12
Κ Α Ι Ν Ο Τ Ο Μ ΙΑ
Ν Ε ΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓ ΊΕΣ
Κεραμικές Επικαλύψεις θερμ ι κού Ψεκασμού
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΙΑΣ ΝΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ
Το 1987, κατά τη διάρκεια
ενός συνεδρίου που
διοργάνωσε το Ινστιτούτο
Τεχνολογίας της
Μασαχουσέτης (Μ.Ι.Τ.) με
θέμα την "Επιστήμη των
Επιφανειών", αίσθηση
προκάλεσε η δήλωση ενός
ομιλητή ότι η πλειοψηφία των
σημαντικών αντιδράσεων και
φαινομένων που συμβαίνουν
στα υλικά, λαμβάνουν χώρα
στην επιφάνεια τους και σε ένα
βάθος μέχρι 100
À.
Αυτό ίσως
ακούγεται υπερβολικό, είναι
όμως ενδεικτικό της μεγάλης
σημασίας που έχουν για τη
συμπεριφορά των υλικών η
φύση, η μορφολογία και οι
ιδιότητες της επιφάνειας τους.
Παράλληλα εξηγεί την μεγάλη
ανάπτυξη που παρατηρείται τα
τελευταία χρόνια στην έρευνα
και εφαρμογή μεθόδων
κατεργασίας της επιφάνειας με
σκοπό να αποκτήσει αυτή τις
επιθυμητές ιδιότητες ανάλογα
με τη χρήση του τελικού
προϊόντος.
του Δρ. Μιχ.Βαρδαβούλια
Προϊσι. Τμήματος Κεραμικών
Επικαλύψεων και Τριβολογίας
ΕΚΕΠΥΑΕ.
72οχλμ.Εθν.οδού Αθψών-Λαμίας
Τ.θ. 146,341ΟΟΧαλχίδα
Τηλ.0262-71226, 71811-15
fax:0262-71461
ΚΕΡΑΜΙΚΈΣ ΕΠΙΚΑΛΎΨΕΙΣ
Μία από τις σημαντικότερες κατεργασίες της
επιφάνειας των υλικών είναι η επίστρωση τους
με κεραμικές επικαλύψεις. Η υψηλή σκληρότη
τα, η χημική αδράνεια και η χαμηλή θερμική
αγωγιμότητα των κεραμικών υλικών, καθιστούν
τις κεραμικές επικαλύψεις ικανές να προστα
τεύσουν άλλα υλικά που αποτελούν το υπό
στρωμα, από οξείδωση, διάβρωση και φθορά
ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως θερμι
κά φράγματα. Πέραν αυτού, οι ηλεκτρονικές και
οπτικές ιδιότητες των κεραμικών καθιστούν τα
λεπτά κεραμικά επιστρώματα σημαντικά για
πολλές ηλεκτρονικές και οπτικές συσκευές.
Επικαλύψεις όπως, TiC, TiN, TiAIN, WC, Al
2
0
3
,
C12O3, Ζ1Ό2 και άνθρακας τύπου διαμαντιού
(DLC), επιδεικνύουν κατά περίπτωση εξαιρετική
σταθερότητα απέναντι σε μηχανική καταπόνηση
και χημική ή θερμική προσβολή. Ως εκ τούτου,
εξαρτήματα επικαλυμμένα με τα ως άνω υλικά
παρουσιάζουν αυξημένο "χρόνο ζωής" και μπο
ρούν να χρησιμοποιηθούν σε περισσότερο
δύσκολες συνθήκες εργασίας.
ΚΕΡΑΜΙΚΈΣ ΕΠΙΚΑΛΎΨΕΙΣ ΜΕ
ΜΕΟΟΔΟΥΣ ΟΕΡΜΙΚΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ
Ο όρος "Θερμικός Ψεκασμός" περιγράφει ένα
σύνολο κατεργασιών κατά τις οποίες λεπτομε
ρή κεραμικά ή/και μεταλλικά σωματίδια που βρί
σκονται σε κατάσταση τήξης ή ρευστοποίησης,
εναποτίθενται με ψεκασμό στην επιφάνεια
κατάλληλα προετοιμασμένου υποστρώματος με
σκοπό την παραγωγή μιας επικάλυψης. Ηαρχή
της μεθόδου φαίνεται στο Σχ. 1. Το αναλώσιμο
υλικό, άρα και η επικάλυψη, μπορεί να είναι
κεραμικό, κεραμομεταλλικό, μέταλλο, ακόμη και
πλαστικό και χρησιμοποιείται σε μορφή σκόνης,
σύρματος ή ράβδου. Η τήξη του μπορεί να γίνει
με καύση αερίων, με ηλεκτρικό τόξο ή με τόξο
πλάσματος. Αρα κάθε υλικό που τήκεται ή ρευ
στοποιείται κατά τη θέρμανση και παράλληλα
διατηρεί τη δομή και σύνθεση του, μπορεί να
χρησιμοποιηθεί ως υλικό ψεκασμού. Ηπρόσφυ
ση της επικάλυψης είναι μηχανική. Κατά τον
ψεκασμό δεν λαμβάνει χώρα τήξη του υπο
στρώματος αφού η θερμοκρασία εκεί σπάνια
ξεπερνά τους 150°C. Επομένως δεν έχουμε στε
ρεό διάλυμα υποστρώματος-επικάλυψης. Αυτό
είναι πολύ σημαντικό, αφού κάθε υπόστρωμα
που δεν υφίσταται κάποιου είδους βλάβη από
τις αναπτυσσόμενες θερμοκρασίες μπορεί να
υποβληθεί σε ψεκασμό. Ετσι, σκληρά μέταλλα
και κεραμικά μπορούν να επικαλύψουν ακόμη
και υποστρώματα από θερμοσκληρυνόμενα
πολυμερή (thermosetting). Η προηγηθείσα
εκτράχυνση της επιφάνειας του υποστρώματος
(συνήθως με αμμοβολή) είναι απαραίτητη για
την καλή σύνδεση υποστρώματος-επικάλυψης.
Ψεκασμός Πλάσματος:
Είναι η σημαντικότερη
από τις μεθόδους επικάλυψης με ψεκασμό. Το
υλικό υπό μορφή σκόνης τήκεται λόγω της
ενέργειας πλάσματος (θερμό ιονισμένο αέριο)
που δημιουργείται με το πέρασμα ενός αερίου
από ηλεκτρικό τόξο το οποίο σχηματίζεται
μεταξύ δύο μη αναλώσιμων ηλεκτροδίων
(Σχήμα 2). Για το σχηματισμό του πλάσματος
συνήθως χρησιμοποιούνται αργό, ήλιο, υδρογό
νο, άζωτο και άλλα αέρια κατά περίπτωση.
Η θερμοκρασία στο πλάσμα μπορεί να ξεπερά
σει τους 10000°C , ενώ στην έξοδο του πλάσμα
τος τους 5500 °C, είναι δηλαδή πολύ υψηλότε
ρη από την θερμοκρασία τήξης οποιουδήποτε
δύστηκτου υλικού. Ηταχύτητα ψεκασμού είναι
της τάξης των 250-600 m/s. Οι συνήθεις κεραμι
κές επικαλύψεις που παράγονται με την μέθοδο
αυτή για προστασία από την φθορά είναι, ΑΙ2Ο3
και
C^Oß.
Αλλα κεραμικά όπως η σταθεροποι
ημένη με ύττρια, ή με ασβέστιο ζιρκόνια και το
ζιρκονικό μαγνήσιο, χρησιμοποιούνται σαν θερ
μικά φράγματα σε εξαρτήματα μηχανών. Το
καρβίδιο του βολφραμίου (WC) με συνδέτη
κοβάλτιο (Co) είναι το συνηθέστερα ψεκαζόμε-
νο μεταλλοκεραμικό για εφαρμογές κατά της
φθοράς.
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του ψεκασμού
πλάσματος σε σύγκριση με τις άλλες μεθόδους
θερμικού ψεκασμού (φλόγας και τόξου) είναι η
ποιότητα της επικάλυψης. Το μεγαλύτερο μειο
νέκτημα του είναι το κόστος του αντίστοιχου
εξοπλισμού.
Δύο νεότερες παραλλαγές του συμβατικού
ψεκασμού με πλάσμα είναι το
πλάσμα υψηλής
ενέργειας
και
το πλάσμα υπό κενό.
Ημέθοδος
ψεκασμού πλάσματος υψηλής ενέργειας δίνει
σημαντικά μεγαλύτερες ενθαλπίες αερίου,
κυρίως στην περιοχή θέρμανσης της σκόνης,
χάρη σε ένα σταθερότερο και μακρύτερο τόξο.
Η ισχύς είναι 2-3 φορές μεγαλύτερη από το
συμβατικό πλάσμα (100-250 αντί για 30-80 KW),
η θερμοκρασία στην έξοδο του πλάσματος είναι
8300 "C και η ταχύτητα πρόσπτωσης των σωμα
τιδίων μέχρι και 1200 m/s. Ητελική επικάλυψη
είναι πολύ υψηλής ποιότητας. Στην περίπτωση
του πλάσματος υπό κενό, χρησιμοποιείται ο
εξοπλισμός του συμβατικού πλάσματος αλλά
σε θάλαμο όπου οι πιέσεις μπορούν να είναι
