Modifikasi fisika-kimia dipahami sebagai perubahan yang disengaja pada sifat permukaan sebagai akibat dari pengaruh eksternal teknologi. Hal ini mengacu pada perubahan struktur material pada lapisan permukaan tipis karena dampak fisik (berkas ion dan elektron, plasma suhu rendah dan suhu tinggi, pelepasan listrik, dll.) atau dampak kimia, yang mengarah pada pembentukan bahan kimia. senyawa berdasarkan bahan dasar pada permukaan lapisan (oksidasi kimia, elektrokimia dan termal, fosfat, sulfidasi, nitridasi plasma, dll.).
Jelas terlihat bahwa tidak ada batasan klasifikasi yang jelas antara proses modifikasi fisikokimia dan pengerasan permukaan.
Di antara banyak metode modifikasi fisikokimia, yang paling menjanjikan adalah implantasi ion, anodisasi, khususnya pulsed (pemrosesan dalam plasma elektrolit), dan pengerasan laser.
Implantasi ion adalah metode modifikasi fisikokimia yang relatif baru berdasarkan pemasukan ion-ion yang dipercepat dari unsur-unsur paduan ke dalam lapisan permukaan.
|
Beras. 19.12. Diagram instalasi implantasi ion dengan akselerator linier (A ) dari D-implantaiii (B):
1 - sumber ion; 2 - sistem ekstraksi ion; 3 - pemisah; 4 - magnet pemfokusan; 5 - akselerator linier; 6 - sistem defleksi elektrostatik; 7 - aliran ion; 8 - bagian yang mengeras
Ion yang ditanamkan memiliki kedalaman penetrasi yang dangkal, namun pengaruhnya meluas lebih jauh dari permukaan.
Ciri-ciri implantasi ion berikut dapat dibedakan:
Kemungkinan terbentuknya paduan pada permukaan yang tidak dapat diperoleh dalam kondisi normal karena terbatasnya kelarutan atau difusi komponen. Dalam beberapa kasus, batas kelarutan kesetimbangan terlampaui beberapa kali lipat;
Doping tidak terkait dengan proses difusi, dengan pengecualian modifikasi bahan implantasi ion pada kepadatan arus tinggi, ketika difusi komponen yang terstimulasi radiasi diamati;
Prosesnya berlangsung pada suhu rendah (kurang dari 150 °C), tanpa mengubah sifat mekanik material. Metode ini memungkinkan pemrosesan bahan yang peka terhadap panas;
Tidak ada perubahan nyata pada ukuran bagian setelah implantasi;
Permukaan yang dimodifikasi tidak memerlukan penyelesaian lebih lanjut;
Prosesnya terkontrol dengan baik dan dapat direproduksi;
Kebersihan ekologis proses;
Hanya permukaan terbuka yang terkena iradiasi ion secara langsung yang dikeraskan;
Kedalaman kecil dari lapisan yang dimodifikasi;
Biaya peralatan yang relatif tinggi.
Instalasi untuk implantasi berkas ion berisi sumber ion, sistem “penarik” ion 2, pemisah ion 3, lensa pemfokusan magnetik 4, akselerator linier 5, dan sistem defleksi elektrostatis b. Dalam praktiknya, sumber ion kontinu dan berdenyut dengan berbagai desain digunakan, menghasilkan ion gas (dari hidrogen hingga kripton) dan logam (dengan katoda panas dan dingin, magnetron, diaplasmtron, dll.). Ion-ion yang meninggalkan sumbernya memiliki komposisi yang heterogen. Untuk memisahkan ion asing digunakan pemisah massa magnet yang membelokkan ion yang mempunyai massa dan muatan berbeda dari sumbu utama. Berkas ion yang “dimurnikan” difokuskan dan dipercepat dalam akselerator linier. Pemindaian berkas ion pada permukaan bagian yang dikeraskan dilakukan dengan sistem defleksi 6 .
Untuk memastikan pengerasan yang seragam, bagian tersebut diputar dan diputar relatif terhadap balok.
Implantasi ion dengan ion plasma - kadang-kadang disebut implantasi 3B - dilakukan di ruang vakum, di mana lingkungan terionisasi diciptakan oleh pelepasan cahaya atau busur, dan tegangan tinggi berdenyut diterapkan ke bagian tersebut, yang memastikan percepatan ion ke arah dari permukaan yang dibombardir. Aliran ion berenergi tinggi dapat terbentuk secara langsung selama pembakaran self-discharge berdenyut antara ruang vakum yang diarde dan produk yaitu katoda.
Ion yang dipercepat dalam bidang kejadian katoda dengan ketebalan kecil secara efektif mengubah permukaan produk, yang dapat memiliki bentuk volumetrik yang kompleks. Ion insiden menghasilkan berkas elektron dari permukaan produk, yang berinteraksi dengan plasma, memastikan pelepasan yang berkelanjutan. Metode ini memiliki keunggulan tertentu dibandingkan metode radiasi karena kesederhanaan dan biaya penerapan proses teknologi yang relatif rendah. Ini dapat dikombinasikan dengan metode pemrosesan ion-plasma lainnya, seperti magnetron, busur vakum dan sputtering plasma-termal, nitridasi ion, dll.
Implantasi ion berenergi tinggi menggunakan ion gas dengan energi hingga 100 keV untuk memperkuat logam dan paduan, keramik, dan polimer.
Perlakuan dengan ion nitrogen berenergi tinggi secara efektif meningkatkan daya tahan alat pemotong dan stamping serta kekuatan lelah komponen.
Implantasi atom interstitial (nitrogen, karbon dan boron) meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan lelah baja. Elemen-elemen ini memiliki sifat segregasi terhadap dislokasi bahkan pada suhu kamar, yang menghalangi pergerakannya dan memperkuat lapisan permukaan, dan ini pada gilirannya mencegah berkembangnya retakan lelah.
Ketika nikel ditanamkan ion dengan boron, kekuatan lelah meningkat lebih dari 100%.
Meningkatnya kekuatan lelah bukan disebabkan oleh pengaruh tegangan tekan sisa yang timbul pada saat implantasi ion seperti yang diperkirakan sebelumnya, melainkan karena terhambatnya berkembangnya retakan lelah akibat penurunan mobilitas dislokasi.
Untuk meningkatkan sifat anti-gesekan, ion molibdenum dan ion sulfur dua kali lipat dapat ditanamkan. Implantasi sendi dapat menjadi metode baru untuk pembentukan antifriction dan lapisan paduan khusus lainnya.
Dengan menanamkan titanium, fase Ti-C-Fe amorf diperoleh di permukaan, yang mengurangi gesekan dan keausan.
Implantasi ion banyak digunakan untuk meningkatkan ketahanan korosi pada bagian baja. Untuk tujuan ini, ion ditanamkan.
Perlakuan panas lokal melakukan modifikasi struktur lapisan permukaan. Pada saat yang sama, diberikan rezim suhu-waktu dan hasil pengerasan yang sulit atau tidak mungkin diperoleh dengan menggunakan metode perlakuan panas tradisional, yaitu:
Laju pemanasan dan pendinginan yang tinggi (laju pemanasan mencapai nilai 10 4 ... 10 8 K/s, dan laju pendinginan - 10 3 ... 10 4 K/s, tergantung pada waktu pemaparan dan energi radiasi, juga seperti pada mode operasi laser). Mode pemanasan dan pendinginan seperti itu menyebabkan transformasi fase non-ekuilibrium dan pergeseran titik kritis Dan dengan Dan A, pembentukan larutan padat lewat jenuh dengan struktur terdispersi halus, termasuk struktur amorf. Hasilnya, terbentuk lapisan dengan kekerasan yang meningkat (melebihi 15...20% kekerasan setelah pengerasan menggunakan metode yang ada), dengan ketahanan yang baik terhadap keausan dan pengaturan selama gesekan;
Kemungkinan pengerasan permukaan di tempat yang sulit dijangkau (rongga, ceruk), di mana sinar laser dapat dimasukkan menggunakan perangkat optik;
Penggunaan laser memungkinkan seseorang mengurangi kedalaman lapisan yang mengeras secara tajam dan mengontrol ukurannya secara efektif.
Pengerasan laser digunakan untuk mengeraskan alat potong dan ukur, pengerjaan tepi cetakan dan pelubang hingga kedalaman hingga 0,15 mm (radiasi pulsa) dan hingga 1,5 mm (radiasi kontinu). Pada baja perkakas, kekerasannya adalah 63...67 HRC. Kekasaran permukaan yang dirawat tidak berubah.
Telah ditetapkan bahwa penggunaan radiasi laser sebagai sumber pemanas selama pengerasan termoplastik paduan nikel memungkinkan diperolehnya tegangan tekan sisa hingga 10 GPa di lapisan permukaan.
Dengan perlakuan panas laser, dimungkinkan untuk menciptakan kondisi untuk penguapan selektif dari tonjolan asperitas, yang menyebabkan penurunan kekasaran permukaan.
Permukaan laser adalah salah satu metode paling menjanjikan untuk memulihkan bagian-bagian penting mesin turbin gas, khususnya bilah turbin dan kompresor. Keuntungan utamanya adalah kemampuan untuk menghilangkan cacat kecil tanpa memanaskan permukaan yang berdekatan dengan cacat dan tidak adanya penundaan selama permukaan.
Permukaan laser dilakukan di ruangan dengan atmosfer pelindung atau dengan injeksi gas inert. Bahan kawat, foil atau bubuk digunakan sebagai bahan pengisi.
Permukaan laser dengan paduan logam bubuk dengan efek termal minimal memungkinkan peningkatan kinerja suku cadang beberapa kali lipat pada suhu tinggi, erosi, dan kondisi pengoperasian lainnya.
Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia
Institusi Pendidikan Otonomi Negara Federal untuk Pendidikan Profesional Tinggi "Universitas Federal Ural dinamai Presiden pertama Rusia B.N. Yeltsin"
Jurusan Perlakuan Panas dan Fisika Logam
"Klasifikasi pelapis menurut sifat fungsional dan metode penerapannya"
Guru:
Profesor Madya, Ph.D. Rossina N.G.
Siswa: Trapeznikov A.I.
Grup: Gunung 320701
Yekaterinburg 2015
Perkenalan
Klasifikasi pelapis dan metode produksinya
1 Perubahan sifat fisik dan kimia permukaan selama penerapan pelapisan
2 Pelapis interior
3 Lapisan luar
4 Persiapan permukaan saat mengaplikasikan pelapis
Metode pelapisan kimia dan elektrokimia
1 Klasifikasi pelapis kimia dan elektrokimia
2 Inti dari metode pelapisan kimia
3 Melapisi produk
Lapisan kondensasi vakum
Penerapan pelapis permukaan menggunakan sumber panas terkonsentrasi
1 Klasifikasi lapisan yang diendapkan
2 Area penerapan permukaan
Penerapan pelapisan dengan cladding
Metode pelapisan gas-termal
1 Klasifikasi metode
Penyemprotan lapisan plasma
1 Keuntungan dan kerugian metode penyemprotan plasma
Penyemprotan api gas pada lapisan
Kesimpulan
Perkenalan
Pelapis yang tersedia dalam teknologi modern sangat beragam baik dari segi sifat maupun metode produksinya. Penggunaan lapisan pelindung, pelindung-dekoratif dan khusus memungkinkan pemecahan banyak masalah. Dengan memilih bahan pelapis, kondisi penerapannya, menggabungkan pelapis logam dan non-logam, dimungkinkan untuk memberikan permukaan produk warna dan tekstur yang berbeda, sifat fisik, mekanik dan kimia yang diperlukan: peningkatan kekerasan dan ketahanan aus, reflektifitas tinggi, peningkatan sifat anti-gesekan, konduktivitas listrik permukaan, dll. Tetapi pilihan pelapis atau metode penyelesaian yang optimal tidak mungkin dilakukan tanpa pertimbangan menyeluruh atas sifat dan fitur produksinya.
Teknologi pelapisan, bersama dengan industri padat ilmu pengetahuan dan hemat energi lainnya, merupakan salah satu arah utama pengembangan produksi modern di negara-negara maju masyarakat dunia.
Saat ini, perbaikan dan pencarian metode pelapisan baru terus dilakukan. Studi tentang metode penerapan pelapisan, varietasnya; termodinamika proses dalam pembuatan berbagai jenis pelapis pada permukaan logam dan non-logam; struktur, struktur dan sifat kinerja pelapis; peralatan dasar untuk pelapisan gas-termal dan elektrotermal produk logam.
Mempelajari metode peningkatan kualitas produk melalui pembentukan lapisan multilayer dan diperkuat; pengendalian metrologi parameter teknologi pembentukan dan sifat-sifatnya.
Peran dan tempat pelapis dalam produksi modern
Pelapisan adalah struktur tunggal atau multi-lapisan yang diterapkan pada permukaan untuk melindungi dari pengaruh eksternal (suhu, tekanan, korosi, erosi, dll.).
Ada lapisan luar dan dalam.
Pelapis luar mempunyai batas antara lapisan dan permukaan produk. Dengan demikian, ukuran produk bertambah seiring dengan ketebalan lapisan, dan berat produk bertambah.
Pada lapisan internal tidak ada antarmuka dan dimensi serta berat produk tetap tidak berubah, sedangkan sifat produk berubah. Pelapis internal juga disebut pelapis modifikasi.
Ada dua masalah utama yang dipecahkan saat menerapkan pelapisan
Mengubah sifat fisik dan kimia awal permukaan produk yang menyediakan kondisi operasi tertentu;
Pemulihan sifat, dimensi, berat permukaan produk yang rusak akibat kondisi pengoperasian.
Tujuan dan area penerapan pelapis
Alasan utama munculnya dan berkembangnya teknologi penerapan lapisan pelindung adalah keinginan untuk meningkatkan daya tahan suku cadang dan rakitan berbagai mekanisme dan mesin. Optimalisasi sistem pelapisan melibatkan pemilihan komposisi pelapis, struktur, porositas dan daya rekat yang tepat, dengan mempertimbangkan suhu pelapisan dan pengoperasian, kompatibilitas substrat dan bahan pelapis, ketersediaan dan biaya bahan pelapis, serta kemampuan untuk memperbaharui, memperbaiki. dan merawatnya dengan baik selama pengoperasian.
Penggunaan lapisan yang tidak cukup kuat, yang ketebalannya berkurang secara nyata selama pengoperasian, dapat menyebabkan penurunan kekuatan seluruh bagian karena penurunan luas efektif dari total penampangnya. Saling difusi komponen dari substrat ke lapisan dan sebaliknya dapat menyebabkan penipisan atau pengayaan paduan pada salah satu elemen. Paparan termal dapat mengubah struktur mikro substrat dan menyebabkan munculnya tegangan sisa pada lapisan. Dengan mempertimbangkan semua hal di atas, pilihan sistem yang optimal harus menjamin stabilitasnya, yaitu pelestarian sifat-sifat seperti kekuatan (dalam berbagai aspeknya), keuletan, kekuatan benturan, kelelahan dan ketahanan mulur setelah benturan apa pun. Pengoperasian dalam kondisi siklus termal yang cepat memiliki pengaruh paling kuat terhadap sifat mekanik, dan parameter terpenting adalah suhu dan waktu pemaparan terhadap material; Interaksi dengan lingkungan kerja sekitar menentukan sifat dan intensitas paparan bahan kimia.
Metode mekanis untuk menyambung lapisan ke substrat seringkali tidak memberikan kualitas adhesi yang dibutuhkan. Hasil yang jauh lebih baik biasanya diperoleh dengan metode penggabungan difusi. Contoh yang baik dari pelapisan difusi yang sukses adalah aluminisasi logam besi dan non-besi.
1. Klasifikasi pelapis dan metode produksinya
Saat ini, ada banyak pelapis dan metode produksi yang berbeda.
Banyak publikasi mengusulkan berbagai skema klasifikasi pelapis anorganik berdasarkan berbagai karakteristik. Pelapisan dapat diklasifikasikan menurut prinsip dasar berikut:
Berdasarkan tujuannya (anti korosi atau pelindung, tahan panas, tahan aus, anti gesekan, reflektif, dekoratif dan lain-lain);
Berdasarkan sifat fisik atau kimia (logam, non-logam, tahan api, tahan bahan kimia, reflektif, dll.);
Berdasarkan sifat unsurnya (krom, krom-aluminium, krom-silikon, dan lain-lain);
Berdasarkan sifat fasa yang terbentuk pada lapisan permukaan (aluminida, silisida, borida, karbida dan lain-lain)
Mari kita lihat pelapis yang paling penting, diklasifikasikan berdasarkan tujuannya.
Lapisan pelindung - tujuan utamanya terkait dengan berbagai fungsi pelindungnya. Lapisan tahan korosi, tahan panas dan tahan aus telah tersebar luas. Lapisan pelindung panas, isolasi listrik dan reflektif juga banyak digunakan.
Pelapis dan film struktural berperan sebagai elemen struktural dalam produk. Mereka juga banyak digunakan dalam produksi produk pembuatan instrumen, peralatan elektronik, sirkuit terpadu, mesin turbojet - dalam bentuk segel yang digerakkan di turbin dan kompresor, dll.
Pelapisan teknologi dimaksudkan untuk memfasilitasi proses teknologi dalam produksi produk. Misalnya, penggunaan solder saat menyolder struktur yang rumit; produksi produk setengah jadi dalam proses deformasi suhu tinggi; pengelasan bahan yang berbeda, dll.
Pelapis dekoratif sangat banyak digunakan dalam produksi produk rumah tangga, dekorasi, meningkatkan estetika instalasi dan perangkat industri, prostetik pada peralatan medis, dll.
Pelapis restoratif - memberikan efek ekonomi yang sangat besar ketika memulihkan permukaan produk yang aus, seperti poros baling-baling dalam pembuatan kapal; jurnal poros engkol mesin pembakaran dalam; bilah pada mesin turbin; berbagai alat pemotong dan pengepres.
Lapisan optik - mengurangi reflektifitas dibandingkan bahan padat, terutama karena geometri permukaan. Pembuatan profil menunjukkan bahwa permukaan beberapa lapisan merupakan kumpulan kekasaran, yang tingginya berkisar antara 8 hingga 15 mikron. Pada penyimpangan makro individu, terbentuk ketidakteraturan mikro, yang tingginya berkisar antara 0,1 hingga 2 mikron. Dengan demikian, ketinggian ketidakteraturan sepadan dengan panjang gelombang radiasi yang datang. Pemantulan cahaya dari permukaan tersebut terjadi sesuai dengan hukum Frenkel.
Dalam literatur terdapat berbagai prinsip untuk mengklasifikasikan metode pelapisan. Meskipun perlu dicatat bahwa tidak ada sistem klasifikasi terpadu untuk metode penerapan pelapisan. Hawking dan sejumlah peneliti lain telah mengusulkan tiga klasifikasi metode pelapisan:
Menurut keadaan fase medium tempat bahan pelapis diendapkan;
Menurut kondisi bahan yang digunakan;
Menurut keadaan proses yang mendefinisikan satu kelompok metode
lapisan.
Klasifikasi metode pelapisan disajikan lebih rinci pada Tabel 1.
Tabel 1 Keuntungan dan kerugian berbagai metode pelapisan
MetodeKelebihanKekuranganPVDKeserbagunaan; Semua elemen dan material padat dapat disimpan. Film tipis dan lapisan yang cukup tebal dapat diperoleh. Ada berbagai modifikasi metode. H = 5-260 mikron Pelapisan hanya dapat dilakukan pada bagian permukaan yang terlihat. Kemampuan disipasi yang buruk. Peralatan mahal.CVDBersaing dengan metode deposisi fisik. Unsur dan senyawa yang aktif secara kimia dan dalam keadaan uap dapat diaplikasikan. Kemampuan dispersi yang baik. H = 5-260 µm Sumber pemanas memainkan peran penting. Pengendapan biasanya dilakukan pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan dengan metode pengendapan fisik. Media mungkin terlalu panas. Deposisi langsung yang tidak diinginkan dapat terjadi Deposisi difusi dari padatan Keseragaman yang baik dan toleransi dimensi lapisan yang dekat. Efisiensi ekonomi yang tinggi dari proses tersebut. Bahan pelapis yang paling umum adalah Al dan Cr. Kekerasan lapisan yang tinggi. H = 5 - 80 µm Dimensi media terbatas. Tidak cocok untuk media yang sensitif terhadap suhu tinggi. Lapisan lebih tipis dibandingkan metode difusi lainnya. Kemungkinan penggetasan lapisan Penyemprotan Kemungkinan mengendalikan kondisi penyemprotan dan kualitas bahan yang diaplikasikan selama proses. Kemungkinan mendapatkan lapisan yang tebal dan seragam. H = 75 - 400 µm Kualitas tergantung kualifikasi operator. Substrat harus tahan terhadap panas dan benturan. Lapisannya berpori dengan permukaan kasar dan kemungkinan inklusi Cladding Lapisan tebal dapat diaplikasikan. Substrat besar dapat diproses. H = 5 - 10% ketebalan media Kemungkinan lengkungan media. Cocok untuk substrat kaku Elektrodeposisi (termasuk bahan kimia dan elektroforesis) Proses hemat biaya bila menggunakan elektrolit berair. Dimungkinkan untuk mengaplikasikan logam mulia dan pelapis tahan api dari garam cair. Digunakan untuk produksi industri sermet. Deposisi kimia dan elektroforesis hanya berlaku untuk elemen dan jenis substrat tertentu. H = 0,25 - 250 µm Desain peralatan yang cermat diperlukan untuk memastikan kemampuan disipasi yang baik. Penggunaan garam cair sebagai elektrolit memerlukan kontrol yang ketat untuk mencegah kelembapan dan oksidasi. Uap berbahaya di atas lelehan. Pelapis bisa menjadi keropos dan tertekan. Terbatas pada area khusus bersuhu tinggi. Pencelupan panas Lapisan yang relatif tebal. Metode pelapisan cepat. H = 25 - 130 mikron Dibatasi hanya dengan mengaplikasikan A1 untuk mendapatkan pelapis suhu tinggi. Pelapis bisa berpori dan terputus-putus.
Tabel 2. Klasifikasi metode pelapisan menurut keadaan fasa medium
Keadaan padat Ikatan mekanis Cladding Sintering Keadaan cair Permukaan Sputtering pencelupan panas Keadaan semi-cair atau tempel Proses sol-gel Slip Solder Lingkungan gas (interaksi atom, ionik atau elektronik) Deposisi uap fisik Deposisi uap kimia Solusi Kimia Galvanik Elektrogalvanik Plasma Perawatan permukaan
Tabel 3. Klasifikasi metode pelapisan menurut keadaan proses yang menentukan satu kelompok metode
MekanisSenyawa Pelapis Fisika Deposisi uap fisik Pelapis vakum Penguapan termal Sputtering Deposisi ionKimiaDeposisi uap kimia Deposisi dari elektrolit tanpa menggunakan medan listrikElektrokimiaDalam larutan air Dalam garam cairSputteringSenapan detonasi Busur listrik Metalisasi Plasma Gas-nyala menggunakan kawat PermukaanLaser manual las listrik las gas inert las oksigen-asetilen dalam plasma busur Pengelasan plasma Penggabungan dengan penyemprotan Busur terendam Lain antara elektroda tungsten dalam lingkungan inert
Tabel 4. Klasifikasi metode menurut keadaan bahan yang digunakan dan metode pembuatannya
Golongan 1 Keadaan atom atau ion Metode vakum: Penguapan vakum Deposisi berkas ion Deposisi berkas molekul epitaksi Metode plasma: Sputtering (ionik, magnetron) Deposisi ion Polimerisasi plasma Penguapan reaksi teraktivasi Deposisi busur katodik Interaksi kimia dalam uap reagen: Deposisi uap Reduksi Dekomposisi Deposisi plasma Pirolisis sputter Deposisi elektrolit: Elektroplating Deposisi kimia Deposisi garam cair Substitusi kimiaGrup 2 PartikulatMetode tumbukan Fusi: Pelapisan tebal Enamel Elektroforesis Metode termal: Atomisasi api Atomisasi plasma Atomisasi detonasi Proses sol-gelGrup 3 Bahan curahEksternal Lapisan luar: Permukaan Kelongsong: Penggulungan eksplosif Peleburan laser Pembasahan: Pengecatan dengan kuas Pencelupan panas Metode elektrostatis: Pelapisan putaran Pola semprotan Grup 4 Modifikasi struktur permukaan Modifikasi permukaan laser Perlakuan panas Implantasi ion Paduan permukaan: Difusi massal Sputtering Pencucian Konversi kimia Difusi uap-cair (pemanasan, plasma) Anodisasi elektrolitik Pertukaran termal bekerja dalam garam cair Metode mekanis: Peledakan tembakan
1.1 Perubahan sifat fisik dan kimia permukaan selama penerapan pelapisan
Lapisan permukaan (pelapis) memainkan peran yang menentukan dalam pembentukan sifat operasional dan sifat-sifat produk lainnya, pembuatannya pada permukaan benda padat hampir selalu mengubah sifat fisik dan kimia ke arah yang diinginkan. Penerapan pelapis memungkinkan Anda mengembalikan properti yang sebelumnya hilang selama pengoperasian produk. Namun, sifat permukaan asli produk yang diperoleh selama produksinya paling sering berubah. Dalam hal ini, sifat bahan lapisan permukaan berbeda secara signifikan dengan sifat permukaan aslinya. Dalam sebagian besar kasus, komposisi kimia dan fasa dari permukaan yang baru dibuat berubah, menghasilkan produk dengan karakteristik kinerja yang diperlukan, misalnya, ketahanan korosi yang tinggi, tahan panas, ketahanan aus, dan banyak indikator lainnya.
Mengubah sifat fisik dan kimia permukaan asli produk dapat dicapai dengan membuat lapisan internal dan eksternal. Opsi gabungan juga dimungkinkan (Gbr. 1).
pelapisan kelongsong vakum kimia
Saat mengaplikasikan pelapis internal, dimensi produk tetap tidak berubah (L Dan = konstanta). Beberapa metode memastikan bahwa massa produk tetap konstan, sedangkan pada metode lain peningkatan massa dapat diabaikan dan dapat diabaikan. Sebagai aturan, tidak ada batas yang jelas dari lapisan permukaan yang dimodifikasi ( ?M ? konstanta). Saat mengaplikasikan pelapis luar, ukuran produk bertambah (L Dan ?const) pada ketebalan lapisan ( ?komputer ). Berat produk juga bertambah. Dalam praktiknya, ada juga pelapis gabungan. Misalnya, ketika menerapkan lapisan pelindung panas yang ditandai dengan peningkatan jumlah diskontinuitas pada lapisan luar, ketahanan panas dipastikan karena lapisan internal yang tidak berpori.
1.2 Pelapis bagian dalam
Pelapis internal dibuat dengan berbagai metode yang mempengaruhi permukaan bahan asli (modifikasi permukaan asli). Dalam praktiknya, metode pengaruh berikut ini banyak digunakan: mekanik, termal, difusi termal dan energi tinggi dengan aliran penetrasi partikel dan radiasi.
Ada juga metode pengaruh gabungan, misalnya termomekanis, dll. Di lapisan permukaan, terjadi proses yang menyebabkan perubahan struktural pada bahan sumber hingga kedalaman dari kisaran nanometer hingga sepersepuluh milimeter atau lebih.
Tergantung pada metode pemaparan, proses berikut terjadi:
perubahan struktur butir material;
Distorsi kisi kristal, perubahan parameter dan jenisnya;
penghancuran kisi kristal (amorfisasi);
mengubah komposisi kimia dan mensintesis fase baru.
1.3 Pelapis luar
Pentingnya praktis pelapis luar sangat besar. Penerapan pelapis eksternal memungkinkan tidak hanya memecahkan masalah perubahan sifat fisik dan kimia permukaan asli, tetapi juga memulihkannya setelah digunakan.
Mekanisme dan kinetika pembentukan ditunjukkan pada Gambar. 3. Pelapis luar sering kali berfungsi sebagai elemen struktural, misalnya film pelapis dalam produksi sirkuit terpadu. Sampai saat ini, sejumlah besar metode penerapan pelapis untuk berbagai keperluan dari banyak bahan anorganik telah dikembangkan.
Untuk menganalisis proses fisikokimia yang terkait dengan penerapan pelapis, disarankan untuk mensistematisasikannya sesuai dengan kondisi pembentukannya, tampaknya mungkin untuk membedakan kelompok pelapis berikut yang terbentuk pada permukaan padat: fase padat, fase cair, bubuk dan atom.
1.4 Persiapan permukaan saat mengaplikasikan pelapis
Persiapan permukaan menentukan indikator utama kualitas - kekuatan rekat lapisan ke bahan dasar produk, atau kekuatan rekat. Beberapa pengecualian adalah pelapisan yang terbentuk pada permukaan cair, misalnya, ketika melapisi permukaan dengan sumber panas terkonsentrasi. Namun, meskipun demikian, permukaan yang terkontaminasi berdampak buruk pada sifat bahan pelapis. Penggetasannya diamati, dan kecenderungan untuk membentuk cacat meningkat: retakan, porositas, dll. Dalam hal ini, persiapan permukaan adalah operasi utama dalam proses teknologi penerapan pelapis apa pun.
Saat mempersiapkan permukaan, dua tugas penting harus diselesaikan:
) penghapusan zat yang teradsorpsi - kontaminan - dari permukaan;
) aktivasi permukaan.
Penghapusan kontaminan dan aktivasi permukaan dapat dilakukan baik dalam satu proses teknologi atau secara terpisah. Pada prinsipnya, setiap penghilangan zat yang teradsorpsi secara fisik atau kimia dari suatu permukaan sudah mengaktifkan permukaan tersebut.
Ikatan atom permukaan yang terputus dan asimetrinya dipulihkan dan, karenanya, tingkat energi permukaan meningkat. Efek terbesar dalam persiapan permukaan dicapai ketika, bersamaan dengan penghilangan kontaminan, terjadi aktivasi tertinggi. Dalam proses teknologi nyata, persiapan permukaan seperti itu tidak selalu memungkinkan. Biasanya persiapan terpisah dua atau tiga tahap digunakan. Tahap terakhir terutama ditujukan untuk mengaktifkan permukaan hingga nilai maksimumnya.
Dalam praktik pelapisan, metode dasar persiapan permukaan produk berikut digunakan: mencuci dengan air dingin atau panas; menghilangkan lemak; etsa; dampak mekanis; efek termal dan kimia-termal; dampak elektrofisika; paparan fluks cahaya; dehidrasi.
2. Metode pelapisan kimia dan elektrokimia
Produksi pelapis dari larutan dengan metode kimia dan elektrokimia adalah contoh klasik dari proses yang memungkinkan untuk melacak dengan cara yang relatif murni pembentukan lapisan yang diterapkan dengan penambahan atom secara berurutan ke permukaan produk yang dilapisi selama interaksinya dengan produk. media reaksi ionik.
Ada definisi standar tentang metode produksi pelapis yang terbuat dari larutan berair - elektrolit (GOST 9.008-82).
Metode kimia untuk memproduksi pelapis adalah produksi pelapis anorganik logam atau non-logam dalam larutan garam tanpa arus listrik dari sumber eksternal. Contoh pembuatan pelapis dengan metode kimia adalah: untuk pelapis logam yang diperoleh dengan cara reduksi - pelapisan nikel, pelapisan tembaga, pelapisan perak, dll.; untuk pelapis non-logam yang diperoleh dengan oksidasi - oksidasi, fosfat, kromat, dll. Yang terakhir juga digunakan. untuk pemrosesan tambahan lapisan.
Metode elektrokimia untuk memperoleh pelapisan adalah produksi lapisan anorganik logam atau non-logam dalam elektrolit di bawah pengaruh arus listrik dari sumber eksternal.
Reduksi logam katodik merupakan metode elektrokimia untuk menghasilkan lapisan logam pada logam yang menjadi katoda.
Oksidasi anodik adalah metode elektrokimia untuk menghasilkan lapisan anorganik non-logam pada logam yang menjadi anoda.
Kontak Cara memperoleh pelapisan adalah dengan memperoleh pelapisan dari larutan garam logam yang diaplikasikan dengan cara merendam logam yang dilapisi dalam kontak dengan logam yang lebih elektronegatif.
2.1 Klasifikasi pelapis kimia dan elektrokimia
Pelapis kimia dan elektrokimia dapat diklasifikasikan berdasarkan prinsip dasar berikut:
Berdasarkan metode produksi (kimia, elektrokimia, galvanik, katodik, anodik-oksida dan kontak);
Berdasarkan jenis bahan yang digunakan (logam, nonlogam dan komposit);
Sesuai dengan persyaratan pelapisan (pelindung, pelindung-dekoratif, dekoratif, khusus);
Sehubungan dengan lingkungan aktif kimia eksternal (katoda, anodik, netral);
Menurut desain pelapisan (single-layer, multi-layer).
2.2 Inti dari metode pelapisan kimia
Pelapisan yang dihasilkan dengan metode kimia mempunyai ciri porositas yang lebih rendah dibandingkan dengan pelapisan dengan metode galvanik pada ketebalan yang sama dan keseragaman yang tinggi.
Deposisi kimia logam merupakan proses reduksi yang berlangsung menurut persamaan:
Mez+ +Ze?M
dimana saya z+ - ion logam hadir dalam larutan; z - valensi logam; Ze adalah jumlah elektron; Saya - lapisan logam.
Ion logam dalam larutan (Me z+ ) bergabung (tergantung valensi) dengan jumlah elektron yang sesuai (Ze) dan berubah menjadi logam (Me).
Dalam kasus deposisi kimia, elektron yang diperlukan dihasilkan sebagai hasil proses kimia yang terjadi dalam larutan yang digunakan untuk mendapatkan lapisan. Dalam deposisi galvanik, elektron yang diperlukan untuk reduksi ion logam disuplai oleh sumber arus eksternal .Tergantung pada proses kimia yang terjadi selama pengendapan lapisan, metode berikut dibedakan.
Metode kontak (perendaman), dimana logam yang akan dilapisi direndam dalam larutan yang mengandung garam dari logam yang lebih elektropositif, dan pelapisan dalam hal ini diendapkan karena adanya beda potensial yang timbul antara logam yang dilapisi dengan ion-ion di dalamnya. solusinya. Metode kontak-kimia (elektrolisis internal), dimana pengendapan dilakukan akibat adanya beda potensial yang terjadi bila logam yang dilapisi bersentuhan dengan logam yang lebih elektronegatif pada saat direndam dalam larutan garam logam yang digunakan untuk melapisi. Suatu metode reduksi kimia dimana logam yang akan dilapisi direndam dalam larutan yang mengandung garam dari logam yang diendapkan, bahan tambahan penyangga dan pengompleks serta zat pereduksi, sedangkan ion-ion dari logam yang diendapkan direduksi sebagai akibat interaksi dengan logam. zat pereduksi dan diendapkan pada logam yang akan dilapisi, dan reaksi ini hanya terjadi pada permukaan logam, yang merupakan katalitik untuk proses ini.
2.3 Melapisi produk
Peralatan teknologi yang digunakan di perusahaan dalam atau luar negeri untuk pengendapan pelapis dengan reduksi kimia dirancang berdasarkan tugas produksi tertentu: sebagian besar digantung di bak mandi menggunakan perangkat khusus, sebagian kecil ditutup dalam jumlah besar dalam drum, pipa (lurus atau gulungan) - dalam instalasi yang memungkinkan pemompaan larutan melalui rongga internal, dll. Seringkali, instalasi untuk aplikasi bahan kimia berlokasi di toko galvanis, yang memungkinkan untuk menggunakan peralatan yang tersedia di sana untuk degreasing, isolasi, pengawetan, pencucian, pengeringan dan pemanasan. merawat bagian-bagiannya.
Diagram sederhana dari peralatan untuk mengaplikasikan pelapis kimia ditunjukkan pada Gambar. 4.
Pelapisan kimia dilakukan dalam larutan statis atau mengalir. Dalam beberapa kasus, solusinya, setelah memproses 1-2 batch bagian di dalamnya, dituangkan dan diganti dengan yang baru; di tempat lain, larutan disaring, disesuaikan, dan digunakan berulang kali. Instalasi untuk pelapisan satu kali bagian dalam larutan statis biasanya memiliki bak besi atau porselen yang dilas, yang dimasukkan ke dalam wadah yang lebih besar - termostat. Ruang antara dinding kedua bak mandi diisi dengan air atau minyak, yang dipanaskan dengan pemanas listrik atau uap hidup. Di bagian luar, termostat memiliki lapisan insulasi panas (misalnya, terbuat dari lembaran asbes, di mana selubung ditempatkan). Termometer kontak dengan termostat ditempatkan di bak mandi untuk memastikan pemeliharaan suhu yang diperlukan dari larutan kerja.
3. Lapisan kondensasi vakum
Ada banyak kesamaan dalam metode dan fitur teknologi pelapisan kondensasi vakum (VCDC), dan dalam hal ini disarankan untuk mempertimbangkan diagram proses yang umum. Diagram umum dari proses pelapisan kondensasi vakum ditunjukkan pada Gambar. 5.
Diketahui bahwa pelapisan selama pengendapan kondensasi vakum terbentuk dari aliran partikel dalam keadaan atom, molekul atau terionisasi. Partikel netral dan tereksitasi (atom, molekul, cluster) dengan energi normal dan tinggi serta ion dengan rentang energi yang luas ditransfer ke dalam lapisan. Aliran partikel diperoleh dengan penguapan atau atomisasi material dengan memaparkannya ke berbagai sumber energi. Aliran partikel bahan yang diterapkan diperoleh dengan metode penguapan termal, penguapan eksplosif - sputtering dan sputtering ion bahan padat. Proses penerapannya dilakukan dalam ruang tertutup kaku pada tekanan 13,3 - 13,3 10-3Karena itu, mereka menyediakan jalur bebas partikel yang diperlukan dan melindungi proses dari interaksi dengan gas atmosfer. Perpindahan partikel menuju permukaan kondensasi terjadi sebagai akibat adanya perbedaan tekanan parsial fasa uap. Tekanan uap tertinggi (13,3 Pa atau lebih) di dekat permukaan penyemprotan (penguapan) menyebabkan pergerakan partikel menuju permukaan produk, dimana tekanan uapnya minimal. Gaya transpor lain bekerja pada aliran partikel dalam keadaan terionisasi; Partikel terionisasi memiliki lebih banyak energi, sehingga lebih mudah membentuk lapisan.
Metode penerapan kondensasi vakum diklasifikasikan menurut berbagai kriteria:
Dengan metode memperoleh aliran uap dari bahan pelapis dan membentuk partikel: penguapan termal bahan dari keadaan padat atau cair, penguapan eksplosif (diintensifkan) - penyemprotan; sputtering ion pada bahan padat;
Menurut keadaan energi partikel: penerapan oleh partikel netral (atom, molekul) dengan keadaan energi berbeda; partikel terionisasi, partikel terionisasi terakselerasi (dalam kondisi nyata, berbagai partikel hadir dalam aliran);
Menurut interaksi partikel dengan gas sisa ruangan: aplikasi dalam lingkungan yang dijernihkan inert atau vakum tinggi (13,3 MPa); dan dalam lingkungan aktif yang dijernihkan (133 - 13,3 Pa).
Masuknya gas aktif ke dalam ruangan memungkinkan peralihan ke metode pelapisan reaksi vakum. Partikel dalam aliran atau pada permukaan kondensasi mengalami interaksi kimia dengan gas aktif (oksigen, nitrogen, karbon monoksida, dll.) dan membentuk senyawa yang sesuai: oksida, nitrida, karbida, dll.
Klasifikasi lapisan kondensasi vakum ditunjukkan pada Gambar. 6. Pilihan metode dan variasinya (metode) ditentukan oleh persyaratan pelapisan, dengan mempertimbangkan efisiensi ekonomi, produktivitas, kemudahan kontrol, otomatisasi, dll. Metode yang paling menjanjikan adalah deposisi kondensasi vakum dengan ionisasi aliran partikel yang disemprotkan (stimulasi plasma); Metode ini sering disebut plasma ion.
Persyaratan dasar berikut ini berlaku untuk produk yang dihasilkan dengan metode kondensasi vakum:
Kesesuaian dengan persyaratan ukuran industri modern;
Tekanan uap jenuh rendah dari bahan produk pada suhu proses;
Kemungkinan memanaskan permukaan untuk meningkatkan kekuatan perekat lapisan.
Lapisan kondensasi vakum banyak digunakan di berbagai bidang teknologi. Proses reaksi vakum menciptakan lapisan tahan aus pada produk untuk berbagai keperluan: pasangan gesekan, alat pengepres dan pemotong, dll.
Penerapan kondensasi vakum memungkinkan diperolehnya pelapis dengan sifat fisik dan mekanik yang tinggi; dari senyawa sintesis (karbida, nitrida, oksida, dll.); tipis dan seragam; menggunakan berbagai kelas bahan anorganik.
Proses teknologi yang terkait dengan pengendapan kondensasi vakum tidak mencemari lingkungan dan tidak mengganggu lingkungan. Dalam hal ini, metode ini lebih baik dibandingkan dengan metode kimia dan elektrokimia dalam mengaplikasikan lapisan tipis.
Kerugian dari metode pengendapan kondensasi vakum termasuk produktivitas proses yang rendah (laju kondensasi sekitar 1 μm/menit), peningkatan kompleksitas teknologi dan peralatan, koefisien energi atomisasi, penguapan dan kondensasi yang rendah.
Dianjurkan untuk mempertimbangkan proses pelapisan kondensasi vakum yang terdiri dari tiga tahap:
Transisi fase terkondensasi (padat atau cair) menjadi gas (uap);
Pembentukan aliran dan perpindahan partikel ke permukaan kondensasi;
Kondensasi uap pada permukaan produk - pembentukan lapisan.
Untuk mendapatkan pelapis berkualitas tinggi, diperlukan kontrol proses yang fleksibel dengan menciptakan kondisi optimal untuk terjadinya.
4. Penerapan pelapis permukaan menggunakan sumber panas terkonsentrasi
Penerapan pelapisan permukaan dengan menggunakan sumber panas pekat dilakukan dalam bentuk lintasan terpisah yang masing-masing membentuk butiran bahan cair dengan lebar b. Rol tumpang tindih ?B biasanya berjumlah (1/4 - 1/3)3. Bahan pelapis terdiri dari bahan dasar cair dan bahan pengisi, yang dimasukkan ke dalam bak. Jika bahan dasar tidak meleleh, maka manik las hanya terbentuk dari bahan pengisi, dalam hal ini bagian bahan dasar dalam pembentukan lapisan las adalah nol. Metode permukaan yang paling banyak digunakan adalah sumber panas terkonsentrasi dengan sedikit peleburan bahan dasar pada ketinggian h N . Ketinggian manik lapisan yang diendapkan h N biasanya 2 - 5mm. Ketika rol tumpang tindih, alur memanjang (ketidakteraturan) sedalam 1 - 2 mm terbentuk.
Mengetahui komposisi kimia bahan dasar dan bahan pengisi serta proporsi partisipasinya dalam pembentukan bahan pelapis, dimungkinkan untuk menentukan komposisi kimia lapisan yang diendapkan.
Di bawah pengaruh sumber panas terkonsentrasi, bahan dasar dipanaskan secara lokal, terutama ketika meleleh. Aliran panas ditransfer ke bahan dasar, membentuk zona terkena panas (HAZ) di dalamnya. Di wilayah HAZ bersuhu tinggi, pertumbuhan butiran, struktur mengeras, dan retakan panas dan dingin biasanya diamati. Dalam praktiknya, permukaan berusaha mencapai panjang minimum HAZ.
Di bawah pengaruh sumber panas, logam cair dipindahkan dari bak mandi menjadi bagian-bagian terpisah, yang, selama proses kristalisasi, membentuk butiran bahan yang diendapkan. Proses kristalisasi terjadi atas dasar lelehan butiran bahan dasar, sumbu utama kristalit diorientasikan sesuai dengan arah pelepasan panas ke dalam bahan dasar. Selama kristalisasi, pembentukan cacat dimungkinkan: retakan panas dan dingin, porositas, inklusi terak, dll. Sifat pembentukan lapisan dari manik-manik (lintasan) yang diendapkan individu dengan tumpang tindih tidak memungkinkan diperolehnya endapan yang tipis dan seragam dalam ketebalan. Ketebalan lapisan minimum 1 - 2 mm hanya dapat dicapai dengan menggunakan teknologi presisi. Bahan logam terutama digunakan untuk pelapis permukaan, terkadang berbagai senyawa non-logam tahan api dimasukkan ke dalam logam cair.
4.1 Klasifikasi lapisan yang diendapkan
Klasifikasi lapisan yang diendapkan dilakukan menurut berbagai kriteria. Paling tepat untuk mengklasifikasikannya berdasarkan:
sumber panas terkonsentrasi;
sifat perlindungan logam cair;
tingkat mekanisasi.
Berdasarkan sumber panasnya, pelapis permukaan dibagi menjadi:
api gas;
plasma;
sinar;
berkas elektron;
induksi;
terak listrik.
Menurut sifat perlindungan logam cair, mereka dibedakan: permukaan dengan perlindungan terak, gas dan gas-terak. Menurut tingkat mekanisasi, permukaan manual dan mekanis akan diganti dengan elemen otomasi.
4.2 Area penerapan permukaan
Permukaan dengan sumber panas terkonsentrasi digunakan untuk memulihkan permukaan yang aus, pelapis biasanya memberikan efek ekonomi yang tinggi. Namun, permukaan juga dapat digunakan untuk membuat permukaan awal produk baru dengan berbagai sifat fisik dan kimia, misalnya saat membuat katup buang pada mesin pembakaran internal, dalam produksi alat pengeboran, dll.
Sangat disarankan untuk menggunakan permukaan untuk menciptakan permukaan tahan aus pada pasangan gesekan, dan keausan minimal dapat dicapai karena peningkatan kekerasan pada lapisan yang diendapkan dan penurunan koefisien gesekan. Diketahui adanya efek ekonomi yang besar saat membuat alat pemotong. Baja berkecepatan tinggi dalam lapisan yang diendapkan diproduksi dengan permukaan busur argon dengan pasokan kawat pengisi dari paduan tungsten-molibdenum dengan kandungan karbon tinggi (0,7 - 0,85% berat). Untuk melapisi cetakan dengan beban berat selama hot stamping, digunakan elektroda berlapis, misalnya TsI-1M (tipe EN - 80V18Kh4F - 60, tipe F). Permukaan lapisan tahan aus banyak digunakan dalam produksi peralatan pemindah tanah. Secara umum, metode permukaan sangat efektif; kelemahannya meliputi:
ketebalan lapisan yang diendapkan lebih besar (dengan beberapa pengecualian);
adanya zona terkena dampak panas yang luas pada bahan dasar;
kekasaran permukaan yang tinggi, yang memerlukan pemrosesan mekanis selanjutnya;
terbatasnya jumlah material yang diendapkan, terutama logam.
5. Pelapisan dengan pelapisan
Cladding mencakup berbagai metode pelapisan. Ini termasuk:
Perkusi yang eksplosif;
Dampak magnetis;
Pengepresan isostatik panas, atau pelapisan;
Memperoleh sambungan mekanis dengan ekstrusi.
Dengan klasifikasi seperti itu, metode pelapisan dan metode dengan pembentukan ikatan difusi agak tumpang tindih. Metode pelapisan diklasifikasikan menurut kecepatan pembentukan ikatan antara lapisan dan substrat:
1. Proses yang sangat cepat (kelongsong ledakan, dampak elektromagnetik);
Proses yang cukup cepat (penggulungan, ekstrusi);
Proses lambat (pengelasan difusi, pengepresan isostatik panas).
Lebih umum, cladding digunakan untuk melapisi paduan besi dengan paduan berbasis nikel. Pelapis baja kobalt kurang umum, terutama karena biayanya yang tinggi.
Di antara metode cladding, rolling dan ekstrusi tampaknya merupakan metode yang paling banyak digunakan. Produksi pelapisan dengan ledakan ditemukan secara tidak sengaja pada tahun 1957. Pengepresan isostatik panas dan produksi pelapisan dengan dampak elektromagnetik adalah metode yang relatif baru. Pelapis berpasangan difusi dikembangkan pada awal abad ke-20 untuk melapisi besi dengan paduan nikel dan paduan suhu tinggi lainnya untuk aplikasi khusus.
6. Metode pelapisan gas-termal
Mengambil jenis sumber panas sebagai dasar pemisahan, metode penyemprotan berikut telah digunakan dalam praktiknya: plasma, api gas, gas detonasi, busur, dan metalisasi frekuensi tinggi.
Lapisan gas-termal pertama diperoleh pada awal abad ke-20. MW Schoop, yang menyemprot logam cair dengan aliran gas dan, mengarahkan aliran ini ke sampel dasar, memperoleh lapisan pelapis di atasnya. Setelah nama penulisnya, proses ini disebut belanja, dan dipatenkan di Jerman, Swiss, Prancis, dan Inggris. Desain metallizer kawat api Schoop pertama dimulai pada tahun 1912, dan metallizer kawat busur listrik pertama - pada tahun 1918.
Dalam industri dalam negeri, metalisasi gas-api telah digunakan sejak akhir tahun 20-an. Pada akhir tahun 30an berhasil digantikan oleh metalisasi busur listrik. Peralatan untuk metalisasi busur listrik diciptakan oleh N.V. Katz dan E.M. Linnik.
Penyemprotan lapisan termal gas dalam praktik dunia mulai berkembang secara aktif pada akhir tahun 50-an. Hal ini difasilitasi oleh penciptaan teknologi yang andal untuk menghasilkan plasma suhu rendah; alat peledak gas detonasi, peningkatan proses pelepasan busur.
Banyak tim ilmiah dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet, lembaga pendidikan tinggi teknis, lembaga industri, dan perusahaan manufaktur terlibat dalam pengembangan teori, teknologi, dan peralatan untuk penyemprotan termal. Pekerjaan di negara-negara asing terkemuka berkembang dengan kecepatan yang sama.
6.1 Klasifikasi metode
Metode dan teknologi penyemprotan termal memiliki banyak kesamaan. Diagram proses penyemprotan termal ditunjukkan pada Gambar. 7.
Bahan yang disemprotkan berupa bubuk, kawat (kabel) atau batang dimasukkan ke dalam zona pemanasan. Perbedaan dibuat antara umpan material radial dan aksial. Partikel yang dipanaskan disemprotkan dengan gas, yang tujuan utamanya adalah untuk mempercepat partikel yang disemprotkan ke arah aksial, tetapi bersamaan dengan itu juga dapat melakukan fungsi lain. Saat memasukkan kawat atau batang ke zona pemanasan, gas atomisasi menyebarkan bahan cair; dalam sejumlah metode penyemprotan, gas ini juga melakukan fungsi pemanasan.
Pemanasan partikel, atomisasi dan percepatannya oleh aliran gas telah menentukan nama prosesnya - penyemprotan termal. Partikel yang sampai pada permukaan pembentukan lapisan harus memastikan pembentukan ikatan antar atom yang kuat selama proses kontak, yang memerlukan pemanasan dan kecepatan yang sesuai. Diketahui bahwa suhu partikel menentukan aktivasi termal pada area kontak; kecepatan partikel saat tumbukan dengan permukaan menciptakan kondisi untuk aktivasi mekanis dari kontak permukaan. Harus diingat bahwa pada kecepatan partikel yang tinggi pada saat kontak, sebagian energi kinetik diubah menjadi energi panas, yang juga berkontribusi pada pengembangan aktivasi termal.
Metode penyemprotan termal yang dikembangkan memungkinkan untuk mengatur suhu dan kecepatan partikel yang tiba di permukaan pembentukan lapisan dalam batas yang memadai.
Metode penyemprotan termal diklasifikasikan:
menurut jenis energi;
menurut jenis sumber panas;
berdasarkan jenis bahan yang disemprotkan;
berdasarkan jenis perlindungan;
berdasarkan tingkat mekanisasi dan otomatisasi;
berdasarkan periodisitas aliran partikel.
Berdasarkan jenis energinya, dibedakan antara metode yang menggunakan energi listrik (metode gas-listrik) dan metode yang energi panasnya dihasilkan dari pembakaran gas yang mudah terbakar (metode gas-nyala). Untuk memanaskan bahan yang disemprotkan, jenis sumber panas berikut digunakan: busur, plasma, pelepasan frekuensi tinggi, dan nyala gas. Oleh karena itu, metode penyemprotan disebut: metalisasi busur listrik, penyemprotan plasma, metalisasi frekuensi tinggi, penyemprotan api gas, penyemprotan gas detonasi. Tiga metode pertama adalah gas-listrik, tiga metode terakhir adalah api gas.
Tergantung pada jenis bahan yang disemprotkan, metode penyemprotan bubuk, kawat (batang) dan gabungan digunakan. Dalam metode gabungan, kawat berinti fluks digunakan. Metode penyemprotan berikut diketahui berdasarkan jenis perlindungannya: tanpa perlindungan proses, dengan perlindungan lokal dan dengan perlindungan umum dalam ruang tertutup. Dalam proteksi umum, dibedakan antara melakukan proses pada tekanan normal (atmosfer), pada tekanan tinggi, dan pada vakum (dalam vakum rendah).
Tingkat mekanisasi dan otomatisasi proses. Dengan metode penyemprotan manual, hanya penyediaan bahan yang disemprotkan yang dilakukan secara mekanis. Metode mekanis juga melibatkan pergerakan alat penyemprot relatif terhadap produk yang disemprotkan. Pergerakan produk yang disemprotkan relatif terhadap alat penyemprot stasioner sering digunakan. Tingkat otomatisasi proses penyemprotan tergantung pada desain instalasi; dalam versi yang paling sederhana tidak ada otomatisasi, tetapi dalam kompleks yang kompleks, otomatisasi proses yang lengkap dimungkinkan.
Frekuensi aliran. Kebanyakan metode penyemprotan melibatkan aliran partikel secara terus menerus. Untuk beberapa metode, hanya manajemen proses siklik yang dimungkinkan. Lapisan dibentuk dalam mode penyemprotan berdenyut, bergantian dengan jeda. Metode penyemprotan termal gas banyak digunakan untuk mengaplikasikan pelapis untuk berbagai keperluan. Keuntungan utama metode penyemprotan termal mencakup produktivitas proses yang tinggi dengan kualitas pelapisan yang memuaskan.
7. Penyemprotan lapisan plasma
Jet plasma banyak digunakan sebagai sumber pemanasan, atomisasi dan percepatan partikel dalam pengendapan lapisan. Karena laju aliran dan suhu yang tinggi, pancaran plasma memungkinkan penyemprotan hampir semua bahan. Semburan plasma diproduksi dengan berbagai cara: dengan pemanasan gas; pemanasan induksi frekuensi tinggi, ledakan listrik, pemanasan laser, dll.
Diagram umum dari proses penyemprotan plasma pada lapisan ditunjukkan pada Gambar. 8. Dengan penyemprotan plasma, pasokan bahan yang disemprotkan secara radial dan aksial dalam bentuk bubuk atau kawat (batang) dimungkinkan. Berbagai jenis jet plasma digunakan: turbulen, laminar, subsonik dan supersonik, berputar-putar dan tidak berputar-putar, sumbu-simetris dan bidang-simetris, kontinu dan berdenyut, dll.
Jet laminar memberikan nilai panjang aliran keluar yang jauh lebih besar (l N , aku Dengan ), yang menyebabkan waktu pemanasan partikel yang disemprotkan meningkat, dan dicirikan oleh nilai yang lebih tinggi dari rasio energi yang disuplai dengan laju aliran gas pembentuk plasma. Jet laminar harus diklasifikasikan sebagai jet entalpi tinggi. Selain itu, mereka dicirikan oleh laju aliran yang tinggi dan tingkat kebisingan yang lebih rendah (hingga 40 - 30 dB). Saat ini, belum ditemukan solusi yang memungkinkan penggunaan jet laminar secara luas untuk penyemprotan. Kesulitan tersebut terutama terkait dengan pasokan bubuk mesiu. Teori dan praktek pelapisan dengan jet laminar dikembangkan oleh A. V. Petrov.
Jet plasma supersonik juga cukup menjanjikan untuk disemprotkan. Kecepatan tinggi partikel yang disemprotkan (800 - 1000 m/s atau lebih) memungkinkan pembentukan lapisan tanpa melelehkannya
Tingkat penyemprotan plasma saat ini terutama didasarkan pada penggunaan jet plasma subsonik dan supersonik, turbulen, aksisimetris, dengan berbagai sifat termofisik. Sekitar setengah dari daya yang disuplai ke alat penyemprot dikonsumsi untuk memanaskan gas pembentuk plasma. Biasanya, efisiensi termal alat penyemprot adalah 0,4-0,75. Perlu juga dicatat bahwa jet plasma kurang digunakan sebagai sumber panas untuk memanaskan partikel bubuk. Efisiensi efisien pemanasan plasma partikel bubuk ?P berada pada rentang 0,01 – 0,15. Saat menyemprotkan kawat, efisiensi efektifnya jauh lebih tinggi dan mencapai 0,2 -0,3.
Karakteristik termofisik terpenting dari pancaran plasma, yang menentukan kondisi optimal untuk pemanasan, atomisasi, dan percepatan partikel yang disemprotkan, mencakup entalpi spesifik, suhu, dan kecepatan di berbagai bagian sepanjang sumbu aliran. Kontrol fleksibel terhadap parameter termofisika jet menentukan kemampuan manufaktur proses dan kemampuannya.
Menurut tingkat perlindungan proses, penyemprotan plasma dibedakan: tanpa perlindungan, dengan perlindungan lokal dan perlindungan umum.
7.1 Keuntungan dan kerugian metode penyemprotan plasma
Keuntungan utama metode penyemprotan plasma:
produktivitas proses yang tinggi dari 2 - 8 kg/jam untuk obor plasma dengan daya 20 - 60 kW hingga 50 - 80 kg/jam dengan penyemprot yang lebih kuat (150 - 200 kW);
keserbagunaan bahan yang disemprotkan (kawat, bubuk dengan titik leleh berbeda;
sejumlah besar parameter yang memberikan kontrol fleksibel terhadap proses penyemprotan;
regulasi dalam berbagai kualitas lapisan yang disemprotkan, termasuk memperoleh kinerja proses berkualitas tinggi dengan perlindungan umum;
nilai CMM yang tinggi (saat menyemprot bahan kawat 0,7 - 0,85, bahan bubuk - 0,2 - 0,8);
kemungkinan mekanisasi dan otomatisasi proses yang kompleks;
ketersediaan metode yang luas, efisiensi yang memadai, dan biaya rendah untuk peralatan paling sederhana.
Kerugian dari metode ini meliputi:
nilai faktor pemanfaatan energi yang rendah (dengan penyemprotan kawat ?Ke = 0,02 - 0,18; bubuk - ?Dan = 0,001 - 0,02);
adanya porositas dan jenis diskontinuitas lainnya (2 - 15%);
kekuatan perekat dan kohesif lapisan yang relatif rendah (nilai maksimum adalah 80 - 100 MPa);
tingkat kebisingan yang tinggi saat proses terbuka (60 - 120 dB).
Seiring dengan kemajuan metode penyemprotan plasma, jumlah kerugiannya pun berkurang. Yang menjanjikan, misalnya, adalah perkembangan penyemprotan dengan aliran keluar supersonik dari pancaran plasma, yang memungkinkan pembentukan lapisan terutama dari partikel-partikel yang berada dalam keadaan viskoplastik tanpa peleburan. Dibandingkan dengan yang radial, pasokan aksial bahan yang disemprotkan dalam penyemprot plasma busur paling efektif.
Penyemprotan plasma menggunakan obor plasma dua busur atau tiga fase merupakan hal yang sangat menarik. Penggunaan plasmatron HF menjanjikan keuntungan besar. Dalam kasus ini, plasma diperoleh yang tidak terkontaminasi dengan bahan elektroda, dan suplai aksial dari bahan yang disemprotkan disederhanakan.
8. Penyemprotan api gas pada pelapis
Nyala api gas dihasilkan oleh pembakaran gas yang mudah terbakar dalam oksigen atau udara. Dalam pembakar semprot khusus, campuran yang mudah terbakar disuplai di sepanjang pinggiran nosel, bagian tengah dirancang untuk memasok bahan yang disemprotkan ke dalam pancaran api gas yang terbentuk. Di dekat pintu keluar nosel, nyala gas berbentuk kerucut; saat menjauh dari pintu keluar nosel, nyala gas membentuk aliran gas bersuhu tinggi yang terus menerus. Ada yang laminar (R e < Rekp ) dan jet turbulen (R e > R ECR ). Peralihan mode pembakaran dan aliran keluar jet dari laminar ke turbulen bergantung pada sifat gas yang mudah terbakar dan ditentukan oleh bilangan Reynolds (Re = 2200 - 10000).
Semburan api gas sebagai sumber pemanasan, atomisasi dan percepatan selama penyemprotan lapisan mirip dengan semburan plasma. Namun, suhu, entalpi, dan kecepatan pancaran api gas jauh lebih rendah. Partikel yang disemprotkan berinteraksi dengan fase gas dengan komposisi kompleks, terdiri dari gas yang mudah terbakar, produk pembakaran dan disosiasinya, oksigen dan nitrogen. Potensi redoks pada bagian awal pancaran mudah diatur dengan mengubah rasio antara gas yang mudah terbakar dan oksigen. Secara konvensional, tiga mode pembentukan nyala dapat dibedakan: netral, oksidatif, dan reduksi.
Gas mudah terbakar berikut ini digunakan untuk penyemprotan pelapis: asetilena (C 2N 2), metana (CH 4), propana (C 3N 8), butana (C 4H1 0), hidrogen (H 2) dll. Terkadang campuran digunakan, misalnya propana-butana, dll.
Penyemprotan api dilakukan di lingkungan terbuka. Udara memasuki nyala gas, dan oleh karena itu jumlah oksigen lebih besar dari yang dibutuhkan untuk oksidasi sempurna unsur-unsur gas yang mudah terbakar menurut reaksi di atas. Untuk menyeimbangkan komposisi, kurangi jumlah oksigen dalam campuran gas-oksigen yang mudah terbakar.
Suhu nyala api tertinggi dicapai bila menggunakan campuran asetilena-oksigen. Namun, nilai kalornya lebih tinggi untuk propana dan butana. Oleh karena itu, asetilena teknis standar atau campuran propana-butana paling sering digunakan untuk penyemprotan. Ketika jet gas-plasma terbentuk, efisiensi termal alat penyemprot cukup tinggi ( ?t.r. = 0,8 - 0,9) Dalam hal ini, sebagian besar energi yang disuplai digunakan untuk memanaskan gas. Namun, efisiensi pemanasan efektif partikel bubuk ( ?Dan ) komposisinya hanya 0,01 - 0,15.
1 Metode penyemprotan api
Diagram umum proses penyemprotan api ditunjukkan pada Gambar. 9.
Gas yang mudah terbakar dan oksigen (jarang udara) masuk ke ruang pencampuran 3, campuran yang mudah terbakar kemudian masuk ke alat nosel 7, pada saluran keluarnya campuran menyala dan membentuk obor api 2. Untuk mengompres nyala gas, tambahan nosel 4 digunakan, di mana gas terkompresi disuplai, biasanya udara atau nitrogen. Aliran gas arus bersama eksternal (5) memperpanjang aliran gas bersuhu tinggi, meningkatkan suhu, entalpi, dan kecepatannya; selain itu, gas dapat digunakan untuk mendinginkan elemen alat penyemprot yang diberi tekanan panas.
Bahan yang disemprotkan dalam bentuk bubuk atau kawat (batang) diumpankan sepanjang sumbu pancaran api gas ke dalam obor, yang mendorong pemanasan dan atomisasi bahan yang lebih intens.
Metode penyemprotan api diklasifikasikan menurut kriteria berikut:
Jenis bahan yang disemprotkan. Dibedakan antara penyemprotan api yang menggunakan bahan bubuk dan kawat (batang).
Jenis gas yang mudah terbakar. Ada metode penyemprotan yang diketahui menggunakan asetilena atau gas pengganti asetilena (propana, butana, campurannya, dll.).
Tingkat mekanisasi. Penyemprotan manual dan penyemprotan mekanis (mesin) digunakan. Dengan metode manual, hanya penyediaan bahan yang disemprotkan yang dilakukan secara mekanis. Metode yang sepenuhnya mekanis melibatkan pergerakan produk yang disemprotkan relatif terhadap alat penyemprot atau sebaliknya dan memperkenalkan elemen otomatisasi.
2 Instalasi penyemprotan api gas
Negara kita memproduksi sejumlah instalasi untuk penyemprotan api pada bahan kawat dan bubuk. Campuran asetilena dan propana-butana digunakan sebagai gas energi. Asetilena (atau penggantinya), oksigen, dan dalam beberapa kasus gas tambahan (udara) untuk penyemprotan disuplai ke penyemprot dari unit pemasok gas. Unit pasokan gas tidak termasuk dalam perangkat yang diproduksi. Itu dipasang langsung di lokasi kerja. Peralatan untuk penyemprotan api biasanya dilengkapi dengan alat penyemprot (gun), mekanisme pengumpanan kawat atau bubuk dan panel kendali. Seringkali mekanisme pengumpan kawat terletak di wadah yang sama dengan pistol semprot, tempat pengumpan bubuk dipasang.
Kesimpulan
Produksi modern, dengan mempertimbangkan pencapaian ilmu pengetahuan dan teknologi modern, memerlukan penciptaan dasar yang kuat untuk penerapan metode baru dalam penerapan pelapis dari berbagai kelompok bahan anorganik. Diperlukan pelapis dengan berbagai sifat fisik dan kimia: untuk perlindungan di berbagai lingkungan; tahan aus; optik; pelindung panas dan banyak lainnya. Upaya signifikan juga diperlukan untuk memperbaiki metode pelapisan yang sudah ada dan yang sudah lama digunakan.
Untuk mengatasi masalah ini, perlu menggunakan pendekatan terpadu yang tidak hanya terkait dengan penyelesaian aspek ilmiah dan teknis tertentu dalam menciptakan teknologi baru di bidang pelapisan, tetapi juga tugas optimalisasi dan penyimpanan terkoordinasi serta penyebaran informasi menjadi semakin penting. .
Daftar literatur bekas
1. Grilikhes, S.Ya., Tikhonov, K.I. Pelapis elektrolitik dan kimia. L.: Kimia, 1990. -288 hal.
Kovensky, I.M., Povetkin, V.V. Metode untuk mempelajari pelapisan elektrolitik. -M.: Nauka, 1994. -234 hal.
Molchanov V.F. Pelapis elektrolitik gabungan - Kyiv: Tekhnika, 1976. -176 hal.
Dasoyan, M.A., Palmskaya, I.Ya., Sakharova, E.V. Teknologi pelapisan elektrokimia. -L.: Teknik Mesin, 1989. -391 hal.
Eichis, A.P. Pelapisan dan estetika teknis. -Kiev: Teknologi, 1971. - 248 hal.
Biront, V.S. Pelapisan: buku teks untuk mahasiswa. - Krasnoyarsk. GATSMIZ, 1994. - 160 hal.
Bobrov, G.V. Penerapan pelapis anorganik (teori, teknologi, peralatan): buku teks untuk mahasiswa. / G.V.Bobrov, A.A. Ilyin. - M.: Intermet Engineering, 2004. - 624 hal.
8. Layner, V.I. Lapisan pelindung untuk logam / V.I. Liner, - M.: Metalurgi, 1974. - 560 hal.
9.. Nikandrova, L.I. Metode kimia untuk memproduksi pelapis logam./ L.I. Nikandrova. - L.: Teknik Mesin, 1971. 101 hal.
Korosi: Publikasi referensi. / Ed. II. Schreyer. - M.: Metalurgi. 1981. - 632 hal.
Pemrosesan kimia-termal logam dan paduan: Buku Pegangan / Ed. L.S. Lyakhovich. M.: Metalurgi, 1981.-.424 hal.
Kolomytsev, P.T. Lapisan difusi tahan panas / P.T. Kolomytsev. - M.: Metalurgi, 1979. - 272 hal.
Hawking, M. Pelapis logam dan keramik / M. Hawking, V. Vasantasri, P. Sidki. - M.: Mir, 2000. - 516 hal.
Pemilik paten RU 2265075:
Invensi ini berkaitan dengan bidang metalurgi, yaitu metode pengolahan permukaan bahan konduktif. Sebuah metode telah diusulkan untuk memodifikasi permukaan benda konduktif dengan memanaskannya dengan arus listrik bolak-balik, sedangkan pulsa arus dengan durasi 20-100 ns dan amplitudo yang memberikan kedalaman leleh permukaan 1-10 m digunakan untuk memodifikasi permukaan benda konduktif. permukaan. Hasil teknisnya adalah pengembangan metode untuk memodifikasi permukaan benda konduktif untuk meningkatkan karakteristik kinerja logam dan paduan serta mengontrol sifat-sifat yang diperlukan, seperti kekerasan, ketahanan aus, ketahanan lelah dan korosi. 3 sakit.
Penemuan ini berkaitan dengan bidang pengolahan bahan penghantar listrik dengan pemanasan dengan medan listrik.
Canggih
Banyak sifat fisik dan mekanik suatu material sangat bergantung pada keadaan permukaannya. Misalnya, kekerasan, kelelahan, keausan, kekuatan korosi dan ketahanan retak ditingkatkan secara signifikan dengan mengurangi ukuran butir dan mengamorfisasi lapisan permukaan. Ada banyak cara untuk mempengaruhi permukaan agar mengeras. Metode tersebut meliputi pelapisan dan penerapan berbagai pelapis, pemrosesan laser dan mekanis (misalnya sandblasting), implantasi ion, dan sebagainya. Dengan menggunakan metode pendinginan cepat, bahan amorf dan nanokristalin dengan komposisi kimia tertentu diperoleh dari lelehan. Laju pendinginan kritis yang diperlukan untuk amorfisasi dan suhu transisi gelas bergantung pada sifat komposisi kimia lelehan. Laju pendinginan tipikal untuk sistem amorf adalah 10 5 -10 7 K/detik dan dicapai dengan menggunakan metode pemintalan leleh - pendinginan jet pada blok berputar besar, penggulungan lelehan di antara roller dingin, penyemprotan pancaran lelehan dengan aliran gas (atomisasi gas).
Dengan menggunakan metode ini, diperoleh bubuk atau serpihan dengan ukuran karakteristik 1-100 nm, atau pita tipis dengan ketebalan 10-100 mikron. Amorfisasi logam murni memerlukan laju pendinginan yang sangat tinggi -10 12 -10 14 K/detik, yang tidak dapat dicapai dengan skema pengerasan cepat modern. Kecepatan pendinginan yang lebih lambat yaitu 10 2 -10 4 - K/detik digunakan untuk menghasilkan apa yang disebut gelas logam masif dengan dimensi karakteristik orde beberapa milimeter pada penampang melintang. Kacamata semacam itu diperoleh dari lelehan dengan wilayah supercooling yang luas, ada atau tidaknya ditentukan oleh komposisi kimia paduannya. Ukurannya yang kecil, biayanya yang tinggi dan komposisi amorf yang terbatas selama pengerasan kecepatan tinggi membatasi ruang lingkup paduan amorf. Keuntungan dari perawatan permukaan produk jadi sudah jelas. Misalnya, metode implantasi ion digunakan untuk mengamorfisasi lapisan permukaan dengan membombardir dengan ion berenergi tinggi (misalnya, membombardir nikel dengan ion P+ pada suhu kamar - dosis 10 17 ion/cm 2, energi ion 40 keV - menghasilkan pembentukan fase amorf pada lapisan permukaan) .
Metode amorfisasi laser pada suatu permukaan telah diketahui, yang menggunakan sinar laser berdenyut yang kuat yang memindai permukaan dan melelehkan area kecil pada lapisan permukaan, yang, setelah penghentian radiasi laser, dengan cepat mengeras karena pembuangan panas yang intens ke dalam permukaan. substrat yang masif. Untuk amorfisasi yang lebih efisien, elemen pembentuk amorf dimasukkan ke dalam komposisi bahan yang diproses. Kerugian teknologi dari amorfisasi laser adalah kompleksitas peralatan, biaya tinggi dan kecepatan pemrosesan permukaan besar yang relatif rendah. Kerugian metalurgi dari metode ini termasuk tekanan internal yang tinggi yang terbentuk pada batas lapisan amorf dan matriks kristal, dan, yang paling penting, ketidakhomogenan makro dan mikro yang tinggi dari struktur yang disebabkan oleh pemindaian sinar laser pada permukaan yang sedang diproses.
Metode lain dari perlakuan panas terhadap seluruh volume dan lapisan permukaan material, yang dipilih sebagai prototipe, adalah pemanasan induksi - pemanasan benda konduktif dengan membangkitkan arus listrik di dalamnya oleh medan elektromagnetik bolak-balik. Untuk membuat yang terakhir, digunakan arus frekuensi rendah (50 Hz), sedang (hingga 10 kHz) dan tinggi (lebih dari 10 kHz). Digunakan untuk melelehkan logam, pengerasan permukaan bagian, dll.
Daya tarik pemanasan induksi dalam industri terutama disebabkan oleh kesederhanaan teknologi, produktivitas tinggi, akurasi tinggi dalam mempertahankan rezim perlakuan panas, tingkat keramahan lingkungan yang tinggi, dan kemudahan integrasi ke dalam jalur produksi otomatis. Saat ini, peralatan pemanas induksi telah dikembangkan dan diproduksi untuk berbagai aplikasi industri:
Untuk perlakuan panas volumetrik dan permukaan produk logam untuk tujuan pengerasan, normalisasi, peningkatan, anil, temper, perlakuan kimia-termal;
Untuk memanaskan benda kerja logam sebelum deformasi plastis;
Untuk memanaskan permukaan produk logam untuk keperluan khusus.
Kekuatan instalasi modern untuk pemanasan induksi logam adalah puluhan - ratusan kW, frekuensi operasi - satuan kHz - satuan - MHz.
Inti dari penemuan ini
Inti dari penemuan ini adalah penggunaan pulsa listrik pendek yang kuat untuk memodifikasi permukaan benda penghantar listrik.
1. meningkatkan karakteristik kinerja logam dan paduan;
2. pengendalian sifat-sifat yang diperlukan, seperti kekerasan, ketahanan aus, kelelahan, ketahanan korosi;
3. mengurangi biaya produksi;
sebuah metode diusulkan untuk memodifikasi struktur permukaan dengan membentuk lapisan permukaan amorf, nano dan mikrokristalin. Berbeda dengan prototipe, kami mengusulkan untuk menggunakan pulsa arus tunggal yang kuat, yang menghasilkan pemanasan yang diperlukan pada permukaan (lapisan kulit).
Efek kulit terdiri dari lokalisasi arus listrik frekuensi tinggi dalam lapisan tipis konduktor dekat permukaan. Ketebalan lapisan kulit δ diperkirakan sebagai:
dimana ω adalah frekuensi arus bolak-balik, μ adalah permeabilitas magnetik dan σ adalah konduktivitas konduktor. Ketika pulsa arus berdurasi t 0 dengan kepadatan j mengalir melalui konduktor dengan resistivitas ρ=1/σ, panas q dilepaskan:
Panas ini digunakan untuk meningkatkan energi internal, dan oleh karena itu suhu lapisan kulit permukaan, karena durasi pulsa pendek dan perubahan struktur serta aliran panas melalui permukaan luar dapat diabaikan. Kenaikan suhu T dalam selang waktu singkat t 0 sebanding dengan jumlah kalor q:
di mana c v adalah kapasitas panas spesifik dan ρ m adalah kepadatan lapisan konduktif.
Untuk estimasi, kita asumsikan bahwa bentuk pulsa arus dengan durasi t 0 mendekati setengah siklus fungsi sinusoidal dengan frekuensi ω. Maka kita dapat berasumsi:
Biarkan arus I mengalir melalui sampel silinder berjari-jari R 0 . Maka luas penampang S lapisan kulit dengan ketebalan δ adalah:
Kemudian kita dapat mencari hubungan antara arus total I dan rapat arus j:
Mengganti (1, 2, 4-6) ke (3), kita memperoleh perkiraan ketergantungan nilai kalor permukaan pada amplitudo arus I dan radius sampel R0:
Mengganti (4) ke (1), kita memperoleh ekspresi untuk menentukan durasi pulsa listrik yang diperlukan untuk memodifikasi lapisan permukaan dengan ketebalan δ:
Dari (7) kita dapat mencari amplitudo arus yang diperlukan untuk memanaskan permukaan sampel berjari-jari R 0 dengan nilai T:
Jadi, ekspresi (8, 9) memungkinkan untuk memperkirakan parameter pulsa arus yang diperlukan untuk memanaskan lapisan permukaan dengan ketebalan δ hingga suhu ΔT.
Waktu pendinginan tf lapisan permukaan ditentukan oleh difusi panas ke dalam sampel dan bergantung pada ketebalannya (δ) dan koefisien difusivitas termal α.
di mana λ adalah koefisien konduktivitas termal.
Karakteristik paling penting dari perlakuan permukaan, yang menentukan, khususnya, penampakan lapisan permukaan amorf, adalah laju pendinginannya T:
Menggunakan (8, 10), kita mendapatkan:
Jadi, sebagai berikut dari ekspresi yang diperoleh, pulsa arus pendek dan kuat diperlukan untuk mencapai suhu leleh lapisan kulit dan memperoleh laju pendinginan yang tinggi. Perkiraan menunjukkan bahwa untuk memproses sampel dengan diameter orde milimeter dan memperoleh laju pendinginan orde 10 10 K/s, diperlukan pulsa arus dengan amplitudo sekitar 100 kA dan durasi puluhan nanodetik.
Struktur dan ketebalan yang diperlukan dari lapisan yang dimodifikasi dapat disesuaikan dengan mengontrol jumlah lelehan yang terlalu panas atau suhu lapisan permukaan jika peleburan permukaan tidak diinginkan, dan laju pendinginan, yang pada gilirannya ditentukan oleh amplitudo, durasi pulsa arus yang diterapkan dan suhu awal sampel. Akibatnya, metode yang diusulkan menyadari keuntungan dari perlakuan panas permukaan dan pengerasan berkecepatan tinggi.
Penerapan metode yang diusulkan tergantung pada kemampuan teknis untuk memperoleh pulsa arus pendek dengan amplitudo besar. Masalah utamanya adalah memastikan keluaran energi berkecepatan tinggi dari generator ke beban. Saat ini, untuk kapasitor terbaik dengan kapasitas energi ˜10 4 J, kali ini adalah ˜300 ns. Waktu yang diperlukan untuk menghilangkan energi dari baterai ditentukan oleh parameter kapasitor itu sendiri dan beban. Menambahkan beban eksternal menyebabkan peningkatan induktansi sistem yang tak terelakkan dan peningkatan waktu keluaran energi hingga ˜1 μs.
Saat ini, tingkat keluaran energi tertinggi diperoleh pada generator dua tahap, yang mencakup generator pulsa arus primer (CPG) dan sistem augmentasi daya (PAS). GIN biasanya merupakan baterai kapasitor pulsa, dihubungkan menurut sirkuit tertentu (misalnya, sirkuit Marx) dan ditenagai oleh sumber tegangan tinggi. Sistem peningkatan daya dirancang secara signifikan (10-100 kali) meningkatkan kepadatan energi yang berasal dari GIN untuk menghasilkan pulsa arus dengan durasi ˜(10-100) ns pada beban. Ada dua jenis SMS - berdasarkan perangkat penyimpanan kapasitif perantara atau menggunakan perangkat penyimpanan induktif. Kepadatan energi pada perangkat penyimpanan induktif sepuluh kali lebih tinggi dibandingkan perangkat penyimpanan kapasitif. Namun, hal tersebut memerlukan penggunaan pemutus arus berkecepatan tinggi dan arus tinggi yang mengalihkan generator ke beban, yang merupakan masalah ilmiah dan teknis yang serius.
SMA berdasarkan garis pembentuk tipe koaksial tunggal (atau ganda) yang diisi dengan gliserol (konstanta dielektrik relatif ε=44) atau air deionisasi (ε=81) lebih mudah diterapkan. Dalam lingkungan ini, dimungkinkan untuk memperoleh nilai kuat medan listrik yang cukup tinggi selama durasi pengisian, dan oleh karena itu (dengan mempertimbangkan nilai konstanta dielektrik frekuensi tinggi ε yang agak besar), dan kepadatan energi yang tinggi. , yang menjamin penerimaan pulsa listrik yang pendek dan kuat.
Tujuan dari penemuan ini adalah untuk memodifikasi permukaan benda penghantar listrik.
Tujuan ini dicapai dengan fakta bahwa dalam metode memodifikasi benda konduktif dengan membangkitkan arus listrik di dalamnya dengan medan elektromagnetik bolak-balik, yang baru adalah pulsa arus tunggal yang kuat dengan rentang durasi nanodetik digunakan untuk memodifikasi permukaan.
Karena kenyataan bahwa metode modifikasi permukaan berdasarkan penggunaan pulsa arus berdaya tinggi nanodetik tidak diketahui dalam penemuan sebelumnya, metode ini memenuhi kriteria "kebaruan".
Karena kenyataan bahwa penemuan yang diklaim tidak secara jelas mengikuti analog dan prototipe, maka penemuan tersebut memenuhi kriteria “langkah inventif”.
Seperti yang akan ditunjukkan di bawah, karena nilai laju pendinginan yang dihitung tinggi dan biaya spesifik yang diharapkan relatif rendah, cakupan penerapan industri dari penemuan yang diklaim bisa sangat luas. Oleh karena itu, penemuan yang diklaim memenuhi kriteria “penerapan industri”.
Daftar gambar gambar
Gambar 1 menunjukkan hasil penghitungan lewatnya pulsa arus dengan amplitudo 240 kA dan durasi 40 ns melalui sampel silinder tembaga dengan diameter 1 mm. Grafik ketergantungan waktu dari kuat arus - I, mengalir melalui sampel, suhu permukaan sampel - T, jari-jari transisi fasa (peleburan) - R m dan laju perubahan suhu dari saat peleburan - dT/dt disajikan.
Gambar 2 menunjukkan mikrograf permukaan sampel silinder tembaga dengan panjang 10 mm dan diameter 0,8 mm, diproses dengan pulsa arus sesuai dengan metode yang diklaim. Gambar permukaan diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian Hitachi S-3500.
Gambar 3 menunjukkan mikrograf dari bagian permukaan yang sama dari sampel silinder nitinol (NuTi) dengan diameter 1,0 mm, diolah dengan pulsa arus sesuai dengan metode yang diklaim. Gambar 3a menunjukkan permukaan sampel dalam keadaan aslinya. dan pada Gambar 3b - setelah diproses. Gambar permukaan diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian Hitachi S-3500.
Informasi yang mengkonfirmasi kemungkinan penerapan penemuan ini.
Untuk modifikasi permukaan logam, generator pulsa arus (CPG) dengan durasi nanodetik 20...100 ns dan amplitudo arus ˜100 kA dapat digunakan. Biasanya, generator semacam itu dibuat berdasarkan saluran pembentuk tunggal (ganda) (FL) tipe koaksial, diisi dengan gliserol atau air deionisasi. Penggunaan garis-garis ini dalam desain GIT disebabkan oleh faktor-faktor berikut:
1. Durasi pulsa arus ditentukan oleh panjang listrik PL dan dapat dengan mudah diubah dengan menggunakan segmen PL tambahan atau PL dengan panjang listrik berbeda.
2. Waktu naik pulsa arus dalam generator sangat bergantung pada induktansi rangkaian pelepasan, terutama ditentukan oleh celah percikan hubung singkat dan, sebagian besar, ketinggian rangkaian pelepasan. Saat memasang arester hubung singkat multi-saluran dengan arus melalui setiap saluran ˜10 kA di saluran alih-alih saluran tunggal, durasi kenaikan pulsa arus dapat dikurangi.
3. Jika terjadi gangguan listrik pada saluran, dielektrik cair tidak kehilangan sifat kekuatan listriknya dan dapat digunakan di kemudian hari.
Sebagai contoh implementasi, kami menyajikan hasil perhitungan yang dilakukan untuk silinder tembaga dengan diameter 1 mm, suhu awal T 0 = 300 K. Parameter pulsa arus dipilih sedemikian rupa untuk memastikan kedalaman leleh dari ˜1 10 μm.
Ditemukan bahwa untuk sampel tembaga dengan amplitudo pulsa arus I = 240 kA dan durasinya t 0 = 40 ns, ketebalan lapisan yang menyatu adalah 9 m. Proses pemanasan berlangsung ˜0,1 μs, proses pendinginan berlangsung ˜1 μs. Pemanasan maksimum mencapai 1953 K (pada suhu leleh dan penguapan tembaga masing-masing 1356 K dan 2868 K). Laju pendinginan maksimum adalah T=1,8·10 11 K/s.
Hasil perhitungan dikonfirmasi secara eksperimental, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 untuk sampel tembaga dengan diameter 0,8 mm, dan pada Gambar 3 untuk sampel nilon dengan diameter 1 mm, yang diproses sesuai dengan metode yang diklaim. Mencairnya lapisan permukaan terlihat jelas.
Dengan demikian, berdasarkan metode yang diusulkan, dimungkinkan untuk mengembangkan instalasi industri yang memberikan perlakuan panas pada permukaan produk.
Sumber informasi
1. Rekayasa Permukaan, Euromat-99, Vol. 11, edisi. H.Dimigen, Willey-VCH, Jerman (2000) 539 gosok.
2. V.P. Alekhin, V.A. Khonik, Struktur dan pola fisik deformasi paduan amorf. M.: Metalurgi, 1992, 248 hal.
3. A.I.Manokhin, B.S.Mitin, V.A.Vasiliev, A.V.Revyakin, Paduan amorf. M.: Metalurgi, 1992, 160 hal.
4. EM Breinan, Phys.Today V.29 (1976) hal.45-51.
5. A. Inoue, Paduan Amorf Massal, Karakteristik Praktis dan Aplikasi, Trans.Tech.Pub., Swizerland (1999) 146p.
7. I. R. Pashby, S. Bames dan B. G. Bryden, Pengerasan permukaan baja menggunakan laser dioda daya tinggi. Jurnal Teknologi Pengolahan Bahan, 139 (2003) hlm.585-588.
8. G. W. Stachowiak dan A. W. Batchelor, Pengerasan permukaan dan pengendapan lapisan pada logam oleh sumber bergerak pemanasan resistif listrik lokal. Jurnal Teknologi Pengolahan Bahan, 57 (1996) hlm.288-297.
Pelapisan memungkinkan Anda memecahkan dua masalah teknologi. Pertama terdiri dari perubahan arah pada sifat fisik dan kimia permukaan asli produk, menyediakan kondisi operasi tertentu, Kedua- V pemulihan sifat-sifat permukaan produk, dilanggar oleh kondisi pengoperasian, termasuk penurunan ukuran dan berat. Penggunaan pelapis dapat meningkatkan karakteristik kinerja produk secara signifikan: ketahanan aus, ketahanan korosi, tahan panas, tahan panas, dll.
Saat ini, perbaikan dan pencarian metode pelapisan baru terus dilakukan.
Studi tentang metode pelapisan dan variasinya; termodinamika proses dalam pembuatan berbagai jenis pelapis pada permukaan logam dan non-logam; struktur, struktur dan sifat kinerja pelapis; peralatan dasar untuk pelapisan gas-termal dan elektrotermal produk logam.
Mempelajari metode peningkatan kualitas produk melalui pembentukan lapisan multilayer dan diperkuat; pengendalian metrologi parameter teknologi pembentukan dan sifat-sifatnya.
Peran dan tempat pelapis dalam produksi modern
Pelapis- Ini struktur tunggal atau multi-lapisan diterapkan pada permukaan untuk melindungi dari pengaruh eksternal(suhu, tekanan, korosi, erosi dan sebagainya).
Ada lapisan luar dan dalam.
Pelapis luar mempunyai batas antara lapisan dan permukaan produk. Masing-masing ukuran produk meningkat seiring dengan ketebalan lapisan, Pada saat yang sama, massa produk bertambah.
Pada lapisan internal tidak ada antarmuka dan dimensi dan massa produk tetap tidak berubah, sedangkan sifat-sifat produk berubah. Pelapis internal juga disebut pelapis modifikasi.
Ada dua masalah utama yang dipecahkan saat menerapkan pelapisan
1. Perubahan sifat fisik dan kimia awal permukaan produk yang menyediakan kondisi operasi tertentu;
2. Pemulihan sifat, dimensi, massa permukaan produk, yang dilanggar oleh kondisi pengoperasian.
Tujuan dan area penerapan pelapis
Alasan utama munculnya dan berkembangnya teknologi lapisan pelindung adalah keinginan untuk meningkatkan daya tahan suku cadang dan rakitan berbagai mekanisme dan mesin. Optimalisasi sistem pelapisan melibatkan pilihan komposisi pelapis yang tepat, struktur, porositas dan daya rekatnya, dengan mempertimbangkan suhu lapisan, Jadi Suhu Operasional, kompatibilitas bahan substrat dan pelapis, ketersediaan dan biaya bahan pelapis, serta kemungkinan pembaharuan, perbaikan dan perawatan yang tepat selama pengoperasian
Penggunaan lapisan yang kurang tahan lama, yang ketebalannya berkurang secara nyata selama pengoperasian, dapat menyebabkan penurunan kekuatan seluruh bagian karena penurunan luas efektif dari total penampangnya. Saling difusi komponen dari substrat ke dalam lapisan dan sebaliknya dapat menyebabkan penipisan atau pengayaan paduan salah satu unsurnya. Dampak termal Mungkin mengubah struktur mikro substrat dan panggilan munculnya tegangan sisa pada lapisan. Dengan mempertimbangkan semua hal di atas, pilihan sistem yang optimal harus menjamin stabilitasnya, yaitu pelestarian sifat-sifat seperti kekuatan (dalam berbagai aspeknya), keuletan, kekuatan benturan, kelelahan dan ketahanan mulur setelah benturan apa pun. Pengoperasian dalam kondisi siklus termal yang cepat memiliki pengaruh paling kuat terhadap sifat mekanik, dan parameter terpenting adalah suhu dan waktu paparannya terhadap material; Interaksi dengan lingkungan kerja sekitar menentukan sifat dan intensitas paparan bahan kimia.
Metode mekanis untuk menyambung lapisan ke substrat seringkali tidak memberikan kualitas adhesi yang dibutuhkan. Hasil yang jauh lebih baik biasanya diperoleh dengan metode penggabungan difusi. Contoh yang baik dari pelapisan difusi yang sukses adalah aluminisasi logam besi dan non-besi.
Klasifikasi pelapis dan metode produksinya
Saat ini, ada banyak pelapis dan metode produksi yang berbeda.
Dalam banyak publikasi Berbagai skema untuk mengklasifikasikan pelapis anorganik menurut berbagai kriteria telah diusulkan.
Cakupan dapat diklasifikasikan berdasarkan prinsip dasar berikut:
1. Dengan sengaja(anti korosi atau pelindung, tahan panas, tahan aus, anti gesekan, reflektif, dekoratif dan lain-lain);
2. Berdasarkan sifat fisik atau kimia(logam, non-logam, tahan api, tahan bahan kimia, reflektif, dll.);
3. Berdasarkan sifat unsurnya(krom, krom-aluminium, krom-silikon dan lain-lain);
4. Berdasarkan sifat fasa yang terbentuk pada lapisan permukaan(aluminida, silisida, borida, karbida dan lain-lain)
Mari kita lihat pelapis yang paling penting, diklasifikasikan berdasarkan tujuannya.
Lapisan pelindung– tujuan utama terkait dengan mereka berbagai fungsi pelindung. Lapisan tahan korosi, tahan panas dan tahan aus telah tersebar luas. Lapisan pelindung panas, isolasi listrik dan reflektif juga banyak digunakan.
Pelapis dan film struktural– melakukan suatu peran elemen struktural dalam produk. Mereka juga banyak digunakan dalam produksi produk pembuatan instrumen, peralatan elektronik, sirkuit terpadu, mesin turbojet - dalam bentuk segel yang digerakkan di turbin dan kompresor, dll.
Pelapis teknologi- disengaja untuk memfasilitasi proses teknologi dalam produksi produk. Misalnya, penggunaan solder saat menyolder struktur yang rumit; produksi produk setengah jadi dalam proses deformasi suhu tinggi; pengelasan bahan yang berbeda, dll.
Pelapis dekoratif– sangat banyak digunakan dalam produksi produk rumah tangga, perhiasan, meningkatkan estetika instalasi dan perangkat industri, prostetik pada peralatan medis, dll.
Pelapis restorasi– memberi dalam jumlah besar efek ekonomi ketika memulihkan permukaan produk yang aus, misalnya poros baling-baling dalam pembuatan kapal; jurnal poros engkol mesin pembakaran dalam; bilah pada mesin turbin; berbagai alat pemotong dan pengepres.
Lapisan optik– mengurangi reflektifitas dibandingkan dengan bahan padat, terutama karena geometri permukaan. Pembuatan profil menunjukkan bahwa permukaan beberapa lapisan merupakan kumpulan kekasaran, yang tingginya berkisar antara 8 hingga 15 mikron. Pada ketidakteraturan makro individu, terbentuk ketidakteraturan mikro, yang tingginya berkisar antara 0,1 hingga 2 mikron.. Dengan demikian, ketinggian ketidakteraturan sepadan dengan panjang gelombang radiasi yang datang.
Pemantulan cahaya dari permukaan tersebut terjadi sesuai dengan hukum Frenkel.
Dalam literatur terdapat berbagai prinsip untuk mengklasifikasikan metode pelapisan. Meskipun Perlu dicatat bahwa tidak ada sistem klasifikasi terpadu untuk metode penerapan pelapisan.
Hawking dan sejumlah peneliti lain telah mengusulkan tiga klasifikasi metode pelapisan:
1. Menurut keadaan fase medium, dari mana bahan pelapis diendapkan;
2. Sesuai dengan kondisi bahan yang diaplikasikan;
3. Berdasarkan status proses, yang mendefinisikan satu kelompok metode pelapisan.
Klasifikasi metode pelapisan yang lebih rinci disajikan pada Tabel 1.1
Keuntungan dan kerugian berbagai metode pelapisan disajikan dalam tabel
Tabel 1.1
Tabel 1.2
Klasifikasi metode pelapisan menurut keadaan fase medium.
Tabel 1.3
Klasifikasi metode pelapisan menurut keadaan proses yang menentukan satu kelompok metode
Tabel 1.4
Klasifikasi metode menurut keadaan bahan yang diterapkan dan metode pembuatannya
Perubahan sifat fisik dan kimia permukaan selama penerapan pelapisan
Lapisan permukaan (coating) memainkan peran yang menentukan dalam pembentukan sifat operasional dan lainnya produk, membuatnya pada permukaan benda padat hampir selalu mengubah sifat fisik dan kimia ke arah yang diinginkan. Pelapisan memungkinkan Anda memulihkan properti yang sebelumnya hilang selama pengoperasian produk.. Namun, sifat permukaan asli produk yang diperoleh selama produksinya paling sering berubah. Dalam hal ini, sifat bahan lapisan permukaan berbeda secara signifikan dengan sifat permukaan aslinya. Dalam sebagian besar kasus, komposisi kimia dan fasa dari permukaan yang baru dibuat berubah, menghasilkan produk dengan karakteristik kinerja yang diperlukan, misalnya, ketahanan korosi yang tinggi, tahan panas, ketahanan aus, dan banyak indikator lainnya.
Perubahan sifat fisik dan kimia permukaan aslinya produk dapat dicapai dengan membuat lapisan internal dan eksternal. Opsi kombinasi juga dimungkinkan(Gbr. 1.1).
Saat menerapkan pelapis internal, dimensi produk tetap tidak berubah (L Dan = konstanta). Beberapa metode juga memastikan massa produk yang konstan., dalam metode lain - pertambahan massa dapat diabaikan dan dapat diabaikan. Biasanya, tidak ada batas yang jelas dari lapisan permukaan yang dimodifikasi(δм ≠ konstanta).
Saat mengaplikasikan pelapis luar ukuran produk meningkat (L dan ≠ const) pada ketebalan lapisan (δpc). Berat produk juga bertambah.
N 
Dalam praktiknya, ada juga pelapis gabungan. Misalnya, saat menerapkan lapisan pelindung panas, ditandai dengan peningkatan jumlah diskontinuitas pada lapisan luar,
ketahanan panas dijamin oleh lapisan internal yang tidak berpori.
Beras. 1.1. Representasi skematis dari perubahan sifat fisikokimia permukaan ( Li – ukuran produk asli; δ m – kedalaman lapisan dalam; δ pc – ketebalan lapisan; σ a – kekuatan adhesi lapisan; δ к – kekuatan kohesif; P – diskontinuitas (pori-pori, dll.); О Н – tegangan sisa)
Lapisan dalam
Lapisan dalam dibuat dengan berbagai metode untuk mempengaruhi permukaan bahan sumber(modifikasi permukaan asli). Dalam praktiknya, metode pengaruh berikut ini banyak digunakan: mekanik, termal, difusi termal dan energi tinggi dengan aliran penetrasi partikel dan radiasi (Gbr. 1.2).
Bertemu dan metode pengaruh gabungan, misalnya termomekanis, dll. Pada lapisan permukaan, terjadi proses yang menyebabkan perubahan struktural pada bahan sumber hingga kedalaman dari kisaran nanometer hingga sepersepuluh milimeter atau lebih. Tergantung pada metode pengaruhnya proses berikut terjadi:
– perubahan struktur butir bahan;
– distorsi kisi, mengubah parameter dan jenisnya;
– penghancuran kisi kristal(amorfisasi);
– mengubah komposisi kimia dan mensintesis fase baru.
Beras. 1.2. Skema modifikasi permukaan oleh berbagai pengaruh ( R-tekanan; T- suhu; DENGAN– elemen penyebaran; J– aliran energi; τ – waktu)
Pelapis luar
Pentingnya praktis pelapis luar sangat besar. Penerapan pelapis eksternal memungkinkan tidak hanya untuk memecahkan masalah perubahan sifat fisik dan kimia permukaan asli, tetapi juga memulihkannya setelah digunakan.
Mekanisme dan kinetika pembentukan ditunjukkan pada Gambar. 1.3. Pelapis luar sering kali berperan sebagai elemen struktural, misalnya pelapis – film dalam produksi sirkuit terpadu. Sampai saat ini, sejumlah besar metode penerapan pelapis untuk berbagai keperluan dari banyak bahan anorganik telah dikembangkan.
Beras. 1.3. Skema pembentukan lapisan pada permukaan padat
Untuk analisis proses fisik dan kimia terkait dengan pelapisan, mereka disarankan untuk mensistematisasikannya sesuai dengan kondisi pembentukannya. Tampaknya mungkin untuk membedakan kelompok pelapis berikut yang terbentuk pada permukaan padat: fase padat, fase cair, bubuk, dan atom.
Pertanyaan kontrol:
1. Definisikan istilah cakupan.
2. Apa dua tugas utama yang diselesaikan saat mengaplikasikan pelapis?
3. Sebutkan tujuan utama dan bidang penerapan pelapis.
4. Sebutkan kriteria utama yang mengklasifikasikan pelapis.
5. Lapisan apa yang disebut pelindung?
6. Sebutkan kriteria utama untuk mengklasifikasikan metode penerapan pelapisan.
7. Sebutkan kelompok utama metode yang diklasifikasikan menurut kondisi bahan yang diterapkan.
8. Bagaimana sifat fisikokimia permukaan berubah ketika pelapis diterapkan?
9. Sebutkan perbedaan utama antara pelapis dalam dan luar.
10. Berikan contoh pelapis gabungan.
Kuliah 2. Sifat fisikokimia permukaan padat
PERKENALAN
Proses untuk memodifikasi permukaan bahan konduktif banyak digunakan untuk menciptakan sifat khusus dari berbagai produk di bidang optik, elektronik, dan juga sebagai perawatan akhir untuk berbagai macam produk untuk keperluan rumah tangga dan teknis. Metode pemolesan mekanis yang ada saat ini memakan banyak tenaga kerja, rumit, dan sering kali menyebabkan perubahan struktural yang tidak diinginkan pada lapisan permukaan produk dan menimbulkan tekanan tambahan, yang dapat menjadi sangat penting dalam pembentukan film tipis dengan sifat khusus dalam mikroelektronika. Metode elektrokimia yang banyak digunakan untuk memoles produk logam mahal, terutama karena penggunaan elektrolit asam yang mahal, yang juga menyebabkan kerusakan lingkungan yang besar terhadap lingkungan. Dalam hal ini, kepentingan terbesar diberikan pada pengembangan dan penerapan proses teknologi baru yang memungkinkan menjaga kualitas dan struktur permukaan, memiliki produktivitas tinggi dan kinerja lingkungan dan ekonomi yang baik. Proses tersebut meliputi pemolesan berbagai bahan konduktif menggunakan metode elektrolit-plasma. Berbeda dengan pemolesan elektrokimia tradisional dalam asam, teknologi plasma elektrolit menggunakan larutan garam konsentrasi rendah yang ramah lingkungan (3–6%), yang beberapa kali lebih murah daripada komponen asam beracun.
Tidak diperlukan fasilitas pengolahan khusus untuk pembuangan elektrolit bekas. Waktu pemolesan adalah 2–5 menit, dan waktu deburring adalah 5–20 detik. Metode ini memungkinkan Anda memproses produk dalam empat bidang utama:
- persiapan permukaan sebelum mengaplikasikan film tipis dan pelapis;
- memoles permukaan profil kompleks pada bagian-bagian penting;
- menghilangkan gerinda dan menumpulkan ujung yang tajam;
- pemolesan dekoratif produk logam;
Saat ini, pemrosesan plasma elektrolitik dari berbagai baja dan paduan tembaga digunakan di sejumlah perusahaan di Belarus, Rusia, Ukraina, serta di Cina dan negara lain. Meluasnya penggunaan teknologi ini terhambat oleh terbatasnya bahan dan produk yang dipoles, karena elektrolit dan mode pemolesan untuk produk dengan bentuk dan logam yang kompleks seperti aluminium dan titanium, serta bahan semikonduktor, belum dikembangkan. Pencarian elektrolit yang efektif memerlukan studi yang lebih mendalam tentang mekanisme menghilangkan kekasaran dan pembentukan kilap permukaan selama aksi elektrolit-plasma pada bahan konduktif.
PROSES FISIK-KIMIA DI BAWAH PENGARUH ELEKTROLIT-PLASMA
Pengoperasian instalasi pemrosesan plasma-elektrolit didasarkan pada prinsip penggunaan pelepasan listrik berdenyut yang terjadi di sepanjang seluruh permukaan produk yang direndam dalam elektrolit. Efek gabungan dari lingkungan yang aktif secara kimia dan pelepasan listrik pada permukaan suatu bagian menciptakan efek produk pemoles. Dalam teknologi pemolesan plasma elektrolitik, benda kerja adalah anoda, yang mana potensial positif disuplai, dan potensial negatif disuplai ke wadah kerja. Setelah melebihi nilai kritis tertentu dari kerapatan arus dan tegangan, cangkang plasma uap terbentuk di sekitar anoda logam, mendorong elektrolit menjauh dari permukaan logam. Fenomena yang terjadi di daerah dekat elektroda tidak sesuai dengan kerangka elektrokimia klasik, karena sistem elektrolit logam-plasma-gas-elektrolit multifasa muncul di dekat anoda, di mana ion dan elektron berfungsi sebagai pembawa muatan /3/.
Pemolesan logam terjadi pada rentang tegangan 200–350 V dan rapat arus 0,2–0,5 A/cm 2 /2.3/. Pada tegangan lebih dari 200 V, cangkang plasma uap (VPC) tipis yang stabil (50–100 m) terbentuk di sekitar anoda, ditandai dengan fluktuasi arus kecil pada U = konstanta. Kuat medan listrik pada cangkang mencapai 10 4 –10 5 V/cm 2 . Pada suhu sekitar 100 0 C, tegangan seperti itu dapat menyebabkan ionisasi uap, serta emisi ion dan elektron yang diperlukan untuk mempertahankan pelepasan listrik bercahaya stasioner di kulit dekat elektroda. Di dekat tonjolan mikro, kekuatan medan listrik meningkat secara signifikan dan pelepasan percikan terjadi di area ini dengan pelepasan energi panas.
Penelitian telah menetapkan bahwa stabilitas dan kontinuitas PPO, sebagai kondisi yang diperlukan untuk pelaksanaan proses menghaluskan ketidakteraturan mikro, ditentukan oleh serangkaian parameter fisik dan kimia yang berbeda: karakteristik listrik rangkaian, kondisi termal dan struktural. pada permukaan yang sedang diproses, komposisi kimia dan fasa bahan yang sedang diproses, sifat molekul elektrolit dan parameter hidrodinamik cairan di daerah dekat elektroda /1–4/.
KEUNGGULAN PENGOBATAN ELEKTROLIT-PLASMA
Di Republik Belarus, untuk pertama kalinya, metode pemrosesan plasma elektrolit baru yang berkinerja tinggi dan ramah lingkungan dari produk logam dari baja tahan karat dan paduan tembaga dalam larutan garam berair telah ditemukan aplikasi industri. Metode ini sebagian besar tidak memiliki kelemahan yang melekat pada pemolesan mekanis dan elektrokimia, dan juga memungkinkan penghematan sumber daya material dan keuangan. Teknologi plasma-elektrolit memiliki karakteristik teknis proses yang lebih tinggi, seperti kecepatan pemrosesan produk, kelas kebersihan permukaannya, tidak adanya partikel abrasif dan degreasing permukaan. Prosesnya dapat sepenuhnya otomatis; besar area produksi tidak diperlukan untuk menampung peralatan (Gbr. 1).
Gambar 1. Diagram instalasi untuk memoles produk konduktif. 1 - pemandian kerja; 2 - pompa listrik; 3 - mandi persiapan; 4 - transformator; 5 - kabinet listrik; 6 - panel kontrol.
Penggunaan metode pemolesan plasma elektrolitik yang lebih berkinerja tinggi akan menggantikan pemrosesan elektrokimia mekanis dan beracun yang memakan banyak tenaga kerja. Proses pemolesan logam ramah lingkungan dan memenuhi standar sanitasi, tidak diperlukan fasilitas pengolahan khusus untuk membersihkan elektrolit bekas.
Solusi teknis utama untuk teknologi pemolesan plasma elektrolit untuk sejumlah logam telah dikembangkan dan dipatenkan di Jerman dan Belarus. Elektrolit yang diketahui cocok untuk memproses logam kelas terbatas dan tidak memoles aluminium, titanium, dll. Institut Masalah Energi dari Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Belarus (sekarang Institut Gabungan Penelitian Energi dan Nuklir - Sosny dari Akademi Nasional of Sciences of Belarus) telah mengembangkan komposisi elektrolit baru untuk memoles paduan aluminium yang dapat dideformasi, yang tidak mengandung asam pekat, tidak agresif terhadap peralatan, tahan lama dan berbiaya rendah, permohonan untuk penemuan ini diajukan pada tanggal 20 Mei 2002 .
INDIKATOR EKONOMI PENGOBATAN ELEKTROLIT-PLASMA
Saat memoles 1 m 2 produk menggunakan metode elektrokimia klasik, dikonsumsi sekitar 2,5 kg asam seharga 3 USD, dan saat memoles menggunakan metode plasma elektrolit, dikonsumsi sekitar 0,1 kg garam seharga 0,02 USD. Perhitungan menunjukkan bahwa dengan pengoperasian dua shift peralatan plasma-elektrolit selama 200 hari, penghematan sumber daya keuangan per tahun adalah sekitar 30.000 USD, dengan demikian, dengan biaya pemasangan sebesar 26.000 USD. pengembaliannya tidak melebihi satu tahun. Selain itu, perhitungan ini belum memperhitungkan penghematan yang diperoleh akibat minimnya biaya fasilitas pengolahan.
Selain memiliki produktivitas yang lebih tinggi dan ramah lingkungan, teknologi plasma-elektrolit juga memiliki kinerja ekonomi yang lebih baik dibandingkan dengan metode pengolahan mekanis dan elektrokimia. Meskipun konsumsi energi selama pemolesan plasma elektrolitik (tegangan pengoperasian 220-320 V) secara signifikan lebih tinggi dibandingkan saat pemrosesan dengan metode elektrokimia tradisional pada tegangan rendah, namun total biaya pengoperasian saat menggunakan teknologi ini rata-rata enam kali lebih rendah dan ini ekonomis, keuntungannya dicapai terutama dengan mengganti elektrolit asam yang mahal dengan larutan garam yang murah. Perlu dicatat bahwa untuk mendapatkan efek pemolesan, tidak diperlukan reagen (garam) dengan kemurnian kimia yang tinggi, yang berdampak sangat signifikan terhadap biayanya. Indikator ekonomi dari teknologi elektrolit-plasma juga meningkat secara nyata dengan skema yang disederhanakan untuk mendaur ulang elektrolit bekas dan tidak adanya fasilitas pengolahan khusus.
Perhitungan biaya menggunakan teknologi yang dipertimbangkan menunjukkan bahwa dengan peningkatan kapasitas pemasangan, ketika luas maksimum permukaan yang dipoles per beban meningkat, total biaya unit (per 1 m2 permukaan) menurun, termasuk pengurangan modal dan komponen biaya operasional secara terpisah. Dalam hal ini, terdapat redistribusi biaya secara bersama-sama di antara item pengeluaran individu. Data yang diberikan berlaku untuk pengoperasian instalasi tujuh jam terus menerus per shift selama dua puluh hari kerja per bulan. Praktek menggunakan metode yang diusulkan menunjukkan bahwa, tergantung pada ukuran, bentuk, volume batch produk olahan dan mode operasi instalasi, Anda harus memilih kapasitas instalasi yang sesuai yang memberikan biaya terendah dan pengembalian terpendek. periode.
PROSPEK PENGOLAHAN ELEKTROLIT-PLASMA BAHAN KONDUKSI ARUS
Institut Gabungan untuk Penelitian Energi dan Nuklir - Sosny dari Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Belarus (JIPNR-Sosny) sedang melakukan penelitian tentang pengembangan elektrolit yang efektif untuk memoles berbagai bahan dan produk konduktif, pekerjaan sedang dilakukan untuk mengembangkan teknologi, membuat dan mengimplementasikan peralatan. Studi teoretis dan eksperimental ditujukan untuk mengoptimalkan proses dengan mempertimbangkan faktor termofisika, seperti krisis titik didih, serta parameter fisik elektrolit (koefisien tegangan permukaan, viskositas, sudut kontak) untuk mengembangkan pendekatan pencarian berbasis ilmiah. untuk komposisi elektrolit yang memberikan kualitas pemrosesan tertentu berbagai bahan dengan pengeluaran minimal sumber daya yang digunakan (bahan, energi, waktu, tenaga kerja, dll.).
JIPINR-Sosny NASB telah mengembangkan rangkaian peralatan listrik EIP-I, EIP-II, EIP-III, EIP-IV untuk memoles baja tahan karat dan paduan tembaga menggunakan metode elektrolit-plasma, dengan biaya mulai dari 4000 USD. hingga 22.000 USD berbagai kapasitas dari 400 cm 2 hingga 11000 cm 2 per muatan. Produk-produk ini berorientasi ekspor. Instalasi semacam itu telah dipasok ke banyak perusahaan Belarusia, Rusia, dan Ukraina. Dalam pembuatan peralatan plasma elektrolitik, bahan dan komponen yang diproduksi di Belarus digunakan.
Untuk lebih menghemat energi, sumber listrik baru yang ekonomis dan metode pemolesan dua tahap telah dikembangkan menggunakan tegangan operasi tinggi pada tahap pertama menghilangkan kekasaran permukaan dan melakukan pemrosesan tahap akhir kedua dalam elektrolit pada tegangan lebih rendah. Efek penghematan energi dari melengkapi instalasi dengan sumber listrik baru dan penggunaan mode pemolesan dua tahap untuk produk konduktif dapat mencapai 40 hingga 60% dari konsumsi listrik dibandingkan dengan sumber listrik standar yang digunakan pada tegangan tetap konstan.
KESIMPULAN
Faktor paling signifikan yang mempengaruhi rezim teknologi pengolahan bahan konduktif elektrolit-plasma telah diidentifikasi. Telah terbukti bahwa metode pemrosesan baru dalam elektrolit memiliki sejumlah keunggulan teknis dan ekonomi dibandingkan dengan teknologi yang ada untuk memoles permukaan berbagai produk.
Penerapan secara luas metode pemrosesan bahan konduktif yang ramah lingkungan di berbagai industri tidak hanya akan menghemat sumber daya material dan tenaga kerja dan secara dramatis meningkatkan produktivitas tenaga kerja dalam pengerjaan logam, tetapi juga memecahkan masalah sosial yang signifikan yang secara signifikan meningkatkan kondisi kerja tenaga teknik dan teknis serta menciptakan situasi lingkungan yang lebih menguntungkan di perusahaan dan di daerah.
LITERATUR
- Paten No.238074 (GDR).
- I.S.Kulikov, S.V.Vashchenko, V.I.Vasilevsky Fitur pemolesan pulsa listrik logam dalam plasma elektrolit // VESCI NSA ser. Fisika-teknologi. Sains. 1995. Nomor 4. hal.93–98.
- B.R.Lazarenko, V.N. Duraji, Bryantsev I.V. Tentang struktur dan ketahanan zona dekat elektroda saat memanaskan logam dalam plasma elektrolit // Pemrosesan bahan secara elektronik. 1980. Nomor 2. hal.50–55.
- Paten Republik Belarus No. 984 Tahun 1995.
Kulikov I.S., Vashchenko S.V., Kamenev A.Ya.