1Obróbka warstwy wierzchniej
Inżynieria powierzchni jest działem inżynierii materiałowej zajmującym się charakterystyką struktury warstwy wierzchniej wyrobów, procesami jej wytwarzania i modyfikowania, a także zachodzącymi w niej zmianami oraz jej zużyciem podczas eksploatacji wyrobów. Celem obróbki powierzchniowej jest przede wszystkim:
- zwiększenie odporności na korozję i utlenianie, a także odporności na zużycie w warunkach tarcia oraz właściwości mechanicznych, na przykład wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na pękanie,
- zmniejszenie strat energii spowodowanych tarciem,
- poprawa właściwości elektrycznych lub elektronicznych,
- zwiększenie izolacji cieplnej,
- regeneracja zużytych wyrobów (narzędzia, matryce, elementy maszyn),
- naprawa wadliwych wyrobów.
- poprawa właściwości estetycznych.
- obniżenie kosztów wytwarzania lub uczynienie wyrobu bardziej wartościowym w celu zwiększenia jego ceny.
Wymagania stawiane warstwie wierzchniej wyrobów są zwykle inne niż pozostałej masie ich materiału. Od materiału masywnego wymaga się często m.in. dużej wytrzymałości, dobrej spawalności, odporności na pękanie, zdolności do kształtowania w procesach obróbki plastycznej i dobrej skrawalności. Warstwa wierzchnia, w zależności od zastosowania wyrobu, powinna się natomiast charakteryzować dobrą odpornością na utlenianie i korozję, dużą odpornością na zużycie w warunkach tarcia, małą wartością współczynnika tarcia (w niektórych zastosowaniach wskazana jest duża wartość współczynnika tarcia), estetycznym wyglądem. Ponadto powinna cechować się małą chropowatością powierzchni i występowaniem naprężenia ściskającego, co zapewnia dużą wytrzymałość zmęczeniową wyrobów.
Ogólnie zdolność wyrobów do przenoszenia obciążeń mechanicznych zależy głównie od właściwości objętościowych materiału takich jak wytrzymałość na rozciąganie, odporność na pękanie i wytrzymałość zmęczeniowa. Natomiast stan warstwy wierzchniej wyrobów determinuje ich odporność korozyjną, odporność na zużycie i erozję oraz wartość współczynnika tarcia. Także wytrzymałość zmęczeniowa, szczególnie w warunkach zmiennych obciążeń skręcających i zginających, zależy przede wszystkim od struktury geometrycznej powierzchni i stanu naprężenia warstwy wierzchniej, gdyż charakter tych obciążeń powoduje, że największe naprężenia występują w warstwie wierzchniej. Ponadto rozwój pęknięć rozpoczyna się od znajdujących się na powierzchni koncentratorów naprężenia i pod działaniem naprężenia rozciągającego.
Wymagania stawiane wyrobom są znacznie łatwiejsze do spełnienia, jeżeli wyodrębni się funkcje materiału objętościowego i warstwy wierzchniej. Wytworzenie wyrobu o optymalnych właściwościach wymaga wówczas starannego doboru materiału i warunków procesu wytwarzania. Dotyczy to zarówno masywnego materiału elementu, jak również jego warstwy wierzchniej. Takie postępowanie jest obecnie łatwo zrealizować, gdyż nowoczesne technologie obróbki warstwy wierzchniej wyrobów oraz procesy wytwarzania powłok ochronnych oferują wiele interesujących i różnorodnych, także funkcjonalnie optymalnych, procesów wytwarzania i obróbki warstwy wierzchniej wyrobów pracujących w warunkach dużych obciążeń, w wysokiej temperaturze lub w środowisku korozyjnym.
Inżynieria powierzchni dotyczy więc kształtowania szerokiego zakresu właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych, m.in.: wizualnych, dotykowych, optycznych, elektrycznych, magnetycznych i tribologicznych, a także zwilżalności i odporności korozyjnej. Stąd treść książki skoncentrowano na dwóch celach tribologicznych inżynierii powierzchni - zwiększeniu odporności korozyjnej wyrobu i zwiększeniu odporności na zużycie w warunkach tarcia (na uszkodzenia).
W inżynierii powierzchni stosuje się wiele procesów umożliwiających kształtowanie struktury i właściwości użytkowych warstwy wierzchniej wyrobów. Niektóre z nich polegają na dodawaniu warstwy nowego materiału (wytworzeniu powłoki) i pozostawieniu podłoża w stanie niezmienionym. Wówczas istotne jest dobre połączenie (przyczepność) wytworzonej warstwy z podłożem. W innych wykorzystuje się zmiany mikrostruktury i przemiany fazowe do kształtowania mikrostruktury i właściwości warstwy wierzchniej, m.in. odkształcenie lub hartowanie. Na przykład w procesie hartowania powierzchniowego wyrobów stalowych duża twardość tworzącego się martenzytu zapewnia im dobrą odporność na ścieranie. Jednocześnie duża kruchość martenzytu nie stanowi problemu - jest bowiem ograniczona do cienkiej warstwy silnie połączonej z ciągliwym podłożem. Niektóre procesy modyfikowania warstwy wierzchniej polegają na dyfuzyjnym jej nasycaniu węglem lub azotem (pierwiastkami substytucyjnymi).
Średni okres trwałości narzędzi z wytworzonymi cienkimi warstwami materiałów o dużej twardości i odporności na zużycie jest 2-5 razy dłuższy w porównaniu do okresu trwałości narzędzi o niemodyfikowanej warstwie wierzchniej. W szczególnych przypadkach wzrost ich trwałości jest nawet kilkunastokrotny. Szczególnie warstwy ceramiczne cechujące się małymi wartościami współczynników przewodności cieplnej i współczynnika tarcia stanowią dobrą ochronę ostrza narzędzia przed przegrzaniem, utlenianiem i zużyciem. Zmniejszają również tendencję do zgrzewania się materiału obrabianego i ostrza narzędzia. Wymienione oddziaływania przyczyniają się do zmniejszenia siły nacisku podczas skrawania o 20-30%, obniżenia temperatury w strefie skrawania o 90-120?C i zmniejszenia siły tarcia o 25-40%. Ponadto umożliwiają zwiększenie prędkości skrawania o ok. 90%, zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o 60-80% oraz 4-5-krotne wydłużenie czasu między operacjami ostrzenia narzędzi.
1.1. Klasyfikacja obróbki powierzchniowej
Wyodrębnia się trzy podstawowe grupy procesów obróbki warstwy wierzchniej wyrobów.
Pierwsza grupa obejmuje procesy modyfikujące warstwę wierzchnią wyrobu bez zmiany jej składu chemicznego. Należą do niej procesy odkształceniowe (nagniatanie rolkami, kulowanie) oraz umacniające przemianą (hartowanie) lub przetopieniem cienkiej warstwy wierzchniej.
Drugą grupę tworzą procesy modyfikujące warstwę wierzchnią poprzez zmianę jej składu chemicznego. Procesy tej grupy prowadzą do zmiany składu chemicznego w wyniku dyfuzji, a także do modyfikacji lub zmiany struktury krystalicznej warstwy wierzchniej i wpływają na przemiany fazowe, na przykład nawęglanie stali powoduje zmianę jej hartowności i twardości. Mogą także oddziaływać bezpośrednio na tworzenie się nowych faz w wyniku reakcji między pierwiastkami zawartymi w podłożu i wprowadzanymi podczas procesu. Niekiedy w mikrostrukturze warstwy wierzchniej nowa faza występuje w postaci wydzieleń w osnowie (np. azotki Al i V tworzące się w niektórych stalach podczas azotowania), natomiast częściej nowa faza tworzy powłokę. Utworzona w wyniku reakcji chemicznych warstwa wierzchnia ma wszystkie właściwości powłoki, gdyż ma inny skład chemiczny i strukturę krystaliczną w porównaniu z podłożem i występuje pomiędzy nimi granica międzyfazowa. Granicę międzyfazową podłoże-warstwa wierzchnia utworzoną w wyniku reakcji chemicznej atomów podłoża z atomami wprowadzanymi charakteryzuje większa dyfuzyjność w porównaniu do granicy utworzonej między powłoką powstałą tylko z nanoszonego materiału a podłożem, i jej wytrzymałość jest zwykle większa. Przykładem takiego procesu jest borowanie stopów żelaza prowadzące do utworzenia warstwy borków na powierzchni wyrobu.
Procesami stosowanymi do modyfikowania warstwy wierzchniej wyrobów są:
- powierzchniowa obróbka mechaniczna,
- powierzchniowa obróbka cieplna,
- dyfuzyjna obróbka cieplno-chemiczna,
- obróbka konwersyjna,
- cieplne (termiczne) utlenianie metali,
- implantacja jonów.
Obróbka cieplno-chemiczna jest zwykle stosowana do stali.Wyróżnia się obróbkę cieplno-chemiczną stali nisko- i wysokotemperaturową. Obróbka wysokotemperaturowa jest prowadzona w zakresie stabilności austenitu (w temperaturze powyżej A3), a niskotemperaturowa poniżej temperatury A1. Podstawowymi procesami wysokotemperaturowej obróbki cieplno-chemicznej jest nawęglanie i azotonawęglanie. Zaletą obróbki wysokotemperaturowej jest wytworzenie względnie grubej warstwy twardej w krótkim czasie. Wadą jest natomiast duża zmiana kształtu i wymiarów obrabianego wyrobu. Obniżenie temperatury obróbki poniżej temperatury stabilności austenitu przyczynia się do znacznego zmniejszenia zniekształcenia wyrobu, ale jednocześnie powoduje zmniejszenie grubości warstwy i wydłużenie czasu procesu.
W grupie trzeciej znajdują się procesy, podczas których na powierzchnię wyrobu nanoszony jest nowy materiał. Procesy te polegają na nakładaniu na podłoże warstwy, a nie na modyfikacji warstwy wierzchniej w wyniku zmiany jest struktury lub składu chemicznego i struktury. Stosuje się wiele metod nanoszenia powłok, także wiele różnych materiałów do ich wytwarzania.
Do wytwarzania powłok najczęściej stosuje się procesy:
- powlekania ogniowego,
- powlekania elektrolitycznego,
- powlekania chemicznego,
- osadzania chemicznego z fazy gazowej CVD,
- osadzania fizycznego z fazy gazowej PVD,
- natryskiwania cieplnego,
- napawania,
- platerowania,
- malowania.
W procesach powlekania elektrolitycznego, bezprądowego i osadzania z fazy gazowej zarówno chemicznego (CVD), jak i fizycznego (PVD) powłoka jest tworzona zwykle w wyniku przyłączania do podłoża pojedynczych atomów, jonów lub cząsteczek. Podczas natryskiwania i elektroforezy do podłoża przyłączane są duże grupy atomów w postaci cząstek ciekłych, częściowo ciekłych lub stałych. W procesach powlekania ogniowego i napawania ciekły metal materiału nanoszonego styka się natomiast z podłożem, a jego krystalizacja przebiega podobnie jak krystalizacja odlewu podczas szybkiego chłodzenia.
Jakość powłoki jest zależna głównie od jej połączenia (przyczepności) z podłożem, które może być mechaniczne, elektrostatyczne lub chemiczne. Wpływ na połączenie powłoki z podłożem ma przede wszystkim czystość powierzchni podłoża, a w mniejszym stopniu proces wytwarzania powłoki.
Powłoki są stosowane m.in. w celu zwiększenia odporności materiału: na zużycie w warunkach tarcia i na korozję lub w celu uzupełnienia utraconego materiału warstwy wierzchniej. Grubość powłoki zmienia się w szerokim zakresie od 1 ?m (osadzanie fizyczne z fazy gazowej) do kilku milimetrów (napawanie lub platerowanie). Stosowanie powłok cienkich wymaga uwzględnienia właściwości mechanicznych materiału podłoża, gdyż od nich zależy dopuszczalne obciążenie przenoszone przez wyrób. Często, w przypadku powłok o dużych grubościach, właściwości materiału podłoża nie są istotne, gdyż powłoka jest wystarczająco wytrzymała, aby przenosić zadane obciążenie.
Kryterium doboru nowego materiału powłoki jest jego zdolność tworzenia silnego połączenia między powłoką a podłożem. Jakość tworzącego się połączenia zależy od materiału podłoża, a szczególnie od przygotowania jego powierzchni przed nałożeniem powłoki. Obróbka wstępna podłoża jest zależna od przyjętego sposobu wytwarzania powłoki i należy ją rozpatrywać jako integralną operację procesu technologicznego.
Powłoki w procesach nanoszenia materiału w stanie ciekłym lub częściowo ciekłym tworzą się w wyniku krzepnięcia cieczy, reakcji chemicznej lub odparowania rozpuszczalnika albo nośnika (zwykle ciekłego lub organicznego). Rozpuszczalniki lub nośniki są powszechnie stosowane do wytwarzania powłok organicznych. Głównymi grupami procesów, w których materiał nanoszony jest w stanie ciekłym lub częściowo ciekłym, są napawanie i natryskiwanie cieplne. Podczas napawania nanoszony materiał jest topiony w kontakcie z podłożem przy użyciu technik spawalniczych. Dlatego stopieniu ulega także do określonej głębokości podłoże. Połączenie między podłożem a warstwą napawaną ma charakter metaliczny, przy czym granica nie jest zbyt ostra. W procesie natryskiwania cieplnego topienie materiału nanoszonego następuje w pewnej odległości od podłoża i w postaci drobnych cząstek uderza w podłoże z dużą prędkością. Podłoże pozostaje wciąż względnie zimne, a powłokę tworzy uderzający o jego powierzchnię strumień cząstek. Dlatego granica między podłożem a powłoką jest ostra, przy czym połączenie powłoki z podłożem jest słabe - głównie mechaniczne. Powłoki wytworzone w procesie napawania i natryskiwania cieplnego różnią się zatem rodzajem granicy między powłoką a podłożem, temperaturą nagrzewania podłoża podczas wytwarzania powłoki oraz mikrostrukturą, porowatością i grubością wytwarzanych powłok. Więź chemiczna/metaliczna podłoża z powłoką wytworzoną w procesie natryskiwania cieplnego jest ograniczona ze względu na szybko tworzącą się warstwę tlenku na powierzchni metali w atmosferze powietrza. Podłoże podczas napawania nagrzewa się do temperatury co najmniej równej temperaturze topnienia materiału napawanego, natomiast podczas natryskiwania cieplnego temperatura podłoża nie przekracza zwykle 200?C.
Materiał powłoki w stanie ciekłym znajduje się także w procesie powlekania ogniowego, co również zapewnia dobre metaliczne połączenie powłoki z podłożem. Różnica między wytwarzaniem powłok ogniowych a napawaniem polega na tym, że materiały stosowane do wytwarzania powłok ogniowych mają znacznie niższą temperaturę topnienia w porównaniu do temperatury topnienia podłoża. Natomiast w procesie napawania temperatura topnienia materiału napawanego i podłoża są zbliżone. Przeznaczenie powłok jest również inne. Celem powłok nanoszonych ogniowo jest przede wszystkim ochrona podłoża przed korozją mokrą, natomiast celem napoin jest zwiększenie odporności na zużycie, a obecnie coraz częściej zwiększenie odporności na zużycie w wysokiej temperaturze i ochrona podłoża przed korozją wysokotemperaturową.
Powłoki mogą być wytwarzane procesem ciągłym lub okresowym. W sposób okresowy są powlekane wyroby zwarte wytwarzane procesami odlewania, kucia lub obróbką mechaniczną. Sposób ciągły jest zwykle stosowany do blach taśmowych i bardzo często jest zintegrowany z linią do ich ciągłego wytwarzania. W ten sposób są wytwarzane powłoki z Zn i Al oraz z ich stopów na taśmowych blachach stalowych stosowanych w przemyśle samochodowym, a także prowadzone jest anodowanie blach taśmowych z Al i jego stopów stosowanych w przemyśle samochodowym i lotniczym. Zaletą procesów ciągłych jest ich bardzo duża wydajność, na przykład cynkowanie ogniowe taśmowych blach stalowych zintegrowane z linią ich wytwarzania jest prowadzone z prędkością wynoszącą nawet 200 m - min-1, a anodowanie taśmowych blach aluminiowych z prędkością do 30 m - min-1.
Do wytwarzania cienkich warstw stosowane są zwykle procesy CVD i PVD oraz wytwarzanie powłok elektrolityczne i chemiczne. Cechą charakterystyczną tych procesów osadzania jest dostarczanie materiału warstwy do podłoża w skali atomowej, tj. w postaci atomów, jonów lub cząsteczek. W procesach CVD i PVD osadzanie jest realizowane z fazy gazowej, natomiast w procesach elektrolitycznych i chemicznych z roztworów wodnych.
1.2. Koncepcja inżynierii powierzchni
Materiały twarde są odporne na zużycie w procesie tarcia, jednak są kruche. Materiały miękkie cechują się natomiast dużą ciągliwością i odpornością na pękanie, jednak są mało odporne na zużycie. Zużycie jest właściwością powierzchniową, natomiast odporność na pękanie jest właściwością objętościową. Sposobem na wytworzenie wyrobu odpornego jednocześnie na pękanie i na zużycie jest wykonanie wyrobu z materiału ciągliwego oraz wytworzenie na jego powierzchni warstwy wierzchniej o dużej twardości z występującymi naprężeniami ściskającymi.
Stal o zawartości węgla > 0,25% jest utwardzana powierzchniowo przez szybkie nagrzewanie warstwy wierzchniej płomieniowo, indukcyjnie, wiązką elektronów lub wiązką światła lasera i następne szybkie chłodzenie. Nawęglanie, azotowanie lub borowanie zwiększają odporność na zużycie warstwy wierzchniej wyrobów m.in. wałów korbowych lub rozrządu albo bieżni łożysk tocznych w wyniku dyfuzji węgla, azotu lub boru w cienką warstwę wierzchnią stali oraz jej umocnienie roztworowe i wydzieleniowe węglikami, azotkami lub borkami, a w przypadku nawęglania także przemianą bezdyfuzyjną. Twarde jednocześnie odporne na korozję warstwy stopów o dużej zawartości wolframu, kobaltu i chromu są nanoszone na wyroby w procesie natryskiwania. Takie powłoki cechują się jednak dużą chropowatością, dlatego konieczne są obróbki wykańczające nadające im wymagany kształt i wymiary oraz gładkość powierzchni. W celu zwiększenia odporności na zużycie i korozję stosowane są zwykle powłoki ceramiczne tlenku aluminium Al2O3, tlenku SiO2 lub azotku krzemu Si3N4, węglika wolframu WC, tlenku cyrkonu Zr2O lub węglika tytanu TiC. Powłoki takie są wytwarzane w procesach natryskiwania plazmowego lub osadzania chemicznego i fizycznego z fazy gazowej.
Wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na zużycie kulek i bieżni łożysk tocznych są warunkowane ich twardością. Materiały twarde nie są jednak odporne na pękanie, dlatego obciążenia udarowe mogą być przyczyną tworzenia się pęknięć. Rozwiązaniem jest stosowanie stali stopowej mającej właściwości po obróbce cieplnej spełniające wymagania stawiane wnętrzu elementów łożysk oraz obróbki powierzchniowej zwiększającej twardość warstwy wierzchniej i wytworzenie w niej naprężenia ściskającego. Krytyczną jest dokładność wykonania kulek i bieżni łożyska, zatem proces obróbki powierzchniowej nie może prowadzić do zmian wymiarowych i gładkości powierzchni. Twardość warstwy wierzchniej i głębokość materiału utwardzonego zależą od parametrów obróbki powierzchniowej, tj. temperatury i czasu, także od składu chemicznego stali. Dlatego istotne są również czynniki ekonomiczne. Do obróbki warstwy wierzchniej w produkcji masowej ekonomicznym jest stosowanie sprzętu dedykowanego, natomiast produkcja jednostkowa sprzyja stosowaniu sprzętu uniwersalnego. Trwałość warstwy wierzchniej bieżni łożyska oraz kulek lub wałków zwiększa się nie tylko typowymi procesami stosowanymi do tego celu, tj. nawęglaniem i azotowaniem, ale również poprzez wytworzenie na ich powierzchni twardych powłok ceramicznych zapewniających w wielu przypadkach także ich odporność korozyjną. Zwykle stosuje się warstwy tlenku Al2O3 lub węglików WC, TiC lub niekiedy warstwy diamentopodobne.
Podczas obróbki cieplno-chemicznej stali niestopowych i niskostopowych warstwa tlenków na powierzchni wyrobu nie stanowi istotnej przeszkody dla dyfuzyjnego wzbogacania warstwy wierzchniej. Na ich powierzchni występują bowiem tylko tlenki żelaza, które łatwo ulegają redukcji już na początku procesu obróbki cieplno-chemicznej (np. nawęglanie, azotowanie, azotonawęglanie) w wyniku reakcji ze składnikami atmosfery (H2, CO). Inne warunki występują w przypadku stali o dużej zawartości Cr, na przykład stali odpornych na korozję. Na powierzchni takich stali znajduje się warstwa trwałego tlenku Cr2O3 - uniemożliwiająca lub znacznie utrudniająca obróbkę cieplno-chemiczną. Dlatego obróbki dyfuzyjne wyrobów z takich stali należy prowadzić dopiero po usunięciu z ich powierzchni warstwy tlenku, a odpowiednimi do tego są procesy plazmowe. Wyroby ze stopów aluminium i tytanu są także pokryte cienką warstwą tlenku o dużej stabilności chemicznej.
Materiałem w największym stopniu podatnym na kształtowanie warstwy wierzchniej jego wyrobów jest stal. Uzyskiwane twardości i grubości warstwy wierzchniej na podłożu stalowym poszczególnymi procesami obróbki przedstawiono na rys. 1.1. Z metali nieżelaznych tylko do stopów tytanu można stosować znaczną liczbę obróbek powierzchniowych, natomiast uszlachetnianie warstwy wierzchniej wyrobów ze stopów Al i Mg jest mocno ograniczone.
Rysunek 1.1. Twardości warstwy wierzchniej i maksymalne głębokość zmiany twardości dla podstawowych rodzajów obróbki powierzchniowej
Materiały ceramiczne, ze względu na rodzaj wiązań chemicznych w nich występujących, są twarde, kruche i z natury są obojętne chemicznie. Wyroby ceramiczne ze względu na wysoką temperaturę topnienia ceramik są zwykle formowane z proszków i spiekane. Produkty po takim kształtowaniu są porowate, dlatego w celu ich uszczelnienia i poprawy estetyki są powlekane glazurą. Materiały ceramiczne, ze względu na kruchość, przy obecnie stosowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych, są rzadko stosowane jako objętościowy materiał konstrukcyjny. Jednak ze względu na dużą twardość i obojętność chemiczną, a także dobrą wytrzymałość na pełzanie i na korozję wysokotemperaturową są dobrymi materiałami na powłoki ochronne.
Polimery charakteryzują się zwykle dużą obojętnością chemiczną, a estetyczny wygląd i dobrą jakość powierzchni ich wyroby uzyskują bezpośrednio po procesie kształtowania. Dlatego do wyrobów z polimerów obróbka powierzchniowa nie jest zwykle stosowana.
W wielu obszarach produkcji nowoczesne technologie obróbki warstwy wierzchniej wyrobów przyczyniły się do znacznej poprawy ich właściwości użytkowych i wydłużenia czasu eksploatacji. Dotyczy to zwłaszcza narzędzi stosowanych w obróbce skrawaniem. Narzędzia skrawające są obecnie wytwarzane głównie ze stali szybkotnących i węglików spiekanych i zwykle są na nich wytwarzane powłoki węglików, azotków i tlenków procesami CVD i PVD. Narzędzia z takimi powłokami są powszechnie stosowane do skrawania stali i żeliw, natomiast narzędzia z powłokami diamentowymi i diamentopodobnymi są stosowane do skrawania stopów Al-Si i materiałów kompozytowych. Stosowanie powłok do narzędzi z węglików spiekanych jest wysoce opłacalne, gdyż zużycie narzędzi z powłokami jest wiele razy mniejsze niż narzędzi niepowleczonych. Jednocześnie powłoki umożliwiają wielokrotne zwiększenie prędkości skrawania od 30 do 200 m - min-1 i uzyskanie dużej wydajności.
Procesy CVD są preferowane do powlekania narzędzi skrawających z węglików spiekanych, gdyż tym procesem można jednocześnie obrabiać dużą liczbę narzędzi i nanosić wiele warstw w różnej sekwencji. Ponadto węgliki spiekane nie są tak czułe na wysoką temperaturę (800-1000?C) wymaganą podczas procesu CVD jak stale szybkotnące, które po procesie CVD wymagają hartowania i odpuszczania. Procesy PVD umożliwiają natomiast wytwarzanie powłok z TiN, Ti(C, N) lub Ti(Al, N) w temperaturze nawet poniżej 450?C, co umożliwia powlekanie cieplnie czułych stali szybkotnących bez pogorszenia ich twardości, wytrzymałości i odporności na pękanie. Wymagane właściwości podłoża uzyskuje się zatem w wyniku obróbki cieplnej stali przed procesem PVD, a powlekanie jest obróbką końcową. Powłoki wytwarzane procesami PVD są zwykle cieńsze (grubość całkowita < 5 ?m) i są nakładane głównie na frezy i wiertła, natomiast powłoki otrzymywane procesami CVD są grubsze (grubość całkowita > 8 ?m) i są nanoszone na narzędzia służące do toczenia. Narzędzia służące do toczenia są wytwarzane głównie z węglików spiekanych, natomiast frezy i wiertła są wytwarzane ze stali szybkotnących i z węglików spiekanych.
Si3N4 i sialon zarówno w postaci masywnej, jak i w postaci powłoki nie nadają się na narzędzia skrawające do obróbki stopów żelaza ze względu na ich dużą rozpuszczalność w żelazie, a przez to duże zużycie rozpuszczeniowo/dyfuzyjne. Al2O3 cechuje się bardzo małą rozpuszczalnością w żelazie i dlatego jego zużycie rozpuszczeniowo/dyfuzyjne podczas obróbki stopów żelaza jest znikomo małe. Wykazuje natomiast skłonność do zużycia w wyniku dyskretnego odkształcenia plastycznego i mikrościerania.
Naprężenia ściskające w warstwie wierzchniej oddziałują korzystne na jej trwałość. Zwiększają wytrzymałość zmęczeniową szczególnie w warunkach działania sił skręcających i zginających, a także styku tocznego. Dlatego celem, przynajmniej częściowym, niektórych rodzajów obróbki powierzchniowej jest wytworzenie w warstwie wierzchniej wyrobu znacznych naprężeń ściskających, na przykład kulowanie, nagniatanie rolkami, nawęglanie, azotowanie, hartowanie powierzchniowe.
1.3. Kryteria doboru procesów wytwarzania warstwy wierzchniej
Podstawą doboru procesu wytwarzania warstwy wierzchniej są prognozowane właściwości użytkowe wyrobu. Rozpatrywać należy nie tylko właściwości warstwy wierzchniej, ale również właściwości podłoża i granicy między warstwą a podłożem. Zmiana właściwości przy przejściu od warstwy wierzchniej do podłoża może być stopniowa (wyroby nawęglone lub naazotowane) lub skokowa (wyroby stalowe z warstwą azotku TiN osadzaną z fazy gazowej). Wówczas gdy właściwości przy przejściu od warstwy wierzchniej do podłoża zmieniają się na znacznej odległości, granica między nimi jest określana jako dyfuzyjna. Granice dyfuzyjne cechuje silne metaliczne połączenie warstwy wierzchniej z podłożem. Stąd nie należy obawiać się oddzielania warstwy wierzchniej od podłoża podczas eksploatacji wyrobu. Natomiast wówczas gdy stężenie i właściwości przy przejściu od podłoża do warstwy wierzchniej zmieniają się gwałtownie, granice określa się jako ostre. Granice ostre tworzą połączenie warstwy z podłożem zarówno o charakterze metalicznym, jak również mechanicznym, a przyczepność zależy m.in. od procesu wytwarzania warstwy wierzchniej i dokładności oczyszczenia oraz aktywacji powierzchni podłoża.
Wymagania stawiane warstwie wierzchniej wyrobów obrabianych powierzchniowo mogą się znacznie różnić. Na przykład silnie obciążone łożyska i koła zębate wymagają warstwy wierzchniej nie tylko o dużej twardości, ale również o dużej grubości, zdolnej do przenoszenia dużych obciążeń stykowych oraz naprężeń zginających i odpornej na zmęczenie
Rysunek 1.2. Grubość warstwy wierzchniej po wybranych obróbkach powierzchniowych
stykowe. W innych zastosowaniach są wymagane bardzo cienkie warstwy wierzchnie, na przykład gdy warstwa ma chronić podłoże przed korozją, zatarciem, ścieraniem pod małym obciążeniem lub ma zmniejszyć tarcie (rys. 1.2). Oddziaływanie niektórych metod obróbki powierzchniowej sięga od powierzchni w głąb obrabianego wyrobu. Natomiast inne prowadzą do wytworzenia na powierzchni obrabianego wyrobu dodatkowej warstwy. Podstawowym kryterium doboru metody utwardzania powierzchniowego i grubości utwardzonej warstwy jest to, aby w żadnym miejscu w wyrobie naprężenie maksymalne nie było większe od granicy plastyczności. Twardość warstwy wierzchniej zależy od rodzaju i warunków procesu obróbki powierzchniowej, jednak po obróbkach powierzchniowych stopów żelaza, w których końcowym zabiegiem jest hartowanie, jest prawie taka sama (rys. 1.3).
Rysunek 1.3. Twardość wybranych materiałów i warstwy wierzchniej po wybranych obróbkach powierzchniowych
1.4. Naprężenia własne
W procesach wytwarzania warstw wierzchnich, szczególnie w procesach powodujących częściowe nadtopienie podłoża, występuje duża ingerencja cieplna w strukturę materiału podłoża. Powstają wówczas w wyrobie duże naprężenia, które w zależności od czynników wytwórczych można podzielić na:
- cieplne spowodowane gradientem temperatury,
- strukturalne wywołane przemianami fazowymi, którym towarzyszą zmiany objętości, m.in. zwiększenie objętości podczas przemiany martenzytycznej stali,
- cieplne, których przyczyną są różne wartości współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów podłoża i warstwy wierzchniej.
Naprężenia tworzące się podczas wytwarzania warstwy wierzchniej mogą powodować odkształcenie plastyczne wyrobu, oddzielenie warstwy wierzchniej od podłoża lub tworzenie się pęknięć w warstwie wierzchniej. Zachowanie wyrobów z modyfikowaną warstwą wierzchnią tworzącą styk toczny w łożysku tocznym lub styk ślizgowy, m.in. zęby w przekładni zębatej albo styk ścierny z twardą chropowatą przeciwpowierzchnią, jest zależne nie tylko od właściwości warstwy wierzchniej, ale także od materiału podłoża, a zwłaszcza od granicy podłoże-warstwa. Wyroby z warstwą wierzchnią zużywają się stopniowo lub gwałtownie w wyniku oddzielenia warstwy wierzchniej od podłoża. Oddzielenie warstwy od podłoża zależy przede wszystkim od wytrzymałości połączenia podłoże-powłoka, intensywności warunków tribologicznych oraz głębokości warstwy wierzchniej. W przypadku granicy dyfuzyjnej ryzyko oddzielenia powłoki od podłoża jest mniejsze.
Powłoka, ze względu na różne wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej powłoki i podłoża, jest przyczyną powstawania naprężeń podczas procesu wytwarzania oraz podczas chłodzenia wyrobu od temperatury procesu do temperatury otoczenia. Często na przekroju powłoki występuje gradient naprężenia, jednak ze względu na jej małą grubość w odniesieniu do wielkości wyrobu można przyjąć, że wytworzone naprężenia w powłoce są jednorodne na grubości. Jednocześnie zakładając, że w powłoce występuje dwuosiowy stan naprężenia, wyrażenie na gęstość energii (ilość energii w jednostce objętości materiału) odkształcenia sprężystego w powłoce ?p jest następujące:
gdzie: ?p - naprężenie własne powłoki, Ep - moduł Younga materiału powłoki, ?p - współczynnik Poissona materiału powłoki.
Energię odkształcenia sprężystego na jednostkę powierzchni granicy powłoka-podłoże uwalnianą podczas oddzielania powłoki od podłoża określa wartość iloczynu gęstości energii odkształcenia sprężystego ?p i grubości powłoki t. Jeżeli wartość tego iloczynu jest większa niż wartość energii granicy powłoka-podłoże na jednostkę powierzchni, to występuje stan energetyczny preferujący oddzielenie powłoki od podłoża i po zainicjowaniu oddzielanie będzie kontynuowane. Energia granicy powłoka-podłoże nie zależy od grubości powłoki, natomiast uwalniana energia odkształcenia sprężystego podczas oddzielania powłoki od podłoża jest proporcjonalna do jej grubości. Stąd powłoki o większej grubości wykazują większą skłonność do oddzielania się od podłoża (delaminacji).
1.5. Przyczyny zniekształcenia wyrobów
Przyczynami zniekształcenia wyrobów są: naprężenia cieplne, naprężenia wywołane zmianami objętości podczas przemian fazowych, pełzanie podczas wygrzewania, anizotropia właściwości i naprężeń własnych. Zniekształcenie wyrobu podczas obróbki cieplnej można ograniczyć poprzez:
- zmniejszenie do niezbędnego minimum zmian pola powierzchni przekroju poprzecznego wyrobu,
- stosowanie gatunków stali hartujących się w powietrzu - mała szybkość chłodzenia podczas hartowania,
- uwzględnienie w procesach technologicznych wyrobów, aby ich oś symetrii była zgodna z kierunkiem walcowania,
- stosowanie stali wytwarzanych metalurgią proszków, cechujących się jednorodnym przestrzennym rozkładem węglików,
1.6. Zmiana kształtu i wymiarów wyrobów hartowanych
Przemiany fazowe występujące podczas obróbki cieplnej stali powodują, że zmiany objętości zachodzące podczas nagrzewania i chłodzenia nie są w pełni odwracalne. Dlatego wyrób po obróbce cieplnej może wykazywać zmianę kształtu i wymiarów w porównaniu z jego kształtem i wymiarami wyjściowymi. Zmiany objętości wyrobów hartowanych są spowodowane mniejszą objętością właściwą mikrostruktury składającej się z ferrytu i węglików w porównaniu do objętości właściwej martenzytu. Zmiany kształtu są istotnym problemem w procesie wytwarzania precyzyjnych elementów i w warunkach dużej dokładności, na przykład samochodowe skrzynie biegów. Już małe zmiany wymiarów i kształtu współpracujących kół zębatych powodują nieregularną pracę przekładni. Stąd znaczne zwiększenie hałasu i również przeciążenia przekładni prowadzące do ich szybkiego zużycia. Zmiany wymiarów wyrobów w warunkach szybkiego chłodzenia są nieuniknione. Nie można ich wyeliminować podczas obróbki cieplnej - dążyć należy do minimalizacji tych zmian i ich stałości.
1.7. Podstawowe obróbki warstwy wierzchniej wyrobów stalowych
Do podstawowych obróbek warstwy wierzchniej wyrobów stalowych należy:
- nawęglanie - wyroby po nawęglaniu i hartowaniu uzyskują twardą warstwę wierzchnią o szerokim zakresie głębokości oraz dobrej odporności na zmęczenie stykowe i zużycie w warunkach tarcia; głównym niedostatkiem tej obróbki jest zniekształcenie wyrobów przez naprężenia własne spowodowane występowaniem dużego gradientu temperatury podczas oziębiania z zakresu austenitu i zmianę objętości podczas przemiany austenitu - zwykle w martenzyt;
- azotowanie - podstawową zaletą procesu azotowania jest wytworzenie na wyrobach warstwy wierzchniej o dużej twardości, bardzo małe zmiany ich wymiarów, również duża odporność na zużycie adhezyjne i zatarcie oraz dobra odporność na korozję; niedostatkiem procesu azotowania jest natomiast cienka warstwa twarda i długi czas procesu < 10 h;
- hartowanie powierzchniowe - umożliwia wytworzenie twardej warstwy wierzchniej wyrobów stalowych o szerokim zakresie jej głębokości; warstwy te mają dobrą odporność na zmęczenie stykowe i zużycie ścierne podobne jak warstwy stali nawęglonej i hartowanej, natomiast występujące zmiany kształtu i wymiarów wyrobów podczas tego procesu są znacznie mniejsze.
1.8. Ograniczenia projektowe
Dobór procesu obróbki powierzchniowej zależy w dużym stopniu od rozmiarów i kształtu wyrobu. Często obrabiany wyrób ma za duże rozmiary w porównaniu do rozmiaru urządzeń stosowanych w danym procesie. W niektórych procesach obróbki powierzchniowej niemożliwa jest obróbka fragmentów powierzchni przesłoniętej lub powierzchni wewnątrz głębokich otworów i kanałów. Przy doborze procesu należy również uwzględnić rodzaj wymaganej obróbki cieplnej wyrobu oraz temperaturę obróbki powierzchniowej (rys. 1.4).
Rysunek 1.4. Maksymalna temperatura nagrzewania warstwy wierzchniej podczas zwykle stosowanych obróbek powierzchniowych. Temperaturę graniczną, powyżej której należy się spodziewać zniekształcenie wyrobów ze stopów żelaza, wynoszącą 540?C, zaznaczono pionową linią przerywaną
W zależności od temperatury nagrzewania wyrobów ze stopów żelaza podczas obróbki powierzchniowej wyodrębniono dwie grupy procesów (rys. 1.4): powodujące pomijalnie małe zniekształcenie obrabianego wyrobu oraz wywołujące wyraźne zniekształcenie obrabianego wyrobu. Przyjęto, że temperatura graniczna (temperatura, poniżej której zniekształcenie wyrobu jest pomijalnie małe) dla stopów żelaza wynosi 540?C.
1.9. Przygotowanie powierzchni podłoża
Wyroby przed obróbką powierzchniową są wytwarzane procesami walcowania, kucia, tłoczenia, ciągnienia, wykrawania, obróbki skrawaniem, niekiedy są także obrabiane cieplnie. Podczas procesów wytwarzania na powierzchni wyrobów osadzają się różnego rodzaju zanieczyszczenia, które zwykle pogarszają efekty obróbki warstwy wierzchniej i przyczepność powłoki do podłoża. Często są także przyczyną korozji podłoża pod powłoką i powodują jej przedwczesne uszkodzenia oraz odpadanie.
Ogólnie przyjmuje się, że powierzchnię wyrobów z metali i ich stopów pokrywa bardzo cienka ok. 10 nm warstwa pasywna tlenku. Pod tą warstwą znajduje się warstwa materiału odkształconego i niekiedy także wżery korozyjne. Natomiast powyżej warstwy pasywnej jest warstwa zgorzeliny, a także po wcześniejszych procesach szczątki materiału, plamy oleju i smaru oraz pochodzące z atmosfery powietrza cząstki zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia warstwy wierzchniej utrudniają lub wręcz uniemożliwiają przeprowadzenie obróbki powierzchniowej.
Podstawowymi zanieczyszczeniami powierzchni podłoża pogarszającymi trwałość powłoki są: olej, smar, rdza, zgorzelina, woda oraz sole chlorkowe i siarkowe. Zanieczyszczenia te należy koniecznie usunąć z obrabianej powierzchni. Dobór sposobu czyszczenia powierzchni zależy od wymaganego stopnia czystości, rodzaju zanieczyszczeń, jakie należy usunąć, rodzaju obróbki warstwy wierzchniej oraz rozmiaru, kształtu i przeznaczenia obrabianego wyrobu. Powłoka spełnia swoją funkcję tylko do czasu, gdy pozostaje nienaruszona i mocno związana z podłożem. Dlatego powłoka wykonana nawet z najlepszego materiału i z największą starannością nie spełni oczekiwań, jeżeli powierzchnia podłoża nie zapewni silnego połączenia powłoki z podłożem. Przygotowana poprawnie powierzchnia podłoża nie tylko zapewnia dobrą przyczepność powłoki do podłoża, ale również uwalnia podłoże od produktów korozji i zanieczyszczeń zmniejszających trwałość powłoki.
Cząstki stałe zanieczyszczeń oraz olej i smar można z powierzchni metalu łatwo usunąć poprzez mycie wyrobów w organicznych i nieorganicznych roztworach. Niektóre z nich zawierają także detergenty. Zastosowanie podczas procesu mycia ultradźwięków znacznie przyspiesza zabieg czyszczenia. Wyroby po czyszczeniu należy starannie wysuszyć, najlepiej w suchym, ciepłym powietrzu. Dalsze przygotowania powierzchni zależą od jej stanu oraz procesu wytwarzania warstwy wierzchniej. Na przykład względnie grubą (> 0,5 ?m) warstwę zgorzeliny można z powierzchni wyrobu usunąć podczas czyszczenia strumieniem ścierniwa (śrutowanie) lub stosując trawienie w roztworze kwasowo (HCl lub H2SO4)/zasadowym. Usunięcie pasywnej warstwy tlenku, szczególnie ważne w przypadku stopów z dużą zawartością Cr, na przykład stali odpornych na korozję, także stopów tytanu, ułatwia użycie podczas trawienia roztworów alkalicznych lub zastrzeżonych topników.
W procesach obróbki warstwy wierzchniej wspomaganych plazmowo, na przykład azotowania plazmowego i plazmowego osadzania fizycznego z fazy gazowej, warstwę pasywną tlenków z obrabianej powierzchni usuwa się poprzez ich rozpylenie. W procesach m.in. osadzania chemicznego z fazy gazowej lub nawęglania gazowego do usuwania warstwy pasywnej z powierzchni, w wyniku jej redukcji, stosuje się suchy wodór lub dedykowany gaz endotermiczny. Czysta metaliczna powierzchnia znacznie ułatwia chemiczne związanie warstwy z podłożem, a także przyłączanie (adsorpcję) atomów warstwy do powierzchni wyrobu podczas procesu.
1.10. Plazma w inżynierii powierzchni
1.10.1. Plazma
W obróbce warstwy wierzchniej wyrobów coraz częściej stosuje się plazmę. Stąd przedstawiono jej podstawowe właściwości istotne podczas wytwarzania warstwy wierzchniej wyrobów.
Plazma jest zjonizowaną materią, tj. taką, w której przynajmniej część atomów i cząsteczek uległa rozpadowi na dodatnio naładowane jony (kationy) i swobodne elektrony, tj. elektrony mogące się swobodnie przemieszczać; elektrony niezwiązane z powłokami elektronowymi atomów. Wyróżnia się dwa rodzaje plazmy: równowagową, określaną również wysokotemperaturową lub gorącą, i nierównowagową, określaną także niskotemperaturową. Plazma nierównowagowa (niskotemperaturowa) występuje w zakresie temperatury 1000-50000?C. Oprócz jonów jednoatomowych i elektronów składa się również z atomów niezjonizowanych, mogą w niej występować także cząsteczki zarówno obojętne, jak i zjonizowane. Plazma niskotemperaturowa tworzy się w urządzeniach technicznych, w obecności wyładowania elektrycznego (m.in. w łukowych urządzeniach do napawania i spawania, piecach łukowych, w komorach do obróbki warstwy wierzchniej z użyciem plazmy, lampach jarzeniowych) lub w procesach spalania (m.in. w palnikach, paleniskach, silnikach spalinowych).
W niskiej temperaturze, przy małym stopniu jonizacji może występować plazma zimna (o temperaturze < 1000 K). Pomimo tego, że plazma zawiera cząstki naładowane (jony i elektrony) mogące się swobodnie przemieszczać, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.
1.10.2. Właściwości plazmy
Plazma, ze względu na właściwości, stanowi odrębny stan materii. Jedną z jej podstawowych właściwości jest quasi-obojętność w analizie makroskopowej, gdyż wypadkowy ładunek elektryczny w dowolnie wybranej objętości plazmy jest równy zeru. Ze względu na dużą liczbę swobodnych ładunków elektrycznych (elektronów i jonów) plazma dobrze przewodzi prąd elektryczny - niekiedy lepiej niż niektóre metale. Przewodność elektryczna plazmy, w przeciwieństwie do przewodników metalicznych, zwiększa się z podwyższeniem temperatury. Plazma ze względu na obecność cząstek z ładunkiem elektrycznym podlega działaniu pola elektrycznego i magnetycznego. Zjawisko to wykorzystuje się do utrzymywania plazmy w wybranych strefach - pułapkach elektrostatycznych lub magnetycznych, i jest stosowane w procesach PVD.
Jonizacja atomów gazu w warunkach niskiego ciśnienia < 100 Pa zachodząca podczas ich zderzeń ze swobodnymi elektronami przyspieszanymi w polu elektrycznym prowadzi do wytworzenia plazmy wyładowania niskoprądowego (natężenie prądu < 1 mA). Niskie ciśnienie gazu powoduje, że średnia droga swobodna między cząstkami jest wystarczająco długa, aby zderzenia między nimi (swobodnymi elektronami, jonami i atomami) były rzadkie, co nie sprzyja wyrównywaniu się temperatury między poszczególnymi rodzajami cząstek, w wyniku ich zderzeń w plazmie. Zależność temperatury elektronów swobodnych i atomów od ciśnienia przy stałym prądzie wyładowania elektrycznego przedstawiono na rys. 1.5. Różnica temperatury cząstek w plazmie nierównowagowej umożliwia jej zastosowanie do obróbki materiałów wrażliwych na wysoką temperaturę, na przykład polimerów. Przy dostatecznie dużej gęstości plazmy, w wyniku zderzeń, ustala się stan równowagi termodynamicznej, w którym średnie temperatury poszczególnych rodzajów cząstek są takie same.
Rysunek 1.5. Zależność temperatury elektronów Te i cząstek gazu Tg od ciśnienia w warunkach wyładowania jarzeniowego
Elektrony swobodne plazmy aktywują, jonizują i powodują dysocjację cząstek gazu, a ich strumień w polu elektrycznym uderzając w powierzchnię podłoża powoduje jego nagrzewanie. Jony ze względu na dużo większą masę, uderzając w powierzchnię podłoża powodują jej aktywację i wybijanie atomów z powierzchni (rozpylanie). Efekt ten jest wykorzystywany m.in. w plazmowych procesach wytwarzania warstwy wierzchniej do czyszczenia i aktywacji powierzchni podłoża.
1.10.3. Plazma niskotemperaturowa w obróbce warstwy wierzchniej
Wyrób w procesach plazmowych obróbki warstwy wierzchniej jest często katodą (-), ściany komory oraz ekrany stanowią anodę (+), natomiast gazem plazmowym wypełniającym komorę jest zwykle argon (gaz szlachetny jednoatomowy). Ciśnienie w komorze wynosi zwykle 1-13 hPa. Krótki czas impulsu (ok. 1 s) wysokiego napięcia 1000-1500 V między katodą a anodą inicjuje plazmę prądu stałego w komorze. Jednocześnie następuje przepływ prądu między elektrodami wywołany przemieszczaniem się kationów (jonów dodatnich) od anody do katody i elektronów swobodnych od katody do anody. Zainicjowanie przepływu prądu między anodą a katodą w gazie powoduje szybkie zwiększenie liczby jonów do wartości odpowiadającej równowadze dynamicznej - wynosi kilka procent. Pozostałe atomy i cząsteczki gazu nie są zjonizowane. Jony tworzą się podczas kolizji elektronów przyspieszanych w polu elektrycznym z atomami i cząsteczkami gazu. Odpowiadające stanowi ustalonemu zmiany napięcia i natężenia pola elektrycznego między elektrodami przedstawiono na rys. 1.6. Zmiana tych wielkości jest największa w przylegającym do katody wąskim obszarze określanym ciemną przestrzenią Crookesa i oznaczonym przez L. Bezpośrednio za tym obszarem tworzy się przestrzeń jasna o intensywnej barwie. Przyczyną emisji światła z tego obszaru są elektrony atomów przechodzące z poziomów energetycznych wyższych na niższe, opuszczone przez wybite elektrony. Dlatego emitowane promieniowanie jest o częstości charakterystycznej dla danego pierwiastka. Plazma wyładowania jarzeniowego o zbliżonej charakterystyce jest stosowana w procesach PVD i PACVD.
Rysunek 1.6. a) Strefy wyładowania jarzeniowego, b) zmiana wartości potencjału U w woltach i natężenia pola elektrycznego E między elektrodami
Kationy w plazmie wyładowania jarzeniowego po dojściu do przestrzeni Crookesa są gwałtownie przyspieszone, przez gradient potencjału, w kierunku powierzchni obrabianego wyrobu stanowiącego katodę i uderzają w nią z energią o wartości wystarczającej do zrywania wiązań atomowych między atomami powierzchniowymi. Oddziaływanie takie, określane bombardowaniem jonowym lub rozpylaniem, prowadzi do czyszczenia powierzchni z atomów zanieczyszczeń, jej aktywacji i nagrzewania wyrobu (rys. 1.7).
Rysunek 1.7. Usuwanie atomów zanieczyszczeń z powierzchni wyrobu w procesie rozpylania jonowego
Oddziaływanie jonów z powierzchnią wyrobu zwiększa się ze wzrostem wartości różnicy potencjałów (przyłożonego napięcia). W dyfuzyjnych procesach plazmowych jest najbardziej efektywne, gdy ciśnienie początkowe w komorze jest niskie ok. 10 Pa, a różnica potencjałów między anodą i katodą ok. 1000 V. Czyszczenie rozpyleniowe, określane również trawieniem rozpyleniowym, jest skuteczne w usuwaniu z powierzchni obrabianego wyrobu atomów zanieczyszczeń związanych silnymi wiązaniami pierwotnymi z atomami podłoża, na przykład pasywnej warstwy tlenków, także atomów tlenu i węgla. Czyszczenie rozpyleniowe powierzchni wyrobu umożliwia wytwarzanie w procesach dyfuzyjnych warstw wierzchnich na stopach samopasywujących, m.in. stalach odpornych na korozję lub stopach tytanu. Czas czyszczenia rozpyleniowego wynosi zwykle 0,5-1 h. Po tym czasie następuje stopniowe podwyższanie ciśnienia w komorze do wartości wymaganej do prowadzenia efektywnej obróbki dyfuzyjnej. Typowe ciśnienie podczas obróbki wynosi ok. 500 Pa.
Kationy, w widocznym wyładowaniu jarzeniowym i w ciemnym obszarze Crookesa plazmy wyładowania jarzeniowego, tworzą się w wyniku kolizji elektronów z atomami i cząsteczkami. Znaczny wzrost stopnia jonizacji i gęstości prądu jonowego uzyskuje się poprzez ograniczenie przestrzeni z elektronami do obszaru wyładowania jarzeniowego. Jest to możliwe przez wytworzenie zewnętrznego pola magnetycznego powodującego ograniczenie przestrzeni plazmy, co zwiększa liczbę kolizji elektronów z atomami i cząsteczkami gazu, a przez to liczbę tworzących się kationów i wzmacnia bombardowanie jonowe (erozję rozpyleniową) katody. W konsekwencji szybkość wzrostu powłoki ulega zwiększeniu w porównaniu do procesu bez zastosowania zewnętrznego pola magnetycznego. Przedstawione zależności doprowadziły do opracowania katody magnetronowej.
1.11. Magnetronowe źródło rozpylania
Często do zwiększenia gęstości plazmy oraz ograniczenia i kształtowania strefy jej występowania stosowane są pola elektryczne i magnetyczne. Jednym z częściej stosowanych do tego celu urządzeń jest magnetron. Pola magnetyczne w magnetronie mają na celu zamknięcie naładowanych cząstek plazmy w pobliżu powierzchni katody. Elektrony w polu magnetycznym poruszają się po spiralnym torze wokół linii sił pola magnetycznego. Wymuszona ich dłuższa droga prowadzi do zwiększenia liczby kolizji z atomami gazu, co zwiększa ich jonizację. Zwiększenie stopnia jonizacji atomów argonu w wyniku zastosowania magnetronu powoduje zwiększenie szybkości wytwarzania powłok. Umożliwia także utworzenie plazmy pod niższym ciśnieniem. Rozpylane atomy tarczy, ze względu na brak ładunku elektrycznego, nie oddziałują z polem magnetycznym.
1.12. Przewodnictwo elektryczne
W wielu procesach inżynierii powierzchni stosuje się lub występuje przepływ ładunków elektrycznych. Dlatego wydaje się celowym scharakteryzowanie w jednym miejscu nośników ładunków elektrycznych w poszczególnych rodzajach materiałów i substancjach przewodzących prąd elektryczny.
Wyróżnia się zwykle elektryczne przewodnictwo elektronowe, w którym nośnikami ładunków są elektrony, oraz przewodnictwo jonowe wskutek przemieszczania się jonów. W metalach, które są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego, nośnikami ładunków są elektrony. Materiały ceramiczne o wiązaniach jonowych przewodzą prąd elektryczny przez przemieszczanie się jonów. Jony w ciałach stałych mogą się przemieszczać tylko mechanizmem dyfuzji. Stąd przewodnictwo elektryczne ciał jonowych zwiększa się wykładniczo wraz z podwyższeniem temperatury, a w niskiej temperaturze jest pomijalnie małe.
W półprzewodnikach nośnikami ładunków elektrycznych są elektrony oraz dziury elektronowe. Natomiast w elektrolitach ciekłych nośnikami ładunków elektrycznych są tylko jony, gdyż w nich przemieszczanie swobodnych elektronów nie jest możliwe. Plazma, uważana za czwarty stan materii, jest wyjątkową, ponieważ w niej nośnikami ładunków elektrycznych są zarówno elektrony, jak również jony. Ze względu na to, że plazma jest elektrycznie obojętną, tj. suma ładunków dodatnich jest równa sumie ładunków ujemnych, a występuje w niej duża liczba elektronów swobodnych, należy więc oczekiwać, że w plazmie nierównowagowej dominują jony o ładunku dodatnim (kationy), a nie o ładunku ujemnym (aniony).
