Tema de cercetare

Prelucrarea

suprafetelor prin

vapori chimici si fizici.

1.1 Generalitati

Este cunoscut faptul că după un anumit număr de ore de funcţionare, utilajele nu mai au aceiaşi indici de exploatare, starea tehnică se înrăutăţeşte şi apare necesitatea efectuării reparaţiilor prin care maşina să fie repusă în stare normală de funcţionare, pe o perioadă de timp determinată.

Modificările care apar în urma fenomenelor de uzură la nivelul suprafeţelor conduc către o politică managerială, care să permită refacerea calităţilor iniţiale ale acestora. Perioada de timp după care un anumit tip de maşină are nevoie de reparaţie, s-a determinat pe baze statistice pentru fiecare tip aparte. De asemenea, dacă din punct de vedere tehnic reparaţiile se pot face în număr nelimitat, putându-se crede că un anumit tip de maşină poate fi utilizată un timp nedefinit, după anumite criterii tehnico-economice se poate stabili cu precizie câte reparaţii capitale se pot face unui utilaj, pentru ca exploatarea acestuia să fie economică.

Dacă un utilaj nou funcţionează pînă la prima reparaţie capitală, timp de 6300 ore. După prima reparaţie timpul se scurtează la 5100 ore, aceasta putându-se repeta o dată sau de două ori, cu timp de funcţionare normală între ele din ce în ce mai mic.Rezultă că utilajul de tipul menţionat, poate fi exploatat în condiţiile normale, timp de 8-10 ani, prima reparaţie capitală efectuându-se după aproximativ 3 ani de funcţionare.

Dacă utilajele, ajunse la limita funcţionării normale, în loc să li se refacă parametrii iniţiali prin reparare, se reformează, s-ar obţine pierderi impresionante pe economia naţională.

1.2. Siguranţa în funcţionare

Siguranţa în funcţionare reprezintă un indicator cantitativ, prin care se înţelege capacitatea unei piese sau a unui produs, de a funcţiona potrivit destinaţiei pentru care au fost fabricate, cu cheltuieli minime, în perioada şi în condiţiile de exploatare date.

Maşinile lucrând în condiţiile grele de exploatare, au siguranţa în funcţionare în strânsă legătură cu uniformitatea uzurii principalelor elemente componente şi cu modificarea în timp a structurii şi proprietăţilor fizicochimice ale materialelor, mai ales în zona stratului superficial al suprafeţelor.

Evaluarea siguranţei în funcţionare se face pe cale statistică, pe baza observaţiilor din timpul încercării prototipului, sau în procesul exploatării maşinii şi este în strânsă legătură cu destinaţia acesteia, condiţiile ei de funcţionare şi o perioadă de timp determinată.

Evoluţia noţiunii de calitate către cea de siguranţă în funcţionare şi cumularea lor cu elementul timp, în noţiunea complexă de fiabilitate, pe baza calculului probabilităţilor şi a statisticii matematice, diminuiază influenţa factorilor aleatori în favoarea celor cerţi, în construcţia şi exploatarea maşinilor.

2. DURIFICAREA SUPRAFETELOR PRIN ACOPERIRI CVD ŞI PVD

În ultima perioadă a crescut interesul pentru tratamentele de suprafaţă, care reduc costul recondiţionării suprafeţelor şi duc la creşterea durabilităţii lor. Modificarea suprafeţei, procesele de acoperire ca şi carburarea, depunerea vaporilor chimici CVD (Chemical Vapour Despo-sition), pulverizarea metalică şi nitrurarea au fost dezvoltate ca să prelungească viaţa pieselor de uzură. În ultimii ani au fost introduse procese noi ca: implantarea ionică şi depunerea de vapori fizici PVD (Physical Vapour Deposition) (tabelul 2.1).

Tabelul 2.1. Procedee termice de tratament la suprafaţă

Două tratamente eficiente sunt CVD şi PVD ale căror principale acoperiri sunt carbura de titan (TiC) şi nitrura de titan (TiN). CVD a fost aplicată cu succes la oţeluri în timp ce PVD aplicat sculelor din oţel rapid a revoluţionat industria.

Fig 2.1. Utilaj folosit pentru tratarea PVD a suprafetelor

Acoperirile cu TiN şi TiC măresc durabilitatea sculelor sporind rezistenţa la coroziune şi acţionează ca o barieră chimică şi termică contra difuziei şi fuziunii. Acoperirile sunt foarte dure şi sunt aplicate în straturi foarte subţiri 2...8 :m. Acoperirile sunt, de asemenea, foarte lubrefiante, lucru care serveşte pentru un coeficient de frecare mai redus. O sculă din oţelrapid acoperită cu TiN şi TiC are o duritate mare la suprafaţă aşa cum reiese din tabelul 2.2.

Tabelul 2.2. Durităţi pentru diferite suprafeţe

TiN are o culoare aurie aprinsă, are o duritate cuprinsă între 2500 şi 3000 HV şi are o excelentă proprietate de ungere. Acoperirile cu TiN sunt folosite de obicei pentru scule aşchietoare, punctatoare şi filiere. TiC este gri metalic cu o durabilitate de 3000-4000 HV. TiN şi TiC se oxidează în aer la temperaturi mai mari decât 5000C, de aceea nu se pot folosi acolo unde prelucrarea se face la temperaturi mai mari şi în prezenţa oxigenului. În aplicaţiile în care numai piesa este incandescentă şi sculele sunt expuse doar intermitent la temperaturi înalte, sculele acoperite sunt foarte bune.

În unele aplicaţii alternarea stratelor de TiC şi TiN oferă rezultate mai bune decât un singur strat, combinându-le efectele.

Tabelul 2.3. Aplicaţii ale acoperirilor CVD şi PVD

1.1. Depunerea vaporilor chimici (CVD)

CVD este un proces de reacţie chimică în gaz care are loc la temperaturi între 950 şi 11000C. Sculele trebuie acoperite cu un strat dur, trebuie bine pregătite şi curăţate. În cele mai multe aplicaţii, geometria sculei prezintă o formă optimă şi o finisare a suprafeţei după câteva cicluri de acoperire. La acoperire trebuie acordată o mare atenţie muchiilor sculelor sau pieselor. Piesele curăţite sunt încărcate în reactorul CVD pe rafturi.

Armăturile de grafit sunt utilizate pentru că sunt ieftine în comparaţie cu oţelurile inoxidabile sau aliajele pe bază de Ni şi au o bună comportare la compresie în condiţiile unei temperaturi înalte.

Piesele sunt aduse la temperatura de acoperire (10500C) într-o atmosferă inertă. Ciclul de acoperire începe prin introducerea vaporilor de tetraclorură de titan (TiCl4) şi metan (CH4), ori azot (N2) în reactor. Vaporii de TiCl4 sunt transportaţi în reactor printr-un gaz portant cum ar fi hidrogenul.

Reacţiile chimice pentru formarea TiN şi TiC sunt:TiCl4 + CH4 + H2 9500C TiC + 4HCl + H2 (8.1)TiCl4 + N2 + H2 11000C TiN + 4 HCL + N2

În figura 2.2. se prezintă schema sistemului CVD multiarc.

Fig.2.2. Schema sistemului CVD multiarc

Gazul derivat HCl rezultat din reacţia chimică este scos din reactor într-un epurator unde este neutralizat. La înlocuirea metanului cu azotul se formează azotatul de titan(TiN). Acoperirea în mai multe straturi cu TiC/TiN se face în acelaşi ciclu, depunându-se întâi TiC prin utilizarea CH4 după care se depune TiN, azotul fiind reactant.

Depuse prin CVD, TiC şi TiN cresc pe atomii de carburi prezentate în oţeluri rapide. S-a demonstrat că un minim de 0,5% carbon, 1,5% crom şi 1% tungusten, vanadiu ori molibden este necesar ca să asigure o reţea continuă pentru o bună acoperire.Oţelurile inferioare nu fac straturi acceptabile datorită concentraţiilor mici de carbon şi faptului că temperaturile austenitice sunt mult mai joase decât temperatura de acoperire CVD.Ciclul de acoperire CVD constă în aproximativ 3 ore de încălzire, 4 de acoperire şi 6-8 ore de răcire. Pentru că temperatura de acoperire este superioară temperaturii de normalizare a oţelurilor rapide este necesară durificarea sculelor din oţel după acoperirea cu CVD.

Durificarea trebuie făcută într-o incintă astfel ca acoperirile CVD să nu se oxideze. Pentru că tratamentul termic al sculelor finisate poate atrage deformaţii, sculele trebuie prelucrate astfel încât să suporte dilatările sau contractările care pot apare. În general sculele din oţel rapid cu toleranţe mai mici pot fi acoperite CVD, o deosebită grijă trebuie avută în timpul acoperirii şi tratamentelor termice pentru evitarea dilatării, contractării sau deformaţiilor excesive.

Parametrul cheie în tratamentul termic al pieselor acoperite CVD este de a încălzi piesele după acoperire şi a le căli rapid de la 12000C la 9500C într-un minut.

a. Depunerea vaporilor fizici (PVD)

PVD este cea mai nouă metodă pentru aplicarea acoperirilor rezistente. Există trei tehnici PVD diferite: pulverizarea, implantarea ionică şi evaporarea în arc. Toate se petrec într-o incintă. Reacţia atomilor de Ti, a ionilor generaţi prin pulverizare sau sursă de evaporare, atmosfera parţială de azot care este introdusă în incintă, formează o acoperire de TiN pe suprafaţa sculelor aflate în incintă. Diferenţa dintre cele trei procese constă în metoda prin care materialul de acoperire se transformă dintr-o stare solidă în una atomică.

În timpul procesului de acoperire PVD piesele şi sculele de acoperit sunt încălzite. Temperatura maximă depinde de mărimea lor şi de grosimea acoperirii. Această temperatură trebuie controlată pentru a se evita modificările metalurgice sau dimensionale nedorite. Pentru obţinerea unei acoperiri uniforme una sau mai multe surse ale materialului de acoperire pot fi puse în încintă, iar încărcătura rotită în timpul procesului. Procesul de evaporare (fig.8.2) este metoda cea mai nouă de acoperire PVD.

Sursele de evaporare produc un procent mai mare de ioni decât celelalte tehnici (60% sau 80% ioni pe lângă 1% sau 5%), iar ionii au un nivel energetic mult mai înalt decât cei produşi prin pulverizare sau alte tehnici de evaporare (50-150 eV faţă de 1-4 eV). Beneficiul acestei energii mai mari este un control sporit asupra structurii cristalografice a acoperirii şio adeziune mai mare.

La procesele PVD, operaţiile de pregătire şi curăţire a sculelor sunt similare cu cele de la CVD.

Datorită faptului că temperatura procesului PVD este mai mică, adeziunea acoperirii depinde în mare măsură de curăţirea suprafeţei.

Fig.2.3. Procesul de evaporare la acoperiri PVD

b. Acoperirea suprafeţelor cu nitrură de titan prin procesul PVD

Depunerea unor straturi subţiri de TiN, ultradure, pe piese în general şi pe sculele aşchietoare în special, îşi găseşte explicaţia în creşterea rezistenţei la uzură. Reducerea uzurii sculelor este importantă atât pentru menţinerea calităţii producţiei cât şi pentru atingerea unor productivităţi înalte.

Acoperirile ceramice a sculelor cu TiN au fost folosite încă din 1960. Aceste acoperiri au fost realizate prin procedeul de depunere chimică de vapori (CVD). Acoperirile prin CVD prezintă dezavantaje în cazul sculelor din oţeluri rapide. CVD are loc la temperaturi între 850-11000C şi de aceea nu poate fi folosit fără să producă deformaţii, înmuieri sau fără să ridiceprobleme de tratament termic după depunere.

Dezvoltarea depunerilor fizice de vapori (PVD) a permis depunerea unor straturi pure de ceramici dure pe sculele aşchietoare la temperaturi sub temperatura de normalizare. Cel mai bun material de depus pentru temperaturi sau schimbări măsurabile de volum.

Nitrura de titan, când este depusă prin PVD, are următoarele proprietăţi:a) duritate mare (2500-3000 HV) în comparaţie cu oţelurile rapide;b) rezistenţa bună la abaraziune şi coeficient redus de frecare;c) rezistenţă mare la coroziune şi proprietăţi chimice stabile la temperaturi mari;d) solubilitate mică în oţel chiar sub 13500C;e) conductibilitate termică mare şi temperatură de topire înaltă (29500C) comparativ cu oţelurile rapide (1250-13000C).

TiN are o structură cubică cu feţe centrate de tipul NaCl în care Ti ocupă poziţia atomilor de clor. Parametrul reţelei, compoziţia şi duritatea variază în funcţie de temperatura şi tehnica utilizată în producerea compusului.

Depunerile inerte reduc uzura prin adeziune prin micşorarea lungimii zonei de contact dintre sculă şi aşchie, scăzând astfel temperatura sculei şi gradul de deformare plastică superficială.

Uzura abrazivă este redusă ca urmare a durităţii înalte a stratului depus şi a micşorării temperaturii acestuia.Procesul are loc într-o incintă vidată, prin reacţia vaporilor de titan în plasmă sau descărcări luminiscente.

Procedeul a rezultat prin pulverizarea ionică şi sistemul diodă DC (fig.2.4). Acest procedeu a fost folosit pentru depunerea straturilor metalice. Pentru depunerea unor straturi şi adeziuni superioare este necesară creşterea ionizării materialelor evaporate. S-au dezvoltat astfel sistemele BARE (.Based Activated Reaction Evaporation.) şi sistemul triodă (fig.2.5).

Fig.2.4. Sistemul DC Fig.2.5. Sistemul BARE

i. Acoperirea suprafeţelor cu nitrură de titan

Procesul de depunere fizică de vapori (PVD) are următoarele faze:

1) Cur ăţ irea prin pulverizare . Sculele şi piesele curăţate în prealabil sunt introduse într-o incintă care este apoi vidată. Se introduce un flux controlat de argon şi se aplică un potenţial negativ sculelor care să inducă o descărcare luminiscentă sau plasmă. Ionii pozitivi de argon generaţi astfel se ciocnesc cu sculele încărcate negativ. Acest bombardament cu ioni curăţă şi activează suprafaţa.

2) Cur ăţ irea prin pulverizare ş i înc ă lzire . Când este necesară curăţirea ionică este continuată până ce sculele sunt încălzite la 3500C. Prin aceasta se realizează un grad înalt de curăţire şi o adeziune bună.

3) Depunerea . Titanul, aşezat în partea inferioară a incintei, se evaporă cu ajutorul unui bombardament cu electronii produşi de un tun electronic. Se introduce un flux controlat de azot în încăpere. Vaporii de titan şi azot sunt ionizaţi. Deoarece piesele sunt menţinute la un potenţial negativ ele atrag ionii pozitivi de titan şi azot, pe suprafaţa lor formându-se un strat cu o putere de adeziune excelentă.

Acest procedeu ridică două grupe de probleme: legate de proces şi de materialul pe care se face depunerea. În primul caz de adeziune e singurul factor mai important. De aceea au apărut tehnici noi care să asigure un grad înalt de curăţenie şi sensibilitate a suprafeţei pe care urmează să se facă depunerea.

Acolo unde apar eşecuri premature ale pieselor acoperite, acestea sunt rezultatele substratului suport inadecvat depunerilor. Dacă piesa eşuează prin deformare plastică superficală atunci adăugarea unei depuneri nu îi vor îmbunătăţi durata de funcţionare. În acest condiţii substratul va .zbura. dând naştere unor crăpături şi deci impresia vizuală poate fi aceea că uzura estemotivul eşecului.

La o examinare mai atentă se observă o deformare plastică a substratului suprafeţei. În aceste cazuri se sugerează examinarea prealabilă a tipurilor de materiale, a condiţiilor de tratare şi chiar a formei piesei. Acoperirea sculelor cu TiN a determinat creşterea cu 300-800% a durabilităţii acestora. Acoperirile asigură un număr mai mare de piese/ascuţire şi viteze de aşchiere mai mari.

c. Instalaţii pentru acoperiri CVD şi PVD

Bazată pe pulverizarea catodică tip magnetron în atmosferă reactivă, instalaţiile de depunere se remarcă prin uniformitatea depunerii, cicluri rapide de lucru şi uşurinţa în exploatare.

Instalaţiile sunt utilizate pentru acoperirea în flux tehnologic a sculelor cu nitrură de titan, carbură de titan, nitrură de aluminiu, aliaje stelite. CoCrAl(M) etc.

Schema bloc a unei instalaţii se prezintă în figura 2.6.

O instalaţie pentru acoperiri CVD şi PVD se compune din:

1. Camera tehnologică (1) cu următoarele dotări:

- magnetroane;- ferestre de vizitare;- suport port-piese rotativ, cu viteză variabilă;- alimentare electrică a suportului port-piese (0-3 kV);- control în infraroşu a şarjei;- control automat al debitului pentru trei gaze de lucru;- viteză variabilă automată a grupului de vid;- buclă de reglaj automat a presiunii;

2. Alimentarea electrică:- o sursă de înaltă tensiune (0-3 kV, 300 mA);- surse individuale de alimentare cu curent continuu amagnetroanelor (0-600 V minim, 10 kW fiecare;

3. Sistem de vidare:- agregat de vid cu pompă de difuzie şi capcană cu azot lichid;- control automat centralizat al ciclului de vidare . admise aer cu

presiunea finală de minim 5 x 10-5 torri.

Camera tehnologică a instalaţiei este o incintă cilindrică verticală din oţel inoxidabil austenitic cu pereţi dubli răciţi cu apă şi cu trei electrozi de pulverizare de tipul magnetron rectangular, montaţi de-a lungul pereţilor incintei. Un suport port-scule rotativ este montat în axul camerei. Această simetrie cilindrică aproape perfectă face ca toate sculele din şarjă să se afle în condiţii identice de depunere pentru asigurarea unor grosimi uniforme şi de calitate foarte bună.

Cele trei magnetroane lucrând la putere mare, într-un spaţiu restrâns, crează efectul de ionizare mutuală, conducând la un grad ridicat de densitate a plasmei şi o stabilitate crescută la presiuni scăzute de lucru. Aceşti doi factori conduc la producerea de depuneri cu structură internă excelentă, aderenţa crescută, uniformitate, bună rezistenţă la uzură şi aspect atractiv(galben-auriu).

Sistemul face posibilă acoperirea unei mari cantităţi de scule, practic putând fi utilizat întregul volum al incintei. Volumul redus al camerei de reacţie combinat cu un grup de vidare de mare viteză conduce la reducerea ciclului de lucru. Automatizarea ciclului de producţie determină o bună reproductibilitate a tehnologiilor. Prin adaptarea sistemului de prindere pot fiacoperite şi alte repere cum ar fi: broşe, matriţe, bolţuri, angrenaje etc.

Duritatea obţinută este de 2400-2500 HV (pentru TiN).

Bibliografie:

1. Tehnologii de procesare a suprafeþelor - Doru Bardac,Constantin Rânea, Dragos Paraschiv-Iasi: Junimea, 2005

2. www . scribd.ro 3. Bădărău, E. . Fizica descărcării în gaze, Bucureşti, Editura Didactică şi Pedagogică, 19924. Bonetti, R. . Acoperiri dure pentru mărirea duratei de utilizare a sculelor obţinută prin depunere

chimică de vapori, În: Metal Progress, SUA, 119, nr.7, ian.1981.