Методы нанесения неметаллических покрытий реферат

Обновлено: 02.07.2024

Виды защиты металла от коррозии. Обзор разновидностей тонкослойных антикоррозионных пластмассовых покрытий. Способы нанесения защитного слоя. Анализ метода плакирования, формирование покрытий методом пламенного напыления, в электростатическом поле.

Рубрика Производство и технологии
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 08.12.2013
Размер файла 13,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Применение пластмасс для защиты металлических изделий от коррозии

В современности пластмассы получили широкое распространение. Они являются универсальным материалом, применяемым во многих отраслях промышленности. Это связанно с некоторыми свойствами пластмасс. Рассмотрим, чем же они являются.

Пластмассы - это полимерные смолы. То есть они состоят из очень длинных молекул. При нагревании полимерные смолы становятся более вязкими и легко принимают любую форму. Их можно штамповать, из них можно делать нити.

Больше других металлов от коррозии страдает самый распространенный конструкционный материал -- малоуглеродистая сталь. До недавнего времени основным средством ее защиты было покрытие никелем, хромом и другими коррозионно стойкими металлами либо лаками и красками. Однако нержавеющие металлы дороги, а применение их только в качестве покрытий нерационально, так как при этом не используются другие их ценнейшие свойства. Кроме того, металлопокрытия и лакокрасочные пленки не так долговечны, как хотелось бы.

В ХХ веке технический арсенал антикоррозионных средств обогатился еще одним видом покрытия -- пластмассовым. Главное его достоинство определяется тем, что полимерные пленки, например, поливинилхлорида или полиэтилена, совершенно непроницаемы для влаги.

Что бы понять, как с помощью пластмасс можно бороться с коррозией, следует так же разобраться и в самом явлении коррозии.

Как приводится во многих источниках, коррозия - это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.

В борьбе с коррозией был разработан целый комплекс средств защиты металлов и сплавов, металлических изделий и сооружений от коррозии. Антикоррозийную защиту следует предусматривать на всех стадиях производства и эксплуатации металлических изделий - от проектирования объекта и выплавки металла до транспортировки, хранения готовых изделий, монтажа металлических сооружений и их эксплуатации. Потери от коррозии составляют около 12% годовой выплавки металла. Коррозия металлов приводит не только к безвозвратным их потерям, но и к преждевременному выходу из строя дорогостоящих и ответственных изделий и сооружений, к нарушению технологических процессов и простоям оборудования. В ряде случаев коррозия вызывает аварии.

К основным методам антикоррозийной защиты относятся: легирование металлов, термообработка, ингибирование окружающей металл среды, деаэрация среды, водоподготовка, защитные покрытия, создание микроклимата и защитной атмосферы.

В данном реферате будет подробно рассмотрен метод защитных неметаллических покрытий.

1. ПЛАСТМАССОВЫЕ ТОНКОСЛОЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ

пластмассовый покрытие коррозия

Всё больше распространяются пластмассовые покрытия из полиэтилена, полиизобутилена, фторопласта, найлона, поливинилхлорида и др., обладающих высокой водо-, кислото- и щёлочестойкостью.

Полиэтиленовые покрытия, нанесенные на металлические поверхности и детали обладают эластичностью и удовлетворительной прочностью, термо- и электроизоляционными и высокими антикоррозийными свойствами, позволяют изготовлять изделия различной конфигурации, гибкой штамповкой, механической обработкой на станках, точечной и роликовой сваркой, дают возможность получать рифленую (узорчатую) поверхность; при применении полиамидных и некоторых других пленок обладают хорошими антифрикционными свойствами. Полиэтилена толщиной 0,2-- 0,5 мм наносятся на стальные, алюминиевые и магниевые листы (толщиной 0,4-- 1,5, шириной 100--1700 мм). Толщина пластмассового покрытия может быть различной, но для стали и алюминия толщиной 1 мм не должна превышать 0,2--0,3 мм. Пластмассовое покрытие может быть нанесено с одной или двух сторон. При нанесении с одной стороны вторая обычно фосфатируется или покрывается цинком (в отдельных случаях -- медью, никелем или хромом). До охлаждения на покрытия можно наносить различные рельефы, рисунки. В качестве тонкослойных пластмассовых покрытий чаще всего используют поливинилхлорид, реже полиэтилен, пенополистиролы), изготовляемых из термопластических полимеров по прессовой технологии, относится к пенопластам; на основе тех же полимеров при соответствующем изменении рецептуры исходной композиции и приемов их вспенивания могут быть получены поропласты.

Такой вид антикоррозионной защиты как, полиолефины (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен) обладают почти универсальной химической стойкостью и высокими физико-механическими показателями. Сырье для получения полиолефинов недефицитно и имеет относительно низкую стоимость. Создана промышленная база по производству этих материалов, которая с каждым годом расширяется.

Полиолефины в виде пленок различной толщины используются для защиты от коррозии оборудования, специальных сооружений и строительных конструкций. Однако ввиду отсутствия надежных методов крепления этих материалов к защищаемой поверхности в настоящее время область применения их в значительной мере ограничена.

Одним из методов повышения эффективности крепления листовых полиолефинов к защищаемой поверхности является создание дублированных материалов, состоящих из термопласта и эластичной подложки и способных надежно приклеиваться к бетону и металлу. Применением эластичного подслоя достигается выравнивание разности температурных деформаций облицовочного материала и защищаемой конструкции, и таким образом предотвращается возникновение внутренних напряжений в футеровке.

Широкое распространение при защите от коррозии бетонных и железобетонных конструкций нашел полихлорвиниловый пластикат - листовой материал, получаемый вальцеванием смеси полихлорвиниловой смолы с пластификатором (дибутилфталатом) и стабилизатором (стеаратом кальция). Пластикат водостоек, не подвержен действию кислот, щелочей слабых и средних концентраций и многих органических растворителей, обладает довольно высокими физико-механическими показателями.

Большой интерес представляет также применение в качестве облицовочных материалов при антикоррозионной защите железобетонных и металлических конструкций фторопластов, обладающих универсальной химической стойкостью. Облицовка, как правило, ведется по сетке. Пленка из фторопластов, нагретых до размягчении, накладывается на сетку и прессуется. Наиболее перспективны двухслойные материалы, наружный слой которых состоит из фторопласта-4 (тефлон), а внутренний - из этого же материала с минеральными наполнителями, которые без всякой обработки могут приклеиваться любыми клеями к защищаемой поверхности.

Использование дублированных полимерных материалов для защиты от коррозии бетонных и металлических строительных конструкций и сооружений позволит резко увеличить срок их службы, полностью исключить толстостенные дорогостоящие и многодельные футеровки.

Но, как известно, металл и пластик не состоят в родстве. Поэтому проблема их прочного соединения явилась, по сути дела, главной трудностью при работе над созданием пластмассовых покрытий. Поэтому большое внимание уделяется способам нанесения пластмассы на металлические изделия. (источник 4).

2.СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ

Из истории: В 1953 году был пущен первый промышленный агрегат для покрытия (плакирования) металла пластмассовой пленкой.

Пластик (пленка), пластизоль (паста), порошок -- в любом из этих видов можно попытаться уложить поливинилхлорид на металл, но на готовом материале покрытие должно быть пленочным. Чтобы пленка приросла к металлу, нужен слуга двух господ -- клей.

Химики предложили два сорта клея. Первый -- на основе винилитовой смолы, разведенной в растворителе, например, в циклогексаноне. Чтобы клей отвердел, образовал прочное соединение, надо удалить растворитель. Для этого металл с нанесенной клеевой подложкой выдерживают при температуре до 100--140° в течение 30--40 секунд.

Казалось бы на нагрев тратится не так уж много времени. Но если учесть, что покрытие ведут в одной цепочке с металлургическим процессом, как операцию, завершающую прокатку, то получается, что нагрев клея сильно тормозит скорость основного процесса. Чтобы сохранить эту скорость на уровне 40--50 метров в минуту, для прогрева клеевой подложки нужна печь по меньшей мере тридцатиметровой длины. В печи металлическая полоса должна двигаться, ее надо поддерживать какими-то роликами и т. д. Словом, 30-- 40 секунд оборачиваются серьезными осложнениями, с которыми, в общем-то, поначалу нужно было мириться: ведь иного клея не было.

Потом появилась другая беда. Проходило совсем немного времени с момента выхода защищенного листа из установки, а поливинилхлоридная пленка уже отслаивалась от металла. Картину прояснили исследования: винилитовый клей вступал в химическую реакцию с пластификатором пленки и быстро размягчался. Но без пластификатора обойтись нельзя: пленка потеряет гибкость, не сможет деформироваться вместе с листом при изготовлении из него различных деталей. Оставался один выход: найти такой пластификатор, к которому клей относится безразлично. Хотя нужный пластификатор и был найден, им оказалось сильно ядовитое вещество -- трикрезилфосфат, а пленки, пластифицированные ядом, разумеется, не годятся для серийного выпуска. Химики решили попытаться подобрать другой клей.

Научно-исследовательский институт пластических масс создал на основе эпоксидных и перхлорвиниловых смол клей марки ПЭД-Б. Этот клей прочно связал металл с поливинилхлоридной пленкой, приготовленной без участия токсичных веществ.

Природа сил, обеспечивающих сцепление клея с металлом и пластмассой, исследована еще не во всех деталях. Известно, что соединение клея с металлом в какой-то мере механическое: клей заполняет мельчайшие впадины, имеющиеся на металлической поверхности, как бы цепляясь за них. Поэтому поверхность, на которую накладывается клей, должна быть шероховатой. С пластиком соединяется перхлорвиниловая группа клея. По мере того, как улетучивается растворитель, клей буквально срастается с пленкой. Он не только соединяет ее с металлом, но и сам по себе является неплохим антикоррозионным покрытием.

Получение надежного клея было важным этапом на пути создания оригинальной отечественной установки для покрытия стали полимерной пленкой.

В наше время существуют также следующие методы:

1.Нанесение покрытий вихревым напылением в псевдоожиженном слое.

Согласно этому способу, через пористую металлическую или стеклянную перегородку в полимерный порошок подают воздух. При определенной критической скорости подачи воздуха в массе образуются вихревые потоки, способствующие увеличению ее объема примерно на 30--40%; при этом порошок приобретает свойства жидкости. Если на несколько секунд опустить в емкость с псевдоожиженным полимером обезжиренные или очищенные пескоструйным аппаратом и предварительно нагретые до 250--450 °С (в зависимости от типа наносимого полимера) металлические изделия, а затем их извлечь и охладить, то на изделиях останется слой отвердевшего равномерного покрытия.

Интервал температур, в пределах которого предварительно подогревают изделия для нанесения покрытий вихревым напылением, определяется типом используемого полиамида.

2. Нанесение покрытий методом пламенного напыления.

Известно много способов нанесения покрытий методом пламенного напыления. Согласно одному из них, порошкообразный полимер с помощью пульверизатора направляют в воздушное сопло. Выходное отверстие сопла обогревают теплом, выделяемым при сгорании пропана или кислород-ацетиленовой смеси, которая подается в пульверизатор по другому каналу. Температуру сопла регулируют, исходя из требования получения покрытия необходимой толщины. Аппаратура для нанесения покрытия методом пламенного напыления может быть переносной. Поэтому этот способ удобен для нанесения покрытий на большие поверхности стационарных установок.

3. Нанесение покрытий в электростатическом поле

Способ нанесения покрытий в электростатическом поле, позволяет получать прочные беспористые полиамидные покрытия, причем в некоторых случаях их толщина оказывается намного меньше толщины, которую можно достичь, используя методы вихревого и пламенного напыления. Согласно этому способу, порошок полимера уносится сжатым воздухом и поступает к пульверизатору, где под действием сильного электростатического поля частицы порошка приобретают отрицательный заряд и направляются на очищенное и предварительно подогретое изделие. Расплавление полимера и образование покрытия происходят при дальнейшем нагревании детали.

Классификации покрытий

В литературных источниках встречаются различные классификации методов нанесения покрытий, строящиеся на различных классификационных признаках.

По физической сущности процессов в зоне соединения наносимого материала и основы покрытия можно классифицировать на покрытия, создаваемые:

— адгезионными силами сцепления наносимого материала и основы без проникновения наносимого материала в основу;

—расплавлением поверхностного слоя и созданием переходного сложного по составу и структуре промежуточного слоя между наносимым материалом и основой (методы наплавки);

— модифицированием поверхностного слоя без изменения его размеров. Сюда можно отнести цементацию, азотирование, ионную модификацию поверхностного слоя и другие способы.

По реализуемой функциипокрытия подразделяютназащитные(коррозионностойкие и износостойкие покрытия), декоративные (цвет, форма, рисунок, рельеф), защитно-декоративные, специальные, в том числе и для формирования переходных слоев.

Основное назначение защитных покрытий связано с их разнообразными защитными функциями. Большое распространение получили коррозионностойкие, жаростойкие и износостойкие покрытия. Широко применяются также теплозащитные, электроизоляционные и отражающие покрытия.

Применение катодных покрытий обеспечивает лишь механическую защиту основного металла. При наличии в покрытии пор, трещин и других дефектов эти участки в образовавшейся гальванопаре будут выполнять роль катода. Основной металл, являясь анодом, начнет растворяться, причем тем интенсивнее, чем больше будет разность равновесных электродных потенциалов.

В отличие от катодных анодные покрытия обеспечивают не только механическую, но и электрохимическую защиту.При этом покрытие, являющееся анодом, растворяется. Например, при нанесении цинка на сталь работа локального элемента вызывает коррозию цинка, а железо в большей или меньшей степени оказывается защищенным от разрушения. Степень защищенности зависит от активности металла покрытия: чем меньше он подвергается коррозии, тем лучше защищает основной металл даже там, где уже не покрывает его поверхность.

К катодным покрытиям следует отнести медные и никелевые — по стали, золотые и серебряные — по меди и ее сплавам; к анодным — цинковые покрытия по стали, никелевые — на меди.Оксидные и фосфатные покрытия являются нейтральными, так как относятся к диэлектрикам.

Декоративные покрытия – исключительно широко применяются при производстве бытовых изделий, украшений, повышении эстетичности промышленных установок и приборов, протезировании в медицинской технике и др.

Металлические и неметаллические неорганические покрытия

Классификация покрытий по толщине. Покрытиями или толстыми пленками называют слои конденсированного вещества свыше 1 мкм. Слои менее 1 мкм называют пленками.Пленки свыше 10 нм считаются просто тонкими. По толщине тонкие пленки обычно делят на нанометровые (0,1…100 нм) и субмикронные (0,1…1 мкм). Пленки толщиной до нескольких атомных монослоев (0,1…10 нм) называют ультратонкими.

По количеству наносимых слоевпокрытия подразделяют на однослойные и многослойные (два и более слоев).Многослойные покрытия, создаваемые последовательно наносимыми слоями, нашли широкое распространение в настоящее время, поскольку обеспечивают лучшие функциональные свойства, чем однослойные, в том числе,лучшее сцепление покрытия с основой.

Методы нанесения металлических и неметаллических неорганических покрытий

На рисунке 4.1 представлена общая классификация методов нанесения металлических покрытий. Далее приведена краткая характеристика некоторых их них. Отдельными разделами в пособии рассмотрены методы нанесения покрытий химическими, электрохимическими и вакуумными методами.

Механические методы нанесения покрытийиспользуют для получения цинковых, кадмиевых и оловокадмиевых покрытий.В основе этих методов лежит размещение покрываемых заготовок в сосудах с соответствующими тонкими металлическими порошками, активаторами и стеклянными шариками и их перемешивания в результате чего порошки вдавливаются в поверхность заготовок.

Термические методы нанесения покрытий реализуются погружением заготовок в расплав с последующим охлаждением; напайкой и наплавкой покрытия.

Погружением в горячий расплав наносят покрытия из низкоплавких материалов: цинка, олова, алюминия. Они предохраняют основной материал от коррозии.

Наплавка покрытия — это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением. Выделяют следующие способы наплавки:

— ручная дуговая наплавка покрытыми электродами;

— дуговая наплавка под флюсом проволоками и лентами;

— дуговая наплавка в защитных газах вольфрамовыми (неплавящимися) и проволочными металлическими (плавящимися) электродами;

— дуговая наплавка самозащитными порошковыми проволоками;

К термомеханическим методам нанесения покрытий относят плакирование, обкатка.

Плакирование (фр. plaquer — накладывать, покрывать), те́рмомехани́ческоепокры́тие — нанесение на поверхность металлических листов, плит, проволоки, труб тонкого слоя другого металла или сплава термомеханическим способом. С этой целью используют методы холодной и горячей прокатки, плакирование взрывом и наплавку плакирующего слоя.

К плакированию часто относят нанесение покрытия сусальным золотом на поверхность заготовки. Однако этот способ золочения поверхности все же следует отнести к методу склеивания основы и наносимого слоя сусального золота. Остановимся на этом подробнее.

Производится сусальное золото нескольких цветов, зависящих от того, какие добавки делаются к чистому золоту. Чем чище золото, то есть чем больше количество каратов драгоценного металла, тем менее чувствительна позолота к влиянию погодных и климатических условий. Для наружного золочения могут быть использованы лишь сорта более 23,75 карата.Это значит, что в сплаве содержится 23,75 части золота и 0,25 части добавок.

Технология золочения металлических поверхностей сусальным золотом состоит из трех этапов:

— подготовка поверхности под золочение;

— подготовка материалов и нанесение грунтовочных слоев;

— золочение.

Для приготовления грунтов используются такие материалы, как: свинцовый сурик, тонкотертый свинцовый крон, лак ЯН-54, лак ЯН-153 или ГФ-166. Грунт наносится три раза. Перед нанесением последующего слоя грунта просушенную поверхность шлифуют водостойкой шкуркой среднего зерна, затем промывают водой и обезжиривают спиртом. Высушенный слой грунта тщательно протирают суконкой для выравнивания полировки. Если есть недостатки на поверхности, проводят повторную грунтовку и полировку.

Купола золотят в шатрах, то есть лесах, обтянутых полиэтиленом, которые защищают от пыли, основного врага позолотчика. После того как выполнено золочение, купол должен хотя бы пару месяцев постоять под шатром, чтобы сродниться с климатом. Конструкция лесов должна обеспечивать доступ к каждому участку поверхности двух специалистов­позолотчиков. Высота яруса не менее 100 и не более 150 см, расстояние от поверхности купола до пола лесов — от 20 до 35 см. Важна максимальная прозрачность полиэтилена, так как сусальное золото можно наносить только при естественном освещении.

В отличие от нитрида титана, золото является пластичным материалом. Оно исключает появление микротрещин при перепаде температур и морозах. Химическая нейтральность золота не допускает адсорбции веществ из окружающей среды. В совокупности с антистатическими свойствами любые осадки не оставляют загрязнений, а делают поверхность более чистой и блестящей.

Натуральная позолота в связи с высокой стоимостью и недолговечностью материала в наши дни используется все реже. Зато все более популярными становятся кровельные материалы из нержавеющей стали с покрытием из нитрида титана. Такой материал в точности имитирует цвет золота и вплоть до 100 лет сохраняет свою первоначальную красоту.

Основой купола является листовая медь. Известно, что медь — это цветной металл, а у цветных металлов адгезионные свойства ниже, чем у черных. Следующим этапом являлась грунтовка, выравнивающая поверхность, но главная задача грунта — повышение адгезии, то есть сцепления позолоты с поверхностью. После грунтовки проводится окраска, с ее помощью создается фон, а потом краска закрывается лаком. Он призван защитить грунт от проникновения влаги и создать гладкую поверхность. После этого применяется лак мордан, а уже затем — сусальное золото.

Химические методы нанесений покрытий являются одной из наиболее распространенной групп методов нанесения покрытий. Реализуется этот метод путем осаждения покрытия в жидкости или из парогазовой среды (метод CVD) в результате прохождения химических реакций без пропускания через раствор электрического тока.

Газотермические методы нанесения покрытийосуществляются распылением газовой струей нагретого до жидкого или вязкотекучего состояния диспергированного материала. К этой группе методов относятгазопламенные, газоплазменные, светолучевые методы, метод электродуговой металлизации, детонационное напыление.

В качестве примера реализации газотермического метода напыления далее приведено описание плазменного метода нанесения покрытия.

Плазменное напылениехарактеризуется тем, что нагрев вещества до температур плавления осуществляется в дуговом разряде, а расплавленный материал в капельной форме направляется на изделие потоком высокотемпературной плазмы. В этом отношении плазменное напыление имеет по своим физическим и технологическим основам много общего с плазменной наплавкой с присадочной проволокой. Отличие этого технологического метода по области применения от плазменной наплавки заключается в первую очередь тем, что на поверхность заготовки, называемой при напылении подложкой, наносится покрытие — слой материала малой толщины (10 -6 …10 -3 м). Напыляемый материал нагревается в плазмотроне и затем с потоком плазмы осаждается на подложку. Температура подложки может меняться в широких пределах.

Для реализации процесса плазменного напыления существуют несколько схем, которые сводят к двум схемам, отличающимся по виду используемого для напыления исходного материала: порошок (рис. 4.2,а) и проволока (рис. 4.2,б).


В первом случае электрическая дуга 1 (рис. 4.2, а) горит между неплавящимися охлаждаемыми катодом 3 и соплом 2, между которыми прокачивается плазмообразующий газ 4. Для подачи в плазменную струю порошка, находящегося в загрузочном бункере 5, применяется специальный дозатор 6, который позволяет смешивать порошок с транспортирующим газом 7 и точно регулировать расход порошка. Для защиты напыленного слоя от окисления может применяться специальное сопло, через которое прокачивается инертный газ 8. Изменяя расстояние от торца сопла до напыляемой заготовки L, можно регулировать температуру плазменной струи с жидкой фазой напыляемого материала в момент достижения ими поверхности изделия.

Процесс формирования покрытия на подложке не требует ее поверхностного расплавления. Температура подложки не превышает 300 0 С, а для расплавления напыляемых частиц материала достаточно иметь температуру плазмы ниже 7000 0 С. При этих условиях, несмотря на малое время пребывания частиц в потоке плазмы, происходит их нагрев с полным или поверхностным расплавлением. Одновременно частицы разгоняются до скорости 300…800 м/с.

При попадании напыляемого материала в виде жидких капель на подложку происходит их растекание, деформация, охлаждение и кристаллизация. При этом на поверхности материала подложки первые частицы закрепляются чисто механически, за счет адгезии, но если возможно химическое взаимодействие между материалами подложки и напыления, то образуются их соединения, увеличивающие прочность сцепления покрытия с основным материалом.

В связи с этим при плазменном напылении используют плазмотроны косвенного действия, когда электрическая дуга зажигается между катодом и анодом, расположенными внутри плазмотрона. Из этих же соображений в стационарных условиях для реализации плазменного напыления может быть рациональным применение высокочастотных плазмотронов.

При плазменном напылении покрытия могут быть получены из многих как металлических, так и неметаллических материалов, которые используются в виде порошкового материала с размером частиц 5…150 мкм. При этом свойства материала подложки (заготовки) после нанесения покрытия практически не изменяются.

Весь процесс — от нагрева частицы в струе плазмы до ее охлаждения на поверхности подложки — происходит за время 10 -3 …10 -4 с. Время кристаллизации при этом составляет 10 -5 …10 -7 с.

Исходя из физических особенностей процесса, видно, что для покрытий, наносимых плазменным напылением, нельзя применять материалы, разлагающиеся или возгоняющиеся при нагреве до высоких температур.

Покрытия, полученные методом плазменного напыления, обладают высокой плотностью и хорошим сцеплением с основой. Прочность сцепления покрытия с поверхностью изделия в среднем равна 10…55 МПа на отрыв, а некоторых случаях она достигает 120 МПа. Методом плазменного напыления создаются покрытия с плотной, малопористой структурой. Пористость покрытия находится в пределах 8. 15 %. Толщина покрытия обычно не более 1 мм,так как при ее увеличении в напыляемом слое возникают напряжения, стремящиеся отделить этот слой от поверхности изделия.

При проведении процессов металлизации, т. е. при создании металлического слоя на поверхности изделия, чаще всего используют схему плазменного напыления, представленную на рисунке 4.2, б. Металлизации могут подвергаться как металлические, так и неметаллические изделия. В этом случае, также как и при порошковом напылении, применяют плазмотроны косвенного действия, но одним из электродов становится проволока из напыляемого материала2, непрерывно поступающая внутрь плазмотрона. Электрическая дуга 3 горит между проволокой и соплом 4, являющимся катодом. Плазмообразующий газ 5 выдувает расплавленные частицы металла проволоки, поток которых 6 напыляется на поверхность заготовки 1. Этот процесс применяется при создании на металлических изделиях (особенно крупногабаритных) защитного покрытия. При металлизации неметаллических изделий на их поверхности может создаваться электропроводный слой, имеющий самостоятельное значение или используемый для дальнейшей гальванической обработки.

Для получения покрытия требуемого качества при максимальной производительности требуется согласование параметров режима плазменного напыления, в том числе: мощности и температуры плазменного потока (струи), его скорости, видов плазмообразующего, транспортирующего и защитного газов (их расхода, скорости и сечения потоков), расстояния до подложки (заготовки) и т. д. Поэтому общие рекомендации по реализации процессов плазменного напыления не позволяют определить режимы проведения процесса в конкретных условиях применения, что требует проведения технологических исследований для определения оптимальных управляющих параметров процесса при выполнении конкретных технологических процессов.

Ряд проблем по достижению высокого качества плазменного напыления связан с разностью коэффициентов теплового расширения основного и напыляемого материалов. Это различие приводит к появлению внутренних напряжений как в напыленном слое, так и в поверхностном слое изделия. Эти напряжения могут привести непосредственно при охлаждении или в процессе работы изделия к отрыву напыленного слоя от основного материала. Возможность отрыва покрытия от подложки является одной из причин того, что подложку не нагревают до высоких температур (обычно ниже 300 °С).

По этой же причине при напылении на поверхность металлических изделий керамических слоев применяют напыление с переходными слоями между основой и покрытием из материалов, имеющих средние значения коэффициента термического расширения между значениями коэффициентов линейного расширения материала подложки и напыляемого материала. Указанные сложные физические особенности процессов напыления, а также то, что специального оборудования для плазменного напыления не выпускается, снижает их конкурентоспособность по отношению к другим методам нанесения покрытий на изделия.

Детонационное напыление — одна из разновидностей газотермического напыленияпромышленных покрытий, в основе которого лежит принцип нагрева напыляемого материала (обычно порошка) с последующим его ускорением и переносом на напыляемую деталь с помощью продуктов детонации. При детонационном напылении для нагрева и ускорения напыляемого материала используется энергия продуктов детонации газокислородного топлива. В качестве горючего газа обычно применяется пропан-бутановая смесь.

Детонационное напыление (рис.4.3) производится несколькими циклами в секунду, за каждый цикл толщина напыленного слоя составляет около 6 мкм.


Рис. 4.3. Детонационное напыление:

1 — подача ацетилена, 2 — кислород, 3 — азот, 4 — напыляемый порошок, 5 — детонатор, 6 — водоохлаждающая труба, 7 — заготовка (основа)

Диспергированные частицы имеют высокую температуру (более 4000 о С) и скорость (более 800 м/с). При этом температура основного металла невелика, что исключает его тепловое деформирование. Однако деформация может произойти от действия детонационной волны, это и является ограничением применения данного метода. Стоимость детонационного оборудования также велика, требуется наличие специальной камеры.

Благодаря высокой скорости напыляемых частиц (600…1000 м/сек.), детонационные покрытия обладают плотностью, близкой к плотности спеченного материала и высокой адгезией. Детонационное напыление позволяет напылять широкий круг материалов: металлы и их сплавы, оксиды, твердые сплавы на основе карбидов. При этом нагрев напыляемого изделия незначителен.

Детонационное напыление из-за своего дискретного характера является очень экономичным, но не слишком производительным методом (по сравнению, например, с высокоскоростным газопламенным напылением). Как правило, оно экономично для напыления поверхностей площадью не более нескольких квадратных сантиметров. Благодаря высокой плотности и адгезии получаемых детонационным способом покрытия широко применяются в авиации, автомобильной и других областях машиностроения.

Вакуумные покрытия.В основе процессов, протекающих в зоне формирования покрытий в вакууме, лежит физическая конденсация потока частиц материала покрытия, находящегося в атомарном, молекулярном или ионизированном состоянии, на поверхность заготовки. Для получения потока (пара) частиц используют различные источники энергетического воздействия на материал. В связи с этим различают формирование осаждаемого потока частиц посредством термического испарения материала, ионным распылением и взрывным испарением-распылением. По этому признаку вакуумные покрытия подразделяют на термические вакуумные, ионно-плазменные и плазменно-дуговые (ионно-лучевые) покрытия. Основы технологий нанесения вакуумных покрытий, их характеристики и области применения будут рассмотрены в разделе 5.4.

Большинство металлов окисляется кислородом воздyxa с образованием поверхностных оксидных пленок. Однако эти пленки в силу незначительной толщины не обеспечивают надежной защиты от коррозии. Особенно слабы в этом отношении естественные пленки на железе.

Между тем в результате определенной химической или электрохимической обработки можно создать на поверхности металла искусственные пленки, которые обладали бы значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем основной металл, и защищали бы его от разрушения.

Существуют различные методы получения таких неметаллических пленок, отличающихся химическим составом. Наиболее распространены оксидные и фосфатные пленки, хотя по защитным свойствам они уступают металлическим покрытиям. Процесс изготовления оксидных покрытий на металле получил название оксидирования, а фосфатных — фосфатирования.

Оксидирование. Основное назначение этого процесса — защита черных и цветных металлов от атмосферной коррозии.

Современный метод оксидирования — химическая и электрохимическая обработка деталей в щелочных растворах.

Электрохимическое оксидирование ведут в растворе 4% едкого натра при 65—120°С и анодной плотности тока от 2,5 до 10 А/дм 2 . Продолжительность анодной обработки не превышает 60 минут.

Качественное покрытие состоит из магнитной окиси железа, получающейся в результате последовательных превращений:

Противокоррозионные свойства поверхностной пленки оксидов невысоки, поэтому область применения этого метода ограничена. Основное назначение его — декоративная отделка. Почти все стрелковое оружие и ряд точных приборов подвергают воронению, в результате чего изделия приобретают красивый черный цвет. Воронение используют и в том случае, когда необходимо сохранить исходные размеры изделия, так как оксидная пленка составляет всего 1,0-1,5 микрона.

Анодирование. Особенно широко применяется оксидирование алюминия и его сплавов. Это наиболее простой и надежный метод защиты их от коррозионного разрушения.

Процесс образования оксидных пленок на поверхности алюминия называют анодированием.

В обычных условиях на поверхности алюминия присутствует тонкая пленка оксидов Al2O3 или Al2O3 · nН2О, которая не может защитить его от коррозии. Под воздействием окружающей среды алюминий покрывается слоем рыхлых белых продуктов коррозии. Процесс искусственного образования толстых оксидных пленок может быть проведен химическим и электрохимическим способами.

Пленки, образующиеся при анодной обработке алюминия, обладают достаточной толщиной и рядом ценных свойств. Они защищают металл от коррозии и являются хорошим подслоем под лакокрасочные покрытия. Анодные пленки на алюминии обладают большим сопротивлением к истиранию, имеют высокое омическое сопротивление и хорошо окрашиваются, что позволяет придать изделиям из анодированного алюминия красивый вид. Для анодного окисления используют два типа электролитов.

В растворах слабых кислот (борная, винная, лимонная) и их солей оксидная пленка не растворяется. В этом случае получают беспористые, плотные, не проводящие электрический ток покрытия толщиной до 1 мкм. Такие пленки используют в качестве электроизоляционных покрытий в производстве конденсаторов.

Электролиты второго типа содержат растворы серной, хромовой и щавелевой кислот, в которых происходит частичное растворение оксидной пленки алюминия. В этих электролитах получают пористые пленки толщиной от 1 до 50 мкм.

На практике анодирование алюминия и его сплавов проводят в растворах серной кислоты концентрацией 180-200 г/л, хромового ангидрида (3 %) и щавелевой кислоты (3-10%) с плотностью тока 80-200 А/м 2 , при напряжении до 24В в течение 15-60 мин. Катоды выполняются из свинца или стали марки 12Х18Н9Т.

Для повышения защитных свойств изделие после оксидирования обрабатывают паром или горячей водой и далее в горячих растворах хроматов и бихроматов. При обработке паром в порах пленки образуется гидроксид алюминия, а в хромовых растворах - более стойкие соединения типа (АlО)2СrO4.

Оксид образуется на поверхности алюминия в результате анодного окисления

Он состоит из двух слоев: плотного барьерного слоя толщиной 0,01-0,1 мкм, расположенного непосредственно на поверхности металла, и внешнего пористого слоя толщиной до 200-400 мкм.

Химическое оксидирование алюминия и его сплавов осуществляют в щелочных хромистых растворах состава, г/л: Na2 Cr O4 — 15; Na OH — 2,5 и Na2CO3 — 50 при температуре 90-95 °С в течение 5-10 мин. Образуются пленки толщиной 3-4 мкм с невысокими механическими и диэлектрическими свойствами. Процесс простой, быстрый и не требует специального оборудования.

Покрытия наносят на металлы, керамику, стекло и пластмассы.

В качестве материала покрытий служат металлы, окислы, соли металлов, пластмассы, лаки и краски.

Толщина покрытий лежит в интервале от десятых долей до сотен микрометров.

Выбор вида и толщины покрытия определяется материалом и назначением детали, особенностями технологии её изготовления и условиями эксплуатации.

Для РЭС одно из главных назначений покрытий – обеспечение работоспособности в различных условиях эксплуатации. Условия эксплуатации классифицируются следующим образом:

– легкие (Л) – в закрытых отапливаемых помещениях;

– средние (С) – в закрытых неотапливаемых помещениях;

– жесткие (Ж) – на открытом воздухе под навесом (-50 – +50º С), влажность до 90% при +40º С;

– особо жесткие (ОЖ) – на открытом воздухе в морском климате.

При выборе материала металлических защитных покрытий нужно стремиться не допускать образования гальванических пар, вызывающих электрохимическую коррозию основного металла детали.

Исходя из конструктивных требований и требований к технологичности и функционированию изделий при выборе покрытия деталей необходимо придерживаться следующих требований:

1. Должна обеспечиваться сопрягаемость деталей с учетом толщины покрытия;

2. На литые детали наносить только лакокрасочные покрытия;

3. В покрываемых деталях должны отсутствовать узкие и глубокие каналы и отверстия, необходимы закругления кромок или фаски 0,2 мм;

4. Детали с размерами по 6–7 квалитету точности подвергать только химическим методам покрытий (оксидирование, фосфотирование) практически не изменяющим размер.

5. Без покрытий применять золото, платину, палладий, радий, серебро, сплавы вольфрама, бериллиевую бронзу, сплавы титана.

Классификации покрытий производится по материалу пленки и способу ее нанесения.

По материалу пленки различают покрытия:

По способу нанесения различают:

Обозначение металлических и неметаллических покрытий производится согласно ГОСТ 9.306-85, с использованием буквенно-цифровой системы.

Для металлических покрытий – буквы указывают металл покрытий, цифра после буквы – его толщину в мкм, буква в конце – характеристику или характер дополнительной обработки.

Кд 15. хр. – кадмиевое толщиной 15 мкм, хромированное.

М 30. Н18. х. б. – медь 30 мкм, никель 18 мкм, хром 1 мкм, блестящее и т.д.

Читайте также: