Imagine se todas as peças de maquinário, desde as ferramentas mais simples até os motores mais complexos, de repente começassem a falhar. A causa? Corrosão, abrasão e outros danos à superfície. Este blog se aprofunda no fascinante mundo da engenharia de superfícies metálicas, explorando técnicas para aumentar a durabilidade e o desempenho das superfícies metálicas. Do reforço de superfícies a tratamentos avançados com plasma e laser, descubra como esses métodos protegem e prolongam a vida útil de componentes essenciais. Saiba como essas inovações podem economizar tempo, dinheiro e recursos para os setores, mantendo o maquinário funcionando de forma suave e eficiente.
Fenômenos e mudanças na superfície são frequentes na natureza. Na engenharia, quase todas as peças entram em contato com o ambiente, e é a superfície dessas peças que fica diretamente exposta ao ambiente.
Durante a interação com o ambiente, a superfície pode sofrer corrosão, abrasão, oxidação e erosão, o que pode levar a danos ou falhas nos componentes. Como resultado, a superfície atua como a primeira linha de defesa contra falhas no equipamento.
A engenharia de superfície envolve o aprimoramento da morfologia e da composição química de superfícies sólidas metálicas ou não metálicas por meio do fortalecimento, da modificação ou de uma combinação de técnicas de engenharia de superfície, depois de passar por um pré-tratamento de superfície. O objetivo da engenharia de superfície é projetar sistematicamente a estrutura da organização e o estado de estresse para obter as propriedades de superfície desejadas.
O reforço por deformação da superfície envolve a criação de uma deformação por compressão na superfície do metal por meios mecânicos, como laminação ou shot peening, resultando em uma camada endurecida na superfície. Essa camada pode ter uma profundidade de 0,15 a 1,5 mm.
Os principais métodos de reforço da deformação da superfície incluem o tiro descascamentotecnologia de laminação de superfície e fortalecimento da extrusão de furos.
Durante o processo de compressão, ocorrem duas mudanças na camada endurecida por deformação:
(1) Em termos de estrutura organizacional, a densidade de deslocamento na camada de reforço é muito alta, e a estrutura cristalina é severamente distorcida. Quando a tensão alternada é aplicada, os deslocamentos com sinais opostos se cancelam quando colidem, e os deslocamentos com o mesmo sinal são reorganizados. Isso resulta em uma diminuição da densidade de deslocamento na camada de reforço, enquanto subgrãos mais finos se formam gradualmente.
(2) Em termos de estado de tensão, devido ao grau desequilibrado de deformação do metal entre a camada superficial e a camada interna, quando o metal na camada superficial é estendido plasticamente para a área circundante, ele é impedido pelo metal da camada interna, o que leva a uma maior tensão macroscópica. tensão residual na camada de reforço.
1. Shot peening fortalecimento
O shot peening, também conhecido como shot peening controlado, é um processo no qual um fluxo de projéteis de alta velocidade é direcionado à superfície de uma peça, causando deformação plástica e formando uma camada reforçada de uma espessura específica.
Como a superfície da peça sofre tensão de compressão, parte dessa tensão pode ser compensada quando a peça está sob carga, melhorando assim sua resistência à fadiga. O Shot peening é ilustrado na Figura 1.
Figura 1 Diagrama esquemático do processo de reforço por shot peening
À temperatura ambiente, projéteis pequenos e duros são direcionados em alta velocidade para a superfície da peça de trabalho, causando deformação elástica e plástica na temperatura de recristalização. Isso resulta em uma grande tensão de compressão residual, como visto na Figura 2.
Cada granalha de aço cria pequenas reentrâncias ou depressões na superfície do metal ao atingir a peça, semelhante a uma haste em miniatura atingindo a superfície. Para formar essas depressões, a camada superficial do metal deve ser esticada.
Sob a camada superficial, os grãos comprimidos tentam restaurar a superfície à sua forma original, criando um hemisfério sob alta compressão. A sobreposição de várias dessas depressões forma uma camada uniforme de tensão compressiva residual, melhorando assim a resistência à fadiga da superfície e a resistência à corrosão sob tensão.
Figura 2 Deformação plástica da superfície de shot peening
O Shot peening também pode ser usado para remover pele de óxido, ferrugem, areia e verniz antigo de produtos metálicos com espessura de 2 mm ou menos, ou de peças fundidas e forjadas que não precisam manter dimensões e formas precisas, servindo como um método de limpeza da superfície antes do revestimento ou galvanização.
O shot peening é um processo de tratamento a frio amplamente utilizado para aprimorar as propriedades antifadiga de peças metálicas que são submetidas a altas tensões por longos períodos, como lâminas de compressores de motores de aeronaves, peças estruturais da fuselagem e componentes do setor automotivo. sistema de transmissão.
O shot peening é dividido em shot peening comum e shot peening supersônico de superfície com base na velocidade dos projéteis. A velocidade do projétil da pistola de pulverização supersônica é de 300 a 500 m/s e, à medida que a peça gira, o shot peening pode ser realizado em toda a sua superfície.
(1) Equipamento para shot peening
A máquina de shot peening pode ser classificada em duas categorias: máquina de shot peening centrífuga mecânica e máquina de shot peening pneumática, com base no método de acionamento da granalha.
Além disso, as máquinas de shot peening podem ser de spray seco ou spray úmido.
As condições de trabalho da máquina de shot peening por spray seco são desfavoráveis, enquanto a máquina de shot peening por spray úmido melhora as condições ao misturar os projéteis em suspensão antes de pulverizá-los.
① A máquina mecânica centrífuga de shot peening opera acelerando os projéteis sob a ação da força centrífuga devido à rotação de alta velocidade da lâmina e do impulsor.
No entanto, esse tipo de máquina de shot peening tem potência de peening limitada e altos custos de produção. Ela é usada principalmente para peças com alta resistência ao peening, variedade limitada, lotes grandes, formas simples e tamanhos grandes, conforme ilustrado na Figura 3.
Figura 3 Máquina mecânica centrífuga de shot peening
② A máquina pneumática centrífuga de shot peening utiliza ar comprimido como força motriz para impulsionar os projéteis em alta velocidade. Os projéteis, então, impactam a superfície da peça de trabalho, obtendo o efeito desejado de shot peening.
Essa máquina tem a vantagem de ter pressão de ar ajustável, o que permite um controle flexível da intensidade do shot peening. Além disso, ela pode lidar com várias peças ao mesmo tempo.
Essa máquina é mais adequada para peças com baixa resistência ao shotpeening, formas e tamanhos diversos, lotes pequenos e geometrias complexas. No entanto, é importante observar que ela tem alto consumo de energia e baixa produtividade, conforme ilustrado na Figura 4.
Figura 4 Máquina centrífuga pneumática de shot peening
(2) Tipos de projéteis
Pastilhas de corte de arame: O fio comumente usado tem uma faixa de diâmetro de 0,4 mm a 1,2 mm e uma dureza de 45 a 50 HRC. O melhor método de têmpera é M ou B.
Granulados de aço fundido: O tamanho dos pellets varia de 0,2 mm a 1,5 mm. Depois de recozimentoA dureza varia de 30 a 57 HRC. Embora seja frágil e tenha uma alta taxa de consumo, seu preço é baixo. A qualidade da granalha de aço fundido está relacionada à sua teor de carbonoque geralmente varia de 0,85% a 1,2%, e seu teor de manganês, que varia de 0,65% a 1,2%.
Granalha de vidro: Consiste em SiO2 60% e tem uma dureza de 46 a 50 HRC. É altamente frágil, o que a torna adequada para aplicações em que as peças têm uma dureza menor do que a da granalha.
Granalha de cerâmica: Possui alta dureza e alta fragilidade, e é possível obter alta tensão compressiva residual após o jateamento.
Granalha líquida: Esse tipo de granalha contém partículas de SiO₂ e partículas de Al₂O₃. As partículas de SiO₂ são misturadas com água e impulsionadas por ar comprimido durante o processo de jateamento.
2.Tecnologia de laminação de superfície
A laminação de superfície é uma tecnologia que envolve o uso de esferas ou rolos de laminação para aplicar pressão à superfície de uma peça processada. Essa pressão resulta em deformação plástica, que forma uma camada de reforço na superfície da peça. Esse processo está representado na Figura 5.
Fig. 5 Diagrama esquemático do reforço do rolo de superfície
A profundidade da camada modificada criada pela tecnologia de laminação de superfície pode chegar a mais de 5 mm, o que a torna ideal para peças planas com formas simples, eixos e ranhuras, mas não pode ser usada em peças complexas.
A tecnologia de laminação de superfície oferece inúmeros benefícios inigualáveis. Por exemplo, ela altera apenas o estado físico do material sem mudar sua composição química. Além disso, a tecnologia usa ferramentas e processos simples, o que leva a uma alta eficiência de processamento.
Como uma tecnologia de processamento sem corte, a tecnologia de laminação não produz resíduos de cavacos ou líquidos, o que a torna ecologicamente correta e alinhada com o conceito de "fabricação verde".
Além disso, a tecnologia elimina a tensão de tração causada pelo corte e coloca a superfície da peça em um estado de tensão compressiva. Essa tensão compressiva residual pode evitar a expansão de rachaduras e melhorar a vida útil da peça.
Em conclusão, essa tecnologia foi amplamente adotada em vários setores e gerou benefícios econômicos substanciais.
(1) Mecanismo
① Mecanismo de microestrutura:
Após o corte, a superfície do metal fica com marcas de corte da ferramenta. Em um nível microscópico, observa-se que a superfície do metal é irregular. O processamento de laminação é um tipo de acabamento por pressão, e a superfície do metal sofre uma forte deformação plástica sob a pressão da placa.
De acordo com as teorias de materiais de engenharia, o mecanismo básico da deformação plástica do metal é o deslizamento, que ocorre quando o cristal desliza em relação a outra peça ao longo de um determinado plano e direção do cristal. Sob força externa, o cristal continua a deslizar, e os grãos de cristal giram gradualmente da orientação macia para a orientação dura durante o processo de deformação. Os grãos são interligados, impedindo a deformação de cada grão.
Como a maioria dos metais usados na indústria é policristalina, eles podem suportar deformações plásticas significativas sem serem danificados. O deslizamento contínuo dos grãos de cristal no metal aumenta a densidade de deslocamento e a distorção da estrutura cristalina. Os deslocamentos com sinais opostos se cancelam mutuamente, enquanto os deslocamentos com o mesmo sinal são reorganizados em subgrãos menores. Quanto mais finos forem os grãos de cristal, maior será a densidade de deslocamento, resultando em maior deformação e dispersão.
Isso significa que é difícil produzir concentrações locais de tensão, o que melhora a resistência ao escoamento e o desempenho à fadiga do metal laminado material.
② Mecanismo de qualidade da superfície:
A qualidade da superfície do metal é geralmente medida pela sua rugosidade, que é uma das principais causas da concentração de tensão. Uma superfície áspera tem maior probabilidade de formar cortes afiados, causando concentração de tensão e tornando-a uma fonte comum de fadiga.
Sob tensão alternada, a concentração de tensão promove a formação e a propagação de trincas por fadiga. Quanto mais áspera for a superfície e mais afiada for a ponta da incisão, mais grave será a concentração de tensão.
O reforço por laminação envolve o uso do efeito de laminação do rolo na superfície da peça de trabalho para provocar o fluxo de plástico no metal da superfície e preencher as cavidades côncavas baixas originais, reduzindo a rugosidade da superfície da peça de trabalho e eliminando as marcas residuais da ferramenta. Isso reduz a concentração de tensão e melhora a vida útil da peça à fadiga.
③ Mecanismo de estresse compressivo residual:
Já na década de 1930, descobriu-se que a tensão compressiva residual na superfície de uma peça poderia prolongar sua vida útil à fadiga. A propagação de trincas na superfície de materiais metálicos ocorre quando a carga alternada aplicada atinge um determinado limite, que é quando a intensidade da tensão atinge a intensidade crítica de tensão do próprio material.
A laminação pode reduzir as microfissuras originais na superfície e gerar tensão compressiva residual, aumentando, assim, a vida útil das peças à fadiga.
(2) Parâmetros do processo que afetam o efeito de laminação
Os principais parâmetros do processo que afetam o resultado da laminação da superfície são: pressão de laminação, número de rolos e velocidade de laminação.
A pressão de laminação refere-se à força aplicada pelo rolo na superfície da peça de trabalho e tem um impacto significativo em sua resistência à fadiga. No entanto, as pesquisas atuais sobre esse assunto são limitadas e não há uma fórmula matemática precisa para calcular a pressão de laminação ideal. Ela também é influenciada por fatores como a resistência da peça, seu tamanho e o diâmetro do rolo. Na prática, a melhor pressão de laminação é determinada por tentativa e erro.
O número de rolos refere-se ao número de vezes que o rolo pressiona o mesmo local na peça de trabalho e tem um impacto significativo na resistência à fadiga da peça de trabalho. Se o número de rolos for muito baixo, a superfície da peça de trabalho poderá não atingir a deformação plástica desejada. Se o número de rolos for muito alto, a peça poderá sofrer fadiga por contato e, em casos graves, a superfície poderá se deteriorar gravemente.
A velocidade de laminação é a velocidade de rotação da peça de trabalho durante o processo de laminação e tem pouco efeito sobre sua resistência à fadiga, mas afeta a eficiência do processo de laminação. Se a velocidade for muito alta, poderá causar deformação plástica excessiva e, se for muito lenta, poderá reduzir a eficiência da produção. Na produção, é essencial determinar a velocidade de laminação adequada com base nas condições específicas.
(3) Reforço de extrusão de furos
A extrusão de furos é um processo de reforço de superfície que envolve o uso de ferramentas específicas, como hastes, buchas e matrizes, para aplicar pressão de forma gradual e consistente nas paredes ou na periferia de um furo em uma peça de trabalho. Esse processo resulta na formação de uma camada de deformação plástica de uma espessura específica, que melhora a resistência à fadiga e à corrosão por estresse da superfície.
Há vários métodos comumente usados para extrusão de furos, incluindo extrusão de haste, extrusão de bucha, extrusão de matriz de estampagem e extrusão de fiação, conforme ilustrado na Figura 6.
Figura 6 Método de processo de reforço por extrusão de furos
O reforço por extrusão de furos é usado principalmente para peças que exigem maior resistência à fadiga em seus furos internos e que não podem ser obtidas por outros métodos, como componentes críticos em aviões.
A extrusão por matriz de impressão é ideal para reforçar peças críticas de rolamentos, como componentes grandes e revestimentos, enquanto a extrusão por fiação é mais adequada para melhorar os furos internos de componentes grandes, como trens de pouso.
O plasma é uma mistura de elétrons livres e íons que age como um gás ionizado e é amplamente neutro. A tecnologia de tratamento térmico químico por plasma, também conhecida como tecnologia de difusão de plasma (PDT) ou tecnologia de difusão por bombardeio de partículas, usa íons produzidos por meio de descarga de gás incandescente em um ambiente de baixo vácuo para bombardear a superfície da peça de trabalho e alterar sua composição, estrutura e desempenho.
Em comparação com a tecnologia tradicional de difusão térmica de gás, a difusão térmica de íons tem várias vantagens:
(1) A pulverização por bombardeio de íons remove a película de oxigênio (passivação) ou as impurezas da superfície da peça de trabalho, melhorando assim sua atividade superficial e facilitando a absorção dos elementos infiltrados. Isso acelera a taxa de difusão térmica.
(2) O plasma pode ativar o gás de reação e diminuir a temperatura da reação química.
(3) A estrutura da camada expandida por calor e sua espessura podem ser controladas com o ajuste dos parâmetros do processo.
(4) É um processo ecologicamente correto que não polui o meio ambiente.
O plasma pode ser dividido em plasma de alta temperatura e plasma de baixa temperatura. Exemplos de plasma de baixa temperatura incluem a aurora, lâmpadas fluorescentes, arcos elétricos e lâmpadas de tungstênio com iodo, enquanto a fusão e o núcleo solar pertencem ao plasma de alta temperatura.
No plasma de baixa temperatura (também conhecido como plasma sem equilíbrio), a temperatura das partículas pesadas está próxima da temperatura normal, enquanto a temperatura dos elétrons é tão alta quanto 10³ a 10⁴K.
A transformação de um gás de isolante em condutor é chamada de descarga de gás e requer uma certa intensidade de campo elétrico e a presença de partículas carregadas no gás. Em um campo elétrico, as partículas carregadas se movem em um movimento direcional, levando a uma série de mudanças físicas e químicas entre as partículas carregadas e os átomos de gás e entre as partículas carregadas e os eletrodos. Isso resulta de colisões entre partículas carregadas que causam excitação e ionização do gás.
A colisão faz com que os elétrons nos átomos passem de seu nível de energia normal para um nível de energia mais alto, resultando em um átomo metaestável excitado. Quando o elétron excitado retorna ao seu estado fundamental, ele libera energia na forma de fótons (brilho). Se a energia do impacto da partícula carregada for grande o suficiente, ela pode derrubar um elétron do átomo, causando ionização.
1. O mecanismo da nitretação iônica
(1) Modelo de nitretação por sputtering de íons de Kolbel
Os íons de nitrogênio de alta energia atingem o cátodo, causando a pulverização dos átomos de Fe de sua superfície. Os átomos de Fe reagem com os átomos de N para formar FeN, que é redepositado na superfície da peça de trabalho (retroespalhamento).
O FeN metaestável sofre decomposição na seguinte sequência: FeN → Fe₂-₃N → Fe₄N. Durante esse processo, os átomos de N decompostos penetram na superfície ou quase superfície do aço.
Simultaneamente, uma camada nitretada de Fe₂-₃N (fase ε) e Fe₄N (fase γ') é formada na superfície do aço, de fora para dentro, conforme mostrado na Figura 7.
Figura 7 Modelo de nitretação por sputtering de íons de Kolbel
(2) Novo modelo de nitretação iônica
Um diagrama do novo modelo de nitretação iônica de corrente contínua (CC) pode ser encontrado na Figura 8, e o projeto do dispositivo de nitretação iônica está representado na Figura 9.
Figura 8 Novo modelo de nitretação iônica DC
Figura 9 Diagrama esquemático do dispositivo de nitretação iônica
2. Processo de nitretação iônica
(1) A peça de trabalho limpa deve ser colocada no forno de nitretação iônica e aspirada a uma pressão de aproximadamente 1Pa.
(2) Uma pequena quantidade de gás rico em nitrogênio deve ser introduzida, e a fonte de alimentação de alta tensão CC deve ser ativada para fazer com que o gás brilhe e descarregue.
(3) A superfície da peça de trabalho deve ser pulverizada e limpa.
(4) A pressão do ar e a tensão devem ser ajustadas, a peça de trabalho deve ser aquecida até a temperatura de processamento necessária e a nitretação deve ser iniciada.
(5) A peça de trabalho deve ser mantida na temperatura necessária por um período específico para atingir a espessura desejada da camada de nitretação.
(6) Após o corte de energia, a peça de trabalho deve ser resfriada a menos de 200°C em um ambiente a vácuo. A superfície da peça nitretada terá uma aparência cinza-prateada.
3. Tipos de tecido e fatores de influência da nitretação iônica
A nitretação é realizada em uma faixa de temperatura inferior a 590°C (a temperatura eutectoide). À medida que o teor de nitrogênio aumenta, a estrutura da camada nitretada muda do exterior para o interior, como segue: ε → ε + γ' → γ' + camada de difusão → α camada de difusão, conforme ilustrado na Figura 10.
Fig. 10 Morfologia da estrutura da superfície do aço 38CrMoAl após a nitretação (560℃×5h)
Os principais fatores que afetam a camada de nitretação iônica são os seguintes:
(1) Temperatura de nitretação: A espessura da camada de nitretação aumenta com o aumento da temperatura.
(2) Tempo de nitretação: Durante o estágio inicial da nitretação (<30 minutos), a taxa de nitretação é muito mais rápida em comparação com nitretação a gás. Com o passar do tempo, a taxa de infiltração diminui e, por fim, atinge a taxa de nitretação de gás.
(3) Gás nitrogênio: Os gases de nitrogênio comumente usados incluem amônia, nitrogênio + hidrogênio, etc.
(4) Pressão, tensão e densidade de corrente do gás nitrogênio:
4. O desempenho da camada de nitretação iônica
O desempenho da camada de nitretação iônica é avaliado principalmente com base nos seguintes indicadores:
(1) Dureza: A dureza da camada de nitretação é determinada pela temperatura de nitretação, pelo tipo de elementos de liga presentes no aço e pela tipo de aço.
(2) Resistência à fadiga: A nitretação pode aumentar a resistência à fadiga da peça de trabalho, e ela aumenta com a espessura da camada de difusão.
(3) Resistência: Na camada nitretada, a camada de difusão tem a maior tenacidade, seguida pela camada composta de fase única (fase ε ou fase γ'), e a fase mista γ' + ε tem a menor tenacidade.
(4) Resistência ao desgaste: Em comparação com outros métodos de nitretação, a nitretação iônica oferece a melhor resistência ao desgaste contra o atrito de rolamento.
O processo de nitretação iônica dos tipos de aço comumente usados é apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 Processo de nitretação iônica de tipos de aço comumente usados
| Grau de aço | Parâmetros do processo | Dureza da superfície (HV0.1) | Composto profundidade da camada (µm) | Profundidade total do revestimento (mm) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatura (oC) | Tempo (h) | Pressão (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 |
A tecnologia de tratamento de superfície a laser envolve a utilização de características do laser para processar a superfície de um material e formar uma camada de tratamento de espessura específica. Isso leva a melhorias significativas nas propriedades mecânicas, metalúrgicas e físicas da superfície do material. Como resultado, melhora a resistência ao desgaste, à corrosão e à fadiga de peças e partes de trabalho, tornando-a uma tecnologia de tratamento de superfície eficiente e bem estabelecida.
1. Recursos
(1) O tratamento com feixe de laser resulta em alta uniformidade química na superfície do material, grãos de cristal finos e maior dureza da superfície. Isso resulta em maior resistência ao desgaste e alto desempenho da superfície sem sacrificar a tenacidade.
(2) O processo tem baixa entrada de calor e mínima deformação térmica.
(3) Apresenta alta densidade de energia e um rápido tempo de processamento.
(4) O tratamento pode ser aplicado a partes específicas, como furos profundos, ranhuras e outras áreas complexas que podem ser alcançadas pelo laser.
(5) O processo não requer vácuo nem resulta em poluição química.
(6) Durante o tratamento, a camada superficial sofre transformação em martensita e retém a tensão compressiva residual, o que aumenta sua resistência à fadiga.
2. Equipamento de tratamento de superfície a laser
O equipamento de tratamento de superfície a laser inclui:
3. O princípio e as características da tecnologia de tratamento de superfície a laser
Um laser é um tipo de onda eletromagnética que tem a mesma fase, um comprimento de onda específico e uma forte qualidade direcional. O feixe de laser é controlado por uma série de espelhos e lentes, o que permite que ele seja focalizado em um feixe com diâmetro pequeno (até 0,1 mm) e alta densidade de potência (variando de 10⁴ a 10⁹W/cm²).
A interação entre o laser e o metal pode ser dividida em vários estágios com base na intensidade do laser e na duração da radiação, incluindo: absorção do feixe de luz, transferência de energia, alteração da estrutura do metal e resfriamento por ação do laser.
A tecnologia de tratamento de superfície a laser usa um feixe de laser de alta densidade de potência para aquecer a superfície do material sem contato, contando com a condutividade térmica da superfície para resfriar e obter o fortalecimento da superfície.
Essa tecnologia oferece várias vantagens para o processamento de materiais:
4. O tipo de tecido após o tratamento de superfície a laser
O processo de aquecimento a laser é incrivelmente rápido, levando a um alto grau de superaquecimento durante o processo de mudança de fase. Isso resulta em uma alta taxa de nucleação de núcleos de cristal.
Devido ao curto tempo de aquecimento, a difusão de átomos de carbono e o crescimento de grãos são limitados, levando a menores austenita grãos.
A taxa de resfriamento também é mais rápida do que com qualquer agente de têmpera, facilitando a obtenção de uma agulha oculta ou agulha fina estrutura de martensita.
O tipo de tecido formado na superfície do aço tratado com o feixe de laser pode ser determinado por observação.
O aço de baixo carbono pode ser dividido em duas camadas: a camada externa é uma zona completamente temperada com uma agulha oculta estrutura de martensitaenquanto a camada interna é uma área não completamente temperada que retém ferrita.
O aço carbono médio tem quatro camadas: a camada externa é uma martensita agulha oculta branca e brilhante com uma dureza de 800HV, que é mais de 100 vezes superior à dureza geral de têmpera. A segunda camada é uma combinação de martensita de agulha oculta e uma pequena quantidade de troostita, com uma dureza ligeiramente inferior. A terceira camada é uma combinação de martensita de agulha oculta, troostita de malha e uma pequena quantidade de ferrita. A quarta camada é composta de martensita de agulha criptografada e uma malha de ferrita completa.
Aço de alto carbono também tem duas camadas: a camada externa é de martensita criptográfica e a camada interna é uma combinação de martensita criptográfica e carbonetos não dissolvidos.
O ferro fundido pode ser dividido em três camadas: a camada superficial é composta de cristais dendríticos de fusão e solidificação e diminui com o aumento da velocidade de escaneamento. A segunda camada é a estrutura eutética da martensita de criptoneedro e uma pequena quantidade de grafite e fósforo residuais. A terceira camada é a martensita formada em uma temperatura mais baixa.
5. A classificação da tecnologia de tratamento de superfície a laser
(1) Endurecimento por transição de fase a laser
O endurecimento por transição de fase a laser, também conhecido como resfriamento a laser, envolve o uso de um feixe de laser de alta densidade de energia para irradiar a superfície da peça de trabalho. A área-alvo absorve instantaneamente a energia da luz e a converte em calor, causando um aumento acentuado na temperatura da zona de ação do laser e uma rápida mudança no tipo de estrutura para austenita. Após um rápido processo de resfriamento, o resultado é uma martensita muito fina e outras estruturas.
A seguir estão as principais características do Laser Quenching:
(2) Revestimento de superfície a laser
O Laser Surface Cladding é um processo de aprimoramento da resistência da superfície por meio do aquecimento rápido e da fusão da liga ou do pó cerâmico e da superfície do substrato com um feixe de laser. O feixe é então removido, permitindo que o material esfrie e se solidifique.
A seguir estão suas principais características:
(3) Liga de superfície a laser
A liga de superfície a laser é um processo que envolve a fusão rápida e a mistura de uma fina camada do material de base com elementos de liga externos usando um feixe de laser de alta energia. Isso resulta na formação de uma camada de fusão de superfície com uma espessura que varia de 10 a 1.000 μm.
A taxa de resfriamento da camada fundida durante a solidificação pode ser de 10⁵ a 10⁸ ℃/s, comparável à taxa de resfriamento obtida por meio da tecnologia de resfriamento.
Além disso, os fenômenos físicos de difusão e tensão superficial no líquido da camada fundida resultam na formação de uma camada de liga superficial de profundidade e composição química predeterminadas em um curto período de tempo de 50 μs a 2 ms.
A principal vantagem do processo de liga de superfície a laser é que as mudanças na composição, na estrutura e no desempenho ocorrem somente na zona de fusão e em uma pequena zona afetada, minimizando o efeito térmico na matriz e minimizando a deformação. Esse processo atende aos requisitos de uso da superfície sem sacrificar as características estruturais gerais.
A profundidade da fusão é controlada por meio de ajustes em potência do laser e tempo de irradiação. Uma camada de liga de superfície com espessura de 0,01 a 2 mm pode ser formada no metal base.
Devido à alta taxa de resfriamento, a segregação é minimizada e os grãos de cristal são significativamente refinados.
(4) Endurecimento por choque a laser
Quando um feixe de laser de alto pico e alta densidade de potência com duração de pulso de dezenas de nanossegundos é direcionado a um alvo de metal, a superfície do metal absorve a energia do laser e se vaporiza instantaneamente, resultando em um plasma de alta temperatura e alta pressão.
Quando o plasma é confinado por uma camada de confinamento, ele gera uma onda de choque de pressão de alta intensidade que impacta a superfície do metal e, em seguida, se propaga para dentro do metal.
Quando a pressão de pico da onda de choque excede a pressão dinâmica de resistência ao escoamento do material, ele causa endurecimento por deformação na superfície do material, deixando para trás uma grande tensão de compressão no material.
Esse processo é conhecido como reforço por choque a laser, que também é chamado de shot peening a laser. Ele tem as vantagens de uma camada profunda de influência de deformação, área e pressão de impacto controláveis, impacto mínimo sobre rugosidade da superfíciee fácil automação.
Em comparação com o shot peening, o tratamento de choque a laser pode resultar em uma camada de tensão compressiva residual que é de 2 a 5 vezes mais profunda, chegando a 1 mm.
Por outro lado, as técnicas de reforço, como extrusão e reforço por impacto, só podem ser aplicadas a superfícies planas ou de formato regular.
Além disso, o reforço por choque a laser pode preservar a rugosidade da superfície e a precisão dimensional da área reforçada.
(5) Amorfização da superfície do laser
A amorfização de superfície a laser é o processo que utiliza as condições de resfriamento rápido de uma poça de fusão gerada a laser para formar uma camada amorfa especial na superfície de determinadas ligas.
Em comparação com outros métodos de amorfização, a amorfização a laser pode produzir uma grande área de camada amorfa na superfície da peça de trabalho e também pode expandir a composição da camada amorfa.
O processo de aumentar a temperatura da superfície de um material e alterar sua composição e estrutura para melhorar seu desempenho por meio do uso de feixes de elétrons de alta energia é chamado de Tratamento de Superfície por Feixe de Elétrons.
Ele emprega elétrons de alta velocidade em um campo elétrico como portadores de energia, e o feixe de elétrons pode ter uma densidade de energia de até 10⁹W/cm².
A seguir, os principais recursos do Tratamento de Superfície por Feixe de Elétrons:
1. O princípio da tecnologia de tratamento de superfície por feixe de elétrons
O feixe de elétrons é um fluxo de elétrons de alta energia gerado por um filamento catódico.
À medida que o feixe de elétrons carregado negativamente viaja em direção ao eletrodo positivo de alto potencial em alta velocidade, ele é acelerado por um acelerador e focalizado por uma lente eletromagnética, aumentando a potência do feixe.
Após a segunda focalização, sua densidade de energia se torna altamente concentrada, fazendo com que ela se dirija a uma pequena área na superfície da peça de trabalho em alta velocidade.
A maior parte da energia cinética transportada pelo feixe de elétrons é transformada em energia térmica, fazendo com que a parte impactada da superfície do material suba rapidamente a vários milhares de graus Celsius em uma fração de microssegundo. Isso faz com que o material derreta ou vaporize instantaneamente.
2. Equipamento para tecnologia de tratamento de superfície por feixe de elétrons
O equipamento de tecnologia de tratamento de superfície por feixe de elétrons é composto por cinco sistemas:
3. Recursos da tecnologia de tratamento de superfície por feixe de elétrons
① A peça de trabalho é aquecida em uma câmara de vácuo, resultando em nenhuma oxidação ou descarburação. O processo de fortalecimento da mudança de fase da superfície não requer um meio de resfriamento. Em vez disso, com base no comportamento de resfriamento da própria matriz, é possível obter o "fortalecimento da superfície verde".
② O feixe de elétrons tem uma taxa de conversão de energia de aproximadamente 80% a 90%, o que permite energia concentrada e alta eficiência térmica. Isso possibilita o fortalecimento da transformação de fase local e a formação de ligas na superfície.
③ O calor concentrado do feixe de elétrons resulta em um pequeno ponto de ação de calor e estresse térmico mínimo durante o aquecimento. Além disso, a camada endurecida rasa leva a um estresse estrutural mínimo e a uma distorção de fortalecimento da transformação da superfície.
④ O custo do equipamento de tratamento de superfície por feixe de elétrons é menor do que o do equipamento a laser, com uma entrada única de menos de 1/3 dos custos do laser, e o custo do tratamento por feixe de elétrons é apenas a metade do custo do tratamento a laser.
⑤ A estrutura do equipamento é simples, com o feixe de elétrons sendo girado e escaneado por meio de deflexão magnética. Não há necessidade de rotação da peça de trabalho, movimento ou mecanismos de transmissão de luz.
⑥ O tratamento de superfície por feixe de elétrons tem uma ampla gama de aplicações e pode ser usado para o tratamento de superfície de vários materiais, incluindo aço e ferro fundido, bem como para peças com formatos complexos.
⑦ Os feixes de elétrons são facilmente excitáveis e podem produzir raios X, por isso é importante tomar cuidado para se proteger contra eles durante o uso.
4. A classificação da tecnologia de tratamento de superfície por feixe de elétrons
A classificação da tecnologia de tratamento de superfície por feixe de elétrons é mostrada na Figura 11.
Figura 11 Classificação das tecnologias de tratamento de superfície por feixe de elétrons
(1) Reforço da mudança de fase da superfície do feixe de elétrons
Para metais submetidos à transformação martensítica, o sucesso do processo está no controle dos parâmetros. A densidade de potência média do feixe de elétrons deve estar entre 10⁴ e 10⁵ W/cm², enquanto a taxa de aquecimento deve variar de 10³ a 10⁵ ℃/s. A taxa de resfriamento deve atingir de 10⁴ a 10⁶ ℃/s.
A rápida fusão do feixe de elétrons cria uma solução sólida supersaturada, fortalecendo o material e formando martensita ultrafina. Isso aumenta a dureza do material e deixa uma tensão compressiva residual na superfície, melhorando assim a resistência ao desgaste.
(2) Tratamento de refusão de superfície com feixe de elétrons
A refusão por feixe de elétrons tem a capacidade de redistribuir os elementos químicos das ligas e reduzir a microssegregação de determinados elementos, resultando em um melhor desempenho da superfície da peça de trabalho.
Além disso, como o processo de refusão é conduzido em um ambiente a vácuo, ele ajuda a evitar a oxidação da superfície.
Como resultado, a refusão por feixe de elétrons é um tratamento ideal para a melhoria da superfície de magnésio quimicamente ativo e ligas de alumínio.
(3) Liga de superfície por feixe de elétrons
Normalmente, elementos como o tungstênio (W), titânio (Ti), boro (B), molibdênio (Mo) e seus carbonetos são selecionados como elementos de liga para aumentar a resistência ao desgaste dos materiais.
A adição de elementos como o níquel (Ni) e o cromo (Cr) pode melhorar a resistência à corrosão do material.
Além disso, a combinação adequada de elementos como cobalto (Co), níquel (Ni), silício (Si) e outros pode aumentar o efeito geral da liga.
(4) Tratamento de amorfização da superfície do feixe de elétrons
Ao aumentar a densidade de potência média do feixe de elétrons para uma faixa de 10⁶ a 10⁷ W/cm² e reduzir o tempo de exposição para aproximadamente 10-⁵ segundos, é possível criar um gradiente de temperatura substancial entre o substrato e a superfície fundida do metal.
Depois que a irradiação do feixe de elétrons é interrompida, a taxa de resfriamento da superfície metálica, de 10⁷ a 10⁹ s-¹, excede significativamente a taxa de resfriamento nos processos convencionais de preparação amorfa, que está na faixa de 10³ a 10⁶ s-¹.
Como resultado, a estrutura amorfa obtida é densa e apresenta excelente resistência à fadiga e à corrosão.
(5) Recozimento da camada fina da superfície do feixe de elétrons
Quando o feixe de elétrons é utilizado como fonte de calor para recozimento de uma camada fina na superfície, a densidade de potência necessária é muito menor do que a exigida pelo método anterior, resultando em uma taxa de resfriamento mais lenta do material.
Esse método é usado principalmente para o tratamento de superfície de tiras finas feitas de materiais metálicos.
Além disso, o recozimento por feixe de elétrons também foi aplicado com eficácia a materiais semicondutores.
5. Aplicação da tecnologia de fortalecimento de superfícies por feixe de elétrons
Depois que a superfície do aço da matriz é reforçada pelo tratamento com feixe de elétrons, a camada mais externa do material sofre fusão. Quando a espessura da camada refundida atinge cerca de 10 μm, essa fusão resulta em uma diminuição da microdureza da superfície.
As partículas de carboneto da superfície se dissolvem na solução sólida de cromo da matriz e causam um aumento na energia, levando ao fortalecimento da solução sólida supersaturada e à formação de martensita ultrafina. Isso resulta em um aumento na microdureza da amostra de 955,2 HK para 1169 HK e um aumento na resistência relativa ao desgaste em 5,63 vezes.
Quanto mais frequente for o bombardeio, mais profunda será a zona afetada e maior será o aumento da microdureza.
A tecnologia de tratamento de superfície por centelha elétrica baseia-se no princípio de que uma fonte de energia de armazenamento de energia passa por um eletrodo para criar uma descarga de centelha entre o eletrodo e a peça de trabalho em uma frequência que varia de 10 a 2000 Hz.
O eletrodo, feito de material condutor, derrete na superfície da peça de trabalho para formar uma camada de liga que aprimora as propriedades físicas e químicas da superfície.
A eficácia da camada de reforço da superfície de EDM é influenciada pelo material de base e pela material do eletrodo. Os materiais de eletrodo comuns incluem TiC, WC, ZrC, NbC, Cr3C2e carboneto cimentado.
1. Processo de tecnologia de tratamento de superfície EDM
A Figura 12 ilustra o processo da tecnologia de tratamento de superfície por centelha elétrica.
Na Figura 12(a), quando a distância entre o eletrodo e a peça de trabalho é grande, a fonte de alimentação carrega o capacitor por meio do resistor R, e o eletrodo é aproximado da peça de trabalho por meio da ação de um vibrador.
A Figura 12(b) mostra que, quando a lacuna entre o eletrodo e a peça de trabalho atinge uma certa distância, o forte campo elétrico ioniza o ar na lacuna, resultando em uma descarga de faísca.
A descarga causa a fusão parcial ou até mesmo a vaporização do metal no ponto de contato entre o eletrodo e a peça de trabalho. O eletrodo continua a se aproximar e a fazer contato com a peça de trabalho, fazendo com que a descarga da faísca pare e uma corrente de curto-circuito flua através do ponto de contato para aquecimento adicional.
Na Figura 12 (c), a pressão adequada do eletrodo sobre a peça de trabalho garante que os materiais fundidos se unam e se difundam para formar ligas ou novos compostos.
Por fim, conforme mostrado na Figura 12(d), o eletrodo é separado da peça de trabalho por meio da ação de um oscilador.
Figura 12 Diagrama esquemático do processo de reforço de superfície por EDM
(1) Processo de metalurgia físico-química sob alta temperatura e alta pressão.
A alta temperatura gerada pela descarga de faísca faz com que o material do eletrodo e o material da matriz na superfície da peça de trabalho derretam parcialmente. A pressão gerada pela expansão térmica do gás e a força de impacto mecânico do eletrodo fazem com que o material do eletrodo e o material da matriz se fundam e sofram interação física e química. A interação de elementos de gás ionizado, como nitrogênio e oxigênio, produz uma liga especial na superfície do substrato.
(2) Processo de difusão em alta temperatura.
O processo de difusão ocorre tanto na zona de fusão quanto no limite entre as fases líquida e sólida.
Devido ao breve tempo de difusão, a difusão de elementos líquidos na matriz é limitada, resultando em uma camada de difusão rasa. No entanto, isso permite uma melhor ligação metalúrgica entre a matriz e a camada de liga.
(3) Processo rápido de mudança de fase.
A zona afetada pelo calor da matriz da peça de trabalho passa por um rápido aquecimento e resfriamento, fazendo com que a parte próxima à zona de fusão sofra uma transformação de austenitização e martensitização. Esse processo refina a estrutura do grão, aumenta a dureza e cria uma tensão compressiva residual.
Esses efeitos são benéficos para melhorar a resistência à fadiga.
2. As características da tecnologia de tratamento de superfície por faísca elétrica
(1) Vantagens:
① O equipamento é simples e econômico;
② A ligação entre a camada de reforço e o substrato é forte e confiável;
③ A temperatura interna da peça de trabalho permanece baixa ou inalterada, impedindo alterações na estrutura e no desempenho e evitando o recozimento e a deformação;
④ Baixo consumo de energia e material;
⑤ Os objetos de processamento não têm limitações de tamanho, o que os torna ideais para o processamento local de peças grandes;
⑥ O efeito de fortalecimento da superfície é significativo;
⑦ Pode ser usado para reparar peças de trabalho excessivamente desgastadas;
⑧ Fácil de operar e dominar.
(2) Desvantagens:
① A camada de reforço da superfície é rasa, normalmente com apenas 0,02 a 0,5 mm de profundidade;
② A rugosidade da superfície não será muito baixa;
③ Furos pequenos e ranhuras estreitas são difíceis de processar, resultando em baixa uniformidade e continuidade da camada de reforço da superfície.
1.Definição e princípio da galvanoplastia
A galvanoplastia é uma processo de tratamento de superfície que utiliza princípios eletroquímicos para depositar um tipo específico de revestimento de metal na superfície do item que está sendo revestido.
O princípio da galvanoplastia: O metal de base a ser galvanizado serve como cátodo em uma solução salina que contém o metal desejado para galvanização.
O processo de eletrólise faz com que os cátions do metal desejado na solução de galvanização sejam depositados na superfície do metal de base, resultando na formação de uma camada de galvanização (conforme ilustrado na Figura 13).
Figura 13 Princípio da galvanoplastia
O objetivo da galvanoplastia:
Por meio da galvanoplastia, é possível obter uma camada de superfície com propriedades diferentes do material de base. Essa camada pode melhorar a resistência da superfície à corrosão e ao desgaste.
Normalmente, a espessura do revestimento varia de alguns mícrons a várias dezenas de mícrons.
Características da galvanoplastia:
O equipamento usado no processo de galvanoplastia é relativamente simples e as condições operacionais são facilmente controladas.
Devido à ampla variedade de materiais de revestimento disponíveis e ao seu custo relativamente baixo, a galvanoplastia se tornou um método amplamente utilizado para o tratamento de superfícies de materiais em vários setores.
2.Classificação do revestimento
Os revestimentos podem ser classificados em vários tipos com base em seu desempenho:
Por exemplo, camadas de Ni, Cr e Fe podem ser galvanizadas para reparos. Com base nas propriedades eletroquímicas entre o revestimento e o metal de base, o revestimento pode ser dividido em revestimentos anódicos e catódicos.
Um revestimento anódico ocorre quando o potencial do revestimento em relação ao metal de base é negativo. Um exemplo disso é um revestimento de zinco no aço. Por outro lado, um revestimento catódico ocorre quando o potencial da camada de revestimento em relação ao metal de base é positivo. Exemplos disso são as camadas niqueladas e estanhadas no aço.
Em termos de forma de combinação, os revestimentos podem ser divididos em revestimentos de camada única (como camadas de Zn ou Cu), revestimentos metálicos de várias camadas (como revestimentos Cu-Sn/Cr, Cu/Ni/Cr etc.) e revestimentos compostos (como revestimentos Ni-Al₂O₃, Co-SiC etc.).
Quando classificados de acordo com a composição do revestimento, os revestimentos podem ser divididos em revestimentos de metal único, revestimentos de liga e revestimentos compostos.
3. O básico composição da solução de galvanoplastia
Os principais sais metálicos encontrados em depósitos de sal incluem:
Sais simples, como sulfato de cobre e sulfato de níquel;
Sais complexos, como zincato de sódio e cianeto de sódio e zinco.
O agente complexante forma um complexo com os íons metálicos que estão sendo depositados e serve principalmente para alterar as propriedades eletroquímicas da solução de revestimento e regular o processo de deposição de íons metálicos.
O agente complexante é um componente crucial da solução de galvanização e tem um impacto significativo na qualidade do revestimento.
Os agentes complexantes comuns incluem cianeto, hidróxido, pirofosfato, tartarato, ácido nitrilotriacético e ácido cítrico, entre outros.
O objetivo do sal condutor é aumentar a condutividade da solução de galvanização, reduzir a tensão final do tanque e aumentar a densidade de corrente no processo.
Por exemplo, adicionar Na2SO4 a uma solução de revestimento de níquel.
Os sais condutores não participam da reação do eletrodo, e tanto os ácidos quanto as bases também podem ser usados como substâncias condutoras.
O buffer é um parâmetro de processo importante em banhos fracamente ácidos ou fracamente alcalinos.
O tampão é adicionado para dar à solução de galvanização a capacidade de ajustar seu valor de pH e manter um pH estável durante o processo de galvanização.
O buffer deve estar presente em quantidades suficientes para controlar efetivamente o equilíbrio ácido-base, geralmente adicionado em uma quantidade de 30-40g/L, como o ácido bórico em uma solução de zincagem de cloreto de potássio.
O ativador do ânodo é continuamente consumido por íons metálicos durante o processo de galvanoplastia.
A maioria das soluções de galvanoplastia depende de ânodos solúveis para fornecer íons metálicos, garantindo que a quantidade de metal depositado no cátodo seja igual à quantidade de metal dissolvido do ânodo, mantendo a composição da solução de galvanoplastia equilibrada.
A adição de um ativador pode manter a atividade do ânodo sem passivação e sustentar a reação de dissolução normal.
Por exemplo, o Cl- deve ser adicionado à solução de revestimento de níquel para evitar a passivação do ânodo de níquel.
Aditivos especiais são adicionados para melhorar o desempenho do banho de galvanização e a qualidade do revestimento. Essa etapa é crucial na galvanoplastia.
A quantidade de aditivos adicionados geralmente é pequena, apenas alguns gramas por litro, mas o impacto é significativo.
Há vários tipos desses aditivos, que podem ser classificados em:
(1) Abrilhantador - melhora o brilho do revestimento.
(2) Agente de refino de grãos - altera as condições de cristalização do revestimento, refina os grãos de cristal e torna o revestimento denso.
Por exemplo, a adição de um condensado de epicloridrina e aminas a um banho de zincagem de zinco pode mudar o revestimento de esponjoso para denso e brilhante.
(3) Agente de nivelamento - melhora a capacidade de microdispersão da solução de galvanização e suaviza a superfície micro-reticulada do substrato.
(4) Agente umectante - reduz a tensão interfacial entre o metal e a solução, fazendo com que o revestimento adira melhor ao substrato e reduzindo os furos.
(5) Agente de alívio de tensão - reduz a tensão no revestimento.
(6) Endurecedor de revestimento - melhora a dureza do revestimento.
(7) Agente de mascaramento - elimina a influência de impurezas residuais.
4.Etapas básicas do processo de galvanoplastia
As etapas básicas do processo de galvanoplastia são: transferência de massa na fase líquida, redução eletroquímica e eletrocristalização.
5.Fatores que afetam a qualidade da galvanoplastia
(1) Solução de galvanização:
Os principais fatores que determinam a qualidade da solução de galvanização incluem a solubilidade do sal principal, a coordenação de íons, a presença de sais adicionais, o valor do pH, o potencial de evolução do hidrogênio e os parâmetros de corrente, como densidade de corrente, forma de onda da corrente, aditivos, temperatura e agitação. As propriedades do metal de base e seu estado de processamento de superfície também desempenham um papel importante, assim como o processo de pré-tratamento.
(2) Método de galvanoplastia: galvanização em rack
A galvanoplastia de cremalheira é um método de galvanoplastia de metais como tungstênio (W), molibdênio (Mo), titânio (Ti) e vanádio (V), que não podem ser galvanizados individualmente a partir de uma solução aquosa. Ao co-depositar esses metais com elementos do grupo do ferro, como ferro (Fe), cobalto (Co) ou níquel (Ni), é possível formar ligas, resultando em uma aparência que não pode ser obtida com um único metal.
(3) Condições para depositar a liga
Para depositar uma liga com sucesso, duas condições devem ser atendidas:
① Pelo menos um dos dois metais deve poder ser depositado a partir de uma solução aquosa de seu sal.
② O potencial de deposição dos dois metais deve ser muito próximo um do outro.
A galvanização sem eletrodos é um tipo de método de processamento de superfície que utiliza reações químicas para depositar metal na superfície de um substrato e formar uma camada de galvanização. Ao contrário da galvanoplastia, que usa uma corrente elétrica para conduzir o processo de deposição, a galvanoplastia sem eletrólito depende de reações químicas para reduzir os íons metálicos na solução ao metal.
Há três métodos para realizar a galvanização sem eletrodos.
1.Displacement deposition
O processo de revestimento por imersão em engenharia envolve a substituição de íons metálicos depositados na superfície da peça de trabalho pelo metal M2 (como o Cu), que é mais positivo do que o metal a ser revestido (M1, como o Fe) presente na solução.
A espessura do revestimento é limitada, pois a deposição é interrompida quando o metal M1 é completamente coberto pelo metal M2.
A deposição por deslocamento é usada em processos como revestimento de cobre por imersão em ferro, revestimento de mercúrio por imersão em cobre e revestimento de alumínio e zinco.
A galvanização por imersão pode ser um desafio para a produção de revestimentos práticos e, como resultado, é frequentemente usada como um processo suplementar para outros métodos de galvanização.
2.Cdeposição de contato
Além de M1 e M2, há um terceiro metal, M3, envolvido no processo de galvanização.
Quando os íons M2 estão presentes na solução, os dois metais M1 e M3 são conectados e os elétrons fluem de M3 (que tem um potencial alto) para M1 (que tem um potencial baixo), causando a redução e a deposição de M2 em M1.
A deposição é interrompida quando o metal de contato M1 é completamente coberto por M2.
Quando revestimento de níquel sem eletrólito é realizada em materiais funcionais sem propriedades autocatalíticas, a deposição por contato é frequentemente usada para iniciar a deposição de níquel.
3.Rdeposição de educação
O processo de conversão de íons metálicos em átomos metálicos por meio da redução do agente redutor, que libera elétrons livres por meio da oxidação, é conhecido como deposição por redução.
A equação da reação pode ser representada da seguinte forma:
Oxidação redutora
Rn+ → 2e- + R(n + 2)+
Redução de íons metálicos
M2+ + 2e- → M
O termo "revestimento químico em engenharia" refere-se principalmente ao processo de revestimento químico de deposição de redução.
A seguir estão as condições para a galvanização sem eletrodos:
Há muitos Tipos de metais e ligas que podem ser usadas para revestimento sem eletrólise, incluindo Ni-P, Ni-B, Cu, Ag, Pd, Sn, In, Pt, Cr e muitas ligas à base de Co, sendo o revestimento de níquel sem eletrólise e o revestimento de cobre sem eletrólise os mais usados.
O revestimento sem eletrólito geralmente tem boa resistência à corrosão e ao desgaste, brasagem e outras propriedades elétricas ou magnéticas especiais, tornando-o um método eficaz para melhorar as propriedades de superfície dos materiais.
Tecnologia de spray térmico e spray térmico tecnologia de soldagem utilizam fontes de energia térmica (como uma chama de oxigênio-acetileno, arco elétrico ou chama de plasma) para derreter materiais de revestimento especializados e aplicá-los em uma peça de trabalho, formando uma camada protetora.
Essa tecnologia é conhecida por sua capacidade de criar revestimentos relativamente espessos (variando de 0,1 a 10 mm) e é utilizada principalmente na fabricação e no reparo de componentes de camadas compostas.
1.Tecnologia de pulverização térmica
(1) Princípios e características da tecnologia de pulverização térmica
Na pulverização térmica, várias fontes de calor são utilizadas para aquecer o material de revestimento até um estado derretido ou semifundido. O material derretido é então disperso e refinado usando um gás de alta velocidade, que impacta a superfície do substrato em alta velocidade para formar um revestimento, conforme ilustrado na Figura 14.
Figura 14 Diagrama esquemático do processo básico de pulverização térmica
O processo de pulverização térmica é composto de quatro estágios principais:
(2) Materiais de revestimento
A pulverização térmica tem requisitos específicos para materiais de revestimento, que devem atender às seguintes condições:
Os materiais de revestimento podem ser divididos em duas categorias com base em seu formato: arame e pó.
(3) Mecanismo de combinação do revestimento por aspersão térmica
①Colagem mecânica: Nesse tipo de ligação, as partículas em um estado fundido colidem com a superfície do substrato e se espalham em uma camada líquida fina e plana. A camada é incorporada à superfície ondulada do substrato, formando uma ligação mecânica.
②Colagem metalúrgica: Esse tipo de ligação é obtido por meio de difusão e soldagem entre o revestimento e a superfície do substrato.
③Ligação física: Quando as partículas fundidas que se movem em alta velocidade colidem com a superfície do substrato, se a distância entre os dois lados da interface estiver dentro da faixa da constante de rede atômica, as partículas se unem por meio de forças de van der Waals.
(4) O processo de formação do revestimento
① O material de pulverização é aquecido até atingir o estado fundido.
② O material é então atomizado em pequenas gotas e direcionado em alta velocidade para a superfície do substrato.
Quanto mais forte for o impacto das partículas no substrato e quanto maior for sua energia cinética, mais forte será a ligação do revestimento resultante.
③ Após o impacto com a superfície do substrato, as partículas fundidas e de alta velocidade se deformam e acabam se condensando para formar um revestimento.
A formação do revestimento é mostrada na Figura 15.
Figura 15 Diagrama esquemático do processo de formação do revestimento
A estrutura do revestimento consiste em partículas planas de tamanhos variados, partículas esféricas não derretidas, inclusões e poros.
A presença de poros pode ser atribuída aos seguintes motivos:
Poros bem controlados no revestimento podem trazer vários benefícios, como a capacidade de armazenar lubrificantes, melhor desempenho de isolamento térmico, redução de estresse internoe maior resistência a choques térmicos.
No entanto, um número excessivo de poros pode ter efeitos negativos sobre o revestimento, como redução da resistência à corrosão, aumento da rugosidade da superfície e diminuição da força de adesão, da dureza e da resistência ao desgaste.
Portanto, é fundamental regular cuidadosamente o número de poros no revestimento durante sua preparação.
2.Tecnologia de soldagem por spray térmico
(1) Princípios e características da tecnologia de soldagem por spray térmico
A tecnologia de soldagem por spray térmico é um processo de reforço de uma superfície que utiliza o calor para derreter novamente ou derreter parcialmente o material de revestimento e, em seguida, condensá-lo na superfície do substrato para criar uma camada de superfície com uma ligação metalúrgica com o substrato, também conhecida como sinterização.
Em comparação com outros métodos de tratamento de superfície, a estrutura produzida pela soldagem por aspersão térmica é densa, com o mínimo de defeitos metalúrgicos e uma alta resistência de ligação com o substrato. No entanto, ela tem uma faixa limitada de seleção de materiais. A deformação do substrato é maior em comparação com a pulverização térmica e a composição da camada de pulverização térmica é alterada em relação à composição original.
(2) Classificação da tecnologia de soldagem por spray térmico
A tecnologia de soldagem por spray térmico é dividida principalmente em duas categorias: soldagem por spray de chama e soldagem por spray de plasma.
① Soldagem por spray de chama: O processo envolve a pulverização de pó na superfície do substrato e, em seguida, o aquecimento do revestimento diretamente com uma chama para derreter novamente o revestimento na superfície do substrato. A superfície do substrato é completamente molhada, e os elementos se difundem na interface para formar uma forte ligação metalúrgica. A soldagem por spray de chama é caracterizada pela simplicidade do equipamento e do processo, pela alta força de ligação entre o revestimento e o substrato e pela boa resistência à erosão do revestimento.
② Soldagem por spray de plasma: Este método usa um arco de plasma como fonte de calor para aquecer o substrato e formar uma poça de fusão na superfície. Ao mesmo tempo, o pó de solda em spray O material é introduzido no arco de plasma e pré-aquecido na coluna do arco. O pó é então pulverizado na poça de fusão pela chama, totalmente derretido e descarregado com gás e escória. Depois que a pistola de pulverização é removida, a piscina fundida da liga se solidifica para formar uma camada de solda por pulverização.
Recursos da soldagem por spray de plasma:
(3) A diferença entre a tecnologia de soldagem por spray térmico e a tecnologia de spray térmico:
① Temperatura da superfície da peça de trabalho: A temperatura da superfície da peça de trabalho durante a pulverização é inferior a 250°C, enquanto a temperatura durante a soldagem por pulverização deve ser superior a 900°C.
② Estado de ligação: O revestimento por pulverização é mantido unido principalmente por meio de ligação mecânica, enquanto a camada soldada por pulverização é formada por meio de ligação metalúrgica.
③ Material do pó: A soldagem por spray usa pó de liga de autofluxo, enquanto não há restrições quanto ao pó usado na pulverização térmica.
④ Estrutura do revestimento: O revestimento por spray térmico tem poros, enquanto a camada soldada por spray de plasma é uniforme, compacta e não porosa.
⑤ Capacidade de suporte: A camada soldada por spray de plasma tem a capacidade de suportar cargas de impacto e tensões de contato mais altas.
⑥ Taxa de diluição: A taxa de diluição da camada soldada por spray de plasma é de cerca de 5% a 10%, enquanto a taxa de diluição do revestimento por spray térmico é próxima de zero.
A tecnologia de revestimento por conversão química envolve a formação de um filme composto estável na superfície do metal por meio de métodos químicos ou eletroquímicos.
Essa tecnologia é utilizada principalmente para anticorrosão e embelezamento da superfície de peças de trabalho, e também pode aumentar a resistência ao desgaste desses componentes.
Envolve o contato entre um metal específico e uma fase líquida corrosiva, sob condições específicas, resultando em uma reação química.
Essa reação, devido à polarização da concentração e à polarização ânodo-cátodo, cria uma camada de produtos de corrosão insolúveis com forte adesão à superfície do metal.
Esses filmes protegem o metal de base de substâncias corrosivas, como a água, e também podem melhorar a adesão e a resistência ao envelhecimento dos filmes de revestimento orgânico.
As duas principais formas de tecnologia de filme de conversão usadas na produção são o tratamento de fosfatização e o tratamento de oxidação.
1.Tratamento de fosfatação
A fosfatização é um processo no qual os materiais de aço são tratados com uma solução de fosfato para formar uma película de fosfato insolúvel em água. As etapas envolvidas nesse processo são as seguintes:
O filme de fosfatização é composto de fosfato de ferro, fosfeto de manganês e fosfato de zinco, entre outros, que aparecem como cristais branco-acinzentados ou preto-acinzentados. O filme forma uma forte ligação com o metal base e tem alta resistividade. Em comparação com um filme de óxido, o filme de fosfatização tem maior resistência à corrosão.
A película de fosfatização oferece boa resistência à corrosão em meios atmosféricos, oleosos e de benzeno, mas tem baixa resistência a ácidos, álcalis, amônia, água do mar e vapor.
Os principais métodos de tratamento de fosfatização são imersão, pulverização e uma combinação de imersão e pulverização. A fosfatização também é categorizada com base na temperatura da solução em temperatura ambiente, temperatura média e fosfatização em alta temperatura.
O método de impregnação é ideal para processos de fosfatização de alta, média e baixa temperatura. Esse método pode lidar com peças de trabalho de qualquer formato, resultando em filmes de fosfatização de diferentes espessuras, com equipamentos simples e qualidade estável.
A película espessa de fosfatização é usada principalmente para o tratamento anticorrosivo da peça de trabalho e para aprimorar as propriedades antifricção da superfície.
O método de pulverização é adequado para processos de fosfatização de média e baixa temperatura e é ideal para peças de trabalho de grandes áreas, como carcaças de carros, geladeiras, máquinas de lavar e outros itens grandes usados como primers de pintura ou para processamento de deformação a frio. Esse método tem um tempo de processamento curto e uma velocidade de formação de filme rápida, mas só pode produzir filmes de fosfatização de espessura fina a média.
2.Otratamento de xidação
(1) Tratamento de oxidação do aço
O tratamento de oxidação do aço, também conhecido como azulamento, é um processo de exposição da peça de aço a uma solução oxidante para formar uma película de Fe3O4 densa e firme na superfície. A película tem uma espessura de cerca de 0,5 a 1,5 micrômetro.
O azulamento não costuma afetar a precisão das peças e é frequentemente usado para proteção decorativa de ferramentas e instrumentos. Esse tratamento pode melhorar a resistência à corrosão da superfície da peça de trabalho, aliviar a tensão residual, reduzir a deformação e melhorar a aparência da superfície.
O método mais comumente usado para o tratamento de oxidação do aço é o método alcalino. A composição e as condições do processo da solução oxidante podem ser selecionadas com base nos requisitos de material e desempenho da peça de trabalho.
Uma solução comumente usada é composta de 500 g/L de hidróxido de sódio, 200 g/L de nitrito de sódio e o restante de água. A solução deve ser processada por 6 a 9 minutos a uma temperatura de cerca de 140°C.
(2) Tratamento de oxidação de alumínio e ligas de alumínio
① Anodização
A anodização é um método no qual a peça de trabalho é colocada em um eletrólito e submetida a uma corrente elétrica para produzir um filme de óxido com alta dureza e fortes propriedades de adsorção. Os eletrólitos mais comumente usados são o ácido sulfúrico com uma concentração de 15% a 20%, o ácido crômico com uma concentração de 3% a 10% e o ácido oxálico com uma concentração de 2% a 10%.
O filme anódico pode ser tratado com água quente para transformar o filme de óxido em alumina contendo água, que é fechada devido à expansão do volume. Ele também pode ser selado com uma solução de dicromato de potássio para evitar que substâncias corrosivas penetrem no substrato por meio das fendas cristalinas do filme de óxido.
② Oxidação química
A oxidação química é um método no qual a peça de trabalho é imersa em uma solução alcalina ou ácida fraca para produzir um filme de óxido que é firmemente ligado ao substrato de alumínio. Esse método é usado principalmente para aumentar a resistência à corrosão e ao desgaste da peça de trabalho, bem como para a decoração da superfície de alumínio e ligas de alumínio, como alumínio antiferrugem para construção e filmes decorativos para letreiros.
A tecnologia de deposição de vapor é uma nova forma de tecnologia de revestimento que envolve a deposição de substâncias em fase de vapor contendo elementos de deposição na superfície de um material para formar um filme fino. Esse processo pode ser realizado por meio de métodos físicos ou químicos.
Com base nos princípios por trás do processo de deposição, a tecnologia de deposição de vapor pode ser categorizada em dois tipos: deposição física de vapor (PVD) e deposição química de vapor (CVD).
1.Pdeposição física de vapor
A Deposição Física de Vapor (PVD) é uma tecnologia que utiliza métodos físicos para vaporizar materiais em átomos, moléculas ou íons sob condições de vácuo. O material vaporizado é então depositado na superfície de um material por meio de um processo de fase gasosa, formando um filme fino.
Há três métodos principais de PVD: evaporação a vácuo, deposição por pulverização catódica e revestimento iônico.
A evaporação a vácuo envolve a evaporação de materiais formadores de filme para vaporizar ou sublimar e depositá-los na superfície de uma peça de trabalho. O método de aquecimento usado depende do ponto de fusão do material de evaporação e pode incluir aquecimento por resistência, aquecimento por feixe de elétrons ou aquecimento a laser. A evaporação a vácuo tem a vantagem de ser um equipamento e um processo simples, mas a baixa energia cinética das partículas vaporizadas leva a uma ligação fraca entre o revestimento e o substrato, resultando em baixa resistência ao impacto e ao desgaste.
A deposição por pulverização catódica envolve a ionização do argônio sob vácuo para formar íons de argônio que são acelerados e bombardeiam um cátodo. As partículas pulverizadas são depositadas na superfície da peça de trabalho, formando um filme. Esse método tem a vantagem de ter uma ampla gama de materiais aplicáveis e boa capacidade de lançamento, mas também tem as desvantagens da baixa velocidade de deposição e do alto custo do equipamento.
A galvanização iônica usa a tecnologia de descarga de gás sob vácuo para ionizar átomos evaporados e depositá-los na superfície de uma peça de trabalho, juntamente com partículas neutras de alta energia. Esse método resulta em revestimentos de alta qualidade com forte adesão, boa capacidade de nivelamento e velocidade de deposição rápida. No entanto, o equipamento usado para o revestimento iônico é complexo e caro.
O PVD tem uma ampla variedade de materiais de base e materiais de filme aplicáveis, e é um processo simples que economiza material e não polui. O filme resultante tem forte adesão, espessura uniforme e poucos furos. O PVD é amplamente utilizado em setores como maquinário, aeroespacial, eletrônico, óptico e indústria leve para preparar filmes resistentes ao desgaste, à corrosão, ao calor, condutores, isolantes, ópticos, magnéticos, piezoelétricos e supercondutores.
2. Deposição de vapor químico
A deposição química de vapor (CVD) é um processo no qual uma mistura de gases interage com a superfície de um substrato em uma temperatura específica, resultando na formação de um filme de metal ou composto na superfície do substrato.
A seguir estão algumas das principais características da DCV:
Devido à sua boa resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência ao calor e propriedades especiais nos campos elétrico e óptico, o CVD tem sido amplamente utilizado em setores como fabricação de máquinas, aeroespacial, transporte e produtos químicos de carvão.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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