Inżynieria powierzchni
Inżynieria powierzchni jest wyodrębnionym działem inżynierii materiałowej zajmującym się strukturą materiałów warstwy wierzchniej wyrobów, procesami ich modyfikowania oraz wytwarzania, także degradacją ich składników mikrostruktury, prowadzącą do zużycia tych wyrobów – elementów maszyn i urządzeń podczas eksploatacji.
Inżynieria powierzchni (wydanie II) to nowe wydanie znanego podręcznika, wydanego przez wydawnictwo WNT jeszcze w 2009 r. Postępy w nauce inżynierii powierzchni przez ostatnie 10 lat były tak duże, że obecne wydanie bardzo różni się od poprzedniego i ma wiele aktualnych, ciekawych treści. Poza uaktualnieniem wiedzy dotyczącej opisywanych zjawisk, podręcznik od poprzedniego wydania, będzie się różnił tym, że główny nacisk zostanie położony na podstawy chemiczne i fizyczne opisywanych procesów.
W treści podręcznika Inżynieria powierzchni (wydanie II) wyodrębniono dwie główne części. Rozdziały 1–5 dotyczą charakteryzacji fizycznych i chemicznych zjawisk stanowiących podstawy inżynierii powierzchni, natomiast rozdziały 6–13 dotyczą procesów wytwarzania warstwy wierzchniej lub osadzania powłok ochronnych na powierzchnie wyrobów.
Autorem podręcznika jest prof. dr hab. inż. MAREK BLICHARSKI, profesor zwyczajny
na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Katedrze Inżynierii Powierzchni i Analiz Materiałów, wieloletni członek senatu AGH.
Podręcznik będzie przydatny studentom studiów technicznych kierunków: materiałoznawstwo, inżynieria materiałowa, mechanika i budowa maszyn czy inżynieria produkcji. Będzie również mógł być wykorzystany przez inżynierów materiałoznawców, mechaników czy służby utrzymania ruchu w przedsiębiorstwach.
Patronat medialny:
(…) Autor książki prof. dr hab. inż. Marek Blicharski przedstawił opracowanie odpowiadające pilnemu zapotrzebowaniu szerokiego kręgu czytelników pogłębiających wiedzę w zakresie inżynierii powierzchni - studiujących w uczelniach technicznych i inżynierów praktyków pracujących w przemyśle. Potrzebę przygotowania takiej książki wzmacnia, oprócz wciąż ciągłego opracowania nowych materiałów i technologii materiałowych, także dynamiczny rozwój urządzeń i aparatury umożliwiającej prowadzenie wysoko zawansowanych procesów wytwarzania warstw i powłok na wyrobach i które obecnie znajdują się na wyposażeniu wielu firm w przemyśle. Przedstawiona książka, w mojej opinii, jest opracowaniem kompletnym i wyróżniającym się nie tylko w krajowej literaturze technicznej także w światowej. W opinii uwzględniam wysoki poziom scharakteryzowania zagadnień naukowych i ich zakres, także omówienie danych technicznych i technologicznych cechujących procesy modyfikowania warstwy wierzchniej lub wytwarzania powłok ochronnych na powierzchni wyrobów o prognozowanych właściwościach użytkowych. Na wysokim poziomie i wyczerpująco wykazano także praktyczne zastosowanie zarówno modyfikowanych materiałów warstw jak również stosowanych materiałów na osadzane powłoki. Dotyczy to również doboru rodzaju i warunków procesów stosowanych w inżynierii powierzchni. Dużą zaletą książki jest bogaty materiał ilustracyjny, w większości w postaci rysunków i schematów charakteryzowanych procesów. Ułatwiają zrozumienie i przyswojenie omawianych zagadnień. Uwagi dotyczące omawianych zagadnień wskazałem w treści opracowania. (…)
prof. dr hab. inż. Jan Sieniawski,
Politechnika Rzeszowska
Od autora 13
Wykaz skrótów 17
1. Obróbka warstwy wierzchniej 19
1.1. Klasyfikacja obróbki powierzchniowej 21
1.2. Koncepcja inżynierii powierzchni 24
1.3. Kryteria doboru procesów wytwarzania warstwy wierzchniej 27
1.4. Naprężenia własne 29
1.5. Przyczyny zniekształcenia wyrobów 30
1.6. Zmiana kształtu i wymiarów wyrobów hartowanych 31
1.7. Podstawowe obróbki warstwy wierzchniej wyrobów stalowych 31
1.8. Ograniczenia projektowe 32
1.9. Przygotowanie powierzchni podłoża 33
1.10. Plazma w inżynierii powierzchni 34
1.10.1. Plazma 34
1.10.2. Właściwości plazmy 34
1.10.3. Plazma niskotemperaturowa w obróbce warstwy wierzchniej 36
1.11. Magnetronowe źródło rozpylania 38
1.12. Przewodnictwo elektryczne 38
2. Materiały i ich właściwości 39
2.1. Rodzaje materiałów 39
2.1.1. Metale i ich stopy 40
2.1.2. Ceramika i szkło 41
2.1.3. Polimery 42
2.1.4. Kompozyty 44
2.1.5. Nanomateriały 45
2.2. Właściwości materiałów 45
2.2.1. Właściwości mechaniczne 47
2.2.2. Umocnienie dyslokacyjne 47
2.2.3. Umocnienie roztworowe 48
2.2.4. Umocnienie cząstkami innej fazy 48
2.2.5. Umocnienie przez rozdrobnienie ziarna 49
2.2.6. Pełzanie 49
2.2.7. Moduł Younga 51
2.2.8. Właściwości mechaniczne wyznaczane z próby rozciągania 52
2.2.9. Wytrzymałość ceramiki 55
2.2.10. Twardość 55
2.2.11. Odporność na pękanie 57
2.2.12. Wytrzymałość zmęczeniowa 58
2.2.13. Gęstość 60
3. Struktura atomu, wiązania chemiczne i struktura krystaliczna 61
3.1. Struktura atomu 61
3.2. Układ okresowy 63
3.3. Wiązania chemiczne 67
3.3.1. Wiązania jonowe 68
3.3.2. Wiązania kowalencyjne 70
3.3.3. Ciała stałe z wiązaniami jonowymi i kowalencyjnymi 72
3.3.4. Wiązania metaliczne 74
3.3.5. Wiązania wtórne (van der Waalsa) 74
3.3.6. Energia wiązań między atomami 77
3.4. Klasyfikacja ciał stałych ze względu na wiązania 77
3.5. Wiązania w poszczególnych kategoriach materiałów 78
3.6. Struktura krystaliczna 80
3.6.1. Układy krystalograficzne i typy sieci 81
3.6.2. Położenia sieci 84
3.6.3. Kierunki sieci 85
3.6.4. Płaszczyzny sieci 86
3.6.5. Oznaczanie struktur krystalicznych 87
3.7. Struktura krystaliczna metali 88
3.8. Struktury o najgęstszym ułożeniu atomów 90
3.9. Struktury krystaliczne ceramik 92
3.9.1. Wymiary i rozmieszczenie luk 92
3.9.2. Ceramiki jonowe i kowalencyjne 94
3.9.3. Proste ceramiki jonowe 95
3.9.4. Proste ceramiki kowalencyjne 97
3.10. Polimorfizm 98
3.11. Szkła krzemianowe 100
4. Tarcie, zużycie i smarowanie 101
4.1. Tribologia 101
4.2. Warstwa wierzchnia 104
4.3. Tarcie 105
4.4. Zużycie 111
4.4.1. Zużycie ścierne 114
4.4.2. Zużycie adhezyjne 118
4.4.3. Zużycio-korozja 119
4.4.4. Zużycie utleniające 121
4.4.5. Zużycie zmęczeniowe 122
4.4.6. Erozja 125
4.4.7. Korozjo-erozja 128
4.4.8. Kawitacja 128
4.4.9. Fretting 129
4.4.10. Korozja frettingowa 129
4.4.11. Zużycie wodorowe 130
4.5. Smarowanie 131
4.5.1. środki smarne 133
4.5.2. Oleje smarne 133
4.5.3. Dodatki uszlachetniające 133
4.5.4. Emulsje 134
4.5.5. Smary plastyczne 134
4.5.6. Smary stale 135
5. Korozja 137
5.1. Korozja chemiczna 138
5.1.1. Mechanizm wzrostu warstwy tlenku 139
5.1.2. Szybkość utleniania 140
5.1.3. Warstwy ochronne - tlenki ochronne 141
5.2. Korozja elektrochemiczna 144
5.2.1. Elementy ogniwa elektrochemicznego 144
5.2.2. Reakcje na anodzie 145
5.2.3. Reakcje na katodzie 146
5.2.4. Sita pędna korozji elektrochemicznej 148
5.2.5. Szereg galwaniczny 149
5.2.6. Pasywność metali 151
5.2.7. Polaryzacja 151
5.3. Rodzaje korozji elektrochemicznej (ogniwa korozyjne) 152
5.3.1. Korozyjne ogniwo galwaniczne 152
5.3.2. Korozja międzykrystaliczna 153
5.3.3. Korozyjne ogniwo stężeniowe 154
5.3.4. Korozja wżerowa (pittingowa) 155
5.3.5. Korozja szczelinowa 156
5.3.6. Korozyjne ogniwo naprężeniowe 157
5.3.7. Korozja naprężeniowa 157
5.3.8. Korozja zmęczeniowa 159
5.3.9. Korozjo-erozja 160
5.3.10. Oddziaływanie powłoki 160
5.4. Metody zapobiegania korozji elektrochemicznej 161
5.4.1. Projektowanie 162
5.4.2. Dobór materiału i obróbki 163
5.4.3. Powłoki ochronne 165
5.4.4. Inhibitory 170
5.4.5. Ochrona katodowa 171
5.4.6. Pasywacja lub ochrona anodowa 172
6. Obróbka warstwy wierzchniej bez zmiany jej składu chemicznego 173
6.1. Utwardzanie odkształceniowe (mechaniczne) 173
6.1.1. Dogniatanie rolkami 174
6.1.2. Kulowanie 175
6.1.3. Utwardzanie laserowe 175
6.2. Hartowanie powierzchniowe 177
6.2.1. Stale do hartowania powierzchniowego 179
6.2.2. Mikrostruktura 180
6.2.3. Grubość warstwy zahartowanej 182
6.2.4. Zmiana wymiarów 182
6.2.5. Zalety hartowania powierzchniowego 182
6.2.6. Hartowanie indukcyjne 183
6.2.7. Hartowanie płomieniowe 184
6.3. Obróbka powierzchniowa laserem 186
6.4. Hartowanie wiązką elektronów 188
6.5. Przetopienie warstwy wierzchniej 188
7. Obróbka cieplno-chemiczna 190
7.1. Podstawy obróbki cieplno-chemicznej 191
7.1.1. Potencjał węglowy 192
7.1.2. Dyfuzja - podstawy 193
7.1.3. Gęstość mocy plazmy w dyfuzyjnej obróbce plazmowej 196
7.2. Nawęglanie 198
7.2.1. Temperatura 202
7.2.2. Czas 204
7.2.3. Stale do nawęglania 205
7.2.4. Nawęglanie w ośrodku stałym (w proszkach) 207
7.2.5. Nawęglanie w cieczy 209
7.2.6. Nawęglanie gazowe 210
7.2.7. Nawęglanie próżniowe 214
7.3. Plazmowe procesy dyfuzyjne obróbki warstwy wierzchniej 216
7.4. Nawęglanie w złożu fluidalnym 221
7.5. Obróbka cieplna po nawęglaniu 222
7.5.1. Mikrostruktura stali nawęglonej 223
7.5.2. Węgliki 225
7.6. Azotonawęglanie 226
7.6.1. Azotonawęglanie w cieczy 229
7.6.2. Azotonawęglanie gazowe 230
7.7. Azotowanie 230
7.7.1. Warstwa wierzchnia i jej mikrostruktura 231
7.7.2. Charakterystyka procesów azotowania i nawęglania 234
7.7.3. Stale do azotowania 234
7.7.4. Azotowanie w cieczach 237
7.7.5. Azotowanie gazowe 238
7.7.6. Azotowanie plazmowe 240
7.8. Węgloazotowanie 242
7.8.1. Węgloazotowanie w kąpieli solnej 242
7.8.2. Węgloazotowanie gazowe 243
7.8.3. Węgloazotowanie plazmowe 244
7.9. Borowanie 245
7.9.1. Borowanie w proszkach 248
7.9.2. Borowanie z zastosowaniem pasty 249
7.9.3. Borowanie wielopierwiastkowe 249
7.10. Warstwy wierzchnie wzbogacone dyfuzyjnie pierwiastkami substytucyjnymi 250
7.10.1. Aluminiowanie 250
7.10.2. Wanadowanie 254
7.10.3. Chromowanie 255
8. Osadzanie z fazy gazowej chemiczne (CVD) i fizyczne (PVD) 258
8.1. Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) 258
8.1.1. Wytwarzanie powłok TiC procesem CVD 263
8.1.2. Osadzanie TiN procesem CVD 263
8.1.3. Osadzanie Al2O3 procesem CVD 264
8.1.4. średniotemperaturowe procesy CVD (MTCVD) nanoszenia warstw Ti(C, N) i Al2O3 265
8.1.5. Niskotemperaturowy proces CVD (bez wspomagania plazmą) 265
8.1.6. Wspomagane plazmą CVD (PACVD) 266
8.1.7. Mikrostruktura powłok CVD 266
8.2. Osadzanie fizyczne z fazy gazowej (PVD) 267
8.2.1. Osadzanie reaktywne 269
8.2.2. Naparowanie 271
8.2.3. Wytwarzanie materiałów w postaci pary w procesach PVD 272
8.2.4. Rozpylanie 273
8.2.5. Rodzaje rozpylania 275
8.2.6. Napylanie jonowe 276
8.2.7. Triodowe napylanie jonowe 277
8.2.8. Procesy PVD stosujące plazmę o częstotliwości radiowej i wyższej 278
8.2.9. Czynniki kształtujące mikrostrukturę powłok PVD 278
8.3. Powłoki wytwarzane procesami CVD i PVD 279
8.4. Powłoki diamentopodobne (DLC) 281
8.5. Implantacja jonów 282
9. Powłoki ogniowe 284
9.1. Wytwarzanie powłok ogniowych 286
9.2. Proces okresowy 287
9.3. Proces ciągły 288
9.3.1. Powlekanie Zn 289
9.3.2. Powłoki Zn-Fe 291
9.3.3. Powłoki Al 292
9.3.4. Powłoki cynk-aluminium 293
9.4. Powlekanie ogniowe cyną 295
9.5. Powłoki Pb-Sn 295
10. Powłoki galwaniczne 297
10.1. Powłoki elektrolityczne 297
10.1.1. Przygotowanie podłoża do powlekania 300
10.1.2. Powłoki Cr 301
10.1.3. Powłoki Ni 302
10.1.4. Powłoki dwuwarstwowe Ni i Cr 303
10.1.5. Powłoki Sn 303
10.1.6. Powłoki Sn-Ni 306
10.1.7. Powłoki Sn-Zn 306
10.1.8. Powłoki Zn 306
10.1.9. Powłoki Zn-Ni 307
10.1.10. Powłoki Zn-Fe 307
10.1.11. Powłoki metali szlachetnych (Au, Ag, Pt) 307
10.1.12. Powłoki elektroforetyczne 307
10.1.13. Powłoki kompozytowe elektrolityczno-elektroforetyczne 308
10.2. Powłoki chemiczne 308
10.2.1. Powłoki Ni 309
10.2.2. Powłoki Ni-P 310
10.2.3. Powłoki Ni-B 311
10.2.4. Powłoki stopów trójskładnikowych Ni 311
10.2.5. Powłoki kompozytowe 311
10.3. Powłoki konwersyjne 312
10.3.1. Anodowanie 312
10.3.2. Anodowanie konwencjonalne aluminium 313
10.3.3. Anodowanie twarde aluminium 314
10.3.4. Anodowanie mikrołukowe stopów aluminium 315
10.3.5. Utlenianie 315
10.3.6. Fosforanowanie 316
10.3.7. Chromianowanie 318
11. Natryskiwanie cieplne 320
11.1. Procesy natryskiwania cieplnego 323
11.1.1. Natryskiwanie płomieniowe 323
11.1.2. Natryskiwanie z dużą prędkością 324
11.1.3. Natryskiwanie naddźwiękowe HVOF 325
11.1.4. Natryskiwanie detonacyjne 326
11.1.5. Natryskiwanie łukowe 327
11.1.6. Natryskiwanie plazmowe 328
11.1.7. Natryskiwanie z zastosowaniem zimnego gazu 330
11.2. Charakterystyka powłok 331
11.3. Materiały natryskiwane 332
12. Napawanie 335
12.1. Rozcieńczenie 336
12.2. Podłoże 337
12.3. Procesy napawania 338
12.3.1. Napawanie gazowe 338
12.3.2. Napawanie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazowej 340
12.3.3. Biegunowość połączenia 341
12.3.4. Napawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazowej 342
12.3.5. Napawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną 343
12.3.6. Napawanie plazmowe 344
12.3.7. Napawanie łukiem krytym (pod topnikiem) 345
12.3.8. Napawanie laserowe 346
12.4. Laserowe wzbogacanie warstwy wierzchniej w pierwiastki stopowe 346
12.5. Materiały do napawania 347
12.5.1. Stopy żelaza do napawania 348
12.5.2. Stopy austenityczne 350
12.5.3. Węgliki wolframu 352
13. Powłoki malarskie 353
13.1. Wyroby lakierowe 353
13.1.1. Rodzaje wyrobów lakierowych (farb) 355
13.1.2. Klasyfikacja farb ze względu na rodzaj substancji błonotwórczej 357
13.1.3. Malowanie 361
13.1.4. Powłoki organiczne nanoszone w sposób ciągły na wyroby stalowe 364
13.2. Powłoki z emalii porcelanowej 366
Pojęcia i ich definicje 369
Bibliografia 401
Skorowidz 403
