Изобретение относится к области химико-физической обработки поверхностного слоя металлических изделий из титана и его сплавов с целью изменения их поверхностных свойств. Способ включает физико-химическую обработку поверхности изделий и алитирование, при этом физико-химическую обработку поверхности изделий производят электрохимическим полированием в электролите следующего состава: хлорная кислота - 1 часть; уксусная кислота - 9 частей, при температуре 30-35°С, плотности тока 2 А/дм 2 , напряжении 60 В, в течение 3 мин. Технический результат: активизация взаимодействия поверхности металлических изделий к контактирующим средам и веществам, высокая окалиностойкость и коррозионностойкость, высокие антифрикционные свойства. 1 табл.

Изобретение относится к области химико-физической обработки поверхностного слоя металлических изделий из титана и его сплавов с целью изменения их поверхностных свойств.

Поверхностные явления - выражение особых свойств поверхностных слоев, т.е. тонких слоев вещества на границе соприкосновения тел (сред, фаз). Эти свойства обусловлены избытком свободной энергии поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава. Молекулярная природа и свойства поверхности могут коренным образом изменяться в результате образования поверхностных мономолекулярных слоев или фазовых (полимолекулярных) пленок. Любое "модифицирование" поверхностного (межфазного) слоя обычно приводит к усилению или ослаблению молекулярного взаимодействия между контактирующими фазами (лиофильность и лиофобность). Лиофильность означает хорошее (часто полное) смачивание, малое межфазное натяжение, устойчивость поверхностей к взаимному слипанию. Лиофобность - противоположное понятие.

При контакте двух твердых тел или твердого тела с жидкой и газовой средами свойства поверхности определяют условия таких явлений, как адгезия, смачивание, трение. Физические или химические превращения в поверхностных слоях сильно влияют на характер и скорость гетерогенных процессов - коррозионных, каталитических, мембранных и др. Поверхностные явления в значительной мере определяют пути получения и долговечность важнейших строительных и конструкционных материалов, в частности, производимых в металлургии.

Смачивание (лиофильность) является необходимым условием при поверхностном насыщении титана алюминием и другими элементами (диффузионное насыщение металлами). Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая окалиностойкость, коррозионностойкость, повышенная износостойкость, твердость и свариваемость.

Несмачиваемость (лиофобность) незащищенного металла повышает его стойкость к агрессивным средам.

В патенте (патент РФ 2232648, МПК B 05 D 5/08, публ. 2004.07.20) указывается, что свойства поверхностей проявляются по-разному. Обусловлено это тем, что поверхности изготавливают из самых разных материалов, и они имеют в большинстве случаев различную структуру. В частности, наиболее лиофобными свойствами обладают металлы, выбранные из группы, включающей бериллий, магний, скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, иттрий, цирконий, ниобий, молибден, технеций, рутений, рений, палладий, серебро, кадмий, индий, олово, лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, гафний, тантал, вольфрам, рений, осмий, иридий, платину, золото, таллий, свинец, висмут, прежде всего титан, алюминий, магний и никель либо соответствующий сплав названных металлов.

Большое влияние на поверхностные свойства оказывают карбидные и оксидные пленки. Особенно плотные пленки карбида и оксида наблюдаются у химически активных металлов, например титана и циркония.

Известен способ изменения поверхностных свойств сплавов на основе титана (У.Цвингер, «Титан и его сплавы», перевод с немецкого, Москва, «Металлургия», 1979 г., стр.326), в котором автор утверждает, что «оксидный слой, всегда существующий на поверхности титана, чаще всего не смачивается металлами. При повышенных температурах в расплавах смачивание происходит в случаях предварительного отжига титана в вакууме, когда образуется безоксидная поверхность. При изгибах таких образцов образуются трещины».

Недостатком данного способа подготовки поверхности к металлизации является сложно и трудно осуществимый механизм обработки многотонных слитков, слябов, крупногабаритных заготовок. Кроме того, в способе не учитывается влияние на ту же смачиваемость поверхности другого элемента внедрения - углерода. Установлено (Курапов В.Н., Трубин А.Н., Курапова Л.А., Савельев В.В. «Изучение особенностей распределения углерода в титановых сплавах методом радиоактивных индикаторов (РАИ), Сборник «Металловедение и обработка титановых и жаропрочных сплавов». Москва, 1991 г.; В.В.Тетюхин, В.Н.Курапов, А.Н.Трубин, Л.А.Курапова, «Исследование слитков и полуфабрикатов титановых сплавов с применением метода радиоактивных индикаторов (РАИ)» Научно-технический журнал «Титан», № 1(11), 2002 г.), что при нагреве сплавов углерод транспортируется к поверхностным слоям из нижележащих объемов, но не покидает кристаллическую решетку титана, в отличии от стали, где при высокотемпературном нагреве углерод образует летучее соединение по формуле:

C (Тв) +O2 (газ) СO2 (газ) .

Следовательно, в отличие от стали, где происходит обезуглероживание поверхности, в титане происходит лишь его перераспределение в поверхностных слоях. Также установлено, что подобное перераспределение углерода в поверхностных слоях заготовок и изделий происходит при резании металла, что является следствием его локального нагрева и деформации. Это перераспределение наблюдается при различных видах резания, включая обработку зубилом и напильником, даже при самых «мягких» режимах, например точении.

В отличие от перераспределения углерода в поверхностных слоях при высокотемпературном нагреве, которое видно на фотопленке невооруженным взглядом, в случае резания металла перераспределение наблюдается при увеличении. Это перераспределение в самом поверхностном слое более хаотично. В глубине металла выявляются эквивалентные механическим и тепловым нагрузкам, возникающие при обработке материала, волнообразные кривые перераспределения углерода в поверхностном слое, что делает совершенно нестабильным физико-химические свойства поверхности после резания. Эта нестабильность, как показано выше, не устраняется вакуумным отжигом.

Известен способ очистки поверхности кремния (Патент РФ № 1814439, публ. 1995.02.27, МПК H 01 L 21/306). Сущность изобретения: кремниевые пластины обрабатывают в жидкостном травителе. Образовавшийся окисный слой и поверхность кремния удаляют при комнатной температуре травлением в дифториде ксенона. При этом достигается высокая степень обезуглероживания поверхности. Затем пластины кремния без соприкосновения с атмосферой переносят в вакуумную камеру и удаляют адсорбированные на поверхности фториды нагревом и выдержкой при 600°С в сверхвысоком вакууме. Для перекристаллизации амортизированного слоя на поверхности кремния может быть проведен отжиг при более высокой температуре.

Данный способ дорогостоящий и может быть использован при обработке деталей малых геометрических размеров.

Известен способ поверхностной химико-термической модификации узлов трения (Патент РФ № 2044104, публ. 20.09.1995 г., МПК С 23 С 8/40). Способ включает взаимодействие с реакционной жидкостью с последующей термообработкой.

К недостаткам данного способа относится то, что он используется для повышения износостойкости конструкционных материалов, а в качестве модификатора поверхности используется фторированный углерод, отличающийся высокой лиофобностью, поверхность практически не смачивается.

Известен способ горячего алюминирования изделий из титана и его сплавов (SU 160068, опубл. 14.01.1964) - прототип, при котором изделия подвергают травлению растворами серной (35-65%) или соляной (30-37%) кислоты при температуре 50-70°С продолжительностью 30-40 мин или при комнатной температуре в течение 2-3 ч с получением на них гидридной пленки вместо оксидной, после чего изделия погружают в расплавленный алюминий при температуре 800-850°С.

Недостатком данного способа является свойства гидридной пленки, имеющей хрупкую, пористую природу, с большим количеством микротрещин и полостей, которые могут проникать на глубину 0,2-0,3 мм, образуя между основным металлом и покрытием участки с пористой структурой. Кроме того, в процессе контактирования расплавленного алюминия с гидридами титана происходит их разложение с выделением водорода, что предопределяет образование в алюминиевом покрытии пор. Сочетание этих факторов резко снижает стойкость полученного покрытия.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение лиофильности поверхностного слоя заготовок и изделий из сплавов на основе титана за счет удаления поверхностного слоя, содержащего оксиды и карбиды, без использования механической обработки и отжига.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является активизация взаимодействия поверхности металлических изделий к контактирующим средам и веществам, что придает им качественно новые свойства - высокую окалиностойкость и коррозионностойкость, высокие антифрикционные свойства.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе модификации поверхностного слоя изделий из титана и его сплавов, включающей физико-химическую обработку поверхности изделий и алитирование, физико-химическую обработку поверхности изделий производят электрохимическим полированием в электролите следующего состава: хлорная кислота - 1 часть; уксусная кислота - 9 частей, при температуре 30-35°С, плотности тока 2 А/дм 2 , напряжении 60 В, в течение 3 мин.

При электрохимической обработке под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода (поверхностного слоя изделия), причем быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, что приводит к ее выравниванию. При этом материал, в т.ч. оксидная или карбидная пленка, снимается со всей поверхности, в отличие от механического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части. Электролитическое полирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие от механического полирования - отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала, что не вызывает перераспределения углерода по толщине изделия и очаговую концентрацию его на поверхности.

Происходит полное удаление поверхностного слоя, содержащего оксиды и карбиды, и поверхность изделий, изготовленных из химически активных металлов, приобретает высокую лиофильность, позволяющую проводить высококачественную химико-термическую обработку поверхностного слоя, например алитирование.

Предлагаемый способ опробован при алитировании образцов титанового сплава ВТ8 в расплаве алюминия марки А85 в течение 4-х часов при температуре 850°С. Было изготовлено по четыре образца с различными способами подготовки поверхности, и были получены следующие результаты (табл.):

Табл.
№	Способ подготовки поверхности	Качество алитирования
1	Тонкое точение	Отсутствие налипания алюминия на поверхности.
2	Механическое полирование	Очаговое налипание (тонким слоем приблизительно на 42-57% поверхности).
3	Электрохимическое полирование в электролите следующего состава: хлорная кислота - 1 часть, уксусная кислота - 9 частей. При температуре электролита - 30-35°С, плотности тока - 2 А/дм 2 , напряжении - 60 B, в течение 3 мин.	Налипание алюминия по всей поверхности.*

*Локальное определение алюминия в плоскости, перпендикулярной оси образца, показало:

а) его равномерное по окружности проникновение вглубь образца,

б) выявило диффузионную зону обогащения алюминием титанового образца,

в) обнаружило на поверхности образца зону растворяемого в алюминии титана.

Таким образом, устранение поверхностного слоя, обогащающегося углеродом (из глубины металла) и кислородом из атмосферы после любой механической обработки заготовок и деталей из титана и его сплавов электрополированием, является простым и надежным способом активизации взаимодействия контактирующих металлов при металлизации. Изобретение позволяет при незначительных материальных и трудовых затратах перевести лиофобную поверхность в лиофильную. Активизация поверхности позволяет, например, улучшить сцепление при диффузионном легировании поверхности с металлом, увеличить скорость диффузии атомов внедряемого металла в кристаллическую решетку заготовок и изделий, что придает их поверхностям качественно новые эксплуатационные качества, в частности:

Высокую окалиностойкость и коррозионностойкость - покрытие из алюминия снижает скорость окисления титановых сплавов при температуре 800-900°С в 30-100 раз. Это происходит в результате образования на поверхности покрытия слоя -Al 2 O 3 (Э.М.Лазарев и др., Окисление титановых сплавов, М., Наука, 1985 г., стр.119);

Высокие антифрикционные свойства, т.к. коэффициент трения алюминия значительно ниже, чем у титановых сплавов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ модификации поверхностного слоя изделий из титана и его сплавов, включающий физико-химическую обработку поверхности изделий и алитирование, отличающийся тем, что физико-химическую обработку поверхности изделий производят электрохимическим полированием в электролите следующего состава: хлорная кислота - 1 часть; уксусная кислота - 9 частей, при температуре 30-35°С, плотности тока 2 А/дм 2 , напряжении 60 В в течение 3 мин.

Способ модификации поверхности металлов относится к технологии финишной обработки поверхности металлических деталей и может найти применение в машиностроении, металлургии и т.д. Способ заключается в том, что проводят микролегирование поверхностного слоя магнитно-абразивной обработкой при скорости магнитно-абразивного резания не менее 500 м/мин, напряженности магнитного поля в рабочем зазоре между полюсами 0,4-0,7 Тл и величине этого зазора 2-5 мм. Магнитно-абразивную обработку поверхностного слоя металла проводят порошками, содержащими карбиды переходных металлов IV-VI групп Периодической системы. Способ позволяет в одной операции совместить механическую очистку и выглаживание поверхности с микролегированием поверхностного слоя переходными металлами, улучшающими коррозионную стойкость металлов. При обработке по предложенному способу в поверхностном слое всегда создаются сжимающие напряжения, улучшающие защитные свойства образующейся на нем оксидной пленки. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологии финишной обработки поверхности металлических деталей и может найти применение в машиностроении, металлургии и т. д. Известен способ лазерной обработки поверхности металлов, который заключается в расплавлении предварительно нанесенного различными способами слоя, необходимого для микролегирования элемента под действием лазерного излучения большой мощности, образования пересыщенного раствора элемента покрытия и металла подложки и последующего быстрого его затвердевания (De Damboronea J. Surface and Coat. Technol. - 1998. - 100-101, N1-3. С. 372-377). По другому методу после напыления тонкой пленки поверхность металла облучается пучком ионов высокой энергии. В процессе ионного перемешивания часть атомов распыляется, а другая внедряется в материал подложки, тем самым изменяя ее состав и структуру (Onate J.I., Alonso F., Garia A. Thin Solid Films - 1998.- 317, N1-2. С. 471-476). Наиболее близким по технической сущности является способ плазменной обработки металлов (заявка ЕР 0908535 ЕПВ, МПК 6 С 23 G 5/00, Н 01 J 37/34; - N97203/36.3), заключающийся в бомбардировке плазмой и положительными ионами поверхности металла. Описанный способ позволяет проводить травление, окисление металла, а также формировать пленки других продуктов взаимодействия с металлом подложки. Недостатком плазменной технологии является сложность необходимой для осуществления описанных способов аппаратуры - вакуумной установки с магнетронной системой формирования плазмы, которая требует высоковольтных источников тока большой мощности. Кроме того, при оплавлении поверхностного слоя металла вблизи модифицированного слоя возникают растягивающие напряжения, которые в случае нержавеющих сталей приводят к уменьшению усталостной прочности. В дополнение к этому перед обработкой необходимо проводить предварительную очистку поверхности обрабатываемого металла. Задачей предлагаемого изобретения является устранение этих недостатков. Поставленная задача решается тем, что по предлагаемому способу модификация поверхности включает микролегирование поверхностного слоя с помощью магнитно-абразивной обработки (МАО) металла в условиях, способствующих локальному повышению температуры в зоне обработки, а именно повышение магнитной индукции до 0,4-0,7 Тл, уменьшение ширины рабочего зазора между магнитными полюсами до 2-5 мм, повышение линейной скорости обработки до величины не менее 500 м/мин и отказ от применения смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ). Одновременно в результате однородного режущего воздействия "щетки" из абразива в обработанном поверхностном слое металла возникают напряжения, которые в отличие от других видов абразивного шлифования и полирования жестко закрепленным абразивным зерном всегда являются сжимающими. Для осуществления модификации поверхности в состав абразива помимо всегда присутствующей ферромагнитной матрицы должны входить элементы, перенос которых в поверхностный слой при обработке металла способствует улучшению механических, химических и коррозионных свойств материала в целом. Для большинства конструкционных металлов благоприятным является микролегирование переходными металлами IV-VI группы Периодической системы с размером частиц от 5 до 630 мкм. Среди известных соединений переходных металлов наилучшим сочетанием химических и механических свойств обладают карбиды. Изобретение иллюстрируется следующими примерами: Пример 1. Трубки из сплава Zr - 1%Nb обрабатывают на установке МАО по а.с. X" 1216907 с помощью магнитно-абразивного порошка, содержащего дробленый колотый чугун (ДЧК) с фракцией 630-315 мкм без СОЖ. В отличие от обычного режима МАО по предлагаемому способу величину рабочего зазора уменьшают до 2 мм, а линейную скорость вращения магнитных полюсов повышают до 500 м/мин. Магнитная индукция в рабочем зазоре не меняется и составляет 0,4 Тл. Поверхность металла после МАО в таком режиме в отличие от обычной серебристо-матовой выглядит слегка загорелой. Уровень поверхностных микронапряжений повышается до 138,5 МПа по сравнению с исходным - 32,5 МПа. Толщина наклепанного слоя составляет не более 10 мкм, так как после фиксированного стравливания этого слоя микронапряжения снижаются до уровня исходного металла. С помощью лазерного микроанализатора в поверхностном слое металла после МАО обнаруживается повышение содержания железа от 17 до 27 мкг/см 2 . Образующийся модифицированный поверхностный слой заметно изменяет электрохимические и коррозионные свойства металла. При анодном оксидировании циркония после МАО возникает значительный инкубационный период, понижается скорость формовки оксидной пленки и повышается ее электронная проводимость. При коррозионных испытаниях в воде при 350 o С через 5000 час привес составляет 32,6 мг/дм 2 , сравнимый с привесом 35,3 мг/дм 2 для образцов после обычного травления во фтористоводородной ванне. На различия в способах обработки указывает только внешний вид коррозионной оксидной пленки: темная матовая после МАО и черная блестящая после травления. Пример 2 Пластины из сплава Zr - 2,5%Nb обрабатывают с помощью магнитно-абразивного порошка, содержащего 20% карбида титана и 9% кремния, с фракцией 630-315 мкм по следующему режиму: магнитная индукция в зазоре - 0,4 Тл, линейная скорость вращения магнитных полюсов - 500 м/мин; при длительности обработки 2 мин толщину зазора для различных образцов меняют от 5 до 2 мм. С уменьшением величины зазора поверхность пластины после обработки выглядит слегка загорелой. Величина электролитической емкости поверхности составляет 1,1 мкФ/см 2 вместо 8-10 мкФ/см 2 , типичной для поверхности сплава после электрополировки, что указывает на образование поверхностного слоя диэлектрической фазы. Содержание титана в поверхностном слое линейно повышается с уменьшением толщины зазора, что положительно сказывается на коррозионном поведении сплава. Пример 3 Пластины из сплава Zr - 1%Nb обрабатывают с помощью магнитно-абразивного порошка, содержащего 15% карбида тантала и 9% кремния, с фракцией 630-315 мкм по следующему режиму: магнитная индукция в зазоре - 0,7 Тл, линейная скорость вращения магнитных полюсов - 500 м/мин. При толщине зазора 2 мм за 1 мин обработки на поверхности металла образуется слой темно-желтого цвета, электролитическая емкость которого (1,0 мкФ/см 2) указывает на хорошие диэлектрические свойства. За 500 час испытаний в воде при 350 o С на поверхности сплава образуется темная матовая пленка с хорошими защитными свойствами. Пример 4 Пластины сплава Zr - 1%Nb обрабатывают с помощью магнитно-абразивного порошка, содержащего 5% карбида вольфрама и 5% карбида молибдена, с фракцией 315-250 мкм, по следующему режиму: магнитная индукция в зазоре - 0,7 Тл, линейная скорость вращения магнитных полюсов - 500 м/мин. При толщине зазора 2 мм за 1 мин обработки на поверхности сплава образуется слой темно-синего цвета, электролитическая емкость которого (1,5 мкФ/см 2) указывает на хорошие диэлектрические свойства. За 500 час испытаний в воде при 350 o С на поверхности сплава образуется темная матовая пленка с хорошими защитными свойствами. Как видно из приведенных примеров, при обработке поверхности металлов по предложенному способу в зоне обработки возникает короткоживущая "трибоплазма", в результате действия которой на поверхности возникают соединения, включающие элементы абразива, металла подложки и окружающей атмосферы, происходит микролегирование поверхностного слоя. В отличие от известных плазменных технологий для осуществления предложенного способа не требуется сложной вакуумной установки и высоковольтного источника тока. Применение обычной магнитно-абразивной оснастки позволяет в одной операции совместить механическую очистку и выглаживание поверхности с микролегированием поверхностного слоя переходными металлами, улучшающими коррозионное поведение металлов. При обработке по предложенному способу в поверхностном слое всегда создаются сжимающие напряжения, улучшающие защитные свойства образующейся на нем оксидной пленки.

Формула изобретения

1. Способ модификации поверхности металлов, заключающийся в микролегировании поверхностного слоя атомами металлов и окружающей атмосферы, отличающийся тем, что микролегирование поверхностного слоя проводят магнитно-абразивной обработкой металла при скорости магнитно-абразивного резания не менее 500 м/мин, напряженности магнитного поля в рабочем зазоре между полюсами 0,4-0,7 Тл и величине этого зазора 2-5 мм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитно-абразивную обработку поверхности металлов проводят порошками, содержащими карбиды переходных металлов IV-VI групп периодической системы с размером частиц от 50 до 630 мкм.

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам обработки поверхностей узлов трения и может быть использовано в различных отраслях машиностроения и на транспорте при ремонте и профилактике механического износа различного оборудования

Под физико-химическим модифицированием понимают целенаправленное изменение свойств поверхности в результате технологического внешнего воздействия. При этом имеется в виду изменение структуры материала в тонких поверхностных слоях вследствие физического воздействия (ионными и электронными пучками, низкотемпературной и высокотемпературной плазмы, электрического разряда и др.) или химического воздействия, приводящего к образованию на поверхности слоев химических соединений на основе базового материала (химическое, электрохимическое и термическое оксидирование, фосфатирование, сульфидирование, плазменное нитрирование и т.д.).

Очевидно, что отсутствует выраженная классификационная граница между процессами физико-химического модифицирования и поверхностного упрочнения.

Среди множества способов физико-химического модифицирования наиболее перспективными представляются ионная имплантация, анодирование, в частности импульсное (обработка в электролитной плазме), лазерное упрочнение.

Ионная имплантация является сравнительно новым способом физико-химического модифицирования, основанным на внедрении ускоренных ионов легирующих элементов в поверхностный слой.

	б)

Рис. 19.12. Схема установки для ионной имплантации с линейным ускорителем (а) и З D-имплантаиии (б):

1 - источник ионов; 2 - система вытягивания ионов; 3 - сепаратор; 4 - фокусирующие магниты; 5 - линейный ускоритель; 6 - электростатическая отклоняющая система; 7 - поток ионов; 8 - упрочняемые детали

Имплантируемые ионы имеют малую глубину проникновения, однако их влияние распространяется намного дальше от поверхности.

Можно выделить следующие особенности ионной имплантации:

Возможность формирования на поверхности сплавов, которые нельзя получить в обычных условиях из-за ограниченной растворимости или диффузии компонентов. В ряде случаев равновесные пределы растворимости превышены на несколько порядков;

Легирование не связано с диффузионными процессами, за исключением модифицирования материалов ионной имплантации при большой плотности тока, когда наблюдается радиационно-стимулированная диффузия компонентов;

Процесс протекает при низких температурах (менее 150 °С), без изменения механических свойств материала. Метод позволяет обрабатывать термочувствительные материалы;

Отсутствует заметное изменение размеров деталей после имплантации;

Модифицированные поверхности не требуют дальнейшей финишной обработки;

Процесс хорошо контролируется и воспроизводится;

Экологическая чистота процессов;

Упрочняются только открытые поверхности, непосредственно находящиеся под воздействием облучения ионами;

Малая глубина модифицированного слоя;

Относительно высокая стоимость оборудования.

Установка для имплантации ионным лучом содержит источник ионов, систему «вытягивания» ионов 2, сепаратор ионов 3, магнитные фокусирующие линзы 4, линейный ускоритель 5, электростатическую отклоняющую систему б. На практике используются различные по конструк­ции источники ионов непрерывного и импульсного действия, генерирующие ионы газов (от водорода до криптона) и металлов (с горячим и холодным катодом, магнетронный, диаплазмотрон и др.). Выходящие из источника ионы неоднородны по составу. Для отделения посторонних ионов используется магнитный масс-сепаратор, который отклоняет от основной оси ионы, имеющие другую массу и заряд. «Очищенный» ионный луч фокусируется и ускоряется в линейном ускорителе. Сканирование ионного луча по поверхности упрочняемой детали производится отклоняющей системой 6 .

Для обеспечения равномерности упрочнения деталь вращается и поворачивается относительно луча.

Ионная имплантация ионами плазмы - иногда ее называют ЗБ-имплантация - выполняется в вакуумных камерах, где тлеющим или дуговым разрядом создают ионизированную среду, а на деталь подается импульсное высокое напряжение, обеспечивающее ускорение ионов в направлении бомбардируемых поверхностей. Высокоэнергетический ионный поток может формироваться непосредственно в процессе горения импульсного самостоятельного разряда между заземленной вакуумной камерой и изделием, являющимся катодом.

Ионы, ускоренные в поле прикатодного падения малой толщины, эффективно модифицируют поверхность изделия, которое может иметь сложную объемную форму. Падающие ионы генерируют электронный пучок с поверхности изделия, который, взаимодействуя с плазмой, обеспечивает самоподдержание разряда. Этот метод имеет определенные преимущества перед лучевыми методами за счет простоты и относительно низкой цены реализации технологических процессов. Он может сочетаться с другими ионно-плазменными методами обработки, такими, как магнетронное, вакуумно-дуговое и плазменно-термическое напыление, ионное азотирование и др.

При высокоэнергетической ионной имплантации для упрочнения металлов и сплавов, керамик, полимеров используются ионы газов с энергией до 100 кэВ.

Обработка высокоэнергетическими ионами азота эффективно повышает стойкость режущего и штампового инструмента, усталостную прочность деталей.

Имплантация атомов внедрения (азот, углерод и бор) способствует повышению износостойкости и сопротивления усталости сталей. Эти элементы обладают свойством сегрегации к дислокациям даже при комнатной температуре, что блокирует их движение и упрочняет поверхностный слой, а это в свою очередь препятствует развитию усталостных трещин.

При ионной имплантации никеля бором усталостная прочность увеличивается более чем на 100 %.

Увеличение усталостной прочности обусловлено не действием остаточных напряжений сжатия, возникающих при ионной имплантации, как считалось раньше, а торможением развития усталостных трещин вследствие снижения подвижности дислокаций.

Для повышения антифрикционных свойств может выполняться имплантация ионов молибдена и двойного количества ионов серы. Совместная имплантация может стать новым методом формирования антифрикционных и других специальных легированных слоев.

Имплантируя титан, получают на поверхности аморфную фазу Ti-C-Fe, что приводит к снижению трения и износа.

Ионная имплантация широко используется для повышения коррозионной стойкости стальных деталей. С этой целью имплантируют ионы.

Локальная термическая обработка осуществляет модифицирование структуры поверхностного слоя. При этом обеспечиваются такие температурно-временные режимы и результаты упрочнения, которые сложно или невозможно получить традиционными способами термической обработки, а именно:

Высокие скорости нагрева и охлаждения (скорости нагрева достигают величин 10 4 ... 10 8 К/с, а скорости охлаждения - 10 3 ... 10 4 К/с в зависимости от времени воздействия и энергии излучения, а также от режимов работы лазера). Такие режимы нагрева и охлаждения приводят к нерав­новесному протеканию фазовых превращений, к смещению критических точек А с и А, образованию пересыщенных твердых растворов с мелко­дисперсными структурами вплоть до аморфных. В результате формируется слой с повышенной твердостью (превышает на 15 ... 20 % твердость после закалки существующими способами), с хорошим сопротивлением износу и схватыванию при трении;

Возможность упрочнения поверхностей в труднодоступных местах (полости, углубления), куда луч лазера может быть введен с помощью оптических устройств;

Использование лазера позволяет резко уменьшить глубину закаленного слоя и эффективно управлять его величиной.

Лазерное закаливание используется для упрочнения режущего и мерительного инструмента, рабочих кромок матриц и пуансонов на глубину до 0,15 мм (импульсное излучение) и до 1,5 мм (непрерывное излучение). На инструментальных сталях твердость составляет 63 ... 67 HRC. Шероховатость обрабатываемой поверхности при этом не изменяется.

Установлено, что использование лазерного излучения в качестве источника нагрева при термопластическом упрочнении никелевых сплавов позволяет получать в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия величиной до 10 ГПа.

При лазерной термической обработке можно создать условия избирательного испарения выступов неровностей, которые приводят к снижению шероховатости поверхности.

Лазерная наплавка является одним из наиболее перспективных способов восстановления ответственных деталей ГТД, в частности лопаток турбин и компрессоров. Ее основными достоинствами являются возможность устранения небольших дефектов без разогрева примыкающей к дефекту поверхности и отсутствие поводок при наплавке.

Лазерную наплавку производят в камерах с защитной атмосферой или с поддувом инертного газа. В качестве присадочных материалов используют проволоку, фольгу или порошковые материалы.

Лазерная наплавка порошковыми металлическими сплавами при минимальном термическом воздействии позволяет повысить в несколько раз работоспособность деталей в тяжелых температурных, эрозионных и других условиях эксплуатации.

синтетических волокон (РСВ)

Модификация – это направленное изменение свойств расплавных синтетических волокон (РСВ), которая может быть реализована различными путями:

- физическая модификация достигается направленным изменением условий формования, ориентационного вытягивания и термообработки. Цель – получение волокон с новыми, наперёд заданными, воспроизводимыми свойствами. При этом, первичная структура волокна остается неизменной. Таким образом, физическая модификация может быть достигнута изменением реологических свойств прядильных расплавов полимеров, условиями их экструзии, фильерными вытяжками, варьированием кратностей вытяжки и условий ориентационного вытягивания и тепловых обработок (термофиксационных или терморелаксационных).

Основной формой поперечного среза филаментов (f) является круглая форма. Но это обстоятельство не позволяет в ряде случаев достигать необходимых текстильно-технологических характеристик, как застилистость, заданные воздухо-, газо-, водонепроницаемость и т.д.

Известно, что такое важное свойство, как комфортность – способность отводить влагу, тепло или сохранять их, если требуется, в пространстве между одеждой и телом – зависит от количества пустот, находящихся в текстильном материале. Это обстоятельство предопределило большой интерес к возможности получения волокон, в основном, на основе РСВ, с некруглым (профилированным) поперечным срезом. Этой проблемой постоянно занимался профессор Ямбрих (Словацкий технический университет).

Производство профилированных волокон осложняется двумя обстоятельствами:

Техническими сложностями в изготовлении отверстий фильер фигурного профиля;

Физико-химическими обстоятельствами, которые обусловлены стремлением жидкости минимизировать свою поверхность.

Если форма отверстия фильеры представляет собой незамкнутое кольцо, то волокно получается полым.

Ещё большие технические осложнения возникают при получении профилированных волокон с низкой линейной плотностью одиночного филамента (менее 0,1 текс).

Форма поперечного среза волокна не изменяется в процессе вытягивания или термофиксационных обработок. Нити, пряжа из профилированных волокон позволяют получать легкие, мягкие, комфортные текстильные материалы.

Последние годы интенсивно развиваются технологии по получению тонких и очень тонких нитей и волокон. Речь идет о волокнах с линейной плотностью одиночного филамента (Т Т f) в пределах 0,1-0,3 децитекс (дтекс). Комплексные нити и пряжа из таких волоконец способны создавать качественно новые виды текстильных материалов, при этом возможно получение тонких текстильных тканей даже на основе гидрофобного полипропилена (ПП, РР). Эти волокна с Т Т f = 0,01-0,02 текс позволяют получать пряжу, изделия из которой весьма комфортны и легки.

Переход на микроволокна (МКВ) означает не только уменьшение производительности оборудования, но увеличение энерго- и трудозатрат, увеличение расходных норм по полимеру. Однако за этим волокнами очень большое будущее;

- методы физико-химической модификации основаны на введении в полимерный субстрат волокна различных добавок (аддитивов).

С этой целью используется метод введения добавок через прядильный расплав (технология «мастер-батч», «нанотехнология»).

Введение добавок по данному методу осуществляется различными технологическими приёмами. Добавки можно вводить в начале приготовления прядильного расплава, т.е. на стадии синтеза полимера, или же непосредственно смешивая основной прядильный расплав с концентрированным полимерным расплавом, содержащим данную добавку, т.е. с полимерным концентратом добавки (ПКД) непосредственно перед формованием (технология «мастер-батч»).

Вводимые добавки могут придавать волокнам различные свойства. Это могут быть пигменты, т.е. красители (крашение «в массе»), антипиреновые добавки, уменьшающие горючесть волокна, бактерицидные и другие биоактивные добавки, различные линейные полимеры, вводимые в основной полимер для регулирования свойств;

- крашение «в массе».

Вводимые добавки красителя могут быть растворимыми в прядильном расплаве или же являться гетерогенными наполнителями. Во втором случае – это дисперсные пигментные добавки.

Основными видами пигментов, применяемых для крашения «в массе», являются: диоксид титана ТiO 2 (эталон белого цвета), высокодисперсная сажа С (эталон чёрного цвета), различные другие пигменты-красители.

Важнейшим технологическим требованием является высокая дисперсность вводимых пигментов (размеры частиц не могут превышать 10-15% от радиуса филамента, поэтому они условно называются «наночастицами»). Частицами больших размеров будет нарушаться стабильность процесса нитеобразования и равномерность структуры волокна, ухудшая его физико-механические свойства. Наиболее крупные частицы пигмента отфильтровываются в фильерном комплекте перед поступлением на экструзию через отверстия фильеры, но это приводит к изменению содержания пигмента в волокне, а следовательно, к изменению интенсивности окраски.

Введение матирующих агентов (ТiO 2 и др.) достигается получение волокна с приглушенным блеском. Для небольшого ослабления блеска применяется микроматирование (введение матирующего агента составляет сотые доли процента). Наибольшее распространение получил ТiO 2 , который имеет следующие три кристаллографические структуры: рутил, анатаз, брукит. Данные кристаллографические модификации диоксида титана отличаются размерами элементарных кристаллографических решёток. Анатазная форма характеризуется наиболее развитой удельной поверхностью. Именно она является важнейшим компонентом при матировании.

Для окрашивания в серый и чёрный цвета используется добавка сажи. Требования к размерам частиц сажи те же, что и для всех пигментов.

Введение TiO 2 , сажи и других пигментов имеет цель не только достижения колористического эффекта, но и является существенным фактором структурообразования.

Ранее было установлено, что на поверхности дисперсной частицы образуется слой сорбированных полимерных молекул. Как известно, плотность упаковки сегментов макромолекул различна и зависит от гибкости полимера, регулярности строения его первичной структуры и других факторов. В результате сорбции поверхностью макромолекул полиэтилентерефталата (ПЭТ, РЕТ) частиц ТiO 2 на поверхности частиц возникает слой сорбированного полимера. Под влиянием поверхностных сил частиц ТiO 2 сегменты полимерных цепей упаковываются в слои, плотность которых выше плотности в окружающей полимерной жидкости (расплава ПЭТ). На границе раздела фаз возникает сорбционный слой полимера, сегменты которого могут не только более плотно упаковываться, но и взаимно упорядочиваться.

Кинетика кристаллизации полимеров описывается уравнением Аврами, а механизм характеризуется различными значениями постоянных в этом уравнении, взаимноупорядочение (кристаллизация) может происходить по механизму «зародышеобразования». При этом кристаллографические характеристики «зародыша» должны соответствовать кристаллографическим характеристикам полимера. В связи с этим, частицы пигмента могут лишь тогда явиться «зародышами» кристаллизации, когда их кристаллографическая ячейка будет идентична кристаллографической ячейке кристаллической фазы полимера.

Однако, параметры кристаллографических ячеек пигментов, ТiO 2 , сажи очень далеки от параметров кристаллографических ячеек ПЭТ. Поэтому они не являются «зародышами» кристаллизации, но они те факторы, которые изменяют динамику процесса кристаллизации, в результате формирования на их поверхности упорядоченного слоя сорбированного полимера. Поэтому при введении пигментов процесс кристаллизации ускоряется и изменяется структура формуемой нити. Введение примерно 0,05-0,5 % (масс.) диоксида титана с размерами частиц, не более 0,5-0,7 микрон (мк, мкм) является фактором, изменяющим механические свойства полиэфирных (ПЭФ, РЕS) нитей, повышающим равномерность их физико-механических характеристик. Не являясь «зародышами» кристаллизации, частицы пигментов являются центрами структурообразования. При этом получаются волокна с более высокими усталостными свойствами, с меньшим разбросом (дисперсией, коэффициентом вариации) по физико-механическим показателям.

Таким образом, пигменты являются не только красителями, но и веществами, улучшающими физическую структуру волокон.

Введение растворимых в полимерных жидкостях (расплавах) красителей также является важным приемом физико-химической модификации. При этом достигается не только колористический эффект, но изменяется структура волокон.

Важнейшим требованием к растворимым красителям является их стабильность в прядильной массе при высоких температурах расплавов.

Вводимые красители влияют также на свойства системы «полимер-краситель». Красители могут являться пластификаторами или антипластификаторами (т.е. снижать или повышать температуру стеклования (Т с)). Это обязательно необходимо учитывать при формировании новых технологических схем.

Важнейшим способом физико-химической модификации является получение волокон из смесей полимеров (получение композиционных волокон).

При введении в полимерный субстрат малых количеств второго полимера, не совместимого с основным, достигаются эффекты усиления, упрочнения структуры (эффект «малых полимерных добавок»).

Эти полимерные добавки (до 5% масс.) являются центрами структурообразования, повышая равномерность структуры формуемой нити и улучшая ее свойства.

При смешивании расплавов полиамида (ПА, РА) и ПЭТ в различных соотношениях (при этом содержание второго полимера небольшое) получается достаточно гомогенная смесь полимеров. В результате резкого изменения градиентов скоростей при входе такого смешанного расплава в отверстие фильеры возникает микрогетерогенная (если это несовместимая пара полимеров), но достаточно однородная структура волокна.

Но технически реализован еще один вариант смешения, когда смесь полимеров макрогетерогенна (примерно равное соотношение двух разных полимеров). Соответственно, получаемые филаменты построены из двух полимеров различной химической природы.

Это так называемыебикомпонентные волокна (БКВ) или бикомпонентные нити (БКН), которые могут быть получены всеми известными методами формования. При этом два полимера в виде расплавов экструдируются через специальные фильеры, отверстия в которых организованы таким образом, что в них по индивидуальным каналам подаются потоки расплавов каждого компонента. В результате волокно состоит как бы из двух частей. В поперечном срезе распределение этих компонентов может быть представлено в виде двух долек или же в виде различных вариантов концентрического расположения. Все технологические операции остаются обычными. Но бикомпонентные волокна обладают интересной особенностью. В процессе терморелаксации полимерный компонент с более низкой Т с способен к большей усадке, чем второй компонент. Волокно при этом приобретает стабильную извитость. Следовательно, это один из приёмов текстурирования волокон и нитей.

Стоимость таких волокон выше. Но бикомпонентные волокна на основе полиамидов, полиэфиров и других полимерных субстратов имеют достаточный покупательский спрос на мировом рынке;

- процессы химической модификации могут быть осуществлены путём проведения реакций:

Полимераналогичных превращений;

Сополимеризации (СПМ);

Сополиконденсации (СПК);

- «прививки» к внешней поверхности волокна боковых цепей полимеров иной химической природы.

При поверхностных обработках волокна изменяется химическая природа волокна по поперечному срезу (внешние слои обретают иную химическую природу).

Изменение первичной структуры путем полимераналогичных превращений, СПМ, СПК приводит к появлению новых видов волокнообразующих полимеров.

Поверхностная модификация реализуется на готовых волокнах (в гетерогенных условиях).

Например, к поверхности целлюлозного волокна могут быть привиты карбоцепные полимеры, поликапроамид (ПКА, РСА, ПА6, РА6), полиэфиры. Для уменьшения гидрофобности полиамидных волокон «прививаются» гидрофильные мономеры (например, итаконовая кислота (ИТК) и др.). Прививка нитрофурана и других соединений на поверхность капроновых носков позволяет придать им противогрибковые свойства.

Поверхностная прививка может быть осуществлена в результате реакции рекомбинационного присоединения.

Химически модифицируя волокна, можно получать материалы с совсем иными свойствами.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Кафедра "Термообработка и физика металлов"

"Классификация покрытий по функциональным свойствам и способу нанесения"

Преподаватель:

доц., к.х.н. Росcина Н.Г.

Студент: Трапезников А.И.

Группа: Мт 320701

Екатеринбург 2015

Введение

Классификация покрытий и методов их получения

1 Изменение физико-химических свойств поверхностей при нанесении покрытий

2 Внутренние покрытия

3 Внешние покрытия

4 Подготовка поверхности при нанесении покрытий

Химические и электрохимические методы нанесения покрытий

1 Классификация химических и электрохимических покрытий

2 Сущность метода химического нанесения покрытий

3 Нанесение покрытий на изделие

Вакуумное конденсационное нанесения покрытий

Нанесение покрытий наплавкой концентрированными источниками тепла

1 Классификация наплавленных покрытий

2 Области применения наплавки

Нанесение покрытий плакированием

Газотермические методы нанесения покрытий

1 Классификации методов

Плазменное напыление покрытий

1 Преимущества и недостатки метода плазменного напыления

Газопламенное напыление покрытий

Заключение

Введение

Покрытия, которыми располагает современная техника, весьма разнообразны как по свойствам, так и по способам получения. Применение защитных, защитно-декоративных и специальных покрытий позволяет решать многие задачи. Выбирая материал покрытий, условия их нанесения, комбинируя металлические и неметаллические покрытия, можно придавать поверхности изделий различный цвет и фактуру, необходимые физико-механические и химические свойства: повышенную твердость и износостойкость, высокую отражательную способность, улучшенные антифрикционные свойства, поверхностную электропроводность и т.д. Но оптимальный выбор покрытий или способов их отделки невозможен без всестороннего учета их свойств и особенностей получения.

Технология покрытий, наряду с другими наукоемкими и энергосберегающими отраслями промышленности, является одним из основных направлений развития современного производства передовых стран мирового сообщества.

В настоящее время продолжается совершенствование и поиск новых методов нанесения покрытий. Изучение методов нанесения покрытий, их разновидностей; термодинамики процессов при создании покрытий различного типа на металлических и неметаллических поверхностях; строения, структуры и эксплуатационных свойств покрытий; основного оборудования для газотермического и электротермического нанесения покрытий на металлопродукцию.

Изучение методов повышения качества изделий формированием многослойных и армированных покрытий; метрологического контроля технологических параметров формирования и их свойств.

Роль и место покрытий в современном производстве

Покрытия - это одно или многослойная структура нанесенное на поверхность для защиты от внешних воздействий (температуры, давления, коррозии, эрозии и так далее).

Различают внешние и внутренние покрытия.

Внешние покрытия имеют границу между покрытием и поверхностью изделия. Соответственно размер изделия увеличивается на толщину покрытия, при этом взрастает масса изделия.

Во внутренних покрытиях отсутствует граница раздела и размеры и масса изделия остаются неизменными, при этом изменяются свойства изделия. Внутренние покрытия еще называют модифицирующими покрытиями.

Различают две основные задачи, разрешаемые при нанесении покрытия

Изменение исходных физико-химических свойств поверхности изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации;

Восстановление свойств, размеров, массы поверхности изделия, нарушенных условиями эксплуатации.

Назначение и области применения покрытий

Основной причиной появления и развития технологии нанесения защитных покрытий явилось стремление повысить долговечность деталей и узлов различных механизмов и машин. Оптимизация системы покрытия предполагает соответствующий выбор состава покрытия, его структуры, пористости и адгезии с учетом, как температуры нанесения покрытия, так и рабочей температуры, совместимости материалов подложки и покрытия, доступности и стоимости материала покрытия, а также возможности его возобновления, ремонта и надлежащего ухода во время эксплуатации.

Применение недостаточно прочного покрытия, толщина которого за время работы заметно уменьшается, может привести к снижению прочности всей детали вследствие уменьшения эффективной площади ее полного поперечного сечения. Взаимная диффузия компонентов из подложки в покрытие и наоборот может привести к обеднению или обогащению сплавов одним из элементов. Термическое воздействие может изменить микроструктуру подложки и вызвать появление в покрытии остаточных напряжений. С учетом всего перечисленного оптимальный выбор системы должен обеспечивать ее стабильность, т. е. сохранение таких свойств, как прочность (в ее различных аспектах), пластичность, ударная вязкость, сопротивление усталости и ползучести после любого воздействия. Наиболее сильное влияние на механические свойства оказывает эксплуатация в условиях быстрого термоциклирования, а наиболее важным параметром является температура и время ее воздействия на материал; взаимодействие с окружающей рабочей средой определяет характер и интенсивность химического воздействия.

Механические способы соединения покрытия с подложкой часто не обеспечивают нужное качество сцепления. Гораздо лучшие результаты обычно дают диффузионные методы соединения. Хорошим примером удачного диффузионного покрытия является алитирование черных и цветных металлов.

1. Классификация покрытий и методов их получения

В настоящее время существуют много разнообразных покрытия и методы их получения.

Во многих публикациях предлагаются различные схемы классификации неорганических покрытий по различным признакам. Можно классифицировать покрытия по следующим основным принципам:

По назначению (антикоррозионные или защитные, жаростойкие, износостойкие, антифрикционные, светоотражающие, декоративные и другие);

По физическим или химическим свойствам (металлические, неметаллические, тугоплавкие, химостойкие, светоотражающие и т.д.);

По природе элементов (хромовое, хромоалюминиевое, хромокремниевое и другие);

По природе фаз, образующихся в поверхностном слое (алюминидные, силицидные, боридные, карбидные и другие)

Рассмотрим наиболее важные покрытия, классифицированные по назначению.

Защитные покрытия - основное назначение связано с их разнообразными защитными функциями. Большое распространение получили коррозионностойкие, жаростойкие и износостойкие покрытия. Широко применяются также теплозащитные, электроизоляционные и отражающие покрытия.

Конструкционные покрытия и пленки - выполняют роль конструктивных элементов в изделиях. Особенно широко также используются при производстве изделий в приборостроении, радиоэлектронной аппаратуры, интегральных схем, в турбореактивных двигателях - в виде срабатываемых уплотнений в турбине и компрессоре и др.

Технологические покрытия - предназначаются для облегчения технологических процессов при производстве изделий. Например, нанесение припоев при пайке сложных конструкций; производстве полуфабрикатов в процессе высокотемпературного деформирования; сварке разнородных материалов и т.д.

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

Восстановительные покрытия - дают огромный экономический эффект при восстановлении изношенных поверхностей изделий, например гребных валов в судостроении; шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания; лопаток в турбинных двигателях; различного режущего и прессового инструмента.

Оптические покрытия - уменьшают отражательную способность по сравнению с массивными материалами, в основном, благодаря геометрии поверхности. Профилеметрирование показывает, что поверхность некоторых покрытий представляет собой совокупность шероховатостей, высота которых колеблется от 8 до 15 мкм. На отдельных макронеровностях формируются микронеровности, высота которых колеблется от 0,1 до 2 мкм. Таким образом, высота неровностей соизмерима с длиной волны падающего излучения. Отражение света от такой поверхности происходит в соответствии с законом Френкеля.

В литературных источниках встречаются различные принципы классификации методов нанесения покрытий. Хотя следует отметить, что единой системы классификации методов нанесения покрытий нет. Хокинг и ряд других исследователей предложили три классификации методов нанесения покрытий:

По фазовому состоянию среды, из которой происходит осаждение материала покрытия;

По состоянию наносимого материала;

По состоянию процессов, которые определяют одну группу методов

нанесения покрытий.

Более подробно классификации методов нанесения покрытий представлены в таблице 1.

Таблица 1 Достоинства и недостатки различных методов нанесения покрытий

МетодДостоинстваНедостаткиPVDУниверсальность; могут осаждаться все твердые элементы и материалы. Возможно получение тонких пленок и достаточно толстых покрытий. Имеются различные модификации метода. Н = 5-260 мкм.Возможно нанесение покрытий только на видимую часть поверхности. Плохая рассеивающая способность. Дорогое оборудование.CVDКонкурирует с методом физического осаждения. Могут наноситься элементы и соединения химически активные и в парообразном состоянии. Хорошая рассеивающая способность.Н = 5-260 мкм.Важную роль играет источник нагрева. Осаждение обычно производится при более высоких температурах, чем в методе физического осаждения. Возможен перегрев подложки. Возможно нежелательное прямое осаждение.Диффузионное осаждение из твердой фазыХорошая однородность и малые размерные допуски покрытия. Высокая экономическая эффективность процесса. Наиболее распространенные материалы покрытия Al и Cr. Высокая твердость покрытия. Н = 5 - 80 мкм.Ограниченные размеры под- ложки. Неприменим для чувствительных к высокой температуре подложек. Более тонкие, чем при других диффузионных методах, покрытия. Возможно охрупчивание покрытий.НапылениеВозможность контроля условий напыления и качества наносимого материала в ходе процесса. Возможность получения толстых однородных покрытий.H = 75 - 400 мкм.Качество зависит от квалификации оператора. Подложка должна быть стойкой к нагреву и ударному воздействию. Покрытия пористые с грубой поверхностью и возможными включениями.ПлакированиеВозможно нанесение толстых покрытий. Можно обрабатывать большие подложки. Н = 5 - 10% толщины подложкиВозможно коробление подложки. Подходит для жестких подложек.Электроосаждение (включая химическое и электрофорез)Экономически эффективный процесс при использовании водных электролитов. Возможно нанесение драгоценных металлов и тугоплавких покрытий из расплавов солей. Используется для промышленного получения керметов. Химическое осаждение и электрофорез применимы лишь для некоторых элементов и типов подложек. Н = 0.25 - 250 мкм.Требуется тщательная разработка оборудования для обеспечения хорошей рассеивающей способности. Применение в качестве электролитов расплавов солей требует жесткого контроля для предотвращения попадания влаги и окисления. Вредные пары над расплавом. Покрытия могут быть пористыми и в напряженном состоянии. Ограничен особыми областями высоких температур.Горячее окунаниеОтносительно толстые покрытия. Метод быстрого нанесения покрытий. Н = 25 - 130 мкм.Ограничен лишь нанесением А1 для получения высокотемпературных покрытий. Покрытия могут быть пористыми и несплошными.

Таблица 2. Классификация методов нанесения покрытий по фазовому состоянию среды

Твердое состояниеМеханические соединение Плакирование СпеканиеЖидкое состояниеГорячее окунание Напыление НаплавкаПолужидкое или пастообразное состояниеЗоль-гель процесс Шликерный НапайкаГазовая среда (атомное, ионное или электронное взаимодействие)Физическое осаждение из паровой фазы Химическое осаждение из паровой фазыРастворХимический Гальванический ЭлектрогальваническийПлазмаОбработка поверхности

Таблица 3. Классификация методов нанесения покрытий по состоянию процессов определяющих одну группу методов

МеханическиеПлакирование СоединениеФизическиеФизическое осаждение из газовой фазы Вакуумные покрытия Термическое испарение Распыление Ионное осаждениеХимическиеХимическое осаждение из газовой фазы Осаждение из электролита без наложения электрического поляЭлектрохимическиеВ водныхрастворах В расплавах солейНапылениеДетонационной пушкой Электрической дугой Металлизация Плазменное Газопламенное с использованием проволокиНаплавкаЛазерная Ручной электросваркой Сваркой в инертном газе Кислородно-ацетиленовой сваркой В плазменной дуге Плазменной сваркой Сплавлением при напылении Дугой под слоем флюса Другой между вольфрамовыми электродами в инертной среде

Таблица 4. Классификация методов по состоянию наносимого материала и способам изготовления

Группа 1 Атомное или ионное состояниеВакуумные методы: Вакуумное испарение Осаждение из ионного пучка Эпитаксиальное осаждение из молекулярного пучка Плазменные методы: Распыление (ионное, магнетронное) Ионное осаждение Полимеризация плазмы Активированное реакционное испарение Катодно-дуговое осаждение Химическое взаимодействие в парах реагентов: Осаждение из паровой фазы Восстановление Разложение Плазменное осаждение Пиролиз при распылении Осаждение из электролита: Гальваностегия Химическое осаждение Осаждение из расплавленных солей Химическое замещениеГруппа 2 МакрочастицыУдарные методы Сплавление: Окрашивание толстыми слоями Эмалирование Электрофорез Термические методы: Газопламенное распыление Плазменное распыление Детонационное распыление Золь-гель процессГруппа 3 Массивный материалВнешние покрытия: Наплавка Плакирование: Взрывной прокаткой Лазерное плавление Смачивание: Окрашивание кистью Горячее окунание Электростатические методы: Спин-покрытия Нанесение рисунка распылениемГруппа 4 Модификация структуры поверхностиЛазерная модификация поверхности Термообработка Ионная имплантация Поверхностное легирование: Диффузия из объема Распыление Выщелачивание Химическая конверсная жидкопаровая диффузия (нагрев, плазма) Электролитическое анодирование Термообработка в расплавленных солях Механические методы: Дробеструйная обработка

1.1 Изменение физико-химических свойств поверхностей при нанесении покрытий

Поверхностный слой (покрытие) играет определяющую роль в формировании эксплуатационных и других свойств изделий, создание его на поверхности твердого тела практически всегда изменяет физико-химические свойства в нужном направлении. Нанесение покрытий позволяет восстановить ранее утраченные свойства в процессе эксплуатации изделий. Однако чаще всего изменяют свойства исходных поверхностей изделий, полученные в процессе их производства. В этом случае свойства материала поверхностного слоя существенно отличаются от свойств исходной поверхности. В подавляющем большинстве меняется химический и фазовый состав вновь созданной поверхности, в результате получают изделия с требуемыми эксплуатационными характеристиками, например высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью, износостойкостью и многими другими показателями.

Изменение физико-химических свойств исходных поверхностей изделий может быть осуществлено созданием как внутренних, так и внешних покрытий. Возможны и комбинированные варианты (рис. 1).

покрытие химический вакуумный плакирование

При нанесении внутренних покрытий сохраняются неизменными размеры изделий (Lи = const). Некоторые методы обеспечивают и постоянство массы изделия, в других методах - приращение массы ничтожно мало и им можно пренебречь. Как правило, отсутствует четкая граница модифицированного поверхностного слоя (?м ? const). При нанесении внешних покрытий размер изделия увеличивается (Lи ?const) на толщину покрытия (?пк). Возрастает и масса изделия. На практике встречаются и комбинированные покрытия. Например, при нанесении теплозащитных покрытий, отличающихся повышенным количеством несплошностей во внешнем слое, жаростойкость обеспечивается за счет внутреннего беспористого покрытия.

1.2 Внутренние покрытия

Внутренние покрытия создаются различными способами воздействия на поверхность исходного материала (модифицирование исходных поверхностей). На практике широко используются следующие методы воздействия: механические, термические, термодиффузионные и высокоэнергетические с проникающими потоками частиц и излучений.

Встречаются и комбинированные методы воздействия, например термомеханические и др. В поверхностном слое происходят процессы, приводящие к структурному изменению исходного материала на глубину от нанометрового диапазона до десятых долей миллиметра и более.

В зависимости от метода воздействия протекают следующие процессы:

изменение зеренного строения материала;

Искажение кристаллической решетки, изменение ее параметров и типа;

разрушение кристаллической решетки (аморфизация);

изменение химического состава и синтезирование новых фаз.

1.3 Внешние покрытия

Практическое значение внешних покрытий очень велико. Нанесение внешних покрытий позволяет не только решать задачи по изменению физико-химических свойств исходных поверхностей, но также восстанавливать их после эксплуатации.

Механизм и кинетика формирования приведены на рис. 3. Внешние покрытия часто выполняют роль конструкционного элемента, например покрытия - пленки при производстве интегральных схем. К настоящему времени разработано большое количество методов нанесения покрытий различного назначения из многих неорганических материалов.

Для анализа физико-химических процессов, связанных с нанесением покрытий, их целесообразно систематизировать по условиям формирования представляется возможным выделить следующие группы покрытий, формирующихся на твердой поверхности: твердофазные, жидкофазные, порошковые и атомарные.

1.4 Подготовка поверхности при нанесении покрытий

Подготовка поверхности определяет основной показатель качества - прочность сцепления покрытия с основным материалом изделия, или адгезионную прочность. Некоторое исключение составляют покрытия, формирующиеся на расплавленной поверхности, например при наплавке покрытий концентрированными источниками теплоты. Однако и в этом случае загрязненные поверхности отрицательно влияют на свойства материала покрытия. Наблюдается его охрупчивание, возрастает склонность к образованию дефектов: трещин, пористости и др. В связи с этим подготовка поверхности представляет ключевую операцию в технологическом процессе нанесения любых покрытий.

При подготовке поверхности должны быть решены две важнейшие задачи:

) удаление с поверхности адсорбированных веществ - загрязнений;

) активирование поверхности.

Удаление загрязнений и активация поверхности могут осуществляться как в едином технологическом процессе, так и раздельно. Принципиально любое удаление физически или химически адсорбированных веществ с поверхности уже активирует эту поверхность.

Восстанавливаются оборванные связи поверхностных атомов, их асимметрия и, соответственно, повышается уровень поверхностной энергии. Наибольший эффект при подготовке поверхности достигается, когда наряду с удалением загрязнений происходит максимально высокая ее активация. В реальных технологических процессах такая подготовка поверхности не всегда возможна. Обычно используют двух или трехстадийную раздельную подготовку. Конечная стадия в основном направлена на активацию поверхности до ее максимальных значений.

В практике нанесения покрытий нашли применение следующие основные методы подготовки поверхности изделий: мойка холодной или горячей водой; обезжиривание; травление; механическое воздействие; термическое и химико-термическое воздействие; электрофизическое воздействие; воздействие световыми потоками; обезвоживание.

2. Химические и электрохимические методы нанесения покрытий

Получение покрытий из растворов химические и электрохимическими методами является классическим примером процессов, позволяющих проследить в относительно, чистом формирование наносимых слоев путем последовательного присоединения атомов к поверхности покрываемого изделия при ее взаимодействии с ионно-реакционной средой.

Существуют стандартные определения способов получения покрытий, осуществляемых из водных растворов - электролитов (ГОСТ 9.008-82).

Химический способ получения покрытий - это получение металлического или неметаллического неорганического покрытия в растворе солей без электрического тока от внешнего источника. Примерами получения покрытий химическим способом являются: для металлических покрытий, полученных восстановлением - никелирование" меднение, серебрение и др.; для неметаллических покрытий, полученных окислением - оксидирование, фосфатирование. хроматирование и др. Последние применяют также для дополнительной обработки покрытия.

Электрохимический способ получения покрытия - это получение металлического или неметаллического неорганического покрытия в электролите под действием электрического тока от внешнего источника.

Катодное восстановление металла - это электрохимический способ получения металлического покрытия на металле, являющемся катодом.

Анодное окисление - это электрохимический способ получения неметаллического неорганического покрытия на металле, являющемся анодом.

Контактный Способ получения покрытия - это получение покрытия из раствора солей наносимого металла погружением покрываемого, металла, находящегося в контакте с более электроотрицательным металлом.

2.1 Классификация химических и электрохимических покрытий

Химические и электрохимические покрытия можно классифицировать исходя из следующих основных принципов:

По способу получения (химическое, электрохимическое, гальваническое, катодное, анодно-окисное и контактное);

По виду наносимого материала (металлическое, неметаллическое и композиционное);

По предъявляемым к покрытию требованиям (защитное, защитно-декоративное, декоративное, специальное);

По отношению к внешней химически активной среде (катодное, анодное, нейтральное);

По конструкции покрытия (однослойное, многослойное).

2.2 Сущность метода химического нанесения покрытий

Покрытия, полученные химическим способом, отличаются меньшей пори стостью, чем нанесенные гальваническим способом при одинаковой толщине, и высокой равномерностью.

Химическое осаждение металлов представляет собой процесс восстановления, протекающий по уравнению:

Меz+ + Ze?М

где Меz+ - ионы металла, находящиеся в растворе; z - валентность металла; Ze -количество электронов; Ме - металл покрытия.

Находящиеся в растворе ионы металла (Меz+) соединяются (в зависимости от валентности) с соответствующим количеством электронов (Ze) и превращаются в металл (Me).

В случае химического осаждения необходимые электроны образуются в результате химического процесса, происходящего в растворе, применяемом для получения покрытия. При гальваническом осаждении необходимые для восстановления ионов металла электроны поставляются внешним источником тока. В зависимости от химического процесса, происходящего при осаждении покрытия, различают следующие методы.

Контактный метод (погружения), при котором покрываемый металл погружается в раствор, содержащий соль более электроположительного металла, и покрытие в этом случае осаждается за счет разности потенциалов, возникающей между покрываемым металлом и ионами, находящимися в растворе. Контактно-химический метод (внутреннего электролиза), при котором осаждение производится за счет разности потенциалов, возникающей при контактировании покрываемого металла с более электроотрицательным металлом в процессе погружения в раствор соли металла, которым осуществляют покрытие. Метод химического восстановления, при котором покрываемый металл погружают в раствор, содержащий соль осаждаемого металла, буферирующие и комплексообразующие добавки и восстановитель, при этом ионы осаждаемого металла восстанавливаются в результате взаимодействия с восстановителем и осаждаются на покрываемом металле, причем данная реакция протекает лишь на металлической поверхности, являющейся каталитической для данного процесса.

2.3 Нанесение покрытий на изделие

Применяемое на отечественных или зарубежных предприятиях технологическое оборудование для осаждения покрытий химическим восстановлением конструируют, исходя из конкретных производственных задач: крупные детали завешивают в ванны при помощи специальных приспособлений, мелкие покрывают насыпью в барабанах, трубы (прямые или змеевики) - на установках, обеспечивающих возможность прикачки раствора через внутренние полости, и т. д. Зачастую установки для химического нанесения располагают в гальванических цехах, что дает возможность использовать имеющееся там оборудование для обезжиривания, изоляции, травления, промывки, сушки и термообработки деталей.

Упрощенная схема аппарата для нанесения химических покрытий представлена на рис. 4.

Химическое нанесение покрытий осуществляют в непроточных или проточных растворах. В одних случаях раствор после обработки в нем 1 - 2 партий деталей выливают и заменяют свежим; в других раствор фильтруют, корректируют и используют многократно. Установка для одноразового покрытия деталей в непроточном растворе имеет обычно сварную железную или фарфоровую ванну, которую вставляют в емкость большего размера - термостат. Пространство между стенками обеих ванн заполняют водой или маслом, которые нагревают электронагревательными приборами или острым паром. Снаружи термостат имеет теплоизоляционный слой (например, из листового асбеста, на который надевают кожух). В ванну помещают контактный термометр с терморегулятором, обеспечивающим поддержание требуемой температуры рабочего раствора.

3. Вакуумное конденсационное нанесения покрытий

В методах и технологических особенностях вакуумного конденсационного нанесения покрытий (ВКНП) встречается много общего, в связи с этим целесообразно рассмотреть обобщенную схему процесса. Обобщенная схема процесса вакуумного конденсационного нанесения покрытий представлена на рис. 5.

Известно, что покрытия при вакуумном конденсационном нанесении формируются из потока частиц, находящихся в атомарном, молекулярном или ионизированном состоянии. В покрытия переходят нейтральные и возбужденные частицы (атомы, молекулы, кластеры) с нормальной и высокой энергией и ионы с широким диапазоном энергий. Поток частиц получают испарением или распылением материала посредством воздействия на него разными энергетическим источниками. Потоки частиц наносимого материала получают методом термического испарения, взрывного испарения - распыления и ионным распылением твердого материала. Процесс нанесения проводят в жестких герметичных камерах при давлении 13,3 - 13,310-3 Па благодаря чему обеспечивают необходимую длину свободного пробега частиц и защиту процесса от взаимодействия с атмосферными газами. Перенос частиц в направлении к поверхности конденсации осуществляется в результате разности парциальных давлений паровой фазы. Наиболее высокое давления пара (13,3Па и более) вблизи поверхности распыления (испарения) обуславливает перемещение частиц в направлении поверхности изделия, где давление паров минимально. Другие силы переноса действуют в потоке частиц в ионизированном состоянии; ионизированные частицы обладают большей энергией, что облегчает формирование покрытий.

Методы вакуумного конденсационного нанесения классифицируют по различным признакам:

По способам получения потока пара из материала покрытия и формирования частиц: термическим испарением материала из твердого или расплавленного состояния, взрывным (интенсифицированным) испарением - распылением; ионным распылением твердого материала;

По энергетическому состоянию частиц: нанесение нейтральными частицами (атомами, молекулами) с различным энергетическим состоянием; ионизированными частицами, ионизированными ускоренными частицами (в реальных условиях в потоке присутствуют различные частицы);

По взаимодействию частиц с остаточными газами камеры: нанесение в инертной разреженной среде или высоком вакууме (13,3 МПа); и в активной разреженной среде (133 - 13,3 Па).

Введение в камеру активных газов позволяет перейти к способу вакуумного реакционного нанесения покрытий. Частицы в потоке или на поверхности конденсации вступают в химическое взаимодействие с активными газами (кислородом, азотом, оксидом углерода и др.) и образуют соответствующие соединения: оксиды, нитриды, карбиды и др.

Классификация вакуумного конденсационного нанесения покрытий показана на рис. 6. Выбор метода и его разновидностей (способов) определяется требованиями, предъявляемыми к покрытиям с учетом экономической эффективности, производительности, простоты управления, автоматизации и др. Наиболее перспективны способы вакуумного конденсационного нанесения с ионизацией потока напыляемых частиц (стимулирование плазмой); часто эти способы называют ионно-плазменными.

К изделиям, полученным вакуумными конденсационными методами, предъявляют следующие основные требования:

Соответствие размеров требованиям, предъявляемым современной промышленностью;

Невысокое давление насыщенных паров материала изделия при температуре процесса;

Возможность нагрева поверхности для повышения адгезионной прочности покрытий.

Вакуумное конденсационное нанесение покрытий широко применяют в различных областях техники. Вакуумным реакционным процессом создаются износостойкие покрытия на изделия различного назначения: парах трения, прессовом и режущем инструменте и др.

Вакуумное конденсационное нанесение позволяет получать покрытия с высокими физико-механическими свойствами; из синтезираованных соединений (карбидов, нитридов, оксидов и др); тонкие и равномерные; с использованием широкого класса неорганических материалов.

Технологические процессы, связанные с вакуумным конденсационным нанесением, не загрязняют окружающую среду и не нарушают экологию. В этом отношении они выгодно отличаются от химических и электрохимических методов нанесения тонких покрытий.

К недостаткам метода вакуумного конденсационного нанесения следует отнести невысокую производительность процесса (скорость конденсации около 1 мкм/мин), повышенную сложность технологии и оборудования, низкие показатели энергетических коэффициентов распыления, испарения и конденсации.

Процесс вакуумного конденсационного нанесения покрытий целесообразно рассматривать состоящим из трех стадий:

Переход конденсированной фазы (твердой или жидкой) в газообразную (пар);

Формирование потока и перенос частиц на поверхность конденсации;

Конденсация паров на поверхности изделия - формирование покрытия.

Для получения качественных покрытий необходимо гибкое управление процессами посредством создания оптимальных условий их протекания.

4. Нанесение покрытий наплавкой концентрированными источниками тепла

Нанесение покрытий наплавкой концентрированными источниками теплоты производится в виде отдельных проходов, каждый из которых формирует валик из расплавленного материала шириной b. Перекрытие валиков ?b обычно составляет (1/4 - 1/3)3. Материал покрытий состоит из расплавленного основного материала и присадочного, который подается в ванночку. Если основной материал не расплавляется, то наплавленный валик формируется только из присадочного материала, в этом случае доля основного материала в формировании наплавленного покрытия равна нулю. Наибольшее распространение получили способы наплавки концентрированными источниками теплоты с небольшим расплавлением основного материала высотой hn. Высота валика наплавленного слоя hн обычно составляет 2 - 5 мм. При перекрытии валиков образуются продольные канавки (неровности) глубиной 1 - 2 мм.

Зная химический состав основного и присадочного материала и доли их участия в формировании материала покрытия, можно определить химический состав наплавленного слоя.

Под действием концентрированного источника теплоты основной материал локально нагревается, особенно при его расплавлении. Тепловой поток отводится в основной материал, образуя в нем зону термического влияния (ЗТВ). В высокотемпературной области ЗТВ, как правило, наблюдается рост зерна, образуется закаленная структура, горячие и холодные трещины. В практике наплавки стремятся к минимальной протяженности ЗТВ.

Под влиянием источника теплоты происходит вытеснение расплавленного металла из ванночки отдельными порциями, которые в процессе кристаллизации и образуют валик наплавленного материала. Процесс кристаллизации идет на базе оплавленных зерен основного материала, главная ось кристаллитов ориентирована в соответствии с направлением отвода теплоты в основной материал. При кристаллизации возможно образование дефектов: горячих и холодных трещин, пористости, шлаковых включений и др. Природа формирования покрытия из отдельных наплавленных валиков (проходов) с перекрытием не позволяет получать тонкие и равномерные по толщине наплавки. Минимальная толщина покрытия 1 - 2 мм может быть достигнута только при использовании прецизионных технологий. Для наплавки покрытий в основном применяют металлические материалы, иногда в расплавленный металл вводят различные тугоплавкие неметаллические соединения.

4.1 Классификация наплавленных покрытий

Классификация наплавленных покрытий осуществляется по различным признакам. Наиболее целесообразно классифицировать по:

концентрированным источникам теплоты;

характеру защиты расплавленного металла;

степени механизации.

По источникам теплоты наплавку покрытий подразделяют на:

газопламенную;

плазменную;

светолучевую;

электронно-лучевую;

индукционную;

электрошлаковую.

По характеру защиты расплавленного металла различают: наплавку с шлаковой, газовой и газошлаковой защитой. По степени механизации поменяют ручную и механизированную наплавку с элементами автоматизации.

4.2 Области применения наплавки

Наплавку концентрированными источниками теплоты применяют для восстановления изношенных поверхностей, покрытия при этом, как правило, дают высокий экономический эффект. Однако наплавка может быть использована и при создании исходных поверхностей новых изделий с широким диапазоном физико-химических свойств, например при создании выхлопных клапанов в двигателях внутреннего сгорания, при производстве бурового инструмента и др.

Особенно целесообразно применять наплавку для создания износостойких поверхностей в парах трения, причем минимальный износ может быть достигнут благодаря как повышению твердости в наплавленном слое, так снижению коэффициента трения. Известен большой экономический эффект при создании режущего инструмента. Быстрорежущую сталь в наплавленном покрытии получали аргонодуговой наплавкой с подачей присадочной проволоки из вольфрамомолибденовых сплавов с повышенными содержанием углерода (0,7 - 0,85 маc. %). Для наплавки тяжело нагруженных штампов при горячей штамповке использовали покрытые электроды, например ЦИ-1М (тип ЭН - 80В18Х4Ф - 60, тип F). Широко применяется наплавка износостойких покрытий при производстве землеройной техники. В целом методы наплавки высокоэффективны, к их недостаткам можно отнести:

большую толщину наплавляемого слоя (за некоторым исключением);

наличие протяженной зоны термического влияния в основном материале;

высокую шероховатость поверхности, что требует последующей механической обработки;

ограниченный круг наплавляемых материалов, в основном металлических.

5. Нанесение покрытий плакированием

Плакирование включает в себя широкий круг методов нанесения покрытий. К ним относятся:

Взрывной ударный;

Магнитный ударный;

Горячее изостатическое прессование, или плакирование;

Получение механической связи экструзией.

При подобной классификации методы плакирования и методы с образованием диффузионной связи несколько перекрываются. Методы плакирования классифицируются по скорости образования связи между покрытием и подложкой:

1. Очень быстрые процессы (плакирование взрывом, ударное электромагнитное);

Умеренно быстрые процессы (прокатка, экструзия);

Медленные процессы (диффузионная сварка, горячее изостатическое прессование).

Чаще плакирование используется для покрытия железных сплавов сплавами на основе никеля. Менее распространено плакирование стали кобальтом в основном из-за больших затрат.

Среди методов плакирования наиболее широко, по-видимому, применяются методы прокатки и экструзии. Получение покрытий с помощью взрыва было открыто случайно в 1957 г. Горячее изостатическое прессование и получение покрытий с помощью электромагнитного удара - относительно новые методы. Покрытия с диффузионной связью были разработаны в начале XX века с целью нанесения на железо покрытий из сплавов никеля и других жаропрочных сплавов для специального применения.

6. Газотермические методы нанесения покрытий

Положив в основу разделения тип источника теплоты, на практике получили применение следующие методы напыления: плазменное, газопламенное, детонационно-газовое, дуговая и высокочастотная металлизация.

Первые газотермические покрытия были получены в начале XX в. М. У. Шоопом, который распылил расплавленный металл струей газа и, направив этот поток на образец-основу, получил на ней слой покрытия. По имени автора этот процесс называли шоопированием, и он был запатентован в Германии, Швейцарии, Франции и Англии. Конструкция первого газопламенного проволочного металлизатора Шоопа относится к 1912 г., а первого электродугового проволочного металлизатора - к 1918 г.

В отечественной промышленности газопламенную металлизацию стали применять с конца 20-х годов. В конце 30-х годов она была успешно заменена электродуговой металлизацией. Аппаратуру для электродуговой металлизации создали Н. В. Катц и Е. М. Линник.

Газотермическое напыление покрытий в мировой практике начало активно развиваться в конце 50-х годов. Этому способствовало создание надежной техники генерирования низкотемпературной плазмы; детонационно газовых взрывных устройств, совершенствование дуговых разрядных процессов.

В разработку теории, технологии и оборудования газотермического напыления включились многие научные коллективы Академии наук СССР, технических высших учебных заведений, отраслевых институтов и производственных предприятий. Аналогичными темпами развивались работы в основных ведущих зарубежных странах.

6.1 Классификации методов

В методах и технологии газотермического напыления много общего. Схема процесса газотермического напыления показана на рис. 7.

Распыляемый материал в виде порошка, проволоки (шнуров) или стержней подается в зону нагрева. Различают радиальную и осевую подачу материала. Нагретые частицы распыляют газом, основное назначение которого - ускорение напыляемых частиц в осевом направлении, но наряду с этим он может выполнять и другие функции. При подаче в зону нагрева проволоки или стержней распыляющий газ диспергирует расплавленный материал, в ряде методов напыления он выполняет и функцию нагрева.

Нагрев частиц, их распыление и ускорение газовым потоком предопределили название процесса - газотермическое напыление. Частицы, поступающие на поверхность формирования покрытия, должны обеспечивать образование прочных межатомных связей в процессе контактирования, для чего необходим их нагрев и соответствующая скорость. Известно, что температура частиц обусловливает термическую активацию в области контакта; скорость частиц при ударе о поверхность создает условия для механической активации поверхностного контакта. Необходимо учитывать, что при высоких скоростях частиц в момент их контактирования часть кинетической энергии преобразуется в тепловую, что также способствует развитию термической активации.

Разработанные методы газотермического напыления позволяют в достаточных пределах регулировать температуры и скорости частиц, поступающих на поверхность формирования покрытия.

Методы газотермического напыления классифицируют:

по видам энергии;

по видам источника теплоты;

по видам распыляемого материала;

по видам защиты;

по степени механизации и автоматизации;

по периодичности потока частиц.

По виду энергии различают методы с использованием электрической энергии (газоэлектрические методы) и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов (газопламенные методы). Для нагрева распыляемого материала используют следующие виды источника теплоты: дугу, плазму, высокочастотные разряды и газовое пламя. Соответственно этому методы напыления называют: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно-газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние - к газопламенным.

По виду распыляемого материала применяют порошковые, проволочные (стержневые) и комбинированные способы напыления. При комбинированных способах используется порошковая проволока. Известны следующие методы напыления по виду защиты: без защиты процесса, с местной защитой и с общей защитой в герметичных камерах. При общей защите различают ведение процесса при нормальном (атмосферном) давлении, повышенном и при разрежении (в низком вакууме).

Степень механизации и автоматизации процесса. При ручных способах напыления механизирована только подача распыляемого материала. В механизированных способах предусмотрено также перемещение распылителя относительно напыляемого изделия. Часто используют движение напыляемых изделий относительно неподвижного распылителя. Уровень автоматизации процессов напыления зависит от конструкции установки, в простейших вариантах автоматизация отсутствует, а в сложных комплексах возможна полная автоматизация процесса.

Периодичность потока. Большинство методов напыления осуществляется непрерывным потоком частиц. Для некоторых методов возможно только циклическое ведение процесса. Покрытие формируется в импульсном режиме напыления, чередуемого с паузами. Газотермические методы напыления широко используются для нанесения покрытий различного назначения. К основным достоинствам методов газотермического напыления относят высокую производительность процесса при удовлетворительном качестве покрытий.

7. Плазменное напыление покрытий

Плазменная струя широко используется в качестве источника нагрева, распыления и ускорения частиц при напылении покрытий. Благодаря высокой скорости истечения и температуре, плазменная струя позволяет напылять практически любые материалы. Плазменную струю получают различными способами: дуговым прогревом газа; высокочастотным индукционным нагревом, электрическим взрывом, лазерным нагревом и др.

Обобщенная схема процесса плазменного напыления покрытий приведена на рис. 8. При плазменном напылении возможна как радиальная, так и осевая подача распыляемого материала в виде порошка или проволоки (стержней). Используются различные виды плазменных струй: турбулентные, ламинарные, дозвуковые и сверхзвуковые, закрученные и незакрученные, осесимметричные и плоскосимметричные, непрерывные и импульсные и др.

Ламинарные струи обеспечивают значительно большие значения длины истекающего потока (lн, lс), благодаря чему возрастает время нагрева напыляемых частиц, и характеризуются более высокими значениями отношения подводимой энергии к расходу плазмообразующего газа. Ламинарные струи следует относить к высокоэнтальпийным. Кроме того, для них характерна большая скорость истечения и меньший уровень шума (до 40 - 30 дБ). В настоящее время еще не найдены решения, позволяющие широко использовать ламинарные струи для напыления. Трудности связаны главным образом с подачей порошка. Теория и практика нанесения покрытий ламинарными струями разработана А. В. Петровым.

Достаточно перспективны для напыления и сверхзвуковые плазменные струи. Высокие скорости напыляемых частиц (800 - 1000 м/с и более) позволяют формировать покрытия преимущественно без их расплавления

Современный уровень плазменного напыления в основном базируется на использовании дозвуковых и сверхзвуковых, турбулентных, осесимметричных, плазменных струй с широким диапазоном теплофизических свойств. На нагрев плазмообразующего газа расходуется около половины мощности, подводимой к распылителю. Обычно тепловой КПД распылителя составляет 0,4-0,75. Следует также отметить слабое использование плазменной струи как источника теплоты на нагрев порошковых частиц. Эффективный КПД нагрева порошковых частиц плазмой ?п находится в пределах 0,01 - 0,15. При распылении проволоки эффективный КПД существенно выше и достигает 0,2 -0,3.

К наиболее важным теплофизическим характеристикам плазменных струй, определяющих оптимальные условия нагрева, распыления и ускорения напыляемых частиц, относится удельная энтальпия, температура и скорость в различных сечениях по оси потока. Гибкое управление теплофизическими параметрами струи определяет технологичность процесса и его возможности.

По степени защиты процесса различают плазменное напыление: без защиты, с местной защитой и общей защитой.

7.1 Преимущества и недостатки метода плазменного напыления

Основные достоинства метода плазменного напыления:

высокая производительность процесса от 2 - 8 кг/ч для плазмотронов мощностью 20 - 60 кВт до 50 - 80 кг/ч при более мощных распылителях (150 - 200 кВт);

универсальность по распыляемому материалу (проволока, порошок с различной температурой плавления;

большое количество параметров, обеспечивающих гибкое регулирование процесса напыления;

регулирование в широких пределах качества напыленных покрытий, в том числе получение особо качественных при ведения процесса с общей защитой;

высокие значения КИМ (при напылении проволочных материалов 0,7 - 0,85, порошковых - 0,2 - 0,8);

возможность комплексной механизации и автоматизации процесса;

широкая доступность метода, достаточная экономичность и невысокая стоимость простейшего оборудования.

К недостаткам метода следует отнести:

невысокие значения коэффициента использования энергии (при проволочном напылении ?к = 0,02 - 0,18; порошковом - ?и = 0,001 - 0,02);

наличие пористости и других видов несплошностей (2 - 15%);

сравнительно невысокая адгезионная и когезионная прочность покрытия (максимальные значения составляют 80 - 100 МПа);

высокий уровень шума при открытом ведении процесса (60 - 120 дБ).

По мере совершенствования метода плазменного напыления количество недостатков снижается. Перспективны, например, разработки напыления со сверхзвуковым истечением плазменной струи, позволяющие формировать покрытия преимущественно из частиц без расплавления, находящихся в вязкопластическом состоянии. По сравнению с радиальной наиболее эффективна осевая подача распыляемого материала в дуговых плазменных распылителях.

Значительный интерес представляет плазменное напыление с использованием двухдуговых или трехфазных плазмотронов. Большие преимущества сулит применение ВЧ - плазмотронов. В этих случаях получают плазму, не загрязненную материалами электродов, упрощается осевая подача распыляемого материала.

8. Газопламенное напыление покрытий

Газовое пламя получают посредством сгорания горючих газов в кислороде или воздухе. В специальных горелках-распылителях по периферии сопла подается горючая смесь, центральная часть предназначена для подачи в сформированную газопламенную струю распыляемого материала. Вблизи среза сопла газовое пламя представляет собой конус, по мере удаления от среза газовое пламя образует сплошной поток высокотемпературного газа. Различают ламинарные (Re < Rекp) и турбулентные струи (Re > Rекр). Переход режима горения и истечения струи от ламинарного к турбулентному зависит от природы горючего газа и определяется числами Рейнольдса (Re =2200 - 10000).

Газопламенные струи как источник нагрева, распыления и ускорения при напылении покрытий подобны плазменным струям. Однако температура, энтальпия и скорость газопламенной струи значительно ниже. Напыляемые частицы взаимодействуют с газовой фазой сложного состава, состоящей из горючих газов, продуктов их сгорания и диссоциации, кислорода и азота. Окислительно-восстановительный потенциал на начальном участке струи легко регулируется изменением соотношения между горючим газом и кислородом. Условно можно выделить три режима образования пламени: нейтральное, окислительное и восстановительное.

В качестве горючих газов для напыления покрытий применяют: ацетилен (С2Н2), метан (СН4), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), водород (Н2) и др. Иногда используются смеси, например пропан-бутан и др.

Газопламенное напыление производят в открытой атмосфере. В факел газового пламени попадает воздух, в связи, с чем количество кислорода больше, чем требуется для полного окисления элементов горючего газа по приведенным реакциям. Для уравновешивания составов снижают количество кислорода в смеси горючий газ - кислород.

Наиболее высокая температура пламени достигается при использовании ацетилено-кислородных смесей. Однако теплота сгорания выше у пропана и бутана. Поэтому для напыления чаще всего применяют стандартный технический ацетилен или пропан-бутановую смесь. При образовании газоплазменных струй тепловой КПД распылителя достаточно высокий (?т.р. = 0,8 - 0,9).В этом случае большая часть подведенной энергии расходуется на нагрев газа. Однако эффективный КПД нагрева порошковых частиц (?и) состав всего лишь 0,01 - 0,15.

1 Способы газопламенного напыления

Обобщенная схема процесса газопламенного напыления показана на рис. 9.

Горючий газ и кислород (реже воздух) попадает в смесительную камеру 3, горючая смесь далее поступает в сопловое устройство 7, на выходе из него смесь поджигается и образует факел пламени 2. Для обжатия газового пламени применяют дополнительное сопло 4, в которое подается сжатый газ, обычно воздух или азот. Наружная спутная струя потока газа 5 удлиняет высокотемпературную газовую струю, повышает ее температуру, энтальпию и скорость, кроме того, газ может быть использован для охлаждения теплонапряженных элементов распылителя.

Распыляемый материал в виде порошка или проволоки (стержней) подают по оси газопламенной струи вовнутрь факела, что способствует более интенсивному нагреву и распылению материала.

Методы газопламенного напыления классифицируют по следующим признакам:

Вид распыляемого материала. Различают газопламенное напыление порошковыми и проволочными (стержневыми) материалами.

Тип горючего газа. Известны способы напыления с использованием ацетилена или газов, заменителей ацетилена (пропана, бутана, их смесей и др.).

Степень механизации. Применяют ручное напыление и механизированное (машинное). При ручных способах механизирована только подача распыляемого материала. В полностью механизированных способах предусмотрено перемещение напыляемого изделия относительно распылителя или наоборот и введены элементы автоматизации.

2 Установки для газопламенного напыления

В нашей стране выпускается ряд установок для газопламенного напыления проволочными и порошковыми материалами. В качестве энергетических газов используется ацетилен и пропан-бутановая смесь. Подача к распылителю ацетилена (или заменителя), кислорода, а в ряде случаев и дополнительного газа (воздуха) для распыления производится от узла газопитания. Узел газопитания не входит в комплект выпускаемого аппарата. Его монтируют непосредственно на рабочем участке. Аппараты для газопламенного напыления обычно комплектуются распылителем (пистолетом), механизмом подачи проволоки или порошка и пультом управления. Часто механизм подачи проволоки располагается в одном корпусе с распылителем, на котором закрепляется порошковый питатель.

Заключение

Современное производство с учетом современных достижений науки и техники требует создания мощной базы для реализации новых методов нанесения покрытий из различных групп неорганических материалов. Требуются покрытия с широким спектром физико-химических свойств: для защиты в различных средах; износостойких; оптических; теплозащитных и многих других. Также требуются значительные усилия, направленные на совершенствование существующих и давно используемых методов нанесения покрытий.

Для решения данных задач требуется применение комплексного подхода связанного не только с решением конкретных научно-технических аспектов создания новых технологий в области покрытий, но и все более важной становится задача оптимизации и скоординированного сохранения и распространения информации.

Список использованной литературы

1. Грилихес, С.Я., Тихонов, К.И. Электролитические и химические покрытия. Л.: Химия, 1990. -288 с.

Ковенский, И.М., Поветкин, В.В. Методы исследования электролитических покрытий. -М.: Наука, 1994. -234 с.

Молчанов В.Ф. Комбинированные электролитические покрытия - Киев: Техника, 1976. -176 с.

Дасоян, М.А., Пальмская, И.Я., Сахарова, Е.В. Технология электрохимических покрытий. -Л.: Машиностроение, 1989. -391 с.

Эйчис, А.П. Покрытия и техническая эстетика. -Киев: Техника, 1971. - 248 с.

Биронт, В.С. Нанесение покрытий: учебное пособие для студентов вузов. - Красноярск. ГАЦМиЗ, 1994. - 160 с.

Бобров, Г.В. Нанесение неорганических покрытий (теория, технология, оборудование): учебное пособие для студентов вузов. / Г.В.Бобров, А.А. Ильин. - М.: Интермет Инжиниринг, 2004. - 624 с.

8. Лайнер, В.И. Защитные покрытия металлов / В.И. Лайнер, - М.: Металлургия, 1974. - 560 с.

9.. Никандрова, Л.И. Химические способы получения металлических покрытий./ Л.И. Никандрова. - Л.: Машиностроение, 1971. 101 с.

Коррозия.: Справочное издание. / Под ред. Л.Л. Шрайера. - М.: Металлургия. 1981. - 632 с.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов.: Справочник /Под ред. Л.С.Ляховича. М.: Металлургия, 1981.-.424 с.

Коломыцев, П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия / П.Т. Коломыцев. - М.: Металлургия, 1979. - 272 с.

Хокинг, М. Металлические и керамические покрытия / М. Хокинг, В. Васантасри, П.Сидки. - М.: Мир, 2000. - 516 с.