco profondo. Tuttavia, ciò consente di migliorare il legame metallurgico tra la matrice e lo strato di lega.
(3) Processo di cambio di fase rapido.
La zona interessata dal calore della matrice del pezzo in lavorazione subisce un rapido riscaldamento e raffreddamento, causando la trasformazione della parte vicina alla zona di fusione in austenitizzazione e martensitizzazione. Questo processo affina la struttura dei grani, aumenta la durezza e crea tensioni residue di compressione.
Questi effetti sono utili per migliorare la resistenza alla fatica.
2. Le caratteristiche della tecnologia di trattamento superficiale a scintilla elettrica
(1) Vantaggi:
① L'apparecchiatura è semplice ed economica;
② L'adesione tra lo strato di rinforzo e il substrato è forte e affidabile;
③ La temperatura interna del pezzo rimane bassa o invariata, impedendo cambiamenti nella struttura e nelle prestazioni ed evitando ricotture e deformazioni;
④ Basso consumo di energia e materiali;
Gli oggetti di lavorazione non hanno limiti di dimensione e sono quindi ideali per la lavorazione locale di pezzi di grandi dimensioni;
⑥ L'effetto di rafforzamento della superficie è significativo;
⑦ Può essere utilizzato per riparare pezzi eccessivamente usurati;
⑧ Facile da usare e da padroneggiare.
(2) Svantaggi:
① Lo strato di rinforzo superficiale è poco profondo, in genere solo 0,02-0,5 mm;
② La rugosità superficiale non sarà molto bassa;
③ I fori piccoli e le scanalature strette sono difficili da lavorare, con conseguente scarsa uniformità e continuità dello strato di rinforzo superficiale.
1.Definizione e principio della galvanoplastica
La galvanotecnica è un processo di trattamento superficiale che utilizza principi elettrochimici per depositare un tipo specifico di rivestimento metallico sulla superficie dell'oggetto da placcare.
Il principio della galvanoplastica: Il metallo base da placcare funge da catodo in una soluzione salina contenente il metallo desiderato per la placcatura.
Il processo di elettrolisi fa sì che i cationi del metallo desiderato nella soluzione di placcatura si depositino sulla superficie del metallo di base, dando luogo alla formazione di uno strato di placcatura (come illustrato nella Figura 13).
Figura 13 Principio di galvanizzazione
Lo scopo della galvanoplastica:
Grazie alla galvanoplastica, è possibile ottenere uno strato superficiale con proprietà diverse dal materiale di base. Questo strato può migliorare la resistenza della superficie alla corrosione e all'usura.
In genere, lo spessore del rivestimento varia da pochi micron a diverse decine di micron.
Caratteristiche della galvanoplastica:
Le apparecchiature utilizzate nel processo di galvanizzazione sono relativamente semplici e le condizioni operative sono facilmente controllabili.
Grazie all'ampia gamma di materiali di rivestimento disponibili e al costo relativamente basso, la galvanoplastica è diventata un metodo ampiamente utilizzato per il trattamento superficiale dei materiali in vari settori industriali.
2.Classificazione del rivestimento
I rivestimenti possono essere classificati in diversi tipi in base alle loro prestazioni:
Ad esempio, per le riparazioni si possono elettroplaccare strati di Ni, Cr e Fe. In base alle proprietà elettrochimiche tra il rivestimento e il metallo di base, il rivestimento può essere suddiviso in rivestimenti anodici e catodici.
Un rivestimento anodico si verifica quando il potenziale del rivestimento rispetto al metallo di base è negativo. Ne è un esempio il rivestimento di zinco sull'acciaio. Un rivestimento catodico, invece, si verifica quando il potenziale dello strato di placcatura rispetto al metallo di base è positivo. Ne sono un esempio gli strati nichelati e stagnati sull'acciaio.
In termini di forma combinata, i rivestimenti possono essere suddivisi in rivestimenti monostrato (come gli strati di Zn o Cu), rivestimenti metallici multistrato (come i rivestimenti Cu-Sn/Cr, Cu/Ni/Cr, ecc.) e rivestimenti compositi (come i rivestimenti Ni-Al₂O₃, i rivestimenti Co-SiC, ecc.)
Se classificati in base alla composizione del rivestimento, i rivestimenti possono essere ulteriormente suddivisi in rivestimenti monometallici, rivestimenti in lega e rivestimenti compositi.
3. La base composizione della soluzione galvanica
I principali sali metallici presenti nei depositi di sale includono:
Sali singoli, come il solfato di rame e il solfato di nichel;
Sali complessi, come lo zincato di sodio e il cianuro di zinco di sodio.
L'agente complessante forma un complesso con gli ioni metallici da depositare e serve principalmente a modificare le proprietà elettrochimiche della soluzione di placcatura e a regolare il processo di deposizione degli ioni metallici.
L'agente complessante è un componente fondamentale della soluzione di placcatura e ha un impatto significativo sulla qualità del rivestimento.
Gli agenti complessanti più comuni includono, tra gli altri, cianuro, idrossido, pirofosfato, tartrato, acido nitrilotriacetico e acido citrico.
Lo scopo del sale conduttore è quello di aumentare la conduttività della soluzione di placcatura, ridurre la tensione di fine vasca e aumentare la densità di corrente nel processo.
Ad esempio, l'aggiunta di Na2SO4 a una soluzione di nichelatura.
I sali conduttori non partecipano alla reazione dell'elettrodo e sia gli acidi che le basi possono essere utilizzati come sostanze conduttrici.
Il tampone è un parametro di processo importante nei bagni debolmente acidi o debolmente alcalini.
Il tampone viene aggiunto per dare alla soluzione di placcatura la capacità di regolare il suo valore di pH e mantenere un pH stabile durante il processo di placcatura.
Il tampone deve essere presente in quantità sufficiente a controllare efficacemente l'equilibrio acido-base; di solito viene aggiunto in quantità di 30-40 g/L, come l'acido borico in una soluzione di zincatura al cloruro di potassio.
L'attivatore anodico viene continuamente consumato dagli ioni metallici durante il processo di galvanizzazione.
La maggior parte delle soluzioni galvaniche si basa su anodi solubili per fornire ioni metallici, assicurando che la quantità di metallo depositato sul catodo sia uguale alla quantità di metallo disciolto dall'anodo, mantenendo equilibrata la composizione della soluzione di placcatura.
L'aggiunta di un attivatore può mantenere l'attività dell'anodo senza passivazione e sostenere la normale reazione di dissoluzione.
Ad esempio, è necessario aggiungere Cl- alla soluzione di nichelatura per evitare la passivazione dell'anodo di nichel.
Vengono aggiunti additivi speciali per migliorare le prestazioni del bagno di placcatura e la qualità del rivestimento. Questa fase è fondamentale nella galvanotecnica.
La quantità di additivi aggiunti è solitamente ridotta, solo pochi grammi per litro, ma l'impatto è significativo.
Esistono vari tipi di questi additivi, che possono essere classificati in:
(1) Brillantante - migliora la luminosità del rivestimento.
(2) Agente affinatore di grani - altera le condizioni di cristallizzazione del rivestimento, affina i grani di cristallo e rende il rivestimento denso.
Ad esempio, l'aggiunta di un condensato di epicloridrina e ammine a un bagno di zincatura a base di zinco può modificare il rivestimento da spugnoso a denso e brillante.
(3) Agente livellante - migliora la capacità di microdispersione della soluzione di placcatura e leviga la superficie micro-ruvida del substrato.
(4) Agente umettante - riduce la tensione interfacciale tra il metallo e la soluzione, facendo aderire meglio il rivestimento al substrato e riducendo i fori di spillo.
(5) Agente antistress - riduce le tensioni nel rivestimento.
(6) Indurente - migliora la durezza del rivestimento.
(7) Agente mascherante: elimina l'influenza delle tracce di impurità.
4.Fasi fondamentali del processo galvanico
Le fasi fondamentali del processo galvanico sono: trasferimento di massa nella fase liquida, riduzione elettrochimica ed elettrocristallizzazione.
5.Fattori che influenzano la qualità della galvanica
(1) Soluzione di placcatura:
I fattori chiave che determinano la qualità della soluzione di placcatura includono la solubilità del sale principale, la coordinazione ionica, la presenza di eventuali sali aggiuntivi, il valore del pH, il potenziale di evoluzione dell'idrogeno e i parametri di corrente come la densità di corrente, la forma d'onda della corrente, gli additivi, la temperatura e l'agitazione. Anche le proprietà del metallo di base e il suo stato di lavorazione superficiale giocano un ruolo importante, così come il processo di pretrattamento.
(2) Metodo di galvanizzazione: Placcatura a rack
La placcatura a cremagliera è un metodo di elettrodeposizione di metalli come il tungsteno (W), il molibdeno (Mo), il titanio (Ti) e il vanadio (V), che non possono essere elettrodeposti singolarmente da una soluzione acquosa. Co-deponendo questi metalli con elementi del gruppo del ferro come il ferro (Fe), il cobalto (Co) o il nichel (Ni), si possono formare delle leghe, ottenendo un aspetto che non può essere ottenuto con un singolo metallo.
(3) Condizioni per il deposito della lega
Per depositare con successo una lega, devono essere soddisfatte due condizioni:
Almeno uno dei due metalli deve poter essere depositato da una soluzione acquosa del suo sale.
Il potenziale di deposizione dei due metalli deve essere molto vicino.
La placcatura elettrolitica è un metodo di lavorazione delle superfici che utilizza reazioni chimiche per depositare il metallo sulla superficie di un substrato e formare uno strato di placcatura. A differenza della galvanotecnica, che utilizza una corrente elettrica per guidare il processo di deposizione, la galvanotecnica si basa su reazioni chimiche per ridurre gli ioni metallici presenti nella soluzione in metallo.
Esistono tre metodi per effettuare la placcatura elettrolitica.
1.Disposizionamento deposizione
Il processo di placcatura per immersione in ingegneria prevede la sostituzione degli ioni metallici depositati sulla superficie del pezzo con il metallo M2 (come il Cu), più positivo del metallo da placcare (M1, come il Fe) presente nella soluzione.
Lo spessore del rivestimento è limitato, poiché la deposizione si interrompe quando il metallo M1 è completamente coperto dal metallo M2.
La deposizione per spostamento è utilizzata in processi quali la ramatura a immersione in ferro, la ramatura a immersione in mercurio e la zincatura dell'alluminio.
La placcatura per immersione può essere impegnativa per la produzione di rivestimenti pratici e, di conseguenza, viene spesso utilizzata come processo supplementare per altri metodi di placcatura.
2.Cdeposizione a contatto
Oltre a M1 e M2, nel processo di placcatura è coinvolto un terzo metallo, M3.
Quando nella soluzione sono presenti ioni M2, i due metalli M1 e M3 sono collegati e gli elettroni passano da M3 (che ha un potenziale alto) a M1 (che ha un potenziale basso), causando la riduzione e il deposito di M2 su M1.
La deposizione si arresta quando il metallo di contatto M1 è completamente coperto da M2.
Quando nichelatura elettrolitica viene eseguita su materiali funzionali privi di proprietà autocatalitiche, la deposizione per contatto viene spesso utilizzata per avviare la deposizione di nichel.
3.Rdeposizione per eduzione
Il processo di conversione degli ioni metallici in atomi metallici attraverso la riduzione dell'agente riducente, che rilascia elettroni liberi attraverso l'ossidazione, è noto come deposizione per riduzione.
L'equazione di reazione può essere rappresentata come segue:
Ossidazione riducente
Rn+ → 2e- + R(n + 2)+
Riduzione degli ioni metallici
M2+ + 2e- → M
Il termine "placcatura chimica in ingegneria" si riferisce principalmente al processo di placcatura chimica a deposizione di riduzione.
Le condizioni per la placcatura elettrolitica sono le seguenti:
Ci sono molti tipi di metalli e leghe che possono essere utilizzate per la placcatura elettrolitica, tra cui Ni-P, Ni-B, Cu, Ag, Pd, Sn, In, Pt, Cr e molte leghe a base di Co; la placcatura elettrolitica del nichel e la placcatura elettrolitica del rame sono le più utilizzate.
La placcatura elettrolitica ha generalmente una buona resistenza alla corrosione e all'usura, brasatura e altre speciali proprietà elettriche o magnetiche, che lo rendono un metodo efficace per migliorare le proprietà superficiali dei materiali.
Tecnologia di spruzzatura termica e spruzzatura termica tecnologia di saldatura utilizzano fonti di energia termica (come una fiamma di ossigeno-acetilene, un arco elettrico o una fiamma al plasma) per fondere materiali di rivestimento specializzati e applicarli su un pezzo, formando uno strato protettivo.
Questa tecnologia è nota per la sua capacità di creare rivestimenti relativamente spessi (da 0,1 a 10 mm) ed è utilizzata principalmente nella produzione e nella riparazione di componenti in strati compositi.
1.Tecnologia a spruzzo termico
(1) Principi e caratteristiche della tecnologia di spruzzatura termica
Nella spruzzatura termica, vengono utilizzate varie fonti di calore per riscaldare il materiale di rivestimento fino allo stato fuso o semi-fuso. Il materiale fuso viene quindi disperso e raffinato con un gas ad alta velocità, che colpisce la superficie del substrato ad alta velocità per formare un rivestimento, come illustrato nella Figura 14.
Figura 14 Schema del processo base di spruzzatura termica
Il processo di spruzzatura termica si articola in quattro fasi principali:
(2) Materiali di rivestimento
La spruzzatura termica ha requisiti specifici per i materiali di rivestimento, che devono soddisfare le seguenti condizioni:
I materiali di rivestimento possono essere suddivisi in due categorie in base alla loro forma: filo e polvere.
(3) Meccanismo di combinazione del rivestimento a spruzzo termico
① Incollaggio meccanico: In questo tipo di legame, le particelle allo stato fuso si scontrano con la superficie del substrato e si diffondono in uno strato liquido sottile e piatto. Lo strato si incastra nella superficie ondulata del substrato, formando un legame meccanico.
② Incollaggio metallurgico: Questo tipo di legame si ottiene attraverso la diffusione e la saldatura tra il rivestimento e la superficie del substrato.
③Legame fisico: Quando le particelle fuse in movimento ad alta velocità si scontrano con la superficie del substrato, se la distanza tra i due lati dell'interfaccia rientra nell'intervallo della costante di reticolo atomico, le particelle si legano tra loro attraverso le forze di van der Waals.
(4) Il processo di formazione del rivestimento
① Il materiale di spruzzatura viene riscaldato fino a raggiungere lo stato fuso.
Il materiale viene quindi atomizzato in piccole gocce e diretto ad alta velocità verso la superficie del substrato.
Più forte è l'impatto delle particelle sul substrato e maggiore è la loro energia cinetica, più forte è il legame del rivestimento risultante.
③ All'impatto con la superficie del substrato, le particelle fuse ad alta velocità si deformano e alla fine si condensano formando un rivestimento.
La formazione del rivestimento è rappresentata nella Figura 15.
Figura 15 Schema del processo di formazione del rivestimento
La struttura del rivestimento è costituita da particelle piatte di dimensioni variabili, particelle sferiche non fuse, inclusioni e pori.
La presenza di pori può essere attribuita alle seguenti ragioni:
La presenza di pori ben controllati nel rivestimento può portare diversi vantaggi, come la capacità di immagazzinare i lubrificanti, il miglioramento delle prestazioni di isolamento termico, la riduzione dei costi di manutenzione. stress internoe una maggiore resistenza agli shock termici.
Tuttavia, un numero eccessivo di pori può avere effetti negativi sul rivestimento, come la riduzione della resistenza alla corrosione, l'aumento della rugosità superficiale e la diminuzione della forza di adesione, della durezza e della resistenza all'usura.
È quindi fondamentale regolare attentamente il numero di pori del rivestimento durante la sua preparazione.
2.Tecnologia di saldatura a spruzzo termico
(1) Principi e caratteristiche della tecnologia della saldatura a spruzzo termico
La tecnologia di saldatura a spruzzo termico è un processo di rafforzamento di una superficie che utilizza il calore per rifondere o fondere parzialmente il materiale di rivestimento e quindi condensarlo sulla superficie del substrato per creare uno strato superficiale con un legame metallurgico con il substrato, noto anche come sinterizzazione.
Rispetto ad altri metodi di trattamento superficiale, la struttura prodotta dalla saldatura a spruzzo termico è densa, con difetti metallurgici minimi e un'elevata forza di legame con il substrato. Tuttavia, ha una gamma limitata di selezione del materiale. La deformazione del substrato è maggiore rispetto alla spruzzatura termica e la composizione dello strato di spruzzatura termica è alterata rispetto alla composizione originale.
(2) Classificazione della tecnologia di saldatura a spruzzo termico
La tecnologia di saldatura a spruzzo termico si divide principalmente in due categorie: saldatura a spruzzo a fiamma e saldatura a spruzzo al plasma.
Saldatura a fiamma: Il processo prevede lo spruzzo di polvere sulla superficie del substrato, quindi il riscaldamento diretto del rivestimento con una fiamma per fondere il rivestimento sulla superficie del substrato. La superficie del substrato viene completamente bagnata e gli elementi si diffondono all'interfaccia formando un forte legame metallurgico. La saldatura a spruzzo con fiamma si caratterizza per la semplicità delle attrezzature e del processo, l'elevata forza di adesione tra il rivestimento e il substrato e la buona resistenza all'erosione del rivestimento.
② Saldatura a spruzzo di plasma: Questo metodo utilizza un arco al plasma come fonte di calore per riscaldare il substrato e formare una pozza fusa sulla superficie. Allo stesso tempo, il polvere per saldatura a spruzzo Il materiale viene introdotto nell'arco di plasma e preriscaldato nella colonna d'arco. La polvere viene quindi spruzzata nel bagno fuso dalla fiamma, si fonde completamente e scarica gas e scorie. Dopo aver rimosso la pistola a spruzzo, il bagno fuso della lega si solidifica formando uno strato di saldatura a spruzzo.
Caratteristiche della saldatura a plasma:
(3) La differenza tra la tecnologia di saldatura a spruzzo termico e la tecnologia di spruzzatura termica:
① Temperatura superficiale del pezzo: La temperatura superficiale del pezzo in lavorazione durante la spruzzatura è inferiore a 250°C, mentre la temperatura durante la saldatura a spruzzo deve essere superiore a 900°C.
② Stato di incollaggio: Il rivestimento a spruzzo è tenuto insieme principalmente attraverso un legame meccanico, mentre lo strato saldato a spruzzo si forma attraverso un legame metallurgico.
③ Materiale della polvere: La saldatura a spruzzo utilizza polveri di leghe autofluenti, mentre non ci sono restrizioni sulle polveri utilizzate nella spruzzatura termica.
④ Struttura del rivestimento: Il rivestimento a spruzzo termico presenta pori, mentre lo strato saldato a spruzzo al plasma è uniforme, compatto e non poroso.
⑤ Capacità di sopportazione: Lo strato saldato a spruzzo al plasma è in grado di sopportare carichi d'urto e sollecitazioni di contatto più elevate.
Tasso di diluizione: Il tasso di diluizione dello strato saldato con plasma spray è compreso tra 5% e 10%, mentre il tasso di diluizione del rivestimento a spruzzo termico è prossimo allo zero.
La tecnologia del rivestimento a conversione chimica prevede la formazione di un film composto stabile sulla superficie del metallo attraverso metodi chimici o elettrochimici.
Questa tecnologia viene utilizzata principalmente per l'anticorrosione e l'abbellimento della superficie dei pezzi e può anche migliorare la resistenza all'usura di questi componenti.
Comporta il contatto tra un metallo specifico e una fase liquida corrosiva, in condizioni specifiche, con conseguente reazione chimica.
Questa reazione, dovuta alla polarizzazione di concentrazione e alla polarizzazione anodo-catodo, crea uno strato di prodotti di corrosione insolubili con una forte adesione sulla superficie del metallo.
Questi film proteggono il metallo di base da sostanze corrosive come l'acqua e possono anche migliorare l'adesione e la resistenza all'invecchiamento dei film di rivestimento organico.
Le due principali forme di tecnologia di conversione dei film utilizzate nella produzione sono il trattamento di fosfatazione e il trattamento di ossidazione.
1.Trattamento di fosfatazione
La fosfatazione è un processo in cui i materiali in acciaio vengono trattati con una soluzione di fosfato per formare una pellicola di fosfato insolubile in acqua. Le fasi del processo sono le seguenti:
Il film di fosfatazione è composto da fosfato di ferro, fosfuro di manganese e fosfato di zinco, tra gli altri, che si presentano come cristalli grigio-bianchi o grigio-neri. La pellicola forma un forte legame con il metallo di base e presenta un'elevata resistività. Rispetto a un film di ossido, il film di fosfatazione presenta una maggiore resistenza alla corrosione.
Il film di fosfatazione offre una buona resistenza alla corrosione in ambienti atmosferici, oleosi e benzenici, ma ha una scarsa resistenza ad acidi, alcali, ammoniaca, acqua di mare e vapore.
I principali metodi di trattamento di fosfatazione sono l'immersione, la spruzzatura e la combinazione di immersione e spruzzatura. In base alla temperatura della soluzione, la fosfatazione viene ulteriormente classificata in fosfatazione a temperatura ambiente, a media temperatura e ad alta temperatura.
Il metodo di impregnazione è ideale per i processi di fosfatazione ad alta, media e bassa temperatura. Questo metodo può gestire pezzi di qualsiasi forma, ottenendo film di fosfatazione di diversi spessori, con attrezzature semplici e qualità stabile.
Lo spesso film di fosfatazione viene utilizzato principalmente per il trattamento anticorrosione del pezzo e per migliorare le proprietà antifrizione della superficie.
Il metodo a spruzzo è adatto ai processi di fosfatazione a media e bassa temperatura ed è ideale per pezzi di grandi dimensioni, come scocche di automobili, frigoriferi, lavatrici e altri oggetti di grandi dimensioni utilizzati come primer di verniciatura o per la lavorazione di deformazioni a freddo. Questo metodo ha tempi di lavorazione brevi e una rapida velocità di formazione del film, ma può produrre solo film di fosfatazione sottili o di medio spessore.
2.OTrattamento di xidazione
(1) Trattamento di ossidazione dell'acciaio
Il trattamento di ossidazione dell'acciaio, noto anche come azzurramento, è un processo che consiste nell'esporre il pezzo di acciaio a una soluzione ossidante per formare un film di Fe3O4 denso e compatto sulla superficie. La pellicola ha uno spessore di circa 0,5-1,5 micrometri.
L'azzurratura di solito non influisce sulla precisione dei pezzi e viene spesso utilizzata per la protezione decorativa di utensili e strumenti. Questo trattamento può migliorare la resistenza alla corrosione della superficie del pezzo, alleviare le tensioni residue, ridurre le deformazioni e migliorare l'aspetto della superficie.
Il metodo più comunemente utilizzato per il trattamento di ossidazione dell'acciaio è quello alcalino. La composizione e le condizioni di processo della soluzione ossidante possono essere selezionate in base ai requisiti del materiale e delle prestazioni del pezzo.
Una soluzione comunemente usata è composta da 500 g/L di idrossido di sodio, 200 g/L di nitrito di sodio e il resto è acqua. La soluzione deve essere trattata per 6-9 minuti a una temperatura di circa 140°C.
(2) Trattamento di ossidazione di alluminio e leghe di alluminio
① Anodizzazione
L'anodizzazione è un metodo in cui il pezzo viene posto in un elettrolita e sottoposto a corrente elettrica per produrre una pellicola di ossido con elevata durezza e forti proprietà di adsorbimento. Gli elettroliti più comunemente utilizzati sono l'acido solforico con una concentrazione da 15% a 20%, l'acido cromico con una concentrazione da 3% a 10% e l'acido ossalico con una concentrazione da 2% a 10%.
Il film anodico può essere trattato con acqua calda per trasformare il film di ossido in allumina contenente acqua, che si chiude per espansione di volume. Può anche essere sigillato con una soluzione di bicromato di potassio per evitare che le sostanze corrosive penetrino nel substrato attraverso le fessure cristalline del film di ossido.
② Ossidazione chimica
L'ossidazione chimica è un metodo in cui il pezzo viene immerso in una soluzione alcalina o acida debole per produrre una pellicola di ossido saldamente legata al substrato di alluminio. Questo metodo è utilizzato principalmente per migliorare la resistenza alla corrosione e all'usura del pezzo, nonché per la decorazione superficiale dell'alluminio e delle leghe di alluminio, come l'alluminio antiruggine per le costruzioni e le pellicole decorative per le insegne.
La tecnologia di deposizione da vapore è una nuova forma di tecnologia di rivestimento che prevede la deposizione di sostanze in fase di vapore contenenti elementi di deposizione sulla superficie di un materiale per formare un film sottile. Questo processo può essere realizzato con metodi fisici o chimici.
In base ai principi alla base del processo di deposizione, la tecnologia di deposizione di vapore può essere classificata in due tipi: deposizione fisica di vapore (PVD) e deposizione chimica di vapore (CVD).
1.Pdeposizione fisica da vapore
La Physical Vapor Deposition (PVD) è una tecnologia che utilizza metodi fisici per vaporizzare i materiali in atomi, molecole o ioni in condizioni di vuoto. Il materiale vaporizzato viene poi depositato sulla superficie di un materiale attraverso un processo in fase gassosa, formando un film sottile.
Esistono tre metodi principali di PVD: evaporazione sotto vuoto, deposizione per sputtering e placcatura ionica.
L'evaporazione sotto vuoto comporta l'evaporazione di materiali filmogeni per vaporizzarli o sublimarli e depositarli sulla superficie di un pezzo. Il metodo di riscaldamento utilizzato dipende dal punto di fusione del materiale da evaporare e può includere il riscaldamento a resistenza, il riscaldamento a fascio di elettroni o il riscaldamento laser. L'evaporazione sottovuoto ha il vantaggio della semplicità delle attrezzature e del processo, ma la bassa energia cinetica delle particelle vaporizzate porta a un legame debole tra il rivestimento e il substrato, con conseguente scarsa resistenza agli urti e all'usura.
La deposizione per sputtering prevede la ionizzazione dell'argon sotto vuoto per formare ioni di argon che vengono accelerati e bombardano un catodo. Le particelle sputate vengono depositate sulla superficie del pezzo, formando un film. Questo metodo ha il vantaggio di un'ampia gamma di materiali applicabili e di una buona capacità di lancio, ma presenta anche gli svantaggi di una bassa velocità di deposizione e di attrezzature costose.
La placcatura ionica utilizza la tecnologia a scarica di gas sotto vuoto per ionizzare gli atomi evaporati e depositarli sulla superficie di un pezzo, insieme a particelle neutre ad alta energia. Questo metodo consente di ottenere rivestimenti di alta qualità con forte adesione, buona capacità di livellamento e velocità di deposizione. Tuttavia, le apparecchiature utilizzate per la placcatura ionica sono complesse e costose.
La PVD ha un'ampia gamma di materiali di base e di film applicabili ed è un processo semplice che consente di risparmiare materiale e non inquina. Il film risultante ha una forte adesione, uno spessore uniforme e pochi fori di spillo. La PVD è ampiamente utilizzata in settori quali macchinari, aerospaziale, elettronico, ottico e dell'industria leggera per preparare film resistenti all'usura, alla corrosione, al calore, conduttivi, isolanti, ottici, magnetici, piezoelettrici e superconduttori.
2. Deposizione di vapore chimico
La deposizione chimica da vapore (CVD) è un processo in cui una miscela di gas interagisce con la superficie di un substrato a una temperatura specifica, dando luogo alla formazione di un film metallico o composto sulla superficie del substrato.
Di seguito sono elencate alcune delle caratteristiche principali della CVD:
Grazie alla buona resistenza all'usura, alla corrosione, alla resistenza al calore e alle proprietà speciali in campo elettrico e ottico, la CVD è stata ampiamente utilizzata in settori quali la produzione di macchinari, l'aerospaziale, i trasporti e la chimica del carbone.
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