Technologie povrchových úprav
1 Úvod
Povrch objektu určuje jeho vzhled
a tvoří rozhraní mezi základním materiálem a okolím. Při běžném používání
výrobků dochází tedy ke vzájemnému styku zakladního materiálu s okolním
prostředím a následně tedy k povrchové degradaci například vlivem opotřebení
nebo koroze. Povrchové úpravy materiálů mají značný podíl na výsledné kvalitě
a vzhledu výrobku. Ovlivňují především živostnost, provozní spolehlivost a
nároky na udržbu.
Moderní
doba přináší nové trendy designu, požadavky na funkční vlastnosti povrchu,
klade důraz na výslednou kvalitu, na celkovou ekonomickou náročnost
a současně na nízkou ekologickou zátěž životního prostředí. Tím vším je
ovlivněn současný rozvoj výrobních technologií a zařízení. Do praxe jsou zaváděny nové výrobní
postupy a meřicí metody, které nám umožňují získat nové – vylepšené vlastnosti
povrchu a povrchové vrstvy součásti.
Technologie povrchových úprav materiálů obecně dělíme na
mechanické, chemické a elektrochemické úpravy. Trendem současnosti je
především levné, nenáročné a ekologicky nezatěžující řešení povrchových úprav,
které nám přináší vývoj speciálních odvětví technologie povrchových úprav.
Hledání nových alternativních řešení povrchových úprav materiálů, které splňují
náročné ekonomické a ekologické kritéria vedlo k vývoji technologie pulzujícího
vodního poprsku. Tato technologie povrchových úprav je nyní intenzivně zkoumána
a zaváděna do praxe.
Vhodná volba správné předúpravy povrchu má zásadní vliv na úspěšnou a
kvalitní aplikaci povrchových úprav a na vlastnosti povlakových systémů.
2 Současný stav
V dnešní době je při volbě technologie povrchové
úpravy kladen velký důraz nejen na výslednou kvalitu, ale i na celkovou
ekonomickou náročnost a současně na nízkou ekologickou zátěž životního
prostředí. Povrchové úpravy materiálu patří mezi běžné technologické procesy,
které nám umožňují získat nové (lepší) vlastnosti povrchu jako je např. zvýšení
odolnosti proti korozi, zlepšení funkčních vlastností (zvýšení odolnosti proti
opotřebení, úpravy elektrické vodivosti, optických vlastností povrchu, lepší
třecí vlastnosti). Dále jsou povrchové úpravy často využívány k docílení
požadovaného designu.
Povrchovými úpravami lze docílit:
Ø změnu struktury povrchových vrstev a
mikrogeometrie povrchu,
Ø uměle vytvářené povrchové úpravy, které
mají odlišné chemické složení, fyzikální vlastnosti než základní materiál.
Povrch je hodnocen jako obálka makroskopického objektu,
která tvoří hranici mezi základním materiálem a okolím. Povrch objektu určuje
jeho vzhled a tvoří rozhraní mezi dvěma fázemi. U velkých objektů s malým
poměrem povrchu k jeho objemu jsou fyzikální a chemické vlastnosti povrchu
určeny především vlastnostmi základního materiálu. U malých objektů s velkým
poměrem jsou jejich vlastnosti výrazně ovlivněny povrchem. Funkční vlastnosti
povrchu nejsou závislé jen na vnější vrstvě, která tvoří rozhraní, ale také na
oblasti směřující pod povrch. Využití charakteristik povrchu směrem do hloubky
materiálu je jistým stupněm klasifikace povrchu, kterému odpovídá i rozdělení
oblastí povrchu.
3 Technologie povrchových úprav kovů
Úpravy povrchu a mikrogeometrie povrchu lze obecně
rozdělit jako:
Ø mechanické
- otryskávání
- omílání
- broušení, leštění, kartáčování
- povrchové zpevňování
- jiné (válečkování, tryskání suchým
ledem, pulzující vodní paprsek)
Ø chemické a elektrochemické úpravy
- odmašťování
- moření
- leštění, leptání
3.1 Mechanické úpravy
Mechanické úpravy povrchových vrstev materiálu, mezi které
patří tryskání, omílání, broušení, leštění, kartáčování a jiné provádíme
z následujících důvodů:
Ø čištění povrchu materiálu (odstraňování
okují z výkovků, čištění odlitků),
Ø vytvoření podmínek pro zakotvení povlaku,
Ø vytvoření podmínek pro zvýšení korozní
od,olnosti
Ø vzhledové požadavky,
Ø zlepšení mechanických vlastností
(pevnost, mez únavy).
3.1.1 Otryskávání
Otryskávání je způsob mechanického opracování povrchu, při
kterém se tryskací materiál (ocelové broky, sekaný drát, písek,…) vrhá velikou
rychlostí proti povrchu součásti. Intenzita čistění povrchu je závislá na mnoha
faktorech. Kvantitativní účinek otryskávání je závislý na tvaru zrna, rychlosti
letu, úhlu dopadu, vzdálenosti tryskáče od předmětu, druhu použitého materiálu.
Tvrdá ostrá zrna způsobují čištění povrchu a odstraňují
z něj i částice kovu tím, že se do povrchu zasekávají. Po otrykávání je
povrch drsný, pokrytý množstvím malých kráterů.
Pro docílení vyhlazovacího účinku se využívá sespenze vody
a brusiva. Voda snižuje účinek tryskání a zabraňuje tak vzniku malých kráterů
na povrchu materiálu, po otryskávání je
povrch materiálu hladký.
Kulatá zrna čistí a zpevňují povrch, který je po otryskání
pokryt mělkými důlky. Úběr kovu je nepatrný. Je zde nebezpečí, že zbytky
nečistot se zatlačí do povrchu. Povrch je hladší a zpevněný, je odolnější proti
korozi, je méně vhodný pro zakotvení povlaku. Měkká zrna povrch jen leští.
Tab.
3.1: Výhody a nevýhody otryskávání
Výhody |
Nevýhody |
· odstranění nečistot a
zpevnění povrchu |
· zbytky nečistot se zatlačí
do povrchu |
· rez lze snadno odstranit
dokonce i z hlubokých otvorů |
· vysoká prašnost |
· na rozdíl od broušení
podklad lépe odolává horku |
|
3.1.2 Omílání
Omílání je způsob mechanické úpravy povrchu malých
předmětů, který se používá k odjehlování, leštění, odstraňování zbytků tavidel
po svařování, odstraňování zbytků korozních zplodin, zpevňování povrchu. Jedná
se o technologii, kdy při vzájemném odírání předmětů, omílajících těles,
brusiva a kapaliny v otáčejícím se bubnu nebo zvonu dochází
k mechanické úpravě povrchu.
Omílání je vhodné především pro menší předměty oblých
tvarů do váhy asi
Při omílání se v bubnu vytváří dvě oblasti. První je
nosná vrstva, která má tvar prstence, druhá je jádro. V aktivní vstvě
probíhá 90% omílání. Velikost aktivní vrstvy závisí na naplnění bubnu. Při
optimálním plnění 40 – 60% dosahuje aktivní vrstva největší délku a předmět
v ní setrvává po ¾ otáčky.
Tab.
3.2: Výhody a nevýhody omílání
Výhody |
Nevýhody |
· odstraňuje se ruční
broušení a leštění |
· nerovnoměrný úběr
z povrchu předmětu |
· snižují se výrobní
náklady, levný provoz |
· možnost poškození
členitých výrobků |
· zvyšuje se výrobnost |
· nelze omílat předměty, u
kterých otupení hran znamená poškození výrobku |
· snižuje se zmetkovitost |
|
· zpevnění povrchu, zvýšení
odolnosti proti korozní |
|
3.1.3 Broušení, leštění, kartáčování
Velmi často se používají jako úpravy před vytvářením
povlaku nebo i jako konečné úpravy. Broušením je způsob mechanického opracování
povrchu, kterým se obvykle připravuje základní povrch pro kartáčování nebo
leštění. Kartáčování se používá k odstraňování hrubých nečistot, rzi,
starých nátěrů, zjemnění upraveného povrchu před leštěním a pro dosažení
stejnoměrného vzhledu. Leštěním se upravuje základní povrch a povlak.
V povrchových úpravách má broušení a leštění poněkud
jiný charakter než při přesném obrábění broušením. Zde se nepřihlíží tolik
k přesnosti rozměrů, ale spíše k odstranění nerovnosti povrchu za
účelem dosažení lesku nebo vhodného povrchu pod následující povlak.
Tab.
3.3: Výhody a nevýhody broušení, leštění, kartáčování
Výhody |
Nevýhody |
· lze částečně (kartáčováním, leštěním) nebo téměř
úplně (broušení) odstranit vady povrchu |
· ruční broušení,
kartáčování a leštění je namáhavé a nehygienické |
|
· prašnost |
3.1.4 Speciální metody
3.1.4.1 Válečkování
Válečkování je beztřísková metoda obrábění, která zlepšuje
kvalitu povrchu bez jakéhokoliv úběru materiálu. Válečkovací nástroje fungují
na principu přitlačení odvalovaného tvrdého prvku k povrchu obrobku, čímž na
povrchu obrobku vyvinou tlak, který překračuje mez kluzu materiálu. Takto se
srovnají na povrchu soustruženého obrobku výstupky a prohlubně, čímž se povrch
zhutní a stane rovnoměrným. Tato beztřísková metoda obrábění odstraňuje vady a
nerovnosti povrchu s přesností na tisíciny milimetru. Odvalování nástroje
stlačuje zrna struktury kovu, čímž se zvyšuje jeho povrchová tvrdost o 50
- 100 %. Materiál se válečkováním elasticky deformuje a tím roste jeho pevnost
i pod povrchem.
Tab.
3.4: Výhody a nevýhody válečkování
Výhody |
Nevýhody |
· přesnost, kvalitní a
zpevněný povrch |
· zahřívání součástí |
· odstraňuje se broušení |
· teplota způsobená třením
se odráží na změnách rozměrů |
· snižuje riziko únavy
materiálu |
|
· zvyšuje odolnost obrobku a
jeho otěruvzdornost i korozivzdornost |
|
· nízká pořizovací cena |
|
3.1.4.2 Tryskání suchým ledem
Tryskání
suchým ledem je obdobou pískování, otryskávání plastovými granulemi, sodou
apod. Médium (pelety suchého ledu) je akcelerováno tlakovým vzduchem (obvykle
6 - 8 m3/min při 6 - 9 barech) a směrováno na povrch,
který má být čištěn. Unikátní předností suchého ledu je to, že po dopadu na
povrch ihned sublimuje do okolní atmosféry.
Metoda
kombinuje disipaci energie při nárazu a rychlý transfer chladu ze suchého ledu
na povrch. Fenomén bývá nazýván termickým šokem. Pelety během sublimace z pevné
do plynné fáze mnohonásobně (800x) zvětšují svůj objem a tím napomáhají ke
snadnému "odloupnutí" zkřehlého povlaku.
Tab. 3.4: Výhody a nevýhody tryskání suchým ledem
Výhody |
Nevýhody |
· nedochází k poškození podkladu |
· větší náročnost skladování
suchého ledu |
· nevzniká sekundární odpad |
· vyšší pořizovací náklady |
· zařízení jsou čištěna přímo na místě použití |
|
· odpadá potencionální tvorba koroze |
|
· metoda je šetrná k životnímu prostředí |
|
3.2 Chemické a elektrochemické úpravy
Při chemických úpravách povrchu se vytvářejí povlaky,
které vznikají chemickou reakcí mezi základním materiálem a chemickým roztokem.
Tyto vrstvy zlepšují korozní odolnost základního materiálu, zlepšují přídržnost
následných povlaků, nebo zlepšují vzhled předmětu. Mezi tyto technologie patří
např. chromátování, chemická oxidace ocelí nebo elektrochemická oxidace
hliníku. Do této skupiny ptří rovněž chemické a elektrochemické leštění kovů.
Elektrochemické úpravy povrchu založené na galvanickém vylučování kovů slouží
k vytváření ochranných protikorozních vrstev, funkčních povlaků a rovněž
povlaků zlepšujících vzhledové vlastnosti výrobků.
3.2.1 Odmašťování
Povrchu výrobku se
zbavuje mastnot, olejových a jiných nečistot. Jde o souhrnný název pro
odstraňování všech druhů ulpělých nečistot z povrchu materiálu, které jsou
vázány buď fyzikální adsorpcí, nebo adhezními silami. Úkolem odmašťovadel je
uvolnit tyto nečistoty z povrchu materiálu a převézt je do roztoku nebo
emulze a tedy zabránit jejich zpětnému vyloučení na povrch materiálu. Preferuje
se odmašťování za studena.
3.2.2 Moření
Je to chemický proces, ve
kterém dochází k odstranění povlaku z povrchu materiálu rozpuštěním
v kyselině a vytvoření vhodného reliéfu povrchu. Oxidické vrstvy jsou
porézní, kdy póry prochází kyselina a podleptává povlak. Vodík ve formě
bublinek podporuje svým tlakem odtrhávání lidické vrstvy. V současnosti je
snaha omezit exhaláty znečišťující ovzduší.
Po moření je nutné
provést oplach v teplé a studené vodě z důvodů odstranění zbytků
lázně z povrchu. Povrch je vysoce reaktivní s okolním prostředím.
Snadno mohou vznikat lidické vrstvy. Tomuto jevu zabráníme pasivací povrchu.
3.2.3 Leštění, leptání
Elektrolytické leštění je
založeno na zcela jiném principu než mechanické leštění. Vzorek je zapojen jako
anoda a je ponořen do elektrolytu. Proudová hustota je největší v těch
místech, kde je tloušťka filmu nejmenší (tam vrstva produktů klade elektrickému
proudu nejmenší odpor). Proto se výstupky na vzorku při správných pracovních
podmínkách rozpouštějí a povrch kovu se postupně uhlazuje.
Leptání je proces, při
němž na vyleštěný povrch vzorku působí různá chemická leptadla. Provádí se
ponořením vzorku do vybraného leptacího činidla o správné koncentraci a teplotě
po určitou dobu. Leptací činidlo na povrchu vzorku napadá přednostně
energeticky bohatá místa, např. hranice zrn, fázová rozhraní mezi různými
fázemi. Způsob leptání materiálu lze rovněž volit volbou činidla a pracovní
teploty. V praxi rozlišujeme několik způsobů leptání.
4 Vzniklý povrch a jeho vlastnosti
Nositelem kvalitativních
charakteristik v procesu obrábění je obrobek, resp. strojní součástka.
Geometrie obrobené součástky se liší od ideální geometrie zadané výkresem.
Na obrobené ploše jsou mikronerovnosti. Silovým účinkem nástroje se tenká
povrchová vrstva pod obrobenou plochou deformuje. V důsledku deformace a
ohřívání povrchové vrstvy teplem, které vždy vzniká při obrábění, vznikají
v této vrstvě napětí a mění se i její fyzikálně-mechanické vlastnosti.
Když všechny tyto skutečnosti působí na funkční vlastnosti obrobené součástky,
je třeba stav a jakost obrobené plochy ustavičně sledovat a vyhodnocovat.
Celková kvalita povrchu
je hodnocena jako integrovaná charakteristika strojových součástek a je složena
z následujících prvků:
Ø geometrií obrobeného povrchu - sem patří rozměrová přesnost, odchylky
geometrického tvaru a polohy, vlnitost a drsnost
Ø fyzikálně-mechanickými vlastnostmi povrchové
vrstvy - tvrdost, zpevnění
a zbytkové napětí
Ø fyzikálně-chemickým stavem povrchu - strukturální změny, změny chemického složení,
plastická deformace, opal povrchu a jiné
Stav a kvalita povrchové
vrstvy obrobeného kovu mají vliv na únavovou pevnost, odolnost proti
opotřebení, protikorozní stabilitu, na kvalitu lícování apod. Stav a kvalita
povrchové vrstvy jsou velmi důležité aspekty, hlavně pro dynamicky namáhané
součástky, které se začínají porušovat zpravidla od povrchu.
4.1 Fyzikální
Optické plochy vyžadují
dokonalý geometrický tvar a minimální drsnost povrchu. Jejich vlastnosti jsou
určovány parametry, jako je hladkost, lesklost, propustnost světla apod.
Zvláštních optických vlastností povrchu lze dosáhnout různými úpravami. Jedná
se o odrazové plochy, interferenci světla apod.
Tření na povrchu
materiálu může být žádoucí i nežádoucí. U strojních součástí se většinou
snažíme o co nejmenší koeficient tření na stykových plochách. Proto se nanášejí
nejrůznější povlaky, které jsou velmi tvrdé a hladké. V opačném případě
požadujeme vysokou hodnotu tření u protiskluzových ploch, jako jsou například
dlaždice.
Tepelná vodivost a
roztažnost povrchových vrstev může být vlivem použité technologie jiná než ve
zbylé části materiálu. To může být opět výhodou nebo i nevýhodou.
4.2 Chemické
Chemické změny
v obrobených plochách jsou způsobené difuzí v souvislosti
s vysokými teplotami v zóně řezání a existencí chemického potenciálu
mezi nástrojem a třískou. Obvykle jsou spojené s aplikací spékaných
karbidů jako nástrojového materiálu. Teplotní stabilita nástrojů z rychlořezné
oceli je jen do oblasti přibližně
4.3 Mechanické
4.3.1 Zpevnění
povrchu
Deformace povrchové vrstvy po obrábění vyvolávají
mimo tvorby mikronerovnosti povrchu i změnu mikrostruktury a změnu některých
fyzikálně-mechanických vlastností. Obvykle hovoříme o jejím zpevnění.
4.3.2 Zbytkové
napětí
Zbytkové napětí jsou jedním z projevů
použitých technologií obrábění. Po výrobním procese zůstávají
v součástkách a konstrukcích a působí neustále i bez vnějšího zatížení.
Svým působením významně ovlivňují funkčnost obrobených povrchů.
4.3.3 Trhliny
Vznik trhlinek
v obrobeném povrchu je především tepelně indukovaný proces spojený
s tepelným poškozením obrobeného povrchu. Trhlinky na povrchu vznikají
v důsledku relaxace tahových zbytkových napětí, v případě, že jejich
velikost překročí mez pevnosti materiálu. Trhlinky na povrchu obrobku jsou
z hlediska jeho funkčnosti jako strojní součásti nežádoucí a
neakceptovatelné. Jsou výsledkem nevhodně zvolené technologie obrábění, funkcí
opotřebení nástroje apod. Často jsou viditelné nejen pod mikroskopem, ale můžou
být viditelné i pouhým okem.