Ocena użytkowników: 4 / 5

Gwiazdka aktywnaGwiazdka aktywnaGwiazdka aktywnaGwiazdka aktywnaGwiazdka nieaktywna
 

Obróbka plazmą materiałów żelaznych – MetalPlasmTM

Plasma treatment of ferrous materials – MetalPlasmTM

Sylwia Mucha
Laboratorium Badawczo-Rozwojowe, P.P.H.U. Elektron, ul. Mostowa 1, 59-700 Bolesławiec, www.s-elektron.pl



Abstrakt:

MetalPlasmTM – nowa technologia mająca na celu podwyższenie właściwości trybologiczne materiałów. Prezentacja wyników badań.

Abstract:

MetalPlasmTM - a new technology designed to increase tribological properties of materials. Presentation of research results.


Słowa kluczowe:  MetalplasmTM, plazma, obróbka metali, właściwości trybologiczne, wiertła

Keywords: MetalplasmTM, plasma, metalworking, tribological properties, bits

Nadesłane 07.03.2018
Przyjęte do druku: 09.03.2018
Dostęp on-line: 15.03.2018
Druk xx.xx.201

 

Wstęp

   Nowe technologie pełnią kluczową funkcję w wytwarzaniu produktów, które muszą spełniać coraz większe wymagania. Rozwój inżynierii materiałowej, technik doświadczalnych prowadzi do odkrywania coraz nowych technologii i wdrażania ich do produkcji. Jedną z takich technologii są technologie oparte na plazmie. Mimo, że termin plazma został wprowadzony przez  Irvinga Langmuira i Lewi Tonksa już w 1928, to do tej pory obserwuje się ciągły rozwój technologii wykorzystujących to zjawisko. Plazma uważana jest za czwarty stan skupienia. Są różne rodzaje plazmy, jedną z nich jest plazma jarzeniowa, która jest mieszaniną cząsteczek obojętnych
i naładowanych (atomy, jony, rodniki, elektrony, fotony). Plazma w ujęciu całego układu jest
w przybliżeniu obojętna, jest to tak zwana quazineutralność plazmy. Plazma oddziałuje z materią w postaci promieniowania oraz bezpośredniego działania cząsteczek. W niskich temperaturach występuje przede wszystkim widmo dyskretne promieniowania – czyli takie, w którym widoczne są tylko odpowiednie długości fali związane z przejściem elektronów między określonymi poziomami energetycznymi jonów i atomów. Plazmę przemysłowo wykorzystuje się między innymi do modyfikacji powierzchni, napylania, topnienia, reakcji chemicznych.
         W ostatnim dziesięcioleciu została opracowana metoda MetalPlasmTM służąca do modyfikacji stopów głównie żelaznych podnosząca właściwości trybologiczne, czyli wytrzymałość na zużycie. Metoda ta jest nową, mimo że przypomina proces azotowania plazmowego. Azotowanie plazmowe polega na działaniu zjonizowanych cząsteczek gazu rozpędzonych w polu elektromagnetycznym znajdujących się w atmosferze komory. Cząsteczki po zderzeniu z materiałem obrabianym, które pełni rolę katody, oddają część swojej energii kinetycznej powodując nagrzanie obrabianego metalu, następuje jonizacja gazu lub jego wzbudzenie. Na obrabianym materiale zachodzą różne zjawiska: implantacja, chemisorpcja, rozpylanie. Możliwe jest zastosowanie jedynie do materiałów przewodzących. Azotowanie jest głównie na powierzchni do 0.6m i wiąże się ze znacznym nagrzaniem materiału oraz dyfuzją azotu do materiału.
MetalPlazmTM – polega na umieszczeniu bezpośrednio w atmosferze plazmy materiału oraz wzbudzenie odpowiedniej plazmy niskotemperaturowej. Dyfuzja  azotu zachodzi w nieznacznym stopniu do materiału, nie następuje znaczące nagrzanie. Modyfikacja zachodzi do 200mm w głąb materiału. Na rysunku 1. przedstawiliśmy widok jednego ze stanowisk do obróbki MetalPlasmTM.

 

Rysunek 1. Stanowisko do obróbki MetalPlasmTM.

Wyniki i wnioski

 

Po badaniach laboratoryjnych skupiliśmy się na badaniach aplikacyjnych oraz określeniu użyteczności opracowanej metody.  Badania były prowadzone we współpracy z wieloma firmami oraz na różnych materiałach. Głównym parametrem testującym było wytrzymałość na zużycie. Poniżej reprezentatywne przykłady przeprowadzonych badań:

  • Noże do zataczania - badania zostały przeprowadzone na 1000 sztukach (nieobrabiane - 350 sztuk, obrabiane - 650 sztuk). Stwierdzono wzrost wytrzymałości średnio o 160%.
  • Gwintowniki - badania na 2050 sztukach (1250 sztuk - nieobrabiane, 1800 sztuk - obrabiane) wzrost wytrzymałości średnio o 44%.
  • Wiertła producenta A - 285 sztuk (50 nieobrobionych, 235 obrabianych) wzrost wytrzymałości średnio o 370 %.
  • Wiertła producent B - 420 sztuk (120 nieobrabianych, 300 obrabianych) wzrost wytrzymałości średnio o 150 %.
  • Zęby do frezarek drogowych zrywających masę bitumiczną – obrabianie plazmą znacznie wydłużyło użyteczność zębów.
  • Koła, bębna, hamulce szynowe do tramwajów – wzrost wytrzymałości o 200%.
  • Noże do cięcia odpadów takich jak opony – wzrost wytrzymałości o 100%.
  • Sita bębnowe przeznaczone do produkcji pasz – wzrost wytrzymałości o  150%.
  • Okładziny do zastosowań militarnych. Stwierdziliśmy inny kształt penetracyjny pocisków. (Badania trwają)

 

Podsumowanie

    Po analizie składu rożnych materiałów (metoda XRD) możemy powiedzieć, że bardzo dobre wyniki uzyskujemy ze stopami zawierającymi żelazo. Udaje się jednak czasami poddać obróbce materiały o innym charakterze np.: karbonado – czarny diament. Badając modyfikacje, możemy stwierdzić, że głębokość zachodzących zmian jest od kilku do kilkunastu milimetrów, w zależności od materiału. Procesy które występują to niwelowanie naprężeń, przegrupowania, zmiany powierzchni. Temperatura prowadzenia oraz odpowiednia częstotliwość wyładowania plazmy powoduje zachowanie kształtu materiału. Nie ma efektu naprężeń wynikających z miejscowego przegrzania.  Technologia nadaje się do skomplikowanych kształtów, jak i do prostych narzędzi. Firmy, które używają tej technologii chwalą sobie zmniejszenie kosztów materiałów i obsługi. Zapraszamy chętnych do udziału w badaniach aplikacyjnych.

Literatura:

1. A. Fridman, “Plasma chemistry”, Cambridge University Press (2008)
2. R.A. Wolf, “Atmospheric pressure plasma for surface modification”, Scrivener Publishing LLC (2013)