Obróbka cieplna i powierzchniowa zaworów
Powłoki powierzchniowe do zaworów i alternatywnych metali lekkich
Jeśli chodzi o wybór lekkich stopów, większość inżynierów nie zapuszcza się daleko od stopów Al, Mg i Ti. Jednak ten artykuł bada zastosowania i korzyści niektórych z tych mniej używanych lekkich stopów, takich jak cyrkon, tantal i hafn.
Rozwój nauki o materiałach i badania nad powłokami powierzchniowymi doprowadziły do tego, że lekkie stopy stały się jednymi z najczęściej używanych metali w trudnych warunkach pracy. Od intensywnego nacisku przemysłu naftowego i gazowego po lekkie, ale wytrzymałe ruchome elementy samolotów, lekkie stopy są niezwykle rozpowszechnione. Branża medyczna i obronna również nie są niechętne stosowaniu lekkich stopów.
Większość inżynierów materiałowych i naukowców zwraca się ku metalom lekkim, aluminium, magnezowi i tytanowi jako rozwiązaniu ich wymagających wyzwań inżynieryjnych. Istnieją jednak inne alternatywne metale lekkie, które mają specyficzne właściwości, dzięki czemu nadają się do bardzo specyficznych zastosowań o wysokiej wydajności. Niektóre z nich są mniej znane, ale zasługują na to, aby znaleźć się w tym samym świetle reflektorów, co ich bardziej znane odpowiedniki.
Metale zaworowe obejmują pierwiastki takie jak cyrkon i tantal i są znane ze swojej wysokiej odporności na korozję, ekstremalne temperatury, z właściwościami dielektrycznymi i nadprzewodzącymi. Niektóre metale zaworowe nie pochłaniają neutronów i dlatego są szeroko stosowane w generowaniu energii jądrowej o zerowej emisji.
Podobnie jak w przypadku lepiej znanych metali lekkich, takich jak aluminium i magnez, właściwości metali zaworowych można poprawić, stosując powłoki powierzchniowe.
Jakie są zalety alternatywnych metali zaworowych?
Metale zaworowe rdzenia są szeroko stosowane w wielu sektorach przemysłu. Większość z nich jest stosowana w szeregu stali i stopów metali lekkich, aby wprowadzić dodatkową wytrzymałość i odporność na korozję, obok innych cech. A wspólne właściwości odporności na ciepło i korozję oznaczają, że metale, ich stopy i tlenki są stosowane w szeregu urządzeń laboratoryjnych i chemicznych.
Ponieważ nie pochłania neutronów i jest odporny na ciepło i korozję, stopy cyrkonu są często spotykane w rurociągach elektrowni jądrowych, osłonach prętów paliwowych i elementach konstrukcyjnych. Jego właściwości odporności na ciepło oznaczają, że można go znaleźć w pojazdach kosmicznych, silnikach odrzutowych i częściach turbin gazowych. Cyrkon jest również znany jako kamień półszlachetny przypominający diamenty – cyrkonia sześcienna jest również o wiele, wiele tańsza.
Niob jest również stosowany w zastosowaniach kosmicznych i lotniczych. W tej formie występuje w materiałach konstrukcyjnych do budowy, platformach wiertniczych oraz w rurociągach i kolektorach naftowych i gazowych. Dzięki swoim właściwościom nadprzewodzącym niob jest szeroko stosowany w elektronice i magnesach używanych w sprzęcie do obrazowania medycznego, takim jak skanery NMR i MRI, często w połączeniu z cyrkonem.
Jego tlenek umożliwia cieńsze soczewki okularowe poprzez zwiększenie współczynnika refrakcji szkła. Będąc fizjologicznie obojętnymi i hipoalergicznymi, urządzenia takie jak rozruszniki serca i inne urządzenia medyczne zawierają stopy niobu. Powłoki powierzchniowe można stosować w celu utworzenia porowatej warstwy wierzchniej, która wspomaga szybkość i powodzenie osteointegracji.
Warstwa tlenku dielektrycznego, która tworzy się na jego powierzchni, i jego zdolność do cienkiego pokrywania innych komponentów, sprawiają, że tantal jest wysoce skutecznym i małoobjętościowym kondensatorem. W tej formie jest stosowany w telefonach komórkowych i innych urządzeniach elektronicznych. Posiada te same właściwości wzmacniające, co inne metale zaworowe, więc był często stosowany w stożkach nosowych samolotów Concorde, dyszach rakietowych i łopatkach turbin. Tantal jest również stosowany w implantach chirurgicznych, ponieważ jest nietoksyczny i nie powoduje reakcji immunologicznej u ssaków.
Technologie inżynierii powierzchni dla metali zaworowych
Pomimo ogólnie imponujących właściwości użytkowych, metale zaworowe mają pewne słabości. Na przykład stopy cyrkonu w warunkach wysokiej temperatury powyżej 900 stopni Celsjusza będą reagować z wodą, tworząc gaz wodorowy i degradując osłonę pręta paliwowego.
Unikalne właściwości niobu umożliwiają mu działanie w tak wielu bardzo wymagających zastosowaniach. Jednak poddany temperaturom wyższym niż 400 stopni Celsjusza utlenia się i staje się kruchy. Tantal, wysoce obojętny i dlatego odporny na większość kwasów i zasad, może korodować pod wpływem rozgrzanych zasad, gorącego kwasu siarkowego i kwasu fluorowodorowego.
Podobnie jak ulepszane są powszechniejsze metale lekkie, te wady chemiczne i mechaniczne metali zaworowych można łatwo naprawić. Powłoki powierzchniowe mogą chronić przed określonymi substancjami żrącymi, zapewniać dodatkową ochronę cieplną i mogą być zaszczepiane dodatkami, które zapewniają inne ulepszenia wydajności.
Jednym ze sposobów jest zastosowanie zaawansowanej technologii powlekania powierzchni, takiej jak plazmowe utlenianie elektrolityczne (PEO). Wykorzystuje ono kąpiel elektrolityczną i plazmę do utworzenia powłoki przypominającej ceramikę zarówno na lepiej znanych metalach lekkich, jak i metalach zaworowych. Powłoka pochodząca z PEO ma wiele korzystnych właściwości, których nie mają oryginalne metale i stopy metali oraz ich podstawowe powłoki tlenkowe. Naukowcy z Jewellok mają duże doświadczenie w opracowywaniu wyjątkowych powłok, które w wyjątkowy sposób poprawiają wydajność wszystkich metali zaworowych.