Development of composite materials and coatings by nitriding and carburizing methods on metal matrices
Authors: Πεχλιβάνη Ελευθερία-Μαρία 
Published: September 2021

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη σύνθετων μεταλλικών υλικών και επικαλύψεων με ανάπτυξη μεθόδων ενανθράκωσης και εναζώτωσης και μετέπειτα χαρακτηρισμός των δομικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους καθώς και της αντιδιαβρωτικής τους συμπεριφοράς. Αρχικά, μια νέα εναλλακτική μέθοδος ενανθράκωσης παρουσιάσθηκε με τη χρήση γλυκόζης ως ενανθρακωτικό μέσο. Η μελέτη αυτή στηρίχθηκε στην ενανθράκωση δειγμάτων α-φάσης σιδήρου και γ-φάσης νικελίου με Χημική Εναπόθεση πάκτωσης (pack cementation CVD) μέσα σε γλυκόζη. Αξιοσημείωτα αποτελέσματα φανέρωσε η μελέτη αυτή αφού η διαφορετική μικροδομή που ανέπτυσσε κάθε ενανθρακωμένο δείγμα στις διάφορες θερμοκρασίες ανάπτυξης επηρέαζε θεμελιωδώς την αντίστασή του έναντι στη διάβρωση με εντυπωσιακή την περίπτωση σχηματισμού φερριτικού στερεού διαλύματος μέσα στην μεταλλική μήτρα του σιδήρου από τον άνθρακα, για ενανθράκωσή α-Fe δειγμάτων στους 6500C που οδήγησε σε δεκατρείς φορές μικρότερο ρυθμό διάβρωσης συγκριτικά με τα ακατέργαστα. Στη συνέχεια παρουσιάσθηκε μια μελέτη που εξηγεί αναλυτικά τη διαφορά ανάμεσα στη σκληρότητα και την αντιδιαβρωτική συμπεριφορά που αναδεικνύουν δείγματα Ωστενιτικού χάλυβα που υποβλήθηκαν σε Χημική Εναπόθεση πάκτωσης (pack cementation CVD) μέσα σε σκόνη Ekabor II και πάκτωσης μέσα σε γλυκόζη στις ίδιες συνθήκες ανάπτυξης. Από τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης προέκυψε ότι τα βοριωμένα δείγματα Ωστενιτικού χάλυβα συγκριτικά με τα ενανθρακωμένα που κατεργάστηκαν στις ίδιες συνθήκες ανάπτυξης, παρουσίασαν περίπου τρείς φορές υψηλότερο βαθμό σκληρότητας (HV) και τέσσερις φορές μεγαλύτερο ρυθμό διάβρωσης από αυτό που παρουσίασαν τα ενανθρακωμένα, γεγονός που αναδεικνύει τα ενανθρακωμένα δείγματα να κερδίζουν την υπεροχή ως προς την αντιδιαβρωτική προστασία και να χάνουν ως προς την επιφανειακή σκληρότητα. Ακόμη μια σημαντική μελέτη που επετεύχθη στα πλαίσια των επιφανειακών κατεργασιών βασίστηκε στην εκ των προτέρων εναζώτωση της επιφάνειας του α-σιδήρου με Χημική Εναπόθεση πάκτωσης (pack cementation CVD) κόνεως ανθρακικής αμμωνίας και κατόπιν βορίωσής της με Χημική Εναπόθεση πάκτωσης (pack cementation CVD) κόνεως μείγματος άμορφου άνυδρου βορίου. Ο χαρακτηρισμός της μικροδομής των κατεργασμένων αυτών δειγμάτων ανέδειξε ότι υπήρξε συσχέτιση της δομής του εναζωτωμένου υποστρώματος με το σχηματισμό της φάσης που προέκυψε από τη μετέπειτα βορίωση τους και επιπρόσθετα μέσω αυτής της μελέτης προέκυψε ότι διενεργώντας μια εκ των προτέρων επιφανειακή διαμόρφωση σε μια μεταλλική επιφάνεια σιδήρου με εναζώτωση επιτυγχάνεται ακόλουθη βορίωση σε πολύ μικρότερη θερμοκρασία από ότι συνήθως υλοποιείται. Τέλος, ένα άλλο θέμα που θίχτηκε στη παρούσα διατριβή ήταν η εύρεση της αιτίας που οδηγεί σε μηχανική υποβάθμιση των ιδιοτήτων των κραμάτων Al-Si έπειτα από έκθεση τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Για τη προστασία και την αποφυγή των κραμάτων Al-Si από φαινόμενα επιφανειακής φθοράς, κρίθηκε αναγκαία η εφαρμογή τους σε επιφανειακή κατεργασία. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε ήταν Χημική Εναπόθεση με Αέρια Εναζώτωση (Gas Nitriding CVD) με τη χρήση δυο διαφορετικών μειγμάτων αέριας αμμωνίας σε διαφορετικούς χρόνους εναπόθεσης υπό την ίδια θερμοκρασία ανάπτυξης. Η αέρια εναζώτωση πραγματοποιήθηκε μέσα σε σύστημα θερμικής χημικής εναπόθεσης (Thermal CVD apparatus) το οποίο σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν και από τις δύο δοκιμές αέριας εναζώτωσης, στρώμα νιτριδίου του αλουμινίου AlN (N-O δεσμού) σχηματίστηκε πάνω στην επιφάνεια του κράματος Al-Si με μεγαλύτερο πάχος και μεγαλύτερο ποσοστό ατομικής συγκέντρωσης αζώτου να επιτυγχάνεται στη δοκιμή με χρήση αέριας αμμωνίας υψηλότερης συγκέντρωσης και μεγαλύτερου χρόνου εναπόθεσης. Ακολουθώντας μικροσκληρομετρήσεις στα βέλτιστα εναζωτωμένα δείγματα, βρέθηκε ότι η επιφανειακή τους σκληρότητα προσέγγισε αύξηση 58,5% HK συγκριτικά με τα ακατέργαστα, γεγονός που οδηγεί τα Al-Si κράματα σε καλύτερες μηχανικές ιδιότητες προστατεύοντάς τα έναντι στην επιφανειακή φθορά.