Overflatebehandling av titan

I motsetning til titans unike styrke-/vektforhold, mekaniske- og korrosjonsegenskaper har titan høy friksjonskoeffisient og lav slitasjemotstand. Titan blir lett utsatt for riving og må derfor overflatebehandles for å øke motstanden mot riving. Den økende bruken av titan i komponenter og utstyr krever stadig forbedrede egenskaper og forhøyet levetid. For å gjøre titan attraktivt også for komponenter utsatt for stor slitasje er det viktig å løse problemer med overflatehardhet, både fra et materialteknisk og et økonomisk synspunkt. Avhengig av påkjenning og bruksområder finnes det en del ulike metoder for å forbedre titans slitasjeegenskaper og rivningsproblemer, det være seg bruk av smøremiddel bestående av for eksempel molybden disulfid eller mer avanserte metoder som gir en høyere styrke og hardhet for hardt belastende forhold.

Levetiden på produkter og komponenter kan økes 3-10 ganger ved å modifisere overflaten til et materiale.

De ulike metodene vil bli belyst for å kartlegge hvilke muligheter som er på markedet.

For å øke overflatehardhet og slitasjemotstand gjennomgår titan og titanlegeringer nitreringsprosesser. Nitrerte overflater modifiserer både den kjemiske sammensetning i overflatesjiktet og mikrostrukturen.

Smøremiddel 

De smøremiddel som er spesielt utviklet for titan er en tørr filmlignende type basert på molybden disulfid, grafitt og lignende. Slike lubrikater gir en god beskyttelse over en begrenset tidsperiode. Den mest brukte lubrikaten er Molycoate pasta. Her finnes det mange varianter, for eksempel Molycoate Pasta G-rapid som er testet ned til – 35º C har en ekstra lav friksjonskoeffisient til å være pasta. Bruk av slike pastaer er spesielt egnet ved bruk av gjengeforbindelser. Det finnes også smøremiddel som enten kan sprayes, dyppes eller børstes på.

Ulik hardhet

Tendensen til riving i titan begrenser seg ofte til de lastbærende delene av en konstruksjon. Utstyr som pumper, blandemaskiner og ventiler er eksempler på dette. For å øke motstanden mot riving kan en benytte legeringer med ulik hardhet. Et eksempel på dette er å benytte titan grad 2, men en typisk hardhetsverdi på 160-200 HV, i pumpehus og titan grad 5 med en hardhet på 350 HV, i interne deler som er i kontakt med pumpehuset

Anodisering

Ved anodisering økes oksydlaget og fører til redusert fare for riving. Dersom titandelen ikke blir utsatt for kontinuerlig slitasje, som fører til at sjiktet skaller av, kan anodisering være en lettvint og kostnadseffektiv løsning.

Anodisering er en prosess det oksydlaget øker i tykkelse ved hjelp av elektrolyse. Overflatehardheten og korrosjonsmotsanden øker, men i praksis viser det seg ofte at oksydjiktet raskt sprekker opp og blottlegger titan for angrep og slitasje. Anodisering må derfor utføres ved riktig temperaturer og betingelser.

Luftoksidering

En alternativ metode for økning av oksydsjiktet er luftoksidering med temperaturer i område 400-700º C, men metoden er lite brukt industrielt og bør derfor utprøves mer. Det er usikkert hvordan bestandigheten og rivingsmotstanden er i sjiktet. Sjiktet er forholdsvis tynt, slik at slitasjemotstanden sannsynligvis ikke påvirkes.

Belegging

Som metode for overflatebehandling er belegging med hard krom det som har gitt best resultater når det gjelder slitasje. Det finnes også et belegg bestående av nikkel og polymerer som deporteres på metalloverflaten og varsomt varmebehandlet for å oppnå en sterk og glatt overflate. Prosessen gr økt motstand mot rining, slitasje og korrosjon. 

Ioneimplantering /plasmanitrering 

Ioneimplantering er en prosess der ladede ioner blir akselerert i vakuum og presset ned i titanoverflaten. Ionene vekselvirker med atomer i grunnmaterialet, noe som fører til forandring i fysiske og kjemiske egenskaper i overflaten. Kjemiske forandringer omfatter dannelsen av en hard fase bestående av presipitater som TiB, TiC, TiN osv. Overflatehardheten og flytegrensen til sjiktet øker. Fysiske egenskaper omfatter eliminering av korngrenser og dannelse av trykkspenninger. Samspill mellom fysiske og kjemiske forandringer vil føre en hardere nærmest friksjonsløs overflate som kan bedre en eller flere av følgende egenskaper: slitasje, utmatting, korrosjon, friksjon og oksidasjon.

Friksjonskoeffisienten mellom f.eks. Ti6AI4V overflater og mellom Ti6AI4V / A1-7075overflater kan reduseres med henholdsvis 50% og 47 % ved bruk av karbonioner. Ved bruk av nitrogen avtar koeffisienten med 39 % og 19 %.

Ved ionebehandling er det to metoder som er viktigst; implantering med nitrogen og plasmanitrering. . . .

Ved nitrogenimplantering blir ioner akselerert i vakuum ved hjelp av en ionekanon med pålagt spenningsfelt på 30 - 300 kV. Ionene blir skutt inn i overflaten på komponenten. Det oppstår trykkspenninger i overflaten, noe som medfører nye metastabile strukturer som er gunstig for både slitasje- og utmattingsmotsand, bruddfasthet og friksjonskoeffisienten. Korrosjonsmotstanden vil også øke ved et slikt sjikt. Temperaturen under implanteringen ligger under anløpningstemperaturen for grunn-materialet.

Når det gjelder plasmanitrering er komponenten omgitt av en nitrogenholdig gass med et trykk på 1 - 10 mbar. For å ionisere gassen blir det pålagt en spenning på 300-800 V mellom anoden og komponenten som skal nitreres. Den ioniserte gassen blir akselerert mot komponenten, som dermed blir varmet opp, og gassen absorberes i overflaten og diffunderer inn i materialet. Denne herdingen kan utføres ved relativt lave temperaturer, dvs i overkant av 400º C. Herdedybden kan komme opp i 0,7 mm.

Overflatenitrering med laser av titan og titanlegeringer

Overflatenitrering ved bruk av laser lager et hardt sjikt med bra dybde (ca. 1 min) og minimal innvirkning på grunnmaterialet. Lasernitrering utføres ved å bruke laserens energitette stråle til å smelte titan-overflaten i en nitrogenholdig atmosfære. Nitrogen blir raskt løst i smeltet titan og en oppnår så høye avkjølingshastigheter at det dannes strukturer som er gunstig med hensyn til slitasje.

Harde sjikt med en tykkelse på 0,2 - 1,0 min og hardhetsverdier over 700 HV blir dannet. C02 laser er en velegnet lasertype for overflatemodifisering. Det er vist at ved å resmelte en nitrogenlegert overflate i argon kan man oppnå en bedre overflatefinhet og mer uniforme mikrostrukturer.

Ved å bruke argon med lav nitrogenkonsentrasjon kan man ved lasernitrering oppnå bedre motstand mot småsprekker, samt bedre kontroll av mikrostrukturer og hardhet.