INYNIERIA POWIERZCHNI Powoki i warstwy wierzchnie - wybrane zagadnienia

Opracowanie: dr Maria Gowacka Spis treci Rozdzia 1. Inynieria powierzchni wprowadzenie Rozdzia 2. Powoki elektrolityczne (galwaniczne) Rozdzia 3. Powoki zanurzeniowe (ogniowe) Rozdzia 4. Powoki natryskiwane cieplnie Rozdzia 5. Powoki napawane Rozdzia 6. Powoki platerowane Rozdzia 7. Warstwy dyfuzyjne Literatura

1. INYNIERIA POWIERZCHNI - WPROWADZENIE 1.1. Pojcia podstawowe Podczas eksploatacji maszyn, urzdze, instalacji, materiay, z ktrych zostay one wytworzone ulegaj zuyciu. Proces zuycia jest spowodowany przez oddziaywanie wymusze zewntrznych - mechanicznych, cieplnych, chemicznych, elektrochemicznych, mikrobiologicznych, elektrycznych lub promieniowania. W rzeczywistoci zuycie jest najczciej wynikiem wspdziaania rnych czynnikw, z dominacj czynnika, ktrego ujawnienie pozwala zastosowa waciwe sposoby przeciwdziaania niszczeniu. Procesy zuycia przebiegaj od powierzchni ciaa staego w gb, prowadzc do zmian waciwoci i uszkodze, a zasig oddziaywania wymusze zewntrznych, stanowicych przyczyny zuycia eksploatacyjnego wyznacza tzw. eksploatacyjn warstw wierzchni. Pod tym pojciem rozumie si stref materiau zawart midzy powierzchni zewntrzn a umown powierzchni wewntrz ciaa staego, ograniczajc zasig oddziaywania wymusze zewntrznych. Pojcie to jest analogiczne do pojcia warstwy wierzchniej zawartej w polskiej normie. Warstwa wierzchnia to cz materiau, z jednej strony ograniczona rzeczywist powierzchni ciaa staego, a z drugiej materiaem rdzenia, skadajca si z kilku stref przechodzcych pynnie jedna w drug, o zrnicowanych rozmiarach, odmiennych cechach fizycznych i niekiedy chemicznych, w stosunku do cech materiau rdzenia (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Schemat budowy metalu w przekroju od powierzchni

Najpowszechniej wystpujcymi procesami powierzchniowego niszczenia materiaw s: korozja, zuycie przez tarcie.

Biorc pod uwag skutki, zuycie moe przebiega z szybkoci adekwatn do zaoonej trwaoci obiektu okrelane jako zuycie normalne, bd przebiega z nadmiern szybkoci prowadzc do przedwczesnego zuycia lub awarii obiektu. Niezalenie od skutkw, naley zawsze przeciwdziaa zuyciu majc na uwadze zwikszenie trwaoci elementw maszyn i ich niezawodno. Straty wywoane procesami zuycia s ogromne i trudne do oszacowania, poniewa dotycz strat materiaw, robocizny, energii, remontw i in. Szacuje si, e tylko roczne straty wskutek korozji s bliskie kosztom rocznej produkcji okoo 30% tworzyw metalowych. Przeciwdziaanie zuyciu rozpoczyna si w procesie projektowania konstrukcji, lub maszyny i musi by kontynuowane w procesie wytwarzania i eksploatacji. Jednym z podstawowych problemw jest dobr materiaw do danych warunkw eksploatacji zabezpieczajcy trwao w przewidywanym czasie projektowym uytkowania konstrukcji, w fazie projektowania stosowanie m.in. ksztatw geometrycznych elementw konstrukcji, minimalizujcych

podatno na niszczenie powierzchniowe, zastosowanie waciwych metod technologicznych podczas wytwarzania, ktre nie wywouj obnienia tej podatnoci oraz uwzgldnienie moliwoci i metod remontw w czasie zaoonego czasu eksploatacji. Na wszystkich tych etapach nadal cigle poszukuje si sposobw zmniejszania zuycia, przy czym due moliwoci postpu istniej w dziedzinie nowych materiaw i udoskonalanie ju stosowanych. Szczeglnie wielkie moliwoci wie si z nowymi technologiami udoskonalajcymi warstw wierzchni materiaw. Ksztatujc za pomoc odpowiedniej technologii warstw wierzchni elementw maszyn i urzdze, mona wydatnie zwikszy jej trwao. Zmiany waciwoci warstwy wierzchniej materiaw metalowych mog by wywoane przez pojedyncze lub czne oddziaywanie si mechanicznych i elektrycznych, ciepa, czynnikw chemicznych, a ich przebieg jest pynny od powierzchni w kierunku rdzenia, rys. 1.2a. Zmiany waciwoci mona dokona rwnie przez trwae naniesienie na chronion powierzchni warstwy materiau stanowicej powok, charakter zmian waciwoci jest wwczas skokowy rys. 1.2b. Przez okrelenie - powoka ochronna - przyjmuje si warstw metalu, stopu, materiau ceramicznego, tworzywa sztucznego i in. naniesion trwale na powierzchni metalu chronionego, ktry zasadniczo pozostaje w tym samym stanie w jakim by przed naoeniem powoki,. Warstwy wierzchnie i powoki ochronne przyjto umownie nazywa warstwami powierzchniowymi. Mog by one wytwarzane jako pojedyncze i wielokrotne oraz cznie np. powoki na warstwach wierzchnich, a przebieg zmian waciwoci jest zoony, rys.1.2c.

Rys. 1.2. Zmiany waciwoci warstw powierzchniowych w zalenoci od odlegoci od powierzchni; 1 zmodyfikowana warstwa wierzchnia, 2 powoka, 3 rdze,

4 powierzchnia pocztkowa przedmiotu, 5 - powierzchnia kocowa przedmiotu. a) warstwa wierzchnia, b) powoka, c) powoka na warstwie wierzchniej

Podstawow funkcj warstw powierzchniowych jest odizolowanie chronionego metalu od rodowiska oraz zastosowanie pokrycia z materiau, ktry posiada wiksz odporno np. na korozj, zuycie cierne, czy wasnoci antyadhezyjne, bd nadanie lepszych wasnoci warstwie wierzchniej chronionego metalu przez wprowadzenie zmiany skadu chemicznego, a take struktury.

W wypadku ochrony metali przed korozj przy pomocy powok metalowych wystpuje jeszcze poza funkcj izolacji od rodowiska bardzo wany mechanizm ochrony ochrona elektrochemiczna. Polega ona na pokrywaniu metalu powok metalu o bardziej elektroujemnym potencjale, ktry sam ulegajc korozji tworzy bardziej szczelne produkty korozji, ktre take wypeniaj uszkodzenia powoki nie dopuszczajc do korozji chronionego podoa. Taki rodzaj powok nazywa si powokami anodowymi, przykadem ich jest powoka cynku na stali, ktrej mechanizm dziaania przedstawiono na rys. 1.3a. Jeeli za metal powoki posiada potencja elektrochemiczny wyszy ni posiada metal podoa, to ten rodzaj powoki nazywa si powok katodow, a jej ochrona sprowadza si do odizolowania chronionego podoa od rodowiska korozyjnego. Ten rodzaj zabezpieczenia wymaga cakowitej szczelnoci powoki, w przeciwnym razie podoe ulega silnej korozji werowej, jak w wypadku powoki cynowej na stali przedstawiony na rys. 1.3b.

Rys. 1.3. Mechanizm ochrony podoa stali niestopowej przez powok: a) anodow cynkow, b) katodow cynow;

1 rodowisko korozyjne, 2 podoe (stal), 3 powoka cynkowa, 4 produkty korozji cynku, 5 powoka cynowa, 6 produkty korozji cyny

Zagadnieniami konstruowania, wytwarzania, badania i stosowania warstw powierzchniowych zajmuje si inynieria powierzchni. Jest to dziedzina nauki i techniki stosunkowo nowa, wyodrbniona w latach 60-tych XX wieku. Inynieria powierzchni oferuje zarwno modyfikacje warstw wierzchnich, jak i nakadanie powok, bd kombinacje powok na zmodyfikowanych warstwach wierzchnich. Mog one by metalami, niemetalami (polimery, ceramika) bd kombinacjami metal niemetal. Wynikaj std znaczne zrnicowania waciwoci, budowy, mechanizmu niszczenia itd. Celem kocowym tych dziaa powinno by sprostanie przez konstrukcj, urzdzenie czy wyrb wymaganiom: duej funkcjonalnoci, dugiego okresu uytkowania, estetycznego wykoczenia oraz ograniczenia nakadw produkcyjnych i eksploatacyjnych. Ograniczanie wystpowania zuycia wskutek korozji, tarcia, erozji i in. procesw niszczenia ma nie tylko zapobiega stratom materiaowym, przedua czas uytkowania, ale take eliminowa powstawania elementw odpadowych. Po upywie za okresu uytkowania materia powinien nadawa si do powtrnego wykorzystania jako surowiec do przetwrstwa. Ponowne przetwarzanie materiau stanowi bowiem wany wkad w ochron rodowiska naturalnego.

1.2. Metody wytwarzania warstw powierzchniowych i ich charakterystyka Podzia metod wytwarzania warstw powierzchniowych przedstawiono schematycznie w tabl. 1.1. Wszystkie wymienione metody mog by wykorzystane do wytwarzania zarwno powok ochronnych jak i warstw wierzchnich z wyjtkiem metod mechanicznych sucych tylko do wytwarzania warstw wierzchnich. Zalenie od rodzaju materiau osadzanego na podou metalowym, powoki ochronne dzieli si na dwie gwne grupy: powoki metalowe i powoki niemetalowe. Powoki metalowe wytwarza si najczciej z: cynku, chromu, niklu, miedzi, aluminium, kadmu, cyny, stali nierdzewnej, metod: galwaniczn, zanurzeniow, natryskow, przez platerowanie. Poza wymienionymi metodami klasycznymi stosuje si te liczne nowej generacji, jak implantacja jonw, techniki laserowe. Drug gwn grup powok ochronnych stanowi powoki niemetalowe. Zalicza si do nich powoki nieorganiczne i organiczne. Do powok nieorganicznych nale pokrycia ceramiczne, emalierskie i konwersyjne, a do organicznych - powoki malarskie, z tworzyw sztucznych oraz gumowe. Wszystkie powoki ochronne powinny odpowiada nastpujcym podstawowym wymaganiom. Musz by szczelne, nieprzepuszczalne, powinny posiada dobr przyczepno do podoa i zdolno krycia powierzchni. Istotn rol dla uzyskania powok odpowiedniej jakoci odgrywa dokadne przygotowanie powierzchni pokrywanego metalu oraz przestrzeganie warunkw technologicznych procesu nanoszenia warstwy. Dla kadego rodzaju wytwarzanych warstw powierzchniowych niezbdne jest przygotowanie podoa, ktre musi uwzgldnia specyfik nakadania warstw. Przygotowanie powierzchni polega na oczyszczaniu, tj usuniciu zanieczyszcze, zgorzeliny, produktw korozji, usuniciu nierwnoci ewentualnie nadanie odpowiedniej gadkoci, oraz odtuszczanie. Bezporednio po tych zabiegach powinny by nakadane warstwy, aby nie dopuci do pokrycia si oczyszczonej powierzchni produktami korozji. Do podstawowych metod oczyszczania powierzchni metali zalicza si metody mechaniczne, chemiczne lub elektrochemiczne i cieplne. Metody mechaniczne stosuje si przy przygotowywani powierzchni do nakadania warstw powierzchniowych metodami cieplno-mechanicznymi: metalizacji natryskowej, platerowaniu i in. (tabl.1.1) cieplno-chemicznymi (z wykorzystaniem procesw dyfuzji) i chemicznymi (powoki malarskie, z tworzyw sztucznych). Metody oczyszczania mechanicznego obejmuj; oczyszczania przy pomocy narzdzi, gwnie napdzanych elektrycznie i pneumatycznie, metody strumieniowo-cierne, strumieniowo-wirnikowe. Do podstawowych operacji oczyszczanie chemicznego lub elektrochemicznego nale; odtuszczanie, trawienie, polerowanie. Celem odtuszczania jest usunicie zanieczyszcze pochodzenia organicznego, tuszczw, smarw, przez rozpuszczanie w rozpuszczalnikach organicznych (najskuteczniejsze w parach rozpuszczalnikw). Odtuszczanie w roztworach alkaliw przeprowadza si przed operacj trawienia, musi ono by zakoczone dokadnym pukaniem w zimnej i gorcej wodzie. Odtuszczanie elektrolityczne naley do najskuteczniejszych metod oczyszczania dziki oddziaywaniu wydzielajcych si gazw na elektrodach; wodoru (proces katodowy) i tlenu (proces anodowy). Najwyszy stopie czystoci podoa i gadkoci mona uzyska przez polerowanie elektrolityczne. Skuteczno oczyszczania podoa oceniana jest wedug uzyskanego stopnia czystoci, ktry obejmuje ocen wygldu oglnego powierzchni, ladw korozji, pozostaoci zgorzeliny i obecnoci innych zanieczyszcze. Przy wyborze metody przygotowania powierzchni bierze si przede wszystkim pod uwag przeznaczenie chronionego obiektu, warunki i czas eksploatacji oraz rodzaj pokrycia., a take wzgldy ekonomiczne.

1.2.1. Metody mechaniczne W metodach mechanicznych wykorzystuje si nacisk narzdzia albo energi kinetyczn narzdzia lub swobodnych czstek w celu umocnienia na zimno warstwy wierzchniej metalu, lub otrzymania powoki na zimnym metalu podoa poprzez: - nagniatanie naporowe - wywieranie staego lub zmiennego nacisku na powierzchni obrabianego przedmiotu przez narzdzie o powierzchni gadkiej w postaci krka (krkowanie), kulki(kulkowanie), rolki(rolkowanie) w celu umocnienia warstwy wierzchniej, - nagniatanie udarowe - wykorzystanie energii kinetycznej stalowych, ceramicznych lub szklanych czstek w postaci kulek lub rutu, miotanych si odrodkow lub strumieniem spronego powietrza (kulowanie) albo energii kinetycznej gadkiego narzdzia (motkowanie) uderzajcego w powierzchni obrabianego przedmiotu w celu umocnienia warstwy wierzchniej. 1.2.2. Metody cieplno-mechaniczne W metodach cieplno-mechanicznych wykorzystuje si poczone oddziaywanie ciepa i nacisku w celu otrzymania powok, rzadziej warstw wierzchnich, przez: - natryskiwanie (cieplne, pomieniowe, detonacyjne) - powlekanie przedmiotw, gwnie metalowych warstw materiaw powokowych przez pneumatyczne rozpylenie drobnych czstek materiau powokowego w pomieniu gazu, uku elektrycznym bd plazmy i nadanie im duej energii kinetycznej w celu wywarcia na pokrywan powierzchni nacisku umoliwiajcego dobr przyczepno natryskiwanej powoki do podoa. Jeeli materiaem natryskiwanym jest metal, proces nazywa si metalizacj natryskow. Odmian natryskiwania jest natapianie natryskowe - metalizacja natryskowa poczona z obrbk ciepln warstwy natryskiwanej w pomieniu gazowym lub w uku elektrycznym, - platerowanie powierzchni - pokrycie metalu podoa innym metalem lub stopem przez wytworzenie nacisku na metal pokrywajcy np. przez walcowanie, detonacj w odpowiednio podwyszonej temperaturze, - utwardzanie detonacyjne metalu przez fal uderzeniow powstajc w wyniku gwatownego odparowania metalu podoa pod dziaaniem bardzo silnie skoncentrowanego strumienia elektronw (utwardzanie elektronowe) lub fotonw (utwardzanie laserowe) przy wzrocie temperatury podoa, bd detonacji materiau wybuchowego. 1.2.3. Metody cieplne W metodach cieplnych wykorzystuje si zjawiska zwizane z oddziaywaniem ciepa na metale, w celu uzyskania: - zmiany struktury tworzyw metalowych w stanie staym (hartowanie, odpuszczanie, wyarzanie), - zmiany stanu skupienia: przeprowadzenie ze stanu staego w cieky i nastpnie ponownie w stan stay tworzywa pokrywanego (nadtapianie) lub pokrywajcego (napawanie, natapianie). Ponadto przeprowadzenie ze stanu ciekego w stan stay tworzywa powokowego (powlekanie zanurzeniowe). Hartowanie, odpuszczanie i wyarzanie przeprowadzane przez nagrzewanie warstwy wierzchniej metod indukcyjn, pomieniow, plazm, wizk lasera i in., a nastpnie chodzenie z okrelonymi szybkociami wywouje zmiany struktury tworzywa metalowego, a tym samym okrelone zmiany wasnoci mechanicznych, chemicznych i fizycznych, bez zmiany skadu chemicznego. Nadtapianie - wygadzanie powierzchni tworzywa metalowego albo wytworzenie struktury amorficznej (szka metalowego) warstwy nadtopionej rnicej si od rdzenia wasnociami

fizycznymi i chemicznymi, ale zachowujcej ten sam skad chemiczny. Nadtapianie przeprowadza si przez grzanie laserowe, elektronowe lub pomieniowe. Napawanie - pokrywanie powierzchni metalu warstw stopiwa tworzc powok o wasnociach zblionych do podoa, w wypadku stosowania jej w celu regeneracji, lub o waciwociach odmiennych od podoa, w wypadku zastosowania jej w celu podwyszenia trwaoci eksploatacyjnej. Napawanie przeprowadza si technikami spawalniczymi, gwnie ukowymi i pomieniowymi. Natapianie - nanoszenie na podoe metalowe powoki z czystego metalu lub stopu zwizkw metali, bd innych materiaw o waciwociach rnych od metalu podoa, za pomoc grzania laserowego, elektronowego lub elektroiskrowego. Natapianie zalicza si take do metod platerowania, bowiem skurcz odlewniczy wywiera nacisk na materia pokrywany, zapewniajc trwae poczenie. 1.2.4. Metody cieplno-chemiczne W metodach cieplno-chemicznych wykorzystuje si poczone oddziaywanie: - ciepa i orodka aktywnego wzgldem obrabianego tworzywa metalowego, w celu nasycenia go danym pierwiastkiem lub pierwiastkami wywoujcymi zmiany skadu chemicznego, struktury i wasnoci, - ciepa i czynnikw chemicznych (reakcji sieciowania polimerw) na tworzywa powokowe w celu ich zestalenia (utwardzenia). Nasycanie dyfuzyjne - proces nasycania warstwy wierzchniej metali pierwiastkami zawartymi w orodkach staych, ciekych lub gazowych, w celu wywoania zmian skadu chemicznego, struktury i waciwoci. Wyrnia si sposoby obrbki cieplno-chemicznej typu klasycznego (np. nawglanie, azotowanie, chromowanie) okrelane mianem niewspomaganych, oraz metody nasycania dyfuzyjnego z udziaem czynnika przyspieszajcego i aktywujcego proces dyfuzyjny, okrelany jako wspomagany. Procesy wspomagane nale do technik nowej generacji, spord ktrych nale tu metody CVD (Chemical Vapour Deposition - chemiczne osadzanie z fazy gazowej) i PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition). Stopowanie laserowe lub elektronowe - proces nasycania, w ktrym wystpuje mieszanie pierwiastka lub pierwiastkw stopowych z przetopionym bd nie przetopionym materiaem podoa oraz czciowo dyfuzja. Stopowanie przeprowadza si za pomoc strumienia laserowego lub wizki elektronw. Zestalanie cieplno-chemiczne -nieodwracalne przejcie polimerw termoutwardzalnych naniesionych na powierzchni metalu, ze stanu ciekego lub plastycznego w stan stay, w wyniku dziaania ciepa i reakcji chemicznych, w celu uzyskania powok malarskich. 1.2.5. Metody elektrochemiczne i chemiczne W metodach elektrochemicznych i chemicznych wykorzystuje si w celu wytworzenia powoki metalowej (osadzanie) lub niemetalowej (osadzanie lub zestalanie) na powierzchni metalu: - redukcj elektrochemiczn (powoki elektrolityczne i konwersyjne), - redukcj chemiczn (powoki chemiczne i konwersyjne), - reakcj chemiczn (powoki malarskie). Osadzanie elektrolityczne (galwaniczne) - pokrywanie metalu stanowicego katod w procesie elektrolizy, jonami metalu zawartymi w elektrolicie i ulegajcymi redukcji i formujcymi powok, podczas przepywu prdu staego przez elektrolit. Osadzanie chemiczne (bezprdowe) - wytwarzanie powok z metalu lub stopu w wyniku redukcji chemicznej w kpielach lub przez natrysk na powierzchnie metali, na ktre trudno

jest naoy powoki elektrolityczne z powodu zoonego ksztatu pokrywanych przedmiotw. Osadzanie konwersyjne - wytwarzanie na powierzchni metalu szczelnej warstwy trudno rozpuszczalnych zwizkw chemicznych utworzonych z metalu podoa i jonw z roztworu reagujcego rodowiska, w ktrym zanurzony jest pokrywany przedmiot lub ktry zosta natryskany. Podczas formowania powoki konwersyjnej warstwa podoa jest utleniona chemicznie lub elektrochemicznie, a powstajce jony metalu uczestnicz w tworzeniu powoki. Zestalanie chemiczne materiaw malarskich - utlenianie si w temperaturze otoczenia lub podwyszonej, przy zetkniciu z tlenem powietrza, albo sieciowanie, bez udziau tlenu, polimerw chemoutwardzalnych w temperaturze otoczenia, wskutek polimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji. 1.2.6. Metody fizyczne Metody fizyczne su do wytwarzania na powierzchniach metali lub niemetali powoki zwizanej z podoem adhezyjnie, a w mniejszym stopniu dyfuzyjnie, bd te su do wytworzenia warstwy wierzchniej, wykorzystujc rne zjawiska fizyczne, przebiegajce pod obnionym cinieniem, czsto z udziaem jonw, jak naparowanie, napylenie, rozpylanie, implantowanie jonw lub pierwiastkw metali i niemetali. Osadzanie z fazy gazowej (metody PVD - Physical Vapour Deposition - fizyczne osadzanie z fazy gazowej) metali lub jonw polega - przy wykorzystaniu grzania oporowego, ukowego, elektronowego laserowego - na doprowadzeniu osadzanego trudno topliwego metalu do stanu pary i osadzeniu go przez naparowanie, napylenie lub rozpylenie na powierzchni zimnego lub nieznacznie podgrzanego podoa samego metalu lub zwizku metalu z gazem (np. azotkw, wglikw, borkw) przy wykorzystaniu zjawisk elektrycznych; procesy wykorzystujce wyadowania jarzeniowe nazywaj si PAPVD (Plasma Assisted PVD - wspomagane plazm fizyczne osadzanie z fazy gazowej). Implantowanie jonw metali i niemetali polega na jonizacji par metalu lub gazu i przyspieszaniu jonw dodatnich za pomoc pl elektrycznych do takich prdkoci, przy ktrych energia kinetyczna jonw wystarcza do wniknicia w metal czy niemetal na gboko kilku lub wicej warstw atomowych (implantacja jonw pierwotnych) lub wybiciu jonw wtrnych z warstwy naoonej na implantowane podoe i wnikniciu tych jonw w implantowane tworzywo (implantacja jonw wtrnych). Implantacja jonw moe zachodzi rwnie w obecnoci innych zjawisk fizycznych, np. rozpylania magnetronowego - proces nazywa si wtedy mieszaniem jonowym. Zaimplantowane jony zmieniaj struktur i skad chemiczny warstwy wierzchniej implantowanego tworzywa, std implantowanie jonw okrelane jest te mianem stopowania jonowego. Wybrane normy aktualne w dniu 30.09.2005 1. PN-87/M-04250 Warstwa wierzchnia. Terminologia 2. PN-EN ISO 3882: 2004 Powoki metalowe i inne nieorganiczne. Przegld metod pomiaru

gruboci 3. PN-EN ISO 1463: 2004(U) Powoki metalowe i tlenkowe. Pomiar gruboci powok.

Metoda mikroskopowa 4. PN-EN ISO 4516: 2004 Powoki metalowe i inne nieorganiczne. Badanie mikrotwardoci

metod Vickersa i Knoopa 5. PN-80/H-04614 Ochrona przed korozj. Okrelanie mikrotwardoci powok metalowych

Tablica 1.1 Podzia metod wytwarzania warstw powierzchniowych pod wzgldem sposobu powstawania warstw, ww- warstwa wierzchnia, p -powoka ochronna

Cieplno-chemiczne

Chemiczne i elektrochemiczne

Cieplno-mechaniczne Mechaniczne Fizyczne Cieplne

czci mm kilkadziesit czci mm kilkadziesit kilka m dziesite czci m kilkadziesit m m kilka mm - kilka mm m kilka mm - kilka mm kilka mm ww, pww, pww ww, p ww, p ww, p

Hartowanie, odpuszczanie, wyarzanie:

Natryskiwanie: Nasycanie dyfuzyjne niewspomagane pierwiastkami:

Osadzanie z fazy gazowej:

Osadzanie bezporednie metalu lub niemetalu:

Nagniatanie: - gazowe - naporowe: - ukowe - naparowanie - nanoszenie powok

malarskich krkowanie

- indukcyjne - plazmowe a) niemetalicznymi - napylanie kulkowanie - pomieniowe Nadtapianie

natryskowe - nawglanie - rozpylanie - nanoszenie powok z

tworzyw sztucznych, gumy

rolkowanie - plazmowe - azotowanie Implantowanie - udarowe: - laserowe Platerowanie: - borowanie i in. jonw

(stopowanie jonowe):

motkowanie - elektronowe - naporowe

(walcowanie na zimno i gorco),

b) metalicznymi Osadzanie elektrolityczne metali bd stopw (galwanizacja): nanoszenie powok jedno i dwuwarstwowych w procesach:

kulowanie Nadtapianie (szkliwienie lub wygadzanie):

- chromowanie - aluminiowanie, - pierwotnych

- laserowe -detonacyjne (wybuchowe)

- tytanowanie i in. - wtrnych - elektronowe Dyfuzyjne

wspomagane jarzeniowe, CVD

- mieszanie jonowe Napawanie: - skurczowe itp.

- ukowe Utwardzanie detonacyjne:

- chromowania - pomieniowe - niklowania - plazmowe -laserowe - cynkowania Natapianie: -elektronowe - cynowania itp. - laserowe Osadzanie konwersyjne: - elektronowe - chromianowanie, - elektroiskrowe - fosforanowanie

2. Powoki elektrolityczne (galwaniczne) 2.1. Zarys procesu tworzenia powoki metod elektrolizy Powoki elektrolityczne nakada si w procesach elektrolizy na podoe przewodzce prd elektryczny. Odpowiednio oczyszczone, odtuszczone i pozbawione warstwy tlenkw wyroby metalowe przeznaczone do nakadania powok zanurzane s w roztworze elektrolitu zawierajcego jony metalu powokowego. W czasie przepywu prdu staego przez elektrolit jony metalu przemieszczaj si w kierunku pokrywanego podoa (katody) i wydzielaj na nim tworzc powok, rys. 2.1. Na katodzie osadzanie metalu zachodzi zgodnie z rwnaniem: Mz+ + z e- M0Jednoczenie anoda, ktra zwykle jest z tego samego metalu, co wytwarzana powoka, rozpuszcza si wedug rwnania: M0 Mz+ + z e-. Powstajce jony metalu zasilaj elektrolit, co pozwala utrzymywa ich okrelone stenie podczas elektrolizy. Przemieszczanie si jonw podczas elektrolizy jest skutkiem nie tylko przepywu prdu, ale take dyfuzji i konwekcji.

Rys. 2.1. Schemat elektrolizera do nakadania powok galwanicznych; A (anoda) metal powokowy, K (katoda) pokrywany przedmiot

Proces elektrolizy mona prowadzi w roztworach elektrolitw zawierajcych proste jony osadzanych metali, jak i w roztworach zawierajcych zwizki kompleksowe (zespolone), przy czym wydzielanie powok z kpieli jonw kompleksowych zachodzi przy znacznie obnionych potencjaach katod. Podczas elektrolizy moliwe jest jednoczesne wydzielanie na katodzie dwch lub wicej metali, ktre tworz powoki stopowe, np. przez jednoczesne osadzanie miedzi i cynku wytwarza si powok mosin. Na elektrodach poza procesami podstawowymi wydzielania i rozpuszczania metalu mog zachodzi niepodane procesy uboczne, na katodzie np. wydzielanie gazowego wodoru, zgodnie z reakcjami: H2O H+ + OH- i z H+ + z e- H2 , a na anodzie tlenu: 2H2O O2 + 4 H+ + 4 e- , co nie tylko powoduje zuycie czci prdu i zmniejszenie wydajnoci procesu, ale inne szkodliwe skutki, jak np. krucho wodorow pokrywanego metalu. W elektrolicie, ktry jest zazwyczaj roztworem wodnym, kady kation metalu otoczony jest okrelon liczb czsteczek (dipoli) wody. W pobliu katody w tzw. warstwie dyfuzyjnej elektrolitu rozmieszczenie czsteczek wody wok kationw ulega deformacji. Przy samej powierzchni metalu istnieje tzw. warstwa podwjna, gdzie jony metalu uwalniaj si od otaczajcych je czsteczek wody, a nastpnie adsorbuj si na katodzie i zobojtniaj swe adunki elektronami pobieranymi z katody. Powstajce atomy metalu dyfunduj po powierzchni

katody do miejsca pozwalajcego na wbudowanie ich do sieci krystalicznej, co schematycznie przedstawiono na rys. 2.2. Miejscem wbudowywania si atomw s obszary, ktre wymagaj najmniejszego wkadu energii tworzenia i rozrostu zarodkw krystalizacji. Nagromadzone zaadsorbowane jony mog utworzy trwae zarodki krystalizacji, po osigniciu okrelonej wielkoci.

Rys. 2.2. Schemat

elektrokrystalizacji; - we wntrzu elektrolitu

uwodniony jon metalu, - w warstwie dyfuzyjnej

deformacja rozmieszczenia czsteczek wody,

- w warstwie podwjnej Helmholtza utrata czsteczek wody przez jon metalu

Proces elektrokrystalizacji przebiega w dwch etapach: - tworzenie zarodkw krystalizacji, - rozrost zarodkw i formowanie powoki. Szybko tworzenia zarodkw i szybko wzrostu krysztaw decyduj o budowie powoki galwanicznej. Podane powoki drobnoziarniste otrzymuje si przy wzgldnie wikszej szybkoci tworzenia zarodkw ni szybkoci wzrostu krysztaw. Wielko krysztaw osadzanego metalu, ich orientacja i ksztat wpywaj na niektre wasnoci powok. Wyrnia si trzy zasadnicze typy struktur elektrolitycznie osadzanych powok metalowych, rys. 2.3: a) struktura zorientowana podoem, tzn. reprodukujca struktur metalu podoa. Tworzy si

ona przy stosowaniu niskich gstoci prdu osadzania metalu i niewielkim udziale substancji inhibitujcych, posiada wprawdzie zwart, ale grubokrystaliczn budow,

b) struktura uwarunkowana polem elektrycznym. Tworzy si przy wyszych gstociach prdu i zwikszeniu roli inhibitorw,

c) struktura anizotropowa. Tworzy si przy bardzo silnym inhibitowaniu procesw osadzania metali. Struktura powoki ma posta dyspersyjn bez uprzywilejowanej orientacji.

Rys. 2.3. Podstawowe typy struktur powok metalowych osadzanych elektrolitycznie; a zorientowana podoem, b uwarunkowana polem elektrycznym, c - anizotropowa

Pomidzy wymienionymi typami struktur istniej rne formy przejciowe, a take inne uzyskane w wyniku specyficznych warunkw elektrolizy.

Zgodnie z prawem Faradaya masa metalu wydzielonego na katodzie m jest proporcjonalna do wielkoci adunku Q przeniesionego przez elektrolit:

m = k Q, przy czym wspczynnik proporcjonalnoci k = M/n . F i Q = I . t , wic

m = k I t gdzie: I natenie prdu, t czas, n liczba adunkw jonu metalu (wartociowo), M- masa atomowa lub czsteczkowa, F staa Faradaya. Jeeli podanej reakcji osadzania metalu na katodzie towarzysz procesy uboczne, np. wydzielanie wodoru, to wystpuj pozorne odstpstwa od prawa Faradaya, poniewa cz adunku zostaje zuyta w reakcji ubocznej, obniajc efekt reakcji podanej. Dlatego w zagadnieniach elektrolizy technicznej stosowane jest pojcie wydajnoci prdowej, jako stosunek iloci substancji wydzielanej do jej iloci obliczonej z prawa Faradaya. Wydzielenie z elektrolitu jonu metalu na elektrodzie (elektrokrystalizacja) wymaga zwikszonego potencjau w stosunku do potencjau standardowego elektrody (tabl. 2.1) o pewn warto, wyraajc wielko pracy niezbdnej dla utworzenia krysztau. Ten wzrost potencjau nazywa si nadnapiciem lub polaryzacj elektrody i wyraa si wzorem: E = E0 + RT ln a , gdzie E potencja wydzielania, E0 - potencja standardowy, R staa gazowa, T temperatura w skali bezwzgldnej. a aktywno jonw metalu. W zalenoci od rodzaju metalu, skadu elektrolitu i warunkw elektrolizy, mierzalny wzrost krysztau wymaga odpowiedniego wzrostu potencjau ponad potencja standardowy elektrody. Stwierdzono, e im wiksza warto polaryzacji, tym mniejsze wymiary zarodka krystalicznego.

Tablica 2.1

Szereg napiciowy metali

Pierwiastek chemiczny

Reakcja elektrodowa Standardowy potencja elektrodowy w temp. 25o C

Lit sd magnez aluminium tytan wanad cynk chrom elazo nikiel cyna ow

wodr mied srebro platyna zoto

Li Li+ + e-Na Na+ + e-

Mg Mg2+ + 2e-Al Al3+ + 3e-Ti Ti2+ + 2e-V V2+ + 2e-

Zn Zn2+ + 2e-Cr Cr3+ + 3e-Fe Fe2+ + 2e-Ni Ni2+ + 2e-Sn Sn2+ + 2e-Pb Pb2++ 2e-

H2 2H+ + 2e-

Cu Cu2+ + 2e-Ag Ag+ + e-Pt Pt2+ + 2e-

Au Au3+ + 3e-

-3,045 -2,714 -2,363 -1,667 -1,662 -1,18 -0,763 -0,744 -0,440 -0,250 -0,136 -0,126

0 +0,337 +0,987 + 1,20 +1,498

2.2. Rodzaje powok i stawiane im wymagania Metod galwaniczn mona osadza wikszo metali zarwno elektrododatnich, np. Au, Ag, Cu, jak i elektroujemnych, jak Zn, Sn, Ni, Cd, Fe w stanie czystym lub w postaci stopw galwanicznych, np. Cu-Zn. W zalenoci od przeznaczenia wyrnia si powoki: - ochronne, zabezpieczajce metal przed korozj, np. Zn na stali, - dekoracyjne lub ochronno-dekoracyjne, poprawiajce wygld przedmiotu, bd jednoczenie

chronice przed korozj, np. Ni na stali, czy wielowarstwowe Cu-Ni-Cr na stali, - techniczne, wytwarzane w celu nadania powierzchni metalu okrelonych wasnoci

fizycznych lub technologicznych; zwikszonej odpornoci na cieranie, zmniejszonego wspczynnika tarcia, podwyszonego przewodnictwa elektrycznego, poprawy zdolnoci czenia przez lutowanie, zwikszenie stopnia odbicia i poysku powierzchni, bd zmiany wymiarw pokrywanych czci, regeneracji zuytych czci, zabezpieczenia okrelonych powierzchni w czasie wykonywania procesw obrbki powierzchniowej.

Mechanizm dziaania ochronnego powok galwanicznych jest zwizany z rodzajem metalu podoa i powoki. Wyrnia si powoki anodowe i katodowe. Powoki anodowe w okrelonych rodowiskach korozyjnych maj niszy potencja elektrochemiczny od potencjau chronionego podoa. W przypadku uszkodzenia powoki lub wystpowania w niej porw niszczeniu ulega powoka, tak jak np. Zn lub Cd na stali, rys. 1.3a z rozdz. 1. Powoki katodowe w okrelonych rodowiskach korozyjnych wykazuj wyszy potencja elektrochemiczny (bardziej dodatni) od potencjau chronionego podoa. Pknicia, odpryski, pory, odsonicie podoa wzbudza ogniwo galwaniczne, w ktrym anod jest podoe, ulegajce korozji pod powok. Powoki katodowe chroni wic podoe wycznie przez mechaniczne odizolowanie od rodowiska korozyjnego. Efektywno dziaania powok katodowych zwiksza si ze wzrostem ich gruboci. Do waniejszych wymaga stawianych powokom galwanicznym nale: - dobra przyczepno (adhezja) powoki do podoa, - szczelno, czyli jak najmniejsza porowato, co ma szczeglne znaczenie dla powok

katodowych, - drobnokrystaliczna struktura, - odpowiednia, minimalna grubo dla danych warunkw uytkowania, - wygld zewntrzny; barwa, gadko. 2.3. Czynniki wpywajce na budow powoki galwanicznej Gwnymi czynnikami wpywajcymi na wygld powoki s: gsto prdu katodowego, stenie i intensywno mieszania elektrolitu, temperatura, obecno substancji powierzchniowo czynnych, rodzaj elektrolitu, wasnoci metalu, na ktrym osadza si powok. Gsto prdu. Jest to stosunek natenia prdu, do cakowitej powierzchni katody A/dm2. Przy maych gstociach prdu wyadowanie jonw na katodzie nastpuje powoli i szybko wzrostu powstaych ju zarodkw przekracza szybko powstawania nowych zarodkw. Warunki te sprzyjaj powstawaniu powok grubokrystalicznych. W miar wzrostu gstoci prdu zwiksza si rwnie szybko powstawania zarodkw i powoka staje si dziki temu bardziej drobnoziarnista. Przy bardzo duych gstociach prdu stenie rozadowujcych si jonw w pobliu katody bardzo maleje, wskutek czego krysztay wykazuj tendencj wzrostu w kierunku warstw roztworu o wikszym steniu osadzanych jonw. Na powoce powstaj w takim przypadku narosty (dendryty). Przy zwikszaniu gstoci prdu moe doj do wydzielania wodoru, wskutek czego powoki mog by porowate i gbczaste.

Stenie elektrolitu. Elektrolity stosowane do galwanicznej obrbki powierzchni, czyli kpiele galwaniczne mog by roztworami prostych soli wydzielanych metali, bd roztworami ich zwizkw kompleksowych*. Zwikszajc stenie jonw powokotwrczych albo mieszajc elektrolit mona stosowa wiksze gstoci prdu bez obawy tworzenia struktury grubokrystalicznej lub wydzielania wodoru. Wpyw stenia elektrolitu na szybko powstawania zarodkw nie zosta ostatecznie wyjaniony. Z kpieli o duym steniu elektrolitu otrzymuje si wprawdzie powoki bardziej zwarte i dobrze przyczepne stwierdzono jednak, e szybko powstawania zarodkw maleje ze wzrostem stenia, a polepszenie wasnoci powok zwizane jest ze zwikszeniem szybkoci wzrostu krysztaw wzdu powierzchni katody i ze spadkiem szybkoci ich wzrostu w kierunku prostopadym do tej powierzchni. Wzrost stenia elektrolitu powoduje rwnie wzrost przewodnictwa kpieli, a wic zmniejszenie spadku napicia. Temperatura. Wzrost temperatury ma dwojaki wpyw. Z jednej strony sprzyja dyfuzji, co zapobiega w pewnym stopniu powstawaniu struktury gruboziarnistej lub powok gbczastych przy duych gstociach prdu, z drugiej za strony zwiksza szybko wzrostu krysztaw, co sprzyja tworzeniu powok gruboziarnistych. Ponadto wzrost temperatury m.in. uatwia niepodane wydzielanie wodoru gazowego na katodzie. W temperaturach niezbyt wysokich jako powok jest lepsza ni wytworzonych w wyszych temperaturach Mieszanie kpieli wpywa na obnienie gruboci warstwy dyfuzyjnej, a wic umoliwia podwyszenie gstoci prdu i w rezultacie wzrost szybkoci osadzania metalu. Substancje powierzchniowo czynne. Dodatek do elektrolitu bardzo maych iloci substancji powierzchniowo czynnych lub koloidalnych powoduje powstawanie powok drobno--krystalicznych, bez ich udziau powoka osadzana w tych samych warunkach miaaby budow grubokrystaliczn. Elektrolit. Rodzaj elektrolitu wywiera istotny wpyw na budow powoki drobno lub grubokrystaliczn. By moe, zachodzi to wskutek moliwoci powstawania substancji koloidalnych, ktre sprzyjaj tworzeniu powok drobnoziarnistych Jako powok galwanicznych jest cile zwizana z wasnociami kpieli galwanicznych: wgbnoci, zdolnoci krycia i mikrowygadzania. Wgbno kpieli to tendencja do osadzania powoki o jednakowej gruboci na caej powierzchni pokrywanego wyrobu. Wgbno kpieli mona poprawi zwikszajc jej przewodno np. przez podwyszenie stenia soli przewodzcych i podwyszenie temperatury. Podwyszenie temperatury moe jednak obniy polaryzacj, w wyniku czego czynnik ten moe ostatecznie pozosta bez wpywu. Zdolno krycia kpieli jest definiowana jako minimalna gsto prdu, przy ktrej rozpoczyna si osadzanie powoki galwanicznej. Mikrowygadzanie jest bardzo wan wasnoci nowoczesnych kpieli galwanicznych do osadzania powok byszczcych. Umoliwia uzyskiwanie powok o gadkoci wyszej ni gadko pokrywanego podoa. 2.4. Procesy nakadania wybranych powok galwanicznych Technologia nakadania powok galwanicznych obejmuje: - przygotowanie powierzchni podoa, - elektrolityczne nakadanie powoki, - obrbk wykaczajc. Powoki galwaniczne wymagaj bardzo starannego przygotowania powierzchni metalu podoa do elektrolizy, tj.: oczyszczenia mechanicznego, odtuszczenia, trawienia oraz dotrawiania, przeprowadzonego bezporednio przed naoeniem powoki w celu usunicia warstwy tlenkw. Pomidzy kolejnymi operacjami przygotowania przedmiotu naley stosowa pukanie, aby unikn przenoszenia skadnikw poszczeglnych kpieli.

Przedmioty do pokrywania galwanicznego powinny by cakowicie wykoczone pod wzgldem obrbki mechanicznej, posiada odpowiednie wymiary i wymagany stopie gadkoci powierzchni i krawdzi. 2.4.1. Powoki cynkowe Rozpowszechnienie powok cynkowych wynika z dostpnoci, niskiej ceny, dobrych wasnoci ochronnych i dekoracyjnych tego metalu. Cynk jako metal bardziej elektroujemny ni elazo, tworzy na stali i eliwie powoki anodowe. W wilgotnym powietrzu powstajce na powierzchni produkty korozji tworz do szczeln warstw izolujc podoe od rodowiska. Jako dodatkowe zabezpieczenie antykorozyjne powok cynkowych stosuje si wytwarzanie na nich warstewek chromianowych lub fosforanowych, a ostatnio zalecanych chromitowych. Do cynkowania stosuje si kilka typw kpieli galwanicznych, zalenie od wymaganych wasnoci i zastosowania powoki. S to kpiele kwane, sabokwane oraz alkaliczne cyjankowe i bezcyjankowe. Cynkowanie nowej generacji jest oparte na elektrolitach alkalicznych bezcyjankowych. Szerokie zastosowanie znalazy kpiele kwane do cigego pokrywania tam, blach, drutw i rur stalowych. Przykadowy skad kpieli i warunki procesu:

ZnSO4 7H2O 500g/l, Na2 SO4 10H2O 50g/l, Al.2(SO4)3 18H2O 30g/l, przy pH 3,8 4,4, gstoci prdu 3-10 A/dm2 i temperaturze 18 25oC, z anod w

postaci metalicznego cynku. W procesie cynkowania cigego osadzona powoka o gruboci 312 m stanowi zabezpieczenie przed korozj, a warto ochronna jest proporcjonalna do gruboci. Istotn zalet galwanicznych powok cynkowych jest ich dobra przyczepno do podoa, a jednoczenie wiksza plastyczno ni otrzymywanych innymi metodami. Szczeglnie due iloci cynku zuywa si w przemyle maszynowym i samochodowym do pokrywania tam, blach, drutw stalowych i drobnych elementw. Cynkowane s te elementy wyposaenia samochodw, rowerw, urzdze domowych, sprztu elektrycznego. Blachy cynkowane galwanicznie uywane s do wytwarzania wytoczek nadwozi samochodowych i zbiornikw paliwa. Przemys samochodowy stosuje gwnie blachy cynkowane jednostronnie, bowiem powlekane dwustronnie sprawiaj trudnoci przy zgrzewaniu. Blachy powlekane jednostronnie s dobrze zgrzewalne i jednoczenie malowanie ich nie pokrytej powierzchni, pozwala uzyska lepszy efekt. W przemyle samochodowym jednake, zgodnie z wytycznymi U.E., bd dozwolone pokrycia ochronne nie zawierajce chromu szeciowartociowego (chromiany), ktry jest toksyczny i rakotwrczy. Poszukuje si nowych zabezpiecze, a jedn z propozycji jest pasywowanie powok cynkowych lub cynkowo-elazowych solami chromu trj-wartociowego tworzcymi warstwy chromitowe. Dodatkowo s one odporne na oddziaywanie temperatur do 200oC i mog by utrwalane przez zabezpieczenia organiczne, bd nieorganiczne. Powierzchnie gwintowane pokrywa si powokami cynkowymi o gruboci uwzgldniajcej prac zczy. Poniewa cynk jest bardziej plastyczny ni stal, przenoszenie napre statycznych i dynamicznych przez powierzchnie ocynkowanych gwintw jest ograniczona wsppracujcymi powierzchniami zcza gwintowanego odpowiadajcymi metalowi podoa stalowego. Std gruboci powoki cynku na zczach jest kompromisem midzy wymogami ochrony antykorozyjnej i wymogami przenoszenia napre. Zwykle na czciach gwintowanych o skoku gwintu do 0,8 mm nakada si powoki cynku gruboci 3-6 m, gdy skok gwintu przekracza 0,8 mm, powoka cynku posiada grubo 9-12 m. Wyroby gwintowane cynkowane nie wymagaj ponownego przegwintowania i nale do najskuteczniejszych zabezpiecze zczy gwintowanych, a take wkrtw przed korozj.

Wiksz odporno korozyjn galwanicznych powok cynkowych mona uzyska przez wprowadzenie do kpieli galwanicznej np. soli chromu i kobaltu, ktre wbudowuj metaliczny kobalt i tlenek chromu do powoki, podczas jej osadzania. Ponadto zwikszenie odpornoci blach cynkowanych mona uzyska przez nakadanie powok stopowych cynk-nikiel (13% Ni),czy cynk-elazo (10 20% Fe). 2.4.2. Powoki chromowe Chrom jest metalem powszechnie stosowanym w galwanotechnice do pokry dekoracyjno-ochronnych z uwagi na nadawanie powierzchniom atrakcyjnego wygldu trwaego lustrzanego poysku w warunkach atmosferycznych i znacznej odpornoci korozyjnej, wynikajcej z wasnoci pasywnych chromu. Jednoczenie bardzo wysoka twardo warstw chromu otrzymanego w odpowiednich warunkach (wiksza od twardoci zahartowanych stali) jest wykorzystywana do pokry technicznych. Powoki ochronno-dekoracyjne s cienkie, poniej 1 m, osadzane na podwarstwie miedzi i niklu lub niklu. Powoki techniczne nakada si bezporednio na podoe stalowe lub inne, a ich grubo wynosi 5 200 m, niekiedy do 1 mm. Podstawowym skadnikiem kpieli do chromowania jest bezwodnik kwasu chromowego, CrO3, ktrego roztwory wodne z dodatkiem ok. 1% kwasu siarkowego s najczciej stosowane przy temperaturze od 40 60C i katodowej gstoci prdu 35 50 A/dm2. Przy chromowaniu stosuje si anody nierozpuszczalne, zazwyczaj ze stopu oowiu z antymonem lub cyn. Anody chromowe s nieprzydatne, poniewa wydajno ich rozpuszczania jest wielokrotnie wysza ni wydajno procesu osadzania chromu na katodzie, co powodowaoby szybki, nadmierny wzrost stenia jonw chromu w elektrolicie. Wydzielony elektrolitycznie chrom posiada wyjtkowo drobnokrystaliczn budow. Powoki ochronno-dekoracyjne stosuje si do przedmiotw codziennego uytku, elementw aparatury, akcesoriw samochodowych. Powoki techniczne o gruboci wikszej ni 25 m, z uwagi na wysok twardo, ok.1000 HV, okrela si te jako chrom twardy, s one jednak kruche. Zalet ich jest obnienie wspczynnika tarcia wzgldem stali, wysoka odporno na zuycie, dobra przewodno cieplna i trwao w wysokich temperaturach. Taki zesp waciwoci pozwala na zastosowanie chromu wszdzie tam, gdzie wymagana jest odporno na cieranie, erozj i korozj wysokotemperaturow. Rozpowszechnione jest chromowanie cylindrw silnikw spalinowych, piercieni tokowych, toczysk podnonikw hydraulicznych. Doskonae wyniki daje chromowanie matryc i tocznikw, zwaszcza do wykonywania przedmiotw z tworzyw sztucznych, gumy i skry. Dua gadko i may wspczynnik tarcia tych narzdzi zapewnia doskonay wygld wytwarzanych produktw. Chromowaniu poddaje si narzdzia skrawajce, wykorzystujc ma adhezj obrabianych materiaw, chromuje si przyrzdy pomiarowe i sprawdziany, oyska dla lotnictwa. Przedmioty podlegajce cieraniu i pracujce w warunkach niedostatecznego smarowania, jak cylindry silnikw spalinowych, piercienie tokowe, sworznie zaworw poddaje si chromowaniu porowatemu. Na powierzchni powoki chromowej wystpuj pory, w ktrych zbiera si smar uatwiajcy polizg wsppracujcych czci. Wytworzenie warstwy chromu porowatego polega na dodatkowej obrbce anodowej przedmiotw chromowanych. Chrom rozpuszcza si w porach i szczelinach, ktre zwykle wystpuj w warstwach chromowanych poszerza i pogbia te pory. Jednym z wanych zastosowa jest regeneracyjne uzupenianie ubytkw powierzchni eksploatowanych waw, a take powlekanie wszelkiego rodzaju nowych waw. Przykady zastosowania chromowych powok galwanicznych w motoryzacji przedstawiono w tabl. 2.2.

2.4.3. Powoki niklowe Galwaniczne powoki niklowe nale do najszerzej stosowanych. Atrakcyjny wygld powok, dua odporno korozyjna, korzystne wasnoci mechaniczne pozwalaj na zastosowanie powok w celach dekoracyjno-ochronnych oraz technicznych. Nikiel osadzony bezporednio na stali ma charakter powoki katodowej, a wic chroni podoe tylko mechanicznie. Odporno niklu na dziaanie wielu rodowisk korozyjnych wynika z jego wasnoci pasywnych. Do niklowania stosuje si wiele kpieli. Najszersze zastosowanie przemysowe znalazy kpiele typu Wattsa, oparte na trzech podstawowych skadnikach: siarczanie niklawym, chlorku niklawym i kwasie borowym. Przykadowe proporcje skadnikw: 200 300 g/l, 20 60 g/l i 35 45 g/l, przy parametrach pracy: gsto prdu 1 4 A/dm2, temperatura 40 55C i zastosowaniu anody niklowej. Grubo ochronnych powok niklowych osadzanych na stali wynosi 5 40 m, a powok technicznych przekracza 50 m, sigajc nawet 500 m. Powoki niklowe s podstaw wielowarstwowych powok dekoracyjno-ochronnych cznie z chromem i miedzi. Su do pokrywania akcesoriw samochodowych, armatury, rys. 2.4. Dziki korzystnym wasnociom mechanicznym niklowanie stosuje si do regeneracji zuytych czci maszyn, galwanoplastycznego wytrawiania form wtryskowych. W przemyle chemicznym grubymi powokami niklowymi pokrywa si aparatur chemiczn naraon na dziaanie silnych zasad.

Rys. 2.4. Mikrostruktura mosidzu pokrytego ochronno-dekoracyjn powok niklu; jasna

rwnomierna warstwa powoki nie wytrawiona na podou mosidzu

dwufazowego ( + ). Traw. FeCl3

2.4.4. Powoki elazne Elektrolityczne powoki elazne s powokami technicznymi nakadanymi w celach regeneracyjnych lub w celu wykorzystania ich zdolnoci pochaniania i utrzymywania rodkw smarujcych wikszych ni posiada np. chrom. T cech powok elaznych wykorzystano m.in. do pokrywania aluminiowych tokw silnikw spalinowych. Elektrolityczne elazowanie znalazo zastosowanie do celw specjalnych w galwanoplastyce, przy regeneracji czci stalowych, do pokrywania miedzianych grotw lutowia, aby zapobiec wzajemnej dyfuzji lutowia i miedzi. Regeneracyjne powoki elaza (rys.2.5) powinny pracowa w rodowisku, ktre zwiksza ich ma odporno korozyjn, np. w olejach i smarach. Przykadem najczciej stosowanej kpieli do elazowania jest nastpujcy zestaw:

FeCl3 . 2H2O - 300 450 g, CaCl2 150 190 g, o temperaturze co najmniej 88C, przy gstoci prdu

do 20 A/dm2 i stosowaniu anod z czystego elaza Armco.

Rys. 2.5. Regeneracyjna trzywarstwowa powoka elazna na stali konstrukcyjnej.

Traw. nital

2.4.5. Powoki stopowe Elektrolityczne powoki stopowe posiadaj bardzo specyficzne wasnoci i s stosowane przy szczeglnych wymaganiach, ktrych nie mog spenia pojedyncze metale, jak np. dua twardo i aroodporno lub specyficzne wasnoci przeciwcierne czy may opr przejcia, bd dua odporno na cieranie. Stopy galwaniczne s zazwyczaj podobne do metalurgicznych, przede wszystkim w zakresie budowy fazowej, wasnoci. Powoki mosine i brzowe. Najczciej stosowane s mosidze o zawartoci powyej 65% Cu, co oznacza, e s to powoki jednofazowe bardziej odporne na korozj ni dwufazowe. Powoki mosine s powokami katodowymi, stosowanymi jako ochronne, dekoracyjne i techniczne. Pokrywa si nimi wntrza zbiornikw stalowych, wanien przed wyoeniem ich gum, co przyczynia si do wytworzenia trwaego mechanicznego poczenia wykadziny gumowej z podoem. W grnictwie stosuje si mosidzowanie elementw obudw cianowych, elementy hydrauliki siowej, zabezpieczajce przed agresywnoci korozyjn rodowiska kopalnianego. Powoki brzowe, najczciej jednofazowe stosuje si w celach technicznych i dekoracyjnych. Znajduj zastosowanie w produkcji oysk lizgowych, jako ochrona przy azotowaniu, jako warstwa porednia przy osadzaniu innych metali, np.: Ni, Cr, Au. Powoki wolfram-kobalt i wolfram-nikiel charakteryzuj si du twardoci, ktra nie obnia si do temperatury okoo 600C (twardo na gorco). Stosuje si do pokrywania stykw w przekanikach i przecznikach na do due moce. Powoki niklowo-elazowe stosowane s w przemyle elektronicznym na pokrycia magnetyczne. Byszczce powoki stosuje si do pokrywania sprztu sportowego, oku meblowych, narzdzi, armatury azienkowej, czsto z dodatkowym zabezpieczeniem powok chromow. 2.4.6. Powoki kompozytowe Do regeneracji stalowych czci maszyn stosuje si elektrochemiczne powoki kompozytowe, ktre s konkurencyjne w porwnaniu do klasycznych powok regeneracyjnych chromowych, elaznych lub niklowych. Elektrochemiczne powoki kompozytowe otrzymuje si z elektrolitw stosowanych do wydzielania metali, w ktrych rozproszono czstki proszkw niemetalicznych: tlenkw, azotkw, wglikw, siarczkw bd tworzyw sztucznych. Podczas elektrolitycznego osadzania metalu czstki proszku wbudowuj si w warstw osadzanego na katodzie metalu. Obecno zawieszonych czstek w roztworze pozwala na stosowanie wikszych gstoci prdu, przez co szybsze jest osadzanie powok o danej gruboci. Wynika to z faktu, e proszek oczyszcza powierzchni katody i miesza warstw elektrolitu przy katodzie, co powoduje zmniejszenie jego oporu elektrycznego.

W celu zwikszenia odpornoci na cieranie stosuje si powoki kompozytowe z wtrceniami twardych czstek tlenkw i wglikw Ni-Al2O3, Ni-SiC, Fe-Al2O3, lub mikkich, samosmarujcych czstek siarczkw, tworzyw sztucznych (np. fluoropolimerw) - Ni-MoS2, Fe-MoS2, Ni-PTFE. Powoki te maj unikalne walory techniczne, cz w sobie wasnoci samosmarne i antyprzyczepne.

Tabl. 2.2 Przykady powok elektrolitycznych i ich gruboci na wyrobach przemysu motoryzacyjnego

wg PN-83//H-97006 i BN-83/3602-01 Oznaczenia: Nib powoka niklowa byszczca, Nid- podwjna lub potrjna powoka niklowa, Cr r - powoka zwyka o minimalnej gruboci 0,3 m, Cr mc powoka Cr mikrospkana o min gruboci 0,3 m,

Cr mp powoka Cr mikrospkana o min. gruboci 0,3 m.

Warunki uytkowania Rodzaj powoki Lekkie Umiarkowane Cikie Wyjtkowo

cikie Podoe: Stal nierdzewna

1-warstwowa chromowa

- Listwy, czci wewntrz pojazdu Cr r

Listwy, czci na zewntrz pojazdu Cr r

-

Podoe: Stal niestopowa 2-warstwowa Ni-Cr

Drobne czci i zcza ozdobne wewntrz pojazdu cznie z gwintem Ni10b Cr r

Listwy ozdobne, czci wewntrz pojazdu Ni20b Cr r

Czci dekoracyjne na zewntrz pojazdu Ni40b Cr r Ni30b Cr mc Ni30b Cr mp Ni30d Cr r Ni25d Cr mc Ni25d Cr mp

Czci i listwy dekoracyjne na zewntrz pojazdu Ni40b Cr mc Ni40b Cr mp Ni40b Cr r Ni30d Cr mc Ni30d Cr mp

3-warstwowa Cu-Ni-Cr

Drobne czci i zcza z gwintem wewn. pojazdu Cu10 Ni5b Cr r

Drobne dekoracyjne czci, zcza bez gwintu stosowane na zewntrz pojazdu Spryny amortyzatorw Cu20 Ni10bCr r

Kraty ozdobne wlotu powietrza, spryny amortyzatorw Cu20Ni20bCr mc lub Cr mp Cu15 Ni25d Crr Cu15 Ni20d Cr mc lub Cr mp

Kopaki k, nakadki zderzaka, zderzaki Cu20 Ni25b Cr mc lub mp Cu20 Ni30d Cr r Cu20 Ni25d Cr mc lub mp Cu20 Ni25d Cr mc lub mp

Cynkowa chromianowana

Drobne czci silnika i wntrza pojazdu, czci z gwintem Cu10Ni5b Cr r

Czci silnika, podwozia (prty, blachy, rury) czci pompy wodnej i pompy wtryskowej, czci zczne z gwintem Cu20Ni5b Cr r

Czci podwozia samochodw szczeglnie naraonych na dziaanie korozji (bez czci gwintowanych) spryny

-

Kadmowa chromianowana

Czci silnika i czci z gwintem, spryny w elektrotechnice samochodowej

- - -

Wybrane normy aktualne na dzie 30.09.2005r. 1. PN-EN 12329:2002 Ochrona metali przed korozj. Elektrolityczne powoki cynkowe z

dodatkow obrbk na elazie lub stali. 2. PN-EN 12330:2002 Ochrona metali przed korozj. Elektrolityczne powoki kadmowe na

elazie lub stali. 3. PN-EN 12540:2002 Ochrona metali przed korozj. Elektrolityczne powoki niklowe, nikiel-

chrom, mied-nikiel-chrom 4. PN-EN ISO 4526:2004 Powoki metaliczne. Elektrolityczne powoki niklowe do zastosowa

technicznych. 5. PN-EN ISO 6158:2004 Powoki metaliczne. Elektrolityczne powoki chromowe do

zastosowa technicznych. 6. PN-EN 10152: 1997 Stal niskowglowa. Wyroby paskie walcowane na zimno, ocynkowane

elektrolitycznie. Techniczne warunki dostawy. 7. PN-97/W-24001 Elektrolityczne powoki metalowe w okrtownictwie. 8. PN-79/H-04613 Ochrona metali przed korozj. Powoki chromowe mikroporowate Cr mp

Okrelenie mikroporowatoci.

3. Powoki zanurzeniowe (ogniowe) Powoki metalowe nakadane metod zanurzeniow s skutecznym, dugotrwaym i ekonomicznym zabezpieczeniem, gwnie stopw elaza przed korozj elektrochemiczn, a w wypadku niektrych rodzajw powok take przed korozj chemiczn. Nanoszenie powok polega na zanurzaniu pokrywanego metalu w kpieli z roztopionego metalu powokowego, dlatego nakadany metal musi mie stosunkowo nisk temperatur topnienia, a metal pokrywany nie moe traci swych waciwoci fizycznych w tej temperaturze. Warunki te speniaj: cyna (tt = 232C), ow (tt = 372C), cynk (tt = 419C) i aluminium (tt = 660C), nakadane na stal, eliwo lub mied. Zalenie od rodzaju nakadanego metalu wyrnia si: cynowanie, oowiowanie, cynkowanie i aluminiowanie. Najbardziej rozpowszechnion technologi metalizacji zanurzeniowej jest cynkowanie. Nowsze technologie wykorzystuj roztopione wieloskadnikowe stopy metali w procesie cynkowania bd aluminiowania, co daje znacznie wiksz trwao korozyjn powok. Proces pokrywania zanurzeniowego przedmiotu pokrywanego skada si z kilku operacji:

- obrbki wstpnej, - topnikowania, - nakadania powoki, - obrbki kocowej.

Niektre technologie cynkowania i aluminiowania zanurzeniowego mog by take beztopnikowe. Obrbka wstpna obejmuje usuwanie zanieczyszcze, odtuszczanie, trawienie i pukanie pokrywanych przedmiotw. Zgrubnie oczyszczone wyroby wkada si do alkalicznej kpieli odtuszczajcej, nastpnie do kpieli trawicej (rozcieczony kwas mineralny rozpuszcza rdz i zgorzelin a do uzyskania czystej metalicznej powierzchni) i pucze strumieniem wody. Pwyroby - tamy, drutu i blachy poddaje si obrbce wstpnej sposobem cigym, przecigajc je z okrelon prdkoci przez wanny z odpowiednimi kpielami. Obrbka wstpna odleww eliwnych polega na piaskowaniu i oczyszczaniu z resztek piasku w strumieniu spronego powietrza. Topnikowanie polega na zanurzeniu pokrywanych przedmiotw w roztworze odpowiednich zwizkw chemicznych lub ich mieszanin. Topnik oczyszcza powierzchni pokrywanego metalu z pozostaoci tlenkw, zapobiega jej utlenieniu przed wprowadzeniem do stopionej kpieli. Topniki uatwiaj zwilenie pokrywanych powierzchni przez cieky metal oraz wspomagaj reakcj midzy powierzchni stali a roztopionym nakadanym metalem. Pokrywane przedmioty mog by topnikowane metod such lub mokr. W metodzie suchej przygotowany wyrb zanurza si w wodnym roztworze topnika, nastpnie wyjmuje i suszy. W metodzie mokrej oczyszczony i wypukany mokry przedmiot wprowadza si do kpieli metalowej przez warstw spienionego topnika pokrywajcego powierzchni tej kpieli. Funkcj topnika i obrbki wstpnej moe spenia wyarzanie w atmosferze utleniajcej a nastpnie redukujcej. Innym sposobem zastpienia topnikowania przedmiotw stalowych jest oczyszczenie powierzchni przez rutowanie i nastpnie zanurzenie w gorcej wodnej emulsji olejowej. Takie metody nazywa si beztopnikowymi, a ich wan zalet jest wyeliminowanie toksycznych oparw tworzcych si w trakcie zanurzania wyrobu w roztopionym metalu. Nakadanie powoki metalowej uzyskuje si przez zanurzenie lub przeciganie pwyrobw przez stopiony metal. Warunkiem uformowania cigej powoki zanurzeniowej jest dobra zwilalno pokrywanego metalu, zalena zarwno od jego waciwoci jak i metalu nakadanego oraz od stanu powlekanej powierzchni. W wyniku zwilania na powierzchni ciaa staego powstaje cienka warstwa adsorpcyjna cieczy. Jeeli rednica atomu ciekego metalu jest zbliona do rednicy atomu metalu podoa to tworzy si warstwa faz midzymetalicznych w wyniku dyfuzji reaktywnej, std nazywa si t warstw - dyfuzyjn. W odniesieniu do pokrywanych stopw elaza warunek ten speniaj: Sn, Zn i Al. Roztopiony ow nie zwila elaza ani nie tworzy z nim faz midzymetalicznych, a pokrywanie zanurzeniowe staje si moliwe dziki wprowadzeniu do stopionej kpieli np. cyny. Wytworzenie warstwy dyfuzyjnej jest warunkiem dobrej i trwaej

przyczepnoci powoki do podoa. Fazy midzymetaliczne s jednake twarde i kruche, mog by wic przyczyn uszczenia si powoki, jeeli warstwa dyfuzyjna jest zbyt gruba. Grubo tej warstwy reguluje si przez czas zanurzenia w kpieli. Na warstwie dyfuzyjnej krystalizuje po wyjciu przedmiotu warstwa zewntrzna o skadzie kpieli. Grubo tej warstwy reguluje si przez zgarnianie nadmiaru ciekego metalu albo zdmuchiwanie strumieniem gazu, tu powyej miejsca wynurzania wyrobu z kpieli. Obrbka kocowa sprowadza si do wyrwnania gruboci nakadanej powoki, wygadzenia jej oraz poprawy waciwoci i wygldu. Popraw waciwoci niektrych powok uzyskuje si drog obrbki cieplnej.

Pokrywanie ogniowe drutw, tam, blach i rur o maych wymiarach przeprowadza si metod cig, a pokrywanie drobnych przedmiotw, jak: sworznie, wkrty, drobne elementy konstrukcji przeprowadza si metod jednostkow, przez zanurzanie ich partiami.

W celu naoenia dobrej jakoci powoki zanurzeniowej na stalach i eliwach naley uwzgldni skad chemiczny i mikrostruktur pokrywanych elementw. Np. w wypadku stali przeznaczonych do cynkowania bierze si pod uwag zawarto krzemu i fosforu, ktrych okrelony sumaryczny udzia pozwala na kontrol struktury i gruboci powoki. 3.1. Powoki cynowe

Cynowanie zanurzeniowe ma na celu wytwarzanie powok ochronnych na elementach urzdze stosowanych w produkcji, transporcie i przechowywaniu ywnoci, powok uatwiajcych lutowanie w przemyle elektrotechnicznym i elektronicznym oraz warstw wstpnych uatwiajcych zwizanie takich powok metalowych, ktre nie zwilaj czy nie tworz faz midzymetalicznych z metalem podoa, jak np. w wypadku cynowania panewek oysk lizgowych przed wylaniem stopu oyskowego. Cynowaniu poddaje si stale, eliwa, mied i jej stopy. Powoki cynowe s gadkie i byszczce, wyrniaj si dobr lutownoci. Dziaanie ochronne powok cynowych okrelane jest wasnociami cyny i rodzajem metali podoa. Cyna posiada dobr odporno na dziaanie rodowisk umiarkowanie agresywnych, w tym na dugotrwae oddziaywanie mleka i jego przetworw. Jest metalem nietoksycznym, nie powoduje niepodanych przemian produktw ywnociowych. Cyna jest metalem bardziej szlachetnym ni elazo, stanowi powok katodow, w wypadku nieszczelnoci powoki korozji werowej ulega wic podoe. Odwrotnie jest w wypadku powoki cynowej na miedzi, cyna bdc metalem mniej szlachetnym stanowi powok anodow. Grubo powok nakadanych metod zanurzeniow wynosi najczciej od 5 do 40 m i zaley w istotny sposb od stosowanej metody cynowania. Cynowanie przedmiotw stalowych Przygotowanie przedmiotw stalowych do cynowania polega na usuniciu rdzy, zgorzeliny i zanieczyszcze, a nastpnie odtuszczeniu i trawieniu w roztworach kwasw nieorganicznych. Pokrywanie topnikiem mona przeprowadzi metod mokr lub such, albo naoy topnik w postaci pasty lub proszku i rozprowadzi go palnikiem. Podstawowym skadnikiem topnika jest chlorek cynku. W metodzie suchej stosuje si 50% wodny roztwr ZnCl2 z kilkoma procentami NH4Cl i HCl, w metodzie mokrej natomiast roztopion mieszanin soli, zawierajc 75% ZnCl2 i 25% NaCl o temperaturze okoo 260C. Na szerok skal wykonuje si cynowanie cige blach stalowych. Pokryta topnikiem blacha jest wprowadzana do stopionej cyny, przesuwana za pomoc systemu rolek i prowadnic, wyprowadzana z kpieli przez warstw oleju palmowego lub stopionego oju, rys.3.1. Warstewka oleju powstajca na powoce cynowej zabezpiecza podczas stygnicia gorc powok przed utlenieniem. Temperatura cyny w miejscu wprowadzania blachy powinna wynosi okoo 300C, natomiast przy wyjciu z kpieli okoo 240C. W zalenoci od rodzaju cynowanego elementu i wymaganego wykoczenia powierzchni mona cynowa z pojedynczym lub podwjnym zanurzeniem przedmiotu w odrbnych kpielach. Przy

podwjnym zanurzaniu pierwsza kpiel pokryta jest warstw topnika, a druga o niszej temperaturze 230 270C pokryta jest warstw oleju. W ten sposb otrzymuje si grube powoki o duej gadkoci powierzchni, w odrnieniu od gorszej jakoci powok otrzymywanych przy jednorazowym zanurzaniu. Powoki cynowe nakada si gwnie na blachy cienkie ze stali zwykej jakoci o zawartoci wgla nie przekraczajcej 0,2%. Powoka cynowa na stali skada si z dwch warstw: zewntrznej, ktra zgodnie z ukadem rwnowagi Fe-Sn jest czyst cyn (a praktycznie - roztworem staym elaza w cynie) oraz wewntrznej, cienkiej bezporednio przylegajcej do podoa, skadajcej si z faz midzymetalicznych FeSn i FeSn2, rys. 3.2.

Rys. 3.1. Schemat cynowania zanurzeniowego; 1 olej palmowy, 2 rolki wprowadzajce tam do kpieli cynowej, 3 warstwa topnika, 4 roztopiona cyna

Rys. 3.2. Ukad rwnowagi Fe-Sn (a); b) - budowa fazowa stopw,

w temperaturze otoczenia, c) - budowa warstwy

powierzchniowej stali po cynowaniu

3.2. Powoki cynkowe Cynkowanie zanurzeniowe, nazywane rwnie cynkowaniem ogniowym stanowi podstawow technologi wytwarzania powok cynkowych. Powoki cynkowe skutecznie zabezpieczaj powierzchnie drutw, blach i rur stalowych naraonych na dziaanie czynnikw atmosferycznych. Stosuje si je do ochrony elementw konstrukcji budowlanych, rur do przesyania gorcej i zimnej wody. Zgrzewalne i podatne do gbokiego toczenia stalowe blachy ocynkowane stosuje si do produkcji elementw karoserii samochodowych i wyposaenia wntrz samochodw. Powoki cynkowe stanowi dobry podkad pod powoki malarskie, znacznie przeduajc ich ywotno. Cynk posiada niszy potencja elektrochemiczny ni elazo, dziki czemu elazo jest chronione przez samorzutnie przebiegajc reakcj utleniania cynku, co czyni t powok anodow. Jeeli ocynkowan powierzchni pokrywa cienka warstwa elektrolitu to zasig ochrony odsonitej powierzchni podoa nie przekracza 20 mm, przy grubszych warstwach roztworu, rzdu kilku milimetrw zasig ochrony wzrasta do okoo 60 mm. W rodowiskach wodnych dziaanie ochronne powok cynkowych zalene jest od temperatury, a take od skadu elektrolitu pokrywajcego metal. Przy temperaturze rodowiska okoo 70oC cynk moe osign wyszy potencja elektrochemiczny ni elazo, stajc si katod, a elazo anod. Jest to zjawisko odwrcenia biegunowoci, a sprzyja mu obecno wglanw, azotanw i rozpuszczonego tlenu w elektrolicie. W tych warunkach powoka cynkowa pokrywa si produktem korozji w postaci tlenku cynku, ktry posiada wyszy potencja elektrochemiczny ni cynk i elazo, co czyni t powok katodow. Przy braku szczelnoci tej powoki wystpuje korozja werowa podoa - elaza. Powoki cynkowe s szczeglnie przydatne w rodowiskach sabo kwanych i sabo zasadowych. Wzrost zanieczyszczenia rodowiska naturalnego i spowodowane tym zwikszenie agresywnoci korozyjnej przez udzia tlenkw siarki, tlenku i dwutlenku wgla, tlenkw azotu, chlorkw, obniaj skuteczno zabezpieczenia antykorozyjnego powok cynkow. Dlatego coraz szerzej wprowadza si cynkowanie stopowe zapewniajce kilkakrotnie wiksz odporno na korozj. 3.2.1. Cynkowanie przedmiotw stalowych Cynkowanie ogniowe jest technologi znacznie zrnicowan w odniesieniu do poszczeglnych rodzajw pokrywanych wyrobw, szczeglnie dotyczy to sposobu przygotowania powierzchni przed zanurzeniem w kpieli cynkowej oraz sposobu ksztatowania gruboci powoki, ale parametry samego cynkowania pozostaj takie same. Przygotowanie powierzchni do cynkowania polega na mechanicznym i chemicznym usuniciu zanieczyszcze. Usuwanie zgorzeliny i produktw korozji przeprowadza si przez trawienie w kwasach. Dokadne pukanie usuwa lady kpieli trawicych i osadw, ktre mogyby wpyn na zwikszenie zuycia cynku i pogorszenia jakoci powoki. Nastpn operacj jest topnikowanie. Jako topnik stosuje si mieszanin chlorku cynku z chlorkiem amonu, w metodzie mokrej proporcja wynosi 1 : 3, a w metodzie suchej chlorek amonu stanowi 15%. Temperatur kpieli ciekego cynku utrzymuje si w zakresie 440 480C, w jej skadzie oprcz cynku wystpuj zanieczyszczenia (Pb, Cd, Sn, Sb i Fe) pochodzce z cynkowanych wyrobw oraz celowo dodawane aluminium w iloci okoo 0,3% tylko przy suchej metodzie topnikowania. Obecno dodatku aluminium zmniejsza grubo nakadanych powok, a take przeciwdziaa utlenianiu cynku, nadaje powokom poysk i gadko oraz podnosi ich wytrzymao na gicie. Czas zanurzenia cynkowanego przedmiotu w kpieli jest zaleny od jego masy i wynosi od kilku sekund do kilkunastu minut. Najbardziej rozpowszechnione s powoki o grubociach od 60 120 m. Warstwy o mniejszej gruboci nakada si na pwyroby w postaci blach i drutw, z powodu koniecznoci zachowania odpowiednich waciwoci plastycznych. Cienkie tamy stalowe przeznaczone do gbokiego toczenia pokrywa si warstwami o gruboci od kilku do kilkunastu mikrometrw.

Powoka cynkowa wytworzona na stali niskowglowej skada si z warstwy dyfuzyjnej stanowicej zazwyczaj od 25 do 60% udziau gruboci powoki. Warstw dyfuzyjn tworz fazy midzymetaliczne: Fe3Zn10, Fe5Zn21, FeZn7 i FeZn13. Zewntrzna warstwa powoki jest praktycznie roztworem elaza w cynku z drobnymi wydzieleniami faz midzymetalicznych, rys. 3.3.

2

1

Skuteczno zabedodatkowych wacynkowych na bdodatkowej powoCech charakteryprzejawem zestaljest niekorzystna Rys. 3.3. Ukad rwnowagi Fe-Zn (a), b) budowa fazowa stopw z ukadu Fe-Zn, c) budowa warstwy powierzchniowej

stali po cynkowaniu,

d) obraz mikrostruktury powoki po cynkowaniu przez 300 s zanurzenia w 450C; (1) - faza gamma (), (2) - faza delta (), (3) - faza dzeta (), (4) cynk.

4

3

zpieczenia przed korozj wynika z gruboci powok, a take wytworzenia na nich rstw konwersyjnych (chromianowych). W wypadku niezbyt grubych powok lachach i drutach, odporno na korozj mona zwikszy przez naoenie ki organicznej (tzw. proces duplex).

styczn obrazu powierzchni powoki cynkowej jest tzw. "kwiat", rys. 3.4, bdcy ania si cynku zawierajcego domieszki oowiu lub glinu. Taka budowa powoki z uwagi na niebezpieczestwo powstawania pkni podczas toczenia lub

profilowania blach z wyranie wyksztaconym kwiatem. Szybkie ochodzenie wyrobw ocynkowanych daje powok gadk, bez kwiatu.

Rys. 3.4. Widok powierzchni blachy ocynkowanej z charakterystycznym kwiatem

3.2.2. Cynkowanie blach metod cig Oryginaln metod cigego cynkowania blach, szeroko rozpowszechnion w wiecie jest metoda Sdzimira, ktrej schemat przedstawiono na rys. 3.5.

Rys. 3.5. Schemat typowej linii cigego cynkowania zanurzeniowego; 1 i 20-rozwijarki, 2 i 21-noyce, 3-zgrzewarka, 4, 17-wzki ptlowe, 5-rolki kierujce, 6-urzdzenie do chemicznego przygotowania powierzchni, 7-piec redukcyjny, 8-piec do wyarzania, 9-wanna, 10-dysze do regulacji gruboci powoki cynku, 11-piec typu Galvannealing (wytwarzanie warstwy stopowej), 12-urzdzenie do zmniejszania kwiatu, 13-chodnia, 14 -wygadzarka, 15-prostownica nacigowa, 16-urzdzenie do pasywacji, 18-noyce gilotynowe, 19-zwijarka, 22-urzdzenie pakujce Tam stalow po walcowaniu na zimno, zwinit w krg zgrzewa si z kocem tamy poprzedniego krgu w sekcji doprowadzajcej linii roboczej. Najpierw tama jest czyszczona chemicznie w kpieli (6), a nastpnie jest przesuwana do pieca z atmosfer utleniajc (7) o temperaturze 730 850C, gdzie przebiega proces spalenia wszelkich zanieczyszcze organicznych (np. resztki oleju, smarw) i utlenienie powierzchni tamy w wyniku czego powstaj produkty - tlenki elaza. W kolejnej strefie pieca z atmosfer redukujc (8), zoon z azotu i wodoru, o temperaturze ~ 900C zachodzi proces redukcji tlenkw elaza. Nastpnie tam chodzi si i w atmosferze ochronnej kieruje do wanny z kpiel cynkow (9), o temperaturze 450 470C. Nad wysuwan tam z kpieli umieszczone s dysze do regulacji gruboci powoki (11) i ewentualnie urzdzenie do zmniejszania kwiatu (12), po czym tama jest chodzona (13), wygadzana (14) i przesuwana do urzdzenia do chromianowania (16), w celu zabezpieczenia powoki cynkowej

przed korozj elektrochemiczn. Wytworzone pokrycia chromianowe o gruboci od 0,5 do 1 m s w pewnym stopniu porowate i stanowi doskonay podkad pod powoki malarskie. Do produkcji gboko tocznych elementw nadwozi samochodowych stosuje si te jednostronne cynkowanie tamy stalowej metod zanurzeniow, z uwagi na trudnoci zgrzewania, a take lakierowanie dwustronnie cynkowanych blach. Powlekanie prowadzone jest w zamknitej komorze w atmosferze gazu obojtnego. Po wyjciu z komory powlekana tama ulega utlenieniu, a powsta cienk warstewk tlenkw usuwa si przez trawienie elektrochemiczne. 3.2.3. Powoki cynkowe nakadane w kpielach wieloskadnikowych Najwaniejszym skadnikiem stopowym dodawanym do kpieli w procesie cynkowania zanurzeniowego jest aluminium, przy czym rne iloci s wymagane aby uzyska odpowiednie waciwoci kpieli. Domieszki aluminium w zakresie 0,005 0,02% s dodawane w celu wybyszczenia powierzchni powoki. Efekt ten jest skutkiem tworzenia si cigej warstwy Al2O3 na powierzchni powoki, ktra stanowi barier ochronn hamujc dalsze utlenianie. Ponadto, aluminium w iloci 0,1 0,3% dodaje si do kpieli cynkowej w celu zahamowania wzrostu kruchych faz midzymetalicznych Fe-Zn na powierzchni rozdziau faz stal - powoka, poprzez tworzenie warstwy blokujcej fazy Fe2Al5(Zn). Opracowano kilka odmian cynkowania zanurzeniowego rnicych si skadem kpieli, budow powoki i waciwociami, s one znane pod nazwami handlowymi, jak: Galfan, Superzink i in. Powoki cynkowe typu Galfan wytwarza si gwnie metod cig na pwyrobach: blachach, drutach i rurkach o maych rednicach. W agregatach typu Sdzimira pokrywa si blachy przecigajc je przez kpiel cynku z dodatkiem 5%Al i 0,01 0,05% miszmetalu skadajcego si gwnie z lantanu i ceru. Powoka Galfan skada si z warstwy zewntrznej o skadzie eutektycznym i bardzo cienkiej warstwy dyfuzyjnej zoonej z faz midzymetalicznych ukadu Al-Zn-Fe, ktrej podstaw skadu chemicznego jest aluminium, ok. 50%, reszta to cynk i elazo. O ile zewntrzna warstewka powoki bogata w Zn stosunkowo szybko ulega procesowi korozji, to warstwa wzbogacona w Al w miar postpu korozji tworzy nierozpuszczalne produkty korozji hamujce jej dalszy przebieg. Powoki Galfan wykazuj okoo 3-krotnie wysz odporno korozyjn od tradycyjnych powok cynkowych zanurzeniowych. Ponadto wykazuj te wysze waciwoci plastyczne, co uatwia formowanie (zginanie i toczenie) pwyrobw pokrytych powok, bez zagroenia pkniciami w obszarze warstwy dyfuzyjnej. Dodatkow zalet jest przydatno do malowania zarwno farbami schncymi na powietrzu, jak i termoutwardzalnymi, epoksydowymi, poliuretanowymi i in. Zastosowanie blach z powok Galfan jest podobne jak blach z powok cynkow, dla bardziej agresywnych rodowisk. Rury o maej rednicy z powok Galfan stosuje si do ukadw paliwowych, ukadw hamulcowych, ukadw hydraulicznych i chodnic. Drut z powok Galfan stosuje si na siatki ogrodzeniowe, siatki ochronne przy autostradach, plecione i zgrzewane oraz liny okrtowe i kopalniane, a ostatnio linowe systemy barier drogowych. 3.3. Powoki aluminiowe

Aluminiowanie zanurzeniowe polega na wytwarzaniu powok aluminiowych na elementach konstrukcji i urzdze wykonanych ze stali, staliwa lub eliwa, a naraonych na korozj w wodzie, atmosferach przemysowych, gazach spalinowych oraz na oddziaywanie temperatur do okoo 900C a okresowo do 1100C. Stale aroodporne aluminiowane zwikszaj swe waciwoci aroodporne i mog pracowa w rodowiskach bardziej agresywnych, szczeglnie zawierajcych siark. Dziaanie ochronne powok aluminiowych jest wywoane znaczn odpornoci korozyjn spasywowanego aluminium. Spasywowana powoka posiada potencja elektrochemiczny zbliony lub nieco wyszy ni potencja elaza w rodowiskach wodnych, wic w wypadku utraty szczelnoci i odsonicia podoa stalowego, powoka nie zapewnia ochrony przed korozj werow stali. Jeeli jednak niecigoci wystpuj w zewntrznej warstwie powoki, a odsoniciu ulega

tylko warstwa dyfuzyjna, ktra posiada wyszy potencja elektrochemiczny ni aluminium, to utlenianiu (korozji) bdzie ulega zewntrzna warstwa aluminium powoki. W rodowisku wody morskiej powoki aluminiowe maj niszy potencja elektrochemiczny ni podoe stalowe, wskutek nietrwaoci warstewki pasywnej w roztworach chlorkw. W tych warunkach powoki aluminiowe staj si anodowymi wzgldem podoa, zapewniajc jednake lepsz ochron stali w porwnaniu z powokami cynkowymi. Powoki aluminiowe na stalach niestopowych nadaj im aroodporno do temperatury 600C. Po wyarzeniu w temperaturach okoo 800C powoki staj si odporne na oddziaywanie temperatur do 900C, a nawet powyej 900C, po wyarzeniu w zakresie do 1100C. Rozwj metody aluminiowania zanurzeniowego zmierza w kierunku technologii aluminiowania stopowego, ktra stanowi skuteczniejsze zabezpieczenie metali przed coraz bardziej zanieczyszczonym rodowiskiem i obecnie w wiecie wypiera klasyczne aluminiowanie zanurzeniowe. Aluminiowanie przeprowadza si na cigych liniach roboczych podobnych do stosowanych do powlekania stali cynkiem. Wyrnia si dwa rodzaje pokry: czystym aluminium i stopem Al-Si z udziaem okoo 8 11%Si. Krzem w procesie powlekania stopem z Al zapewnia dobr gbokotoczno stali dziki ograniczeniu rozrostu warstewki fazy midzymetalicznej Fe-Al, a powstanie cienkiej warstewki fazy Fe-Al-Si, powoduje dobre przyleganie powoki do podoa. 3.3.1. Aluminiowanie stopw elaza sposobem niecigym Przedmioty do aluminiowania odtuszcza si w wodnych roztworach wodorotlenku sodu lub fosforanu sodu, a nastpnie wytrawia w wodnym roztworze kwasu solnego z dodatkiem inhibitora. Topnikowanie przeprowadza si w mieszaninie roztopionych chlorkw, fluorkw i jodkw metali alkalicznych, chlorku cynku i kriolitu o temperaturze minimum 450C. Pokryte topnikiem przedmioty wprowadza si do wanny z roztopionym aluminium o temperaturze 670 800C. Czas aluminiowania zanurzeniowego wynosi zazwyczaj od kilkunastu sekund do kilku minut, zalenie od wymaganej gruboci warstwy. W czasie tym pomidzy aluminium i elazem przebiegaj procesy dyfuzji reaktywnej, tworzy si warstewka dyfuzyjna zoona z faz midzymetalicznych, gwnie Fe2Al5, ale jej grubo nie powinna przekracza 10 m, aby zapewni dobr plastyczno powoki. Utrzymaniu cienkiej warstwy dyfuzyjnej sprzyja dodatek krzemu do kpieli. Zewntrzn warstw powoki stanowi czyste aluminium. Pynne aluminium wynoszone z kpieli przez pokrywany przedmiot, reaguje nadal z podoem, nawet po zakrzepniciu, a do temperatury okoo 500C, kiedy dyfuzja zostaje zahamowana, dlatego chodzenie przedmiotw aluminiowanych powinno by do szybkie. Opracowano rwnie metod beztopnikowego aluminiowania. Schemat pieca do wytwarzania powok t metod przedstawiono na rys. 3.6. Grubo cakowita powok aluminiowych zazwyczaj nie przekracza 0,05 0,5 mm, jej mikrostruktur przedstawiono na rys 3.7.

Rys. 3.6. Schemat pieca do nakadania powok aluminiowych metod zanurzeniow beztopnikow; 1 obudowa ceramiczna, 2 roztopione aluminium, 3 nagrzewnica, 4 tyrystorowy regulator mocy, 5 termoelement, 6 elektroda grafitowa, 7 pokrywany przedmiot

Rys. 3.7. Ukad rwnowagi Fe-Al (a) b) budowa fazowa stopw z ukadu Fe-Al, c) budowa warstwy

powierzchniowej stali po aluminiowaniu zanurzeniowym,

d)

d) obraz mikrostruktury powoki po aluminiowaniu w 550C 1 - faza Al, 2 - mieszanina faz

midzymetalicznych FeAl3, FeAl2 i FeAl,

3 - podoe

1

2

3

3.3.2. Powoki aluminiowe nakadane w kpielach wieloskadnikowych Podobnie jak cynkowanie zanurzeniowe proces aluminiowania w kpielach wieloskadnikowych ma wiele odmian wystpujcych pod nazwami handlowymi, jak: Galvalume, Aluzink, Aluzan. Powoki Galvalume wytwarza si w cigym procesie zanurzeniowym podobnym jak przedstawiono schematycznie na rys. 4.5. Rnice polegaj na skadzie kpieli i jej temperaturze. Skad kpieli jest nastpujcy: 55% Al, 1,6% Si, reszta Zn, a temperatura wynosi ok. 600C co oznacza, e jest o 100C nisza od temperatury aluminiowania zanurzeniowego blach metod cig. Standardowa grubo powok Galvalume wynosi 20m. Powoka Galvalume ma dwufazow struktur dendrytyczn warstwy zewntrznej, ktr tworz dendryty fazy bogatej w Al, stanowicej

okoo 80% objtoci powoki, a przestrzenie midzydendrytyczne wypenia faza bogata w Zn. Na granicy warstwy zewntrznej i podoa wystpuje cienka warstwa dyfuzyjna fazy midzy-metalicznej Al-Fe-Zn-Si, zawierajcej ok. 50% Al, ktrej grubo jest ograniczona dziki dodatkowi krzemu do kpieli. W warstwie tej w warunkach korozji tworz si trudno rozpuszczalne zwizki cynku i aluminium stanowice barier dla agresywnego elektrolitu przenikajcego warstw wierzchni powoki, co daje powokom Galvalume bardzo dobr odporno korozyjn, take w warunkach korozji morskiej. Powoki Galvalume pokryte dodatkowo w procesie chromianowania s dobrym podoem pod powoki organiczne, ktre wykazuj dobr przyczepno i elastyczno. Najliczniejsze zastosowania blach Galvalume z powokami organicznymi jako pokrycia dachw, osony, ciany zewntrzne w budownictwie. Ponadto powoki Galvalume maj dobr odporno na utlenianie do temperatury 315C (dla porwnania powoki cynkowe do 230C), co pozwala na stosowanie ich w podwyszonych temperaturach. Wybrane normy aktualne w dniu 30.09.2005r.: 1. PN-EN ISO 1460; 2001 Powoki metalowe. Powoki cynkowe zanurzeniowe na metalach

elaznych. Oznaczanie masy jednostkowej metod wagow. 2. PN-EN ISO 1461: 2000 Powoki metalowe. Powoki cynkowe nanoszone na stal metod

zanurzeniow (cynkowanie jednostkowe). Wymagania i badania. 3. PN-EN ISO 14713: 2000 Ochrona przed korozj konstrukcji stalowych i eliwnych. Powoki

cynkowe i aluminiowe. 4. PN-EN 13811: 2004(U) Szerardyzacja. Powoki z cynku wytwarzane metod dyfuzyjn na

wyrobach stalowych. Wymagania techniczne. 5. PN-EN 248: 2001 Wewntrzne i/lub zewntrzne powoki ochronne rur stalowych. Wymagania

dotyczce powok wykonanych przez cynkowanie ogniowe w ocynkowniach zautomatyzowanych.

6. PN-EN 10244-2 Cz. 2. Drut stalowy i wyroby z drutu. Powoki z metali nieelaznych na drucie stalowym. Powoki z cynku lub ze stopu cynku.

7. PN-EN 10244-3 Cz. 3. Powoki z aluminium lub ze stopw aluminium. 8. PN-EN 10244-4 Cz. 4. Powoki z cyny. 9. PN-EN 10244-5 Cz. 5. Powoki z niklu. 10. PN-EN 10244-6 Cz. 6. Powoki z miedzi, brzu lub mosidzu.

4. Powoki natryskiwane cieplnie Nakadanie powok metalowych przez natryskiwanie cieplne, nazywane te metalizacj natryskow (w odniesieniu do tradycyjnych metod) znane jest od niemal stu lat i cigle rozwija si zarwno w zakresie konstrukcji urzdze jak i nakadanych materiaw. Metoda natryskiwania cieplnego polega na stopieniu i rozpyleniu metalu powokowego na drobne czstki w specjalnym urzdzeniu palniku do natryskiwania, a nastpnie nadaniu im takiej prdkoci przy wylocie z palnika, aby uderzajc w pokrywan powierzchni miay energi wystarczajc do przyczepienia si do niej. rdem ciepa niezbdnym do stopienia metalu w postaci drutu, proszku lub tamy, moe by pomie gazu, uk elektryczny lub uk plazmowy i std dzieli si natryskiwanie cieplne na:

1. pomieniowe (gazowe), 2. ukowe, 3. plazmowe.

Jednym z najwaniejszych czynnikw decydujcych o powodzeniu natryskiwania jest specyficzne przygotowanie powierzchni natryskiwanego przedmiotu. Najpierw naley oczyci j z tuszczw (przez wypalanie lub mycie w rozpuszczalnikach), a nastpnie usun tlenki przez piaskowanie, ktry to zabieg jednoczenie zwiksza chropowato powierzchni. Zamiast piaskowania stosuje si te m.in. skrowanie, rutowanie, gwintowanie, rowkowanie oraz nakadanie warstw spajajcych. Celem tych operacji jest rozwinicie powierzchni i odsonicie czystej powierzchni metalicznej, a wstpne natryskiwanie warstw spajajcych suy do wytworzenia wiza metalicznych z podoem. Istnieje nieliczna grupa materiaw samowicych jak aluminek niklu, molibden, nichrom, ktrych roztopione czstki uderzajc w natryskiwan powierzchni nadtapiaj jej warstw wierzchni, prowadzc do utworzenia wiza midzyatomowych. W konsekwencji prowadzi to do zwikszenia wytrzymaoci pocze. Okres czasu midzy przygotowaniem powierzchni, a natryskiwaniem powinien by moliwie krtki, aby unikn ponownego zanieczyszczenia i utlenienia powierzchni. W procesie natryskiwania mona wyrni kilka etapw:

1. mechaniczne podawanie materiau powokowego w stanie staym (proszek, drut, tama, prt) lub w stanie ciekym, do strefy topienia w urzdzeniu do natryskiwania,

2. cige topienie i rozpylanie materiau powokowego. W czasie topienia nastpuje jednoczenie rozpylanie czstek metalu za pomoc spronego gazu (np. powietrza) i ewentualnie gazw spalinowych (w wypadku urzdze gazowych). Czas trwania procesu topienia i rozpylania jest bardzo krtki, rzdu 10-3 s,

3. lot stopionych czstek kulistych wyrzucanych z dyszy palnika w kierunku pokrywanej powierzchni. Podczas lotu czstki ulegaj utlenieniu tlenem z powietrza, co powoduje powstanie otoczek tlenkowych na ich powierzchni,

4. tworzenie si powok, trwajce od momentu zetknicia si czstek z natryskiwan powierzchni do ostygnicia powoki do temperatury otoczenia.

W momencie uderzenia w pokrywan powierzchni kuliste czstki ulegaj spaszczeniu, ich powierzchnia zwiksza si, w wyniku czego krucha warstewka tlenkw pka i odsania powierzchni czystego metalu. Fragmenty w stanie pynnym rozpryskuj si na natryskiwanej powierzchni, a po zestaleniu odksztacaj si i zakleszczaj w nierwnociach powierzchni, dopasowujc si do nich, nastpnie cz si z kolejnymi padajcymi czstkami. Przy zetkniciu nie utlenionych fragmentw metalu powstaje midzy czstkami kohezja. Powstaa powoka poczona jest z podoem i midzy czstkami powoki mechanicznie, siami adhezji, kohezji i w pewnych przypadkach wizaniami metalicznymi dyfuzyjnymi, bez nadtopienia metalu podoa. Udzia poszczeglnych rodzajw wiza jest rny zalenie od zastosowanej metody i warunkw natryskiwania, co nadaje powokom rne wasnoci, a szczeglnie wytrzymao pocze z natryskanym podoem.

Rys. 4.1. Schemat tworzenia si powoki natryskanej;

1. lot czstki w kierunku natryskiwanej powierzchni,

2. rozpaszczone czstki metalu i warstewek tlenkowych tworzce natryskan powok

Powoka zoona jest wic z czstek natryskiwanego metalu, jego tlenkw oraz wolnych przestrzeni (porw), rys. 4.2a. Porowato zalenie od metody natryskiwania moe dochodzi do ok. 10%. Natryskane warstwy metaliczne, ktre powinny by jednorodne, nieporowate, po natryskaniu przetapia si rnymi sposobami.

Ryni

na

a b

W gruMeocPokouktwpoduwiprakwzan

s. 4.2. Mikrostruktura natryskanej powoki z miedecigoci, pory, ukadajce si warstwami kolejne podou o rozwinitej powierzchni, traw. nitalem,

ziarn ferrytu i perlitu w stali, wok natrys

zalenoci od uytej technologii natryskiwaniabo od 0,01 do 0,5 mm w jednym przejciu. tod natryskiwania mona nakada rne meta

hronnych, technicznych lub dekoracyjnych. woki ochronne suce do zabezpieczenia konstrozj w wodzie, nanoszone s z cynku, aluminiow (tabl. 4.1). Powoki te s dodatkowo za

orzywami sztucznymi, co zwiksza ich trwao dkry w czasie i niewielkie nakady powoduj, e ych obiektw przemysowych, jak zbiorniki, suadukty. Dobr rodzaju materiau powoki przecicy, do rodowisk o odczynie zasadowym stosanych aluminiowe. Powoki natryskane prurzeniowych z cynku, ktre stosunkowo szybko

zi na stal konstrukcyjn; w powoce widoczne spaszczone czstki metalu i otoczki tlenkw pow. 100x (a), silne miejscowe odksztacenie kanej czstki miedzi, pow. 500x (b)

i urzdzenia, naoone powoki mog mie

le i stopy, ktre mog spenia rol powok

rukcji ze stali przed korozj atmosferyczn i um lub ich stopw metod pomieniow lub bezpieczane przez pokrywanie farbami lub o kilkudziesiciu lat. atwo utrzymania tych stosuje si je powszechnie do zabezpieczania wnice, kominy, wentylatory, mosty, maszty, wkorozyjnej jest uzaleniony od rodowiska uje si powoki cynkowe, a dla rodowisk zeciwkorozyjne s alternatyw dla powok ulegaj rozpuszczaniu i wymywaniu. Ponadto

obiekty i konstrukcje stalowe naraone s na odksztacenia mechaniczne, co wywouje pkanie powok i uszkodzenia, a odsonicie podoa jest powodem nagego wzrostu szybkoci korozji i tylko niezwoczna naprawa uszkodze moe uchroni przed kosztown wymian caego zabezpieczenia przeciwkorozyjnego caej konstrukcji.

Tabl. 4.1. Minimalna grubo powok ochronnych z cynku, aluminium i ich stopw, natryskanych cieplnie na stal, zalenie od warunkw eksploatacji i wymaganej trwaoci wg PN-H-04684: 1997 *) Symbol M oznacza powok metalow natryskan cieplnie, uszczelnion jedn warstw powoki

malarskiej lub pokryt wielowarstwow powok malarsk

Minimalna grubo powoki, m Trwao powoki, lata

rodowisko Materia powoki

510 1020 2040 > 40 Zn 150 M* 200 M - - Al 200

150 M 200 150 M

300 200 M

350 250 M

ZnAl15 150 120 M

200 150 M

300 200 M

-

Atmosfera przemysowa

AlMg5 200 150 M

200 150 M

300 200 M

350 250 M

Zn 200 150 M

250 200 M

350 250 M

-

Al 250 200 M

300 250 M

350 250 M

-

ZnAl15 150 100 M

200 150 M

250 200 M

350 300 M

Atmosfera morska

AlMg5 250 200 M

300 250 M

350 250M

-

Zn 200 100 M

250 150 M

300 200 M

350 250 M

Al 200 150 M

250 150 M

250 M 300 M

ZnAl15 150 100 M

200 120 M

250 150 M

300 200 M

Woda sodka

AlMg5 200 150 M

250 200 M

250 M 300 M

Zn 150 M 250

200 M 350

Al 150 M 250

200 M 300

250 M 350

300 M

ZnAl15 120 M 150 M 200 M 250 M

Woda morska

AlMg5 200 M 250

250 M 300

300 M 350

Woda gorca do 100C

Al AlMg5

250 250

300 300

Jako powoki techniczne zabezpieczajce czci maszyn przed korozj chemiczn wysokotemperaturow, zuyciem wskutek tarcia, erozj, kawitacj, szokiem termicznym, stosowane bd jako integralna cz wyrobu, bd jako regeneracyjne (czsto projekt wyrobu zakada wielokrotn regeneracj po okrelonym stopniu zuycia), wykorzystuje si bardzo rnorodne metale, stopy, ceramik, kompozyty, w postaci proszkw, drutw, paeczek spiekanych,

nakadane rnymi technikami (przyk. tabl. 4.2). Szczeglnie materiay proszkowe wraz z rozwojem nowych metod natryskiwania, nabieraj coraz wikszego znaczenia, przy czym bardzo wana jest ich jako. Wymaga si aby czstki proszkw miay ksztat zbliony do sferycznego, o bardzo zblionej wielkoci, co uatwia stabilne podawanie proszku do urzdzenia, niezbdne do zapewnienia wysokich, powtarzalnych wasnoci powok. Wrd stosowanych materiaw proszkowych do natryskiwania cieplnego mona wyrni stopy twarde na bazie Ni, Co lub Fe z Cr, B i Si, wgliki Ti, Zr, Hf, wgliki mieszane, azotki V, Nb, Ta, borki Cr, Mo, W. Najbardziej dynamicznie rozwijaj si proszki kompozytowe, coraz szerzej stosowane w technice, s to materiay zoone, np. czstki tlenku otoczone koszulk metalow, lub na odwrt wewntrz tlenku czstka metalu, np. Al2O3 + Ni, Cr3C2 + NiCr, WC + Co. Gwn zalet natryskiwania jest moliwo dowolnego doboru skadu powoki, atwo obsugi palnikw natryskowych, moliwo automatyzacji i robotyzacji procesu, natryskiwanie niemal dowolnych miejsc konstrukcji, wielokrotne natryskiwanie tym samym lub rnymi rodzajami materiau, niski koszt inwestycji. Do wad zalicza si trudno pokrycia trudnodostpnych powierzchni wewntrznych, porowato warstw, nisk przyczepno do podoa, obnienie waciwoci mechanicznych, jednake powoki nanoszone metodami natryskiwania nowej generacji, maj coraz mniejsz porowato, nisz od 0,5%, wysz przyczepno do podoa ni klasyczne powoki, a wasnoci mechaniczne mona podwyszy przez dodatkowe operacje technologiczne po natryskiwaniu. 4.1. Powoki natryskiwane metod pomieniow Natryskiwanie pomieniowe (gazowe) jest procesem nakadania warstw z metali, a take niemetali na podoa metaliczne, gdy rdem ciepa potrzebnego do stopienia materiau powokowego jest pomie gazowy. W tej metodzie stosowane s dwie techniki natryskiwania rnice si parametrami procesu, konstrukcj urzdze i w konsekwencji wasnociami powok. Jest to natryskiwanie pomieniowe poddwikowe (klasyczne) i naddwikowe. 4.1.1. Natryskiwanie pomieniowe poddwikowe rdem ciepa stosowanym w tej technice jest pomie gazowy, ze spalania najczciej acetylenu w tlenie, o temperaturze pomienia ok. 3000oC, a natryskiwane czstki osigaj prdko od 100 do 350 m/s. W zalenoci od postaci materiau powokowego (drut lub proszek) wyrnia si odpowiednie konstrukcje palnikw. Schemat palnika do natryskiwania powok przy uyciu drutu przedstawiono na rys. 4.3. Palnik gazowy skada si z ukadu napdowego drutu, gowicy gazowej sterujcej przepywem gazu palnego, tlenu i spronego powietrza. Drut elektrodowy (1) jest podawany przez otwr rodkowy dyszy gazowej (2). Wok otworu rodkowego rozmieszczone s mae otwory gazowe skierowane zbienie do osi drutu. Otwory gazowe otoczone s dysz powietrza (3), przez ktr wypywa z du prdkoci strumie powietrza pod cinieniem 0,4 1 MPa. Gdy drut przesuwany mechanizmem napdowym wchodzi w stref pomienia gazowego (4), ulega stopieniu i rozpyleniu na kropelki, ktre s porywane przez gaz, a nastpnie strumieniem powietrza skierowane na natryskiwan powierzchni (6). Prdko natryskiwanych czstek dochodzi do 350 m/s. Natryskiwana powierzchnia nieco nagrzewa si podczas natryskiwania, ale jej temperatura nie przekracza 150 200oC. Zaleca si natomiast podgrzewanie wstpne podoa metalicznego do ok. 100oC, w celu usunicia wilgoci i obnienia rnic rozszerzalnoci cieplnej warstwy i podoa. Natryskiwanie przy uyciu drutu moliwe jest dla metali i stopw, ktre s wytwarzane w tej postaci, nie paruj ani nie dysocjuj przed osigniciem temperatury 2800C. Stosuje si do pokrywania przedmiotw o dowolnym ksztacie i wielkoci, jak np. way stalowe, walce, wewntrzne powierzchnie cylindrw, opatki skrawajce widrw ziemnych.

Rys. 4.3. Budowa palnika do natryskiwania pomieniowego przy pomocy drutu;

1 rolki podajce, 2 dysza gazowa, 3 dysza powietrza, 4 pomie gazu, 5stapiany koniec drutu, 6 pokrywane podoe z natryskiwan powok

Waniejsze parametry natryskiwania: odlego palnika od przedmiotu powinna wynosi 100 250 mm, zalenie od typu palnika,

rodzaju podoa i natryskiwanego materiau, palnik musi by utrzymywany przez cay czas natryskiwania w staej odlegoci, prdko przesuwu musi by tak dobrana, aby zapewni ukadanie rwnomiernej warstwy,

o gruboci nie przekraczajcej 0,15 0,25 mm, w zalenoci od natryskiwanego metalu, powierzchnie paskie natryskuje si zwykle rcznie, palnik prowadzi ruchem posuwisto-

zwrotnym. Pierwsza warstwa powinna by ciesza, do ok. 0,15 mm, a nastpne ok. 0,25 mm. Po uoeniu pierwszej warstwy kole