Controlul depunerilor superficiale aplicate roţilor dinţate

Calitatea este cel mai adesea definită ca fiind suma proprietăților și caracteristicilor pe care un produs sau un serviciu trebuie să le îndeplinească pentru a satisface cerințele stipulate și asumate.

În practică, întregul potențial al unei depuneri poate fi asigurat numai în cazul în care sunt îndeplinite simultan următoarele condiții:

• materialele de depunere au o calitate dovedită;
• tratamente prealabile aplicării depunerii au fost realizate și controlate în mod adecvat;
• metoda de depunere a fost aleasă, efectuată și verificată în mod corect.

De aceea, un aspect foarte important care vizează toate tehnologiile de depunere îl reprezintă controlul adecvat de calitate, care să asigure conformitatea cu cerințele și specificațiile agreate. Activitățile de control ale depunerilor superficiale presupun următoarele acțiuni:

• inspecția vizuală;
• controlul compoziției chimice a stratului depus;
• controlul grosimii stratului;
• controlul porozității;
• controlul adeziunii;
• controlul rezistenței mecanice;
• controlul durității;
• controlul rezistenței la uzură.

Numărul și metoda de testare se adoptă în funcție de materialul de depunere, caracteristicile substratului și tehnologia de depunere. Duritatea și grosimea stratului depus sunt aspecte importante ale fiecărui proces de acoperire, deoarece acestea influențează în mod semnificativ nu numai alegerea corespunzătoare a materialului de acoperire, ci și durata de viață, textura finală a suprafeței și costul produsului.

1. Controlul durității

Duritatea este definită ca fiind rezistența la penetrare opusă de un corp solid unei acțiuni mecanice penetrante exterioare. Această rezistență se poate manifesta față de acțiuni de șlefuire, zgâriere, tocire prin utilizare repetată.

În industria depunerilor superficiale, măsurătorile de duritate sunt efectuate pentru a determina rezistența stratului depus la uzură, la zgârieturi sau pentru a afla dacă acoperirea a aderat la substrat. Prin urmare, în funcție de cerințele și tipul stratului (metalic sau nemetalic), sunt disponibile diverse metode pentru a testa duritatea acoperirilor.

În cazul depunerile metalice, metoda uzuală de măsurare a durității este aceea de a măsura aria sau adâncimea urmei lăsate de un penetrator având o formă specifică, după aplicarea unei anumite forțe pentru o anumită durată. Există patru scale principale pentru a exprima interdependența dintre duritatea și mărimea penetrării, acestea fiind: Brinell, Rockwell, Vickers și Knoop (pentru microduritate).

Pentru depunerile nemetalice, în practică se utilizează următoarele metode de măsurare a durității:

• testul de duritate cu pendul;
• testul de duritate Buchholz;
• testul de duritate cu creionul.

a) Testul de duritate cu pendul evaluează duritatea prin măsurarea timpului de amortizare a unui pendul oscilant. Metoda de testare este conformă cu standardele SR EN ISO 1522:2007 și ASTM D4366 (American Society for Testing and Materials). Există două tipuri de pendule (Koenig și Persoz) care au fost standardizate pentru această metodă de testare.

b) Testul de duritate Buchholz se aplică numai acoperirilor care se deformează plastic și constă dintr-un bloc prevăzut cu un con dublu, care este apăsat pentru 30 secunde pe acoperirea depusă. Penetrarea ce a avut loc se măsoară cu un microscop de precizie. Lungimea penetrației în stratul de acoperire indică duritatea suprafeței. Metoda este în conformitate cu standardul SR EN ISO 2815:2004.

c) Testul de duritate cu creionul, cunoscut și sub numele de Wolff-Wilborn, este ideal pentru evaluarea rapidă a suprafețelor de acoperire netede, duritatea fiind evaluată cu un creion în domeniul de duritate de la 8B la 10H. Creioanele sunt trase, pe rând, pe suprafața verificată, sub un unghi de 45°cu o presiune constantă, în scopul de a determina care creion provoacă o penetrare a stratului depus. Metoda de testare este în conformitate cu standardele SR EN ISO 15.184:2013 și ASTM D3363.

Deoarece testarea durității poate afecta în mod direct suprafața de evaluat, provocând imperfecțiuni ale acesteia, măsurătoarea se efectuează în mod obișnuit pe probe speciale de acoperire.

2. Controlul grosimii de strat

Din rațiuni economice sau de funcționalitate, grosimea stratului de acoperire trebuie să fie măsurată precis, pentru a se asigura cerințele de calitate stabilite. De-a lungul anilor, împreună cu progresul diferitelor tehnologii de acoperire, au fost dezvoltate o varietate de echipamente și metode de testare a grosimii acoperirilor. Cele mai multe dintre ele sunt non-invazive și acoperă o gamă largă de aplicații. Aceste metode non-invazive sunt folosite mai ales în aplicațiile industriale, în timp ce metodele distructive sunt rareori folosite în afara laboratoarelor de cercetare. Având în vedere că nu a fost consacrată o singură procedură de măsurare standard, pentru a determina toate grosimile de acoperire, în alegerea echipamentului adecvat, se impune înțelegere profundă a acestor metode.

a) Metoda magnetică este utilizată atât pentru măsurarea depunerilor de materiale nemagnetice pe substraturi metalice cât și pentru măsurarea depunerilor de materiale magnetice pe substraturi nemetalice, fiind reglementată de standardele SR EN ISO 2178: 2016 și ASTM B499. Metoda este aplicabilă straturilor individuale cu grosimi în intervalul de la 1 la 1000 μm.

Principiul de măsurare al metodei se prezintă în figura 1. După cum se observă, plasând palpatorul pe suprafața evaluată, densitatea fluxului magnetic este modificată fie de substrat (atunci când are proprietăți magnetice), fie de grosimea stratului depus (atunci când acesta este magnetic). Această modificare a inductanței magnetice este măsurată cu ajutorul unei bobine secundare plasată în interiorul sondei de palpare.

Tensiunea de ieșire U= f (h) este transmisă la un microprocesor și este afișată pe un ecran ca și grosime de acoperire (h). Metoda este rapidă și poate fi utilizată în cazul acoperirilor lichide sau sub formă de pulbere, precum cadmiu, crom sau zincare aplicate pe substraturi metalice.

• FIGURA 1. Principiul de măsurare al metodei magnetice
   

b) Metoda prin curenți Foucault este folosită la măsurarea grosimii straturilor neconducătoare aplicate pe substraturi metalice nemagnetice, cum ar fi, spre exemplu fluoropolimeri aplicați pe aluminiu sau cupru. Metoda este reglementată de standardele SR EN ISO 2360:2004 și ASTM B244.

Principiul de măsurare al metodei este similar metodei anterior prezentate, în foarte multe cazuri utilizându-se aceeași formă de palpator.

Așa cum se poate observa și din figura 2, palpatorul conține doar o înfășurare, el având însă o funcție dublă: de excitație și măsurare. Apropiind palpatorul de suprafața investigată, curenții Foucault sunt generați în substratul metalic, determinând o modificare a impedanței în înfășurarea palpatorului. Această modificare depinde de distanța dintre palpator și substratul conductor, adică grosimea stratului de acoperire. Rezultatele măsurătorilor sunt afișate pe un ecran cu o eroare de ± 1%.

• FIGURA 2. Principiul de măsurare al metodei prin curenți Foucault 
   

c) Metoda prin spectrometrie cu raze X este o metodă de măsurare fără contact a depunerilor multistrat subțiri, aplicate pepiese mici, cu o configurație complexă. Metoda este reglementată de standardele SR En ISO 3497:2002 și ASTM B568.

Metoda constă în expunerea probei la radiații X, care sunt focusate printr-un colimator pe o suprafață exact definită a piesei (figura 3). Această radiație generează emisii fluorescente atât de la substrat, cât și de la stratul de acoperire, care sunt identificate de un detector de dispersie a energiei. Nivelul de energie sau lungimea de undă a emisiei fluorescente este proporțională cu numărul atomic al materialului, fiind specific pentru un anumit substrat sau acoperire. Cantitatea de energie eliberată depinde de grosimea stratului care trebuie măsurat.

• FIGURA 3. Principiul de masurare al metodei prin spectrometrie cu raze X

d) Metoda prin retroîmprăștiere cu radiații beta folosește fascicule de particule beta de la un izotop emițător, care sunt dirijate printr-o deschidere spre depunerea a cărei grosime se măsoară.

Particulele penetrează stratul de acoperire și sunt reflectate înapoi („retroîmprăștiate”) spre sursă, fiind colectate și numărate cu ajutorul unui tub Geiger-Mueller, făcându-se astfel conversia la grosimea stratului de acoperire. Principiul de măsurare al metodei este prezentat grafic în figura 4.

• FIGURA 4. Principiul de măsurare al metodei prin retroîmpraștiere cu radiații beta
   

Metoda de măsurare este reglementată de standardele SR EN ISO 3543:2002/ AC:2006 și ASTM B5610, fiind utilizată pentru măsurarea straturilor de depunere mai groase, acole unde metodele magnetice și prin curenți Foucault nu sunt adecvate.