Συγκριτική αξιολόγηση εναποθέσεων και ιδιοτήτων επιστρωμάτων κεραμικών και σύνθετων υλικών

Abstract

The present doctorate study deals with the evaluation of the feasibility of using innovative techniques based on renewable energy sources, for the direct elaboration of thick surface layers with high sliding wear resistance. More precisely, Concentrated Solar Energy (CSE) has been applied to evaluate the potential effectiveness of this technique for the elaboration of composite surface layers. For this purpose, St37-2 grade common carbon steel was used as base metal (model material) and three different carbide powders (TiC, WC and Cr3C2) of equal volume were pre-pressed manually on its surface. Consequently, the bi-material systems were exposed to Concentrated Solar Energy at the Plataforma Solar de Almeria (PSA) facilities in Spain. The proposed surface heat treatment aimed to the elaboration of surface layers, having the structure of a composite material of metallic matrix (steel) reinforced with ceramic particles (dispersion of carbide particles). First, the physical phenomena taking place during the exposure to solar irradiation were investigated, in order to determine the in-principle feasibility of the technique, regardless of the carbide type pre-deposited on the surface. The thorough examination of the microstructure of the achieved “solar” surface layers via optical and electronic microscopy as well as by XRD analysis, allowed to define the different types of interaction of the three carbides with the metallic matrix under the high-temperature environment achieved via the solar irradiation. The crucial metallurgical transactions that take place per carbide type, control the design the successful solar treatment. The surface layers achieved under the optimum process parameters were further evaluated by hardness and micro-hardness measurements, as well as by pin-on-disc sliding tests. The latter have been performed in order to estimate the in-service performance of the “solar” layers and their machinability using conventional cutting tools. Finally, the experimental findings concerning the novel surface layers have been compared to respective experimental results and literature data on similar claddings obtained by conventional welding techniques, to which the proposed solar process presents fundamental commonalities. Concentrated Solar Energy was proved to be a reliable technique for the surface modification of large metallic areas in a depth of ~1 mm. The composite surface layers achieved via solar irradiation are free of structural flaws, such as pores and/or cracks and their wear resistance found to be 1 to 3 orders of magnitude higher than that of the base metal; whilst their machinability using conventional cutting tools is acceptable.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αξιολογήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής καινοτόμων τεχνικών με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, για τη δημιουργία σύνθετων επιφανειακών στρωμάτων μεγάλου πάχους, με υψηλή αντίσταση στη φθορά λόγω ολίσθησης. Συγκεκριμένα, εφαρμόσθηκε η τεχνολογία της Συγκεντρωμένης Ηλιακής Ενέργειας για να διερευνηθεί η αποτελεσματική δυνατότητα χρήσης της για το σχηματισμό επιφανειακών στρωμάτων με διασπορά καρβιδίων σε χαλύβδινη μήτρα. Για το σκοπό αυτό, κοινός ανθρακούχος χάλυβας κλάσεως St37-2 χρησιμοποιήθηκε ως μέταλλο βάσης (υλικό μοντέλο) συγκεκριμένης γεωμετρίας, στην επιφάνειά του συμπιέσθηκαν χειρωνακτικά κόνεις καρβιδίου του τιτανίου, καρβιδίου του βολφραμίου και καρβιδίου του χρωμίου του ιδίου όγκου και το σύστημα εκτέθηκε σε Συγκεντρωμένη Ηλιακή Ενέργεια στις εγκαταστάσεις της Plataforma Solar de Almeria (PSA), στην Ισπανία. Η προτεινόμενη αυτή θερμική κατεργασία στόχευε στη δημιουργία επιφανειακών στρωμάτων με δομή σύνθετου υλικού μεταλλικής μήτρας (χάλυβας) με ενίσχυση κεραμικών σωματιδίων (διασπορά σωματιδίων κόνεως/ καρβιδίων). Αρχικά, διερευνήθηκαν τα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της «ηλιακής κατεργασίας» και ελέγχουν τη δυνατότητα της κατ’ αρχήν εφαρμογής της, ανεξαρτήτως του είδους της κόνεως καρβιδίου που εναποτίθεται στην επιφάνεια, πριν από την έκθεση στην ακτινοβολία. Στη συνέχεια, έγινε εκτενής μελέτη της μικροδομής με χρήση οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, καθώς και με περίθλαση ακτίνων Χ, ώστε να προσδιορισθεί η συμπεριφορά των τριών διαφορετικών καρβιδίων σε επαφή με το υλικό της μεταλλικής μήτρας υπό τις υψηλές θερμοκρασίες, που επιτυγχάνονται κατά την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι κύριοι μεταλλουργικοί μετασχηματισμοί, που προσδιορίσθηκαν ότι λαμβάνουν χώρα ανά περίπτωση, είναι και αυτοί που ελέγχουν αντίστοιχα το σχεδιασμό της επιτυχούς «ηλιακής κατεργασίας». Τα επιφανειακά κατεργασμένα στρώματα που προέκυψαν υπό τις βέλτιστες συνθήκες κατεργασίας, υποβλήθηκαν σε δοκιμές σκληρομέτρησης και μικροσκληρομέτρησης καθώς και σε δοκιμές τριβής ολίσθησης τύπου στυλίσκου-δίσκου. Οι τελευταίες πραγματοποιήθηκαν προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση των παραγόμενων επιστρωμάτων υπό πραγματικές συνθήκες χρήσης, καθώς και να εκτιμηθεί η κατεργασιμότητά τους με συμβατικά κοπτικά εργαλεία. Τέλος, τα αποτελέσματα που αφορούν στα επιφανειακά στρώματα που δημιουργήθηκαν μετά από την έκθεση σε Συγκεντρωμένη Ηλιακή Ενέργεια, συγκρίθηκαν με αντίστοιχα εργαστηριακά ή/και βιβλιογραφικά στοιχεία, που αφορούν σε συμβατικές επιγομώσεις με τη χρήση τεχνικών συγκόλλησης βολταϊκού τόξου. Η σύγκριση μεταξύ των παραγόμενων επιγομώσεων με τις δύο αυτές τεχνικές επιλέχθηκε λόγω των θεμελιωδών ομοιοτήτων που αυτές παρουσιάζουν. Αποδείχθηκε ότι η Συγκεντρωμένη Ηλιακή Ενέργεια αποτελεί αξιόπιστη τεχνική για την κατεργασία μεγάλων επιφανειών μεταλλικών υλικών και τη δημιουργία επιφανειακών στρωμάτων χωρίς ελαττώματα μικροδομής (πόρους και ρωγμές), με πάχος της τάξης του 1 mm. Τα επιφανειακά αυτά στρώματα εμφανίζουν αντίσταση σε φθορά λόγω τριβής ολίσθησης, υψηλότερη κατά 1 έως 3 τάξεις μεγέθους της αντίστασης του μετάλλου βάσης, ενώ εμφανίζουν σχετική κατεργασιμότητα με τη χρήση συμβατικών κοπτικών εργαλείων.