2.2.P.02: Inżynieria powierzchni materiałów konstrukcyjnych metalowych

Transkrypt

1 2nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 29th-30th November Panel nt. Produkt oraz materiał z jakiego dany produkt został wykonany zdeterminowany przez oczekiwane własności funkcjonalno-użytkowe wynikające z potrzeb klienta 2.2.P.02: Inżynieria powierzchni materiałów konstrukcyjnych metalowych A. Zarychta, J. Ćwiek Politechnika Śląska MATERIAŁY METALOWE RYS HISTORYCZNY Rozwój cywilizacji był i jest ściśle związany z wytwarzaniem przez człowieka nowych materiałów i opracowywaniem nowych technologii Epoki w paleoantropologii: Kamienia (ok. 1 mln lat /2000 p.n.e.) Miedzi (ok lat /2000 p.n.e.) Brązu (ok /750 p.n.e.) Żelaza (ok p.n.e. - do połowy XIX w.) Żeliwo (od ok. 1400) Stal (H. Bessemer połowa XX w.) - rozwój cywilizacji technicznej i kapitalizmu Aluminium (H. Davy 1808,H.Ch. Oersted , Ch. Hall/P. Herout ) Tytan (W. Gregor , W. Kroll 1946) Półprzewodników (od połowy XX w.) i innych materiałów zaawansowanych (kompozytów, nanomateriałów, materiałów inteligentnych, biomateriałów)

2 MATERIAŁY METALOWE STAL 2nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading Table 1: technologies Apparent steel of engineering use materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 29th-30th November 2009 MATERIAŁY METALOWE STAL Short range outlook for apparent steel use ( ) in tons Regions /08 08/09 09/10 EU (27) % -32.6% 12.4% Other Europe % -17.8% 14.4% CIS % -30.8% 8.2% NAFTA % -35.8% 17.1% Central and South America % -24.4% 9.7% Africa % 0.4% 11.4% Middle East % -9.8% 10.6% Asia and Oceania % 5.1% 7.6% World 1, , , % -8.6% 9.2% BRIC % 13.0% 5.9% World (excl. BRIC) % -26.8% 13.6% World (excl. China) % -24.4% 13.1%

3 MATERIAŁY METALOWE STAL Produkcja stali odpornych na korozję i żaroodpornych w mln. tonach Region Qrt 1 Qrt 2 Qrt 3 Qrt 4 Year 2008 Western Europe/Africa 2,432 2,433 1,908 1,499 8,272 Central + Eastern Europe The Americas ,315 Asia w/o China 2,167 2,317 2,079 1,505 8,068 China 1,972 1,889 1,653 1,430 6,943 World 7,376 7,421 6,277 4,856 25,930 Najwięksi producenci stali na świecie w 2008 r. (mln. ton ): Chiny 500,5 Japonia 118,7 Stany Zjednoczone 91,4 Rosja 68,5 Indie 55,2 Polska 9,7 Największe firmy produkujące stal w 2008 r. (mln. ton ): Arcelor Mittal 101,6 Nippon Steel 37,5 Baosteel Group 35,4 Hebei Steel Group 33.3 JFE 32.4 MATERIAŁY METALOWE STAL

4 MATERIAŁY METALOWE NIEŻELAZNE Wielkość światowej produkcji stopów niklu i kobaltu Produkcja światowa metali nieżelaznych w mln. ton aluminium 33,9 miedź 17,4 tytan 0,1 WARSTWA WIERZCHNIA 80-90% uszkodzeń zaczyna się na powierzchni lub bezpośrednio pod nią, wynika to z fizycznych podstaw mechanizmów niszczenia. Dlatego tak istotne jest dbanie o jakość warstwy wierzchniej i powierzchni produkowanego wyrobu. Jest to bezpośredni powód tworzenia warstw wierzchnich, które podwyższałyby odporność materiału na zewnętrzne obciążenia (mechaniczne, cieplne, chemiczne). Taką warstwę nazywamy technologiczną warstwą wierzchnią.

5 WARSTWA WIERZCHNIA Technologiczna warstwa wierzchnia jest to ta część materiału przylegająca do powierzchni wraz z powierzchnią, której własności fizyczne różnią się od reszty materiału nazywanego rdzeniem. CHARAKTERYSTYKA WARSTW POWIERZCHNIOWYCH Profil nierówności powierzchni, Wykres liniowego udziału nośnego (krzywa nośności), Skład chemiczny i fazowy, Makro i mikrostruktura, Rozkład twardości w funkcji odległości od powierzchni, Rozkład naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni.

6 WŁASNOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH Cechy ważne z punktu widzenia użytkowania wytworzonej warstwy wierzchniej, czyli celu dla, którego się ją tworzy: Odporność na zużycie trybologiczne, erozyjne i kawitacyjne, Odporność na korozję elektrochemiczną i chemiczną, Wytrzymałość zmęczeniowa, Estetyczny wygląd. TECHNOLOGIE WARSTW POWIERZCHNIOWYCH WYROBÓW METALOWYCH mechaniczne (nagniatanie, kulkowanie, młotkowanie), cieplno-mechaniczne (natryskiwanie: gazowe, łukowe, plazmowe, detonacyjne; platerowanie; utwardzanie detonacyjne) cieplne (hartowanie powierzchniowe; nadtapianie; napawanie; natapianie), cieplno-chemiczne (nasycanie dyfuzyjne niewspomagane i wspomagane; stopowanie; CVD), chemiczne i elektrochemiczne (powłoki malarskie i z tworzyw sztucznych; warstwy galwaniczne i konwersyjne; fizyczne (implantowanie jonów, PVD).

7 Stopy żelaza: MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE METALOWE Stale maszynowe (do ulepszania cieplnego, nawęglania, azotowania, na sprężyny i resory, na łożyska toczne) Stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno Stale spawalne Stale na elementy złączne Stale do pracy w podwyższonej temperaturze Stale żaroodporne i żarowytrzymałe Stopy nieżelazne: Stopy aluminium Stopy miedzi Stopy tytanu Nadstopy żarowytrzymałe niklu i kobaltu STALE MASZYNOWE Hartowanie powierzchniowe, nawęglanie, azotowanie, nagniatanie Kulkowanie, piaskowanie, polerowanie Natryskiwanie cieplne i plazmowe (Al, Cr, Ti, WC-Co. Zr, WC-Ni) PVD (TiAIN, TiN, MoS 2, PTFE)

8 STALE NA WYROBY PŁASKIE DO KSZTAŁTOWANIA NA ZIMNO Powłoki zanurzeniowe i galwaniczne Zn, Zn-Fe Powłoki z tworzyw sztucznych i lakiernicze 1 faza gamma γ 2 faza delta δ 3 faza dzeta ζ 4 cynk STALE SPAWALNE Okręty wojenne i statki Konstrukcje przybrzeżne (platformy wiertnicze i wydobywcze) Rurociągi przesyłowe ropy i gazu ziemnego (naziemne i podwodne) Zbiorniki ciśnieniowe Ciężkie maszyny i pojazdy robocze, dźwigi samojezdne, czołgi Konstrukcje budowlane (budynki, mosty) Powłoki zanurzeniowe i natryskiwane Zn Powłoki platerowane Ni-Cu Powłoki malarskie

9 STALE NA ELEMENTY ZŁĄCZNE Śruby Wkręty Nity Kołki Kotwy Najczęściej stosowane materiały: - Niestopowe stale konstrukcyjne do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego (C ~ 0,2%) - Wysokostopowe stale o szczególnych własnościach nierdzewne i kwasoodporne Powłoki galwaniczne i zanurzeniowe (Zn, Cd) Powłoki malarskie STALE DO PRACY W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE Powłoki natryskiwane cieplnie: Al 2 O 3 / Cr-Ni; Cr x C y / Cr-Ni Powłoki platerowane ze stali Cr-Ni Powłoki malarskie Erozja rur komory paleniskowe w kotle energetycznym Korozja siarkowa rur komory paleniskowe w kotle energetycznym

10 STALE ŻAROODPORNE I ŻAROWYTRZYMAŁE Powłoki i warstwy natryskiwane cieplnie Warstwy napawane Powłoki PVD Widok powierzchni czołowej grzybka zaworu natryskanej plazmowo warstwą ceramiczną ZrO 2 -Y 2 O 3 Elementy wykonane ze stali oporowej Cr-Ni STOPY ALUMINIUM Powłoki galwaniczne Powłoki platerowane Powłoki konwersyjne anodowanie i barwienie Nadtapianie i stopowanie laserowe Powierzchnia anodowanego Al

11 STOPY MIEDZI Powłoki galwaniczne (Ni, Cr, Sn, Ag, Au) Powłoki nanoszone PVD Powłoki konwersyjne barwienie Powłoka Ti/CrN naniesiona na podłoże ze stopu CuZn40Pb2 STOPY TYTANU Powłoki konwersyjne anodowanie Powłoki nanoszone CVD i PVD

12 NADSTOPY ŻAROWYTRZYMAŁE NIKLU I KOBALTU Bariery cieplne natryskiwane plazmowo lub nanoszone PVD np. tlenek cyrkonu (ZrO 2 ) stabilizowany tlenkiem itru (Y 2 O 3 ) Warstwy przejściowe aluminidkowe lub MCrAlY nanoszone CVD/PVD Implantowanie jonów TECHNOLOGIE KRYTYCZNE Natryskiwanie cieplne (plazmowe, naddźwiękowe) Nadtapianie laserowe Stopowanie laserowe Implantowanie jonów

13 ANALIZA SWOT NATRYSKIWANIE CIEPLNE PLAZMOWE Mocne strony Możliwość tworzenia warstw powierzchniowych z różnych materiałów Podwyższenie wielu własności (odporności na zużycie tribologiczne, erozyjne i kawitacyjne, odporności na korozję, odporności na wysoką temperaturę) Możliwość nanoszenia warstw na gotowych obiektach Słabe strony Wysoki koszt urządzeń technologicznych Brak możliwości analitycznego przewidywania trwałości warstw Szanse Możliwość uzyskania środków na zakup urządzeń technologicznych z UE Niewielkie rozpowszechnienie technologii w kraju Potrzeba modernizacji i rozwoju urządzeń energetycznych) Wzrost konkurencyjności przedsiębiorstwa Zagrożenia Kryzys gospodarczy dotykający wiodące gałęzie przemysłu (energetyka, przemysł samochodowy i lotniczy) Konkurencja ze strony innych technologii Dziękuję za uwagę