Analiza bibliografii

Przedstawiony przegląd bibliograficzny zawiera ponad 230 pozycji (krajowych i zagranicznych) poruszających tematykę metod wytwarzania powłok Al2O3 na aluminium i jego stopach, ze szczególnym uwzględnieniem kształtowania właściwości powłok otrzymywanych na Al metodami elektrolitycznymi. Część bibliograficzna zawiera również charakterystykę właściwości anodowych powłok tlenkowych na aluminium, sposobów modyfikacji tych właściwości oraz możliwe zastosowanie praktyczne APT, zwracając szczególnie uwagę na aplikacje w tribologii. W powyższym przeglądzie przedstawiono również dostępne w literaturze metody modyfikacji powłok tlenkowych, uzyskiwane poprzez wytwarzanie na ich osnowie powłok kompozytowych lub wykorzystywanie struktury APT jako matrycy dla wytwarzania nowych materiałów o strukturze w skali nano.

Jednym z głównych problemów technicznych jest wytworzenie przydatnej tribologicznie warstwy powierzchniowej na aluminium, zapewniającej małe opory ruchu we współpracy tribologicznej bezsmarowej z polimerami, przy dużej odporności na zużycie węzła tribologicznego. Rozwiązaniem jest powłoka tlenkowa Al2O3 wytwarzana na aluminium metodą anodowania twardego. Metoda ta umożliwiają wytworzenie grubych, twardych i odpornych na zużycie tribologiczne warstw powierzchniowych na aluminium. Powłoki uzyskiwane metodą anodowania twardego znajdują zastosowanie m.

in. w węzłach kinematycznych siłowników pneumatycznych i sprężarek bezsmarowych (patrz rozdział 2.3.7), wktórych jako pierścienie uszczelniające stosuje się tworzywa sztuczne modyfikowane PTFE, grafitem, dwusiarczkiem molibdenu lub/i włóknami węglowymi. Dobór tworzywa sztucznego jest więc równie ważny, jak uzyskanie przydatnej tribologicznie powłoki tlenkowej. Stosowane dotychczas (np. w sprężarce bezsmarowej dwustopniowej AB5/2-380) tworzywa sztuczne oparte na osnowie PTFE charakteryzują się wysoką odpornością na zużycie we współpracy ślizgowej bezsmarowej

z APT - jedynie przy niewielkich ciśnieniach tłoczenia (0,4 MPa). W przypadku wyższych ciśnień (1÷2 MPa), panujących przykładowo na wyższych stopniach sprężania, konieczne jest zastosowanie bardziej wytrzymałych mechanicznie tworzyw sztucznych.

Powłoki tlenkowe wytwarzane na aluminium metodą elektrolitycznego anodowania plazmowego (MAO) również charakteryzują się bardzo dużą mikrotwardością oraz odpornością na zużycie. Wyniki badań publikowanych w literaturze wskazują na szczególną przydatność powłok wytwarzanych metodą MAO we współpracy tribologicznej ze stalami i ceramikami. Natomiast duża różnica mikrotwardości tych powłok w stosunku do tworzyw sztucznych oraz niewielka możliwość modyfikacji morfologii i chropowatości powierzchni wytwarzanych metodą MAO powłok tlenkowych – nie zapewniają ich dobrej współpracy tribologicznej z polimerami.

Twarde powłoki Al2O3 na aluminium można uzyskać także metodami CVD i PVD.

Metodami CVD nie można wytwarzać wystarczająco grubych powłok (dla zastosowań tribologicznych). Natomiast zarówno metody PVD jak i CVD wymagają stosowania wysokich temperatur (jak na aluminium), co często nie pozwala na osadzenie powłok Al2O3 na podłożu aluminiowym. Powłoki Al2O3 wytwarzane metodami CVD i PVD charakteryzują się także mniejszą adhezją do podłoża niż powłoki wytwarzane metodami elektrolitycznymi.

Najlepszym rozwiązaniem technologicznym dla zapewnienia trwałości i niezawodności węzłów kinematycznych maszyn są warstwy i powłoki gradientowe, charakteryzujące się płynną zmianą właściwości mechanicznych, struktury i składu chemicznego od rdzenia warstwy (lub podłoża powłoki) do powierzchni. Powłoki takie można uzyskać wykorzystując amorficzną strukturę APT jako bazę (osnowę) dla kompozytowych warstw powierzchniowych na aluminium. Dla poprawy właściwości tribologicznych APT, jak przedstawia zgromadzona w przeglądzie bibliograficznym literatura, najkorzystniej jest osadzać w porach amorficznego Al2O3 metale lub środki smarowe (np.: grafitu, amorficzny węgiel, dwusiarczek molibdenu). Obniżenie współczynnika tarcia APT we współpracy tribologicznej z próbkami z metali lub tworzyw sztucznych, w sposób szczególny zapewnia wytworzenie na powierzchni lub osadzenie w porach powłoki Al2O3 węgla. Dotychczas, aby wprowadzić węgiel w strukturę APT, stosowano metody CVD lub pirolizę związków organicznych w temperaturach 550÷650° C, co wiązało się z wysokimi kosztami ww. procesów oraz możliwością rekrystalizacji podłoża.

Niewielki wzrost zawartości węgla w strukturze anodowej powłoki tlenkowej można uzyskać, jak podaje literatura, wykorzystując ku temu proces uszczelniania „na gorąco”

(obróbki termicznej w wodzie, parze wodnej lub roztworach soli).

Analiza przeglądu bibliograficznego pozwala wysnuć wniosek, iż dla poprawy własności tribologicznych anodowych powłok tlenkowych współpracujących z tworzywami polimerowymi (w węzłach kinematycznych sprężarek bezsmarowych i siłowników pneumatycznych), najlepszym rozwiązaniem jest wytworzenie na bazie (osnowie) APT gradientowych warstwy powierzchniowych o zwiększonej zawartości węgla. Wytworzenie takiej gradientowej warstwy na Al korzystnie jest przeprowadzić, wykorzystując ku temu metodę chemicznego uszczelniania anodowych powłok tlenkowych, ze względu na temperaturę procesu uszczelniania, która jest mniejsza od temperatury rekrystalizacji Al i jego stopów. Proces uszczelniania prowadzić może do obniżenia odporności na zużycie, dlatego powinien być prowadzony w warunkach, w których nie dojdzie do dużego hydratyzowania anodowej powłoki tlenkowej.

Uszczelnianie najlepiej więc przeprowadzić, poprzez obróbkę termiczną w roztworach związków o dużej zawartości węgla w skróconym (niż standardowo) czasie. Zwiększeniu zawartości składnika kompozytowego w strukturze APT sprzyjają: duża porowatość i duże średnice porów. Z tego względu korzystnie jest zoptymalizować warunki wytwarzania osnowy dla kompozytowej warstwy gradientowej, by uzyskać dużą porowatość osnowy (przy zachowaniu dużej mikrotwardości), a w efekcie – dużą zawartość węgla na powierzchni i w strukturze kompozytowej warstwy gradientowej.

Optymalizacji właściwości materiału osnowy sprzyja dobór podłoża aluminiowego, na którym wytwarza się dobre-jakościowo anodowe powłoki tlenkowe. Wyniki prac naukowych wskazują, iż najlepszymi właściwościami charakteryzują się APT wytwarzane na podłożach ze stopów Al-Mg, szczególnie na stopie EN AW-AlMg2.

Wyniki badań, przedstawione w tym przeglądzie bibliograficznym, wskazują również na problem doboru bardziej wytrzymałego mechanicznie i jednoczenie niskościeralnego tworzywa sztucznego - niż stosowane dotychczas w sprężarkach bezsmarowych tworzywa oparte na PTFE - jako partnera tribologicznego dla anodowych powłok tlenkowych na aluminium.