Jdi na obsah Jdi na menu
 


Technologie povrchových úprav

29. 1. 2010

1 Úvod

Povrch objektu určuje jeho vzhled a tvoří rozhraní mezi základním materiálem a okolím. Při běžném používání výrobků dochází tedy ke vzájemnému styku zakladního materiálu s okolním prostředím a následně tedy k povrchové degradaci například vlivem opotřebení nebo koroze. Povrchové úpravy materiálů mají značný podíl na výsledné kvalitě a vzhledu výrobku. Ovlivňují především živostnost, provozní spolehlivost a nároky na udržbu.

Moderní doba přináší nové trendy designu, požadavky na funkční vlastnosti povrchu, klade důraz na výslednou kvalitu, na celkovou ekonomickou náročnost a současně na nízkou ekologickou zátěž životního prostředí. Tím vším je ovlivněn současný rozvoj výrobních technologií a zařízení. Do praxe jsou zaváděny nové výrobní postupy a meřicí metody, které nám umožňují získat nové – vylepšené vlastnosti povrchu a povrchové vrstvy součásti.

Technologie povrchových úprav materiálů obecně dělíme na mechanické, chemické a elektrochemické úpravy. Trendem současnosti je především levné, nenáročné a ekologicky nezatěžující řešení povrchových úprav, které nám přináší vývoj speciálních odvětví technologie povrchových úprav. Hledání nových alternativních řešení povrchových úprav materiálů, které splňují náročné ekonomické a ekologické kritéria vedlo k vývoji technologie pulzujícího vodního poprsku. Tato technologie povrchových úprav je nyní intenzivně zkoumána a zaváděna do praxe.

Vhodná volba správné předúpravy povrchu má zásadní vliv na úspěšnou a kvalitní aplikaci povrchových úprav a na vlastnosti povlakových systémů.


2 Současný stav

V dnešní době je při volbě technologie povrchové úpravy kladen velký důraz nejen na výslednou kvalitu, ale i na celkovou ekonomickou náročnost a současně na nízkou ekologickou zátěž životního prostředí. Povrchové úpravy materiálu patří mezi běžné technologické procesy, které nám umožňují získat nové (lepší) vlastnosti povrchu jako je např. zvýšení odolnosti proti korozi, zlepšení funkčních vlastností (zvýšení odolnosti proti opotřebení, úpravy elektrické vodivosti, optických vlastností povrchu, lepší třecí vlastnosti). Dále jsou povrchové úpravy často využívány k docílení požadovaného designu.

Povrchovými úpravami lze docílit:

Ø změnu struktury povrchových vrstev a mikrogeometrie povrchu,

Ø uměle vytvářené povrchové úpravy, které mají odlišné chemické složení, fyzikální vlastnosti než základní materiál.

Povrch je hodnocen jako obálka makroskopického objektu, která tvoří hranici mezi základním materiálem a okolím. Povrch objektu určuje jeho vzhled a tvoří rozhraní mezi dvěma fázemi. U velkých objektů s malým poměrem povrchu k jeho objemu jsou fyzikální a chemické vlastnosti povrchu určeny především vlastnostmi základního materiálu. U malých objektů s velkým poměrem jsou jejich vlastnosti výrazně ovlivněny povrchem. Funkční vlastnosti povrchu nejsou závislé jen na vnější vrstvě, která tvoří rozhraní, ale také na oblasti směřující pod povrch. Využití charakteristik povrchu směrem do hloubky materiálu je jistým stupněm klasifikace povrchu, kterému odpovídá i rozdělení oblastí povrchu.


3 Technologie povrchových úprav kovů

Úpravy povrchu a mikrogeometrie povrchu lze obecně rozdělit jako:

Ø mechanické

- otryskávání

- omílání

- broušení, leštění, kartáčování

- povrchové zpevňování

- jiné (válečkování, tryskání suchým ledem, pulzující vodní paprsek)

 

Ø chemické a elektrochemické úpravy

- odmašťování

- moření

- leštění, leptání

 

3.1 Mechanické úpravy

Mechanické úpravy povrchových vrstev materiálu, mezi které patří tryskání, omílání, broušení, leštění, kartáčování a jiné provádíme z následujících důvodů:

Ø čištění povrchu materiálu (odstraňování okují z výkovků, čištění odlitků),

Ø vytvoření podmínek pro zakotvení povlaku,

Ø vytvoření podmínek pro zvýšení korozní od,olnosti

Ø vzhledové požadavky,

Ø zlepšení mechanických vlastností (pevnost, mez únavy).

 

3.1.1 Otryskávání

Otryskávání je způsob mechanického opracování povrchu, při kterém se tryskací materiál (ocelové broky, sekaný drát, písek,…) vrhá velikou rychlostí proti povrchu součásti. Intenzita čistění povrchu je závislá na mnoha faktorech. Kvantitativní účinek otryskávání je závislý na tvaru zrna, rychlosti letu, úhlu dopadu, vzdálenosti tryskáče od předmětu, druhu použitého materiálu.

Tvrdá ostrá zrna způsobují čištění povrchu a odstraňují z něj i částice kovu tím, že se do povrchu zasekávají. Po otrykávání je povrch drsný, pokrytý množstvím malých kráterů.

Pro docílení vyhlazovacího účinku se využívá sespenze vody a brusiva. Voda snižuje účinek tryskání a zabraňuje tak vzniku malých kráterů na povrchu materiálu, po otryskávání je povrch materiálu hladký.

Kulatá zrna čistí a zpevňují povrch, který je po otryskání pokryt mělkými důlky. Úběr kovu je nepatrný. Je zde nebezpečí, že zbytky nečistot se zatlačí do povrchu. Povrch je hladší a zpevněný, je odolnější proti korozi, je méně vhodný pro zakotvení povlaku. Měkká zrna povrch jen leští.

 

Tab. 3.1: Výhody a nevýhody otryskávání

Výhody

Nevýhody

· odstranění nečistot a zpevnění povrchu

· zbytky nečistot se zatlačí do povrchu

· rez lze snadno odstranit dokonce i z hlubokých otvorů

· vysoká prašnost

· na rozdíl od broušení podklad lépe odolává horku

 

 

3.1.2 Omílání

Omílání je způsob mechanické úpravy povrchu malých předmětů, který se používá k odjehlování, leštění, odstraňování zbytků tavidel po svařování, odstraňování zbytků korozních zplodin, zpevňování povrchu. Jedná se o technologii, kdy při vzájemném odírání předmětů, omílajících těles, brusiva a kapaliny v otáčejícím se bubnu nebo zvonu dochází k mechanické úpravě povrchu.

Omílání je vhodné především pro menší předměty oblých tvarů do váhy asi 1 kg. Větší předměty je možné rovněž omílat, ale je nutné je upevnit do přípravku v omílacím zařízení.

Při omílání se v bubnu vytváří dvě oblasti. První je nosná vrstva, která má tvar prstence, druhá je jádro. V aktivní vstvě probíhá 90% omílání. Velikost aktivní vrstvy závisí na naplnění bubnu. Při optimálním plnění 40 – 60% dosahuje aktivní vrstva největší délku a předmět v ní setrvává po ¾ otáčky.

 

Tab. 3.2: Výhody a nevýhody omílání

Výhody

Nevýhody

· odstraňuje se ruční broušení a leštění

· nerovnoměrný úběr z povrchu předmětu

· snižují se výrobní náklady, levný provoz

· možnost poškození členitých výrobků

· zvyšuje se výrobnost

· nelze omílat předměty, u kterých otupení hran znamená poškození výrobku

· snižuje se zmetkovitost

 

· zpevnění povrchu, zvýšení odolnosti proti korozní

 

 

3.1.3 Broušení, leštění, kartáčování

Velmi často se používají jako úpravy před vytvářením povlaku nebo i jako konečné úpravy. Broušením je způsob mechanického opracování povrchu, kterým se obvykle připravuje základní povrch pro kartáčování nebo leštění. Kartáčování se používá k odstraňování hrubých nečistot, rzi, starých nátěrů, zjemnění upraveného povrchu před leštěním a pro dosažení stejnoměrného vzhledu. Leštěním se upravuje základní povrch a povlak.

V povrchových úpravách má broušení a leštění poněkud jiný charakter než při přesném obrábění broušením. Zde se nepřihlíží tolik k přesnosti rozměrů, ale spíše k odstranění nerovnosti povrchu za účelem dosažení lesku nebo vhodného povrchu pod následující povlak.

 

Tab. 3.3: Výhody a nevýhody broušení, leštění, kartáčování

Výhody

Nevýhody

· lze částečně (kartáčováním, leštěním) nebo téměř úplně (broušení) odstranit vady povrchu

· ruční broušení, kartáčování a leštění je namáhavé a nehygienické

 

· prašnost

 

3.1.4 Speciální metody

3.1.4.1 Válečkování

Válečkování je beztřísková metoda obrábění, která zlepšuje kvalitu povrchu bez jakéhokoliv úběru materiálu. Válečkovací nástroje fungují na principu přitlačení odvalovaného tvrdého prvku k povrchu obrobku, čímž na povrchu obrobku vyvinou tlak, který překračuje mez kluzu materiálu. Takto se srovnají na povrchu soustruženého obrobku výstupky a prohlubně, čímž se povrch zhutní a stane rovnoměrným. Tato beztřísková metoda obrábění odstraňuje vady a nerovnosti povrchu s přesností na tisíciny milimetru. Odvalování nástroje stlačuje zrna struktury kovu, čímž se zvyšuje jeho povrchová tvrdost o 50 - 100 %. Materiál se válečkováním elasticky deformuje a tím roste jeho pevnost i pod povrchem.

 

Tab. 3.4: Výhody a nevýhody válečkování

Výhody

Nevýhody

· přesnost, kvalitní a zpevněný povrch

· zahřívání součástí

· odstraňuje se broušení

· teplota způsobená třením se odráží na změnách rozměrů

· snižuje riziko únavy materiálu

 

· zvyšuje odolnost obrobku a jeho otěruvzdornost i korozivzdornost

 

· nízká pořizovací cena

 

 

3.1.4.2 Tryskání suchým ledem

Tryskání suchým ledem je obdobou pískování, otryskávání plastovými granulemi, sodou apod. Médium (pelety suchého ledu) je akcelerováno tlakovým vzduchem (obvykle 6 - 8 m3/min při 6 - 9 barech) a směrováno na povrch, který má být čištěn. Unikátní předností suchého ledu je to, že po dopadu na povrch ihned sublimuje do okolní atmosféry.

Metoda kombinuje disipaci energie při nárazu a rychlý transfer chladu ze suchého ledu na povrch. Fenomén bývá nazýván termickým šokem. Pelety během sublimace z pevné do plynné fáze mnohonásobně (800x) zvětšují svůj objem a tím napomáhají ke snadnému "odloupnutí" zkřehlého povlaku.

 

Tab. 3.4: Výhody a nevýhody tryskání suchým ledem

Výhody

Nevýhody

· nedochází k poškození podkladu

· větší náročnost skladování suchého ledu

· nevzniká sekundární odpad

· vyšší pořizovací náklady

· zařízení jsou čištěna přímo na místě použití

 

· odpadá potencionální tvorba koroze

 

· metoda je šetrná k životnímu prostředí

 

 

3.2 Chemické a elektrochemické úpravy

Při chemických úpravách povrchu se vytvářejí povlaky, které vznikají chemickou reakcí mezi základním materiálem a chemickým roztokem. Tyto vrstvy zlepšují korozní odolnost základního materiálu, zlepšují přídržnost následných povlaků, nebo zlepšují vzhled předmětu. Mezi tyto technologie patří např. chromátování, chemická oxidace ocelí nebo elektrochemická oxidace hliníku. Do této skupiny ptří rovněž chemické a elektrochemické leštění kovů. Elektrochemické úpravy povrchu založené na galvanickém vylučování kovů slouží k vytváření ochranných protikorozních vrstev, funkčních povlaků a rovněž povlaků zlepšujících vzhledové vlastnosti výrobků.

 

3.2.1 Odmašťování

Povrchu výrobku se zbavuje mastnot, olejových a jiných nečistot. Jde o souhrnný název pro odstraňování všech druhů ulpělých nečistot z povrchu materiálu, které jsou vázány buď fyzikální adsorpcí, nebo adhezními silami. Úkolem odmašťovadel je uvolnit tyto nečistoty z povrchu materiálu a převézt je do roztoku nebo emulze a tedy zabránit jejich zpětnému vyloučení na povrch materiálu. Preferuje se odmašťování za studena.

 

3.2.2 Moření

Je to chemický proces, ve kterém dochází k odstranění povlaku z povrchu materiálu rozpuštěním v kyselině a vytvoření vhodného reliéfu povrchu. Oxidické vrstvy jsou porézní, kdy póry prochází kyselina a podleptává povlak. Vodík ve formě bublinek podporuje svým tlakem odtrhávání lidické vrstvy. V současnosti je snaha omezit exhaláty znečišťující ovzduší.

Po moření je nutné provést oplach v teplé a studené vodě z důvodů odstranění zbytků lázně z povrchu. Povrch je vysoce reaktivní s okolním prostředím. Snadno mohou vznikat lidické vrstvy. Tomuto jevu zabráníme pasivací povrchu.

 

3.2.3 Leštění, leptání

Elektrolytické leštění je založeno na zcela jiném principu než mechanické leštění. Vzorek je zapojen jako anoda a je ponořen do elektrolytu. Proudová hustota je největší v těch místech, kde je tloušťka filmu nejmenší (tam vrstva produktů klade elektrickému proudu nejmenší odpor). Proto se výstupky na vzorku při správných pracovních podmínkách rozpouštějí a povrch kovu se postupně uhlazuje.

Leptání je proces, při němž na vyleštěný povrch vzorku působí různá chemická leptadla. Provádí se ponořením vzorku do vybraného leptacího činidla o správné koncentraci a teplotě po určitou dobu. Leptací činidlo na povrchu vzorku napadá přednostně energeticky bohatá místa, např. hranice zrn, fázová rozhraní mezi různými fázemi. Způsob leptání materiálu lze rovněž volit volbou činidla a pracovní teploty. V praxi rozlišujeme několik způsobů leptání.


4 Vzniklý povrch a jeho vlastnosti

Nositelem kvalitativních charakteristik v procesu obrábění je obrobek, resp. strojní součástka. Geometrie obrobené součástky se liší od ideální geometrie zadané výkresem. Na obrobené ploše jsou mikronerovnosti. Silovým účinkem nástroje se tenká povrchová vrstva pod obrobenou plochou deformuje. V důsledku deformace a ohřívání povrchové vrstvy teplem, které vždy vzniká při obrábění, vznikají v této vrstvě napětí a mění se i její fyzikálně-mechanické vlastnosti. Když všechny tyto skutečnosti působí na funkční vlastnosti obrobené součástky, je třeba stav a jakost obrobené plochy ustavičně sledovat a vyhodnocovat.

Celková kvalita povrchu je hodnocena jako integrovaná charakteristika strojových součástek a je složena z následujících prvků:

Ø geometrií obrobeného povrchu - sem patří rozměrová přesnost, odchylky geometrického tvaru a polohy, vlnitost a drsnost

Ø fyzikálně-mechanickými vlastnostmi povrchové vrstvy - tvrdost, zpevnění a zbytkové napětí

Ø fyzikálně-chemickým stavem povrchu - strukturální změny, změny chemického složení, plastická deformace, opal povrchu a jiné

 

Stav a kvalita povrchové vrstvy obrobeného kovu mají vliv na únavovou pevnost, odolnost proti opotřebení, protikorozní stabilitu, na kvalitu lícování apod. Stav a kvalita povrchové vrstvy jsou velmi důležité aspekty, hlavně pro dynamicky namáhané součástky, které se začínají porušovat zpravidla od povrchu.

 

4.1 Fyzikální

Optické plochy vyžadují dokonalý geometrický tvar a minimální drsnost povrchu. Jejich vlastnosti jsou určovány parametry, jako je hladkost, lesklost, propustnost světla apod. Zvláštních optických vlastností povrchu lze dosáhnout různými úpravami. Jedná se o odrazové plochy, interferenci světla apod.

Tření na povrchu materiálu může být žádoucí i nežádoucí. U strojních součástí se většinou snažíme o co nejmenší koeficient tření na stykových plochách. Proto se nanášejí nejrůznější povlaky, které jsou velmi tvrdé a hladké. V opačném případě požadujeme vysokou hodnotu tření u protiskluzových ploch, jako jsou například dlaždice.

Tepelná vodivost a roztažnost povrchových vrstev může být vlivem použité technologie jiná než ve zbylé části materiálu. To může být opět výhodou nebo i nevýhodou.

 

4.2 Chemické

Chemické změny v obrobených plochách jsou způsobené difuzí v souvislosti s vysokými teplotami v zóně řezání a existencí chemického potenciálu mezi nástrojem a třískou. Obvykle jsou spojené s aplikací spékaných karbidů jako nástrojového materiálu. Teplotní stabilita nástrojů z rychlořezné oceli je jen do oblasti přibližně 650 °C, což je teplota nedostatečná na difuzní pochody. Naproti tomu keramické nástrojové materiály jsou chemicky velmi stálé.

 

4.3 Mechanické

4.3.1 Zpevnění povrchu

Deformace povrchové vrstvy po obrábění vyvolávají mimo tvorby mikronerovnosti povrchu i změnu mikrostruktury a změnu některých fyzikálně-mechanických vlastností. Obvykle hovoříme o jejím zpevnění.

 

4.3.2 Zbytkové napětí

Zbytkové napětí jsou jedním z projevů použitých technologií obrábění. Po výrobním procese zůstávají v součástkách a konstrukcích a působí neustále i bez vnějšího zatížení. Svým působením významně ovlivňují funkčnost obrobených povrchů.

 

4.3.3 Trhliny

Vznik trhlinek v obrobeném povrchu je především tepelně indukovaný proces spojený s tepelným poškozením obrobeného povrchu. Trhlinky na povrchu vznikají v důsledku relaxace tahových zbytkových napětí, v případě, že jejich velikost překročí mez pevnosti materiálu. Trhlinky na povrchu obrobku jsou z hlediska jeho funkčnosti jako strojní součásti nežádoucí a neakceptovatelné. Jsou výsledkem nevhodně zvolené technologie obrábění, funkcí opotřebení nástroje apod. Často jsou viditelné nejen pod mikroskopem, ale můžou být viditelné i pouhým okem.

 

Komentáře

Přidat komentář

Přehled komentářů

Zatím nebyl vložen žádný komentář