Металлические покрытия

Нанесенные металлопокрытия способны придавать поверхности изделий высокие показатели износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости, а также некоторые особые физические свойства. Строение и свойства покрытий в значительной мере определяются способами их нанесения, к которым относятся: погружение в расплав, термодиффузия, гальваническое осаждение, напыление, плакирование.

П о г р у ж е н и е в расплав позволяет покрывать изделия из углеродистой стали цинком, оловом, свинцом, алюминием. При взаимодействии с металлом основы расплав проявляет большую химическую активность, которая увеличивается с ростом температуры. Поэтому для методов погружения пригодны только указанные металлы, имеющие низкую температуру плавления.

Прочность сцепления металла покрытия с металлом основы обусловливается образованием сплава между этими металлами в виде их химического соединения. Возникающий промежуточный слой имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому его толщина не должна превышать несколько микрометров.

Получаемые покрытия защищают стальные изделия от электрохимического коррозионного воздействия влажной атмосферы, разбавленных растворов солей, кислот, щелочей благодаря их собственной коррозионной стойкости, плотности и толщине. Рост толщины покрытия при погружении изделия в расплав зависит от температуры расплава, выдержки в расплаве, толщина может достигать 0,05 мм.

Механизм антикоррозионной защиты изделий обусловлен соотношением электродных потенциалов металла основы и покрытия в данных условиях коррозии. В случае, если потенциал металла покрытия более электроположителен, чем потенциал металла основы, то покрытие является катодным, при более электроотрицательном своем потенциале покрытие играет роль анода в коррозионном процессе.

Катодное покрытие при нарушении его сплошности и проникновении электролита к основному металлу обусловливает начало электрохимической коррозии с анодным растворением основного металла и образованием продуктов коррозии. Распространение коррозионного процесса под покрытием вызывает его отслаивание и потерю защитных свойств. Поэтому катодные покрытия защищают металл изделия только механически, изолируя его от воздействия коррозионной среды, но не защищают его электрохимически.

Анодное покрытие при возникновении в нем несплошностей обусловливает коррозионный процесс, в котором основной металл является катодом и не подвергается коррозионному разрушению. Таким образом, анодное покрытие способно защищать металл основы и механически, и электрохимически.

Из покрытий стальных изделий, получаемых погружением в расплав, при обычных коррозионных воздействиях катодными являются покрытия свинцом и оловом, анодными – покрытия цинком и алюминием. Поэтому к плотности и прочности катодных покрытий свинцом и оловом предъявляются высокие требования.

Т е р м о д и ф ф у з и я как метод высокотемпературного насыщения металлами поверхности стальных изделий для придания им высоких характеристик жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости описана в п. 3.5.5. Более низкие температуры порядка 400^оС применяются для получения цинковых покрытий на мелких стальных деталях с высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере. Необходимая активация поверхности и процесса диффузии цинка достигается применением порошковой смеси цинка с химическими активаторами. Изделия для диффузионного цинкования укладываются в ящики, засыпаются порошковой смесью и загружаются в печь. После выдержки в течении 4 ч образуется диффузионный цинковый слой толщиной 0,1 мм.

Г а л ь в а н и ч е с к о е осаждение наиболее широко применяется для получения покрытий с высокими защитными свойствами из многих металлов и сплавов, включая Cr, Ni, Zn, Fe, Cu, Cd, Sn, Pb и др. Регулируя режим осаждения, можно в широких пределах изменять химический состав и структурно-фазовое состояние покрытия, за счет чего управлять его свойствами: твердостью, прочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, жаростойкостью.

Сущность процесса электроосаждения заключается в использовании ванны с водным раствором электролита, содержащим ионы осаждаемого металла и подвергаемого электролизу. Покрываемые изделия погружаются в электролит и подключаются к отрицательному полюсу источника постоянного тока, т.е. в качестве катода. Анодом служит растворяемая пластина из осаждаемого металла либо графит или металл, нерастворяемый при электролизе.

В процессе пропускания через электролит постоянного электрического тока на изделиях-катодах происходит разряд катионов электролита с электроосаждением атомов металла и образованием покрытия, а также разряд ионов водорода с его выделением в газообразном виде:

Meⁿ⁺∙mH₂O+ne=Me+mH₂O,

H⁺∙H₂O+e=H+H₂O=0,5H₂+H₂O.

В это же время на анодах металл переходит в электролит в виде катионов или происходит разряд анионов электролита:

Me+mH₂O=Meⁿ⁺∙mH₂O+ne,

4OH^–=O₂+2H₂O+4e.

Заданные свойства покрытия получают за счет изменения режима электролиза: состава электролита, его температуры, катодной плотности тока и его направления, наложения ультразвуковых колебаний. Используя определенный режим, можно получать покрытия тонкие и толстые, твердые и мягкие, плотные и пористые, матовые и блестящие, однослойные и многослойные применительно к самым различным деталям приборов, механизмов, машин и условиям их эксплуатации.

Н а п ы л е н и е покрытий позволяет придавать поверхности изделий большую контактную прочность и износостойкость, высокое сопротивление коррозии, жаростойкость и жаропрочность, а также специальные свойства: эмиссионные и антиэмиссионные, геттерные, теплоизоляционные и электроизоляционные, биоактивные и биоинертные. Метод напыления обеспечивает эффективное получение покрытий из легированных сталей, цветных металлов и сплавов, полимеров и композиций на их основе. Кроме этого, указанные покрытия могут наноситься на изделия из металлов и многих неметаллических материалов.

Сущность большинства процессов напыления состоит в распылении либо испарении напыляемого материала с образование его частиц в виде потока, направляемого на поверхность изделия, где частицы при ударе и взаимодействии с поверхностью формируют покрытие. В зависимости от способа создания частиц и их потока, а также от вида напыляемых частиц методы напыления покрытий делятся на газотермическое напыление и вакуумноконденсационное напыление.

Газотермическое напыление использует процессы плавления и распыления металла, а также других материалов под воздействие газовой струи, с образованием потока распыленных частиц, направленного к поверхности изделия и формирующего покрытие.

По принципу нагрева и расплавления материала газотермическое напыление разделяют на два метода:

1. Напыление с расплавлением за счет высокотемпературного газового потока, где по виду нагрева различают следующие способы: а) плазменное напыление, б) газопламенное напыление, в) детонационно-газовое напыление.

2. Металлизация с расплавлением путем электронагрева, в которой выделяют такие способы: а) электродуговая металлизация, б) высокочастотная металлизация.

Газотермическим расплавлением и напылением получают покрытия толщиной от 0,15 мкм до 2 мм, используя порошки, проволоку, фольгу из металлов и различных неметаллов, включая тугоплавкие. Процессы газотермического напыления используются в приборостроении, машиностроении, электронной и медицинской технике при изготовлении либо восстановлении деталей и инструмента с высокой поверхностной твердостью, прочностью, износостойкостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, биоактивностью либо биоинертностью и другими свойствами.

Металлизация позволяет с высокой производительностью получать покрытия, используя токопроводящие материалы – металлическую и порошковую проволоку. При этом возможно применение проволоки из различных металлов для нанесения композиционных металлопокрытий с высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью, специальными свойствами.

Вакуумно-конденсационное напыление классифицируют по принципу испарения и распыления на три метода:

1. Напыление с термическим испарением, которое по виду нагрева делят на следующие способы: а) с резистивным нагревом, б) с индукционным нагревом, в) с электронно-лучевым нагревом, г) с дуговым нагревом.

2. Напыление с импульсным испарением-распылением, где различают такие способы: а) с дугоразрядным испарением, б) с электроннолучевым испарением, в) с лазерным испарением.

3. Напыление с ионным (катодным) распылением в плазме тлеющего разряда, в котором выделяют следующие способы: а) в плазме с двумя электродами, б) в плазме с тремя электродами в) в плазме с магнетроном.

По характеру взаимодействия напыляемых частиц с остаточными газами камеры вакуумное напыление делят на два класса:

1. Напыление в нейтральной разреженной среде (аргона, гелия) или в высоком вакууме.

2. Реакционное напыление в активной разреженной среде азота, угарного газа, кислорода, газовых смесей с получением покрытий, содержащих фазы внедрения: нитриды, карбиды, оксиды.

Термическое испарение и напыление с термическим испарением применяют для получения покрытий толщиной от 0,001 до 0,1 мм из металлов (включая тугоплавкие), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектриков с приданием покрытию характера однородных, многослойных либо композиционных структур. Этот метод используется в микроэлектронике для создания перспективных приборов и устройств с особыми электрофизико-химическими параметрами, в производстве деталей приборов и машин, технологического инструмента и оснастки с высокими эксплуатационными качествами.

Импульсное (взрывное) испарение-распыление позволяет применять металлы и многие другие материалы для создания покрытий с повышенной толщиной и высокими физико-механическими свойствами. Это обеспечило покрытиям широкое распространение в производстве деталей и инструмента с высокой износостойкостью поверхности, повышенной несущей способностью, контактной прочностью.

Ионное распыление обеспечивается бомбардировкой материала-катода ионными лучами или ионно-плазменным ускоренным потоком, часто его называют катодным распылением. Напыляемые металлы и неметаллы отличаются широкой номенклатурой, а регулирование параметров напыляющего потока характеризуется большим диапазоном. Поэтому способы ионного распыления успешно применяются для получения как тонких пленочных структур в микроэлектронике, так и для создания более толстых защитных покрытий деталей приборов, механизмов и машин, технологического инструмента и оснастки.

Наряду с отличиями в технологических и конструктивных характеристиках газотермическое и вакуумно-конденсационное напыление имеют общие параметры схемы напыления (рис.35). К общим условиям, формирующим покрытия, относятся дистанция напыления L, угол конусности потока распыления φ, угол встречи потока с поверхностью напыления α_н, давление окружающей среды, температура поверхности напыляемого изделия, диаметр пятна напыления d_н, скорость перемещения пятна покрытия, величина перекрытия проходов напыления l_п.

Рис. 36. Общая схема напыления покрытий: 1 – напыляемая поверхность, 2 – поток напыляемых частиц, 3 – источник потока частиц, 4 – пятно напыляемого покрытия

Регулирование конструктивно-технологических характеристик процессов напыления позволяет эффективно управлять свойствами получаемых покрытий и успешно применять напыление при изготовлении деталей широкой номенклатуры в различных отраслях приборостроения и машиностроения, в электронной, аэрокосмической, ядерной технике.

П л а к и р о в а н и е представляет наложение с одной или двух сторон на лист или ленту из основного металла тонкого листа жаростойкого либо коррозионностойкого металла или сплава. После сложения этих листов в пакет он прокатывается либо прессуется в горячем состоянии или нагревается под давлением. За счет термомеханических процессов в контактной зоне происходит взаимная диффузия атомов основного и плакирующего металлов с образованием их прочного сцепления в пограничной зоне.

Жаростойкое плакирование углеродистых и низколегированных сталей производится с применением хромистой или хромоникелевой жаростойких сталей, медные листы или ленты плакируются нихромом.

Антикоррозионное плакирование сталей предусматривает использование меди, латуни, никеля, хрома или хромоникелевой нержавеющей стали, для плакирования дуралюмина применяется технический алюминий.

Толщина плакирующего металла может составлять величину от 3 до 60% толщины основного металла, чаще всего применяются слои толщиной 10% основного металла.