19:10-22:00

Технология декоративных покрытий,

лекции уч.к.1, 6303, Сивенков А.В.

19.03.13, вторник

Цель декоративных покрытий (ДП) – изменение цвета металлического изделия, его фактуры, экономное нанесение дорогих благородных металлов на поверхность изделий из дешевых материалов.

Чаще всего применяются: никелирование, омеднение, хромирование, лужение, серебрение, золочение, превращение латуни в золото, превращение олова в бронзу, воронение, окраска медных, алюминиевых изделий в различные цвета.

Непроизводственные, общедоступные методы: гальваника, гальванопластика.

Воронение – оксидирование, цвет от черного до сине-фиолетового.

Классификация методов и способов нанесения ДП:

1. Химико-термический.

   1. Из твердой фазы: (из порошковых смесей; из предварительно нанесенных слоев, обмазки). Пример: брали ящик толстостенный, заполняли древесным углем (мелким), закапывали меч, нож, зубчатое колесо, накрывали крышкой и при 800-900 ^оС, в течение 8 часов происходила цементация поверхности.

   2. из паровой фазы: диффундирующее вещество испаряется и наносится на поверхность.

   3. из газовой фазы.

   4. из жидкой фазы: из расплавов солей, из легкоплавких расплавов, из расплавов чистых металлов.

2. Термомеханический метод нанесения ДП. Осуществляется:

   1. Напылением: вакуумное, электродуговое, плазменное, детонационное

   2. Плакирование (прокатка, биметаллы): механическое и взрывное

3. Электрохимический метод:

   1. Из расплавов солей: диффузионный

   2. Из водных растворов: гальванический и электронатиранием

   3. Из газовой фазы: в тлеющем разряде; электроискровой.

4. Химический

   1. Из растворов: восстановлением (воронение); контактным обменом; внутренним электролизом.

   2. Из газовой фазы: пиролитическим разложением;

Вывод: таким образом, достоинство и недостатки технологий:

• наиболее равномерные покрытия получаются при погружении в растворы или расплавы.

• Наиболее прочными являются диффузионные покрытия.

Критерии оценки технологичности процессов нанесения покрытий

При выборе методов и способов нанесения покрытий необходимо уделять внимание экономической эффективности. Это обеспечивается следующими характеристиками:

1. универсальность, то есть возможность проведения операций производственного цикла с помощью идентичных технологических приемов.

2. Технологичность конструкции изделия, т.е. минимальные затраты труда, времени, материалов на подготовку и обработку.

3. Непрерывность технологических операций в сочетании с групповой обработкой изделий.

4. Высокая скорость при проведении основных операций.

5. воспроизводимость параметров на каждой операции и высокий процент выхода годной продукции

6. формализация, т.е. возможность использования математического алгоритма или управления с помощью ЭВМ.

7. конкурентоспособность процесса с возможностью быстро перестраивать оборудование для новых изделий.

Виды покрытий.

Роль поверхности материала. Поверхность обеспечивает прочность, трение и износ, сопротивление коррозии, декоративное восприятие. Эти функции могут выполнять покрытия.

1. Неметаллические коррозионно-стойкие покрытия, бывают органические и неорганические. Они, как правило, диэлектрические и не вызывают электрохимического воздействия на материал изделия. К органическим покрытиям относятся лаки и краски. Многослойная структура из различных красящих веществ называется системой лакокрасочного покрытия. Из неорганических неметаллических покрытий для защиты стали, чугуна используются эмали. Наносится на поверхность в виде порошка или взвеси и обжигается при 1000 ^оС. Недостатки эмали – хрупкость, чувствительность к ударам. Стеклообразные и керамические покрытия, в отличие от эмали, недостаточно плотные. Современные неорганические покрытия на основе эпоксидных и полиэфирных смол, а высокой устойчивостью к механическим, внешним атмосферным и другим воздействиям обладают полиуретановые покрытия

2. Металлические коррозионно-стойкие покрытия. Наиболее распространенными являются покрытия Цинковые, кадмиевые, алюминиевые, хромовые, никелевые и т.д. В атмосферных условиях стальные изделия хорошо защищают цинковые и кадмиевые покрытия, кадмиевые надежнее. Срок службы цинкового покрытия зависит от толщины покрытия и не зависит от способа нанесения. Например, толщина 42 мкм обеспечивает защиту в промышленных условиях 3,5 лета, в сельской местности – более 10 лет. Кадмиевое покрытие предпочтительно для щелочных и кислых сред. Выдерживает частую разборку механизма. При толщине 42 мкм в морской атмосфере сохранение защитных свойств – 8 лет.

3. Жаростойкие покрытия. Используются жаростойкие покрытия на основе алюминия и хрома. Алитирование (нанесение алюминия) защищает металл в газовых средах до 1000 ^оС. Хром, хромирование защищает сталь в агрессивных средах (газ, мазут до 800^оС) в сочетании с высокой износостойкостью. Керамические покрытия на основе оксидов кремния, титана, бора, цинка, никеля на железе работоспособны до 1100^оС. Перспективными являются покрытия на основе металлоподобных соединений: боридов, карбидов, нитридов, силицидов, они устойчивы при 1200, 1600 и даже до 1800^оС.

4. Износостойкие покрытия.

К числу наиболее часто встречающихся видов разрушений является износ. Изнашивание деталей происходит при скольжении, ударе, качении, скольжении с качением. Основные виды изнашивания это механическое, коррозионно-механическое и молекулярно-механическое.

Механическое: 1. Абразивное, когда происходит резание или царапание твердыми частицами в зоне контакта. 2. Адгезионное, в результате связи между поверхностными слоями двух разнородных тел при их соприкосновении. 3. Эрозионное, это механическое воздействие твердых частиц в потоке жидкости или газа. 4. Кавитационное, в результате ударов жидкости при схлопывании паровых пузырьков на поверхности материала. 5. Усталостное, в результате воздействия циклических контактных напряжений сжатия.

Коррозионно-механическое: 1. Окислительное изнашивание, это постоянное разрушение непрерывно возобновляющейся окисной пленки. 2.Фрэттинг-коррозия, это разрушающее воздействие малых колебаний, сопряженных поверхностей, обусловленных деформациями, люфтами.

Молекулярно-механическое. 1. Схватывание и заедание, это повреждение поверхности в результате молекулярных сил и внешнего механического действия. Как пример – схватывание нержавеющей резьбы.

Материалы для износостойких покрытий.

С изнашиванием деталей (изделий) целесообразно бороться нанесением износостойких покрытий. Известны широко внедренные методы и способы нанесения покрытий: цементация (нанесение углерода на поверхность стали, твердость 650-780HV, h=1мм), азотирование (250-1100 HV, h=0,2-0,6мм), хромирование (1800-2000 HV, h=0,01-0,02мм), титанирование (2500-4000HV, h=0,01-0,15мм), борирование (1100-1500 HV, h=0,1-0,2мм).

Wc+TiC+TaC+Co – прессованные инструментальные твердые сплавы. Сперва прессуют, потом спекают. Выдерживают 1100-1200^оС, больше не выдерживает кобальт.

С помощью высоких температур, например плазмы, наносят металлы (W, Vn, Ti, Zr), керамические и металлокерамические покрытия (на основе карбидов, боридов, нитридов, силицидов, с добавками кобальта и никеля для связки. Низкотемпературные технологии нанесения покрытий: например, внедрение в электроосажденный никель или алюминий, внедряются оксид алюминия, оксид кремния, и т.д. Или органические полимеры, например: политетрафторэтилен (тефлон). Благодаря смазывающему эффекту на поверхности бронзы, чугуна, уменьшается износ изделия. Тонкий слой электролитического никеля (0,2 мм) увеличивает износостойкость скользящих поверхностей.

Широкое применение нашли самофлюсующиеся порошковые системы: Ni+Br+Cr+Si. Порошок напыляется на изделие, а затем оплавляется при 1000-1100 ^оС

С помощью плазмы наносят окиси алюминия, двуокись циркония, карбиды бора.

Широко применяются покрытия из фторопласта, на основе фенолформальдегидных и эпоксидных смол, полиамидов. Фторопласт обладает очень высокими антифрикционными свойствами, работает при T до 300 ^оС.

К неметаллическим неорганическим покрытиям для защиты от износа относятся стеклообразные и керамические покрытия. Хорошо наносятся напылением порошка.

Из цветных металлов антифрикционными являются бронзы, свинцовистые латуни, баббиты (сплав на основе свинца, олова, меди и др.); материалы, содержащие в структуре графит, дисульфид молибдена, нитрид бора и т.д.

Износостойкие материалы можно наплавлять с помощью сварки. В струю сварочной плазмы наплавляемый материал подается в виде прутка, проволоки, порошка.

Электрохимические и химические покрытия.

Электрохимические – это покрытия, осаждаемые на изделия в виде ионов металла из электролита с помощью электрического тока. Гальваника. Электрохимические покрытия в зависимости от назначения могут быть от долей микрона до десятых долей миллиметра.

Химические покрытия наносятся химическими методами за счет восстановления металлов покрытия из растворов, газовой среды без внешнего электрического тока. Химические покрытия обычно более 10 мкм не наносят.

Преимущества указанных методов в том, что не используются высокие температуры, можно создавать покрытия из чистых металлов, соединений, многослойные покрытия путем последовательного осаждения.

Химические и электрохимические покрытия условно делят на три группы: 1. защитные (от коррозии, износа); 2. защитно-декоративные; 3. специальные (твердость, износостойкость, паяемость)

Электрохимические покрытия.

По механизму защиты их подразделяют на катодные и анодные. Катодным металлическим считается покрытие более положительное, чем защищаемый металл.

φ^оп>φ^ом

(например, φ^о Au, Ag, Cu, Ni, Pb > φ^о стали). Защищает металл только механически. При повреждении покрытия начинается коррозия материала.

Анодное металлическое покрытие

φ^оп<φ^ом

(например, φ^о Cr, Zn, Al, Mg, Cd, Ti < φ^о стали) защищает металл изделия химически, когда оно сплошное (не повреждено) и электрохимически при наличии повреждения покрытия. В этом случае начинается электрохимическая коррозия покрытия до полного его расходования.

02.04.2013 Г.

Рассмотрим процесс нанесения электрохимического покрытия на примере цинкования.

Ванну заполняют кислым электролитом водного раствора сернокислого цинка ZnSO₄ , в нее погружают изделие (К, «—»), пластинами из цинка (А «+») окружают изделие и подключают к источнику постоянного тока.

Под воздействием электрического тока электролит диссоциирует на катионы Zn⁺ и анионы SO₄^-.Цинк оседает на изделии, анионы движутся к цинковым пластинам и растворяют их. Концентрация цинка в электролите поддерживается постоянной.

Недостаток процесса: параллельно происходит диссоциация воды. Водород наводораживает поверхность металла. Это приводит к поверхностной хрупкости металла. Процесс происходит при Т 15-40 ^оС, продолжительность от минуты до двух и более часов в зависимости от толщины покрытия.

Хромирование происходит при Т 35-70 ^оС, схема та же: катод – изделие, анод – свинцовые пластины. Состав электролита Хромовый ангидрид CrO₃ + серная кислота H₂SO₄ .В этом случае в процессе хромирования раствор обедняется хромом и требуется постоянный контроль химического состава электролита. В зависимости от Т^оС и плотности тока (А/см²) покрытие получается различной твердости и хрупкости. Различают мягкие покрытия и твердые (от 5мкм до 1 мм, сразу имеет сетку трещин, зрительно невидимую).

Три основные стадии нанесения электрохимических покрытий:

1. Подготовительные операции (очистка, обезжиривание)

2. Непосредственно нанесение покрытия.

3. Отделочная, т.е. полировка.

Качество покрытия, его внешний вид сильно зависят от температуры, плотности тока, состава электролита. Для усиления блеска иногда добавляют блескообразователи, специальные химические компоненты.

Недостатки: 1. наводораживание, 2. низкая прочность сцепления покрытия с металлом изделия. 3. Резкий переход химического состава. 4. Сложность, а порой невозможность нанесения равномерного покрытия на объемные сложные изделия, на поверхности внутри изделия.

Режим Гальванического никелирования: 450г воды, растворить 25г кристаллического сульфата никеля, 10г борной кислоты или цитрата натрия. Плотность тока 0,005 А/см². Температура 30-35 ^оС.

Меднение: Изделие – катод; электролит: на один литр воды 250г сульфата меди (медный купорос) и 50-80г концентрированной серной кислоты (40%). Анод – медная пластина. Напряжение 3-4 В, плотность тока от 0,02 до 0,3 А/см². Температура 18-30 ^оС. Чем сложнее форма детали, тем меньше ток.

Электронатирание. Анод – мягкая подушечка или игла, смоченные в растворе электролита с металлом покрытия. Напряжение примерно 6В, покрытие может быть никель, хром, олово, цинк, кадмий, золото, серебро. Для ускорения процесса используют электролиты высокой концентрации. Покрытия от электронатирания матовые или слегка блестящие.

Современные электрохимические методы позволяют наносить композиционные покрытия, содержащие частицы от 0,1 до 10 мкм оксидов, карбидов, боридов, нитридов, алмаз, графит, полимеры.