Легкие сплавы стали незаменимыми в самых разных отраслях промышленности: от автомобильной и аэрокосмической промышленности, ориентированной на производительность, до экономически ориентированного промышленного сектора.
Однако переход от тяжелых металлов к легким сплавам был и остается далеко не гладким. Инженеры столкнулись с повторяющимся набором проблем при переходе на легкий сплав. Одной из основных проблем для отраслей промышленности, сталкивающихся с износом, является то, что, несмотря на благоприятное соотношение прочности к весу, легкие металлы, как правило, имеют низкую твердость и плохую устойчивость к механическому износу. Это делает технологию обработки поверхности и современные покрытия критически важными для их промышленного использования.
Какие характеристики покрытия необходимы для повышения износостойкости?
Износостойкость — это общий термин, используемый для обозначения износа во всех его формах, включая удар, истирание, истирание и трение. Традиционно считалось, что увеличение твердости (H) поверхности детали обеспечит лучшую износостойкость. Отчасти это верно, но определенный уровень соответствия также очень полезен для смягчения разрушения. Таким образом, более полезным индикатором того, будет ли покрытие износостойким, является отношение его твердости или прочности на разрыв к его жесткости.
Второе важное свойство – смазывающая способность. Покрытия с низким коэффициентом трения уменьшают передачу энергии и материала между двумя деталями, снижая вероятность повреждения. Покрытия ПЭО обладают высокой смазывающей способностью и могут дополнительно смазываться дополнительными верхними покрытиями, чтобы продлить срок службы компонентов в этих тяжелых условиях.
В некоторых случаях покрытие может потребоваться для увеличения несущей способности материала. Это часто происходит с легкими металлическими подложками, низкий предел текучести которых в противном случае может не выдерживать напряжения Герца, создаваемые партнером по износу. Для этого можно нанести очень толстое покрытие или повысить прочность самой поверхности основного металла за счет диффузии вторичных элементов в его решетку.
Но какое покрытие поверхности подходит для конкретного применения? Мы рассмотрели четыре наиболее популярных метода, которые помогут начать поиск:
Жесткое анодирование
Твердое анодирование обеспечивает очень хорошее износостойкое покрытие для многих применений, особенно потому, что умеренные температуры и время обработки помогут сформировать более твердый и толстый защитный оксидный слой, в зависимости от ваших потребностей. Анодирование имеет твердость в два или три раза выше, чем у легких сплавов, таких как алюминий, а его тонкая столбчатая микроструктура обеспечивает гладкую поверхность с низким коэффициентом трения.
Твердые анодированные покрытия лучше всего подходят для применений, связанных с интенсивным нагревом, но не обязательно с тяжелыми нагрузками, поскольку покрытие обычно имеет вертикальные трещины, которые снижают усталостную прочность металла. Ограниченный эстетический эффект также сводит к минимуму возможности применения твердого анодирования металлов, в то время как этот метод в любом случае недоступен для магниевых и титановых сплавов.
Азотирование
Азотирование — это популярная упрочняющая термообработка с образованием твердого, тонкого защитного слоя, которая достигается за счет термохимического введения азота на внешнюю поверхность.
Существует три широко используемых метода азотирования металлической поверхности:
● Солевые ванны – менее распространены из-за токсичных побочных продуктов метода.
● Газовое азотирование – по-прежнему популярно, хотя образуется аммиак, который создает трудности при производстве в больших объемах.
● Ионное азотирование. Азотирование – более чистый метод азотирования в условиях вакуума
Одной из проблем, с которой сталкиваются все методы азотирования, являются высокие температуры (обычно выше 540°C), необходимые для этого процесса. Таким образом, азотирование реально подходит только для титана. Даже в этом случае необходимо учитывать возможность термической деформации.
Плазменное электролитическое окисление
Алюминий, титан и магний можно улучшить с помощью ПЭО-покрытия, которое формируется в процессе, аналогичном анодированию. При использовании ПЭО металлическая подложка погружается в ванну с щелочным электролитом. Прикладывается напряжение для окисления поверхности и создания плазменных разрядов, которые образуются по всему покрытию, модифицируя его как физически, так и химически.
Благодаря плазменным разрядам в покрытии образуются кристаллиты высокой твердости, что обеспечивает привлекательное сочетание высокой твердости и низкой жесткости. – Идеально подходит для высокой вязкости разрушения, высокой адгезии и, следовательно, износостойкости. Однако именно «зеленые» полномочия PEO действительно вызывают ажиотаж. Покрытия не содержат токсичных побочных продуктов и хрома, что означает простое соответствие требованиям REACH и RoHS.
Сочетание превосходной стойкости к износу и коррозии в сочетании с чистым процессом нанесения делает PEO одним из наиболее многообещающих масштабируемых методов обработки поверхности, появившихся за последние 30 лет.
Химический никель
Химическое никелирование является, пожалуй, самым популярным и эффективным типом химического покрытия алюминия и титана. Он включает в себя осаждение композита Ni-P в химической ванне, позволяющее получить покрытия превосходной однородности, обладающие высокой твердостью, естественной смазывающей способностью, пластичностью и хорошей стойкостью к износу и истиранию. Дополнительную износостойкость можно придать за счет включения в покрытие карбида кремния.
Нанесение никеля хорошего качества может быть проблематичным, поскольку чистота поверхности перед нанесением имеет решающее значение, а любые поверхностные загрязнения могут помешать нанесению покрытия. Аналогичным образом, этот катодный метод вызовет быструю коррозию, если покрытие содержит поры или нарушения. Это была распространенная причина выхода из строя литых сплавов, в результате чего от него отказались в качестве широко распространенного покрытия для гильз цилиндров в двигателях внутреннего сгорания.
Правильное покрытие? Это вопрос применения
Выбор правильного покрытия для компонента в условиях тестирования всегда важен. По этой причине выбор правильного материала и покрытия как единого целостного решения всегда приведет к лучшим результатам.
Одним из основных преимуществ передовых технологий нанесения покрытий является их адаптируемость к конкретным технологическим задачам.