Kształtowanie struktury i własności powierzchni odlewniczych stopów Al-Si-Cu; Forming of the structure properties of cast Al-Si-Cu alloys - Digital Library of the Silesian University of Technology

Editorial Board

Prof. Gilmar Batalha - Brazil Prof. Emin Bayraktar - France Prof. Rudolf Kawalla - Germany Prof. Klaudiusz Lenik - Poland Prof. Petr Louda - Czech Republic Prof. Cemal Meran - Turkey Prof. Stanisław Mitura - Poland Prof. Piotr Niedzielski - Poland Prof. Jerzy Nowacki - Poland Prof. Ryszard Nowosielski - Poland Prof. Jerzy Pacyna - Poland

Patronage

Prof. Peter Palcek - Slovak Republic Prof. Zbigniew Rdzawski - Poland Prof. Maria Richert - Poland Prof. Maria Helena Robert - Brazil Prof. Mario Rosso - Italy

Prof. Stanislav Rusz - Czech Republic Prof. Yuriy I. Shalapko - Ukraine Prof. Bozo Smoljan - Croatia Prof. Mirko Soković - Slovenia Prof. Zinoviy Stotsko - Ukraine Prof. LeszekWojnar - Poland

World Academy of Materials and Manufacturing Engineering

Association of Computational Materials Science and Surface Engineering

Institute of Engineering Materials and Biomaterials ofthe Silesian University ofTechnology, Gliwice, Poland

Abstracting services

Journal is cited by Abstracting Services such as:

OGAJ

The Directory of Open Access Journals

Reading Direct

This journal is a part of Reading Direct, the free of charge alerting service which sends tables of contents by e-mail for this journal and in the promotion period also the fuli texts of monographs. You can register to Reading Direct at

www.openaccesslibrary.com

Journal Registration

The Journal is registered by the Civil Department of the District Court in Gliwice, Poland

Publisher

~

'.'!ł#ł!ł.'

Walii PlUI

International OCSCO World Press

Gliwice 44-1 00, Poland, ul. S. Konarskiego 18a1366 e-mail: InfO@Openaccesslibrary.com

Bank account: Stowarzyszenie Komputerowej Nauki o Materiałach i Inżynierii Powierzchni Bank name: ING Bank Sląski

Bank addres: ul. Zwycięstwa 28,44-100 Gliwice Poland

Account numberliBAN CODE: PL 76 105012981000002300809767 Swift code: INGBPLPW

Gliwice

Kształtowanie

struktury i własności

powierzchni odlewniczych

stopów AI-Si-Cu

powierzchni odlewniczych stopów AI-Si-Cu

OPINIODAWCY:

Prof. dr hab. inż. Maria Richert

(Akademia Górniczo-Hutnicza - Kraków) Dr hab. inż. Michał Szota prof. P. Cz.

(Politechnika Częstochowska - Częstochowa)

Dr hab. inż. Tomasz Tański

(Politechnika Sląska - Gliwice)

REDAKCJA TECHNICZNA:

Dr inż. Ludwina Żukowska (Politechnika Sląska - Gliwice)

tRODŁO FINANSOWANIA:

Koszty druku książki pokryto w ramach Rektorskiego Grantu Habilitacyjnego

wykonanego w Instytucie Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Sląskiej.

Badania wykonano z wykorzystaniem urządzeń badawczych i technologicznych

pozyskanych w ramach projektów: MERMFLEG w Regionalnym Programie Operacyjnym Województwa Sląskiego, LANAMATE w Programie Operacyjnym - Infrastruktura

i Srodowisko oraz BIO-FARMA w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka.

ISSN 2083-5191

ISBN 978-83-63553-18-0

Streszczenie ... 5

Abstract ... 7

1. Wstęp ... 9

2. Aktualna ocena stanu zagadnienia ... 12

2.1. Charakterystyka, znaczenie techniczne i obróbka cieplna stopów aluminium ... 14

2.2. Technologie kształtowania warstw wierzchnich stopów aluminium ... 19

2.2.1. Laserowa obróbka powierzchniowa ... 23

2.2.2. PVD/CVD ... 34

3. Geneza, teza i zakres pracy ... 42

3.1. Geneza pracy ... 42

3.2. Teza i cele pracy ... 45

3.3. Zakres pracy ... 46

4. Materiał i metodyka badawcza ... 48

4.1. Materiał do badań ... 48

4.2. Określenie wstępnych parametrów obróbki laserowej ... 59

4.3. Obróbka laserowa oraz CAE PVD i PA CVD ... 62

4.3. Metodyka badawcza ... 66

s.

5.1. Analiza termiczno-derywacyjna jako metoda oceny wpływu krystalizacji metali i stopów na ich strukturę ... 70

5.2. Struktura warstw powierzchniowych otrzymanych w wyniku wtapiania laserowego oraz nanoszonych metodami fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD i PVD na stopach AI-Si-Cu ... 75

5.2.1. Wpływ wtapiania laserowego proszków ceramicznych na strukturę warstw wierzchnich stopów AI-Si-Cu ... 75

5.2.2. Wpływ zastosowanej metody fizycznego

i chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD i PVD

powierzchni odlewniczych stopów AI-Si-Cu

Spis

5.3. Analiza własności mechanicznych warstw powierzchniowych

obrobionych z wykorzystaniem lasera HPDL

oraz technologii PVD/CVD ... 112 5.3.1. Analiza wyników badań własności

mechanicznych warstw wierzchnich obrobionych laserem HPDL ... 112

5.3.2. Analiza wyników badań mechanicznych powłok

po obróbce PVD/CVD ... 116

5.4. Wyniki badań własności użytkowych stopów

aluminium AI-Si-Cu obrobionych laserem HPDL oraz

z wykorzystaniem technik PVD/CVD ... 124 6. Podsumowanie wyników badań i wnioski ... 131

Literatura ... 142

Kształtowanie struktury i ^własności powierzchni odlewniczych stopów Al-Si-Cu

Krzysztof Labisz

Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Politechnika Śląska ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Polska

Adres korespondencyjny e-mail: krzysztof.labisz@pols1.pl

Streszczenie

Cel: Celem pracy było przedstawianie lo/ników badań własnych dotyczących lo/tworzenia na powierzchni elementów z odlewniczych stopów aluminium AC-AISi9Cu oraz AC-AlSi9Cu4 struktury quasi-kompozytowej MMCs przez wtapianie w powierzchnię stopów cz~tek węglików lub cz~tek ceramicznych WC, SiC, Zr02 i Al203 oraz po lo/konywanych obróbkach chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD i CVD. Ponadto celem szczegółolo/m, bezpośrednio lo/nikającym z założeń pracy było zbadanie przemian fazolo/ch i procesów lo/dzieleniolo/ch zachodzących po wtapianiu laserolo/m przy odpowiednio dobranych parametrach: mocy lasera, prędkości wtapiania oraz ilości podawanego proszku ceramicznego, a także po zastosowaniu próżniolo/ch technologii osadzania z fazy gazowej CAEPVD i PACVD.

Projekt/metodologia/podejście: Istota badań dotyczy zaprojektowania materiału

o najkorzystniejszych własnościach fizycznych i mechanicznych, w szczególności zakłada się zwiększenie twardości powierzchni, polepszenie odporności na ścieranie i odporności

korozyjnej w odniesieniu dla lo/branych stopów aluminium po lo/konanej standardowej obróbce cieplnej. Badania warsłl1Y wierzchniej obejmują analizę mechanizmów tworzenia

warsłl1Y, w szczególności dotyczą przetapiania podłoża i jego krystalizacji przy różnych

parametrach wi'ł7ki lasera diodowego dużej mocy HPDL (High Power Diode Laser) oraz warunkach technologicznych obróbki powierzchniowej, przetapiania i wtapiania cz~tek

w powierzchnię odlewniczych stopów ACAlSi9Cu oraz ACAISi9Cu4. Ponadto przedstawione badania dotyczą obróbki powierzchniowej odlewniczych stopów aluminium przy użyciu

technologii chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej CAEPVD i PACVD. W celu zbadania struktury uzyskanych warstw wierzchnich zastosowano techniki badawcze

lo/korzystujące metody mikroskopii świetlnej wspomaganej komputerową analizą obrazu, mikroskopii elektronowej transmisyjnej i skaningowej, analizy rentgenograficznej, mikroanalizy rentgenowskiej i ramanowskiej, a także zastosowano metody badań własności

mechanicznych i UŻYtkolo/ch.

Osiągnięcia: W poczet głównych osiągnięć przedstawionej pracy zaliczyć można określenie wpływu podstawolo/ch parametrów obróbki laserowej, oraz technik PVD i CVD na własności

mechaniczne i użytkowe badanych materiałów w warunkach zużycia trybologicznego. Ponadto dokonano analizy zmian strukturalnych i zmian składu chemicznego w stopach Al-Si-Cu w stanie po obróbce cieplnej. Niniejszym udowodniona została także teza rozpralo/ stanowiąca

o celowości podjętej pracy, odnośnie polepszenia własności worst»y powierzchniowej badanych stopów metodami wtapiania laserowego oraz technikami PVD i CVD w porównaniu do tradycyjnie stosowanych technologii, w tym standardowej obróbki cieplne.

Ograniczenia badań/zastosowań: Ograniczenia dotycząpe omawianego zagadnienia obróbki powierzchniowej przetapiania i wtapiania laserowego oraz PVD/CVD związane są

odpowiednio z koniecznością równomiernego rozmieszczenia cząstek zastosowanego proszku ceramicznego w osnowie aluminium oraz z zapewnieniem wysokiej jakości wykonanych powłok

o wymaganej adhezji względem siebie i do podłoża. Istotnym elementem wpływającym na polepszenie własności mechanicznych i użytkowych analizowanych stopów, lezącym

u podstaw podjęcia niniejszej pracy habilitacyjnej, jest potrzeba opracowania technologii wytwarzania powłok PVD/CVD oraz quasi-kompozytowych warstw wierzchnich z udziałem

drobnych cząstek ceramicznych na podłożu aluminiowym, a także dobranie odpowiednich warunków technologicznych umożliwiających optymalizację struktury i własności wykonanych warstw wierzchnich i powłok. Ważnym aspektem jest także zwiększenie wydajności wytwarzania warstw powierzchniowych, przy jednoczesnym zmniejszeniu jej energochłonności co stanowi warunek konieczny konkurencji w warunkach wolnorynkowej gospodarki. Należy równocześnie nadmienić, iż przedstawiony obszar badawczy odnosi się jedynie do wąskiej grupy odlewniczych stopów aluminium z grupy Al-Si-Cu.

Praktyczne zastosowania: Prezentowane w pracy nowatorskie podejście do rozwiązania

problemów wytworzenia warst»y powierzchniowej o optymalnych własnościach

mechanicznych i użytkowych z wykorzystaniem technik PVD/CVD oraz laserowej obróbki powierzchniowej umożliwi dalsze modelowanie i kształtowanie pożądanych własności przy

użyciu narzędzi inżynierskich także w odniesieniu do innych grup materiałów. Ponadto opracowanie technologii uszlachetnienia powierzchni odlewniczych stopów Al-Si-Cu metodami laserowego wtapiania, a także technologiami próżniowymi osadzania z fazy gazowej pozwoli na kompleksowe rozwiązanie problemu związanego z poprawą własności warstw wierzchnich,

uwzględniając aspekty ekonomiczne i ekologiczne.

Oryginalnośćlwartość: Praca stanowi rozwinięcie badań własnych autora dotyczących stopów metali lekkich, związanymi z obróbką cieplną i powierzchniową stopów aluminium, w tym w szczególności z utwardzaniem wydzieleniowym, anodyzowaniem powierzchni stopów,

kinetyką krystalizacji, powierzchniową obróbką laserową przetapiania i/lub wtapiania oraz

kształtowaniem własności użytkowych elementów ze stopów aluminium poprzez nanoszenie hybrydowych powłok PVD i CVD. Wykazano również, że w przypadku analizowanych stopów aluminium zastosowana obróbka powierzchniowa laserowa, PVD i CVD oraz poprzedzająca je obróbka cieplna, zapewniające występowanie mechanizmów umocnienia materiałów, umożliwiają zwiększenie własności mechanicznych i użytkowych badanych stopów. Ważnym

celem pracy jest również kontynuacja badań, dotyczących stopów metali lekkich aluminium, magnezu i tytanu, które realizowane są od wielu lat w macierzystej jednostce naukowej autora

poszerzające obecną wiedzę z zakresu elementów i konstrukcji lekkich.

Słowa kluczowe: Inżynieria powierzchni; Odlewnicze stopy aluminium; Laserowa obróbka powierzchniowa; HPDL; Warst»y powierzchniowe PVD i CVD, Struktura; Własności

mechaniczne; Własności użytkowe; UMSA; Obróbka cieplna

Cytowania tego artykułu powinny być podane w następujący sposób:

K. Labisz, Kształtowanie struktury i własności powierzchni odlewniczych stopów Al-Si-Cu, Open Access Library, Volume 5 (23) (2013) 1-152

Forming of the structure and surface properties of cast Al-Si-Cu alloys

Krzysztof Labisz

Institute ofEngineering Materiais and Biomaterials, Silesian University ofTechnology ul. Konarskiego ł8a, 44-100 Gliwice, Poland

Corresponding e-mail address:krzysztof.labisz@polsl.pl

Abstract

Purpose: The aim of this wark was to present the investigation results conceming obtaining on the surfaces of the aluminum cast alloys AC-AISi9Cu and AC-AISi9Cu4 quasi-composite MMCs structure by feeding of ceramic particles WC, SiC, Zr02 and Al203 using the technology of chemical and physical vapor deposition PVD and CVD as well as high-power diode laser HPDL. The particular goal of this wark was also to present the investigation of phase transformations and precipitation processes occurring after laser feeding with appropriately selected parameters: laser power, speed, ceramic powder feed rate, as well as after the appliance of the CAEPVD and PACVD deposition methods.

Design/methodology/approach: The research issue relates to the design of material of the highest physical and mechanical properties, in particular, there is assumed hardness increase of the surface layer, to improve the abrasion resistance and corrosion resistance respectively to the expected level for the selected aluminum alloys after carried out standard heat treatment. The investigations include analysis of the surface layer formation mechanisms, in particular the base metal melting and crystallization at different HPDL (High Power Diode Laser) laser beam characteristics and technological conditions of surface heat treatment process, melting and feeding of particles in the surface of the cast AISi9Cu4 and AlSi9Cu alloys. Furthermore, the presented investigations concerns surface treatment of cast aluminum alloys using chemical and physical vapor deposition PAPVD and CAECVD methods. In order to investigate the structure of the obtained surface layers several research techniques were used including light microscopy methods with computer-assisted image analysis, transmission and scanning electron microscopy, X-ray analysis as well as X-ray microanalysis, Raman spectroscopy and appropriate methods for testing of mechanical and functional properties.

Findings: There are included among the main achievements of the present wark a/so the basic parameters of the effect of laser treatment process, PVD and CVD on mechanical and fonctional properties of the investigated materials in tribological wear conditions. Moreover,

there was performed the analysis of structural- and chemical composition changes, as well as of the quality of the Al-Si-Cu surface layer. Based on this research the thesis was proved and confirmed, demonstrating the usefolness of the undertaken research wark for improving properties of the surface layer using laser and PVD/CVD methods, in comparison to

traditional methods, including standard heat treatment.

Research limitations/"unplications: A limitation of the presented issue of laser surface treatment (foeding and remelting) and PVD/CVD are connected to an uniform distribution of the ceramic powder partic!es fed in the aluminum matrix, as well as to ensure the quality (mainly morphology and adhesion) of the coatings. Because of the above reasons the research activity of this wark deals with the need to develop a laser feeding technology of ceramic partic!es with different chemical composition, as well as the deposition of PVD/CVD coatings on the surface loyer of aluminum alloys, and also choosing the appropriate process conditions to optimize the structure and properties of surface loyers on the basis of investigation results and detailed metallographic analysis of the phase composition and phase transformations occurring in the alloy surface loyers and coatings. En important issue is also to increase the productivity, while reducing energy- and material consumption, which is a very important competition factor in market economy. It should also be noted, that the presented research area applies only to a smali group of cast aluminum alloys from the Al-Si-Cu group.

Practical implications: The presented in this wark novel approach to solving the problems of surface loyer shaping with optimum mechanical properties and performance using the techniques PVD/CVD, and laser surface treatment allows forther modeling and development of optimal properties using engineering tools also for other groups of materiaIs. Moreover the development of surface treatment and structure modeling technologiesfor cast Al-Si-Cu alloys by laser feeding and vacuum deposition methods offers the opportunity for comprehensive solution ofthe existing problem, taking into account economic and ecological issues.

Originality/value: The wark is an extensive research wark of own investigations concerning the development of light metal alloys, as well as surface treatment using laser feeding and/or remelting, crystallization kinetics of aluminum alloys, shaping of fonctional properties of elements produced from aluminum alloys by applying hybrid PVD/CVD coatings as well as feeding and remelting of ceramic powders. It has been shown that in case of the analysed aluminum al1oys, the applied laser surface treatment and PVD/CVD techniques allows to increase fonctional properties by changing the structure and properties of the surface loyer.

An important issue is also the carried out and planned continuation of existing researches concerning light alloys aluminium, magnesium and titanium, which are realized since many years in the domestic scientijic unit of the author, extending the current knowledge in the field

of light alloys constructions.

Keywords: Surface engineering; Cast aluminium alloys; Laser surface treatment; HPDL; PVD and CVD surface loyers; Structure; Mechanical properties; Functional properties; UMSA;

Heat treatment

Reference to this paper should be given in the following way:

K. Labisz, Forming the structure and surface properties of cast Al-Si-Cu alloys, Open Access Library, Volume 5 (23) (2013) 1-152 (in Polish).

1.

Analizując dany element pod względem jego budowy wewnętrznej jak również

ewentualnych, przyszłych warunków pracy należy pamiętać, że własności produktu są uzależnione przede wszystkim od dwóch czynników: struktury wewnętrznej materiału,

z którego jest wykonany oraz od stanu powierzchni zewnętrznej mającej bezpośredni kontakt zarówno mechaniczny jak i chemiczny z otoczeniem, w tym między innymi z narzędziami obrabiającymi dany element, a także podczas eksploatacji z powierzchniami innych

współpracujących elementów. Charakter powierzchni, jej morfologia i własności często mają bezpośredni wpływ na wytwarzanie wyrobu, a o jego własnościach funkcjonalnych w dużej

liczbie przypadków decyduje właśnie jakość powierzchni. Warstwę wierzchnią materiału

charakteryzuje nie tylko kształt, chropowatość i wygląd (kolor, przezroczystość), ale również

szereg innych własności zupełnie odmiennych od własności wnętrza materiału, które w znaczący sposób wpływają na rożnego typu mechanizmy występujące w jej obrębie, tj.:

tarcie, zmęczenie, korozję, erozję, dyfuzję, przewodność oraz warunkują o przydatności

obrobionych powierzchniowo elementów do możliwych zastosowań. Pomimo faktu, że

warstwy powierzchniowej materiałów inżynierskich nie można kształtować niezależnie od

podłoża, to jednak wymagania stawiane wnętrzu wyrobu są zazwyczaj odmienne o warunków, które oczekuje się od wytworzonych powierzchni. Często ze względów ekonomicznych, technologicznych czy wręcz praktycznych korzystniejsze jest takie dobranie materiału podłoża,

aby spełniał on ogólne założenia wytrzymałościowe przewidziane dla danego elementu, a w kolejnym kroku zastosowanie jednej z technik jego obróbki powierzchniowej w celu zabezpieczenia go przed zniszczeniem lub poprawy jego własności użytkowych. Projektując

poszczególne zespoły maszyn lub wręcz całe urządzenia należy zwracać szczególną uwagę na

odporność pracujących elementów na uszkodzenia zarówno trybologiczne (mechaniczne,

zmęczeniowe, adhezyjne, abrazyjne) jak i nietrybologiczne (korozja, erozja, dyfuzja, kawitacja, ablacja). Dlatego tak ważnym etapem projektowania jest dobór materiału, który

często dokonywany jest z uwagi na występujące w danym środowisku pracy procesy

niszczące. Należy zwrócić również uwagę na fakt, że wytwarzanie nowych materiałów, w tym

również z naniesioną powłoką pociąga za sobą możliwość odkrycia pionierskich, dotychczas niezidentyfikowanych mechanizmów strukturalnych oraz mechanizmów zużycia lub określenia

szerszego spektrum już istniejących.

Przy obecnym zapotrzebowaniu rynkowym na lekkie i niezawodne konstrukcje istotną rolę odgrywają stopy aluminium, należące do grupy materiałów konstrukcyjnych

charakteryzujących się szeregiem dobrych własności mechanicznych i użytkowych, dobrą lejnością i odpornością korozyjną. Stopy aluminium, stanowiące połączenie niskiej gęstości

i dużej wytrzymałości, są coraz częściej stosowane tam, gdzie obniżenie masy elementów

podzespołów jest istotne, pożądane i opłacalne. Charakterystyka wspomnianych mechanizmów i zależności ma nie tylko znaczenie poznawcze, ale również pozwala określić szersze perspektywy metodologiczne i aplikacyjne prezentowanych odlewniczych stopów aluminium, co ma szczególne znaczenie w czasie, gdy wyraźnie mówi się o konieczności wytwarzania

materiałów inżynierskich i wykonywanych z nich elementów na żądanie.

Niniejsza praca ma na celu przedstawienie wyników badań własności mechanicznych

l użytkowych oraz badań struktury warstwy powierzchniowej stopów aluminiowych po obróbce cieplnej i powierzchniowej. Celem rozprawy jest również określenie warunków obróbki laserowej powierzchni stopów aluminium, takich jak prędkość skanowania, moc lasera, używana w zakresie od 1,0 do 2,2 kW, rodzaj i szybkość podawania proszku, a także

parametrów obróbki PVD i CVD w celu wytworzenia na powierzchni obrabianych stopów najlepszych możliwych powłok i warstw wierzchnich.

W pracy wskazano także ciekawy kierunek dalszych badań w zakresie obróbki laserowej,

dotyczących absorpcji, kombinacji podstawowych parametrów wtapiania oraz wynikające

z tego możliwości optymalizacji własności użytkowych warstwy wierzchniej odlewniczych stopów aluminium, dotyczące zaprojektowania i zastosowania nowych udoskonalonych rodzajów podajników lub dysz, zastosowania topników w celu zminimalizowania niekorzystnego wpływu absorpcji promieniowania wiązki laserowej.

O oryginalności przedstawionej pracy może świadczyć fakt wytworzenia na powierzchni stopów Al quazi-kompozytowej struktury warstwy wierzchniej, o dobrej dyspersji wtopionych

cząstek ceramicznych wykazujących dobrą zwilżalność, co spowodowało poprawę własności

mechanicznych i użytkowych, jak również opracowanie technologii i warunków wytwarzania

powłok PVD/CVD o wysokich własnościach mechanicznych i użytkowych przy jednoczesnej

dużej powtarzalności uzyskanych wyników. Ważnym elementem przedstawionej rozprawy habilitacyjnej jest także zakres wykonanych badań - w tym przy użyciu mikroskopii elektronowej, rentgenowskiej analizy fazowej, mikroanalizy rentgenowskiej, spektroskopii ramanowskiej, badań dyfrakcyjnych, odporności na ścieranie a także odporności korozyjnej.

Niniejsza praca ma na celu zastosowanie nowoczesnych technologii laserowych oraz metod PVD i CVD, unikatowych na skale światową, a także nowych rozwiązań technologicznych, nowych rodzajów powłok PVD i CVD w tym hybrydowych, zbadanie mechanizmów umocmema stopów, określenie struktury 1 podwyższenie własności, dobór i optymalizację warunków obróbki powierzchniowej odlewniczych stopów aluminium z grupy Al-Si-Cu, poprawiając ich własności zarówno na powierzchni jak i w głąb materiału.

2. Aktualna ocena stanu zagadnienia

Rozwój obecnej technologii, w tym również na pozlOnlle skali nano, konieczność

stosowania nowoczesnych materiałów inżynierski o podwyższonych własnościach wytrzymałościowych, jak również zmniejszenie kosztów produkcji wytwarzanych elementów.

Zmusza to obecnych projektantów i technologów do poszukiwania materiałów

konstrukcyjnych, które będą w stanie sprostać coraz to bardziej ekstremalnym wymaganiom

zewnętrznym [3, 4]. Stopy aluminium, które z powodzeniem od dawna stosowane są

w różnych gałęziach przemysłu stanowią połączenie niskiej gęstości i dużej wytrzymałości.

Niewielka ich masa powoduje, że są one coraz chętniej stosowane tam, gdzie obniżenie masy elementów podzespołów (przy jednoczesnym zachowaniu parametrów mechanicznych), jest istotne, pożądane i opłacalne. Dobre własności tej grupy materiałów umożliwiają także optymalizację konstrukcji projektowanych elementów, czyli ze względu na niezawodność

i własności użytkowe produktu finalnego [12, 21].

Największe zapotrzebowanie na stopy aluminium wykazywał i wykazuje również obecnie

przemysł samochodowy. Specyficzne cechy niektórych gatunków stopów Al-Si powodują ich

szczególną przydatność do ściśle określonych zastosowań, związanych z warunkami pracy tych elementów np. do wytworzenia tłoków przeznaczonych do silników spalinowych, i silników wysoko obciążonych. Ponadto stopy aluminium, których udział w całkowitej masie pojazdu samochodowego sięga dzisiaj ok. 200 kg, stosowane są również m.in. na elementy mechanizmu napędowego (tłoki, wały napędowe, głowice cylindrów, bloki cylindrów, skrzynie biegów), elementy nadwozia (ramy i konstrukcje pojazdów, kabiny samochodów

ciężarowych, maski silników, drzwi, konstrukcje siedzeń, zderzaki, prowadnice ładunkowe

dachowe), elementy podwozia (układy hamulcowe, obręcze kół, mosty: tylny i przedni) i inne jak naczepy, zbiorniki paliwa czy wymienniki ciepła. Przykładem stosunkowo nowych

zastosowań stopów aluminium są konstrukcje nadwozia w całości wykonane z tego materiału,

jak np. przestrzenna konstrukcja nadwozia Audi A8, umożliwiająca obniżenie masy pojazdu o 40% w stosunku do tradycyjnej ramy wykonanej ze stali [95]. Ponadto na masę równą

385 kg elementów wykonanych ze stopów aluminium, zastosowanych w tym samochodzie przypada 125 kg blachy, 70 kg kształtowników, 150 kg odlewów i 40 kg pozostałych form aluminiowych.

Niemalże wszystkie firmy, konsorcja światowe oraz ośrodki naukowo-badawcze na czele z firmami z Chin, USA i Europy stawiają sobie obecnie za priorytetowy cel, radykalne

obniżenie emisji tlenku węgla do atmosfery i co za tym idzie dążenie do obniżenia masy konstrukcji i elementów przy jednoczesnym zachowaniu lub polepszeniu ich dotychczasowych

własności. Potrzeba obniżenia podstawowej masy pojazdów staję się tym bardziej istotna, że

coraz więcej środków transportowych wyposażonych jest w tzw. akcesoria dodatkowe (typu poduszki powietrzne, dodatkowe pasy bezpieczeństwa, systemy automatycznego podnoszenia szyb, itd.) zwiększające ich masę, które maja na celu nie tylko poprawę bezpieczeństwa jazdy, ale i podniesienie atrakcyjności użytkowej tych pojazdów. Każdy kilogram Al (2,7 glcm³)

zastępujący ok. 3 kg stali (7,86 glcm3), w całym okresie życia pojazdu powoduje oszczędność

ok. 20 kg CO2 • Zmniejszenie wagi średniej wielkości samochodu ważącego 1400 kg skutkuje zmniejszeniem zużycia paliwa o 0,6 l na dystansie 100 km [11]. Wzmożone badania oraz liczne aplikacje stopów aluminium na konstrukcje i inne elementy samochodowe w przemyśle

motoryzacyjnym będą skutkowały możliwością zredukowania średniej wagi pojazdów o około

300 kg, co przy średnim zużyciu 7,2 1/100 km daje oszczędność rzędu 3000 l w całym cyklu

życia produktu oraz zmniejszenie emisji spalin o około 20%.

Mając na uwadze powyższe przesłanki można stwierdzić, że stopy aluminium są obecnie jednym z najczęściej

[23-25, 33-36], dlatego

stosowanych materiałów konstrukcyjnych naszego stulecia niezmiernie ważne jest utrzymanie wysokiego tempa badań związanego z problematyką stopów lekkich. Podwyższenie własności, w szczególności

warstwy wierzchniej jest jednak nierozerwalnie złączone z zastosowaniem odpowiednich technologii i metod ich ksztahowania. Do takich technologii zalicza się metody

wykorzystujące lasery jak również metody PVD/CVD, takie jak CAEPVD lub PACVD.

Technologie laserowe odgrywają dużą role w inżynierii powierzchni stopów aluminium a także w praktyce przemysłowej i laboratoryjnej w szczególności z wykorzystaniem laserów

dużej mocy, istotne znaczenie mają także metody hybrydowe polegające na połączeniu

technologii laserowych oraz konwencjonalnie stosowanych metod obróbki powierzchniowej, np. obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej. Lasery są urządzeniami, które od wielu już lat nierozerwalnie są związane z poprawą jakości naszego życia. Co więcej ich ciągły rozwój, znajdowanie coraz to nowszych form aplikacji oraz ich niewątpliwe zalety

(energooszczędność, dobra jakość obrobionych elementów, selektywność, łatwość

automatyzacji procesów wykorzystujących laser), powodują że stają się one współmiemą

alternatywą dla tradycyjnych metod obróbki w tym również innych technologii powierzchniowych [105-111]. Korzyści jakie niesie ze sobą ich stosowanie przyczyniają się do coraz częstszego wykorzystywania promieniowania laserowego, również w zakresie obróbki powierzchniowej.

Poprawę własności powierzchni stopów aluminium można również wykonywać poprzez zastosowanie techniki próżniowych, w tym również PVD i CVD umożliwiających

wytworzenie na powierzchni materiałów powłok gradientowych i wieloskładnikowych.

Technologie te, nie zanieczyszczają środowiska, można je łatwo automatyzować

i dostosowywać do produkcji seryjnej [95, 141-146, 151-153]. Są także doskonałą alternatywą

dla technologii laserowych, przetapiania i wtapiania laserowego twardych cząstek

ceramicznych w powierzchnię metalu przy użyciu lasera dużej mocy, zwiększających trwałość

powierzchni stopów aluminium. Zastosowanie technologii próżniowych pozwala osiągną

znaczny wzrost twardości, odporności na zużycie ścierne i korozyjne pokrywanych powierzchni, w tym także stopów lekkich metali lekkich. Jest to zastosowanie relatywnie nowe, dotychczas poznane w niewielkim zakresie, jednak posiadające bardzo duży potencjał

aplikacyjny ze względu na znaczący wzrost udziału materiałów ze stopów lekkich w produkcji, szczególnie środków transportu, a także ze względu na dążenie do jak najbardziej ekologicznych i energooszczędnych rozwiązań produkcyjnych. Dzięki temu, przed technologiami PVD i CVD stoi szeroka perspektywa rozwoju w zakresie uszlachetniania powierzchni stopów aluminium [159-161].

2.1. Charakterystyka, znaczenie techniczne i obróbka cieplna stopów aluminium

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje

się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie

większą od czystego aluminium. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż

dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury nawet poniżej

zera, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Generalnie stopy aluminium dzielimy na odlewnicze i do obróbki plastycznej; do odlewniczych stopów aluminium zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o zawartości pierwiastków

stopowych od 5% do 25%, np. z krzemem; z krzemem i magnezem, z krzemem, miedzią,

magnezem i manganem, z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem. Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół

nmiejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedzi (do ok. 5%), magnezu (do ok. 6%) i manganu (do 1,5%), rzadziej krzemu, cynku, niklu, chromu, tytanu. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, co powoduje że otrzymane

własności są porównywalne z własnościami uzyskiwanymi dla stali [1-4].

Spośród stopów aluminium najczęściej stosowanych w odlewnictwie najliczniejszą grupę stanowią odlewnicze stopy z krzemem, tradycyjnie zwane siluminami. Stopy te ze względu na swoje własności mechaniczne, dobrą lejność oraz odporność korozyjną są wykorzystywane przede wszystkim w przemyśle maszynowym i samochodowym. Zgodnie z Polską normą

PN-EN 1706:2003 [18] istnieje kilka rodzajów i odmian odlewniczych stopów aluminium z krzemem stosowanych w praktyce przemysłowej sklasyfikowanych ze względu na stężenie

krzemu bądź ich główne przeznaczenie. Ze względu na zastosowanie odlewniczych stopów aluminium z krzemem można podzielić na dwie podstawowe grupy [24-25]:

• stopy konstrukcyjne stosowane np. na głowice, pokrywy i obudowy silników spalinowych oraz elektrycznych, korpusy pomp, obręcze kół i wiele innych odpowiedzialnych elementów maszyn, eksploatowanych w temperaturze nie przekraczającej 100·C,

• stopy specjalne, wykorzystywane głównie na odlewy tłoków do silników spalinowych,

łopatki turbin sprężarek silników wysokoprężnych oraz elementów produkowanych w technologii Die Casting np. korbowodów silników spalinowych, eksploatowanych w temperaturze powyżej 100·C.

Odlewnicze stopy aluminium z krzemem podzielono na podeutektyczne o stężeniu Si od 4% do 10%, okołoeutektyczne o stężeniu Si od 10 do 13% oraz nadeutektyczne o stężeniu Si od 17 do 26%. W skład których oprócz krzemu wchodzą dodatki stopowe, do których należą:

Cu (0,5+5%), Mg (0,2+ 1,5%), Ni (0,6+3%) oraz Mn (0,2+0,5%). W stopach tych oprócz wyżej

wymienionych dodatków stopowych występują również zanieczyszczenia takie jak: Fe, Zn, Sn, Pb, Be, Ti, Zr, których stężenie zależy głównie od technologii odlewania tj. w formie piaskowej, kokili lub pod ciśnieniem. Najnmiejszego stężenia żelaza oraz sumy pozostałych zanieczyszczeń wymaga się dla odlewów wytwarzanych w formach piaskowych, a ich

największe dopuszczalne stężenie może występować w przypadku odlewów wytwarzanych pod ciśnieniem. Spowodowane jest to różnicą w szybkości krystalizacji możliwej do uzyskania

w zastosowanej technologii odlewania. Najmniejsza szybkość krystalizacji występuje

w odlewach wykonach w formach piaskowych, w wyniku czego krystalizuje nieregularna gruboziarnista eutektyka płytkowa złożona z fazy a i ~ oraz duże kryształy faz

międzymetalicznych pierwiastków stopowych. Odlewy o takim składzie fazowym

charakteryzują się niskimi własnościami mechanicznymi i plastycznymi [16, 17, 19-28].

Dwuskładnikowe odlewnicze stopy aluminium z krzemem stosowane w praktyce

przemysłowej zawierają krzem w stężeniu zbliżonym do eutektycznego (10-13% Si). Stopy te

mają optymalne własności odlewnicze, dzięki krystalizacji eutektyki w stałej temperaturze, co

wpływa na dobrą lejność roztopionego metalu oraz tworzenie się skoncentrowanej jamy skurczowej. Ponadto wykazują mały skurcz odlewniczy podczas krystalizacji, wynoszący ok.

1,15%, a tym samym niewrażliwość na naderwania i inne wady skurczowe odlewów. Wadą tej grupy odlewniczych stopów aluminium z krzemem jest gorsza obrabialność, a także gorsze oczekiwane własności mechaniczne niż stopów podeutektycznych. W ich strukturze występuje

nieregularna płytkowa eutektyka z nielicznymi wydzieleniami pierwotnymi krzemu.

Morfologię eutektyki można zmienić przez znmiejszenie stężenia krzemu i modyfikację chemiczną lub termicznie [16,17,19,26-31].

Odlewów wykonane ze stopów Al-Si nie poddaje się zazwyczaj dodatkowej obróbce cieplnej. Jednakże, niekiedy w celu polepszenia własności plastycznych, stosuje się

wygrzewanie w temperaturze 545°C, przez 2+4 godziny, z następnym studzeniem w wodzie.

Poprawa własności plastycznych jest osiągana przez sferoidyzację kryształów eutektycznych krzemu i może być stosowana jedynie dla odlewów chłodzonych z dużymi szybkościami chłodzenia, wytwarzanych w kokilach.

W warunkach rzeczywistych, krystalizacja odlewów wykonanych z dwuskładnikowych

odlewniczych stopów aluminium z krzemem wykazuje odstępstwa od przebiegu wynikającego

z wykresu równowagi fazowej Al-Si, stanowiącego układ podwójny z eutektyką i ograniczoną rozpuszczalnością składników w stanie stałym. Przyczyną tych odchyleń jest przede wszystkim znacznie szybsza krystalizacja stopu, niż odpowiadająca warunkom równowagowym, zmiana struktury wyjściowej stopu w stanie ciekłym, spowodowana zanieczyszczeniami, bądź celowo wprowadzanymi do kąpieli modyfikatorami mającymi na celu zmianę morfologii struktury eutektyki a+~ lub przesunięcie charakterystycznych punktów wykresu równowagi fazowej, na skutek podwyższenia ciśnienia podczas krystalizacji stopu [32-39].

' " , , _ typu _ Pod wpływom _

""",""ci

njmmieczyszczon)'ili. fosforem, albo w wyniku modyfikacji sodem lub strontem, nieregulama c:utdrtyb płytkowa ulega zmianom. polegaj~ym na znac.mym zmniejSZCDiu odlcgłości międzypłytkowej. Modyfikacja sodem lub strontem wywołuje przekształcenie eutektyki

płytkowej w eutektykIii wł6knifią. kl'ćir\ można traktować jako regu1amą, PodczJII modyfikacji chemic:mej nie jest kmriecme szybkie chłodzmie odlewu. w celu rozdrobnimia struktury, w związku z czym efektu modyfikacji występuje także w grubościcnn)'ili. odlewach

wytwomon"'"

KD~ odmianIii odlewniczych stopów aluminium z krzemem stanowią stopy 1r6jllldadnikowe Al-Si-Cu. Na rytrunku 2.1 przedstawiono ftagmmt przekroju izott:r:mic:mego

wykresu równowagi Al-Si-Cu.

s;

6

1

Al

7

Stężenie masowe Cu, %

llyBtłeł ~1. Fragmentprzekroju izotenniczMgo ~Aresu 1'ÓW1Iowagl Al-St-Cu [12-UJ

w

występuj, eutektyki podwójne u+MCu, u+fł

m.z

Międzymetalic:ma &za Al₂Cu pojawia sil:' w stopach przy stężeniu od 0,2% do 1% Cu.

Maksyma1na rozpuszczalność miedzi - 4,8% występuje w tempenrtmze eutektycznej i maleje ZmiCllllll.

wykonanie utwardzania wydzieleniowego. Krystalizacja trójskładnikowych stopów Al-Si-Cu przebiega tak jak dwuskładnikowych stopów Al-Si, a po krystalizacji eutektyki a+p w temperaturze ok. 525"C rozpoczyna krystalizować potrójna eutektyka a+AlzCu+P. Dodatek miedzi przesuwa punkt eutektyczny w stronę mniejszego stężenia krzemu [19, 27-34].

Miedź a także magnez są wprowadzane do stopów Al-Si w celu wykonania obróbki cieplnej odlewów - utwardzania wydzieleniowego i uzyskanie w ten sposób polepszenia ich

własności mechanicznych.

W potrójnych stopach Al-Si-Cu stężenie magnezu jest zawarte w przedziale od l % do 5%.

Ze względu na stężenie krzemu wahające się od 4% do 9%, stopy te należą do stopów podeutektycznych. Natomiast zmniejszenie stężenia krzemu w stopach potrójnych Al-Si-Mg oraz AI-Si-Cu poszerza zakres ich temperatury krzepnięcia wpływając jednocześnie na pogorszenie własności odlewniczych, ponieważ uwydatnia się w nich skłonność do

porowatości skurczowej, pękania na gorąco oraz zmniejszenia lejności [22, 32, 33, 35-41].

W praktyce przemysłowej stosuje się wieloskładnikowe stopy Al-Si-Cu-Mg, w których

tworzą się eutektyki poczwórne a+AlzCu+A1SiMgCu+P o temperaturze topnienia 495+500°C, oraz jak stwierdzono w pracach [39-41] eutektyki a+AlzCu+Al5Cu2Mg8Si6+M~Si

o temperaturze topnienia 480+500°C. Miedź oraz magnez są dodawane w celu poprawy ich

własności mechanicznych i zmęczeniowych po przesycaniu i sztucznym starzeniu. Odlewnicze stopy aluminium z krzemem podczas przesycania są nagrzewane do temperatury wyższej od temperatury granicznej rozpuszczalności, a następnie szybko chłodzone do temperatury pokojowej. Podczas takiej obróbki cieplnej roztwór stały a zostaje przesycony miedzią,

magnezem oraz zwiększa się występowanie wakansów. Temperatura przesycania dla stopów AI-Si-Mg wynosi najczęściej 540°C, a czas wygrzewania odlewów dobiera się w zależności od ich rozmiarów. Czas przesycania dla odlewów małych określa się od 3+6 godzin, a dla odlewów dużych i o skomplikowanych kształtach od 8+10 godzin. Chłodzenie przesyconych odlewów wykonuje się w wodzie.

Dla odlewów wykonanych z odlewniczych stopów aluminium z krzemem zawierających miedź - Al-Si-Cu lub wieloskładnikowych stopów Al-Si-Cu-Mg przesycanie wykonuje się

w temperaturze ok. 505"C w czasie 8 godzin, z następnym chłodzeniem w wodzie.

Zastosowanie odpowiednio długiego czasu wygrzewania ma szczególne znaczenie dla odlewów grubościennych. W praktyce przemysłowej przyjęto zależność, że osiągnięcie

temperatury przesycania w warstwach wewnętrznych wymaga ponad 1 minuty wygrzewania

przypadającej na milimetr grubości odlewu. Operacja przesycania ma na celu ujednorodnić

i wzbogacić strukturę roztworu stałego w magnez, krzem i miedź oraz przebudować szkielet

wydzieleń utworzony przez krzem eutektyczny w strukturze odlewów, ponieważ podczas wygrzewanIa

w temperaturze przesycania zachodzi łatwo korzystna zmiana morfologii kryształów fazy

p,

polegająca na ich sferoidyzacji. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie dobrych własności

plastycznych odlewów pomimo wzrostu jego umocnienia w wyniku utwardzania wydzieleni owego roztworu stałego a.

Po przesycaniu wykonywane jest sztuczne starzenie w temperaturze 150+ 180°C przez 4+8 godzin. Podczas starzenia przesycony roztwór stały a dąży do uzyskania stanu równowagowego przez związanie nadmiarowych atomów Cu i Mg w fazy stabilne Mg2Si, AlzCuMg oraz AlzCu.

W celu poprawy własności mechanicznych odlewniczych stopów aluminium z krzemem, oprócz utwardzania wydzieleni owego stosuje się operacje modyfikacji. Modyfikacja stopów podeutektycznych i nadeutektycznych powoduje zmianę kształtu kryształów krzemu oraz znmiejszenie odległości międzyfazowej eutektyki

a+p,

się różne mody:fikatory, dla stopów podeutektycznych i okołoeutektycznych są to najczęściej:

sód, stront i antymon, a dla nadeutektycznych najczęściej stosowany jest fosfor.

2.2. Technologie

warstw wierzchnich stopów aluminium

Wymogi użytkowe, które są stawiane dzisiejszym materiałom inżynierskim, w tym również

odlewniczym stopom aluminium, zmuszają materiałoznawców, konstruktorów i inżynierów do poszukiwania nowych metod kształtowania własności warstw powierzchniowych, ponieważ materiały muszą charakteryzować się wymaganym czasem eksploatacji i dużą odpornością na

korozję. Jednakże najczęściej względy ekonomiczne determinują wytwarzanie i zastosowanie nowych, lepszych materiałów, dlatego drogie surowce zastępuje się tańszymi po odpowiedniej obróbce powierzchniowej. Własności warstwy wierzchniej otrzymywane są najczęściej

poprzez ohróbkę cieplną, cieplno-chemiczną, cieplno-mechaniczną i mechaniczną a także

przez ich kombinacje [46-49, 116-125]. Mając na uwadze powyższe przesłanki technologie laserowe oraz próżniowe znalazły szerokie zastosowanie w modyfikowaniu i obróbce

materiałów inżynierskich, zapewmaJąc możliwość znacznego podwyższenia własności

mechanicznych i użytkowych obrabianych elementów.

Nowoopracowane i obecnie projektowane techniki mają w szczególności na celu wytwarzanie, badanie i stosowanie warstw powierzchniowych o innych, lepszych niż rdzeń (podłoże) własnościach, głównie dotyczy to odporności na ścieranie, własności

antykorozyjnych i dekoracyjnych. Problematyka stosowania nowych metod dotyczy w szczególności poprawy własności wytrzymałościowych oraz zapewnienia dużej odporności

na oddziaływanie chemiczne. Od wytworzonej warstwy wierzchniej wymagana jest przede wszystkim duża twardość i ciągliwość duża wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na uderzenia, jak również odporność na działanie wysokich i niskich (pełzanie i kruche pełzanie)

temperatur (w tym szoki termiczne) oraz odpowiednia przewodność cieplna. Wymienione

własności zależą w głównej mierze od struktury uzyskanych warstw wierzchnich. Nowoczesne technologie inżynierii powierzchniowej, w tym w szczególności techniki laserowe oraz metody nanoszenIa cienkich powłok z twardych, odpornych na zużycie ścierne

i korozyjne materiałów powinny zapewnić także odpowiednią trwałość przy niskich kosztach wytwarzania.

W celu przygotowania podłoża, w szczególności dla technik laserowych stosuje się różnego

rodzaju technologie wspomagające, mające przykładowo na celu zwiększenie absorpcji promieniowania laserowego obrabianych powierzchni aluminiowych, poprawę własności

antykorozyjnych oraz dekoracyjnych warstw powierzchniowych stopów aluminium.

Do technologii najczęściej stosowanych w tym celu zaliczane jest bardzo często anodowanie.

Anodowanie, jako metoda elektrochemiczna polega na sztucznym wytworzeniu na powierzchni aluminium warstwy tlenku glinu Ah~, głównie w celu zapewnienia większej twardości, odporności na ścieranie i odporności korozyjnej powierzchni materiału

aluminiowego w porównaniu do stopu pokrytego naturalną warstwą Ah03. Bardzo dobre

własności ochronne anodowanego elementu zapewnione są przez szczelną warstwę wierzchnią

tlenku glinu, która pełni rolę naturalnej bariery ocbronnej. Aluminium jako materiał inżynierski

jest w porównaniu do stali, najczęściej stosowanym materiałem konstrukcyjnym na świecie, równocześnie jest jednak materiałem droższym w wytworzeniu od stali, co skutkuje wykorzystywaniem go przede wszystkim w rozwiązaniach, gdzie duże znaczenie ma obniżenie

masy elementów oraz zachowanie wysokiej odporności korozyjnej produktów. Przykładowo

specyficzne własności aluminium, wśród których wymienić należy odporność na działanie

niekorzystnych czynników atmosferycznych, większe bezpieczeństwo pożarowe w porównaniu do PVC lub drewna, brak odkształceń spowodowanych promieniowaniem słonecznym oraz brak konieczności konserwacji spowodowały wzrost zainteresowania aluminium i jego stopami w branży budowlanej. Materiał ten, wykorzystywany do tej pory głównie

w budownictwie komercyjnym, coraz częściej pojawia się w projektach domów jednorodzinnych i wielorodzinnych współczesnego budownictwa mieszkaniowego, z uwagi na swój pozytywny parametr konstrukcyjny, jakim jest stosunek wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a także nowoczesną estetykę [21, 194, 195, 198].

Do tak szerokiego zastosowania aluminium i jego stopów przyczyniło się między innymi poznanie i opracowanie możliwości wykorzystania mechanizmu wzrostu warstwy tlenku aluminium oraz możliwość uzyskiwania specyficznych efektów dekoracyjnych warstwy Ah03, o grubości mieszczącej się w przedziale od 20 do lOOl1m. Podczas utleniania anodowego element aluminiowy jest podłączony w elektrolicie, przeważnie na bazie kwasu siarkowego, do dodatniego bieguna źródła prądu stałego i w związku z tym staje się anodą. Biegun ujemny stanowi katoda wykonana z reguły, także z aluminium. Pod działaniem napięcia stałego zawierające tlen aniony ujemnie naładowane wędrują do anody i oddają tam tlen. Tlen reaguje z aluminium tworzący tlenek glinu na powierzchni aluminium. Powstaje bardzo cienka, nieporowata, elektrycznie izolowana, utleniona warstwa barierowa. Następnie warstwa tlenku aluminium jest roztwarzana przez elektrolit i następuje przekształcenie warstwy barierowej w porowatą warstwę kryjącą. W związku z tym, iż powstaje stan równowagi pomiędzy

tworzeniem się i przekształcaniem warstwy barierowej, warstwa kryjąca może dalej rosnąć

przy stałej grubości warstwy barierowej. Elektryczny opór warstwy wzrasta wraz ze wzrostem

grubości powłoki, co może doprowadzić do znmiejszenia przepływu prądu pomiędzy

elektrolitem i anodowanym materiałem. Zjawisko to nie zachodzi w elektrolitach

zawierających kwas siarkowy. W zależności od składu chemicznego kąpieli dobór parametrów anodowania może mieć szeroki wachlarz możliwości i tak na przykład [195, 198]:

• w kąpieli opartej na kwasie siarkowym o stężeniu 180-190 gil, temperatura anodowania powinna zawierać się w granicach 18-21°C, napięcie 18-22 V, gęstość prądu 1-2 Aldm²,

• w kąpieli opartej na mieszaninie kwasu siarkowego o stężeniu 150-180gll i kwasu szczawiowego o stężeniu 50-100 gil, temperatura powinna wynosić 20-25°C, napięcie

18-25 V, gęstość prądu 1-2 Aldm²•

Ochronne działanie antykorozyjne warstwy tlenku aluminium zanika, gdy warstwa wierzchnia zostanie poddana działaniu kwaśnych albo alkalicznych substancji chemicznych i rozpuści się. Z tego też względu dobre własności antykorozyjne aluminium ograniczone są do zakresu pH pomiędzy 5-8.

W skład standardowej technologii wytwarzania warstewki telenku aluminium wchodzą następujące zabiegi: odtłuszczanie, trawienie w roztworze wodorotlenku sodowego, płukanie

kaskadowe, rozjaśnianie (odtlenianie) bez kwasu azotowego, anodowanie, płukanie

kaskadowe, płukanie w wodzie demiralizowanej, uszczelnianie zimne, płukanie kaskadowe,

płukanie w wodzie demiralizowanej, uszczelnianie gorące, suszenie [194, 195, 198, 207].

Innym typem anodowania jest tzw. anodowanie twarde, które pozwala na wytworzenie grubych i twardych powłok odpornych na ścieranie. Ich twardość dochodzi nawet do 6000 MPa, przy grubości do 150 flJ1l. Warunki w jakich wykonuje się anodowanie twarde znacznie odbiegają od standardowych. Jednym ze sposobów uzyskania tego rodzaju warstw jest anodowanie w roztworze kwasu siarkowego o stężeniu 165 gil, w temperaturze O°C, przy

gęstości prądu 2-2,5A/dm² i napięciu początkowym 25-30 V, które później podwyższa się do 40-60V. Należy też pamiętać o tym, że podczas anodowania, a zwłaszcza twardego wydziela

się duża ilość ciepła, którą trzeba niezwłocznie odprowadzać na zewnątrz, aby uniknąć

zagrzania się kąpieli anodującej [195, 198,207].

Obecnie postęp w dziedzinie kształtowania warstwy powierzchniowej stopów aluminium obejmuje także techniki próżniowe PVD i CVD, co wydaje się być odpowiednią alternatywą

dla technologii laserowego przetapiania, wtapiania i/lub stopowania powierzchni stopów aluminium, ze względu na liczne zalety, jakimi się charakteryzują. Do najważniejszych cech jakimi wyróżniają się techniki fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej należą:

możliwość uzyskania wysokiej jakości materiałów nowej generacji o unikatowych

własnościach dla konkretnych zastosowań, możliwość otrzymania powłok złożonych (wieloskładnikowe, wielowarstwowe, wielofazowe, gradientowe, kompozytowe, metastabilne),

duża wydajność przy zachowaniu wysokiego poziomu ekologicznej czystości, wyjątkowe własności dekoracyjne wytworzonych powłok, a także możliwość produkcji seryjnej [141-

146]. Uzyskana powłoka PVD (ang. Physical Vapour Deposition) i CVD (ang. Chemical Vapour Deposition) powinna charakteryzować się wysokim współczynnikiem rozszerzalności

cieplnej, a także powinna być możliwie homogeniczna, szczelnie pokrywać powierzchnię i być

funkcjonalna.