Основные методы нанесения покрытий

Введение
Актуальность темы исследования. Использование покрытий дает возможность объединять свойства двух и более материалов (подложки и покрытия), в результате чего получившаяся система обладает характеристиками, которые не могут быть получены при использовании одного материала. Выбор конкретной системы покрытия определяется балансом между результатами и затратами, т.е. соотношением между улучшением эксплуатационных характеристик изделия и стоимостью нанесения соответствующего покрытия.Количество методов и способов нанесения покрытий для различных целей интенсивно увеличивается, и не существует универсальных составов и методов нанесения покрытий для всех эксплуатационных случаев.Цель данной работы – рассмотреть цели и методы нанесения покрытий, их разновидности.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:- изучить цели нанесения покрытий;- охарактеризовать основные методы нанесения покрытий;- рассмотреть методы нанесения металлических покрытий;- изучить методы нанесения неметаллических покрытий.1. Цели нанесения покрытийПокрытие — искусственно сформированный на поверхности изделия или конструкции слой, отличающийся от материала основы по составу и физико-химическим свойствам.Целью нанесения покрытия является улучшение поверхностных свойств основного материала, обычно называемого материалом подложки. Улучшают, среди прочих, такие свойства, как внешний вид, адгезию, смачиваемость, стойкость к коррозии, износостойкость, стойкость к высоким температурам, электропроводность. Одной из основных целей нанесения покрытий является повышение износостойкости деталей при их изготовлении или в процессе ремонта. При изготовлении деталей операция нанесения покрытий закладывается в технологический процесс.Например: Изготовление деталей в бумагоделательном машиностроении. Раньше их изготавливали из нержавеющей стали, бронзы. Теперь эти детали делают из обычной конструкционной стали, а рабочую поверхность упрочняют износостойким покрытием.Вторая основная цель нанесения покрытий – восстановление величины износа. Примерно 0,01 веса деталей в процессе эксплуатации подвергается износу. Например, для вала это составляет от микрон до нескольких миллиметров. При восстановлении деталей, как правило, используют напыленные покрытия, которые по износостойкости превышают износостойкость материала, из которого изготовлена деталь.Нанесение покрытий позволяет решить две технологические задачи. Первая состоит в направленном изменении физико-химических свойств исходных поверхностей изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации, вторая – в восстановлении свойств поверхностей изделий, нарушенных условиями эксплуатации, включая потерю размеров и массы. Использование покрытий позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики изделий: износостойкость, коррозионостойкость, жаропрочность, жаростойкость и др.2. Основные методы нанесения покрытийСуществующие методы нанесения покрытий делятся на следующие основные группы: химическое осаждение, электрохимическое осаждение, газотермическое напыление, вакуумное напыление, диффузионное насыщение.Химическое осаждение — получение покрытий из водных растворов солей, основанное на реакциях восстановления.Электрохимическое осаждение — получение покрытий на металлах из растворов или расплавов электролитов под действием электрического тока.Газотермическое напыление — получение покрытия из частиц дисперсного материала, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи.Вакуумное напыление — получение покрытия из парогазовой фазы с использованием контролируемых процессов испарения, синтеза, конденсации и сорбции вещества покрытия в виде отдельных атомов и молекул в вакууме.Диффузионное насыщение — получение покрытия путем легирования металлами и неметаллами поверхностного слоя основного материала при нагревании в среде, содержащей образующие покрытие элементы.Классификация методов получения покрытий может быть основана на различиях агрегатного и физического состояния наносимого вещества.Методы нанесения покрытий из парогазовой фазыФизические методы напыления покрытий испарением в вакууме:термическое испарение нагревом прямым прохождением тока, радиационным, индукционным нагревом;прямое электронно-лучевое испарение;катодное распыление;высокочастотное распыление;магнетронное распыление;ионно-лучевое распыление;реактивное испарение и распыление;ионное осаждение.Химические (газофазные) методы напыления покрытий испарением:пиролиз летучих соединений металлов и неметаллов;восстановление летучих соединений водородсодержащими веществами или парами металлов;гидролиз газообразных галогенидов водяным паром или водяным газом;реакции диспропорционирования;высокотемпературное прямое окисление кислородом газообразных галогенидов или металлоорганических бескислородных соединений.Диффузионное насыщение сорбцией паров и газов (контактные и неконтактные способы).Методы нанесения покрытий из растворов и тонких суспензийЭлектрохимическое осаждение:осаждение покрытий из металлов и сплавов из растворов солей;получение комбинированных электрохимических покрытий (КЭП) из тонких суспензий;электрохимическое оксидирование.Химическое осаждение:нанесение металлов на металлы восстановлением и контактно-обменным отложением;нанесение металлов на неметаллы;нанесение неметаллов на металлы (оксидирование, фосфатирование, хроматирование, метод растворной керамики);нанесение металлов на неметаллы (гидролиз металлоорганических соединений, метод растворной керамики).Нанесение твердо-жидких веществ (шликеров, пульп, грубых суспензий, наст):окунание, облив, пульверизация, электрораспыление, электрофорез, торкретирование, обмазка (все с последующей термообработкой).Методы нанесения покрытий из расплавов и полурасплавовЭмалированиеКапельное напыление:газотермическое напыление (электродуговая металлизация, газопламенное напыление, плазменное напыление, плазменно-дуговое напыление и детонационное напыление);лазерное напыление;распыление взрывающихся проволочек. Погружение в расплав:погружение в расплавы металлов (цинкование, алюминирование);погружение в расплавы солей;остеклование.Получение покрытий из твердых веществ и их аэросмесей:Диффузионное насыщение (химико-термическая обработка)Плакирование при совместной деформации материалов основы и покрытия.Припекание, вжигание. Нанесение в кипящем слое.Втирание под давлением (ротапринтный метод).3. Методы нанесения металлических покрытийВ противокоррозионной практике для изоляции металла от воздействия агрессивных сред используются специальные защитные покрытия. Все они подразделяются на металлические и неметаллические.Металлические – анодные и катодные – покрытия наносятся на поверхности методами газотермического напыления, окунания, гальванизации, плакирования или диффузии.К неметаллическим защитным покрытиям относятся лакокрасочные составы, полимерные пленки, силикатные эмали, резины, оксиды металлов, соединения фосфора, хрома и др.В качестве анодных металлических покрытий выступают металлы, электрохимический потенциал которых меньше, чем у обрабатываемых материалов. У катодных он, наоборот, выше.Катодные препятствуют попаданию агрессивных сред к основному металлу благодаря образованию механического барьера. Они лучше защищают поверхности от агрессивных воздействий, но только в случае неповрежденности.В зависимости от способа нанесения металлические покрытия подразделяются на следующие виды.Гальванические покрытия. Гальванизация – это электрохимический метод нанесения металлического защитного покрытия для защиты поверхностей от коррозии и окисления, улучшения их прочности и износостойкости, придания эстетичного внешнего вида.Гальванические покрытия применяются в авиа- и машиностроении, радиотехнике, электронике, строительстве.В зависимости от назначения конкретных деталей выделяют защитные, защитно-декоративные и специальные гальванические покрытия.Защитные служат для изоляции металлических деталей от воздействия агрессивных сред и предотвращения механических повреждений. Защитно-декоративные предназначены для придания деталям эстетичного внешнего вида и их защиты от разрушительных внешних воздействий.Специальные покрытия улучшают характеристики обрабатываемых поверхностей, обеспечивая их более высокой износостойкостью, электроизоляционными свойствами, повышенной прочностью и т.д.Разновидностями гальванических покрытий являются меднение, хромирование, цинкование, железнение, никелирование, латунирование, родирование, золочение, серебрение и пр.Газотермическое напыление. Представляет собой перенос расплавленных частиц материала на обрабатываемую поверхность газового или плазменным потоком. Покрытия, образованные таким методом, отличаются термо- и износостойкостью, хорошими антикоррозионными, антифрикционными и противозадирными свойствами, электроизоляционной или электропроводной способностью. В качестве напыляемого материала выступают проволоки, шнуры, порошки из металлов, керамики и металлокерамики.Выделяют следующие методы газотермическогого напыления:Газопламенное напыление: самый простой и недорогой метод, применяемый для защиты крупных площадей поверхности от коррозии и восстановления геометрии деталейВысокоскоростное газопламенное напыление: используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытийДетонационное напыление: применяется для нанесения защитных покрытий, восстановления небольших поврежденных участков поверхностиПлазменное напыление: используется для создания тугоплавких керамических покрытийЭлектродуговая металлизация: для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхностиНапыление с оплавлением: применяется тогда, когда риск деформации деталей отсутствует или он оправданПогружение в расплав. При использовании этого метода обрабатываемые детали окунаются в расплавленный металл (олово, цинк, алюминий, свинец). Перед погружением поверхности обрабатываются смесью хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Это позволяет защитить расплав от окисления, а также удалить оксидные и солевые пленки.Данный метод нельзя назвать экономичным, так как наносимый металл расходуется в больших количествах. При этом толщина покрытия неравномерна, а наносить расплав в узкие зазоры и отверстия, например, на резьбу, не представляется возможным.4. Методы нанесения неметаллических покрытийНеметаллические покрытия подразделяются на органические и неорганические. Они создают на обрабатываемых поверхностях тонкую, инертную по отношению к агрессивным веществам пленку, которая предохраняет детали от негативных воздействий окружающей среды.Лакокрасочные защитные покрытия. В состав таких покрытий входят пленкообразующие вещества, наполнители, пигменты, пластификаторы, растворители и катализаторы. Варьирование состава позволяет получать материалы со специфическими свойствами (токопроводящие, декоративные, особопрочные, жаростойкие и т.п.). Покрытия такого рода не только защищают изделия в различных условиях, но и придают им эстетичный внешний вид.В группу лакокрасочных покрытий входят лаки, краски, грунтовки, олифы, шпаклевки.Силикатные эмали. Применяются для изделий, работающих при высоких температурах, в химически агрессивных средах.Эмалевое защитное покрытие формируется с помощью порошка или пасты. Процесс проходит в несколько этапов. Сначала на изделие наносится грунтовая эмаль – она улучшает адгезию, уменьшает термические и механические напряжения.Затем, после спекания первого слоя при температуре +880… + 920 °С, накладывается покровная эмаль, после чего изделие снова подвергается нагреванию до +840… +860 °С.Если требуется нанести несколько слоев силикатной эмали, вышеописанные операции проводят поочередно несколько раз. Изделия из чугуна, к примеру, обрабатывают в 2-3 подхода.Застывшая эмаль представляет собой тонкое, похожее на стекло, покрытие. Его основным недостатком является сравнительно низкая прочность – под воздействием ударных нагрузок эмаль может растрескиваться или скалываться.Полимерные защитные покрытия. В число наиболее распространенных полимеров, применяющихся для защиты металлов от коррозии, входят полистирол, полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, фторопласты, эпоксидные смолы и др.Полимерное покрытие осуществляется методами окунания, газотермического или вихревого напыления, обычной кистью. Остывая, оно образует на поверхности сплошную защитную пленку толщиной несколько миллиметров.Разновидностью полимерных являются антифрикционные покрытия (АФП). Внешне эти материалы похожи на краски, однако вместо пигментов они содержат высокодисперсные частицы твердых смазочных веществ, которые равномерно распределены в смеси связующих компонентов и растворителей.-298451704340Основу АФП могут составлять дисульфид молибдена, графит, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и прочие твердые смазки, в качестве связующих применяются акриловые, фенольные, полиамид-имидные, эпоксидные смолы, титанат, полиуретан и некоторые другие специальные компоненты.АТСП MODENGY применяются в средне- и тяжелонагруженных узлах трения скольжения (направляющих, зубчатых передачах, подшипниках и т.д.), на деталях двигателей внутреннего сгорания (юбках поршней, подшипниках скольжения, дроссельной заслонке), в резьбовых соединениях и крепеже, трубопроводной арматуре, пластиковых и металлических элементах автомобилей (замках, петлях, пружинах, скобах, механизмах регулировки и т.д.), а также в других парах трения металл-металл, металл-резина, полимер-полимер, металл-полимер.Антифрикционные покрытия MODENGY отличаются:Высокой несущей способностьюРаботоспособностью в запыленной средеНизким коэффициентом тренияШироким диапазоном рабочих температурВысокой износостойкостьюПротивозадирными и антикоррозионными свойствамиСтойкостью к воздействию кислот, щелочей, растворителей и других химикатовРаботоспособность в условиях радиации и вакуумаПокрытия ложатся тонким слоем, поэтому практически не меняют исходные размеры деталей, зато обеспечивают им необходимый комплекс триботехнических и защитных свойств.Применение АТСП MODENGY позволяет эффективно управлять трением, повышать ресурс и энергоэффективность оборудования.Оксидные защитные пленки. Оксидирование – это окислительно-восстановительная реакция металлов, которая возникает благодаря их взаимодействию с кислородом, электролитом или специальными кислотно-щелочными составами. В результате этого процесса на металлических поверхностях образуется защитная пленка, которая увеличивает их твердость, снижает риск образования задиров, улучшает приработку деталей и повышает срок их службы.Оксидирование используется для получения защитных и декоративных покрытий, а также для формирования диэлектрических слоев. Различают химические, анодные (электрохимические), термические, плазменные и лазерные методы этой обработки.Резиновые защитные покрытия. Гуммирование, или создание защитных покрытий резины или эбонита, осуществляется для защиты различных емкостей, трубопроводов, цистерн, химических аппаратов, резервуаров для перевозки и хранения химических веществ от воздействия внешней среды.Защитное покрытие может быть сформировано из мягкой или твердой резины. Консистенция контролируется добавками серы: мягкая содержит от 2 до 4 % этого вещества, твердая – от 30 до 50 %.Покрытие наносится на предварительно очищенные и обезжиренные поверхности. Скопившийся после обработки воздух выдавливается валиком. В качестве заключительного этапа гуммирования проводится вулканизация изделий.Резиновые покрытия являются хорошими диэлектриками, обладают стойкостью ко многим кислотам и щелочам (но не к сильным окислителям). Из существенных недостатков резиновых покрытий можно выделить их старение со временем.Смазки и пасты. При длительном хранении и перевозке металлоизделий в качестве защитных покрытий могут использоваться специальные смазки и пасты – они препятствуют попаданию на поверхности влаги, пыли и различных газообразных веществ, наносятся кистью или методом распыления.Консервационные материалы изготавливаются на основе минеральных масел (вазелинового, машинного) и воскообразных веществ (воска, парафина, мыла). Очень популярны смазки, в состав которых входит 5 % парафина и 95 % петролатума (смеси парафинов, масел и минеральных восков – церезинов).Главный недостаток паст и смазок, применяющихся в качестве защитных покрытий, состоит в том, что целостность образовавшейся пленки легко нарушить. Именно поэтому лучшей альтернативой пластичных составов являются антифрикционные покрытия.
Заключение
Таким образом, покрытие — искусственно сформированный на поверхности изделия или конструкции слой, отличающийся от материала основы по составу и физико-химическим свойствам.Существующие методы нанесения покрытий делятся на следующие основные группы: химическое осаждение, электрохимическое осаждение, газотермическое напыление, вакуумное напыление, диффузионное насыщение.Химическое осаждение — получение покрытий из водных растворов солей, основанное на реакциях восстановления.Электрохимическое осаждение — получение покрытий на металлах из растворов или расплавов электролитов под действием электрического тока.Газотермическое напыление — получение покрытия из частиц дисперсного материала, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи.Вакуумное напыление — получение покрытия из парогазовой фазы с использованием контролируемых процессов испарения, синтеза, конденсации и сорбции вещества покрытия в виде отдельных атомов и молекул в вакууме.Диффузионное насыщение — получение покрытия путем легирования металлами и неметаллами поверхностного слоя основного материала при нагревании в среде, содержащей образующие покрытие элементы.В противокоррозионной практике для изоляции металла от воздействия агрессивных сред используются специальные защитные покрытия. Все они подразделяются на металлические и неметаллические.Металлические – анодные и катодные – покрытия наносятся на поверхности методами газотермического напыления, окунания, гальванизации, плакирования или диффузии.К неметаллическим защитным покрытиям относятся лакокрасочные составы, полимерные пленки, силикатные эмали, резины, оксиды металлов, соединения фосфора, хрома и др.
Список использованной литературы
1. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология материалов: учебное пособие А.М. Адаскин, В.М. Зуев / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. - М.: Форум, 2018. - 320 c.2. Груздев, В.С. Материаловедение: Учебник / В.С. Груздев. - М.: Academia, 2019. - 432 c.3. Медведев, М.С. Современные способы нанесения лакокрасочного покрытия / М.С. Медведев // Эпоха науки. – 2020. - №24. – С. 100-103.4. Методы нанесения металлических и неметаллических неорганических покрытий.                
https://studopedia.net/3_20957_metodi-naneseniya-metallicheskih-i-nemetallicheskih-neorganicheskih-pokritiy.html (дата обращения: 06.01.2022).5. Платов, С.И. Способы нанесения покрытий и актуальность их применения / С.И. Платов, Г.Х. Сальников // Современные достижения университетских научных школ. – 2020. – С. 33-36.