Hartowanie:

Stal do hartowania musi być nagrzana do zakresu istnienia austenitu: 30-50 stopni C powyżej AC3 dla stali podeutektoidalnych oraz 30-50 stopni C powyżej AC1 dla stali nadeutektoidalnych.

W tych temperaturach następuje całkowita zamiana perlitu i ferrytu w austenit i nie następuje nadmierny rozrost ziaren austenitu, co pozwala uzyskać drobnoiglasty martenzyt po chłodzeniu.

Chłodzenie przy hartowaniu musi się odbywać z szybkością większą od krytycznej. Zależy od ciepła właściwego i przewodnictwa cieplnego przedmiotu oraz jego kształtu i wielkości oraz od zdolności chłodzących ośrodków. Jako środki chłodzące najczęściej stosuję się: wodę, olej, powietrze.

Przemiany zachodzące podczas odpuszczania stali po hartowaniu

1. W zakresie temp. 80-200 stopni C następuje przemiana martenzytu tetragonalnego w martenzyt regularny- zwany także martenzytem odpuszczonym- co związane jest z wydzielaniem węgla z martenzytu w postaci węglika

2. W zakresie temp. 200-300 stopni C zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony i węglik żelaza, a także zachodzi w dalszym ciągu wydzielanie węglika z martenzytu

3. W zakresie temp. 300-400 stopni C następuje zarodkowanie i wzrost wydzieleń cementytu Fe3C, przy czym węglik rozpuszcza się, a węgiel dyfunduje do rosnących wydzieleń cementytu Fe3C. w tym czasie zachodzi również intensywny proces zanikania naprężeń własnych. W temp. ok 400 stopni C zawartość węgla w ferrycie osiąga już wartość odpowiadającą stanowi równowagi

4. Przy dalszym nagrzewaniu stali zahartowanej powyżej 400 stopni C następuje proces koagulacji wydzieleń cementytu. Przy najwyższych temperaturach odpuszczania procesami dominującymi stają się rozrost ziarna i sferoidyzacja cementytu. Struktura składa się ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nosi nazwę sorbitu.

Odpuszczanie

Polega na nagrzaniu zahartowanej stali do temperatur niższych niż Ac1, przetrzymaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury otoczenia.

Rodzaje odpuszczania:

-niskie(100-250 stopni C)- zmniejszenie naprężeń własnych materiału

-średnie(250-450 stopni C)-wysokie Re i Rsp, wyższa udarność

-wysokie(450-600 stopni C)-wysoka udarność i ciągliwość, wysoki Re/Rm

HARTOWANIE + WYSOKIE ODPUSZCZANIE = ULEPSZANIE CIEPLNE

Hartowność stali

Hartowność stali jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej w głąb materiału podczas hartowania.

Miarą hartowności jest głębokość warstwy zahartowanej, czyli odległość od powierzchni do miejsca, w którym składa się w 50% z martenzytu i 50% z innych produktów przemiany dyfuzyjnej austenitu (bainit, perlit)- tzw. strefa półmartenzytyczna. Jej twardość nosi nazwę twardości krytycznej. Maksymalna średnica pręta przy której zostanie zahartowany na wskroś przy określonej intensywności chłodzenia nazywa się średnicą krytyczną.

Zdolność chłodzącą ośrodka- współczynnik intensywności chłodzenia H określa względną zdolność chłodzenia ośrodka w porównaniu z wodą. Współczynnik może zmieniać się od H=0(idealny izolator) do H=∞(idealny ośrodek chłodzący), H zależy od intensywności ruchu ośrodka.

Hartowność zależy od:

-składu chemicznego- wzrasta ze wzrostem zawartości węgla i pierwiastków stopowych rozpuszczonych w austenicie z wyjątkiem kobaltu(Co), obecność boru(B) podwyższa hartowność 1,5 do 5 razy

-wielkości ziarna- stale gruboziarniste hartują się głębiej od stali drobnoziarnistych

-jednorodność ziaren austenitu- austenit jednorodny- lepsza hartowność

-wtrąceń nierozpuszczonych- obecność węglików, tlenków i azotków w strukturze obniża hartowność

-intensywności chłodzenia- szybsze odprowadzanie ciepła większa hartowność

-pole przekroju przedmiotu hartowanego- przedmioty o kształcie zwartym hartują się płycej od przedmiotów o rozwiniętej powierzchni.

Podstawy inżynierii powierzchni

Inżynieria powierzchni zajmuję się warstwami wierzchnimi materiałów oraz technologicznymi i materiałowymi aspektami ich wytwarzania. Nauka ta obejmuje całokształt działalności związanej z poznaniem, wytwarzaniem, badaniem i użytkowaniem warstwy powierzchniowej lepsze niż jej podłoże.

Celem wytwarzania lun nakładania (nanoszenia) powłok jest kształtowanie charakterystyk wyrobu, na który decydujący wpływ ma powierzchnia. Takimi charakterystykami są, między innymi:

-odporność na zużycie przez tarcie, np. przez nakładanie stellitów, ceramiki i inne

-odporność korozyjna przez nanoszenie (nakładanie) metalowych niemetalowych powłok ochronnych antykorozyjnych

-właściwości elektryczne (powłoki srebrne, złote, indowe i inne)

-właściwości technologiczne(lutownicze, antydyfuzyjne)

-właściwości termofizyczne(np. osłony termiczne elementów rakiet i aparatów kosmicznych)

-właściwości optyczne i dekoracyjne

-szczególne właściwości eksploatacyjne, uzyskiwane przez platerowanie materiałem odpornym na dane warunki destrukcji powierzchni

I. Klasyfikacja stali według składu chemicznego

1. Rodzaje stali według zawartości pierwiastków: stale niestopowe(węglowe),stale stopowe-/niskostopowe-suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%,/-średniostopowe- suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%/ -wysokostopowe- suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%

2. Rodzaje stali według stopnia odtlenienia:- stale nieuspokojone- przy przepniecie we wlewnicy dochodzi do reakcji węgla z rozpuszczonym tlenem ,a tworzący się w wyniku tego tlenek węgla burzliwie uchodzi z ciekłej stali./ -stale półuspokojone- stężenie rozpuszczonego tlenu obniżono tak, aby przy jej krzepnięciu we wlewnicy dochodziło jedynie do ograniczonej reakcji węgla z tym pierwiastkiem. /-stale uspokojone- nie dochodzi do reakcji tlenu z węglem, a stal po wlaniu do wlewnicy zachowuje się spokojnie.

II. Klasyfikacja stali według własności i zastosowania.

1. Klasy jakości stali niestopowych: /-stale niestopowe podstawowe(np. stale miękkie na taśmy i blachy walcowane na gorąco lub zimno)/ -stale niestopowe jakościowe(np. stale konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia)/-stale niestopowe specjalne(np. stale niestopowe do nawęglania i ulepszania cieplnego, stale narzędziowe płytko i głęboko hartujące się)

2. Klasy jakości stali stopowych:/-stale stopowe jakościowe(np. stale na sprężyny)/ -stale stopowe specjalne( np. stale odporne na korozję, szybkotnące, na łożyska toczne)

Ogólna klasyfikacja klejów

Kleje:

1. Materiały nie organiczne-krzemiany

2. Żywice naturalne- skrobia i dekstryna, proteiny, guma naturalna

3. Żywice syntetyczne- termoplastyczne, termoutwardzalne, guma syntetyczna

Kleje wiążące fizycznie:

-kleje rozpuszczalnikowe- wiążące po odparowaniu rozpuszczalników, a wśród nich kontaktowe nakładane na obie powierzchnie klejone(kauczuki naturalne i syntetyczne) oraz przylepcowe, tworzące stałe lepkie powierzchnie (poliizobutylen, polietery winylowe, poliestry akrylowe, kauczuki naturalne i syntetyczne)

-kleje dyspersyjne- zawierające termoplastyczne żywice syntetyczne lub kauczuki zdyspergowane w wodzie

-kleje plastizolowe- otrzymywane przez dyspergowanie drobnoziarnistego PVC w zmiękczaczu i dodawanie promotora adhezji

-kleje topliwe- aktywizowane przez grzanie

-kleje termotopliwe- układane jako folie, a po stopnieniu wypełniające szczeliny i łączące po ostygnięciu

Kleje reaktywne wiążące chemicznie:

- kleje reaktywne jednoskładnikowe- polimeryzujące pod wpływem wilgoci lub stałych alkaliów (estry kwasu cyjanowego) lub wilgoci z powietrza( kleje silikonowe i izocjanianowe) albo anaerobowo po odcięciu dostępu powietrza i dociśnięciu klejonych powierzchni (dimetyloakrylany), a także po stopnieniu (żywice melaminowe, epoksydowe, fenolowe modyfikowane kauczukiem)

-kleje reaktywne dwuskładnikowe- zawierające spoiwa MMA (metakrylan metylu), żywice UP (poliestry nienasycone), EP (epoksydowe), poliizycyjanianowe bez rozpuszczalników lub rozpuszczalnikowe.

Materiał kompozytowy- jest to kombinacja dwóch lub więcej materiałów(elementy wzmacniające, wypełniacze) różniących się rodzajem składem chemicznym w skali makrocząsteczkowej.

Składniki kompozytu zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie.

Składniki kompozytu są identyfikowane fizycznie i wykazują powierzchnie rozdziału między sobą.

Materiały kompozytowe są wytwarzane sztucznie dla uzyskania własności, które nie mogą być osiągnięte oddzielnie przez żaden z występujących składników.

Podział materiałów kompozytowych

Materiał kompozytowy:

-poziom 1: Rodzaj osnowy

-poziom 2 : Rodzaj składników wzmacniających

Włókna aramidowe-powstają w wyniku reakcji kondensacji diaminy para fenylenu i chlorku tereftaliołu. Należą do polimerów ciekłokrystalicznych, co decyduje o ich anizotermicznych właściwościach i szczególnie dużych własnościach wytrzymałościowych w kierunku wzdłużnym.

Podstawowe znaczenie w kształtowaniu właściwości kompozytów włóknistych ma udział objętościowy włókien, a także ich długość. Dla osiowo obciążanych polimerowych kompozytów z osiowo ułożonymi włóknami optymalna długość włókien umacniających wynosi 2
i wówczas średnie naprężenie przenoszone przez te włókna wynosi 0,5
.

Charakterystyka i zakres stosowania żywic na osnowę kompozytów

Żywica:

-epoksydowa-dobre właściwości elektroizolacyjne, odporność chemiczna, duża wytrzymałość mechaniczna. Zast.: materiały kompozytowe umacniane włóknami i tkaninami, osprzęt elektryczny, oprzyrządowanie drukarskie.

-formaldehydowa-bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne, dobre właściwości cieplne, odporność termiczna. Zast.: materiały dekoracyjne, elektrotechniczne oprzyrządowanie elektryczne.

-poliestrowa-bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe, izolacyjne, uniwersalność, niska cena. Zast.: materiały kompozytowe włókniste, łódki i jachty, części samolotów, rury, osprzęt elektrotechniczny.

-fenolowa i fenolowo-formaldehydowa-niska cena, dobre właściwości elektroizolacyjne, odporność termiczna i chemiczna, niepalność. Zast.: materiały elektroizolacyjne, oprzyrządowanie elektrotechniczne, materiały na łożyska.

-silikonowa-wysoka odporność termiczna, dobre właściwości elektroizolacyjne, odporność na chemikalia. Zast.: materiały stosowane w przemyśle elektrotechnicznym, lotniczym, kosmicznym oraz chemicznym.

Materiały kompozytowe o osnowie metalowej

Osnowę tych materiałów stanowią monolityczne stopy metali, zwykle lekkich, ale także żarowytrzymałych nadstopów. Wzmacniane są włóknami boru, węglików, tlenków, wolframu o udziale objętościowym 10-70% materiału kompozytowego.

Metody wytwarzania kompozytów o osnowie metalowej wzmacnianych włóknami: odlewanie ciśnieniowe matrycowe , metalurgia proszków , dyfuzyjne zgrzewanie pakietów płyt, prasowanie lub walcowanie na gorąco , ciśnieniowe zestalanie w autoklawie w próżni , prasowanie ciągłe , odlewanie z gęstwy, suszenie, spiekanie, dogęszczanie izostatycznie na gorąco , metody hybrydowe (np. z wykorzystaniem infiltracji).

Materiały kompozytowe o osnowie ceramicznej i węglowej- są wytwarzane z wykorzystaniem zarówno technik konwencjonalnej metalurgii proszków ( w przypadku zastosowania cząstek, płytek, wiskerów, krótkich włókien nieciągłych) i nowych technik, wprowadzanych specjalnie dla otrzymania określonego kompozytu.

Zastosowanie kompozytów o osnowie ceramicznej:płytki do zbrojenia narzędzi skrawających,/ elementy odporne na zużycie/, elementy konstrukcji lotniczych, kosmicznych, wojskowych/zastosowanie przemysłowe, głównie silniki i elementy urządzeń energetycznych.

Stale odporne na korozję

Korozja może mieć charakter chemiczny lub elektrochemiczny.

Korozja chemiczna- to taka, która jest wywoływana przez gazy (O2, H2, Cl2, pary siarki, jodu, bromu), ciecze(benzen, fenol, ropa naftowa) lub ciekłe metale niebędące elektrolitami.

Korozja elektrochemiczna- jest spowodowana działaniem ogniw i mikroogniw miejscowych(lokalnych).

Wyróżnia się korozję: równomierną, wżerową , punktową, międzykrystaliczną , selektywną, naprężeniową, stykową, zmęczeniową

Ogólnie można stwierdzić , że skutkiem jest utrata przez materiał właściwości mechanicznych.

W warunkach korozji elektrochemicznej, jony metalu przechodzą do roztworu( metal ulega korozji) zawsze w obszarze anodowym. W stopach, konstrukcjach i częściach maszyn obszarami anodowymi są:

-w skojarzeniu dwóch metali, stopów lub faz ten materiał(metal), który w szeregu napięciowym jest bardziej elektroujemny

-miejsca o większej energii wewnętrznej, czyli o większym odstępstwie od równowagi strukturalnej i naprężeniowej

-obszar o mniejszym stężeniu reagenta, np. tlenu.

Ogólna klasyfikacja stali odpornych na korozję

Stale odporne na korozję, ze względu na skład chemiczny, dzieli się na: wysokochromowe, chromowo-niklowe, chromowo-niklowo-manganowe

Ze względu na strukturę dzieli się je na:

-ferrytyczne(12-25% Cr, i 0,07-0,2%C)

-ferrytyczno-martenzytyczne(do 0,3% C)

-martenzytyczne(12-18% Cr i 0,15-1,2% C)

-austenityczne(17-25% Cr, 8-30% Ni i 0,02-0,25% C)

-austenityczno-ferrytyczne(18-25% Cr, 4-7% Ni i 0,02-0,03% C i inne)

-utwardzane wydzieleniowo, zwykle wydzieleniami Cu

Materiały odporne na zużycie

Definicja zużycie tribologicznego

Zużycie tribologiczne- jest rodzajem zużycia spowodowanego procesami tarcia, w którym następuję zmiana masy oraz struktury i fizycznych własności warstw wierzchnich obszarów styków. Intensywność zużycia tribologicznego zależy od odporności obszarów tarcia warstw wierzchnich oraz od rodzaju oddziaływania.

Klasyfikacja zużycia tribologicznego

Procesy zużycia tribologicznego, które zwykle jest częstą, chociaż pośrednią przyczyną niesprawności i niezdatności maszyn i urządzeń można podzielić między innymi na: zużycie ścierne, zużycie adhezyjne , scuffing , zużycie z udziałem utleniania , zużycie zmęczeniowe

Odporność materiału na zużycie przez tarcie uzyskuje się poprzez: wysoką twardość, wytwarzanie ściśle określonego, dla danych warunków zużywania, stopnia i rodzaju heterogenizacji struktury.

Odbywa się to w wyniku sterowania składem chemicznym, procesami obróbki cieplnej, cieplno-plastycznej, itp.

Budowa chemiczna materiałów polimerowych

Materiały polimerowe to wieloskładnikowe związki chemiczne złożone z polimeru oraz z co najmniej jednego dodatku takiego jak: stabilizator, plastyfikator, napełniacz, antyutleniacz, barwnik, pigment, antystatyk, antypiren, nośnik.

Polimery powstają w wyniku poddania syntezie chemicznej wielu powtarzalnych jednostek strukturalnych zwanych monomerami. Są związkami wielocząsteczkowymi- masa cząsteczkowa>10 000.

W budowie chemicznej podstawowej jednostki monomeru uczestniczą pierwiastki takie jak:

C, H, O, N, Cl, F, S, Si, pomiędzy którymi powstają wiązania kowalencyjne.

Stabilizator- zapobiega przedwczesnej polimeryzacji, termicznej degradacji w czasie przetwórstwa(sole kadmu, baru, epoksydy) ograniczają degradację pod wpływem światła.

Plastryfikator- stosuje się do wytwarzania kauczukopodobnych elastycznych mas z PVC do regulacji wiązkości tworzyw sztucznych.

Napełniacz- służy do poprawy podatności na przetwarzanie przez zwiększenie przewodnictwa cieplnego oraz właściwości produktu końcowego(moduł sprężystości podłużnej), udarność, trwałość kształtu, odporność na odkształcenia termiczne(organiczne, mineralne, włókniste).

Barwnik- środki barwiące

Pigment- powoduje zachowanie trwałości w czasie użytkowania wyrobu

Antystatyk- zmniejsza oporność powierzchniową co powoduje nie przyciąganie kurzu ani gromadzenia ładunków elektrostatycznych

Antypiren- zmniejsza zapalność i palność tworzyw sztucznych

Nośnik- włókniny, tkaniny

Typy wiązań:

1. Pierwotne - silne (w łańcuchach makrocząsteczki)

2. Wtórne - słabe (pomiędzy łańcuchami)

1. Usieciowanie (silne wiązania pomiedzy łańcuchami

2. Usztywnianie łańcucha (tworzenie wiązań poprzecznych i łaczenie makrocząsteczek w podwójne łańcuchy

Polimery liniowe, termoplastyczne(termoplasty)- monomery z dwoma aktywnymi wiązaniami połączone w łańcuch siłami van der Waasala. Są to: polietylen, polichlorek winylu, polistyren, poliamid(nylon).

Polimery silnie usieciowane, utwardzalne(duroplasty)- monomery mające więcej niż dwa aktywne wiązania o budowie przestrzennej, która zapobiega mięknieniu podczas ogrzewania. Są to żywice: fenolowo- formaldehydowa(bakelit), epoksydowa, poliestrowa.

Łączenie monomerów w makrocząsteczki następuje podczas polireakcji. Są to procesy:

-polimeryzacji i kopolimeryzacji

-polikondensacji

-poliaddycji

Podstawowe stany fazowe termoplastycznych materiałów polimerowych z zależności od temperatury to: ciekły , amorficzny, krystaliczny, mezomorficzny(decyduje typ struktury polimeru) , szklisty

Typowe procesy technologiczne kształtowania materiałów polimerowych: wytłaczanie, rozdmuchiwanie , wtryskiwanie, termo formowanie, kalandrowanie, przędzenie, odlewanie, prasowanie, spienianie

Podstawowe cechy przemiany martenzytycznej:

-jest to przemiana bezdyfuzyjna, polega na przebudowie sieci przestrzennej, faza gamma w fazę alfa, bez dyfuzji węgla

-martenzyt powstaje przy ciągłym obniżaniu temperatury

-przemiana postępuje przez tworzenie się nowych igieł martenzytu , nie przez rozrastanie się poprzednio powstałych

-przemiana zostaje zahamowana przez rosnące naprężenia ściskające w austenicie, dlatego nie zachodzi do końca, zawsze pozostaje jakaś ilość austenitu szczątkowego

-naprężenia rozciągające i odkształcenia plastyczne ułatwiają przemianę martenzytyczną

-przemiana martenzytyczna w stalach jest przemianą nieodwracalną.

Martenzyt:

Przesycony roztwór stały węgla w żelazie alfa, powstający podczas przemiany austenitu przechłodzonego do temperatury, w której nie zachodzi dyfuzja węgla. Objętość właściwa martenzytu jest większa niż austenitu.Jest strukturą stali o największej twardości, ale jest także bardzo kruchy; do zastosowań inżynierskich powinien być dalej obrabiany cieplnie przez odpuszczanie.

Przemiana bainityczna:

Przemiana pośrednia zachodzi w temperaturze ok. 500-300 stopni C w warunkach utrudnionej dyfuzji.Łączy cechy przemiany perlitycznej i martenzytycznej:

W wyniku rozpadu austenitu tworzą się zorientowane względem austenitu płytki ferrytu, z którego następnie wydziela się cementyt o kształcie kulkowym, wydłużonym lub iglastym.

Staliwo: węglowe konstrukcyjne, stopowe konstrukcyjne, stopowe o specjalnych właściwościach

Żeliwo: szare z grafitem płatkowym, szare stopowe i specjalne, ciągliwe, sferoidalne

Stale do pracy w podwyższonej temperaturze

Stale stopowe do pracy w temperaturze podwyższonej do około 550 stopni C są stosowane w energetyce na urządzenia ciśnieniowe, rury kotłowe i przegrzewaczowe, do budowy turbin parowych, wodnych i gazowych, na armatury kotłów i turbin, zbiorniki ciśnieniowe itd.

Zjawiska zachodzące w stali w temp. podwyższonej powodują zwiększenie plastyczności, a odkształcenie trwałe zależy od jednoczesnego działania: naprężenia, czasu działania obciążenia , temperatury

Rodzaje stali do pracy w podwyższonej temperaturze

Ze względu na skład chemiczny stale dzielą się na:

-niskowęglowe- o stężeniu do 0,25% C

-średniowęglowe- o stężeniu węgla większym od 0,25%

-niskostopowe- o małym i średnim stężeniu węgla i łącznym stężeniu pierwiastków stopowych <3%

-średniostopowe- o średnim stężeniu węgla i stężeniu pierwiastków stopowych w zakresie 3-5%

-wysokostopowe- o dużym stężeniu pierwiastków stopowych przekraczającym 5%

Stale zaworowe

Stale zaworowe charakteryzują się dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin w temp. do około 750 stopni C. Odporność tę zapewniają głównie Si i Cr, stąd stale te często nazywa się silchromami.

Dużą twardość i odporność na ścieranie zapewnia im duże stężenie węgla (0,4-0,6%)

Stale zaworowe o strukturze austenitycznej mają większą wytrzymałość w wysokiej temp. niż stale o strukturze martenzytycznej. Stale zaworowe mają duże stężenie Cr i pierwiastków austenitycznych, tj. Ni, Mn i N. Dodatki W i Mo zwiększają żarowytrzymałość i rozdrabniają ziarna.

Obróbka cieplna stali zaworowych

Stale chromowo-krzemowe o strukturze martenzytycznej (w stanie wyżarzonym perlitycznej) poddaje się hartowaniu z temperatury 1000-1080 stopni C i odpuszczaniu w temp. 720-820 stopni C z chłodzeniem w powietrzu lub w wodzie (co zapobiega kruchości odpuszczania). Strukturę stali obrobionej cieplnie stanowi martenzyt wysokoodpuszczony. Stale o strukturze austenitycznej poddaje się przesycaniu z temp. 1140-1200 stopni C, z chłodzeniem w wodzie i starzeniu w temp. 760-830 stopni C. W wyniku tej obróbki otrzymuje się strukturę austenitu z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików oraz węglikoazotków.

Stellity

Stellity są to lane stopy kobaltu o składzie zbliżonym do nadstopów kobaltowych. Zawierają one 0,5-2,5% C, 35-55% Co, 25-33% Cr, 10-25% W, do 10% Fe. Ich struktura składa się z węglików wolframu i chromu rozmieszczonych w osnowie roztworu na bazie kobaltu. Stellity są spawalne, odporne na korozję- zwłaszcza w ługach i solach, a ponadto żarowytrzymałe.

Stopy łożyskowe

Stopy łożyskowe są stosowane do wytwarzania plastycznych panewek łożysk ślizgowych. Muszą spełniać następujące wymagania:

-niski współczynnik oporów(tarcia)

-niewrażliwość na zacieranie

-odpowiednia plastyczność, twardość i wytrzymałość na ściskanie

-odporność na ścieranie

-dobra przyczepność do panewki

-odpowiednia temperatura topliwości

-wysoki współczynnik przewodnictwa cieplnego

Powyższe wymagania spełniają stopy o strukturze mieszanej. W miękkiej osnowie są równomiernie rozmieszczone twarde kryształy, które przenoszą obciążenia i przekazują je na całą panewkę.

Techniki stosowane w inżynierii powierzchni

Implantacja jonowa

Technika ta polega na wprowadzaniu (implantowaniu) do warstwy wierzchniej materiału zjonizowanych atomów pierwiastków stopowych. Jest to możliwe dzięki dużej energii kinetycznej nabywanej w próżni w przyspieszającym i koncentrującym jony w wiązkę polu elektrycznym. Jony wnikają w głąb materiału, tracą swoją energię na elektronach i jądrach atomowych i zostają osadzone w warstwie implantowanej.

Implantowaniu poddaję się głównie stopy żelaza i metali nieżelaznych. Jonami natomiast są jony B, N, C, P, Ti, Cr, Y, Co.

W wyniku implantacji otrzymuje się warstwy wierzchnie o strukturach: metastabilnych , amorficznych , przesyconych roztworów, umocnionych dyspersyjnie

Mają one podwyższone właściwości mechaniczne i są one odporne na: korozję , ścieranie, zmęczenie

Obróbce implantacyjnej poddaje się narzędzia skrawające, matryce, stemple, walce, nożyce, łożyska

Techniki elektronowe

Na materiał kierowana jest wiązka elektronów o mocy kilkudziesięciu kW, skoncentrowana na niewielką powierzchnię(zwykle kilku m
). Powierzchnia ta ulega nagrzaniu, a szybkość nagrzewu powinna osiągać
-
K/s. W rezultacie w nadzwyczaj krótkim czasie dochodzi to silnego nagrzania lub roztopienia cienkiej warstwy powierzchniowej materiału. Różnica temperatur między nagrzaną warstwą a materiałem położonym głębiej pozwala na tzw. samochłodzenie. Jeżeli masa (objętość) materiału nienagrzanego jest 5 razy większa od nagrzanego, to można przyjąć, że czas schładzania jest porównywalny z szybkością nagrzewania. Czas nagrzewania może zawierać się w zakresie od mikrosekund do sekundy.

Zakres stosowania tej techniki: wyżarzanie, hartowanie bez przetapiania i z przetapianiem, stopowanie, natapiania i przetapiania uszczelniającego, szkliwienia

Za pomocą tej techniki można wytwarzać: warstwy kompozytowe, wprowadzać pierwiastki stopowe, rafinować warstwę wierzchnią metali

Technologia hartowania elektronowego jest stosowana przy produkcji, między innymi: wałów korbowych , pierścieni, tulei cylindrów, wałków, krzywek, popychaczy, krawędzi matryc, narzędzi skrawających

Techniki CVD

Metody CVD (chemical Vapour - Deposition) służą do osadzania warstwy z fazy gazowej z udziałem reakcji chemicznej w celu wytworzenia warstw odpornych na ścieranie i działanie korozyjne środowiska.

Umożliwiają one wytworzenie warstw powierzchniowych: z węglików , z azotków, z borków, wielowarstwowych, kompozytowych

Techniki PVD

Metody PVD (Physical Vapour Deposition) to fizyczne osadzanie warstwy z fazy gazowej. Polegają one na kondensacji kierowanych elektrycznie zjonizowanych cząstek plazmy na stosunkowo zimnym podłożu (300-500 stopni C) przy ciśnieniu obniżonym 10-
Pa.

Cecha charakterystyczną metod PVD jest adhezyjne połączenie pokrycia z podłożem. Zwiększenie przyczepności pokrycia jest możliwe w ograniczonym zakresie poprzez nieznaczne procesy dyfuzyjne

Proces składa się z następujących elementów:

-wytworzenie par metali i stopów

-jonizacja elektryczna dostarczonych gazów i wytworzonych par metali lub stopów

-krystalizacja z plazmy metalu lub związku

-kondensacja składników plazmy na względnie zimnym podłożu

Techniki laserowe

Lasery stosowane w inżynierii powierzchni generują głównie promieniowanie podczerwone i stosuje się je jako źródło szybkiego nagrzewu lokalnego(zogniskowanego) o dużej gęstości mocy. Nagrzew może być ciągły bądź impulsowy. Gęstość mocy doprowadzonej do powierzchni reguluje się poprzez sterowanie zogniskowaniem wiązki i czasem ekspozycji.

Techniki laserowe najczęściej stosuje się do hartowania, wyżarzania, odpuszczania, szkliwienia, stopowania, natapiania.

Techniki laserowe stwarzają możliwość wytwarzania w warstwie powierzchniowej nowych zestawów stopowych. Można topić jednocześnie materiał bazowy (matrycę) i nowy stop lub pierwiastek stopowy, które w procesie ulegają wymieszaniu. Wprowadza się w ten sposób pierwiastki takie, jak: B, N, C, P, Ti, Cr, Y, Co, a także węgliki, borki, azotki.

Techniki laserowe wykorzystuje się do: cięcia , spawania, umacniania gniazd zaworów w silnikach, umacniania przegród pomiędzy komorami spalania, obróbki gniazd dysz palnikowych, hartowania i obróbek cieplnych, nadtapiania

Techniki jarzeniowe

Są to procesy obróbki cieplno- chemicznej a atmosferze gazowej z wykorzystaniem zjawiska wyładowania jarzeniowego. Przedmioty obrabiane stanowiące katodę umieszcza się w komorze roboczej, której ścianki i odpowiednie ekrany są anodą.

Gaz reaktywny wprowadza się do komory roboczej przy ciśnieniach 1-13 hPa w tzw. próżni dynamicznej, tj. przy ciągłym przepływie określonej mieszaniny gazowej. Różnica potencjałów między anodą a katodą wynosi 400-800V. Przedmiot obrabiany (katoda) nagrzewa się od przykatodowych wyładowań elektrycznych i na skutek bombardowania jonami gazu.

Techniki jarzeniowe należą do technik plazmowych. W wyniku złożonych procesów oddziaływania pierwiastków gazu reaktywnego z podłożem katody następuje nasycenie wierzchniej warstwy materiału np. azotem. Azotowanie jest najpowszechniej stosowaną technika jarzeniową.

Azotowanie jarzeniowe stosowane w szerokim zakresie temperatur (400-590 stopni C) umożliwia uzyskanie różnych struktur i rozkładów twardości w warstwie wierzchniej. Techniką tą obrabia się narzędzia i części pracujące w warunkach zużycia przez tarcie, nierzadko w podwyższonych temperaturach np. matryce kuzienne, odlewnicze formy ciśnieniowe, frezy, koła zębate, wykrojniki itd. Obróbką jarzeniową realizuje się złożone procesy cieplno- chemiczne (dyfuzyjne), a mianowicie węgloazotowanie, siarkoazotowanie, borowanie.

Tworzywa sztuczne

W potocznym rozumieniu często używa się zamiennie nazw: tworzywa sztuczne, tworzywa polimerowe(materiały polimerowe).

Tworzywa sztuczne są organicznymi lub półorganicznymi materiałami o dużym ciężarze cząsteczkowym. Składają się z bardzo rozbudowanych cząsteczek(polimerów), które łącząc się tworzą łańcuchy polimerów.

Bardziej adekwatną nazwą dla materiału podstawowego jest nazwa materiał polimerowy .

Natomiast jego techniczne przetworzenie daje tworzywo spełniające określoną funkcję- materiał funkcjonalny (często dla tej postaci mówimy tworzywo sztuczne).

Materiały polimerowe można sklasyfikować ze względu na własności reologiczne i związane z tym procesy technologiczne przetwórstwa na: elastomery, plastomery

Elastomery- cechują się tym, że przy naprężeniach wykazują duże odkształcenie (do 100%). Ta właściwość elastomeru wynika z niższej temperatury zeszklenia od temperatury pokojowej i tym samym temperatura użytkowania znajduje się e stanie wysokosprężystym.

Plastomery- wykazują bardzo małe odkształcenie (mniejsze niż 1%). Zalicza się do nich:

-termoplasty(amorficzne i krystaliczne)

-duroplasty(chemoutwardzalne i termoutwardzalne)

Żaroodporność- to odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza i spalin i ich agresywnych składników w temp. powyżej 550 stopni C. Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny, która utrudnia dyfuzję utleniacza i jonów metalu.Stale żaroodporne to niskowęglowe stale o strukturze ferrytu lub austenitu o dużym stężeniu Cr, Ni oraz Si i Al.

Żarowytrzymałość- to odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze, powyżej 550 stopni C.

Dużą żarowytrzymałością cechują się stale o strukturze austenitycznej.

Struktury

W zależności od składu chemicznego i struktury stale żaroodporne i żarowytrzymałe można podzielić na:

-chromowe i chromowo-krzemowe - o strukturze ferrytyczno-perlitycznej w stanie równowagi, hartujące się na martenzyt po ochłodzeniu w powietrzu

-wysokochromowe z dodatkiem aluminium i podwyższonym stężeniem krzemu- o strukturze ferrytycznej z wydzieleniami węglików

-chromowo-niklowe(zawierające do ok. 5% Ni)- o strukturze ferrytyczno-austenitycznej

-chromowo-niklowe(lub chromowo-niklowo-manganowe)- o strukturze austenitycznej( z niewielkim udziałem węglików lub węglikoazotków)

-chromowo-niklowe z dodatkiem krzemu- o strukturze austenitycznej z wydzieleniami węglików .

Własności i zastosowanie

Stale ferrytyczne uzyskują własności wysokiej wytrzymałości na pełzanie po wyżarzaniu w temp. 780 do 930 stopni C, natomiast austenityczne po przesycaniu w 1000 do 1150 stopni C. Stale ferrytyczne są stosowane na nieobciążone mechaniczne elementy aparatury chemicznej, pieców i kotłów przemysłowych, elementy palników gazowych, skrzynie do nawęglania. Stale austenityczne o wysokiej żarowytrzymałości są stosowane na podobne elementy lecz obciążone mechanicznie.

Ceramika tworzywa/wyroby otrzymywane w wyniku wypalenia odpowiednio uformowanej gliny. Obecnie jako ceramikę rozumie się wszystkie tworzywa/wyroby nieorganiczno-niemetaliczne, w trakcie otrzymywania których istotnym procesem jest obróbka cieplna, np. spiekanie lub prażenie.

Klasyczny proces produkcji wyrobów ceramicznych polega na dokładnym wymieszaniu odpowiednich surowców, formowaniu, wysuszeniu i wypaleniu (jednokrotnym lub wielokrotnym). Proces wypalania odbywa się w piecach: tunelowych, komorowych (ceramika budowlana sanitarna itp.) oraz w piecach grafitowych i innych, często o kontrolowanej atmosferze wypalania (ceramika specjalna). Temperatura wypalania mieści się w zakresie od 900°C (ceramika budowlana) do 2000°C (ceramika węglikowa). W wysokich temperaturach zachodzi zjawisko spiekania, w wyniku którego otrzymuje się czerep o pożądanej gęstości znacznie mniejszej od gęstości surowca, ze względu na usunięcie wody podczas obróbki termicznej. Niektóre wyroby ceramiczne po wypaleniu pokrywa się szkliwem.

Ceramika znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki, np. w budownictwie, elektronice, hutnictwie a także w przemyśle kosmicznym itp. Powszechne są również ceramiczne elementy wyposażenia domu, zwłaszcza kuchni, takie jak: zastawa stołowa, niewielkie pojemniki i inne akcesoria oraz wyroby dekoracyjne. Wyroby ceramiczne bardzo często stosowane są w miejscach narażonych na działanie czynników atmosferycznych, agresywnych substancji, wysokich temperatur itp.

Materiały ceramiczne są tworzone głównie z materii nieorganicznej, z wyłączeniem metali i ich stopów. Technologia wytwarzania opiera się zazwyczaj na spiekaniu. Dawniej ceramiką nazywano dziedzinę nauki obejmującą technologie przetwórstwa gliny oraz jej mieszaniu z przeróżnymi materiałami mineralnymi i organicznymi: wypalane w piecach do stanu spieczenia; w ten sposób powstawały m.in. cegły.

Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych, np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów stanowiących fazę wiążącą, o udziale masowym 5÷15%, wykazując gęstość prawie teoretyczną. Materiały te bywają również zaliczane w skład ceramiki inżynierskiej lub w skład materiałów kompozytowych

Cermetale są wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem w wysokiej temperaturze, najczęściej niższej od temperatury topnienia każdego ze składników. Niektóre z tych materiałów mogą być poddawane obróbce cieplnej, podobnie jak stopy metali. Najbardziej typowymi przedstawicielami tej grupy materiałów inżynierskich są węgliki spiekane i cermetale narzędziowe..

---