Co powłoka musi zrobić na tytanie
Tytan jest odporny na korozję dzięki pasywnej warstwie tlenku, ale ta sama warstwa sprawia, że metal jest podatny na zacieranie się i zużycie adhezyjne, a ponadto nie chroni przed utlenianiem w wysokiej temperaturze. Powłoki inżynieryjne stosuje się z trzech powodów: w celu zmniejszenia tarcia i zużycia, w celu wydłużenia temperatury użytkowania powyżej około 500 stopni, w której następuje szybki wzrost tlenków, oraz w celu zapewnienia bariery w środowiskach chlorkowych lub kwasowych, w których narażony jest naturalny film.
Waga i wytrzymałość zostają zachowane, ponieważ grubość powłoki wynosi od kilku do kilkuset mikrometrów, więc część tytanowa zastąpiona częścią z powlekanego tytanu nie traci 40% przewagi masy, jaką posiada nad stalą.
Przygotowanie powierzchni przed jakąkolwiek powłoką
O przyczepności tytanu decyduje się przed zamknięciem komory powlekającej. Zgorzelinę i warstwy powierzchniowe-wzbogacone w tlen usuwa się poprzez piaskowanie, obróbkę skrawaniem lub trawienie, zgodnie z praktyką taką jak ASTM B600 dotycząca usuwania zgorzeliny i czyszczenia tytanu. Następnie powierzchnia jest odtłuszczana, aktywowana i utrzymywana w stanie wolnym od zanieczyszczeń żelazem ze stalowych szczotek, stojaków lub narzędzi, ponieważ osadzone żelazo tworzy ogniwa galwaniczne, które podważają warstwę podczas użytkowania.
W przypadku komponentów medycznych i implantów przygotowanie i czyszczenie są zgodne z normą ASTM F86, która określa kolejność pasywacji i wymaganej obsługi, aby powierzchnia nie uległa degradacji po końcowej obróbce. Komponenty są suszone i przekazywane do procesu powlekania bez odcisków palców, ponieważ zanieczyszczona powierzchnia powoduje powstawanie miejscowych pęcherzy, a nie jednolitą warstwę.
Rodziny powłok i miejsca, w których każda z nich pasuje
| Rodzina | Typowa grubość | Funkcjonować |
|---|---|---|
| Tlenek anodowy | 1 – 30 µm | Odporność na zużycie, kodowanie kolorami, łagodna bariera antykorozyjna |
| Warstwy azotku PVD | 1 – 5 µm | Odporna na zużycie powierzchnia narzędzi i elementów złącznych |
| Węgliki i tlenki natryskiwane termicznie | 50 – 500 µm | Odporność na ścieranie i bariera termiczna na dużych częściach |
| Tlenek elektrolityczny plazmowy | 5 – 40 µm | Twarda warstwa ceramiczna zapewniająca kontakt z dużymi obciążeniami |
Anodowanie jest kontrolowane na podstawie elektrolitu, gęstości prądu i czasu, a stan warstwy jest określony w normie AMS 2488, która definiuje rodzaje powłok i testy akceptacyjne, a nie pojedynczą stałą grubość. Warstwy azotków osadzone poprzez fizyczne osadzanie z fazy gazowej osiągają mikrotwardości w zakresie od 2000 do 3200 HV, w zależności od składu, a natryskiwane termicznie warstwy węglika zazwyczaj dają 1000 do 1300 HV przy znacznie większej grubości, co odpowiada częściom, które muszą być odporne na zgrubne ścieranie, a nie drobne zużycie ślizgowe.
Okna procesowe i kontrola przyczepności
Temperaturę osadzania utrzymuje się poniżej poziomu, przy którym wchłanianie tlenu i azotu staje się znaczące, lub też zabieg przewiduje późniejsze usunięcie dotkniętej warstwy.
Jakość próżni i docelowa czystość są monitorowane, ponieważ resztkowy tlen w komorze zmienia stechiometrię warstwy azotku.
Odprężenie podłoża i trawienie jonowe przed osadzeniem poprawiają przyczepność w sposób bardziej niezawodny niż zwiększanie grubości powłoki.
Ostre krawędzie i głębokie, nieprzelotowe otwory zniekształcają rozkład grubości i najlepiej je zaokrąglić lub zamaskować przed obróbką.
Pochłanianie wodoru minimalizuje się poprzez utrzymywanie krótkiej ekspozycji na działanie kwasu i unikanie wszelkich etapów trawienia, w wyniku których wytwarza się wolny wodór na części o wysokiej wytrzymałości.
Kryteria kontroli i akceptacji
Grubość warstwy sprawdza się za pomocą skalibrowanego miernika magnetycznego lub wiroprądowego na powlekanej próbce z tej samej serii, popartej pomiarem-przekroju poprzecznego. Przyczepność sprawdzana jest metodą zginania, zarysowania lub wcięcia odpowiednią dla warstwy, a twardość potwierdzana jest badaniem mikrotwardości na wypolerowanym odcinku. W razie potrzeby odporność na korozję wykazuje się neutralną mgłą solną zgodnie z normą ISO 9227, a kontrola wzrokowa potwierdza konsystencję koloru i krycia, zwłaszcza na częściach anodowanych, gdzie kolor jest funkcją grubości warstwy.
Powtarzającym się błędem jest ocenianie powłoki wyłącznie na podstawie jej wyglądu. Jasny, jednolity kolor może ukryć warstwę, która jest zbyt cienka, aby ją chronić, a gruba warstwa może być porowata i odklejać się pod obciążeniem. Obydwa stany są wykrywane na podstawie pomiaru, a nie wzroku.
Często zadawane pytania
P: Jaką powłokę stosuje się do kolorowych elementów złącznych z tytanu?
Odp.: Anodowa warstwa tlenku o grubości kilku mikrometrów, nałożona w taki sposób, że interferencja światła powoduje wytworzenie koloru. Stan warstwy określono w normie AMS 2488.
P: Czy tytan można powlekać bez utraty jego wagi?
O: Tak. Powłoki inżynieryjne mają grubość od 1 do 500 mikrometrów w zależności od rodziny, więc przyrost masy jest niewielki w porównaniu z wytrzymałością i sztywnością części podstawowej.
P: Dlaczego temperatura powlekania jest ograniczona?
Odp.: Tytan agresywnie absorbuje tlen, azot i wodór w temperaturze powyżej około 500 stopni, co powoduje kruchość powierzchni i może zmniejszyć trwałość zmęczeniową.
P: W jaki sposób sprawdzana jest przyczepność powłoki?
Odp.: Za pomocą testów zginania, zarysowania lub wgniecenia powlekanych próbek z tej samej partii, wspartych pomiarem mikrotwardości i grubości warstwy w przekroju poprzecznym.
P: Czy powłoka zastępuje naturalną folię pasywną?
O: To uzupełnia. Warstwa konstrukcyjna jest odporna na zużycie i obciążenia termiczne, podczas gdy warstwa tlenku tytanu w dalszym ciągu zapewnia znajdującą się pod spodem barierę antykorozyjną.
