Исследование методов нанесения защитных покрытий

           Федеральное агентство по образованию РФ

ФГОУ СПО Арзамасский приборостроительный колледж им. П.И.Пландина

                          Творческая работа

      на тему: «ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ  НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ   ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ»

                                                               Выполнили:

                                                                            студенты гр.ТМ-439

                                                                                    Голубев А.,

                                                                                      Лапин А.

                                                                                  Руководитель:

                                                                                    Юдина Т.В.

                                                 Арзамас, 2010 г.

                                       Содержание.                                    с.

Введение.                                                                                 3

Основные методы нанесения покрытий.                              4

Заключение.                                                                           11                  

Список использованной литературы.                                 12

Введение.

Защитные покрытия широко применяются в промыш ленности, и их использование дает большой экономи ческий эффект. Поэтому методы их получения являются предметом многих исследований и изобретений.

При классификации покрытий используют различные принципы - по физической или химической природе по крытий, а также по физическим или химическим их свой ствам, например: металлические и неметаллические, тугоплавкие, химически стойкие, светоотражающие и т.д.

В основу методов получения покрытий могут быть по ложены различные принципы: физические, химические или технологические.

В настоящей работе рассмотрены только те методы, которые более или менее широко используются в про мышленности для получения жаростойких покрытий или могут, по нашему мнению, оказаться перспективными.

По назначению гальванические покрытия можно разделить на защитные, декоративные, декоративно-защитные и функциональные. Особого внимания заслуживают защитные цинковые и кадмиевые покрытия, создающие действенную защиту от электрохимической коррозии.

                                               - 3 -

Основные методы нанесения покрытий.

1. Метод порошков заключается в том, что деталь, на которой создается покрытие, помещают в контейнер и засыпают порошкообразной смесью. Смесь обычно со держит: порошок металла или сплава, являющегося соб ственно покрытием, активатор, в качестве которого чаще всего применяются голоидные соли, и нейтральное ве щество, порошок которого вводится в смесь для предотв ращения спекания металлической составляющей. Осо бенность метода состоит в том, что в состав смеси входит активатор, и в результате взаимодействия его с метал лом образуется газообразное соединение.

Способы порошкового метода отличаются друг от друга составом смеси и условиями получения покрытий. В част ности, разновидностью метода порошков является алюмотермический метод, при котором детали или образ цы засыпаются смесью порошков, но покрывающий ме талл получается из его окислов в результате взаимодей ствия с алюминием.

1.  Шликерный метод состоит в том, что покрытие на поверхность детали наносится в виде шликера - концен трированной суспензии порошков металлов, окислов или других соединений, а затем обжигается при высокой тем пературе. Формирование покрытия, получаемого шликерным методом, может сопровождаться или оплавлением шликера, или его испарением и осаждением на подлож ку, или непосредственным взаимодействием металличе ской составляющей шликера с подложкой. Иногда, в за висимости от концентрации твердой составляющей в сус пензии, применяют термины: «метод красок», «метод сус пензий», «метод паст».
2.  Газовый метод часто называют газофазовым или методом химического осаждения. Особенность метода заключается в том, что насыщающий металл находится в газообразной фазе в виде летучих соединений, а источ ник насыщающего металла не контактирует с деталями или образцами.

Разновидностью газового метода является циркуля ционный метод, по которому газовая среда, содержа щая металл (или металлы), с помощью вентилятора пе ремещается в замкнутом контейнере, где размещены детали. Металлизация в тлеющем разряде - еще один способ газового метода, при котором дополнительно ионизируется газовая среда.

3. Вакуумные методы характеризуются тем, что процесс получения покрытий ведется в вакууме при малом остаточном давлении. Вакуумные методы находят все более широкое применение, и существует много их разновидностей. Диффузионные покрытия иногда формиру ют в вакууме в смеси порошков при физическом контакте источника насыщающего элемента с подложкой. Чаще при использовании вакуумных методов подложка нахо дится на некотором расстоянии от источника насыща ющего элемента. И. Л. Ройх, Л. Н. Колтунова, С.Н.Федосов в работе «Нанесение защитных покрытий в вакууме» (М.: Машиностроение, 1976. 367 с.) различают следующие методы нанесения

                                                     - 4 -

покрытий в вакууме: катодное рас пыление - метод, при котором мишень

изготовлена из материала покрытия и распыление происходит при бом бардировке её положительными ионами; термическое напыление - метод, при котором в вакуумной камере испаряется металл и осаждается на поверхности под ложки, размещенной на пути потока паров металла, при этом давление паров металла должно быть достаточным для получения покрытия за приемлемое время; ионное осаждение представляет собой термическое напыление в газовом разряде, материал покрытия испаряется при сравнительно неглубоком вакууме, а на подложку пода ется достаточно высокий относительно тигеля с испаря емым металлом отрицательный потенциал; часть паров металла ионизируется в плазме газового разряда, а ионы осаждаются на заряженной подложке.

Авторы работы «Металлизация сталей и сплавов в вакууме» (Киев: Техника, 1974. 294 с.) называют один из вакуумных методов вакуум-диффузионной металлизацией. Вакуум-диффузионная металлизация характеризуется тем, что покрытие наносится при температуре подлож ки, близкой к температуре солидуса, и формирование покрытия сопровождается интенсивными диффузионны ми процессами. Этим диффузионная металлизация от личается от термического напыления в вакууме, при ко тором подложка нагревается до сравнительно невысо ких (200°С) температур.

Выделяют также электроннолучевой метод, при ко тором металл для покрытия расплавляется электронным лучом, а подложка нагревается до температур порядка 900-1000°С.

Установка МАП-2 для нанесения ионно-плазменных многокомпонентных защитных и упрочняющих покрытий

5.        Методы погружения заключаются в том, что изде лия окунают в ванну, в которой насыщающий металл на ходится в расплавленном состоянии. После этого для получения требуемых свойств проводится высокотемпературная термическая обработка, при которой в резуль тате диффузии формируется структура покрытия.

6.        Методы высокотемпературного распыления ха рактеризуются тем, что покрытие образуется в результа те последовательного нанесения дисперсных

                                               - 5 -

частиц материала, который расплавляется, распыляется и на правленной газовой струей перемещается к подложке. Формирование покрытия происходит при повышенных температурах в зоне контакта частицы с поверхностью. К
методам высокотемпературного распыления относятся: пламенный, плазменный и детонационный.

В работе Г. В. Болотникова «Современные покрытия для твердосплавного режущего инструмента» (СТИН. 1994. № 4) описаны некоторые вакуумные методы.

Метод ХОП (химического осаждения покрытия) ос нован на химических реакциях, протекающих при темпе ратуре свыше 1000°С в парогазовой среде, окружающей изделия. В результате на поверхностях изделия конден сируется химическое соединение (нитрид, карбид или карбонид титана, оксид алюминия).

Метод ФОП (физического осаждения покрытия) за ключается в испарении с ионизацией вещества с поверхности расходуемого электрода и последующей конден сации вещества на поверхность изделия, находящегося под отрицательным потенциалом. В результате плазмохимических реакций в вакууме в среде газа реагента (N2, СН4, 02 и др.) образуется соответствующее тугоплав кое соединение.

Среди методов ФОП наибольшее распространение получили метод конденсации в вакууме с ионной бом бардировкой (метод КИБ), а также магнитронно-ионное реактивное распыление (метод МИРР). Эти мето ды позволяют сравнительно просто получать многослой но-композиционные покрытия на основе нитридов, кар бидов, карбонитридов и оксидов тугоплавких металлов IV- VI групп периодической таблицы.

Методом КИБ покрытия наносятся при температуре 200-500°С. В указанном интервале температур интен сивность диффузии углерода из приповерхностных слоев твердосплавной основы невысока, поэтому в них практи чески не формируется хрупкая т-фаза. Покрытия, полу ченные методом КИБ, прочнее покрытий, образованных методом ХОП.

В последнее время все шире применяются методы, основанные на воздействии на поверхностные слои де талей потоков частиц (ионов, атомов, кластеров и кван тов) с высокой энергией. В первую очередь к ним отно сятся вакуумные ионно-плазменные методы.

Вакуумные ионно-плазменные процессы нанесения покрытий включают в себя следующие этапы: генерацию атомарного или молекулярного потока вещества; его ионизацию; ускорение, фокусировку и конденсацию на поверхности деталей или подложки. Для генерации по тока вещества используются испарение (обычно элект ронным лучом) и различные формы газовых разрядов.

Применительно к машиностроению вакуумные ион но-плазменные методы можно условно разделить на че тыре группы: ионно-диффузионные методы, осуществля емые в тлеющем разряде; методы, основанные на явле нии катодного

                                                 - 6 -

(ионного) распыления в разряде постоян ного тока и в высокочастотном разряде; ионное осажде ние; ионное легирование и внедрение (имплантация).

Методы, основанные на явлении катодного (ионно го) распыления предполагают формирование покрытия в результате конденсации нейтральных частиц, выбива емых из мишени бомбардировкой ионами инертного газа (обычно аргона). Энергия частиц наносимого материала на порядок выше, чем энергия тепловых частиц, образу ющихся при испарении. Системы распыления на посто янном токе используются для получения покрытий из проводящих электрический ток материалов, системы высокочастотного распыления - для получения покры тий из диэлектриков. Для улучшения качества покрытия наносятся с приложением к деталям отрицательного по тенциала смещения.

Магнетронные методы, осуществляемые в перекре щивающихся электрических и магнитных полях, позволя ют повысить скорость процесса осаждения покрытий до уровня, характерного для установок с электродуговыми испарителями, и уменьшить термическое влияние плаз мы на «обрабатываемые» детали.

Наряду с термином «магнетронное распыление» упот ребляют также термины «высокоскоростное распыле ние», «плазменное распыление» и др. Главный отличительный признак магнетронных систем - наличие под мишенями магнетронов, создающих арочное магнитное поле над мишенью. В результате образуется кольцеоб разная замкнутая зона в скрещенных электрических и магнитных полях, локализующих разрядную плазму в прикатодной области. Это дает возможность существенно увеличить степень ионизации плазмы, а следовательно, плотность ионного потока на мишени, благодаря чему скорость распыления в магнетронных системах в не сколько десятков раз превышает скорость распыления в традиционных распылительных системах и приближает ся к скорости термического испарения.

Энергия осаждаемых частиц находится в пределах 2-20 эВ и зависит прежде всего от атомной массы осаж даемого вещества, расстояния между источником и под ложкой, давления и электрических параметров разряда. С учетом дополнительных тепловых и других воздействий на подложку среднюю энергию осаждаемых частиц мож но принять равной к 10-100 эВ.

Плотность ионного тока при магнетронном распыле нии (без дополнительных систем ионизации) составляет 1-10 мА/смг и достигает насыщения при потенциале сме щения на подложке всего - 6 В (рис. 1). Это позволяет независимо от плотности ионов варьировать их энергию в широких пределах. При потенциале насыщения плот ность ионного тока можно регулировать за счет мощнос ти разряда. Для магнетронного распыления характерно отношение ионов к нейтральным частицам в пределах 0,1-0,5, причем оно существенно зависит от давления.

Типичные параметры процесса в магнетронных сис темах: напряжение на мишени 700 В, давление в камере 0,1-0,4 Па.

                                             - 7 -

Изменяя напряженность магнитного поля, можно в довольно широких пределах регулировать температуру подложки (от 50 до 250°С и выше).

На порядок снижается рабочее давление, что резко уменьшает загрязнение пленок газовыми примесями. Исключается интенсивная бомбардировка подложек высокоэнергетическими электронами, т.е. устраняется неконтролируемый нагрев подложки и повреждение структур.

При реактивном магнетронном распылении скорость осаждения чувствительна к напряжению между катодом и анодом. Увеличение напряжения на 20% повышает скорость осаждения на 150%.

Получена зависимость влияния парциального давле ния азота на показатель магнетронного распыления:

Е = Ullp,

где U - потенциал мишени; / - расстояние мишень - анод; р - давление.

Методы ионного осаждения заключаются в иониза ции и ускорении в электрическом поле частиц наносимо го материала, переведенного тем или иным способом в газообразное или парообразное состояние. Благодаря высокой энергии ионов при их соударении с поверхнос тью детали, находящейся под отрицательным потенциа лом, облегчается образование высококачественного по крытия. Этому способствует непрерывная самоочистка поверхности бомбардировкой ионами осаждаемого ма териала. Адгезия и служебные характеристики покрытий повышаются при увеличении до определенного уровня энергии частиц, задаваемой ускоряющим напряжением.

Йонное легирование (имплантация) состоит в том, что при очень больших энергиях ионов они проникают в кри сталлическую решетку, легируя поверхностный слой де тали. Механические свойства слоев толщиной, многократ но превышающей глубину проникновения ионор, также улучшаются в результате искажений кристаллической ре шетки.

Реактивный электронно-плазменный метод (РЭП) представляет собой нагрев распыляемого материала (анода) электродами, имитируемыми нагретым катодом. Капельная фаза не образуется, и исходная шерохова тость поверхности в результате нанесения покрытия прак тически не увеличивается.

Распыление - физический процесс, вызванный пе редачей атомам подложки кинетической энергии бом бардирующей частицы, достаточной, чтобы «выбить» атом подложки.

Практическое применение рассмотренных методов зависит от назначения покрытий и технологических воз можностей их осуществления.

Большинство деталей ремонтируемых машин выбра ковываются вследствие незначительного износа рабочих поверхностей, составляющего не более 1% массы дета лей. Причем для повторного использования после вос становления пригодно до 75% изношенных деталей. Так, у 83% деталей износ составляет до 0,6 мм, и 52% из них имеют простую цилиндрическую форму.

                                                - 8 -

Этот факт предоп ределяет широкие возможности внедрения технологий восстановления, что является существенным резервом материальных и трудовых ресурсов. В то же время, приме няя комплексные технологии восстановления, можно по лучить особые свойства поверхности с более высокими эксплуатационными характеристиками, чем у новых изде лий, без потери прочности основного материала, как пра вило, прошедшего все виды термической обработки.

Центр высоких технологий ТолПИ занимается дальней шим развитием газотермических методов упрочнения де талей автомобиля: поршневых колец, коленчатых валов, распределительных валов, пальцев, ступиц, вилок КПП; деталей тепловых станций: валов багерных насосов, ва лов двигателей, плунжеров насосов, штоков задвижек, крыльчаток насосов, корпусов крупных подшипников; де талей сельскохозяйственных машин (рис. 2-5). Все эти де тали относятся к изделиям ответственного назначения, работающим в жестких условиях температурного и сило вого нагружения, в агрессивных и абразивных средах.

Практика показала, что некоторые свойства (адгезия, ударная вязкость, коррозионная стойкость, плотность) покрытий, полученных по традиционным технологиям газотермического напыления, недостаточны при общей возможности управления основными прочностными ха рактеристиками (твердостью и пластичностью).

Научные исследования, проведенные в Центре высо ких технологий ТолПИ, позволили существенно снизить на пряженное состояние газотермических покрытий, улуч шить структуру, химический состав и, следовательно, свой ства покрытий. Благодаря подробному изучению физико-химического взаимодействия на границах фаз стало воз можным применение диффузионной модели при форми ровании газотермических покрытий. За счет концентра ции и локализации плазменных потоков можно макси мально диспергировать структуру и уменьшить темпера турное воздействие на уже термически упрочненную ос нову, сохраняя ее исходные свойства. Большой темпера турный градиент накладывает важное условие: разница коэффициентов термического расширения материала ос новы и напыляемого покрытия должна быть минималь ной (желательно не более 10%) во избежание концент раций напряжений на границе раздела фаз. Это и дости гается применением диффузионной модели нанесения газотермических покрытий. Первые слои покрытия близ ки по составу и свойствам к основному материалу подлож ки с дальнейшим плавным изменением химического со става по сечению покрытия, т.е. с увеличением содержания С, В, Сг свойства изменяются в сторону упрочнения, причем, благодаря высокой дисперсности структуры, без значительной потери пластичности. Напыленные соеди нения имеют низкий коэффициент трения, высокую допу стимую рабочую температуру (до 800°С). В этом и заклю чаются основные достижения Центра высоких технологий ТолПИ в развитии газотермической технологии (рис. 6,7).

                                         - 9 -

Для повышения адгезионных свойств плазменно-напыленных покрытий предлагается одновременное или последовательное локальное оплавление самофлюсу ющихся составов на основе системы Ni-Cr-B-Si. Наиболее эффективным и технологичным методом обработки плазменно-напыленных покрытий является лазерная элект ронно-лучевая вторичная обработка концентрированной плазмой, так как локальность температурного воздей ствия не вызывает общей деформации изделия, а высо кая скорость охлаждения локального очага расплава ве дет к дополнительной диспергации структуры и дополни тельному дисперсионному и термическому упрочнению.

Газотермические покрытия находят применение в различных промышленных отраслях - аэрокосмической технике, турбостроении, судостроении, автотракторной промышленности, сельскохозяйственном машинострое нии, химическом машиностроении. Учитывая все возра стающие требования к технологии получения и свойствам ответственных деталей, а также экономическое положе ние в стране, любые новые достижения, несомненно, будут востребованы.

Запросы на региональном уровне поступают в ТолПИ постоянно, и уже наметились пути создания производ ственной базы по восстановлению и упрочнению дета лей подвижного автотранспорта на основе Центра высо ких технологий ТолПИ и ассоциации «Самараавтотранс».

                                                  - 10 -

Заключение.

Защитные покрытия широко применяются в промыш ленности, и их использование дает большой экономи ческий эффект. Поэтому методы их получения являются предметом многих исследований и изобретений.

Покрытия используются как для защиты материалов, так и для декорирования изделий.

                                              - 11 -

Список использованной литературы.

1. Производственно-технический журнал «Машиностроитель», № 5, 2001.
2. Справочное руководство по гальванотехнике. Ч.1. Перев. с нем. Изд-во

«Металлургия», 1972.

                                            - 12 -