Kis fényvisszaverő képességű felületek – LTBC és egyéb lehetőségek

A fényvisszaverő felületek bizonyos alkalmazásoknál hibás működést okozhatnak, és akár az eredményeket is befolyásolhatják, pl. minőség-ellenőrzés vagy optikailag támogatott mérések esetén. Ezt figyelembe kell venni a felület kiválasztásakor. De hogyan lehet minimalizálni a tükröződéseket? Ez a cikk különböző felületkezelési és felület bevonatolási lehetőségeket mutat be. Különösen az alacsony hőmérsékletű fekete krómozott bevonat, LTBC vagy fekete krómozási folyamatot magyarázzuk el.

Feltételek - Általános és fizikai visszaverődés

A visszaverődés a latin „reflexio” szóból származik, ami azt jelenti, hogy „visszafordulni”. Általában a tükröződés azt jelenti, hogy például hullámok, a fény vagy a hang valamivel „ütközik”, majd azokat egy felület visszaveri. A fizikában a tükröződés valamivel konkrétabban a hullám terjedési irányának változására utal. Ebben az esetben a visszaverődés törvénye érvényesül (latinul: visszafordulás). A visszaverődés törvénye kimondja, hogy a beeső és a visszaverődő sugárnyalábok, valamint a beesési tengely közös síkot alkot vagy közös síkon fekszik. A beesés és a visszatükröződés szöge egyenlő.

A fény terjedése egyszerűsített módon, hullámalakban jeleníthető meg:

• t - Időegység
• x - Időnkénti intervallumok = gyakoriság
• a - Amplitúdó csúcs. Minél magasabb a maximális amplitúdó, annál intenzívebben – azaz világosabban – jelenik meg a fény.
• Minél magasabb az amplitúdó, és minél rövidebbek az intervallumok, annál nagyobb a szállított energia.

A fény útja szintén megfordítható, azaz ha a fény a visszaverődő sugár irányából érkezik, akkor az visszaverődik a beeső sugár irányában.

A fényvisszaverődés helyett a fény, a hullámok és más sugarak is elnyelődhetnek és továbbíthatók. Elnyelésről akkor beszélünk, ha a sugárnyaláb által érintett anyag teljesen elnyeli a nyalábot, és azt másfajta energiává, például hővé alakítja. A fényáteresztés akkor történik meg, amikor a sugárnyaláb teljesen áthatol a közegen anélkül, hogy visszaverődne vagy elnyelődne.

Célzott felhasználás a mérnöki tervezésben

A mérnökök céltudatosan használhatják a tükröződést, a fényáteresztést és az abszorpciót (elnyelést). Például a következő technológiák hasznosíthatják a tükröződés előnyeit:

• Optikai eszközök: A tükör által visszavert fény, pl. a fényképezőgépben, így célirányosan vezérelhető.
• Kommunikációs technológia: A parabolikus tükrök például elektromágneses hullámokat tükröznek. Ez lehetővé teszi a jelek küldését és fogadását.
• Napelemes technológia: Itt olyan tükröket is használnak, amelyek kifejezetten napfényt koncentrálnak, miáltal több hő termelhető.

Az áteresztés például ultrahanggal történik. Az ultrahangos hullámok behatolnak a szilárd anyagokba, és képet adnak a belső szerkezetről.

Az elnyelést az alábbi optikákban alkalmazzák: A diffúz fény abszorbeálódhat, így minimalizálható a fényelnyelő felületek, például a fekete felületek segístégével.

A visszaverődő fény mint zajtényező? Az alacsony tükröződésű felületek jelentősége

A visszaverődések nem kívánatosak mindenhol, ahol előfordulnak. Bizonyos alkalmazásokban a tükröződésnek negatív hatása is lehet. Például a tükröződés torzíthatja a minőség-ellenőrzéshez használt képeket. Példaként említhető az alkatrészek mérése és igazítása. Mindkét alkalmazás lézereket használ. Ha a lézersugár tükröződik vagy torzul, a tükrözött lézersugár zavarja a mérési pontosságot. Az olyan optikai rendszerekben, mint a mikroszkópok, a tükröződések negatívan befolyásolhatják a képminőséget, és megnehezíthetik a képek kiértékelését.

Az alacsony fényvisszaverő képességű felületek ezért számos rendszer fontos elemei.

Különböző felületek hatása a tükröződésre

A tükröződés mértéke az anyag színétől, a felületkiképzéstől és a korábbi felületkezeléstől függően változik. A fény különböző mértékben tükröződik, szóródik és elnyelődik.

* Az itt látható illusztráció nagyon egyszerű, és nem foglalkozik az összes szóba jöhető jelenséggel.

A sötét felületek általában több fényt nyelnek el, mint a világos felületek, és sokkal kevesebb látható fényt vernek vissza szemünk számára. Minél kevesebb fény verődik vissza, annál sötétebbnek tűnik a felület.

Például egy fényes, világos anyag (1a) közvetlenül visszaveri a fényt. Mivel a fényes anyagok nem nyelik el a fényt különösen nagy mértékben, a beeső fény mennyisége körülbelül akkora, mint a visszavert fény mennyisége; itt csekély a fényszórás. Ez egy kicsit eltér a fényes sötét felülettől (1b): A fény közvetlenül is visszaverődik, de a fény egy részét már elnyeli a sötét felület. Ez azt jelenti, hogy a visszavert fény energiasűrűsége is csökken. A beesési szög megegyezik a visszaverődés szögével.

A közvetlen és diffúz tükröződés kombinációja valósul meg világos és sötét, félig fényes felületeknél (2a és 2b): Mindkét esetben a szórt visszaverődő sugárzás energiasűrűsége alacsonyabb. A sötét felület azonban jelentősen csökkenti a visszaverődő sugárzást a fokozott elnyelés miatt. A beesési szög itt is megegyezik a visszaverődés szögével.

A matt felületek (3a és 3b) esetén a visszaverődő fény iránya már nem határozható meg egyértelműen; a beesési szög és a tükröződés szöge változó. Célzott beállítás nélkül a fény újra hatással lehet az alkatrész felületére, és ott is újra elnyelődhet. Különösen a sötét matt felületeken (3b) a fény részben többször visszaverődik, a sötét, matt felületeken a fény többször visszaverődik, a fény ereje így csökken, mert a visszaverődés miatt a fény jelentős része elnyelődik.

Hogyan lehet minimalizálni a tükröződéseket?

A tükröződések a legjobban a különböző típusú felületkezelésekkel minimalizálhatók. A felület például az érdesség növelésével módosítható. A beeső fény szétszóródik és diffúz módon visszaverődik a megnövekedett érdesség miatt. Ennek módszerei lehetnek: Maratás és csiszolás.

Egy másik lehetőség a felület bevonatolása. Ezek a bevonatok lerakódási rétegek vagy konverziós rétegek lehetnek. Ennek különböző módjai léteznek, amelyeket az alábbiakban részletesen ismertetünk.

Az LTBC módszer

Az LTBC bevonatokat elsősorban a korrózióvédelem javítására és a kopás csökkentésére használják. Azonban azok további előnyt is kínálnak: Fekete színüknek köszönhetően az LTBC-bevonatú alkatrészek minimális tükröződést mutatnak. Az LTBC bevonat magában foglalja egy kb. 5 μm vastag eloxált fluorpolimer réteg diffúzióját 0 °C alatti hőmérsékleten, ezáltal tartós kötést hozva létre az anyaghoz. Ez egy ötvözött fekete felületet képez, amely az anyag szilárdsága miatt nem befolyásolja az alapanyag eredeti tulajdonságait. Hosszan tartó korrózióvédelmet biztosít, és a fekete színnek köszönhetően alacsony fényvisszaverő képességű is. Számos bevonatban a mechanikai kopás idővel apró rétegelválást okoz. Pontosan ez a probléma elkerülhető alacsony hőmérsékletű fekete krómbevonattal (LTBC).

Egyéb módszerek a tükröződés csökkentésére

Az alábbiakban áttekintjük azon egyéb fémfelület-kezeléseket, amelyek befolyásolhatják a tükrözési képességet:

• Fekete krómbevonat: A fekete krómbevonatok különböző oxidációs fázisokban lévő krómlerakódásokból állnak. Az amorf rétegszerkezet hatására a felület mélyfekete lesz, és így nagy mennyiségű fényt nyel el.
• Fekete krómozás: A fémfelület krómozó réteggé alakul, amely egységesen fekete felületet hoz létre. Javítja az abszorpciós viselkedést és a korrózióvédelmet.
• Nikkel-bevonat: A nikkel-bevonat galvanikusan vagy kémiailag is lerakódhat. A galvanizált nikkelbevonat elsősorban a fémek optikai megjelenésének kedvezőbbé tételére és a fémek korrózióvédelmére szolgál. Mindkét változatnál az anyagra további rétegként nikkel rakódik le. Először is sima, fényes felületet lehet létrehozni, amely szabályozott tükröződést eredményez, de fordítva, matt bevonat is elérhető egy érdesített felülettel kombinálva, amely diffúzan visszaveri a fényt.
• Zománcok: A visszaverődések nagyban minimalizálhatók, például a fém festésével. Ez a módszer egyszerű módon alkalmazható, és emellett javítja az alkatrész optikáját.
• Maratási módszer: Az anyag felületét vegyi anyagok használatával érdesítik. Ennek következtében a fény különböző irányokban szóródik szét, a tükröződés csökken.
• Textúrázás: A textúrázás célja hasonló módon a fény további szétszórása, és ezáltal a tükröződés csökkentése. Ebben az esetben textúrát visznek fel a felületre.
• Felület bevonatolás: A textúrázáshoz hasonlóan különböző rétegekkel is bevonható a fémfelület, ezek lehetnek pl. tükröződésmentes rétegek, nanorétegek vagy speciális abszorpciós rétegek.
• Barnítás: Vas-oxid réteg képződik az acélfelületen. Áthatolhatatlan, fekete és tartós kötésű. A felületet továbbá olajba mártják, hogy világos felületet érjenek el. Bár ez vizuálisan vonzó, növeli a tükröződést, és korlátozott védőhatással rendelkezik. Más módszerekkel, például a textúrázással kombinálva a fényezéssel (fekete színezés) jelentősen csökkenthető a tükröződés.
• Fekete eloxálás: Az alumínium felületet elektrolízissel oxidálják. Ez a módszer fekete pigmenteket helyez el a felületen, amelyek szinte minden fényvisszaverődést gátolnak.

A MISUMI számos felületkezelési lehetőséget kínál, lásd a következő táblázatot:

Egy alkatrészen különböző bevonatok is használhatók, lásd az ábrát:

Különböző felületkezelések egy precíziós pozicionáló asztalon

• Alaptest, bal: kémiai nikkelbevonat
• Alaptest, jobb: LTBC bevonat
• Beállító csavarok: átlátszó eloxált

Az itt említett módszerek csak egy részét jelentik az alacsony tükrözésű felület eléréséhez szükséges módszereknek és feldolgozási lehetőségeknek. Az alkalmazható módszer nem csak a felhasznált anyagtól, hanem a rendeltetésszerű használattól, az aktuális működési körülményektől és az alkalmazás típusától is függ. A csökkent tükröződésű alkatrészek, például az alapzatok, az építési profilok konzoljai vagy a tengelyek rögzítőgyűrűi számos alkalmazáshoz elérhetők.