Метод модифікації властивостей поверхні виробу шляхом нанесення. Спосіб модифікації поверхневого шару металевих виробів

Під фізико-хімічним модифікуванням розуміють цілеспрямоване зміна властивостей поверхні внаслідок технологічного зовнішнього впливу. При цьому мається на увазі зміна структури матеріалу в тонких поверхневих шарах внаслідок фізичного впливу (іонними та електронними пучками, низькотемпературної та високотемпературної плазми, електричного розряду та ін.) або хімічного впливу, що призводить до утворення на поверхні шарів хімічних сполук на основі базового матеріалу (хімічне , електрохімічне та термічне оксидування, фосфатування, сульфідування, плазмове нітрування і т.д.).

Очевидно, що відсутня виражена класифікаційна межа між процесами фізико-хімічної модифікації та поверхневого зміцнення.

Серед безлічі способів фізико-хімічного модифікування найбільш перспективними є іонна імплантація, анодування, зокрема імпульсне (обробка в електролітній плазмі), лазерне зміцнення.

Іонна імплантація є порівняно новим способом фізико-хімічного модифікування, заснованим на впровадженні прискорених іонів легуючих елементів поверхневий шар.

	б)

Мал. 19.12. Схема установки для іонної імплантації з лінійним прискорювачем (а ) та З D-імплантаії (б):

1 – джерело іонів; 2 – система витягування іонів; 3 – сепаратор; 4 - фокусуючі магніти; 5 – лінійний прискорювач; 6 - електростатична система, що відхиляє; 7 - потік іонів; 8 - деталі, що зміцнюються

Іони, що імплантуються, мають малу глибину проникнення, проте їх вплив поширюється набагато далі від поверхні.

Можна виділити такі особливості іонної імплантації:

Можливість формування на поверхні сплавів, які не можна отримати у звичайних умовах через обмежену розчинність або дифузію компонентів. У ряді випадків рівноважні межі розчинності перевищені на кілька порядків;

Легування не пов'язане з дифузними процесами, за винятком модифікування матеріалів іонної імплантації при великій щільності струму, коли спостерігається радіаційно-стимульована дифузія компонентів;

Процес протікає за низьких температур (менше 150 °С), без зміни механічних властивостей матеріалу. Метод дозволяє обробляти термочутливі матеріали;

Відсутня помітна зміна розмірів деталей після імплантації;

Модифіковані поверхні не потребують подальшої фінішної обробки;

Процес добре контролюється та відтворюється;

Екологічна чистота процесів;

Зміцнюються тільки відкриті поверхні, що безпосередньо знаходяться під впливом опромінення іонами;

Мала глибина модифікованого шару;

Відносно висока вартість обладнання.

Установка для імплантації іонним променем містить джерело іонів, систему «витягування» іонів 2, сепаратор іонів 3, магнітні лінзи 4, що фокусують, лінійний прискорювач 5, електростатичну відхиляє систему б. На практиці використовуються різні за конструкцією джерела іонів безперервної та імпульсної дії, що генерують іони газів (від водню до криптону) та металів (з гарячим і холодним катодом, магнетронний, діаплазмотрон та ін.). Виходять із джерела іони неоднорідні за складом. Для відокремлення сторонніх іонів використовується магнітний мас-сепаратор, який відхиляє від основної осі іони, що мають іншу масу та заряд. "Очищений" іонний промінь фокусується і прискорюється в лінійному прискорювачі. Сканування іонного променя по поверхні деталі, що зміцнюється, проводиться відхиляючою системою. 6 .

Для забезпечення рівномірності зміцнення деталь обертається та повертається щодо променя.

Іонна імплантація іонами плазми - іноді її називають ЗБ-імплантація - виконується у вакуумних камерах, де тліючим або дуговим розрядом створюють іонізоване середовище, а на деталь подається імпульсна висока напруга, що забезпечує прискорення іонів у напрямку поверхонь, що бомбардуються. Високоенергетичний іонний потік може формуватися безпосередньо в процесі горіння самостійного імпульсного розряду між заземленою вакуумною камерою і виробом, що є катодом.

Іони, прискорені в полі прикатодного падіння малої товщини, ефективно модифікують поверхню виробу, який може мати складну об'ємну форму. Іони, що падають, генерують електронний пучок з поверхні виробу, який, взаємодіючи з плазмою, забезпечує самопідтримання розряду. Цей метод має певні переваги перед променевими методами за рахунок простоти та щодо низької ціни реалізації технологічних процесів. Він може поєднуватися з іншими іонно-плазмовими методами обробки, такими як магнетронне, вакуумно-дугове і плазмово-термічне напилення, іонне азотування та ін.

При високоенергетичній іонній імплантації для зміцнення металів та сплавів, керамік, полімерів використовують іони газів з енергією до 100 кеВ.

Обробка високоенергетичними іонами азоту ефективно підвищує стійкість різального та штампового інструменту, втомну міцність деталей.

Імплантація атомів застосування (азот, вуглець і бор) сприяє підвищенню зносостійкості та опору втоми сталей. Ці елементи мають властивість сегрегації до дислокацій навіть при кімнатній температурі, що блокує їх рух і зміцнює поверхневий шар, а це у свою чергу перешкоджає розвитку тріщин втоми.

При іонній імплантації нікелю бором втомна міцність збільшується більш ніж на 100%.

Збільшення втомної міцності обумовлено не дією залишкових напруг стиснення, що виникають при іонній імплантації, як вважалося раніше, а гальмуванням розвитку втомних тріщин внаслідок зниження рухливості дислокацій.

Для підвищення антифрикційних властивостей може виконуватись імплантація іонів молібдену та подвійної кількості іонів сірки. Спільна імплантація може стати новим методом формування антифрикційних та інших спеціальних шарів легованих.

Імплантуючи титан, отримують на поверхні аморфну ​​фазу Ti-C-Fe, що призводить до зниження тертя та зношування.

Іонна імплантація широко використовується підвищення корозійної стійкості сталевих деталей. З цією метою імплантують іони.

Локальна термічна обробка здійснює модифікування структури поверхневого шару. При цьому забезпечуються такі температурно-часові режими та результати зміцнення, які складно чи неможливо отримати традиційними способами термічної обробки, а саме:

Високі швидкості нагріву та охолодження (швидкості нагріву досягають величин 10 4 ... 10 8 К/с, а швидкості охолодження - 10 3 ... 10 4 К/с в залежності від часу впливу та енергії випромінювання, а також від режимів роботи лазера ). Такі режими нагріву та охолодження призводять до нерівноважного перебігу фазових перетворень, до зміщення критичних точок. А зі А,освіту пересичених твердих розчинів з дрібнодисперсними структурами аж до аморфних. В результаті формується шар з підвищеною твердістю (перевищує на 15...20% твердість після загартування існуючими способами), з хорошим опором зносу та схоплювання при терті;

Можливість зміцнення поверхонь у важкодоступних місцях (порожнини, поглиблення), куди лазерний промінь може бути введений за допомогою оптичних пристроїв;

Використання лазера дозволяє різко зменшити глибину загартованого шару та ефективно керувати його величиною.

Лазерне гартуваннявикористовується для зміцнення різального та вимірювального інструменту, робочих кромок матриць та пуансонів на глибину до 0,15 мм (імпульсне випромінювання) та до 1,5 мм (безперервне випромінювання). На інструментальних сталях твердість становить 63...67 HRC. Шорсткість оброблюваної поверхні при цьому не змінюється.

Встановлено, що використання лазерного випромінювання як джерело нагрівання при термопластичному зміцненні нікелевих сплавів дозволяє отримувати в поверхневому шарі залишкові напруги стиснення величиною до 10 ГПа.

При лазерній термічній обробці можна створити умови вибіркового випаровування виступів нерівностей, які призводять до зниження шорсткості поверхні.

Лазерна наплавка є одним із найбільш перспективних способів відновлення відповідальних деталей ВМД, зокрема лопаток турбін та компресорів. Її основними перевагами є можливість усунення невеликих дефектів без розігріву поверхні, що примикає до дефекту, і відсутність повідців при наплавленні.

Лазерну наплавку виробляють у камерах із захисною атмосферою або з піддувом інертного газу. Як присадочні матеріали використовують дріт, фольгу або порошкові матеріали.

Лазерне наплавлення порошковими металевими сплавами при мінімальному термічному впливі дозволяє підвищити в кілька разів працездатність деталей у важких температурних, ерозійних та інших умовах експлуатації.

синтетичних волокон (РСВ)

Модифікація- Це спрямована зміна властивостей розплавних синтетичних волокон (РСВ), яка може бути реалізована різними шляхами:

- фізична модифікаціядосягається спрямованою зміною умов формування, орієнтаційного витягування та термообробки. Мета – отримання волокон із новими, наперед заданими, відтворюваними властивостями. При цьому первинна структура волокна залишається незмінною. Таким чином, фізична модифікація може бути досягнута зміною реологічних властивостей прядильних розплавів полімерів, умовами їх екструзії, фільєрними витяжками, варіюванням кратностей витяжки та умов орієнтаційного витягування та теплових обробок (термофіксаційних або терморелаксаційних).

Основною формою поперечного зрізу філаментів є кругла форма. Але ця обставина не дозволяє в ряді випадків досягати необхідних текстильно- технологічних характеристик, як застилість, задані повітро-, газо-, водонепроникність і т.д.

Відомо, що така важлива властивість, як комфортність – здатність відводити вологу, тепло чи зберігати їх, якщо потрібно, у просторі між одягом та тілом – залежить від кількості порожнеч, що знаходяться у текстильному матеріалі. Ця обставина зумовила великий інтерес до можливості отримання волокон, в основному, на основі РСВ з некруглим (профільованим) поперечним зрізом. Цією проблемою постійно займався професор Ямбріх (Словацький технічний університет).

Виробництво профільованих волокон ускладнюється двома обставинами:

Технічними складнощами у виготовленні отворів фільєр фігурного профілю;

Фізико-хімічні обставини, які обумовлені прагненням рідини мінімізувати свою поверхню.

Якщо форма отвору фільєри є незамкненим кільцем, то волокно виходить порожнім.

Ще більші технічні ускладнення виникають при отриманні профільованих волокон з низькою щільністю лінійної одиночного філаменту (менше 0,1 текс).

Форма поперечного зрізу волокна не змінюється у процесі витягування чи термофіксаційних обробок. Нитки, пряжа із профільованих волокон дозволяють отримувати легкі, м'які, комфортні текстильні матеріали.

Останніми роками інтенсивно розвиваються технології отримання тонких і дуже тонких ниток і волокон. Йдеться про волокна з лінійною щільністю одиночного філаменту (Т Т f) в межах 0,1-0,3 децитекс (дтекс). Комплексні нитки та пряжа з таких волоконець здатні створювати якісно нові види текстильних матеріалів, при цьому можливе отримання тонких тканин навіть на основі гідрофобного поліпропілену (ПП, РР). Ці волокна з Т Т f = 0,01-0,02 текс дозволяють отримувати пряжу, вироби з якої дуже комфортні та легкі.

Перехід на мікроволокна (МКВ) означає не тільки зменшення продуктивності обладнання, але збільшення енерго- та трудовитрат, збільшення видаткових норм за полімером. Однак за цими волокнами дуже велике майбутнє;

- методи фізико-хімічної модифікаціїзасновані на введенні у полімерний субстрат волокна різних добавок (адитивів).

Для цього він використовується метод введення добавок через прядильний розплав (технологія «майстер-батч», «нанотехнологія»).

Введення добавок за цим методом здійснюється різними технологічними прийомами. Добавки можна вводити спочатку приготування прядильного розплаву, тобто. на стадії синтезу полімеру, або безпосередньо змішуючи основний прядильний розплав з концентрованим полімерним розплавом, що містить дану добавку, тобто. із полімерним концентратом добавки (ПКД) безпосередньо перед формуванням (технологія «майстер-батч»).

Добавки, що вводяться, можуть надавати волокнам різні властивості. Це може бути пігменти, тобто. барвники (фарбування «в масі»), антипіренові добавки, що зменшують горючість волокна, бактерицидні та інші біоактивні добавки, різні лінійні полімери, що вводяться в основний полімер регулювання властивостей;

- фарбування «у масі».

Добавки барвника, що вводяться, можуть бути розчинними в прядильному розплаві або ж бути гетерогенними наповнювачами. У другому випадку – дисперсні пігментні добавки.

Основними видами пігментів, що застосовуються для фарбування «в масі», є: діоксид титану ТіО 2 (еталон білого кольору), високодисперсна сажа С (еталон чорного кольору), інші пігменти-барвники.

Найважливішою технологічною вимогою є висока дисперсність пігментів, що вводяться (розміри частинок не можуть перевищувати 10-15% від радіусу філаменту, тому вони умовно називаються «наночастинками»). Частинками великих розмірів порушуватиметься стабільність процесу ниткоутворення та рівномірність структури волокна, що погіршує його фізико- механічні властивості. Найбільші частинки пігменту відфільтровуються у фільєрному комплекті перед надходженням на екструзію через отвори фільєри, але це призводить до зміни вмісту пігменту в волокні, а отже, зміни інтенсивності забарвлення.

Введення матуючих агентів (ТiO 2 та ін) досягається отримання волокна з приглушеним блиском. Для невеликого ослаблення блиску застосовується мікроматування (введення матуючого агента становить соті частки відсотка). Найбільшого поширення набув ТiO 2 , який має такі три кристалографічні структури: рутил, анатаз, брукіт. Дані кристалографічні модифікації діоксиду титану відрізняються розмірами елементарних кристалографічних ґрат. Анатазна форма характеризується найбільш розвиненою питомою поверхнею. Саме вона є найважливішим компонентом під час матування.

Для фарбування в сірий та чорний кольори використовується добавка сажі. Вимоги до розмірів частинок сажі самі, як і всіх пігментів.

Введення TiO 2 , сажі та інших пігментів має на меті не лише досягнення колористичного ефекту, а й є суттєвим фактором структуроутворення.

Раніше було встановлено, що на поверхні дисперсної частки утворюється шар полімерних сорбованих молекул. Як відомо, густина упаковки сегментів макромолекул різна і залежить від гнучкості полімеру, регулярності будови його первинної структури та інших факторів. В результаті сорбції поверхнею макромолекул поліетилентерефталату (ПЕТ, РЕТ) частинок ТіО 2 на поверхні частинок виникає шар сорбованого полімеру. Під впливом поверхневих сил частинок ТiO 2 сегменти полімерних ланцюгів упаковуються в шари, щільність яких вище щільності навколишньої полімерної рідини (розплаву ПЕТ). На межі розділу фаз виникає сорбційний шар полімеру, сегменти якого можуть не тільки щільніше упаковуватися, а й взаємно впорядковуватися.

Кінетика кристалізації полімерів описується рівнянням Аврамі, а механізм характеризується різними значеннями постійних у цьому рівнянні, взаємноупорядкування (кристалізація) може відбуватися за механізмом зародкаутворення. При цьому кристалографічні характеристики «зародка» повинні відповідати кристалографічних характеристик полімеру. У зв'язку з цим, частинки пігменту можуть лише тоді з'явитися «зародками» кристалізації, коли їх кристалографічний осередок буде ідентичний кристалографічної осередку кристалічної фази полімеру.

Однак, параметри кристалографічних осередків пігментів, ТiO 2 сажі дуже далекі від параметрів кристалографічних осередків ПЕТ. Тому вони не є «зародками» кристалізації, але ті фактори, які змінюють динаміку процесу кристалізації, в результаті формування на їх поверхні впорядкованого шару сорбованого полімеру. Тому при введенні пігментів процес кристалізації прискорюється і змінюється структура нитки, що формується. Введення приблизно 0,05-0,5% (мас.) діоксиду титану з розмірами частинок, не більше 0,5-0,7 мікрон (мк, мкм) є фактором, що змінює механічні властивості поліефірних (ПЕФ, РЕS) ниток, що підвищує рівномірність їх фізико-механічних показників. Не будучи «зародками» кристалізації, частинки пігментів є центрами структуроутворення. При цьому виходять волокна з вищими втомними властивостями, з меншим розкидом (дисперсією, коефіцієнтом варіації) за фізико-механічними показниками.

Таким чином, пігменти є не лише барвниками, а й речовинами, що покращують фізичну структуру волокон.

Введення розчинних у полімерних рідинах (розплавах) барвників також є важливим прийомом фізико-хімічної модифікації. У цьому досягається як колористичний ефект, але змінюється структура волокон.

Найважливішою вимогою до розчинних барвників є їх стабільність у прядильній масі при високих температурах розплавів.

Барвники, що вводяться, впливають також на властивості системи «полімер-барвник». Барвники можуть бути пластифікаторами або антипластифікаторами (тобто знижувати або підвищувати температуру склування (Тс)). Це обов'язково необхідно враховувати для формування нових технологічних схем.

Найважливішим способом фізико-хімічної модифікації є одержання волокон із сумішей полімерів (отримання композиційних волокон).

При введенні в полімерний субстрат малих кількостей другого полімеру, не сумісного з основним, досягаються ефекти посилення, зміцнення структури (ефект "малих полімерних добавок").

Ці полімерні добавки (до 5% мас.) є центрами структуроутворення, підвищуючи рівномірність структури нитки, що формується, і покращуючи її властивості.

При змішуванні розплавів поліаміду (ПА, РА) та ПЕТ у різних співвідношеннях (при цьому вміст другого полімеру невеликий) виходить досить гомогенна суміш полімерів. Внаслідок різкої зміни градієнтів швидкостей при вході такого змішаного розплаву в отвір фільєри виникає мікрогетерогенна (якщо це несумісна пара полімерів), але досить однорідна структура волокна.

Але технічно реалізований ще один варіант змішування, коли суміш полімерів макрогетерогенна (приблизно рівне співвідношення двох різних полімерів). Відповідно, одержувані філаменти побудовані з двох полімерів різної хімічної природи.

Це так звані бікомпонентні волокна (БКВ) або бікомпонентні нитки (БКН),які можуть бути одержані всіма відомими методами формування. При цьому два полімери у вигляді розплавів екструдуються через спеціальні фільєри, отвори в яких організовані таким чином, що в них індивідуальними каналами подаються потоки розплавів кожного компонента. В результаті волокно складається з двох частин. У поперечному зрізі розподіл цих компонентів може бути представлений у вигляді двох часточок або у вигляді різних варіантів концентричного розташування. Усі технологічні операції залишаються звичайними. Але бікомпонентні волокна мають цікаву особливість. У процесі терморелаксації полімерний компонент з більш низькою Т здатний до більшої усадки, ніж другий компонент. Волокно при цьому набуває стабільної звивистості. Отже, це один із прийомів текстурування волокон та ниток.

Вартість таких волокон вища. Але бікомпонентні волокна на основі поліамідів, поліефірів та інших полімерних субстратів мають достатньо купівельний попитна світовому ринку;

- процеси хімічної модифікаціїможуть бути здійснені шляхом проведення реакцій:

Полімераналогічних перетворень;

Сополімеризації (СПМ);

Сополіконденсації (СПК);

- «щеплення» до зовнішньої поверхні волокна бічних ланцюгів полімерів іншої хімічної природи.

При поверхневих обробках волокна змінюється хімічна природа волокна по поперечному зрізу (зовнішні шари знаходять іншу хімічну природу).

Зміна первинної структури шляхом полімераналогічних перетворень, СПМ, СПК призводить до появи нових видів волокноутворювальних полімерів.

Поверхнева модифікація реалізується готових волокнах (в гетерогенних умовах).

Наприклад, до поверхні целюлозного волокна можуть бути щеплені карбоцепні полімери, полікапроамід (ПКА, РСА, ПА6, РА6), поліефіри. Для зменшення гідрофобності поліамідних волокон «щеплюються» гідрофільні мономери (наприклад, ітаконова кислота (ІТК) та ін.). Щеплення нітрофурану та інших сполук на поверхню капронових шкарпеток дозволяє надати їм протигрибкових властивостей.

Поверхневе щеплення може бути здійснено внаслідок реакції рекомбінаційного приєднання.

Хімічно модифікуючи волокна, можна отримувати матеріали з іншими властивостями.

Власники патенту RU 2265075:

Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до способів обробки поверхонь струмопровідних матеріалів. Запропоновано спосіб модифікації поверхні струмопровідних тіл шляхом її розігріву змінним електричним струмом, при цьому модифікації поверхні використовують імпульси струму тривалістю 20-100 нс і з амплітудою, що забезпечує глибину оплавлення поверхні 1-10 мкм. Технічний результат - розробка способу модифікації поверхні струмопровідних тіл для підвищення експлуатаційних характеристик металів та сплавів та управління необхідними властивостями, такими як твердість, зносостійкість, втома та корозійна стійкість. 3 іл.

Винахід відноситься до галузі обробки електропровідних матеріалів шляхом нагрівання електричним полем.

Рівень техніки

Багато фізико-механічних властивостей матеріалів сильно залежать від стану поверхні. Наприклад, твердість, втома, знос, корозійна міцність і тріщиностійкість суттєво покращуються при зменшенні розміру зерна та аморфізації поверхневого шару. Відома велика кількість способів на поверхню з метою її зміцнення. До таких способів відносяться плакування і нанесення різних покриттів, лазерна і механічна обробка (наприклад, піскоструминна), іонна імплантація і так далі . Методами швидкого загартування з розплаву виходять аморфні та нанокристалічні матеріали певних хімічних складів. Критична швидкість охолодження, необхідна аморфізації, і температура склування залежить від природи хімічного складу розплаву. Звичайні швидкості загартування для систем, що аморфізуються, становлять 10 5 -10 7 К/сек і досягаються в методах спінінгування розплаву - охолодження струменя на масивному обертовому блоці, прокатки розплаву між холодними валками, розпилення струменя розплаву газовими потоками (газова атомізація).

Такими способами отримують порошки або лусочки з характерними розмірами 1-100 нм, або тонкі стрічки товщиною 10-100 мкм . Для аморфізації чистих металів потрібні надзвичайно високі швидкості охолодження -10 12 -10 14 К/сек, які недосяжні при сучасних схемах швидкого загартування. Більше повільні швидкостізагартування 10 2 -10 4 - К/сек застосовують для отримання про масивного металевого скла з характерними розмірами порядку кількох міліметрів у перерізі . Таке скло одержують з розплавів з широкою областю переохолодження, наявність або відсутність якої визначається хімічним складом сплаву. Малі розміри, висока вартість і обмеженість складів, що аморфізуються, при швидкісному загартуванні обмежують області застосування аморфних сплавів. Переваги поверхневої обробки готових виробів очевидні. Так, наприклад, метод іонної імплантації використовується для аморфізації поверхневого шару бомбардуванням іонами високих енергій (наприклад, бомбардування нікелю іонами P + при кімнатній температурі - доза 10 17 іон/см 2 , енергія іонів 40 кэВ - призводить до утворення .

Добре відомий метод лазерної аморфізації поверхні, який використовує потужний імпульсний лазерний промінь, що сканує поверхнею і оплавляє невеликі ділянки поверхневого шару, які після припинення дії лазерного випромінювання швидко тверднуть завдяки інтенсивному відводу тепла в масивну підкладку. Для більш ефективної аморфізації до складу оброблюваного матеріалу вводять аморфоутворюючі елементи. Технологічними недоліками лазерної аморфізації є складність обладнання, висока вартість та відносно невисока швидкість обробки великих поверхонь. До металургійних недоліків даного способу слід віднести високу внутрішні напруги, що формуються на межі аморфізованого шару і кристалічної матриці, і, головне, висока макро-і мікронеоднорідність структури, обумовлена ​​скануванням лазерного пучка оброблюваної поверхні.

Іншим способом термічної обробки як всього об'єму, так і поверхневих шарів матеріалу, обраним як прототип, є індукційне нагрівання - нагрівання струмопровідних тіл шляхом збудження в них електричних струмів змінним електромагнітним полем. Для створення останнього використовуються струми низької (50 Гц), середньої (до 10 кГц) та високої (понад 10 кГц) частоти. Застосовується для плавлення металів, поверхневого гарту деталей і т.д.

Привабливість індукційного нагріву в промисловості пов'язана, перш за все, з технологічною простотою, високою продуктивністю, високою точністю підтримки режиму термічної обробки, високим ступенем екологічності, легкістю вбудовування автоматизовані технологічні лінії. В даний час розроблено та виготовляється індукційне нагрівальне обладнання для різноманітного застосування у промисловості:

Для об'ємної та поверхневої термообробки металевих виробів з метою загартування, нормалізації, покращення, відпалу, відпустки, хіміко-термічної обробки;

Для нагрівання металевих заготовок перед пластичною деформацією;

Для нагрівання поверхонь металевих виробів для спеціальних цілей.

Потужність сучасних установок індукційного нагрівання металу становить десятки – сотні кВт, робочі частоти – одиниці кГц – одиниці – МГц.

Сутність винаходу

Сутність винаходу полягає у використанні потужних коротких електричних імпульсів для модифікації поверхні електропровідних об'єктів.

1. підвищення експлуатаційних характеристик металів та сплавів;

2. управління необхідними властивостями, такими як твердість, зносостійкість, втома, корозійна стійкість;

3. зниження собівартості продукції;

пропонується спосіб модифікації структури поверхні шляхом формування аморфних, нано- та мікрокристалічних поверхневих шарів. На відміну від прототипу, ми пропонуємо використовувати потужний одиночний імпульс струму, що призводить до необхідного розігріву поверхні (скін-шару).

Скін-ефект полягає у локалізації високочастотного електричного струмуу тонкому приповерхневому шарі провідника. Товщина скін-шару δ оцінюється як:

де - частота змінного струму, - магнітна проникність і - провідність провідника. При перебігу імпульсу струму тривалістю t 0 щільністю j по провіднику з питомим опором ρ=1/σ виділяється теплота q:

Ця теплота витрачається збільшення внутрішньої енергії, отже, і температури поверхневого скін-шару, оскільки тривалість імпульсу коротка і змінами структури і відпливом тепла через зовнішню поверхню можна знехтувати. Збільшення температури ΔT за малий інтервал часу t 0 пропорційно кількості теплоти q:

де c v - питома теплоємність і ρ m - щільність провідного шару.

Для оцінок будемо вважати, що форма імпульсу струму тривалості t 0 близька до напівперіод синусоїдальної функції з частотою ω. Тоді можна вважати:

Нехай струм I протікає за циліндричним зразком радіуса R 0 . Тоді площа перерізу S скін-шару завтовшки δ складе величину:

Тоді можна знайти зв'язок повного струму I та щільності струму j:

Підставляючи (1, 2, 4-6) (3), отримуємо оцінку залежності величини розігріву поверхні від амплітуди струму I і радіуса зразка R 0:

Підставляючи (4) (1), отримуємо вирази для визначення необхідної тривалості електричного імпульсу для модифікації поверхневого шару товщиною δ:

З (7) можна знайти амплітуду струму, необхідну для розігріву поверхні зразка радіуса R 0 величину ΔT:

Таким чином, вирази (8, 9) дозволяють оцінити параметри імпульсу струму, необхідного для прогріву до температури ΔT поверхневого шару товщиною δ.

Час остигання t f поверхневого шару визначається дифузією тепла всередину зразка і залежить від його товщини (δ) та коефіцієнта температуропровідності α.

де - коефіцієнт теплопровідності.

Найважливішою характеристикою обробки поверхні, що визначає, зокрема, виникнення аморфного поверхневого шару є швидкість її охолодження T:

Використовуючи (8, 10), отримуємо:

Таким чином, як випливає з отриманих виразів, для досягнення температури плавлення скін-шару і отримання високої швидкості охолодження потрібні короткі, потужні імпульси струму. Оцінки показують, що для обробки зразків діаметром порядку міліметрів та отримання швидкості охолодження порядку 10 10 К/с потрібні імпульси струму амплітудою близько 100 кА та тривалістю десятки наносекунд.

Необхідна структура та товщина модифікованого шару можуть регулюватися шляхом контролю величини перегріву розплаву або температури поверхневого шару у разі, якщо плавлення поверхні не є бажаними, та швидкості охолодження, які, у свою чергу, визначаються амплітудою, тривалістю прикладеного імпульсу струму та початковою температурою зразка. Отже, пропонований спосіб реалізує переваги поверхневої термічної обробки та швидкісного загартування.

Реалізація заявляється способу залежить від технічних можливостей отримання коротких імпульсів струму великої амплітуди. Основна проблема полягає у забезпеченні високої швидкості виведення енергії з генератора у навантаження. В даний час для кращих конденсаторів з енергоємністю 10 4 Дж цей час становить 300 нс. Час виведення енергії з батареї визначається як параметрами самих конденсаторів, і навантаженням. Додавання зовнішнього навантаження призводить до неминучого зростання індуктивності системи та збільшення часу виведення енергії до ˜1 мкс.

В даний час найбільші швидкості виведення енергії отримують у двокаскадних генераторах, що включають первинний генератор імпульсу струму (ГІН) і систему збільшення потужності (СУМ). ГІН зазвичай є батареєю імпульсних конденсаторів, що включаються за тією чи іншою схемою (наприклад, схемою Маркса ) і запитуються від джерела високої напруги. Система збільшення потужності призначена для суттєвого (в 10-100 разів) збільшення густини енергії, що надходить з ГІН для отримання на навантаженні імпульсу струму тривалістю ˜(10-100) нс. Існує два типи СУМ - на основі проміжного ємнісного накопичувача або з використанням індуктивного накопичувача. Щільність енергії в індуктивних накопичувачах у десятки разів вища, ніж у ємнісних. Однак вони вимагають використання сильноточних швидкодіючих розмикачів струму, що перемикають генератор на навантаження, що є серйозною науково-технічною проблемою.

Простіші у реалізації СУМи на основі одиночної (або подвійної) формуючої лінії коаксіального типу, заповнених гліцерином (відносна діелектрична проникність ε=44) або деіонізованою водою (ε=81). У цих середовищах можна на час заряду отримати досить високе значення напруженості електричного поля, а отже (з урахуванням досить великого значення високочастотної діелектричної проникності ε) і високу щільність енергії, що забезпечує отримання короткого і потужного електричного імпульсу.

Метою винаходу є модифікації поверхні електропровідних об'єктів.

Поставлена ​​мета досягається тим, що в способі модифікації струмопровідних тіл шляхом порушення електричного струму змінним електромагнітним полем новим є те, що для модифікації поверхні використовуються потужні одиночні імпульси струму наносекундного діапазону тривалості.

З огляду на те, що з рівня техніки невідомі способи модифікації поверхні, засновані на використанні потужних наносекундних імпульсів струму, воно відповідає критерію "новизна".

Зважаючи на те, що винахід, що заявляється, очевидним чином не випливає з аналогів і прототипу, він відповідає критерію "винахідницький рівень".

Як буде показано нижче, через високе розрахункове значення швидкості охолодження і очікуваної порівняно низької питомої вартості, область промислового застосування винаходу може бути досить широкою. Відповідно заявляється винахід відповідає критерію "промислова застосовність".

Перелік фігур креслень

На фіг.1 представлені результати розрахунку проходження імпульсу струму амплітудою 240 кА і тривалістю 40 нс за мідним циліндричним зразком діаметром 1 мм. Представлені графіки залежностей від часу сили струму - I, поточного через зразок, температури поверхні зразка - Т, радіуса фазового переходу (плавлення) - R m та швидкості зміни температури з моменту плавлення - dT/dt.

На фіг.2 показана мікрофотографія поверхні мідного циліндричного зразка довжиною 10 мм і діаметром 0,8 мм, обробленого імпульсом струму за заявляється способу. Зображення поверхні отримано в електронному мікроскопі Hitachi S-3500.

На фіг.3 показані мікрофотографії однієї і тієї ж ділянки поверхні циліндричного зразка нітінолу (NuTi) діаметром 1,0 мм, обробленого імпульсом струму за заявляється способу. На фіг.3а показана поверхня зразка у вихідному стані. а на фиг.3b - після обробки. зображення поверхні отримано в електронному мікроскопі Hitachi S-3500.

Відомості, що підтверджують можливість здійснення винаходу.

Для поверхневої модифікації металів можуть бути використані генератори імпульсів струмів (ГІТ) наносекундної 20...100 нс тривалості та амплітудою струму 100 кА. Як правило, такі генератори виконані на основі одиночної (подвійної) формують ліній (ФО) коаксіального типу, заповнених гліцерином або деіонізованою водою. Застосування цих ліній у конструкціях ГІТ обумовлено такими факторами:

1. Тривалість імпульсу струму визначається електричною довжиною ФО і легко може змінюватися за рахунок використання або додаткових відрізків ФО, або ФЛ різної електричної довжини.

2. Час наростання імпульсу струму в генераторі істотно залежить від індуктивності розрядного контуру, в основному визначається закорочує розрядником і, значною мірою, висотою останнього. При установці в лінію багатоканального розрядника, що закорочує, зі струмом через кожен канал ˜10 кА замість одноканального можна зменшити тривалість фронту імпульсу струму.

3. У разі електричного пробою в лінії рідкий діелектрик не втрачає своїх електроміцності і може бути використаний надалі.

Як приклад реалізації наведемо результати розрахунків, виконаних для мідного циліндра діаметром 1 мм, початкова температура Т 0 =300 К. Параметри імпульсу струму вибиралися таким чином, щоб забезпечити глибину оплавлення ˜1÷10 мкм.

Отримано, що з мідного зразка при амплітуді імпульсу струму I=240 кА та її тривалості t 0 =40 нс товщина проплавленого шару становила 9 мкм. Процес розігріву тривав 0,1 мкс, процес охолодження 1 мкс. Максимальний розігрів досяг 1953 До (при температурі плавлення та випаровування міді відповідно 1356 До і 2868 До). Максимальна швидкість охолодження склала величину T = 1,8 · 1011 К/с.

Результати розрахунків підтверджуються експериментально, як показано на фіг.2 для мідного зразка діаметром 0,8 мм, і на фіг.3 для зразка з нітилону діаметром 1 мм, які були оброблені за методом, що заявляється. Плавлення поверхневого шару є очевидним.

Таким чином, на основі заявляється способу можлива розробка промислових установок, що забезпечують термічну обробку поверхні виробів.

Джерела інформації

1. Surface Engineering, Euromat-99, Vol. 11, ed. H.Dimigen, Willey-VCH, Німеччина (2000) 539 грн.

2. В.П.Алехін, В.А.Хонік, Структура та фізичні закономірності деформації аморфних сплавів. М: Металургія, 1992, 248с.

3. А.І.Манохін, Б.С.Мітін, В.А.Васильєв, А.В.Ревякін, Аморфні сплави. М: Металургія, 1992, 160с.

4. E.M.Breinan, Phys.Today V.29 (1976) рр.45-51.

5. A. Inoue, Bulk Amorphous Alloys, Practical Characteristics and Applications, Trans.Tech.Pub., Swizerland (1999) 146p.

7. I.R. Journal of Materials Processing Technology, 139 (2003) pp.585-588.

8. G.W.Stachowiak and A.W.Batchelor, Surface hardening and deposition of coatings on metals by mobile source of localized electrical resistive heating. Journal of Materials Processing Technology, 57 (1996) pp.288-297.

Міністерство освіти та науки Російської Федерації

ФДАОУ ВПО "Уральський федеральний університет імені першого Президента Росії Б.М. Єльцина"

Кафедра "Термообробка та фізика металів"

"Класифікація покриттів за функціональними властивостями та способом нанесення"

Викладач:

доц., к.х.н. Россіна Н.Г.

Студент: Трапезніков О.І.

Група: Мт 320701

Єкатеринбург 2015

Вступ

Класифікація покриттів та методів їх отримання

1 Зміна фізико-хімічних властивостей поверхонь при нанесенні покриттів

2 Внутрішні покриття

3 Зовнішні покриття

4 Підготовка поверхні при нанесенні покриттів

Хімічні та електрохімічні методи нанесення покриттів

1 Класифікація хімічних та електрохімічних покриттів

2 Сутність методу хімічного нанесення покриттів

3 Нанесення покриттів на виріб

Вакуумне конденсаційне нанесення покриттів

Нанесення покриттів наплавленням концентрованими джерелами тепла

1 Класифікація наплавлених покриттів

2 Області застосування наплавлення

Нанесення покриттів плакуванням

Газотермічні методи нанесення покриттів

1 Класифікації методів

Плазмове напилення покриттів

1 Переваги та недоліки методу плазмового напилення

Газополум'яне напилення покриттів

Висновок

Вступ

Покриття, які має сучасна техніка, дуже різноманітні як за властивостями, так і за способами отримання. Застосування захисних, захисно-декоративних та спеціальних покриттів дозволяє вирішувати багато завдань. Вибираючи матеріал покриттів, умови їх нанесення, комбінуючи металеві та неметалічні покриття, можна надавати поверхні виробів різного кольору та фактури, необхідні фізико-механічні та хімічні властивості: підвищену твердість та зносостійкість, високу відбивну здатність, покращені антифрикційні властивості, поверхневу електропровідність тощо. . Але оптимальний вибір покриттів чи способів їх обробки неможливий без всебічного обліку їх властивостей та особливостей отримання.

Технологія покриттів, поряд з іншими наукомісткими та енергозберігаючими галузями промисловості, є одним із основних напрямків розвитку сучасного виробництва передових країн світової спільноти.

В даний час продовжується вдосконалення та пошук нових методів нанесення покриттів. Вивчення методів нанесення покриттів, їх різновидів; термодинаміки процесів при створенні покриттів різного типу на металевих та неметалічних поверхнях; будови, структури та експлуатаційних властивостей покриттів; основного обладнання для газотермічного та електротермічного нанесення покриттів на металопродукцію

Вивчення методів підвищення якості виробів формуванням багатошарових та армованих покриттів; метрологічного контролю технологічних параметрів формування та його властивостей.

Роль та місце покриттів у сучасному виробництві

Покриття - це одна або багатошарова структура нанесена на поверхню для захисту від зовнішніх впливів (температури, тиску, корозії, ерозії тощо).

Розрізняють зовнішні та внутрішні покриття.

Зовнішні покриття мають межу між покриттям та поверхнею виробу. Відповідно розмір виробу збільшується на товщину покриття, при цьому зростає маса виробу.

У внутрішніх покриттях відсутня межа розділу та розміри та маса виробу залишаються незмінними, при цьому змінюються властивості виробу. Внутрішні покриття називають модифікуючими покриттями.

Розрізняють дві основні завдання, які вирішуються при нанесенні покриття

Зміна вихідних фізико-хімічних властивостей поверхні виробів, які забезпечують задані умови експлуатації;

Відновлення властивостей, розмірів, маси поверхні виробу, порушених умовами експлуатації.

Призначення та сфери застосування покриттів

Основною причиною появи та розвитку технології нанесення захисних покриттів стало прагнення підвищити довговічність деталей та вузлів різних механізмів та машин. Оптимізація системи покриття передбачає відповідний вибір складу покриття, його структури, пористості та адгезії з урахуванням як температури нанесення покриття, так і робочої температури, сумісності матеріалів підкладки та покриття, доступності та вартості матеріалу покриття, а також можливості його поновлення, ремонту та належного догляду під час експлуатації.

Застосування недостатньо міцного покриття, товщина якого за час роботи помітно зменшується, може призвести до зниження міцності всієї деталі внаслідок зменшення ефективної площі повного поперечного перерізу. Взаємна дифузія компонентів з підкладки покриття і навпаки може призвести до збіднення або збагачення сплавів одним з елементів. Термічний вплив може змінити мікроструктуру підкладки та викликати появу у покритті залишкових напруг. З урахуванням всього перерахованого оптимальний вибір системи повинен забезпечувати її стабільність, тобто збереження таких властивостей, як міцність (у її різних аспектах), пластичність, ударна в'язкість, опір втоми та повзучості після будь-якого впливу. Найбільший вплив на механічні властивості надає експлуатація в умовах швидкого термоциклювання, а найбільш важливим параметром є температура і час її впливу на матеріал; взаємодія з навколишнім робочим середовищем визначає характер та інтенсивність хімічного впливу.

Механічні способи з'єднання покриття з підкладкою часто не забезпечують потрібної якості зчеплення. Набагато найкращі результати зазвичай дають дифузійні методи з'єднання. Хорошим прикладом вдалого дифузійного покриття є алітування чорних та кольорових металів.

1. Класифікація покриттів та методів їх отримання

В даний час існують багато різноманітних покриття та методи їх отримання.

Багато публікаціях пропонуються різні схеми класифікації неорганічних покриттів за різними ознаками. Можна класифікувати покриття за такими основними принципами:

За призначенням (антикорозійні або захисні, жаростійкі, зносостійкі, антифрикційні, світловідбивні, декоративні та інші);

За фізичними або хімічними властивостями (металеві, неметалічні, тугоплавкі, хімостійкі, світловідбивні і т.д.);

За природою елементів (хромова, хромоалюмінієва, хромокремнієва та інші);

За природою фаз, що утворюються в поверхневому шарі (алюмінідні, силіцидні, боридні, карбідні та інші)

Розглянемо найважливіші покриття, класифіковані за призначенням.

Захисні покриття - основне призначення пов'язані з їх різноманітними захисними функціями. Велике поширення набули корозійностійкі, жаростійкі та зносостійкі покриття. Широко застосовуються також теплозахисні, електроізоляційні покриття, що відбивають.

Конструкційні покриття та плівки - виконують роль конструктивних елементів у виробах. Особливо широко також використовуються при виробництві виробів у приладобудуванні, радіоелектронної апаратури, інтегральних схем, в турбореактивних двигунах - у вигляді ущільнень, що спрацьовуються в турбіні і компресорі та ін.

Технологічні покриття - призначаються полегшення технологічних процесів під час виробництва виробів. Наприклад, нанесення припоїв при паянні складних конструкцій; виробництві напівфабрикатів у процесі високотемпературного деформування; зварювання різноманітних матеріалів і т.д.

Декоративні покриття - виключно широко застосовуються при виробництві побутових виробів, прикрас, підвищенні естетичності промислових установок та приладів, протезуванні у медичній техніці та ін.

Відновлювальні покриття - дають величезний економічний ефект при відновленні зношених поверхонь виробів, наприклад, гребних валів у суднобудуванні; шийок колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння; лопаток у турбінних двигунах; різного різального та пресового інструменту.

Оптичні покриття - зменшують відбивну здатність порівняно з масивними матеріалами, переважно завдяки геометрії поверхні. Профілеметрування показує, що поверхня деяких покриттів є сукупністю шорсткості, висота яких коливається від 8 до 15 мкм. На окремих макронерівності формуються мікронерівності, висота яких коливається від 0,1 до 2 мкм. Таким чином, висота нерівностей можна порівняти з довжиною хвилі падаючого випромінювання. Відображення світла від такої поверхні відбувається відповідно до закону Френкеля.

У літературних джерелах трапляються різні принципи класифікації методів нанесення покриттів. Хоча треба сказати, що єдиної системи класифікації методів нанесення покриттів немає. Хокінг та низка інших дослідників запропонували три класифікації методів нанесення покриттів:

За фазовим станом середовища, з якого відбувається осадження матеріалу покриття;

За станом матеріалу, що наноситься;

За станом процесів, що визначають одну групу методів

нанесення покриттів.

Докладніше класифікації методів нанесення покриттів представлені у таблиці 1.

Таблиця 1 Переваги та недоліки різних методів нанесення покриттів

МетодВартостіНедолікиPVDУніверсальність; можуть осідати всі тверді елементи і матеріали. Можливе отримання тонких плівок та досить товстих покриттів. Існують різні модифікації методу. Н = 5-260 мкм. Можливе нанесення покриттів тільки на видиму частину поверхні. Погана здатність, що розсіює. Дороге обладнання. CVD Конкурує з методом фізичного осадження. Можуть наноситися елементи та сполуки хімічно активні та у пароподібному стані. Хороша здатність, що розсіює. Н = 5-260 мкм. Важливу роль відіграє джерело нагріву. Осідання зазвичай проводиться при вищих температурах, ніж методі фізичного осадження. Можливий перегрів підкладки. Можливе небажане пряме осадження. Дифузійне осадження з твердої фази Хороша однорідність та малі розмірні допуски покриття. Висока економічна ефективність процесу. Найбільш поширені матеріали покриття Al та Cr. Висока жорсткість покриття. Н = 5 - 80 мкм. Обмежені розміри підкладки. Не застосовується для чутливих до високої температури підкладок. Більш тонкі, ніж за інших дифузійних методів, покриття. Можливе крихтіння покриттів. Напилення Можливість контролю умов напилення та якості матеріалу, що наноситься в ході процесу. Можливість одержання товстих однорідних покриттів. H = 75 – 400 мкм. Якість залежить від кваліфікації оператора. Підкладка повинна бути стійкою до нагрівання та ударної дії. Покриття пористі з грубою поверхнею та можливими включеннями.Плакування Можливе нанесення товстих покриттів. Можна обробляти великі підкладки. Н = 5 - 10% товщини підкладки Можливе жолоблення підкладки. Підходить для жорстких підкладок. Електроосадження (включаючи хімічне та електрофорез) Економічно ефективний процес при використанні водних електролітів. Можливе нанесення дорогоцінних металів та тугоплавких покриттів із розплавів солей. Використовується для промислового одержання керметів. Хімічне осадження та електрофорез застосовні лише для деяких елементів та типів підкладок. Н = 0.25 - 250 мкм. Потрібна ретельна розробка обладнання для забезпечення хорошої здатності, що розсіює. Застосування як електролітів розплавів солей вимагає жорсткого контролю для запобігання попаданню вологи та окислення. Шкідливі пари над розплавом. Покриття можуть бути пористими та у напруженому стані. Обмежений особливими областями високих температур. Гаряче занурення Щодо товсті покриття. Метод швидкого нанесення покриттів. Н = 25 – 130 мкм. Обмежений лише нанесенням А1 для отримання високотемпературних покриттів. Покриття можуть бути пористими та несуцільними.

Таблиця 2. Класифікація методів нанесення покриттів за фазовим станом середовища

Твердий станМеханічні з'єднання Плакування СпіканняРідкий станГаряче занурення Напилення НаплавкаНапіврідкий або пастоподібний станЗоль-гель процес Шлікерний НапайкаГазове середовище (атомне, іонне або електронне взаємодія)Фізичне осадження парової фази

Таблиця 3. Класифікація методів нанесення покриттів за станом процесів, що визначають одну групу методів

МеханіческіеПлакірованіе СоедіненіеФізіческіеФізіческое осадження з газової фази Вакуумні покриття Термічне випаровування Розпилення Іонне осажденіеХіміческіеХіміческое осадження з газової фази Осадження з електроліту без накладення електричного поляЕлектрохіміческіеВ воднихрастворах В розплавах солейНапиленіеДетонаціонной гарматою Електричної дугою Металлизация Плазмове Газополум'яне з використанням проволокіНаплавкаЛазерная Ручний електрозварюванням Зварюванням в інертному газі Кислородно-ацетиленового зварюванням В плазмової дузі Плазмовим зварюванням Сплавленням при напиленні Дугою під шаром флюсу Інший між вольфрамовими електродами в інертному середовищі

Таблиця 4. Класифікація методів за станом матеріалу і способів виготовлення, що наноситься

Група 1 Атомний або іонний стан Вакуумні методи: Вакуумне випаровування Осадження з іонного пучка Епітаксіальне осадження з молекулярного пучка Плазмові методи: Розпорошення (іонне, магнетронне) Іонне осадження Полімеризація плазми Активоване реакційне випаровування розкладання Плазмове осадження Піроліз при розпилюванні осадження з електроліту: Гальваностегія Хімічне осадження осадження з розплавлених солей Хімічне замещеніеГруппа 2 МакрочастіциУдарние методи Сплавлення: Фарбування товстими шарами Емалювання Електрофорез Термічні методи: Газополум'яне розпорошення Плазмове розпорошення Детонаційне розпорошення Золь-гель процессГруппа 3 Масивний матеріалВнешніе покриття: Наплавлення Плакування: Вибуховою прокаткою Лазерне плавлення Змочування: Забарвлення пензлем Гаряче занурення Електростатичні методи: Спин-покриття Нанесення малюнка розпиленнямГруп а 4 Модифікація структури поверхніЛазерна модифікація поверхні Термообробка Іонна імплантація Поверхневе легування: Дифузія з об'єму Розпилення Вилужування Хімічна конверсна рідкопарова дифузія (нагрів, плазма) Електролітичне анодування Термообробка в розплавлених солях Механічні

1.1 Зміна фізико-хімічних властивостей поверхонь під час нанесення покриттів

Поверхневий шар (покриття) відіграє визначальну роль у формуванні експлуатаційних та інших властивостей виробів, створення на поверхні твердого тіла практично завжди змінює фізико-хімічні властивості в потрібному напрямку. Нанесення покриттів дозволяє відновити раніше втрачені властивості у процесі експлуатації виробів. Однак найчастіше змінюють властивості вихідних поверхонь виробів, отримані у процесі виробництва. В цьому випадку властивості матеріалу поверхневого шару суттєво відрізняються від властивостей вихідної поверхні. У переважній більшості змінюється хімічний і фазовий склад новоствореної поверхні, в результаті одержують вироби з необхідними експлуатаційними характеристикаминаприклад високою корозійною стійкістю, жаростійкістю, зносостійкістю і багатьма іншими показниками.

Зміна фізико-хімічних властивостей вихідних поверхонь виробів може бути здійснено створенням внутрішніх, так і зовнішніх покриттів. Можливі та комбіновані варіанти (рис. 1).

покриття хімічний вакуумний плакування

При нанесенні внутрішніх покриттів зберігаються незмінними розміри виробів (L і = Const). Деякі методи забезпечують і сталість маси виробу, в інших методах - збільшення маси мізерно мало і їх можна знехтувати. Як правило, відсутня чітка межа модифікованого поверхневого шару ( ?м ? const). При нанесенні зовнішніх покриттів розмір виробу збільшується (L і ?const) на товщину покриття ( ?пк ). Зростає маса виробу. Насправді зустрічаються і комбіновані покриття. Наприклад, при нанесенні теплозахисних покриттів, що відрізняються підвищеною кількістю несплошностей у зовнішньому шарі, жаростійкість забезпечується за рахунок безпористого внутрішнього покриття.

1.2 Внутрішні покриття

Внутрішні покриття створюються у різний спосібна поверхню вихідного матеріалу (модифікування вихідних поверхонь). На практиці широко використовуються такі методи впливу: механічні, термічні, термодифузійні та високоенергетичні з проникаючими потоками частинок та випромінювань.

Зустрічаються і комбіновані методи впливу, наприклад термомеханічні та ін У поверхневому шарі відбуваються процеси, що призводять до структурної зміни вихідного матеріалу на глибину від нанометрового діапазону до десятих часток міліметра і більше.

Залежно від методу впливу протікають такі процеси:

зміна зеренної будови матеріалу;

Спотворення кристалічних ґрат, зміна її параметрів і типу;

руйнування кристалічних ґрат (аморфізація);

зміна хімічного складу та синтезування нових фаз.

1.3 Зовнішні покриття

Практичне значеннязовнішніх покриттів дуже велике. Нанесення зовнішніх покриттів дозволяє не тільки вирішувати завдання зміни фізико-хімічних властивостей вихідних поверхонь, але також відновлювати їх після експлуатації.

Механізм та кінетика формування наведені на рис. 3. Зовнішні покриття часто виконують роль конструкційного елемента, наприклад, покриття - плівки при виробництві інтегральних схем. На цей час розроблено велику кількість методів нанесення покриттів різного призначення з багатьох неорганічних матеріалів.

Для аналізу фізико-хімічних процесів, пов'язаних з нанесенням покриттів, їх доцільно систематизувати за умовами формування можливим виділити такі групи покриттів, що формуються на твердій поверхні: твердофазні, рідкофазні, порошкові та атомарні.

1.4 Підготовка поверхні під час нанесення покриттів

Підготовка поверхні визначає основний показник якості - міцність зчеплення покриття з основним матеріалом виробу або адгезійну міцність. Деякий виняток становлять покриття, що формуються на розплавленій поверхні, наприклад, при наплавленні покриттів концентрованими джерелами теплоти. Проте й у разі забруднені поверхні негативно впливають властивості матеріалу покриття. Спостерігається його охрупчивание, зростає схильність до утворення дефектів: тріщин, пористості та інших. У зв'язку з цим підготовка поверхні представляє ключову операцію у процесі нанесення будь-яких покриттів.

При підготовці поверхні повинні бути вирішені два найважливіші завдання:

) видалення з поверхні адсорбованих речовин – забруднень;

) активування поверхні.

Видалення забруднень та активація поверхні можуть здійснюватися як у єдиному технологічному процесі, так і окремо. Принципово будь-яке видалення фізично чи хімічно адсорбованих речовин із поверхні вже активує цю поверхню.

Відновлюються обірвані зв'язки поверхневих атомів, їх асиметрія і відповідно підвищується рівень поверхневої енергії. Найбільший ефект під час підготовки поверхні досягається, коли поруч із видаленням забруднень відбувається максимально висока її активація. У реальних технологічних процесах така підготовка поверхні не завжди можлива. Зазвичай використовують дво- чи тристадійну роздільну підготовку. Кінцева стадія переважно спрямовано активацію поверхні до її максимальних значень.

У практиці нанесення покриттів знайшли застосування такі основні методи підготовки поверхні виробів: миття холодною або гарячою водою; знежирення; травлення; механічний вплив; термічний та хіміко-термічний вплив; електрофізичний вплив; вплив світловими потоками; зневоднення.

2. Хімічні та електрохімічні методи нанесення покриттів

Отримання покриттів з розчинів хімічними та електрохімічними методами є класичним прикладом процесів, що дозволяють простежити у відносно чистому формування шарів, що наносяться шляхом послідовного приєднання атомів до поверхні покривається виробу при її взаємодії з іонно-реакційним середовищем.

Існують стандартні визначення способів отримання покриттів, що здійснюються з водних розчинів електролітів (ГОСТ 9.008-82).

Хімічний спосіб отримання покриттів - це одержання металевого або неметалічного неорганічного покриття у розчині солей без електричного струму від зовнішнього джерела. Прикладами отримання покриттів хімічним способом є: для металевих покриттів, отриманих відновленням - нікелювання" міднення, сріблення та ін; для неметалічних покриттів, отриманих окисленням - оксидування, фосфатування. хроматування та ін. Останні застосовують також для додаткової обробкипокриття.

p align="justify"> Електрохімічний спосіб отримання покриття - це отримання металевого або неметалевого неорганічного покриття в електроліті під дією електричного струму від зовнішнього джерела.

Катодне відновлення металу - це електрохімічний спосіб одержання металевого покриття на металі, що є катодом.

Анодне окиснення - це електрохімічний спосіб отримання неметалічного неорганічного покриття на металі, що є анодом.

Контактний Спосіб отримання покриття - це отримання покриття з розчину солей металу, що наноситься зануренням покривається, металу, що знаходиться в контакті з більш електронегативним металом.

2.1 Класифікація хімічних та електрохімічних покриттів

Хімічні та електрохімічні покриття можна класифікувати виходячи з наступних основних принципів:

За способом одержання (хімічне, електрохімічне, гальванічне, катодне, анодно-окисне та контактне);

По виду матеріалу, що наноситься (металеве, неметалеве і композиційне);

За вимогами, що пред'являються до покриття (захисне, захисно-декоративне, декоративне, спеціальне);

По відношенню до зовнішнього хімічно активного середовища (катодне, анодне, нейтральне);

За конструкцією покриття (одношарове, багатошарове).

2.2 Сутність методу хімічного нанесення покриттів

Покриття, отримані хімічним способом, відрізняються меншою пористістю, ніж нанесені гальванічним способом при однаковій товщині, і високою рівномірністю.

Хімічне осадження металів є процес відновлення, що протікає за рівнянням:

Меz+ + Ze?

де Ме z+ - Іони металу, що знаходяться в розчині; z – валентність металу; Ze-кількість електронів; Ме – метал покриття.

Іони металу, що знаходяться в розчині (Ме z+ ) з'єднуються (залежно від валентності) з відповідною кількістю електронів (Ze) і перетворюються на метал (Me).

У разі хімічного осадження необхідні електрони утворюються в результаті хімічного процесу, що відбувається у розчині, що застосовується для одержання покриття. При гальванічному осадженні необхідні відновлення іонів металу електрони поставляються зовнішнім джерелом струму .Залежно від хімічного процесу, що відбувається під час осадження покриття, розрізняють такі методи.

Контактний метод (занурення), при якому покривається метал занурюється в розчин, що містить сіль більш електропозитивного металу, і покриття в цьому випадку осаджується за рахунок різниці потенціалів, що виникає між металом, що покривається, і іонами, що знаходяться в розчині. Контактно-хімічний метод (внутрішнього електролізу), при якому осадження проводиться за рахунок різниці потенціалів, що виникає при контактуванні металу, що покривається, з більш електронегативним металом в процесі занурення в розчин солі металу, яким здійснюють покриття. Метод хімічного відновлення, при якому покривається метал занурюють в розчин, що містить сіль осаджуваного металу, буферуючі і комплексоутворюючі добавки і відновник, при цьому іони металу, що осаджується, відновлюються в результаті взаємодії з відновником і осаджуються на покривається металі, причому дана реакція протікає, що є каталітичною для даного процесу.

2.3 Нанесення покриттів на виріб

Застосовуване на вітчизняних або зарубіжних підприємствах технологічне обладнання для осадження покриттів хімічним відновленням конструюють, виходячи з конкретних виробничих завдань: великі деталі завішують у ванни за допомогою спеціальних пристроїв, дрібні покривають насипом у барабанах, труби (прямі або змійовики) - на установках, що забезпечують розчину через внутрішні порожнини, і т. д. Найчастіше установки для хімічного нанесення розташовують в гальванічних цехах, що дає можливість використовувати обладнання для знежирення, ізоляції, травлення, промивання, сушіння і термообробки деталей.

Спрощена схема апарату нанесення хімічних покриттів представлена ​​на рис. 4.

Хімічне нанесення покриттів здійснюють у непроточних чи проточних розчинах. В одних випадках розчин після обробки в ньому 1 - 2 партій деталей виливають та замінюють свіжим; в інших розчин фільтрують, коригують та використовують багаторазово. Установка для одноразового покриття деталей в непроточному розчині зазвичай має зварену залізну або фарфорову ванну, яку вставляють в ємність більшого розміру - термостат. Простір між стінками обох ванн заповнюють водою або олією, які нагрівають електронагрівальними приладами або гострим паром. Зовні термостат має теплоізоляційний шар (наприклад, листового азбесту, на який надівають кожух). У ванну поміщають контактний термометр з терморегулятором, що забезпечує підтримку необхідної температури робочого розчину.

3. Вакуумне конденсаційне нанесення покриттів

У методах і технологічних особливостях вакуумного нанесення конденсаційного покриттів (ВКНП) зустрічається багато спільного, у зв'язку з цим доцільно розглянути узагальнену схему процесу. Узагальнена схема процесу вакуумного нанесення конденсаційного покриттів представлена ​​на рис. 5.

Відомо, що покриття при вакуумному конденсаційному нанесенні формуються з потоку частинок, що знаходяться в атомарному, молекулярному або іонізованому стані. У покриття переходять нейтральні та збуджені частинки (атоми, молекули, кластери) з нормальною та високою енергією та іони з широким діапазоном енергій. Потік частинок одержують випаром або розпорошенням матеріалу за допомогою впливу на нього різними енергетичними джерелами. Потоки частинок матеріалу, що наноситься отримують методом термічного випаровування, вибухового випаровування - розпилення та іонним розпиленням твердого матеріалу. Процес нанесення проводять у герметичних жорстких камерах при тиску 13,3 - 13,3 10-3Завдяки цьому забезпечують необхідну довжину вільного пробігу частинок і захист процесу від взаємодії з атмосферними газами. Перенесення частинок у напрямку поверхні конденсації здійснюється в результаті різниці парціальних тисків парової фази. Найбільш високий тиск пари (13,3Па і більше) поблизу поверхні розпилення (випаровування) зумовлює переміщення частинок у напрямку поверхні виробу, де тиск парів мінімальний. Інші сили перенесення діють у потоці частинок в іонізованому стані; іонізовані частинки мають більшу енергію, що полегшує формування покриттів.

Методи вакуумного конденсаційного нанесення класифікують за різними ознаками:

За способами отримання потоку пари з матеріалу покриття та формування частинок: термічним випаром матеріалу з твердого або розплавленого стану, вибуховим (інтенсифікованим) випаром - розпорошенням; іонним розпорошенням твердого матеріалу;

За енергетичним станом частинок: нанесення нейтральними частинками (атомами, молекулами) з різним енергетичним станом; іонізованими частинками, іонізованими прискореними частинками (в реальних умовах в потоці присутні різні частки);

За взаємодією частинок із залишковими газами камери: нанесення в інертному розрідженому середовищі або високому вакуумі (13,3 МПа); та в активному розрідженому середовищі (133 - 13,3 Па).

Введення в камеру активних газів дозволяє перейти до способу реакційного вакуумного нанесення покриттів. Частинки у потоці чи поверхні конденсації вступають у хімічну взаємодію Космосу з активними газами (киснем, азотом, оксидом вуглецю та інших.) і утворюють відповідні сполуки: оксиди, нітриди, карбіди та інших.

Класифікацію вакуумного конденсаційного нанесення покриттів показано на рис. 6. Вибір методу та його різновидів (спосіб) визначається вимогами, що пред'являються до покриття з урахуванням економічної ефективності, продуктивності, простоти управління, автоматизації та ін Найбільш перспективні способи вакуумного конденсаційного нанесення з іонізацією потоку напилюваних частинок (стимулювання плазмою); часто ці способи називають іонно-плазмовими.

До виробів, отриманих вакуумними конденсаційними методами, висувають такі основні вимоги:

Відповідність розмірів вимогам, що висуваються сучасною промисловістю;

Невисокий тиск насиченої пари матеріалу виробу при температурі процесу;

Можливість нагрівання поверхні підвищення адгезійної міцності покриттів.

Вакуумне конденсаційне нанесення покриттів широко застосовують у різних галузях техніки. Вакуумним реакційним процесом створюються зносостійкі покриття на вироби різного призначення: парах тертя, пресовому та ріжучому інструменті та ін.

Вакуумне конденсаційне нанесення дозволяє одержувати покриття з високими фізико-механічними властивостями; із синтезованих сполук (карбідів, нітридів, оксидів та ін); тонкі та рівномірні; із використанням широкого класу неорганічних матеріалів.

Технологічні процеси, пов'язані з вакуумним конденсаційним нанесенням, не забруднюють довкілля та не порушують екологію. Щодо цього вони вигідно відрізняються від хімічних та електрохімічних методів нанесення тонких покриттів.

До недоліків методу вакуумного конденсаційного нанесення слід віднести невисоку продуктивність процесу (швидкість конденсації близько 1 мкм/хв), підвищену складність технології та обладнання, низькі показники енергетичних коефіцієнтів розпилення, випаровування та конденсації.

Процес вакуумного конденсаційного нанесення покриттів доцільно розглядати таким, що складається з трьох стадій:

Перехід конденсованої фази (твердої або рідкої) в газоподібну (пар);

Формування потоку та перенесення частинок на поверхню конденсації;

Конденсація пари на поверхні виробу - формування покриття.

Для отримання якісних покриттів необхідне гнучке керування процесами у вигляді створення оптимальних умов їх протікання.

4. Нанесення покриттів наплавленням концентрованими джерелами тепла

Нанесення покриттів наплавленням концентрованими джерелами теплоти проводиться у вигляді окремих проходів, кожен з яких формує валик з розплавленого матеріалу шириною b. Перекриття валиків ?b зазвичай становить (1/4 - 1/3)3. Матеріал покриттів складається з розплавленого основного матеріалу та присадного, який подається у ванну. Якщо основний матеріал не розплавляється, то наплавлений валик формується тільки з матеріалу присади, в цьому випадку частка основного матеріалу у формуванні наплавленого покриття дорівнює нулю. Найбільшого поширення набули способи наплавлення концентрованими джерелами теплоти з невеликим розплавленням основного матеріалу заввишки h n . Висота валика наплавленого шару h н зазвичай становить 2 – 5 мм. При перекритті валиків утворюються поздовжні канавки (нерівності) завглибшки 1 - 2 мм.

Знаючи хімічний склад основного та присадного матеріалу та частки їх участі у формуванні матеріалу покриття, можна визначити хімічний склад наплавленого шару.

Під впливом концентрованого джерела теплоти основний матеріал локально нагрівається, особливо в його розплавленні. Тепловий потік відводиться в основний матеріал утворюючи в ньому зону термічного впливу (ЗТВ). У високотемпературній області ЗТВ, як правило, спостерігається зростання зерна, утворюється загартована структура, гарячі та холодні тріщини. У практиці наплавлення прагнуть мінімальної протяжності ЗТВ.

Під впливом джерела теплоти відбувається витіснення розплавленого металу з ванни окремими порціями, які в процесі кристалізації і утворюють валик наплавленого матеріалу. Процес кристалізації йде з урахуванням оплавлених зерен основного матеріалу, головна вісь кристаллітів орієнтована відповідно до напрямом відведення теплоти в основний матеріал. При кристалізації можливе утворення дефектів: гарячих і холодних тріщин, пористості, шлакових включень та ін. Мінімальна товщина покриття 1 - 2 мм може бути досягнута лише за умови використання прецизійних технологій. Для наплавлення покриттів в основному застосовують металеві матеріали, іноді розплавлений метал вводять різні тугоплавкі неметалеві з'єднання.

4.1 Класифікація наплавлених покриттів

Класифікація наплавлених покриттів здійснюється за різними ознаками. Найбільш доцільно класифікувати за:

концентрованих джерел теплоти;

характер захисту розплавленого металу;

ступеня механізації.

За джерелами теплоти наплавлення покриттів поділяють на:

газополум'яну;

плазмову;

світлопроменеву;

електронно-променеву;

індукційну;

електрошлакову.

За характером захисту розплавленого металу розрізняють: наплавлення з шлаковим, газовим та газошлаковим захистом. За ступенем механізації змінюють ручну та механізовану наплавку з елементами автоматизації.

4.2 Області застосування наплавлення

Наплавлення концентрованими джерелами теплоти застосовують для відновлення зношених поверхонь, покриття при цьому зазвичай дають високий економічний ефект. Однак наплавлення може бути використана і при створенні вихідних поверхонь нових виробів з широким діапазоном фізико-хімічних властивостей, наприклад, при створенні вихлопних клапанів у двигунах внутрішнього згоряння, при виробництві бурового інструменту та ін.

Особливо доцільно застосовувати наплавку для створення зносостійких поверхонь в парах тертя, причому мінімальний знос може бути досягнутий завдяки підвищенню твердості в наплавленому шарі, так і зниження коефіцієнта тертя. Відомий великий економічний ефект під час створення ріжучого інструменту. Швидкорізальну сталь у наплавленому покритті отримували аргонодуговой наплавкою з подачею дроту присадки з вольфрамомолібденових сплавів з підвищеними вмістом вуглецю (0,7 - 0,85 мас. %). Для наплавлення важко навантажених штампів при гарячому штампуванні використовували покриті електроди, наприклад, ЦІ-1М (тип ЕН - 80В18Х4Ф - 60, тип F). Широко застосовується наплавлення зносостійких покриттів під час виробництва землерийної техніки. У цілому нині методи наплавлення високоефективні, до недоліків можна віднести:

велику товщину шару, що наплавляється (за деяким винятком);

наявність протяжної зони термічного впливу в основному матеріалі;

високу шорсткість поверхні, що потребує подальшої механічної обробки;

обмежене коло матеріалів, що наплавляються, в основному металевих.

5. Нанесення покриттів плакуванням

Плакування включає широке коло методів нанесення покриттів. До них відносяться:

Вибуховий ударний;

Магнітний ударний;

Гаряче ізостатичне пресування, або плакування;

Одержання механічного зв'язку екструзією.

При подібній класифікації методи плакування та методи з утворенням дифузійного зв'язку дещо перекриваються. Методи плакування класифікуються за швидкістю утворення зв'язку між покриттям та підкладкою:

1. Дуже швидкі процеси (плакування вибухом, ударне електромагнітне);

Помірно швидкі процеси (прокатка, екструзія);

Повільні процеси (дифузійне зварювання, гаряче ізостатичне пресування).

Найчастіше плакування використовується покриття залізних сплавів сплавами з урахуванням нікелю. Менш поширене плакування стали кобальтом в основному через великі витрати.

Серед методів плакування найбільш широко, мабуть, застосовуються методи прокатки та екструзії. Отримання покриттів за допомогою вибуху було відкрито випадково у 1957 р. Гаряче ізостатичне пресування та отримання покриттів за допомогою електромагнітного удару відносно нові методи. Покриття з дифузійним зв'язком були розроблені на початку XX століття з метою нанесення на залізо покриттів із сплавів нікелю та інших жароміцних сплавів для спеціального застосування.

6. Газотермічні методи нанесення покриттів

Поклавши в основу поділу тип джерела теплоти, на практиці набули застосування такі методи напилення: плазмове, газополум'яне, детонаційно-газове, дугова та високочастотна металізація.

Перші газотермічні покриття було отримано на початку XX ст. М. У. Шоопом, який розпорошив розплавлений метал струменем газу та, направивши цей потік на зразок-основу, отримав на ній шар покриття. На ім'я автора цей процес називали шоопуванням, і він був запатентований у Німеччині, Швейцарії, Франції та Англії. Конструкція першого газополум'яного дротяного металізатора Шоопа відноситься до 1912, а першого електродугового дротяного металізатора - до 1918 р.

У вітчизняній промисловості газополум'яну металізацію почали застосовувати з кінця 20-х років. Наприкінці 1930-х вона була успішно замінена электродуговой металізацією. Апаратуру для електродугової металізації створили Н. В. Катц та Є. М. Лінник.

Газотермічне напилення покриттів у світовій практиці почало активно розвиватися наприкінці 50-х. Цьому сприяло створення надійної техніки генерування низькотемпературної плазми; детонаційно-газових вибухових пристроїв, удосконалення дугових розрядних процесів.

У розробку теорії, технології та обладнання газотермічного напилення включилися багато наукових колективів Академії наук СРСР, технічних вищих навчальних закладів, галузевих інститутів та виробничих підприємств. Аналогічними темпами розвивалися роботи в основних ведучих зарубіжних країнах.

6.1 Класифікації методів

У методах та технології газотермічного напилення багато спільного. Схема процесу газотермічного напилення показано на рис. 7.

Матеріал, що розпилюється, у вигляді порошку, дроту (шнурів) або стрижнів подається в зону нагрівання. Розрізняють радіальну та осьову подачу матеріалу. Нагріті частинки розпорошують газом, основне призначення якого - прискорення частинок, що напиляються в осьовому напрямку, але поряд з цим він може виконувати й інші функції. При подачі в зону нагріву дроту або стрижнів газ, що розпилює, диспергує розплавлений матеріал, у ряді методів напилення він виконує і функцію нагріву.

Нагрів частинок, їх розпилення та прискорення газовим потоком визначили назву процесу – газотермічне напилення. Частинки, що надходять на поверхню формування покриття, повинні забезпечувати утворення міцних міжатомних зв'язків у процесі контактування, для чого необхідне їхнє нагрівання та відповідна швидкість. Відомо, що температура частинок зумовлює термічну активацію області контакту; швидкість частинок при ударі поверхню створює умови для механічної активації поверхневого контакту. Необхідно враховувати, що при високих швидкостях частинок у момент їх контактування частина кінетичної енергії перетворюється на теплову, що також сприяє розвитку термічної активації.

Розроблені методи газотермічного напилення дозволяють у достатніх межах регулювати температури та швидкості частинок, що надходять на поверхню формування покриття.

Методи газотермічного напилення класифікують:

за видами енергії;

за видами джерела теплоти;

за видами матеріалу, що розпилюється;

за видами захисту;

за ступенем механізації та автоматизації;

за періодичністю потоку частинок.

По виду енергії розрізняють методи з використанням електричної енергії (газоелектричні методи) та методи, у яких теплова енергія утворюється за рахунок згоряння горючих газів (газопламенні методи). Для нагрівання матеріалу, що розпилюється, використовують наступні види джерела теплоти: дугу, плазму, високочастотні розряди і газове полум'я. Відповідно до цього методи напилення називають: електродугова металізація, плазмове напилення, високочастотна металізація, газополум'яне напилення, детонаційно-газове напилення. Перші три методи відносяться до газоелектричних, останні – до газополум'яних.

По виду матеріалу, що розпилюється застосовують порошкові, дротяні (стрижневі) і комбіновані способи напилення. При комбінованих способах використовується порошковий дріт. Відомі такі методи напилення за видом захисту: без захисту процесу, з місцевим захистом та із загальним захистом у герметичних камерах. При загальному захисті розрізняють ведення процесу при нормальному (атмосферному) тиску, підвищеному та при розрідженні (у низькому вакуумі).

Ступінь механізації та автоматизації процесу. При ручних способах напилення механізована тільки подача матеріалу, що розпилюється. У механізованих способах передбачено також переміщення розпилювача щодо виробу, що напилюється. Часто використовують рух напилюваних виробів щодо нерухомого розпилювача. Рівень автоматизації процесів напилення залежить від конструкції установки, у найпростіших варіантах автоматизація відсутня, а складних комплексах можлива повна автоматизація процесу.

Періодичність потоку. Більшість методів напилення здійснюється безперервним потоком частинок. Для деяких методів можливе лише циклічне ведення процесу. Покриття формується в імпульсному режимі напилення, що чергується з паузами. p align="justify"> Газотермічні методи напилення широко використовуються для нанесення покриттів різного призначення. До основних переваг методів газотермічного напилення відносять високу продуктивність процесу при задовільній якості покриттів.

7. Плазмове напилення покриттів

Плазмовий струмінь широко використовується як джерело нагрівання, розпилення та прискорення частинок при напиленні покриттів. Завдяки високій швидкості закінчення та температурі, плазмовий струмінь дозволяє напилювати практично будь-які матеріали. Плазмовий струмінь отримують різними способами: дуговим прогріванням газу; високочастотним індукційним нагріванням, електричним вибухом, лазерним нагріванням та ін.

Узагальнена схема процесу плазмового напилення покриттів наведено на рис. 8. При плазмовому напиленні можлива як радіальна, так і осьова подача матеріалу, що розпилюється, у вигляді порошку або дроту (стрижнів). Використовуються різні видиплазмових струменів: турбулентні, ламінарні, дозвукові та надзвукові, закручені та незакручені, осесиметричні та плоскосиметричні, безперервні та імпульсні та ін.

Ламінарні струмені забезпечують значно більші значення довжини потоку (l н , l з ), завдяки чому зростає час нагрівання напилюваних частинок, і характеризуються вищими значеннями відношення енергії, що підводиться до витрати плазмоутворюючого газу. Ламінарні струмені слід відносити до високоентальпійних. Крім того, для них характерна більша швидкість закінчення та менший рівень шуму (до 40 – 30 дБ). В даний час ще не знайдено рішення, що дозволяють широко використовувати струмені ламінарні для напилення. Проблеми пов'язані переважно з подачею порошку. Теорія та практика нанесення покриттів ламінарними струменями розроблена А. В. Петровим.

Достатньо перспективні для напилення та надзвукові плазмові струмені. Високі швидкості частинок, що напилюються (800 - 1000 м/с і більше) дозволяють формувати покриття переважно без їх розплавлення.

Сучасний рівеньплазмового напилення в основному базується на використанні дозвукових та надзвукових, турбулентних, осесиметричних, плазмових струменів з широким діапазоном теплофізичних властивостей. На нагрівання плазмоутворюючого газу витрачається близько половини потужності, що підводиться до розпилювача. Зазвичай тепловий ККД розпилювача становить 0,4-0,75. Слід також відзначити слабке використання плазмового струменя як джерела теплоти нагрівання порошкових частинок. Ефективний ККД нагрівання порошкових частинок плазмою ?п знаходиться в межах 0,01 – 0,15. При розпиленні дроту ефективний ККД значно вищий і сягає 0,2 -0,3.

До найбільш важливих теплофізичних характеристик плазмових струменів, що визначають оптимальні умови нагрівання, розпилення і прискорення частинок, що напиляються, відноситься питома ентальпія, температура і швидкість в різних перерізах по осі потоку. Гнучке керування теплофізичними параметрами струменя визначає технологічність процесу та його можливості.

За ступенем захисту процесу розрізняють плазмове напилення: без захисту, з місцевим захистом та загальним захистом.

7.1 Переваги та недоліки методу плазмового напилення

Основні переваги методу плазмового напилення:

висока продуктивність процесу від 2 - 8 кг/год для плазмотронів потужністю 20 - 60 кВт до 50 - 80 кг/год при потужніших розпилювачах (150 - 200 кВт);

універсальність по матеріалу, що розпилюється (дріт, порошок з різною температурою плавлення;

велика кількість параметрів, що забезпечують гнучке регулювання процесу напилювання;

регулювання у широких межах якості напилених покриттів, у тому числі отримання особливо якісних при веденні процесу із загальним захистом;

високі значення КІМ (при напиленні дротяних матеріалів 0,7 – 0,85, порошкових – 0,2 – 0,8);

можливість комплексної механізації та автоматизації процесу;

широка доступність методу, достатня економічність та невисока вартість найпростішого обладнання.

До недоліків методу слід зарахувати:

невисокі значення коефіцієнта використання енергії (при дротяному напиленні ?до = 0,02 – 0,18; порошковому - ?і = 0,001 - 0,02);

наявність пористості та інших видів несплошностей (2 – 15%);

порівняно невисока адгезійна та когезійна міцність покриття (максимальні значення становлять 80 - 100 МПа);

високий рівень шуму при відкритому веденні процесу (60 – 120 дБ).

У міру вдосконалення методу плазмового напилення кількість недоліків знижується. Перспективні, наприклад, розробки напилення з надзвуковим закінченням плазмового струменя, що дозволяють формувати покриття переважно з частинок без розплавлення, що знаходяться у в'язкопластичному стані. У порівнянні з радіальною найбільш ефективна осьова подача матеріалу, що розпилюється, в дугових плазмових розпилювачах.

Значний інтерес є плазмове напилення з використанням дводугових або трифазних плазмотронів. Великі переваги обіцяє застосування ВЧ – плазмотронів. У цих випадках отримують плазму, не забруднену матеріалами електродів, спрощується осьова подача матеріалу, що розпилюється.

8. Газополум'яне напилення покриттів

Газове полум'я отримують за допомогою згоряння горючих газів у кисні або повітрі. У спеціальних пальниках-розпилювачах по периферії сопла подається горюча суміш, центральна частина призначена для подачі у сформований газополум'яний струмінь розпилюваного матеріалу. Поблизу зрізу сопла газове полум'я є конус, у міру віддалення від зрізу газове полум'я утворює суцільний потік високотемпературного газу. Розрізняють ламінарні (R e < Rекp ) та турбулентні струмені (R e > R екр ). Перехід режиму горіння та закінчення струменя від ламінарного до турбулентного залежить від природи пального газу та визначається числами Рейнольдса (Re = 2200 – 10000).

Газополум'яні струмені як джерело нагріву, розпилення та прискорення при напиленні покриттів подібні до плазмових струменів. Однак температура, ентальпія та швидкість газополум'яного струменя значно нижчі. Частки, що напилюються, взаємодіють з газовою фазою складного складу, що складається з горючих газів, продуктів їх згоряння та дисоціації, кисню та азоту. Окисно-відновний потенціал на початковій ділянці струменя легко регулюється зміною співвідношення між газом і киснем. Умовно можна виділити три режими утворення полум'я: нейтральне, окисне та відновне.

Як горючі гази для напилення покриттів застосовують: ацетилен (С 2Н 2), метан (СН 4), пропан (С 3Н 8), бутан (С 4Н1 0), водень (Н 2) та ін Іноді використовуються суміші, наприклад пропан-бутан та ін.

Газополум'яне напилення виробляють у відкритій атмосфері. У факел газового полум'я потрапляє повітря, у зв'язку з чим кількість кисню більша, ніж потрібно для повного окислення елементів пального газу за наведеними реакціями. Для врівноваження складів знижують кількість кисню у суміші горючий газ - кисень.

Найбільш висока температура полум'я досягається при використанні ацетилено-кисневих сумішей. Однак теплота згоряння вища у пропану та бутану. Тому для напилення найчастіше застосовують стандартний технічний ацетилен або пропан-бутанову суміш. При утворенні газоплазмових струменів тепловий ККД розпилювача досить високий ( ?УРАХУВАННЯМ = 0,8 - 0,9).У цьому випадку більшість підведеної енергії витрачається на нагрівання газу. Однак ефективний ККД нагрівання порошкових частинок ( ?і ) склад лише 0,01 - 0,15.

1 Способи газополум'яного напилення

Узагальнена схема процесу газополум'яного напилення показана на рис. 9.

Горючий газ і кисень (рідше повітря) потрапляє в змішувальну камеру 3, горюча суміш далі надходить у сопловий пристрій 7, на виході з нього суміш підпалюється і утворює факел полум'я 2. Для обтиснення газового полум'я застосовують додаткове сопло 4, яке подається стиснутий газ, зазвичай повітря чи азот. Зовнішній супутний струмінь потоку газу 5 подовжує високотемпературний газовий струмінь, підвищує його температуру, ентальпію та швидкість, крім того, газ може бути використаний для охолодження теплонапружених елементів розпилювача.

Розпилюваний матеріал у вигляді порошку або дроту (стрижнів) подають по осі газополум'яного струменя всередину смолоскипа, що сприяє більш інтенсивному нагріванню та розпорошенню матеріалу.

Методи газополум'яного напилення класифікують за такими ознаками:

Вид матеріалу, що розпилюється. Розрізняють газополум'яне напилення порошковими та дротяними (стрижневими) матеріалами.

Тип палива. Відомі способи напилення з використанням ацетилену або газів, замінників ацетилену (пропану, бутану, їх сумішей та ін.).

Ступінь механізації. Застосовують ручне напилення та механізоване (машинне). При ручних способах механізована тільки подача матеріалу, що розпилюється. У повністю механізованих способах передбачено переміщення виробу, що напилюється, відносно розпилювача або навпаки і введені елементи автоматизації.

2 Установки для газополум'яного напилення

У нашій країні випускається низка установок для газополум'яного напилення дротяними та порошковими матеріалами. Як енергетичні гази використовується ацетилен і пропан-бутанова суміш. Подача до розпилювача ацетилену (або замінника), кисню, а в ряді випадків додаткового газу (повітря) для розпилення проводиться від вузла газоживлення. Вузол газоживлення не входить у комплект апарату, що випускається. Його монтують безпосередньо на робочій ділянці. Апарати для газополум'яного напилення зазвичай комплектуються розпилювачем (пістолетом), механізмом подачі дроту або порошку та пультом керування. Часто механізм подачі дроту розташовується в одному корпусі з розпилювачем, на якому закріплюється порошковий живильник.

Висновок

Сучасне виробництво з урахуванням сучасних досягнень науки та техніки потребує створення потужної бази для реалізації нових методів нанесення покриттів із різних груп неорганічних матеріалів. Потрібні покриття з широким спектром фізико-хімічних властивостей: для захисту у різних середовищах; зносостійких; оптичних; теплозахисних та багатьох інших. Також потрібні значні зусилля, спрямовані на вдосконалення існуючих методів нанесення покриттів, що давно використовуються.

Для вирішення даних завдань потрібне застосування комплексного підходу пов'язаного не лише з вирішенням конкретних науково-технічних аспектів створення нових технологій у галузі покриттів, але й усе більш важливим стає завдання оптимізації та скоординованого збереження та розповсюдження інформації.

Список використаної литературы

1. Гриліхес, С.Я., Тихонов, К.І. Електролітичні та хімічні покриття. Л.: Хімія, 1990. –288 с.

Ковенський, І.М., Повєткін, В.В. Методи дослідження електролітичних покриттів. -М: Наука, 1994. -234 с.

Молчанов В.Ф. Комбіновані електролітичні покриття – Київ: Техніка, 1976. -176 с.

Дасоян, М.А., Пальмська, І.Я., Сахарова, Є.В. Технологія електрохімічного покриття. -Л.: Машинобудування, 1989. -391 с.

Ейчіс, А.П. Покриття та технічна естетика. -Київ: Техніка, 1971. – 248 с.

Біронт, В.С. Нанесення покриттів: навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. - Красноярськ. ГАЦМіЗ, 1994. – 160 с.

Бобров, Г.В. Нанесення неорганічних покриттів (теорія, технологія, обладнання): навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. / Г.В.Бобров, А.А. Ільїн. – М.: Інтермет Інжиніринг, 2004. – 624 с.

8. Лайнер, В.І. Захисні покриття металів/В.І. Лайнер, - М: Металургія, 1974. - 560 с.

9.. Нікандрова, Л.І. Хімічні способи отримання металевих покриттів./Л.І. Нікандрова. - Л.: Машинобудування, 1971. 101 с.

Корозія: Довідкове видання. / За ред. Л.Л. Шрайєр. - М: Металургія. 1981. – 632 с.

Хіміко-термічна обробка металів та сплавів.: Довідник / Под ред. Л.С.Ляховича. М: Металургія, 1981.-.424 с.

Коломицев, П.Т. Жаростійкі дифузійні покриття / П.Т. Коломицев. – М.: Металургія, 1979. – 272 с.

Хокінг, М. Металеві та керамічні покриття / М. Хокінг, В. Васантасрі, П. Сідкі. – М.: Світ, 2000. – 516 с.