Классификация покрытий и методов их получения

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Металлургические процессы нанесения покрытий»

на тему

« Методы нанесения покрытий и модифицирования поверхности, процессы и оборудование.

Служебные свойства и методы контроля качества покрытий »

 

 

Выполнил:                                                                                       ст. гр. СП-81м

Юшков А.А.

 

Проверил:                                                                           к.т.н., доцент

Гречухин А.Н.

 

 

КУРСК 2019

Содержание

 

1. Классификация покрытий и методов их получения 3

2. Основные понятия о химических и электрохимических способах нанесения покрытий 10

3. Сущность метода химического нанесения покрытий 12

4. Технология нанесения электрохимических покрытий 15

5. Методы контроля качества покрытий 21

Список литературы 31

 

 

 

Классификация покрытий и методов их получения

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.

В настоящее время продолжается совершенствование и поиск новых методов нанесения покрытий.

Изучение методов нанесения покрытий, их разновидностей; термодинамики процессов при создании покрытий различного типа на металлических и неметаллических поверхностях; строения, структуры и эксплуатационных свойств покрытий; основного оборудования для газотермического и электротермического нанесения покрытий на металлопродукцию.

Изучение методов повышения качества изделий формированием многослойных и армированных покрытий; метрологического контроля технологических параметров формирования и их свойств.

Роль и место покрытий в современном производстве

Покрытия – это одно или многослойная структура нанесенное на поверхность для защиты от внешних воздействий (температуры, давления, коррозии, эрозии и так далее).

Различают внешние и внутренние покрытия.

Внешние покрытия имеют границу между покрытием и поверхностью изделия. Соответственно размер изделия увеличивается на толщину покрытия, при этом взрастает масса изделия.

Во внутренних покрытиях отсутствует граница раздела и размеры и масса изделия остаются неизменными, при этом изменяются свойства изделия. Внутренние покрытия еще называют модифицирующими покрытиями.

Различают две основные задачи, разрешаемые при нанесении покрытия

1. Изменение исходных физико-химических свойств поверхности изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации;

2. Восстановление свойств, размеров, массы поверхности изделия, нарушенных условиями эксплуатации.

Назначение и области применения покрытий

Основной причиной появления и развития технологии нанесения защитных покрытий явилось стремление повысить долговечность деталей и узлов различных механизмов и машин. Оптимизация системы покрытия предполагаетсоответствующий выбор состава покрытия, его структуры, пористости и адгезии с учетом, как температуры нанесения покрытия, так и рабочей температуры, совместимости материалов подложки и покрытия, доступности и стоимости материала покрытия, а также возможности его возобновления, ремонта и надлежащего ухода во время эксплуатации

Применение недостаточно прочного покрытия, толщина которого за время работы заметно уменьшается, может привести к снижению прочности всей детали вследствие уменьшения эффективной площади ее полного поперечного сечения. Взаимная диффузия компонентов из подложки в покрытие и наоборот может привести к обеднению или обогащению сплавов одним из элементов. Термическое воздействие может изменить микроструктуру подложки и вызвать появление в покрытии остаточных напряжений. С учетом всего перечисленного оптимальный выбор системы должен обеспечивать ее стабильность, т. е. сохранение таких свойств, как прочность (в ее различных аспектах), пластичность, ударная вязкость, сопротивление усталости и ползучести после любого воздействия. Наиболее сильное влияние на механические свойства оказывает эксплуатация в условиях быстрого термоциклирования, а наиболее важным параметром является температура и время ее воздействия на материал; взаимодействие с окружающей рабочей средой определяет характер и интенсивность химического воздействия.

Механические способы соединения покрытия с подложкой часто не обеспечивают нужное качество сцепления. Гораздо лучшие результаты обычно дают диффузионные методы соединения. Хорошим примером удачного диффузионного покрытия является алитирование черных и цветных металлов.

Классификация покрытий и методов их получения

В настоящее время существуют много разнообразных покрытия и методы их получения.

Во многих публикациях предлагаются различные схемы классификации неорганических покрытий по различным признакам.

Можно классифицировать покрытия по следующим основным принципам:

1. По назначению (антикоррозионные или защитные, жаростойкие, износостойкие, антифрикционные, светоотражающие, декоративные и другие);

2. По физическим или химическим свойствам (металлические, неметаллические, тугоплавкие, химостойкие, светоотражающие и т.д.);

3. По природе элементов (хромовое, хромоалюминиевое, хромокремниевое и другие);

4. По природе фаз, образующихся в поверхностном слое (алюминидные, силицидные, боридные, карбидные и другие)

Рассмотрим наиболее важные покрытия, классифицированные по назначению.

Защитные покрытия – основное назначение связано с их разнообразными защитными функциями. Большое распространение получили коррозионностойкие, жаростойкие и износостойкие покрытия. Широко применяются также теплозащитные, электроизоляционные и отражающие покрытия.

Конструкционные покрытия и пленки – выполняют роль конструктивных элементов в изделиях. Особенно широко также используются при производстве изделий в приборостроении, радиоэлектронной аппаратуры, интегральных схем, в турбореактивных двигателях - в виде срабатываемых уплотнений в турбине и компрессоре и др.

Технологические покрытия – предназначаются для облегчения технологических процессов при производстве изделий. Например, нанесение припоев при пайке сложных конструкций; производстве полуфабрикатов в процессе высокотемпературного деформирования; сварке разнородных материалов и т.д.

Декоративные покрытия – исключительно широко применяются при производстве бытовых изделий, украшений, повышении эстетичности промышленных установок и приборов, протезировании в медицинской технике и др.

Восстановительные покрытия – дают огромный экономический эффект при восстановлении изношенных поверхностей изделий, например гребных валов в судостроении; шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания; лопаток в турбинных двигателях; различного режущего и прессового инструмента.

Оптические покрытия – уменьшают отражательную способность по сравнению с массивными материалами, в основном, благодаря геометрии поверхности. Профилеметрирование показывает, что поверхность некоторых покрытий представляет собой совокупность шероховатостей, высота которых колеблется от 8 до 15 мкм. На отдельных макронеровностях формируются микронеровности, высота которых колеблется от 0,1 до 2 мкм. Таким образом, высота неровностей соизмерима с длиной волны падающего излучения.

Отражение света от такой поверхности происходит в соответствии с законом Френкеля.

В литературных источниках встречаются различные принципы классификации методов нанесения покрытий. Хотя следует отметить, что единой системы классификации методов нанесения покрытий нет.

Хокинг и ряд других исследователей предложили три классификации методов нанесения покрытий:

1. По фазовому состоянию среды, из которой происходит осаждение материала покрытия;

2. По состоянию наносимого материала;

3. По состоянию процессов, которые определяют одну группу методов нанесения покрытий.

Изменение физико-химических свойств поверхностей при нанесении покрытий

Поверхностный слой (покрытие) играет определяющую роль в формировании эксплуатационных и других свойств изделий, создание его на поверхности твердого тела практически всегда изменяет физико-химические свойства в нужном направлении. Нанесение покрытий позволяет восстановить ранее утраченные свойства в процессе эксплуатации изделий. Однако чаще всего изменяют свойства исходных поверхностей изделий, полученные в процессе их производства. В этом случае свойства материала поверхностного слоя существенно отличаются от свойств исходной поверхности. В подавляющем большинстве меняется химический и фазовый состав вновь созданной поверхности, в результате получают изделия с требуемыми эксплуатационными характеристиками, например высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью, износостойкостью и многими другими показателями.

Изменение физико-химических свойств исходных поверхностей изделий может быть осуществлено созданием как внутренних, так и внешних покрытий. Возможны и комбинированные варианты.

При нанесении внутренних покрытий сохраняются неизменными размеры изделий (Lи = const). Некоторые методы обеспечивают и постоянство массы изделия, в других методах - приращение массы ничтожно мало и им можно пренебречь. Как правило, отсутствует четкая граница модифицированного поверхностного слоя (δм ≠ const).

При нанесении внешних покрытий размер изделия увеличивается (Lи ≠ const) на толщину покрытия (δпк). Возрастает и масса изделия.

На практике встречаются и комбинированные покрытия. Например,при нанесении теплозащитных покрытий, отличающихся повышенным количеством несплошностей во внешнем слое, жаростойкость обеспечивается за счет внутреннего беспористого покрытия.

Внутренние покрытия создаются различными способами воздействия на поверхность исходного материала (модифицирование исходных поверхностей). На практике широко используются следующие методы воздействия: механические, термические, термодиффузионные и высокоэнергетические с проникающими потоками частиц и излучений.

Встречаются и комбинированные методы воздействия, например термомеханические и др. В поверхностном слое происходят процессы, приводящие к структурному изменению исходного материала на глубину от нанометрового диапазона до десятых долей миллиметра и более. В зависимости от метода воздействияпротекают следующие процессы:

– изменение зеренного строения материала;

– искажение кристаллической решетки, изменение ее параметров и типа;

– разрушение кристаллической решетки (аморфизация);

– изменение химического состава и синтезирование новых фаз.

Практическое значение внешних покрытий очень велико. Нанесение внешних покрытий позволяет не только решать задачи по изменению физико–химических свойств исходных поверхностей, но также восстанавливать их после эксплуатации.

Внешние покрытия часто выполняют роль конструкционного элемента, например покрытия – пленки при производстве интегральных схем. К настоящему времени разработано большое количество методов нанесения покрытий различного назначения из многих неорганических материалов.

Для анализа физико-химических процессов, связанных с нанесением покрытий, их целесообразно систематизировать по условиям формирования. представляется возможным выделить следующие группы покрытий, формирующихся на твердой поверхности: твердофазные, жидкофазные, порошковые и атомарные.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение термина покрытие.

2. Какие две основные задачи решаются при нанесении покрытий.

3. Назовите основное назначение и области применения покрытий.

4. Назовите основные критерии, по которым классифицируют покрытия.

5. Какие покрытия называют защитными?

6. Назовите основные критерии классификации способов нанесения покрытий.

7. Назовите основные группы методов классифицированных по состоянию наносимого материала.

8. Как изменяются физико-химические свойства поверхности при нанесении покрытий?

9. Назовите основные отличия внутренних и внешних покрытий.

10. Приведите пример комбинированных покрытий.

 

 

Основные понятия о химических и электрохимических способах нанесения покрытий

Получение покрытий из растворов химические и электрохимическими методами является классическим примером процессов, позволяющих проследить в относительно, чистом формирование наносимых слоев путем последовательного присоединения атомов к поверхности покрываемого изделия при ее взаимодействии с ионно-реакционной средой.

Существуют стандартные определения способов получения покрытий, осуществляемых из водных растворов – электролитов (ГОСТ 9.008-82).

Химический способ получения покрытий – это получение ­емее­ческого или неметаллического неорганического покрытия в растворе солей без электрического тока от внешнего источника. Примерами получения покрытий химическим способом являются: для металлических покрытий, полученных восстановлением – никелирование» меднение, серебрение и др.; для неметаллических покрытий, полученных окислением – оксидирование, фосфатирование. хроматирование и др. Последние применяют также для дополнительной обработки покрытия.

Электрохимический способ получения покрытия – это получение металлического или неметаллического неорганического покрытия в электролите под действием электрического тока от внешнего источника.

Катодное восстановление металла – это электрохимический способ получения металлического покрытия на металле, являющемся катодом.

Анодное Окисление – это электрохимический способ получения неметаллического неорганического покрытия на металле, являющемся анодом.

Контактный Способ Получения Покрытия – это получение покрытия из раствора солей наносимого металла погружением покрываемого, металла, находящегося в контакте с более электроотрицательным металлом.

Химические и электрохимические покрытия можно классифицировать исходя из следующих основных принципов:

1. По способу получения (химическое, электрохимическое, гальваническое, катодное, анодно–окисное и контактное);

2. По виду наносимого материала (металлическое, неметаллическое и композиционное);

3. По предъявляемым к покрытию требованиям (защитное, защитнодекоративное, декоративное, специальное);

4. По отношению к внешней химически активной среде (катодное, анодное, нейтральное);

5. По конструкции покрытия (однослойное, многослойное).

Процесс нанесения металлических покрытий химическим способом включает в себя следующие технологические операции:

1. Предварительная подготовка поверхности изделий;

2. Приготовление рабочих растворов электролитов;

3. Нанесение покрытий на изделие;

4. Термическая и механическая обработка поверхности.

 

 3.Сущность метода химического нанесения покрытий

Впервые металлическое покрытие методом химического восстановления было получено Ю. Либихом в 1836 году. Он осуществил химическое серебрение стекла и впоследствии разработал технологию процесса серебрения, которая получила промышленное применение.

Применение в технике различных деталей сложного профиля с глубокими внутренним полостями и узкими каналами заставило исследователей искать новые пути нанесения металлических покрытий. Широко применяемый гальванический способ не обеспечивал в этом случае необходимого качества.

Одним из таких путей явилось нанесение покрытий химическим способом – без применения электрического тока.

Покрытия, полученные химическим способом, отличаются меньшей пористостью, чем нанесенные гальваническим способом при одинаковой толщине, и высокой равномерностью.

В случае химического осаждения необходимые электроны образуются в результате химического процесса, происходящего в растворе, применяемом для получения покрытия. При гальваническом осаждении необходимые для 64 восстановления ионов металла электроны поставляются внешним источником тока.

В зависимости от химического процесса, происходящего при осаждении покрытия, различают следующие методы.

 Контактный метод (погружения), при котором покрываемый металл погружается в раствор, содержащий соль более электроположительного металла, и покрытие в этом случае осаждается за счет разности потенциалов, возникающей между покрываемым металлом и ионами, находящимися в растворе.

Контактно-химический метод (внутреннего электролиза), при котором осаждение производится за счет разности потенциалов, возникающей при контактировании покрываемого металла с более электроотрицательным металлом в процессе погружения в раствор соли металла, которым осуществляют покрытие.

Метод химического восстановления, при котором покрываемый металл погружают в раствор, содержащий соль осаждаемого металла, буферирующие и комплексообразующие добавки и восстановитель, при этом ионы осаждаемого металла восстанавливаются в результате взаимодействия с восстановителем и осаждаются на покрываемом металле, причем данная реакция протекает лишь на металлической поверхности, являющейся каталитической для данного процесса.

В первых двух методах осаждение покрытия основано на принципе обмена электронами между двумя металлами.

В случае метода химического восстановления необходимые для восстановления металла электроны получаются за счет применяемого восстановителя.

Восстановитель Rz, окисляясь, отдает свои электроны, а находящиеся в

растворе ионы металла, приобретая эти электроны, превращаются в атомы и осаждаются в виде металлической пленки.

В процессе осаждения металлов химическим способом в соответствующих участках протекают микротоки, образующиеся в результате отдельных химических реакций. Эти токи чрезвычайно малы и равномерны, что обеспечивает равномерность осаждения покрытия.

Растворы для осаждения металлических покрытий химическим способом обычно содержат: соль осаждаемого металла, комплексообразующие и

буферирующие добавки, соответствующий восстановитель и ряд специальных добавок (ускорители, стабилизаторы и др.).

Комплексообразующие и буферирующие добавки стабилизируют раствор за счет образования комплексных соединений и поддерживают постоянной его кислотность. Восстановитель, как указывалось выше, является поставщиком электронов, необходимых для процесса осаждения покрытия.

Покрытия, получаемые методом погружения, очень тонкие, обычно их

толщина составляет доли мкм и поэтому защитными свойствами не обладают.

Такие покрытия используются в качестве подслоя при гальванической металлизации, для обеспечения процесса пайки и т. д.

Методом химического восстановления и контактно-химическим получают покрытия значительной толщины 5 – 30 мкм и более, пригодные для

защиты от коррозии.

Из химических способов нанесения покрытия нашли широкое промышленное применение никелирование, меднение и серебрение. Лужение, палладирование и хромирование еще не нашли широкого применения.