книги / Методы нанесения покрытий

УДК 621.79 С38

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В.Я. Беленький (Пермский государственный технический университет);

канд. техн. наук, доцент О.А. Косолапов

Синани, И.Л.

С38 Методы нанесения покрытий / И.Л. Синани, Е.М. Федосеева, Г.А. Береснев: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм.

гос. техн. ун-та, 2008. – 110 с.

ISBN 978-5-88151-987-2

Рассмотрены вопросы нанесения металлических и неметаллических покрытий, а также некоторые вопросы механизма формирования покрытий и технологические особенности различных методов нанесения, в том числе и методов газофазного осаждения. Включены данные о строении поверхности и методы ее подготовки к нанесению покрытий.

Предназначено для студентов и преподавателей машиностроительных, технических и других специальностей.

УДК 621.79

ВВЕДЕНИЕ

Достижение высокого качества машин и аппаратов, выпускаемых промышленностью по минимальным ценам, немыслимо без применения наиболее прогрессивных, экономически выгодных технологических методов. В большинстве случаев современные машины эксплуатируются в жестких условиях контактирования свысокотемпературными газовыми потоками, агрессивными газами и абразивными веществами, вызывающими интенсивный износ или коррозию. В связи с этим возникает необходимость применения специальных приемов, обеспечивающих радикальное повышение износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости идругихсвойств рабочей поверхностиматериалов.

Если проанализировать условия эксплуатации металлических, композиционных, порошковых, керамических изделий, то окажется, что в большинстве случаев они основную нагрузку несут своей поверхностью. Под нагрузкой в данном случае понимаются механические воздействия на поверхность: деформация и разрушение поверхности под действием механических сил, износ, химическое воздействие на поверхность жидкими или газовыми агрессивными средами, – что может приводить к растворению поверхностных слоев, их окислению, взаимодействию с другими элементами с образованием непрочных отслаивающихся соединений, хрупких слоев и других веществ, ухудшающих работоспособность изделий.

Большой ущерб производству наносит коррозия. Каждая шестая доменная печь в настоящее время работает для возмещения ежегодных потерь металла от коррозии. Другая причина выхода из строя машин и оборудования состоит в поломках, обусловленных разнымивидами износа, впервуюочередь, впарахтрения.

Согласно данным фирмы «Кастолин» (Швейцария), стоимость простоев, вызванных этой причиной, составляет в металлургии иметаллообработке 13 %, в электротехнике – 15 %, в текстильной промышленности – 16 %, в химической – 18 % от общих затрат на

5

эксплуатацию оборудования. Изготовление запасных частей для автомобилей и сельскохозяйственной техники поглощает металла столько же, сколько производство новых машин. Ущерб от коррозиииабразивногоизносаещеболеезначителен.

Предотвращение коррозионного разрушения изделий и их износа возможно путем применения новых материалов, например путем использования для изготовления изделий сложнолегированных нержавеющих сталей, титановых сплавов и других материалов. То же можно сказать и о предотвращении износа за счет применения новых износостойких, например металлокерамических, сплавов взамен неизносостойких сталей.

Однако наиболее целесообразно изменение состава только поверхностных слоев, поскольку именно поверхность изнашивается, коррозионно разрушается в первую очередь. Таким образом, важнейшим приемом, увеличивающим работоспособность деталей машин, узлов, механизмов, являются покрытия.

Анализ литературных и нормативно-информационных источников в области теории и технологии нанесения покрытий свидетельствует о том, что несмотря на обширную имеющуюся информацию о разнообразных способах и разновидностях покрытий, стандартизацию части из них, единого учебника либо учебного пособия по нанесению покрытий не имеется. Задача настоящего издания– частично устранить имеющийся пробел в этой области

иобеспечить учебной литературой студентов технических специальностей. Пособие охватывает методы нанесения металлических

инеметаллических неорганических покрытий химическими, электрохимическими, диффузионными методами, а также методами

вакуумного, газотермического, плазменного напыления и др. Вкурсе не рассматриваются вопросы лакокрасочных и эмалевых покрытий, составляющиесамостоятельные отраслизнаний.

6

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ И ТРЕБОВАНИЯ

КМАТЕРИАЛАМ ПОКРЫТИЙ

1.1.Основные понятия о покрытиях и способах их получения. Классификация покрытий

Покрытие – это слой или несколько слоев материала, искусственно полученных на покрываемой поверхности. Основное назначение покрытий – защита покрываемой поверхности от разрушения в результате взаимодействия ее с внешней средой за счет механических и физико-химических факторов (абразивный износ, коррозия и др.).

Покрытия наносят на стали и чугуны, никелевые, кобальтовые, хромовые и ванадиевые сплавы; тугоплавкие металлы и сплавы: молибден, вольфрам, ниобий, тантал; сплавы на основе активных металлов – титана и циркония; сплавы на основе легких и тяжелых цветных металлов: алюминия, магния, бериллия, цинка, меди; пластические массы и углеродистые изделия; керамические, композиционные и порошковые изделия. Часто покрытия на металлы, стекло, керамику, кремний, германий и другие полупроводниковые материалы, кроме повышения износостойкости и коррозионной стойкости, наносят для придания специфических электрических, оптических и других специальных свойств и качеств изделий, в том числе для получения микросхем на полупроводниковых кристаллах. Во многих случаях процессы покрытий лежат в основе технологии получения композиционных конструкционных материалов и изделий из них.

Согласно современной классификации различают следующие способы нанесения покрытий:

1.Химические покрытия.

2.Покрытия электролитические (гальванические).

3.Покрытия диффузией в твердом состоянии.

7

4.Покрытия материалом в расплавленном состоянии.

5.Контактная металлизация.

6.Покрытия с использованием неорганического порошка.

7.Покрытия вакуумным испарением, распылением или ионным внедрением.

8.Комбинированные способы покрытия, включающие два или более последовательно осуществляемых процесса.

Дальнейшее развитие этой общей классификации позволяет детализировать способы и рамки их использования применительно к тем или иным материалам и условиям реализации.

1.2.Анализ основных требований к материалам

исвойствам покрытий в зависимости от условий эксплуатации деталей

Необходимость применения упрочняющих, восстановительных и декоративных покрытий в машиностроении обусловлена различными условиями эксплуатации детали: температурой, давлением, скоростью и химической агрессивностью среды, абразивным износом, излучением и т.д. Конкретная совокупность этих условий определяет назначение покрытия (термостойкие, жаростойкие, эрозионно стойкие, износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, отражающие или поглощающие различные излучения). Независимо от этого материал покрытия должен полностью удовлетворять условиям эксплуатации детали как по температуре плавления, так и по механическим, теплофизическим ихимическим свойствам. Вместе с тем необходимо обеспечить химическую и термодинамическую совместимость покрытия с материалом напыляемой детали, что имеет существенное значение для достижения высокой прочности сцепления покрытия с основой. В тех случаях, когда это выполнить невозможно, осуществляютнапылениепромежуточных подслоев.

Свойства покрытий в значительной степени зависят от метода их нанесения. Установлено, что значения плотности, а также механических и многих теплофизических свойств покрытий

8

меньше, чем у монолитного материала, из которого нанесено покрытие, а количественные характеристики того или иного свойства зависят от метода и режима напыления. Проведя анализ результатов исследований покрытий и изучив влияние их свойств на качество получаемых изделий, сформулируем основные требования к материалам и покрытиям различного назначения.

Термостойкие покрытия. Термостойкость (термическая стойкость) – свойство хрупких материалов (главным образом огнеупорных) противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям. Как правило, термостойкость определяется температурным градиентом или числом циклов нагрева и охлаждения, выдерживаемых материалом довозникновениятрещинилиразрушений.

Материал для этих покрытий должен иметь температуру плавления Тпл, превышающую температуру Тэксп, высокий коэффициент теплопроводности λпокр и быть достаточно пластичным. Коэффициенты линейного термического расширения (КЛТР) покрытий αпокр должны иметь значения, близкие к КЛТР материала подложки. При эксплуатации покрытие не должно образовывать с материалом подложки легкоплавких эвтектик и должно быть химически стойким в рабочей среде. В диапазоне рабочих температур покрытие должно иметь как можно меньше фазовых превращений, приводящих к изменению объема.

Процесс нанесения термостойких покрытий должен обеспечить регулируемую в заданных пределах пористость, позволять управлять структурой покрытия и в минимальной степени влиять на фазовый состав напыляемого материала.

Жаростойкие покрытия. Жаростойкость (окалиностойкость, жаропрочность) – свойство материалов выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Жаростойкость определяется сопротивлением ползучести, достаточной прочностью в течение длительного времени, а также способностью противостоять химическому разрушению поверхности под действием окислительной газовой среды при высоких температурах.

9

Материалы, применяемые в качестве жаростойких покрытий, должны иметь температуру плавления значительно выше рабочей температуры. В случае максимальных значений механических свойств материала (прочность, пластичность и т.д.) коэффициент теплопроводности должен быть минимальным. При рабочих температурах материал должен иметь минимальную ползучесть и высокий коэффициент теплового излучения, при этом коэффициент термического расширения αпокр покрытия должен быть близок к КЛТР основы.

Процесс нанесения жаростойких покрытий должен обеспечивать получение покрытий достаточной толщины с заданной пористостью, минимальными структурными и фазовыми превращениями, а также с высокими механическими свойствами и прочностью сцепления.

Эрозионно стойкие покрытия. Эрозионная стойкость – свойство поверхностных слоев материалов не подвергаться разрушению в результате воздействия потоков газа, жидкости, твердых частиц, а также при кавитационных явлениях или под влиянием электрических разрядов.

Материалы для этих покрытий не должны иметь рабочие температуры значительно ниже Тпл, фазовые переходы с существенным изменением объема, образовывать легкоплавкие эвтектики с материалом подложки. Вместе с тем они должны отличаться высокими механическими свойствами, большой твердостью, высокой коррозионной стойкостью и близкими коэффициентами термическогорасширениясКЛТРматериалаподложки.

Процесс нанесения эрозионно стойких покрытий должен обеспечивать создание управляемых и стабильных в пространстве структур для композиционных материалов, минимальную пористость, а также высокие когезионную прочность и прочность сцепления с подложкой.

Износостойкие покрытия. Износостойкость – свойство материала деталей машин противостоять изменению размеров, формы или состояния его поверхности вследствие остаточных деформаций от действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении.

10