5.2.1. Ionimplantáció Az ionimplantáció elsődlegesen az elektronikai technológiák fejlesztésekor került az érdeklődés középpontjába. Alapvető sajátossága, hogy a szilárd anyag felületének (felületi összetételének) módosítása az anyagba (szubsztrátumba) ütköző és beépülő ionok révén történik. Ionimplantációnál (1. ábra) kb. 1017 ion/cm2 mennyiségű, nagy sebességűre gyorsított N-, Mo-, Ti-, Co- stb. ionokkal bombázzák a vákuumban, illetve hűtött asztalon elhelyezett tárgy felületi rétegét. Az ionok max. 1 µm mélységben képesek a felületet ötvözni, abban járulékos nyomófeszültséget is létrehozva. A belőtt ionok vegyületet képezhetnek, növelik a rácshibák számát és így a szilárdságot is. Mivel a kezelés irányfüggő, az éppen kezelés alatt álló felületrész normálisának az ionforrás irányába kell mutatnia, azaz a munkadarabot pozícionálni kell.
1. ábra Ionimplantációs berendezés elvi felépítése Fémes és nemfémes anyagok ionsugaras kezelésével olyan anyagszerkezet-módosítás érhető el, melynek során az adott gyártmány élettartama, igénybevételekkel, például kopással, korrózióval szembeni ellenállása jelentősen nő. Ugyancsak ezen eljárással oldható meg a mikroelektronikai ipar egyes alkatrészeinek előállítása. A technológia alkalmas továbbá metastabil szerkezetek előállítására, valamint a termék felületének bizonyos mélységű „atomötvözésére". Ez hagyományos metallurgiai folyamattal megvalósíthatatlan. Lehetséges az ionsugárzás más eljárásokkal való kombinációja. Az eljárás variációkon alapuló technológiák segítségével megoldható a szerkezeti anyagok tartós korrózióvédelme, a működő felületek élettartam-növelése, a különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkező rétegek együttdolgozása. Az ionimplantációval – számottevő anyagfelhasználás nélkül – olyan anyagtulajdonságok érhetők el, amelyeket monolit anyagok alig, vagy csak részben rendelkeznek. Azonos eljárás és berendezés alkalmazható a gépipar, a műanyagipar, a mikroelektronikai ipar területén. Az
2
eljáráshoz szükséges berendezés beruházási összege jelentős, ami bizonyos mértékig korlátozza az ionimplatációs eljárások szélesebb körű ipari alkalmazását. Az 1. táblázat adatai az ipari hasznosítás egyes területein elért eredményekről informálnak, az alkalmazás célja igen változatos lehet: − − − − −
az elektronikai iparban használatos nyákfúrók élettartamának növelése, volfrám-karbid-alapú szerszámok éltartósságának növelése, abrazív kopásnak kitett felületek ellenálló-képességének növelése, korrózióállóság növelése, az ionsugárzás és egyéb technológiák kombinációja.
1. táblázat. Nitrogén- implantációval javított kopásállóság Alkalmazás Anyag Alumínium sörösdoboz D2 szerszámacél présszerszáma Huzalvezető kemény Cr-lap Rézrúd finisher-henger H13 acél Papírszeletelő 1,6% Cr + 1% C acél Szintetikus gumi vágószerszáma WC + 6% Co Fenolgyanta kinyomó M2 gyorsacél Menetvágó M2 gyorsacél Szerszámbetétek 4% Ni + 1% Cr acéI Alakító szerszám 12% Cr + 2% C acél Fűtőanyag-fúvóka mérő szerszámacél Műanyagvágó gyémántszerszám Izületprotézis Ti(6AI)4V Fogorvosi fúró WC + Co Precíziós lyukasztó WC + 15% Co Keréksajtó WC + Co Rézrúdmegmunkáló WC + 6% Co Vágószerszámok WC + Co Fúvókák üveg és fémtöltésű szerszámacél és krómozott műanyagokhoz acél Nitridált acél öntőforma szerszámacél Műanyagsajtoló szerszám P20 szerszámacél
3
Élettartam-javulás 3-szoros 3-szoros 3-szoros 2-szeres 12-szeres 5-szörös 5-szörös 3-szörös csökkent adhéziós kopás 100-szoros 2–4-szeres 100-szoros 2–7-szeres 2-szeres 2-szeres 5-szörös 3–4-szeres 4–6-szoros jobb, mint bármelyik 4-szeres
5.2.2. Termokémiai felületi kezelések Acélok és ötvözetek termokémiai kezelés történhet aktív szabad ötvöző atomokat leadó porközegben, sóolvadékban vagy gázközegben. Napjainkban – főként környezetvédelmi szempontok érvényesülése miatt - a gázközegben végzett termokémiai kezelések térhódításának vagyunk tanúi. A gázközegű termokémiai kezelések jól szabályozhatók, ami a tömeggyártás esetében (például igényes kivitelezésű járműipari alkatrészek előállításakor) nem elhanyagolható szempont. A termokémiai eljárásokat szilárd fázisban végzik, céljuk a kezelendő munkadarab felületének feldúsítása az ötvözetben oldódó fémes vagy nemfémes elemmel (vagy elemekkel). A kezelés hőmérséklete az eljárások típusától függően változó, általában 500 1100 °C között hőmérséklet tartományba esik, a felület ötvözésében, a kéreg szerkezetének és vastagságának, a koncentráció-eloszlás alakulásában alapvető szerepet játszik a szilárd fázisú diffúzió. A termikusan aktivált folyamatokra általánosan jellemző módon, a termokémiai folyamatok sebessége döntően függ a kezelési hőmérséklettől, ezért a gyakorlati esetek zömében az időszükséglet csökkentése végett lehetőség szerint a hőmérséklet növelésére törekszenek. A termokémiai kezelés során a felületi rétegben szilárdoldatok és vegyületfázisok egyaránt létrejöhetnek. A termokémiai kezelések fő paraméterei: a felületi ötvözőpotenciál, a hőmérséklet, a diffúziós kezelés időtartama, ezek elsődleges meghatározói a kialakuló rétegvastagságnak, koncentráció eloszlásnak, keménységeloszlásnak. A különféle termokémai kezelések számos változata ismert és iparilag is alkalmazott: fémes elemekkel a kromálás, alitálás, titánozás, vanádiumozás, volframozás stb.; nemfémes elemekkel a cementálás, nitridálás, boridálás, szulfidálás, szilikálás stb. Többféle elem kombinációjával ún. szimultán kezelések is megvalósíthatók: ilyen a nitrocementálás, karbonitridálás, titánnitridálás, oxinitridálás, szulfonitridálás, oxikarbonitridálás, krómalitálás, krómboridálás, stb. Kétségtelen tény, az iparban a termokémiai eljárások közül a legszélesebb körben és volumenben a gázlégkörben végzett cementálást és nitridálást alkalmazzák.
5.2.2.1. Acélok gázcementálása Az acél ausztenites állapotában (A 3 hőmérséklet feletti 800-950 °C hőmérséklet tartományban) végzett cementálás a nagy hőmérsékletű termokémiai felületkezelések legismertebb változata. Cementálni (az acél felületét adott koncentrációeloszlás szerint karbonnal ötvözni) az eleve kis karbontartalmú acélból készült munkadarabokat szokás. A cementálás céljára használatos acélok (szokásos elnevezéssel élve betétedzhető acélok) karbontartalma 0.1-0.2%. A kis karbontartalmú acél előnyös tulajdonsága, ha megedzik és megeresztik, akkor kellően szívós lesz, továbbá szilárdsága is megfelel az elvárásoknak. Azonban épp a kis karbontartalom következtében, az ilyen acélból gyártott munkadarab felülete nem lesz kellően kemény és kopásálló. A cementálás, mint diffúziós kezelésnek a lényege, hogy a betétedzhető acélból gyártott munkadarab (például fogaskerék) felületi rétegében – adott rétegvastagságban – a karbontartalmat szándékosan megnövelik. A tapasztalatok szerint cementáláskor kb. 0.1-1 mm kéregvastagságban a munkarab felületi karbontartalmát 0,6-0,9 % értékűre célszerű megnövelni. A növelt karbon tartalmú felületen a cementálást követő edzéskor nagy keménységű martenzites réteg alakul ki. Mivel a martenzit
4
keménysége döntően az acél (az ausztenit) karbon tartalmának függvénye, és a 0,6-0,9 % karbontartalmú martenzit keménysége már igen jelentős (800-900 HV), ezért a felület növelt kopásállósága már eleve biztosított. (A felület és magrész eltérő karbontartalma következtében így megvalósítható, hogy egyazon munkadarabon belül a szívós-szilárd magrész egy kemény és kopásálló felülettel párosuljon.) Gázcementáláskor a kemencetérben olyan légkört (speciális összetételű atmoszférát) alakítanak ki, amely alkalmas a felület karbontartalmának kívánt mértékű megváltoztatására. A cementáló légkört többnyire földgázból állítják elő, amely 95-98% metánt tartalmaz. A cementálás hőmérsékletén (800-900 °C hőmérséklet tartományban) földgáz és levegő elegyéből olyan atmoszféra jön létre, amelynek főbb komponensei CO, CO 2 , H 2 O, H 2 , N 2 , O 2 , CH 4 . A légkör cementáló (karbonleadó) képességét döntően a szénmonoxid és a széndioxid térfogataránya (parciális nyomása) határozza meg. A kezelési hőmérsékletet növelve a diffúzió sebessége is megnövekszik, nagyobb lesz a karbon behatolási mélysége (a cementált kéreg vastagsága). Mivel a diffúziós folyamatok sebessége exponenciális függvény szerint hő a hőmérséklettel, ezért a karbon-diffuzió sebessége is elsődlegesen a hőmérséklet növelésével fokozható. Cementálásnál mód van parciális kezelésre is, a nem kívánt felületek levédésével (pl. galvanikus rézbevonattal). A hagyományos cementálási technológiák (szilárd közegű szemcsés, pasztás; folyékony közegű sófürdős, csepegtetős; gázközegű eljárások) mellett újabb technológiák is megjelentek: plazmacementálás, fluidizált közegben végzett cementálás, tiszta metángázzal végzett ún. vákuum-cementálás. 5.2.2.2. Acélok gáznitridálása Egyes acél alkatrészek, (mint pl. a tengelyek, fogaskerekek, lánckerekek, dugattyúk, fúvókák, csúszkák, vezetékek, görgők, stb.) különösen nagy felületi koptató igénybevételnek vannak kitéve. Ezeket a többnyire nemesíthető szerkezeti acélból gyártott alkatrészeket először a hagyományos nemesítő hőkezelésnek (edzés és magas hőmérsékletű megeresztésnek) vetik alá a szívós de kellően szilárd „magrész” kialakítása céljából, majd ezt követően kemény és kopásálló felület létrehozása végett utólag nitridálást alkalmaznakA nitridálás, a cementálás mellett a leginkább alkalmazott felületötvöző termokémiai eljárás. Előnye, hogy a kezelés hőmérséklete - a cementálással összehasonlítva – viszonylag alacsony, ezért allotróp átalakulásokkal, a munkadarab vetemedésével nem kell számolni. A ferrit-perlites, illetve nemesített állapotban szferoidites szövetszerkezetű munkadarabok gáznitridálását ammónia gázközetben (NH 3 ) végzik az A 1 hőmérséklet alatti tartományban. A kezelés hőmérsékletén (500-570 °C) bekövetkezik az ammónia részleges bomlása (disszociációja), ennek eredményeként jelentős mértékben atomos nitrogén képződik. Ötvözetlen acél felületén nitridáláskor vékony, tömör vas-nitrid réteg (Fe 2 N, Fe 4 N) képződik, azonban ennek keménysége kicsi, így kopásállósága is mérsékelt. Kemény kopásálló vegyületek nitridáláskor csak akkor képződnek, ha az acél megfelelő mennyiségben tartalmaz speciális nitridképző ötvözőket, ilyen a Cr, V, Al, Ti, Mo. Az ilyen „nitridálható acélok” nitridrétegének (vegyületi rétegének) felületi keménysége elérheti az 1100 HV értéket. Sajnos, a vegyületi réteg vastagság igen kicsi, a tapasztalatok szerint 0.1 mm vastagságú vegyületi réteg létrehozásához – ötvözött acélok esetében - 20-30 óra szükséges. A nitridálás jellegzetességei:
5
−
− −
− −
A nitridált kéreg maximális keménysége a növekvő kezelési hőmérséklettel csökken, növekvő kezelési időtartammal növekszik. A nitridált kéreg vastagságát – vagyis a növelt nitrogénkoncentrációjú zóna mélységirányú kiterjedését – a hőmérséklet és az idő növelése egyaránt növeli, miközben a felszín nitrogénkoncentrációja gyakorlatilag nem változik. Az 500-570 °C-os nitridálás megfelelő (kb. 0,3…0,4% C-tartalmú, nitridképzőkkel ötvözött, 600…650 °C-os megeresztéssel nemesített) acélon keményebb kérget hoz létre, mint a betétedzés (cementálás + edzés). A nitridált kéreg legkeményebb része nem közvetlenül a felületen van, hanem a beljebb lévő γ'-fázisú vagy a martenzitessé alakuló nitro-ausztenites rétegbe esik. A hatásos nitridképzők (Al, Cr, Mo) az elérhető kéregvastagságot ugyan csökkentik, de keménységnövelő hatásuk bizonyos értelemben szuperponálódik. A nitridált kéreg teherviselő képessége erősen korlátozott, ugyanis a kéreg maximális vastagsága többnyire nem nagyobb, mint 0.1 mm. Nagyobb terhelés esetén számolni kell a kemény kéreg lepattogzásával. A nitridálás a munkadarab gyártástechnológiájának utolsó, befejező művelete, a rendkívül vékony felületi réteg utólagos megmunkálására (pl. köszörülésére) gyakorlatilag már nincs lehetőség, legfeljebb a polírozás jöhet számítása.
5.2.3. Plazmanitridálás (ionnitridálás) A plazmanitridálás (más néven ionnitridálás) jellegzetessége, hogy a nitrogént alacsony nyomású munkatérben, glimmkisülés plazmájaként juttatják a munkadarab felületére (2. ábra). A munkadarab felmelegedését a diffúzióhoz szükséges 350-600 ºC-ra az ionok ütközési energiája biztosítja. Ez az egyetlen olyan nitridálási eljárás, ahol lehetőség van monofázisú vegyületi zóna és nitridhálómentes diffúziós zóna kialakítására. A kezelési idő a kívánt kéregmélységtől és a munkadarab anyagától függően 10 perc és 36 óra között változik.
6
2. ábra Plazma-nitridálás elve A hagyományos, sófürdőben vagy gázban végzett nitridálással szemben a plazmanitridálás jól szabályozható folyamat. Elterjedten alkalmazzák fogaskerekek, tengelyek, szerszámok felületi kopásállóságának növelésére. A plazmanitridálás tipikus befejező művelet, ezt megelőzően a munkadarabokat szokásos módon edzik és megeresztik (nemesítik). Mivel a nitridálás A 1 hőmérséklet alatt történik, így az alkatrész vetemedésével gyakorlatilag nem kell számolni. A plazma nitridálást előszeretettel alkalmazzák hosszú és karcsú munkadarabok (például műanyagalakító extruder csigák) felületkezelésére. Az anódként szolgáló kemencefal előtt pozitív töltésű nitrogén ionok képződnek, ezek nagy becsapódási sebességgel ütköznek a negatív pólusú katódot reprezentáló munkadaraboknak. Ez az ionzápor először egy nagyon intenzív felülettisztítást eredményez, majd felhevíti és nitridálja a munkadarab felületét. A plazmanitridálás végezhető egyenáramú és pulzált plazmában egyaránt. A plazma-nitridálás vákuumkemencében (200 - 500 Pa nyomáson), ionizált gáz atmoszférában (ammónia, nitrogén, metán vagy hidrogén) történik, de kopásállóbb felületi rétegek kialakításához gázkeveréket is használnak. A plazmanitridálással előállított kéreg összetételét, tulajdonságait, vastagságát a gáz összetétele, a nyomás, a hőmérséklet és a művelet idő-tartama határozza meg. Azoknál az eljárásoknál, ahol rétegeket képeznek vagy hordanak fel, az alapanyag minősége éppen úgy döntő, mint maga a hőkezelés. Plazmában valamennyi ötvözetlen vagy ötvözött acél, öntvény és szinterelt anyag nitridálható a többi eljárással ellentétben. A nitridált kéreg két részből áll:
7
külső ún. vegyületi réteget (a nitridképző ötvözők típusától és mennyiségétől függően max. 30 µm vastagságú) kemény és stabil nitridek alkotják, ez alatt helyezkedik el a kis mennyiségű oldott nitrogént is tartalmazó diffúziós zóna, amely max. 1 mm vastag lehet. Mint említettük, általában csak készre munkált alkatrészeken végeznek plazmanitridálást, mert a hőkezelést követően nincs szükség, illetve nincs lehetőség semmilyen utómegmunkálásra. A nitridált munkadarabok méretei a kéregvastagság ~1%-val növekednek, amely elhanyagolható méretváltozás. A plazmanitridálás előnyei: − − − − − − − −
a nagy kopásállóságú rétegek az igénybevételnek megfelelően alakíthatók ki, csekély vetemedés, minimális elhúzódás ill. méretváltozás, szükségtelen az utólagos megmunkálás, korrózióálló rétegek hozhatók létre, a réteg az ötvözőelemeknek köszönhetően megeresztésálló, nem lágyul ki ~550°C-ig, a technológia kielégíti a munka- és környezetvédelem fokozott követelményeit, jól szabályozható, automatizálható, így alkatrészgyártó sorokba közvetlenül beilleszthető szinte valamennyi acél- és öntöttvasféleség, a korrózióálló acélok is nitridálhatók. 2. táblázat. Acélokon plazmanitridálással elérhető keménység, rétegvastagság Acélcsoport Betonacél
Automataacél
Betétben edzhető acélok Nemesíthető ötvözetlen acél Nemesíthető ötvözött acél Nitridálható acélok Csapágy acél
Acéltípus
Anyagszám
St 60 St 37 9 S 20 9 SMnPb 28 ETG 80 ETG 100 16 MnCrS5 Ck 15 15 CrNi 6 21 NiCrMo 2 17 CrNiMo 6 16 MnCr 5 20 MnCr 5 CK 30 CK 45 CK 60 25 CrMo 4 42 CrMo 4 30 CrMoV 9 50 CrV 4 43 CrAl 6 34 CrAlMo 5 31 CrMoV 9 34 CrAlNi 7 100 Cr 6
1.0062 1.0116 1.0711 1.0718 1.0727 1.0727 1.7139 1.1141 1.5919 1.6523 1.6587 1.7131 1.7147 1.1178 1.1191 1.1221 1.7218 1.7225 1.7707 1.8159 1.8504 1.8507 1.8519 1.8550 1.3505
8
Keménység Rétegvastagság HV1 max. [mm] 350-450 1,0 300-400 1,0 280-350 1,0 280-350 1,0 450-550 1,0 500-600 1,0 650-750 1,0 400-500 1,0 650-750 1,0 500-600 1,0 650-750 0,8 650-750 1,0 650-750 1,0 0400-500 1,0 450-550 1,0 500-600 1,0 550-650 1,0 600-700 1,0 700-800 0,8 600-700 0,8 1000-1200 0,8 1000-1200 0,8 900-1000 0,8 1000-1200 0,8 1,0 550-650
Rugóacél Ötvözött szerszámacél Gyorsacél
Hidegmegmunkálóacélok
Melegmegmunkálóacélok
Rozsdamentes és saválló acélok
Szürkeöntvény Gömbgrafitos acélöntvény
X 102 CrMo 17
1.3543
1000-1200
0,2
Ck 75 60 SiMn 5 58 CrV 4 C 105 W 1 C 80 W 2 S 12-1-4 S 6-5-2 S 18-0-1 X 165 CrV 12 29 CrMoV 9 40 CrMnMo 7 40CrMnMoS 8-7 X100 CrMoV5-1 X155CrVMo12-1 X 45 NiCrMo 4 90 MnCr 8 42 Cr 13 40 CrMoV 5-1 60 WcrMoV 9-4 55 NiCrMoV 6 15CrCoMoV10-10-5 X 30Cr 13 X 14 CrMoS 17 X 90 CrMoV 18 X 38 CrMoV 15 X 5 CrNi 8 10 X 10 CrNiS 18 9 X5CrNiMo17 12 X90 CrCoMoV 17 GG 25 CrMo GG 25 GG 30 GGG 40 GGG 60 GGG 70
1.1248 1.5142 1.8161 1.1545 1.1625 1.3302 1.3343 1.3355 1.2201 1.2307 1.2311 1.2312 1.2362 1.1379 1.2767 1.2842 1.2082 1.2344 1.2622 1.2713 1.2886 1.4028 1.4104 1.4112 1.4117 1.4301 1.4305 1.4401 1.4535
500-600 500-600 600-700 550-600 550-650 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 850-950 600-700 600-700 800-900 1000-1200 600-700 550-650 1000-1200 850-950 800-900 500-600 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 600-700 300-400 350-450 400-500 500-600 600-700
1,0 1,0 0,8 1,0 1,0 0,2 0,2 0,2 0,2 0,4 0,8 0,8 0,4 0,2 0,8 0,8 0,3 0,4 0,5 0,8 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4
9
