Anyagfejlesztés és feldolgozás az innovációk motorjaként WOTech Technical Media
Dr. rer. nat. Alexandra Maria Milyen szégyen
Jelentés a chemnitzi 21. anyagtechnikai kollokviumról - 2. rész
A chemnitzi Werkstofftechnische Kolloquium (WTK) az anyagok, a gyártás és a felszíni technológia területén végzett kutatási és fejlesztési eredmények bemutatásának egyik legfontosabb platformjává vált. Idén is az adalékanyagok gyártása és a hőkezelés területén végeztek munkát, forrasztással, galvanizálással és hőpermetezéssel történő összekapcsolást, acélokat és könnyűfémeket, kompozit anyagokat és anyagvizsgálatokat. A konferenciáról szóló jelentés második részében a bevonási folyamatok tartalma és az elérhető réteg tulajdonságok kerülnek bemutatásra. A galvanizálás mellett itt elsősorban a hőpermetezés különböző technológiáira összpontosítottak a rendkívül tartós funkcionális felületek előállításához.
Ingyenes sugárfolyamat helyi, elektrolitikus anódozáshoz
A zárt elektrolitikus szabad sugárral történő anódozás erőforrás-megtakarítást és lokális változásokat tesz lehetővé az alumínium anyagok tribológiai tulajdonságaiban. Erre a célra kidolgozták és kipróbálták az EN AW-7075 T6 nagyszilárdságú ötvözet használatához szükséges eljárást. A helyi anódozást a minta felületén a helyi áramsűrűség optimalizálásával érték el. Ebből a célból a feldolgozási paraméterek működési távolsága, feszültsége és a folyamat időtartama szisztematikusan változott. A porózus oxid és a lézeres pásztázó mikroszkópia törésmutatója alapján meghatároztuk az eloxált területek maximális vastagságát.
Az eredmények azt mutatják, hogy az anód és a katód közötti munkatávolság 2,5 mm-ről 0,1 mm-re történő csökkentésével és az üzemi feszültség 230 V-ról 40 V-ra történő csökkentésével ugyanazok a rétegvastagságok érhetők el, mint 230 V és 2,5 anodizálás esetén. mm távolság.
Az oxidréteg vastagságának különbsége és a rétegvastagság növekedésének oldalirányú lehatárolása például tapintható méréssel detektálható. A szélesség 67% -ra csökkentése és a magasság 150% -ra növelése 225% -os megnövekedett képarányhoz vezet, ami jelentős javulás a kívánt tribológiai alkalmazáshoz képest.
Az oxidréteg lézerszkennelése 40 V és 0,1 mm távolságra az anód és a katód között (balra), valamint 230 V és 2,5 mm távolságban, minden esetben 20 perc anódozás után (Kép: R. Morgenstern)
A SEM vizsgálatok eredményei azt mutatják, hogy porózus mikrostruktúrák jönnek létre. További vizsgálatokat kell végezni annak érdekében, hogy pontosabb információkat kapjunk az anódos oxidrétegek teljes porozitásáról, valamint mechanikai és tribológiai tulajdonságairól.
(R. Morgenstern, A. Martin, N. Lehnert, I. Scharf, M. Hackert-Oschätze, A. Schubert, T. Lampke)
A REACh szabályozás miatt alternatív módszereket kell keresni a kemény kromrétegek korábbi kromát felhasználásával történő előállításához képest. A króm (VI) rendszerektől való elválasztás alacsony, kb. 20% -os energiahatékonysága miatt van értelme a korábbi technológiák cseréjére. Alternatív megoldás a nikkel-bór diszperziós rétegek nedves kémiai leválasztása. A nikkel és a bór együttesen képezhetnek intermetallikus fázist (Ni3B). Ezt a fázist termikus utókezeléssel állítják elő, és nagy keménységi értékekkel rendelkezik, amint az kémiailag reduktívan lerakódott nikkel-bór rétegekből ismert. Az 1200 HV0,01 elérhető keménysége a kemény króm rétegek értékeinek tartományában van.
A redukálószer nátrium-bór-hidrid alapú ismert bevonási eljárás a szükséges magas pH-érték (µ m/h) miatt nem tudott meggyőződni. Gazdaságos alternatívát lehetne rendelkezésre bocsátani nikkel-bór diszperziós rétegeken keresztül, amelyek kémiai-reduktív és galvanikus leválasztással egyaránt előállíthatók. A kémiai reduktív eljárásban a redukálószert nátrium-hipofoszfidot alkalmazzuk, amelynek 12–16 µm/h (pH 4,5-5,5, üzemi hőmérséklet T = 88 ° C) elválasztási sebessége érhető el. Galvanikus lerakódási eljárásokkal 20 µm/h vagy annál nagyobb sebesség érhető el. A bórrészecskék alapján a keménység növekedését termikus utókezeléssel érték el.
(M. Markus, F. Köster)
Galvanikus irídium lerakódás PEM katalizátorokhoz
A PEM elektrolizátorok magas költségei, többek között az olyan nemesfémek, mint a platina vagy az irídium használata miatt, mindeddig megakadályozták az ipari felhasználást. A helyzet javításának megközelítései a PEM vízelektrolízis során anódos felhasználásra optimalizált irídium/titán-oxid rétegeken alapuló költséghatékony elektródarendszerek kifejlesztéséből származnak. Erre a célra új típusú, fokozott stabilitású irídium nanorészecskék hordozóit vizsgálják annak érdekében, hogy növeljék az alkalmazott katalizátor anyag elektrokémiailag aktív felületét és ezáltal a nemesfémek alkalmazását. Erre a célra irídiummal ellátott elektrokatalizátoros nanorészecskéket galvanikusan felvittek egy szinterezett titánelektródra, amelyet korábban titán-oxid nanorészecskékkel vontak be. Az első eredmények a PEM elektrolizátorok aktivitásának és stabilitásának javulását mutatják.
(J. Näther, F. Köster, T. Hülser, U. Rost, M. Brodmann, D. Pascal, L. Holtkotte)
Hőmérséklet-eloszlás hőpermetezett hővezető bevonatokon
A fröccsöntő formák üregeit bevonják, hogy növeljék a korróziót és a kopásállóságot, vagy hogy beállítsák a hőáramot az üreg falán. A hőáram növekedését úgy kell elérni, hogy titán és króm-oxid keverékét mintegy 100 µm vastagságú hőpermettel permetezzük a felületre, és hőkezeléssel alkalmazzuk elektromos áram alkalmazásával. A hőpermetezett alumínium-oxid réteg elektromos szigetelőként szolgál az acél aljzat és a titán/króm-oxid bevonat között, amely a fűtővezeték.
A fröccsöntő forma sematikus felépítése helyileg fűthető felülettel (Kép: K. Bobzin)
Keresztmetszet egy fröccsöntő szerszám fűtővezető rétegén keresztül (Kép: K. Bobzin)
A homogén felületfűtés megvalósíthatóságának igazolásához a fűtési viselkedést termográfiával elemeztük. A bevonási folyamat folyamata paramétereitől és az alkalmazott elektromos áramtól függően inhomogén hőmérséklet-eloszlást találtak. Ez lineáris mintákban oszlott el az elektromos áramra merőleges forró vonalak formájában. A megfigyelt inhomogenitás kiváltó okának azonosítására numerikus modellezést alkalmaztunk, és az eredményeket kísérleti mérésekkel alátámasztottuk. Megállapították, hogy a bevonat mikrostruktúrájának repedései a hőmérséklet-emelkedés és a hőmérséklet-eloszlás lineáris eloszlásának fő oka. A repedéseloszlás azonban nem mutatott preferált irányt.
(K. Bobzin, M. Öte, M. A. Knoch, I. Alkhasli)
Részecskehatás a termikus permetezés során
A hőpermetezés olyan bevonási eljárás, amelynek során a kiindulási anyag felgyorsul és olvadt vagy félig megolvadt részecskék formájában ütközik az aljzathoz. A részecskehatás-szimuláció segít megérteni a bevonat felhalmozódását a termikus permetezés során. A VOF (Fluid Volume) megközelítés alapján a szimulációhoz CFD (Computational Fluid Dynamics) modellt használnak. Ez lehetővé teszi a nikkelrészecskék hatásának és megszilárdulásának modellezését egy sík hordozón 2D és 3D formában.
A részecskehatás 3D-s modellje módosított részecskeszilárdulás alkalmazásával (Kép: K. Bobzin)
A megszilárdulás modellezésére általában hőmérsékletfüggő viszkozitást és impulzusforrást alkalmaznak. Az előbbi pontos, de számítási szempontból túl drága a többszörös részecskeütközésekkel végzett szimulációkhoz. A momentumforrás módszerrel a részecske impulzusegyenletét megváltoztatjuk annak érdekében, hogy megszilárdulásakor nullára csökkenjen a sebessége. Az ANSYS Fluent ezt a módszert használja a konszolidációhoz. Ez a módszer azonban nem bizonyult megfelelőnek a többrészecskés megszilárdulás szimulálásához, ezért ennek a módszernek a módosítását vezették be. A módosított módszer validálásához hőmérsékletfüggő viszkozitásokat és az irodalomból származó validált numerikus vizsgálatokat használtak. Bebizonyosodott, hogy a kifejlesztett módszer egy 60 µm vastag bevonat lerakódását szimulálja megvalósítható számítási idő alatt, összehasonlítva a hőmérsékletfüggő viszkozitási módszerrel.
(K. Bobzin, M. Öte, M. A. Knoch, I. Alkhasli, S. R. Dokhanchi)
A kiindulási anyag hatása a szórásbevonatok fáziseloszlására
Az alumíniumból és titán-oxidból készült permetezett bevonatok esetében, amelyek évek óta ipari alkalmazásban vannak, még mindig vannak hiányosságok az alumínium-titanát (Al 2 TiO 5) képződésének és hatásainak megértésében. Különösen a kiindulási anyag por tulajdonságainak a fázisösszetételre gyakorolt hatását eddig csak durván vizsgálták. Az összefüggések tisztázása érdekében a kereskedelmi forgalomban olvadt és aprított takarmányporokat jellemeztük: ezek közül három 13 tömeg% titán-oxidot (TiO 2), három pedig 40 tömeg% titán-oxidot tartalmazott. Értékelték a porok különböző fázisú összetételeinek hatását és azok relevanciáját a lerakódás hatékonyságára, a fázisösszetételekre, a megfelelő APS bevonatok porozitására és keménységére. A 40 tömeg% titán-oxidot tartalmazó bevonatok mechanikai tulajdonságai észrevehetően rosszabbak, mint a 13 tömeg% titán-oxidot tartalmazó bevonatok, különösen a keménység szempontjából. Ezenkívül azt találták, hogy alumínium-titanát képződhet a permetezési folyamat során, ha alumínium-titanát nélküli porból permetezik.
A por és az abból készült rétegek SEM képei különböző arányú titán-oxiddal (Kép: A. Richter)
A további vizsgálatok a titán lokalizációjára összpontosítanak a bevonatokban, 13 tömeg% TiO 2-vel, és szisztematikusan meghatározzák az alumínium-titanát különböző tartalmának más bevonat tulajdonságokra gyakorolt hatását, különös tekintettel azok hő-, elektromos, tribológiai és korróziós viselkedésére. Ezenkívül az alumínium-titanát célzott stabilizálását a porokban és bevonatokban további oxidok révén vizsgálják.
(A. Richter, L.-M. Berger, S. Conze, Y. J. Sohn, R. Vaßen)
HVOF ID fecskendők WC-Co/Cr betétporral
A külső felületek WC-Co vagy WC-Cr bevonatait általában kopásvédő rétegként állítják elő nagy sebességű lángszórással (HVOF) különböző ipari alkalmazásokhoz. A HVOF technológiát alkalmazó belső bevonatok, különösen a furatok (az úgynevezett belső átmérőjű bevonat (ID)) jelenlegi követelményei speciális szórópisztoly-felszerelést és 20 µm-nél kisebb szemcseméretű permetporokat igényelnek. Ugyanakkor a folyamatszabályozás mind a szórópisztoly konfigurációjához, mind a felhasználásához vezet a finom poroktól kezdve az új kihívásokig, amelyek eltérnek a HVOF külső felületekre történő permetezésétől.
Keresztmetszetek egy WC-CoCr rétegen keresztül, amelyet HVOF-ID felhasználásával állítottak elő (Kép: W. Tillmann)
A fejlesztési munkához a WC-CoCr 86-10-4 (-15 + 5 μm) típusú porokat vizsgálták, amelyek átlagos WC részecskemérete 400 nm volt, figyelembe véve a kapott bevonati tulajdonságokat. A permetezési folyamat paramétereként figyelembe vették a különböző folyamatparaméter-beállításokat, valamint ezek kölcsönhatását a mikrostrukturális tulajdonságokkal és az elválasztási hatékonysággal. Az alkalmazott HVOF-ID rendszer és a WC-CoCr alapanyag esetében a legkisebb bevonható belső átmérő 171,6 mm. A kapott eredmények lehetővé teszik a bevonat tulajdonságainak optimalizálását a különböző felületi követelményeknek való megfelelés érdekében. Ezenkívül a permetező rendszer optimalizálható 1% körüli porozitású sűrű bevonatok előállítására.
(W. Tillmann, C. Schaak, L. Hagen, M. Dildrop)
Termikusan kiváltott morfológiai változások a huzallal permetezett rézben és acélban
Termikus huzalszórásnál a permetezett anyagok mechanikai és termikus tulajdonságai változnak, különösen a bevezetett hőenergia miatt. Ezt a réz (Cu 98,7) és a korrózióálló acél (316L) átfogó jellemzésével vizsgálják hőmérsékletfüggő húzó-, hárompontos hajlító- és kalóriatesztekkel, 293 K és 1173 K közötti hőmérséklet-tartományban. Erre a célra vastag bevonatokat készítettek ívpermetezéssel.
A mechanikai vizsgálatok eredményei drasztikusan csökkent rugalmassági modulust (Cu 98,7: 49%, 316L: 48%, 293 K hőmérsékleten mérve) mutatnak a hőpermetezett anyagok szilárdanyag-egyenértékéhez viszonyítva. A lézeres villanásanalízist (LFA) mindkét termikusan permetezett anyagra elvégeztük 373 K és 1173 K közötti hőmérséklet-tartományban. A hevítéssel történő termikus diffúzió grafikonjai atipikus viselkedést mutattak, különösen magasabb, 573 K feletti hőmérsékleten, ami jelentős és tartós változásokat jelzett a hőpermetezett anyagok morfológiájában. Alacsonyabb hőmérsékleten a viselkedés is eltér a szilárd anyagtól, de nem mutat maradandó változásokat.
Szilárdság (Young modulus) a rézhez és a korrózióálló acélhoz szilárd és hőpermetezett porként (Kép: R. Winkler)
A metallográfiai előkészítés és a röntgenvizsgálat szignifikánsan kevesebb látható részecskehatárt mutatott a réz számára 1173 K hőmérsékleten végzett hőkezelés után. Az oxidált köztes fázisok alakja gömbölyűvé vált. Ezért feltételezhető, hogy szinterelési folyamatok történtek. A különböző állapotok XRD diffraktogramjai nem mutattak változást a fázis összetételében. A termikusan permetezett 316L esetében a metallográfiai előkészítés és az XRD elemzés jelentős fáziaváltozást mutatott 1173 K hőmérsékleten végzett hőkezelés után.
(R. Winkler, E. Saborowski, G. Paczkowski, T. Lampke)