книги / Методы нанесения покрытий

Материалы для этих покрытий должны иметь высокую твердость, большой модуль упругости Е, высокий уровень механических свойств и малый коэффициент трения. Структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к контртелу.

Процесс нанесения износостойких покрытий должен обеспечивать напыление покрытий большой толщины с минимальным припуском, волнистостью и шероховатостью, с возможностью получения регламентированного уровня пористости, а также стабильных и управляемых структур поверхности. Покрытие должно иметь минимум остаточных напряжений и максимальную прочность сцепления с подложкой.

Антифрикционные покрытия. К ним относятся покрытия,

имеющие низкий коэффициент трения; применяются для уменьшения износа и снижения трения скольжения.

Материалы для этих покрытий должны иметь минимальный коэффициент трения, структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к контртелу, механические характеристики материала должны соответствовать эксплуатационным нагрузкам, он должен быть достаточно износостоек и пластичен.

Процесс нанесения антифрикционных покрытий должен обеспечивать выполнение тех же требований, что и для износостойких покрытий, с той лишь разницей, что при его проведении строго не ограничивается толщина покрытия.

Коррозионно-стойкие покрытия. Коррозионная стой-

кость – свойство материала сопротивляться химическому и электрохимическому воздействиям внешней среды. Она определяется скоростью коррозии, т.е. массой материала, превращенной в продукты коррозии с единицы площади поверхности в единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя (мм/год).

До настоящего времени считалось, что газотермические покрытия в связи с наличием открытой пористости в качестве коррозион- но-стойких применять невозможно. Однако последние разработки отечественных и зарубежных исследователей по уплотнению покрытийхимическимиифизическимиметодамипоказалиобратное.

11

Материалы для этих покрытий должны быть химически инертны к рабочей среде, иметь повышенную термодинамическую стабильность, способствовать торможению катодных и анодных процессов, а также отличаться стабильностью структуры во времени и в пространстве.

Процесс нанесения коррозионно-стойких покрытий должен обеспечить минимум механических напряжений в напыленном слое, наименьшую открытую пористость и высокую прочность сцепления.

Покрытия, поглощающие и отражающие различные из-

лучения, можно использовать в оптическом и радиочастотном диапазонах.

Материалы для этих покрытий должны иметь высокий уровень механических свойств, стабильные характеристики в зависимости от температуры среды и воздействия атмосферы, необходимый уровень как оптических коэффициентов (коэффициент отражения, коэффициент поглощения, степень черноты), так и диэлектрической и магнитной проницаемости.

Процесс нанесения таких покрытий должен обеспечивать минимальную пористость напыленного слоя, возможность управления структурой, стабильность свойств покрытия во времени и пространстве, а также высокую прочность сцепления покрытия с основой.

В большинстве случаев условия эксплуатации деталей таковы, что необходимо одновременное удовлетворение требований к покрытиям нескольких назначений. Например, в соплах ракетных двигателей твердого топлива необходимо обеспечить термо- и эрозионную стойкость, для узлов трения поворотных сопел необходимы жаро- и износостойкие покрытия и т.д. При этом выбор материала становится особо сложной задачей, для решения которой требуется учет большого количества факторов. Подобные задачи не могут быть правильно решены без использования методов многофакторной оптимизации. Необходимо найти варианты, наиболее удовлетворяющие многим противоречивым требованиям, когда

12

улучшение одних параметров приводит к ухудшению других. Задача оптимального проектирования покрытия сводится к нахождениюсубоптимального, болеевсегопредпочтительного варианта.

Следует отметить, что только незначительная часть параметров (температура плавления, твердость, модуль упругости, механическая прочность) детерминированы (заданы конкретным числом), остальные задают, как правило, с использованием теории нечетких множеств.

Анализ практического применения этой теории при проектировании изделий показывает, что ее использование дает возможность вводить в математические модели задач оптимального проектирования детерминированные и нечеткие требования в однородной форме, а для многофакторной оптимизации получать эффективные компромиссные решения.

Однако для проектирования покрытий аппарат теории нечетких множеств разработан пока недостаточно, а выбор материалов и методов нанесения защитных покрытий до сих пор осуществляется априорно и в основном зиждется на опыте конструкторов, материаловедов и технологов.

Таким образом, проведенный анализ позволил сформулировать основные требования к покрытиям различного назначения, а также указать исходя из условий эксплуатации пути решения задачи оптимального проектирования покрытия и методы выбора наиболее рационального технологического процесса напыления.

13

2. МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

2.1. Общие сведения о подготовке поверхности

При любом способе нанесения покрытия на поверхность изделия решающее значение на формирование качественного слоя

иего связь с покрываемой поверхностью имеет состояние этой поверхности, ее строение, уровень шероховатости (развитость поверхности, наличие неровностей), наличие на поверхности пленок различного характера: жировых загрязнений, окислов

идругих дефектов механического и химического характера.

Следовательно, любой вид нанесения покрытий требует подготовки (предварительной обработки) поверхности с целью улучшить ход процесса образования пленки (слоя) покрытия, увеличить скорость наращивания слоя и уменьшить энергетические затраты, что обеспечивает повышение производительности оборудования при соблюдении технологии и повышение эффективности производства. Кроме того, качественная подготовка поверхности улучшает сцепление наносимого на поверхность изделия вещества, уменьшает количество дефектов в образующемся слое и на границе его с покрываемой поверхностью, повышая надежность и работоспособность изделий.

Наиболее распространенными способами обработки поверхности перед нанесением покрытий являются механические и химические способы. В ряде случаев применяются электрофизические методы депассивации поверхности либо создания на ней дополнительной шероховатости; электролитические процессы обезжиривания, полировки и травления, электронная и ионная бомбардировка. Применяется очистка кавитирующей жидкостью в ультразвуковом поле, тепловые способы обработки, в том числе обжиг, совместное тепловое и химическое воз-

14

действие агрессивных растворов или активных газов, например обработка при высоких температурах в токе водорода либо других восстановителей.

2.2. Механические способы обработки

Механические способы обработки поверхности применяют, если необходимо обеспечить удовлетворительное сцепление вещества покрытия с материалом изделия. Различают следующие виды механической обработки, применяемой с указанной целью: обработка металлов резанием на токарных, фрезерных, расточных, сверлильных и других металлорежущих станках, шлифование и полирование, крацовка и галтовка, гидропескоструйная, дробеструйная или дробеметная обработка и т.д.

Шлифовке и полировке подвергают изделия, от которых требуется в окончательном виде иметь гладкую блестящую поверхность и точные окончательные размеры. Такая предварительная обработка одновременно улучшает плотность контакта покрывающего материала слоя с поверхностью изделия на атомном уровне. Однако использование пескоструйной обработки вместо полирования увеличивает суммарную площадь поверхности изделия в 3–5 раз по сравнению с рассчитанной для гладких поверхностей. В связи с этим такая обработка интенсифицирует процессы формирования слоя, усиливает его связь с поверхностью, улучшает качествоисвойствапокрытия.

В ряде случаев в качестве механической обработки взамен шлифования и полирования применяют обкатку поверхности детали специальными роликами с нанесенным на них микроили макрорельефом либо гладкими роликами при высоких требованиях к поверхности в отношении допустимых пределов шероховатости. Достаточно часто для мелких деталей используют методы подводной галтовки или шлифования и полирования в барабанах с наполнителями из абразивных материалов.

Сущность обработки в барабане заключается в том, что изделия вместе с абразивными материалами и наполнителями, такими как наждачные зерна, пемза, корунд, опилки, загружают во

15

вращающийся барабан и обрабатывают таким образом в течение установленного времени до получения требуемой шероховатости поверхности. При «подводной» барабанной обработке в рабочую смесь добавляется вода.

Гидропескоструйную обработку металлическими и неметаллическими частицами проводят в установках, где абразивные зерна, движущиеся с большой скоростью вместе со струей воды, ударяясь о поверхность изделия, снимают находящиеся на ней загрязнения, в том числе окисные пленки. Однако жировые загрязнения часто удалить таким образом не удается, в связи с чем требуется химическая обработка поверхности.

Одним из распространенных способов подготовки поверхности является обработка изделий в жидких средах ультразвуковыми колебаниями. При этом эффект очистки достигается преимущественно благодаря кавитационному воздействию распространяющихся в жидкости ультразвуковых колебаний. Явление кавитации связано с образованием в жидкости под действием энергии ультразвуковых колебаний микроразрывов в один из полупериодов колебаний и их захлопыванием в последующий полупериод колебаний. В момент захлопывания кавитационного пузырька в микрообласти жидкости вокруг этого пузырька создаются локальные ударные давления, достигающие нескольких сотен атмосфер. Под действием возникающей при этом ударной волны происходит отрыв частиц загрязнений от очищаемой поверхности. Наиболее эффективной очистка с применением ультразвуковой кавитации оказывается

втом случае, если одновременно с физическим воздействием кавитационного пузырька дополнительно используется химическое воздействие окружающей агрессивной внешней среды, т.е. при химических методахочистки сультразвуком.

Перед нанесением покрытий на бумагу и изделия из нее производят сушку в естественных атмосферных условиях или

внагревательных устройствах при невысокой температуре. Дерево перед нанесением покрытий сушат и обрабатывают на-

ждачной бумагой. Гипс сушат и обрабатывают обдувкой частицами корунда, т.е. частицами абразива, имеющими меньшую плотность,

16

PNRPU

чем у песка или металлической дроби. Для термореактивных пластмасс применяют сушку при температуре 115 °С в течение 2–3 ч, атакже легкую обдувку абразивными зернами в струе сжатого воздуха. Для размягчения поверхности пластмасс непосредственно переднанесениемпокрытияеесмачиваюттонкимслоемрастворителя.

При нанесении покрытий на стекло применяют нагревание его до температуры слабого размягчения. Кроме того, покрытия на стекло могут быть нанесены после создания шероховатой поверхности, например, путем дробеструйной обработки абразивным материалом либо обработкой в парах плавиковой кислоты. Покрытия на стеклянных поверхностях могут быть получены после нанесения на поверхность стекла тонкого слоя эпоксидной смолы, которая затвердевает под действием теплоты напыления либо при специальной тепловой обработке.

При нанесении на стекло тонких металлических слоев серебра для получения зеркал электрохимическими методами стекло предварительно активируется химически растворами хлорного олова и палладия.

2.3. Электроискровая подготовка поверхности

Для ряда покрытий, например для напыления высокопрочных износостойких материалов, когда покрываемая поверхность очень твердая и не поддается воздействию дроби или песка при абразивной обработке, применяют электроискровую обработку, при которой поверхность детали с помощью вибрирующего с высокой частотой электрода обрабатывают слабыми электрическими разрядами. При этом происходит электроэрозионное воздействие разрядов, заключающееся в микрооплавлении и отрыве частиц на электроде или на изделии, массопереносе вещества между электродом и обрабатываемой поверхностью, в результате чего образуются неровности высотой несколько сотых долей миллиметра; таким образом создается шероховатость поверхности, улучшающая сцепление материала покрытия с основой независимо от способа его нанесения.

17

В ряде случаев электроискровую обработку используют не как способ подготовки поверхности к покрытию, а как самостоятельный способ покрытия, обеспечивающий нанесение материала электрода на обрабатываемую поверхность.

Для восстановления размеров изношенных конструкционных деталей применяют чаще всего железные электроды, при обработке кромок инструментов часто используют электроды из порошковых твердых сплавов на основе карбида вольфрама.

2.4. Химические способы обработки

Химические способы подготовки поверхности применяют в основном для очистки листов, труб и других тонкостенных изделий. К этим способам относятся обезжиривание и травление. Для обезжиривания часто применяют органические растворители, например три- и тетрахлорэтилен, ацетон, бензин, уайтспирит и др. Скорость обезжиривания возрастает во много раз под действием ультразвука. Однако применение органических растворителей очень ограниченно в связи с их пожароопасностью, токсичностью, дороговизной.

Наиболее широко используются химические и электрохимические методы обезжиривания в горячих (80–90 °С) щелочных растворах (NaOH, Na3PO4) с эмульгаторами, например 100 г/л Na3PO4 + 10 г/л эмульгатора ОП-7. При электролитическом обезжиривании концентрации растворов могут быть значительно уменьшены, например, до 30 г/л NaOn, 20 г/л Nа3РО4, 2 г/л ОП-7. Плотность тока при этом 8–10 А/дм2.

При наличии окисных пленок, гидроокисей (окалины, ржавчины, окисных налетов и др.) вслед за обезжириванием производят травление. При химическом травлении применяют различные кислоты, в том числе соляную (5–10 %-ный водный раствор с температурой 15–30 °С) или серную той же концентрации, но с нагревом до 50–80 °С. При травлении в кислотах с ней взаимодействуют не только окисные пленки, но и основной металл, что приводит к выделению водорода, частично поглощаемого поверхностью изделия,

18

охрупчивая его и вызывая появление характерных дефектов покрытий типа «рыбья чешуя». Для устранения этого явления в травильные растворы вводят добавки – ингибиторы, препятствующие растворению металла. Ингибиторы– это некоторые органические вещества, например бутилнитрит, бензотритион, дибензилсульфооксид. Марки ингибиторов, выпускаемых промышленностью: ЧМ, И-1А, И-1В, И-1Е, КПИ-1, КО, БА6 и др. Скорость травления вингибированной серной кислоте можно увеличить введением добавок окислителей типа NaNО3, KMnO4, К2Сг2О7, Н2О2, О3, Fe2(SО4)3. Особенно эффективно воздействует озон, уменьшая времятравленияв2–5 раз.

Травление нержавеющих сталей обычно производят в азотной кислоте с добавками HF, KF и других веществ. Смесь азотной и плавиковой кислот используют при травлении титана. Травление при этом развивается по реакции

3Тi + 4HNО3 + 12HF = 3TiF4 + 8Н2О + 4NО.

При этом не выделяется водород, чем предотвращается явление водородной хрупкости. Травление алюминия и его сплавов чаще ведут в горячих щелочных растворах 20–30 % NaOH при температуре 80–90 °С. Медь и медные сплавы травят обычно в концентрированных кислотах (азотной, серной, соляной, фосфорной) или их смесях. Процесс осуществляют в одну или две-три последовательно идущие стадии в зависимости от материала и состояния обрабатываемой поверхности. Если изделия из меди и медных сплавов покрыты относительно толстым слоем окалины, то их предварительно травят в 10–15 %-ном растворе серной кислоты при 50–60 °С. Перед травлением в последнем концентрированном растворе кислот во избежание его разбавления водой изделия не промывают. Перед нанесением покрытий на медные сплавы можно применять и разбавленные растворы кислот, если они не вызывают дефектов слояприпокрытии.

Электрохимическое травление проводят в травильных рас-

творах (электролитах), через которые пропускают постоянный электрический ток. Такое травление можно проводить и на аноде, и на катоде.

19

При анодном травлении происходит электролитическое растворение металла и механический отрыв окислов выделяющимися пузырьками кислорода. В качестве электролита в этом случае применяют растворы серной и соляной кислот и их солей железа. Электроды при этом: анод (+) – обрабатываемое изделие, катод (–) – свинец.

При катодном травлении происходит восстановление и механический отрыв окислов металлов бурно выделяющимся водородом. Электролитом в этом случае может служить обладающий хорошей электропроводностью раствор кислоты или соли. Чаще используют смесь серной и соляной кислот. При этом в качестве анода (+) применяют свинец либо кремнистый чугун, а катодом (–) служит обрабатываемое изделие.

Очистка поверхности электрохимическим травлением достигается значительно быстрее, чем при химическом травлении. При проведении такого процесса могут быть использованы слабые растворы кислот или только подкисленные растворы солей, тогда как при химическом травлении применяют часто концентрированные кислоты. Это, во-первых, улучшает условия труда работающих, обеспечивает более чистые экологические условия осуществления процесса, во-вторых, делает процессы более экономичными, требуетменьшегорасходованиядефицитных кислот.

Недостатком анодного травления является неравномерность снятия металла на различных поверхностях сложной конфигурации, что может привести к потере заданных размеров и формы изделия. Недостаток катодного травления – сильное охрупчивание металла в связи с поглощением водорода поверхностью. Поэтому при разработке технологии подготовки поверхности под покрытие приходится принимать меры по уменьшению отрицательных последствий того или иного процесса и делать выбор между этими видами травления в зависимости от требований, предъявляемых к обрабатываемым изделиям конструкторской документацией.

В качестве вспомогательных оперций при проведении подготовки поверхности применяют активирование и промывку.

20