Metoda modyfikowania właściwości powierzchni produktu poprzez zastosowanie. Metody modyfikacji właściwości stopu
Wynalazek dotyczy dziedziny chemiczno-fizycznej obróbki warstwy wierzchniej wyrobów metalowych wykonanych z tytanu i jego stopów w celu zmiany ich właściwości powierzchniowych. Metoda obejmuje fizyczną i chemiczną obróbkę powierzchni wyrobów oraz aluminiowanie, natomiast fizyczna i chemiczna obróbka powierzchni wyrobów odbywa się poprzez elektrochemiczne polerowanie w elektrolicie o następującym składzie: kwas nadchlorowy - 1 część; kwas octowy - 9 części, w temperaturze 30-35 ° C, gęstość prądu 2 A / dm 2, napięcie 60 V, przez 3 minuty. EFEKT: aktywacja oddziaływania powierzchni wyrobów metalowych z stykającymi się z nimi mediami i substancjami, wysoka odporność na kamień i korozję, wysokie właściwości przeciwcierne. 1 zakładka.
Wynalazek dotyczy dziedziny chemiczno-fizycznej obróbki warstwy wierzchniej wyrobów metalowych wykonanych z tytanu i jego stopów w celu zmiany ich właściwości powierzchniowych.
Zjawiska powierzchniowe – wyraz szczególnych właściwości warstw wierzchnich, tj. cienkie warstwy materii na styku ciał (ośrodków, faz). Właściwości te wynikają z nadmiaru energii swobodnej warstwy powierzchniowej, cech jej struktury i składu. Molekularny charakter i właściwości powierzchni mogą radykalnie zmienić się w wyniku tworzenia powierzchniowych warstw monomolekularnych lub warstw fazowych (polimolekularnych). Jakakolwiek „modyfikacja” warstwy powierzchniowej (międzyfazowej) zwykle prowadzi do zwiększenia lub zmniejszenia oddziaływania molekularnego między kontaktującymi się fazami (liofilowość i liofobowość). Liofilowość oznacza dobre (często całkowite) zwilżanie, niskie napięcie międzyfazowe, odporność powierzchni na wzajemne sklejanie. Liofobowość jest koncepcją przeciwną.
Kiedy dwa ciała stałe lub ciało stałe stykają się z ośrodkami ciekłymi i gazowymi, właściwości powierzchni określają warunki dla takich zjawisk jak adhezja, zwilżanie i tarcie. Przemiany fizyczne lub chemiczne w warstwach wierzchnich w dużym stopniu wpływają na charakter i tempo procesów niejednorodnych – korozyjnych, katalitycznych, membranowych itp. Zjawiska powierzchniowe w dużej mierze determinują sposoby otrzymywania i trwałość najważniejszych materiałów budowlanych i konstrukcyjnych, w szczególności tych wytwarzanych w metalurgia.
Zwilżanie (liofilowość) jest warunkiem koniecznym wysycenia powierzchni tytanu aluminium i innymi pierwiastkami (nasycenie dyfuzyjne metalami). Produkt, którego powierzchnia jest wzbogacona tymi pierwiastkami, uzyskuje cenne właściwości, do których należą wysoka odporność na zgorzelinę, odporność na korozję, podwyższona odporność na ścieranie, twardość i spawalność.
Niezwilżalność (liofobowość) niezabezpieczonego metalu zwiększa jego odporność na agresywne media.
Patent (RF patent 2232648, IPC B 05 D 5/08, pub. 2004.07.20) wskazuje, że właściwości powierzchni przejawiają się na różne sposoby. Wynika to z faktu, że powierzchnie są wykonane z różnych materiałów iw większości przypadków mają różną strukturę. W szczególności metale wybrane z grupy składającej się z berylu, magnezu, skandu, tytanu, wanadu, chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu, miedzi, cynku, galu, itru, cyrkonu, niobu, molibdenu, technetu, mają najbardziej liofobowe właściwości właściwości ruten, ren, pallad, srebro, kadm, ind, cyna, lantan, cer, prazeodym, neodym, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb, lutet, hafn, tantal, wolfram, ren, osm, iryd, platyna, złoto, tal, ołów, bizmut, zwłaszcza tytan, glin, magnez i nikiel lub odpowiedni stop wymienionych metali.
Warstwy węglików i tlenków mają duży wpływ na właściwości powierzchni. Szczególnie gęste warstwy węglika i tlenku obserwuje się w metalach reaktywnych, takich jak tytan i cyrkon.
Istnieje metoda zmiany właściwości powierzchniowych stopów na bazie tytanu (W. Zwinger, „Tytan i jego stopy”, przeł. z j. niemieckiego, Moskwa, „Metallurgy”, 1979, s. 326), w której autor twierdzi, że „ warstwa tlenku, zawsze istniejąca na powierzchni tytanu, najczęściej nie zwilżana przez metale. W podwyższonych temperaturach w wytopach zwilżanie występuje w przypadku wstępnego wyżarzania tytanu w próżni, kiedy powstaje powierzchnia beztlenkowa. Podczas zginania takich próbek powstają pęknięcia.
Wadą tej metody przygotowania powierzchni do metalizacji jest złożony i trudny do wdrożenia mechanizm obróbki wielotonowych wlewków, kęsisk płaskich, wielkogabarytowych kęsów. Ponadto metoda nie uwzględnia wpływu na samą zwilżalność powierzchni innego pierwiastka śródmiąższowego – węgla. Założona (Kurapov V.N., Trubin A.N., Kurapova L.A., Saveliev V.V. „Badanie cech rozkładu węgla w stopach tytanu metodą znaczników radioaktywnych (RAI), Kolekcja „Metalurgia i obróbka stopów tytanu i żaroodpornych” Moskwa, 1991 V.V. Tetyukhin, V.N. Kurapov, A.N. Trubin, L.A. Kurapova, „Badanie wlewków i półproduktów ze stopów tytanu metodą znaczników radioaktywnych (RAI)” Magazyn naukowo-techniczny „Titan”, nr 1 (11), 2002), że podczas ogrzewania stopów węgiel jest transportowany do warstw powierzchniowych z leżących poniżej objętości, ale nie opuszcza sieci krystalicznej tytanu, w przeciwieństwie do stali, gdzie podczas ogrzewania w wysokiej temperaturze węgiel tworzy lotny związek według wzoru:
C (TV) + O2 (gaz) CO2 (gaz) .
W konsekwencji, w przeciwieństwie do stali, gdzie dochodzi do odwęglenia powierzchniowego, w tytanie zachodzi jedynie jego redystrybucja w warstwach wierzchnich. Stwierdzono również, że podobna redystrybucja węgla w warstwach wierzchnich półfabrykatów i wyrobów zachodzi podczas skrawania metalu, co jest konsekwencją jego miejscowego nagrzewania i deformacji. Ta redystrybucja jest obserwowana w różnych rodzajach cięcia, w tym dłutowaniu i piłowaniu, nawet w „najdelikatniejszych” trybach, takich jak toczenie.
W przeciwieństwie do redystrybucji węgla w warstwach wierzchnich podczas nagrzewania wysokotemperaturowego, którą widać gołym okiem na kliszy fotograficznej, w przypadku skrawania metalu redystrybucja jest obserwowana ze wzrostem. Ta redystrybucja w najbardziej powierzchownej warstwie jest bardziej chaotyczna. W głębi metalu ujawniają się faliste krzywe redystrybucji węgla w warstwie powierzchniowej, odpowiadające obciążeniom mechanicznym i termicznym powstającym podczas obróbki materiału, co powoduje, że właściwości fizykochemiczne powierzchni po cięciu są całkowicie niestabilne. Ta niestabilność, jak pokazano powyżej, nie jest eliminowana przez wyżarzanie próżniowe.
Znany sposób czyszczenia powierzchni krzemu (patent RF nr 1814439, publikacja 1995.02.27, IPC H 01 L 21/306). Istota wynalazku: płytki krzemowe są przetwarzane w płynnym wytrawiaczu. Powstałą warstwę tlenku i powierzchnię krzemu usuwa się w temperaturze pokojowej przez trawienie w difluorku ksenonu. Osiąga się w ten sposób wysoki stopień odwęglenia powierzchni. Następnie płytki krzemowe są przenoszone bez kontaktu z atmosferą do komory próżniowej, a zaadsorbowane na powierzchni fluorki są usuwane poprzez ogrzewanie i utrzymywanie w temperaturze 600°C w ultrawysokiej próżni. Aby rekrystalizować zwilżoną warstwę na powierzchni krzemu, można przeprowadzić wyżarzanie w wyższej temperaturze.
Ta metoda jest droga i może być stosowana podczas obróbki części o małych wymiarach geometrycznych.
Znana metoda chemiczno-termicznej modyfikacji powierzchni jednostek ciernych (patent RF nr 2044104, publikacja 20.09.1995, IPC C 23 C 8/40). Metoda obejmuje interakcję z cieczą reakcyjną, po której następuje obróbka cieplna.
Wady tej metody obejmują fakt, że służy ona do zwiększenia odporności materiałów konstrukcyjnych na zużycie, a jako modyfikator powierzchni stosuje się węgiel fluorowany, który jest silnie liofobowy, powierzchnia praktycznie nie jest zwilżana.
Znana metoda aluminiowania na gorąco wyrobów z tytanu i jego stopów (SU 160068, wyd. 14.01.1964) jest prototypem, w którym produkty trawione są roztworami kwasu siarkowego (35-65%) lub chlorowodorowego (30-37 %) kwasem w temperaturze 50-70°C przez 30-40 minut lub w temperaturze pokojowej przez 2-3 godziny w celu uzyskania na nich warstwy wodorkowej zamiast tlenkowej, po czym wyroby zanurza się w stopionym aluminium w temp. temperatura 800-850°C.
Wadą tej metody są właściwości warstwy wodorkowej, która ma kruchą, porowatą naturę, z dużą liczbą mikropęknięć i wnęk, które mogą penetrować na głębokość 0,2-0,3 mm, tworząc obszary o porowatej strukturze pomiędzy podłożem metalu i powłoki. Ponadto w procesie kontaktowania roztopionego aluminium z wodorkami tytanu ulegają one rozkładowi z wydzieleniem wodoru, który warunkuje powstawanie porów w powłoce aluminiowej. Połączenie tych czynników znacznie zmniejsza trwałość powstałej powłoki.
Celem niniejszego wynalazku jest zwiększenie liofilowości warstwy wierzchniej przedmiotów obrabianych i wyrobów ze stopów tytanu poprzez usunięcie warstwy wierzchniej zawierającej tlenki i węgliki bez stosowania obróbki skrawaniem i wyżarzania.
Efektem technicznym uzyskanym przy realizacji wynalazku jest aktywacja oddziaływania powierzchni wyrobów metalowych z stykającymi się z nimi mediami i substancjami, co nadaje im jakościowo nowe właściwości - wysoką odporność na zgorzelinę i korozję, wysokie właściwości przeciwcierne.
Określony efekt techniczny uzyskuje się przez to, że w metodzie modyfikacji warstwy wierzchniej wyrobów z tytanu i jego stopów, obejmującej fizyczną i chemiczną obróbkę powierzchni wyrobów oraz aluminiowanie, fizyczna i chemiczna obróbka powierzchni wyrobów odbywa się metodą elektrochemiczną polerowanie w elektrolicie o następującym składzie: kwas nadchlorowy - 1 część; kwas octowy - 9 części, w temperaturze 30-35 ° C, gęstość prądu 2 A / dm 2, napięcie 60 V, przez 3 minuty.
Podczas obróbki elektrochemicznej, pod wpływem prądu elektrycznego w elektrolicie, materiał anody (warstwa wierzchnia produktu) rozpuszcza się, a wystające części powierzchni rozpuszczają się najszybciej, co prowadzi do jej wyrównania. Jednocześnie materiał, m.in. warstwa tlenku lub węglika jest usuwana z całej powierzchni, w przeciwieństwie do polerowania mechanicznego, w którym usuwane są tylko najbardziej wystające części. Polerowanie elektrolityczne umożliwia uzyskanie powierzchni o bardzo małej chropowatości. Istotną różnicą w stosunku do polerowania mechanicznego jest brak jakichkolwiek zmian w strukturze obrabianego materiału, co nie powoduje redystrybucji węgla na grubości wyrobu i jego ogniskowej koncentracji na powierzchni.
Następuje całkowite usunięcie warstwy wierzchniej zawierającej tlenki i węgliki, a powierzchnia wyrobów wykonanych z metali reaktywnych nabiera dużej liofilowości, co umożliwia przeprowadzenie wysokiej jakości obróbki chemiczno-termicznej warstwy wierzchniej, np. aluminiowanie.
Zaproponowaną metodę badano podczas aluminizowania próbek stopu tytanu VT8 w wytopie aluminium gatunku A85 przez 4 godziny w temperaturze 850°C. Wykonano cztery próbki różnymi metodami przygotowania powierzchni i uzyskano następujące wyniki (tabela):
| Patka. | ||
| № | Metoda przygotowania powierzchni | Jakość aluminiowania |
| 1 | dobre skręcanie | Brak przyklejania się aluminium do powierzchni. |
| 2 | polerowanie mechaniczne | Adhezja ogniskowa (cienka warstwa na około 42-57% powierzchni). |
| 3 | Polerowanie elektrochemiczne w elektrolicie o składzie: kwas nadchlorowy - 1 część, kwas octowy - 9 części. Przy temperaturze elektrolitu 30-35°C, gęstość prądu - 2 A/dm2, napięcie - 60V, w ciągu 3 minut | Aluminium przykleja się na całej powierzchni.* |
*Lokalne oznaczenie aluminium w płaszczyźnie prostopadłej do osi próbki wykazało:
a) jego równomierne obwodowe wnikanie w głąb próbki,
b) ujawnił strefę dyfuzji wzbogacenia glinu próbki tytanu,
c) stwierdzono na powierzchni próbki strefę tytanu rozpuszczalnego w glinie.
Zatem eliminacja z atmosfery warstwy wierzchniej, która jest wzbogacona w węgiel (z głębi metalu) i tlen po jakiejkolwiek mechanicznej obróbce przedmiotów i części wykonanych z tytanu i jego stopów metodą elektropolerowania, jest prostym i niezawodnym sposobem aktywować oddziaływanie stykających się metali podczas metalizacji. EFEKT: wynalazek umożliwia przekształcenie powierzchni liofobowej w liofilową przy znikomych kosztach materiałowych i robocizny. Aktywacja powierzchni umożliwia np. poprawę przyczepności podczas stopowania dyfuzyjnego powierzchni z metalem, zwiększenie szybkości dyfuzji atomów wprowadzanego metalu do sieci krystalicznej detali i wyrobów, co nadaje ich powierzchniom jakościowo nowe właściwości użytkowe , w szczególności:
Wysoka odporność na kamień i korozję - powłoka aluminiowa zmniejsza szybkość utleniania stopów tytanu w temperaturze 800-900°C 30-100 razy. Dzieje się tak w wyniku tworzenia się na powierzchni warstwy powłoki -Al 2 O 3 (E.M. Lazarev i in., Utlenianie stopów tytanu, M., Nauka, 1985, s. 119);
Wysokie właściwości przeciwcierne, ponieważ współczynnik tarcia aluminium jest znacznie niższy niż stopów tytanu.
PRAWO
Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej wyrobów z tytanu i jego stopów, obejmujący fizyczną i chemiczną obróbkę powierzchni wyrobów oraz aluminiowanie, znamienny tym, że fizyczna i chemiczna obróbka powierzchni wyrobów jest prowadzona przez polerowanie elektrochemiczne w elektrolicie o następującej skład: kwas nadchlorowy - 1 część; kwas octowy - 9 części, w temperaturze 30-35 ° C, gęstość prądu 2 A / dm 2, napięcie 60 V przez 3 minuty.
Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej
Federalna Państwowa Autonomiczna Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Uralski Uniwersytet Federalny nazwany na cześć pierwszego prezydenta Rosji B.N. Jelcyna”
Zakład "Obróbka Cieplna i Fizyka Metali"
„Klasyfikacja powłok ze względu na właściwości użytkowe i sposób aplikacji”
Nauczyciel:
dr hab. Rossina NG
Student: Trapeznikov A.I.
Grupa: Mt 320701
Jekaterynburg 2015
Wstęp
Klasyfikacja powłok i metody ich wytwarzania
1 Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych powierzchni podczas malowania
2 Powłoki wewnętrzne
3 Powłoki zewnętrzne
4 Przygotowanie powierzchni do malowania
Chemiczne i elektrochemiczne metody powlekania
1 Klasyfikacja powłok chemicznych i elektrochemicznych
2 Istota metody powlekania chemicznego
3 Powlekanie produktu
Próżniowa powłoka kondensacyjna
Nakładanie powłok utwardzających ze skoncentrowanymi źródłami ciepła
1 Klasyfikacja osadzonych powłok
2 Zastosowania do napawania
Powłoka po okładaniu
Metody powlekania gazem termicznym
1 Metody klasyfikacji
Natryskiwanie plazmowe powłok
1 Zalety i wady metody natryskiwania plazmowego
Natryskiwanie płomieniowe powłok
Wniosek
Wstęp
Powłoki dostępne dla nowoczesnej technologii są bardzo zróżnicowane zarówno pod względem właściwości, jak i metod wytwarzania. Zastosowanie powłok ochronnych, ochronno-dekoracyjnych i specjalnych pozwala rozwiązać wiele problemów. Wybierając materiał powłokowy, warunki ich aplikacji, łącząc powłoki metaliczne i niemetaliczne, możliwe jest nadanie powierzchni produktów innego koloru i tekstury, niezbędnych właściwości fizycznych, mechanicznych i chemicznych: zwiększona twardość i odporność na zużycie, wysoki współczynnik odbicia, ulepszone właściwości przeciwcierne, przewodność elektryczna powierzchni itp. Jednak optymalny dobór powłok lub metod ich wykańczania jest niemożliwy bez kompleksowego uwzględnienia ich właściwości i cech produkcyjnych.
Technologia powlekania, wraz z innymi naukochłonnymi i energooszczędnymi gałęziami przemysłu, jest jednym z głównych kierunków rozwoju nowoczesnej produkcji w wiodących krajach światowej społeczności.
Obecnie trwa doskonalenie i poszukiwanie nowych metod powlekania. Badanie metod powlekania, ich odmian; termodynamika procesów tworzenia powłok różnego typu na powierzchniach metalowych i niemetalowych; struktura, struktura i właściwości użytkowe powłok; główny sprzęt do gazowo-termicznego i elektrotermicznego powlekania wyrobów metalowych.
Badanie metod poprawy jakości wyrobów poprzez tworzenie powłok wielowarstwowych i zbrojonych; kontrola metrologiczna parametrów technologicznych formacji i ich właściwości.
Rola i miejsce powłok we współczesnej produkcji
Powłoki to pojedyncza lub wielowarstwowa struktura nakładana na powierzchnię w celu ochrony przed wpływami zewnętrznymi (temperatura, ciśnienie, korozja, erozja itp.).
Rozróżnij powłoki zewnętrzne i wewnętrzne.
Powłoki zewnętrzne mają granicę między powłoką a powierzchnią produktu. W związku z tym rozmiar produktu zwiększa się wraz z grubością powłoki, podczas gdy waga produktu wzrasta.
W powłokach wewnętrznych nie ma interfejsu, a wymiary i waga produktu pozostają niezmienione, natomiast zmieniają się właściwości produktu. Powłoki wewnętrzne nazywane są również powłokami modyfikującymi.
Istnieją dwa główne zadania, które można rozwiązać podczas nakładania powłoki
Zmiana początkowych właściwości fizycznych i chemicznych powierzchni wyrobów zapewniających określone warunki eksploatacji;
Przywrócenie właściwości, wymiarów, masy powierzchni produktu naruszonych przez warunki eksploatacji.
Cel i zakres powłok
Głównym powodem powstania i rozwoju technologii nakładania powłok ochronnych była chęć zwiększenia trwałości części i zespołów różnych mechanizmów i maszyn. Optymalizacja systemu powłokowego polega na odpowiednim doborze składu powłoki, jej struktury, porowatości i przyczepności, uwzględniając zarówno temperaturę aplikacji, jak i temperaturę pracy, kompatybilność podłoża i materiałów powłokowych, dostępność i koszt materiału powłokowego, a także możliwość jego wymiany, naprawy i właściwej konserwacji w trakcie eksploatacji.
Zastosowanie niewystarczająco mocnej powłoki, której grubość zauważalnie zmniejsza się podczas pracy, może prowadzić do zmniejszenia wytrzymałości całej części z powodu zmniejszenia efektywnej powierzchni jej pełnego przekroju. Wzajemna dyfuzja składników z podłoża do powłoki i odwrotnie może prowadzić do zubożenia lub wzbogacenia stopów w jeden z pierwiastków. Ekspozycja termiczna może zmienić mikrostrukturę podłoża i spowodować pojawienie się naprężeń szczątkowych w powłoce. Biorąc pod uwagę powyższe, optymalny dobór systemu powinien zapewnić jego stabilność, czyli zachowanie takich właściwości jak wytrzymałość (w różnych jej aspektach), plastyczność, udarność, zmęczenie i odporność na pełzanie po każdym uderzeniu. Najsilniejszy wpływ na właściwości mechaniczne ma praca w warunkach szybkich cykli termicznych, a najważniejszym parametrem jest temperatura i czas jej oddziaływania na materiał; interakcja z otaczającym środowiskiem pracy determinuje charakter i intensywność narażenia chemicznego.
Mechaniczne metody wiązania powłoki z podłożem często nie zapewniają pożądanej jakości przyczepności. Metody łączenia dyfuzyjnego zwykle dają znacznie lepsze rezultaty. Dobrym przykładem skutecznego powlekania dyfuzyjnego jest aluminiowanie metali żelaznych i nieżelaznych.
1. Klasyfikacja powłok i metody ich otrzymywania
Obecnie istnieje wiele różnych powłok i sposobów ich otrzymywania.
Wiele publikacji oferuje różne schematy klasyfikacji powłok nieorganicznych według różnych kryteriów. Powłoki można klasyfikować według następujących podstawowych zasad:
Według przeznaczenia (antykorozyjne lub ochronne, żaroodporne, odporne na zużycie, przeciwcierne, odblaskowe, dekoracyjne itp.);
Według właściwości fizycznych lub chemicznych (metaliczny, niemetaliczny, ogniotrwały, odporny chemicznie, odblaskowy itp.);
Z natury pierwiastków (chrom, chrom-aluminium, chrom-krzem i inne);
Z natury faz powstających w warstwie wierzchniej (glinki, krzemki, borki, węgliki i inne)
Rozważ najważniejsze powłoki, sklasyfikowane według celu.
Powłoki ochronne – główny cel związany jest z ich różnymi funkcjami ochronnymi. Powłoki odporne na korozję, żaroodporne i odporne na zużycie są szeroko stosowane. Szeroko stosowane są również powłoki termoizolacyjne, elektroizolacyjne i odblaskowe.
Powłoki i folie strukturalne - pełnią rolę elementów konstrukcyjnych w produktach. Są również szczególnie szeroko stosowane przy wytwarzaniu wyrobów w oprzyrządowaniu, sprzęcie elektronicznym, układach scalonych, w silnikach turboodrzutowych - w postaci uszczelnień uruchamianych w turbinie i sprężarce itp.
Powłoki technologiczne - mają na celu ułatwienie procesów technologicznych przy wytwarzaniu wyrobów. Na przykład stosowanie lutów podczas lutowania złożonych konstrukcji; produkcja półproduktów w procesie odkształcania wysokotemperaturowego; spawanie różnych materiałów itp.
Powłoki dekoracyjne znajdują niezwykle szerokie zastosowanie w produkcji artykułów gospodarstwa domowego, biżuterii, poprawie estetyki instalacji i urządzeń przemysłowych, protetyce w technice medycznej itp.
Powłoki regeneracyjne - dają ogromny efekt ekonomiczny w renowacji zużytych powierzchni wyrobów, np. wałów napędowych w przemyśle stoczniowym; szyjki wałów korbowych silników spalinowych; łopaty w silnikach turbinowych; różne narzędzia do cięcia i prasowania.
Powłoki optyczne - zmniejszają współczynnik odbicia w porównaniu z materiałami sypkimi, głównie ze względu na geometrię powierzchni. Profilowanie pokazuje, że powierzchnia niektórych powłok jest zbiorem chropowatości, których wysokość waha się od 8 do 15 mikronów. Na oddzielnych makronierównościach powstają mikronierówności, których wysokość waha się od 0,1 do 2 μm. Zatem wysokość nieregularności jest proporcjonalna do długości fali padającego promieniowania. Odbicie światła od takiej powierzchni następuje zgodnie z prawem Frenkla.
W literaturze można znaleźć różne zasady klasyfikacji metod powlekania. Chociaż należy zauważyć, że nie ma jednolitego systemu klasyfikacji metod powlekania. Hawking i wielu innych badaczy zaproponowało trzy klasyfikacje metod powlekania:
Zgodnie ze stanem fazowym ośrodka, z którego osadza się materiał powłokowy;
W zależności od stanu zastosowanego materiału;
Według stanu procesów definiujących jedną grupę metod
powłoki.
Bardziej szczegółowe klasyfikacje metod powlekania przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Zalety i wady różnych metod powlekania
MetodaZaletyWadyPVDWszechstronność; można osadzać wszystkie stałe elementy i materiały. Możliwe jest uzyskanie cienkich filmów i odpowiednio grubych powłok. Istnieją różne modyfikacje metody. Н = 5-260 mikronów Możliwe jest nakładanie powłok tylko na widoczną część powierzchni. Słaba siła rozpraszania. Drogi sprzęt CVD Konkuruje z metodą fizycznego osadzania. Pierwiastki i związki mogą być stosowane chemicznie iw stanie pary. Dobra zdolność rozpraszania. H = 5-260 µm Ważną rolę odgrywa źródło ciepła. Osadzanie prowadzi się zwykle w wyższych temperaturach niż w metodzie osadzania fizycznego. Podłoże może się przegrzać. Możliwe niepożądane osadzanie bezpośrednie Osadzanie w fazie stałej Dobra jednorodność i wąskie tolerancje wymiarowe powłoki. Wysoka ekonomiczność procesu. Najpopularniejszymi materiałami powłokowymi są Al i Cr. Wysoka twardość powłoki. H = 5 - 80 µm Ograniczone wymiary podłoża. Nie dotyczy podłoży wrażliwych na ciepło. Cieńsze niż w przypadku innych metod dyfuzyjnych, powłok. Możliwa kruchość powłok Natrysk Możliwość kontroli warunków natrysku oraz jakości nakładanego materiału w trakcie procesu. Możliwość uzyskania grubych jednorodnych powłok. H = 75 - 400 mikronów Jakość zależy od umiejętności operatora. Podłoże musi być odporne na ciepło i uderzenia. Powłoki są porowate z chropowatą powierzchnią i możliwymi wtrąceniami Okładziny Możliwe są grube powłoki. Można obrabiać duże podłoża. H = 5 - 10% grubości podłoża Możliwe wypaczenie podłoża. Nadaje się do sztywnych podłoży Osadzanie elektrolityczne (w tym chemiczne i elektroforetyczne) Ekonomiczny proces wykorzystujący wodne elektrolity. Możliwe jest nakładanie metali szlachetnych i powłok ogniotrwałych z wytopów soli. Stosowany jest do przemysłowej produkcji cermetali. Chemiczne osadzanie i elektroforeza mają zastosowanie tylko do niektórych pierwiastków i typów podłoży. H = 0,25 - 250 µm Aby zapewnić dobrą moc rozpraszania, wymagane jest staranne zaprojektowanie sprzętu. Stosowanie stopionych soli jako elektrolitów wymaga ścisłej kontroli, aby zapobiec wnikaniu wilgoci i utlenianiu. Szkodliwe opary powyżej stopu. Powłoki mogą być porowate i naprężone. Ograniczone do określonych obszarów o wysokich temperaturach Zanurzanie na gorąco Względnie grube powłoki. Szybka metoda powlekania. H = 25 - 130 mikronów Ograniczona jedynie zastosowaniem A1 do uzyskania powłok wysokotemperaturowych. Powłoki mogą być porowate i nieciągłe.
Tabela 2. Klasyfikacja metod powlekania ze względu na stan fazowy ośrodka
Stan stałyŁączenie mechaniczne Okładzina SpiekanieStan ciekły Zanurzenie na gorąco Natryskiwanie Powierzchnia Stan półpłynny lub pastowaty Proces zolowo-żelowy Lutowanie poślizgowe Medium gazowe (oddziaływanie atomowe, jonowe lub elektroniczne) Fizyczne osadzanie z fazy gazowej Osadzanie z fazy gazowej chemicznej Roztwór Chemiczny Galwaniczny Elektrogalwaniczny PlazmaObróbka powierzchniowa
Tabela 3. Klasyfikacja metod powlekania według stanu zaawansowania procesów definiujących jedną grupę metod
Mechaniczne klejenie okładzin Fizyczne Fizyczne Naparowywanie próżniowe Powłoki próżniowe Napylanie termiczne Napylanie jonowe Chemiczne Chemiczne Naparowywanie próżniowe Osadzanie elektrolitu bez pola elektrycznego Elektrochemiczne w roztworach wodnych W roztopionej mgle solnej Detonacja Pistolet Metalizacja łukiem elektrycznym Płomień gazu plazmowego Przy użyciu napawania laserowego Ręczne spawanie łukowe Spawanie tlenowo-plazmowe w gazie obojętnym Spawanie plazmowe Napylanie katodowe Łuk kryty Inne między elektrodami wolframowymi w atmosferze obojętnej
Tabela 4. Klasyfikacja metod ze względu na stan zastosowanego materiału i metody wytwarzania
Grupa 1 Stan atomowy lub jonowy Metody próżniowe: Odparowanie próżniowe Osadzanie wiązką jonową Osadzanie epitaksjalną wiązką molekularną Metody plazmowe: Napylanie katodowe (jon, magnetron) Osadzanie jonowe Polimeryzacja plazmowa Aktywowane odparowywanie reaktywne Osadzanie łukiem katodowym Interakcje chemiczne w parach odczynników: Osadzanie w fazie gazowej Odzysk Rozkład Osadzanie plazmowe Piroliza natryskowa Osadzanie elektrolitu: Galwanizacja Osadzanie chemiczne Osadzanie stopionej soli Zastępowanie chemikaliami Grupa 2 Walcowanie wybuchowe Topienie laserowe Zwilżanie: Malowanie pędzlem Zanurzanie na gorąco Metody elektrostatyczne: Powlekanie wirowe Tworzenie wzorów natryskowych Grupa 4 Modyfikacja struktury powierzchni Laserowa modyfikacja powierzchni Obróbka cieplna Implantacja jonowa Stapianie powierzchni: Dyfuzja masowa Natrysk Wymywanie Konwersje chemiczne dyfuzja par cieczy (ogrzewanie, plazma) Elektrolityczne sole anodujące Metody mechaniczne: Śrutowanie
1.1 Zmiany właściwości fizykochemicznych powierzchni podczas nakładania powłok
Warstwa powierzchniowa (powłoka) odgrywa decydującą rolę w kształtowaniu właściwości użytkowych i innych wyrobów, jej powstanie na powierzchni ciała stałego prawie zawsze zmienia właściwości fizykochemiczne we właściwym kierunku. Powlekanie pozwala na przywrócenie wcześniej utraconych właściwości podczas eksploatacji produktów. Jednak najczęściej zmieniają się właściwości powierzchni wyjściowych produktów uzyskiwanych podczas ich produkcji. W tym przypadku właściwości materiału warstwy wierzchniej znacznie różnią się od właściwości pierwotnej powierzchni. Zdecydowana większość zmian dotyczy składu chemicznego i fazowego nowo utworzonej powierzchni, w wyniku czego powstają produkty o wymaganych właściwościach użytkowych, takich jak wysoka odporność korozyjna, żaroodporność, odporność na zużycie i wiele innych wskaźników.
Zmiana właściwości fizycznych i chemicznych pierwotnych powierzchni wyrobów może odbywać się poprzez tworzenie powłok zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych. Możliwe są również opcje łączone (ryc. 1).
powlekanie chemiczne próżniowe
Przy nakładaniu powłok wewnętrznych wymiary wyrobów pozostają niezmienione (L I = stała). Niektóre metody zapewniają również stałość masy produktu, w innych – przyrost masy jest znikomy i można go pominąć. Z reguły nie ma wyraźnej granicy modyfikowanej warstwy wierzchniej ( ?M ? stała). Podczas nakładania powłok zewnętrznych zwiększa się rozmiar produktu (L I ?const) na grubość powłoki ( ?komputer ). Zwiększa się również masa produktu. W praktyce występują również powłoki łączone. Na przykład przy nakładaniu powłok termoizolacyjnych, które charakteryzują się zwiększoną liczbą nieciągłości w warstwie zewnętrznej, odporność termiczną zapewnia wewnętrzna nieporowata powłoka.
1.2 Powłoki wewnętrzne
Powłoki wewnętrzne powstają różnymi metodami oddziaływania na powierzchnię pierwotnego materiału (modyfikacja pierwotnych powierzchni). W praktyce szeroko stosowane są następujące metody oddziaływania: mechaniczne, termiczne, dyfuzyjne termiczne i wysokoenergetyczne z przenikającymi przepływami cząstek i promieniowania.
Istnieją również połączone metody oddziaływania, na przykład termomechaniczne itp. W warstwie powierzchniowej zachodzą procesy, które prowadzą do zmiany strukturalnej materiału źródłowego na głębokość od nanometra do dziesiątych części milimetra lub więcej.
W zależności od metody oddziaływania zachodzą następujące procesy:
zmiana struktury ziarnistej materiału;
Zniekształcenie sieci krystalicznej, zmiana jej parametrów i rodzaju;
zniszczenie sieci krystalicznej (amorfizacja);
zmiana składu chemicznego i synteza nowych faz.
1.3 Powłoki zewnętrzne
Praktyczna wartość powłok zewnętrznych jest bardzo wysoka. Zastosowanie powłok zewnętrznych pozwala nie tylko rozwiązać problem zmiany właściwości fizykochemicznych pierwotnych powierzchni, ale także przywracania ich po eksploatacji.
Mechanizm formowania i kinetykę pokazano na ryc. 3. Powłoki zewnętrzne często pełnią rolę elementu konstrukcyjnego, np. powłoki filmowe w produkcji układów scalonych. Do tej pory opracowano wiele metod nakładania powłok do różnych celów z wielu materiałów nieorganicznych.
Do analizy procesów fizykochemicznych związanych z osadzaniem powłok celowe jest ich usystematyzowanie ze względu na warunki powstawania, możliwe wydaje się wyróżnienie następujących grup powłok powstających na powierzchni ciała stałego: stałe, ciekłe, proszkowe i atomowe.
1.4 Przygotowanie powierzchni do malowania
Przygotowanie powierzchni określa główny wskaźnik jakości - siłę przyczepności powłoki do materiału podstawowego produktu lub siłę przyczepności. Pewnymi wyjątkami są powłoki utworzone na stopionej powierzchni, na przykład, gdy powłoki są osadzane za pomocą skoncentrowanych źródeł ciepła. Jednak nawet w tym przypadku zanieczyszczone powierzchnie niekorzystnie wpływają na właściwości materiału powłokowego. Obserwuje się jej kruchość, zwiększa się skłonność do powstawania defektów: pęknięć, porowatości itp. Pod tym względem przygotowanie powierzchni jest kluczową operacją w procesie technologicznym nakładania dowolnych powłok.
Podczas przygotowywania powierzchni należy rozwiązać dwa ważne zadania:
) usuwanie z powierzchni zaadsorbowanych substancji - zanieczyszczeń;
) aktywacja powierzchni.
Usuwanie zanieczyszczeń i aktywacja powierzchni może odbywać się zarówno w jednym procesie technologicznym, jak i oddzielnie. Zasadniczo każde usunięcie fizycznie lub chemicznie zaadsorbowanych substancji z powierzchni już aktywuje tę powierzchnię.
Zerwane wiązania atomów powierzchniowych są przywracane, przywracana jest ich asymetria i odpowiednio wzrasta poziom energii powierzchniowej. Największy efekt w przygotowaniu powierzchni uzyskuje się wtedy, gdy wraz z usuwaniem zanieczyszczeń następuje jej największa aktywacja. W rzeczywistych procesach technologicznych takie przygotowanie powierzchni nie zawsze jest możliwe. Zwykle stosuje się dwu- lub trzyetapowe oddzielne przygotowanie. Ostatni etap ma na celu głównie aktywację powierzchni do jej maksymalnych wartości.
W praktyce nakładania powłok stosowano następujące główne metody przygotowania powierzchni wyrobów: mycie zimną lub gorącą wodą; odtłuszczanie; akwaforta; uderzenie mechaniczne; efekty termiczne i chemiczno-termiczne; uderzenie elektrofizyczne; ekspozycja na strumienie światła; odwodnienie.
2. Chemiczne i elektrochemiczne metody powlekania
Wytwarzanie powłok z roztworów metodami chemicznymi i elektrochemicznymi jest klasycznym przykładem procesów pozwalających w stosunkowo czysty sposób prześledzić powstawanie osadzonych warstw poprzez sukcesywne przyłączanie atomów do powierzchni powlekanego produktu podczas jego oddziaływania z jonem -środek reakcyjny.
Istnieją standardowe definicje metod otrzymywania powłok z roztworów wodnych - elektrolitów (GOST 9.008-82).
Chemiczna metoda otrzymywania powłok polega na wytworzeniu metalicznej lub niemetalicznej powłoki nieorganicznej w roztworze soli bez prądu elektrycznego z zewnętrznego źródła. Przykładami powłok chemicznych są: dla powłok metalowych otrzymanych metodą redukcji – niklowanie, miedziowanie, srebrzenie itp., dla powłok niemetalicznych otrzymanych metodą utleniania – utlenianie, fosforanowanie, chromianowanie itp. Te ostatnie stosuje się również do powlekania dodatkowego przetwarzanie.
Elektrochemiczna metoda otrzymywania powłoki polega na wytwarzaniu metalicznej lub niemetalicznej powłoki nieorganicznej w elektrolicie pod działaniem prądu elektrycznego z zewnętrznego źródła.
Redukcja katodowa metali to elektrochemiczna metoda wytwarzania powłoki metalicznej na metalu, który jest katodą.
Utlenianie anodowe to elektrochemiczna metoda wytwarzania niemetalicznej powłoki nieorganicznej na metalu będącym anodą.
Kontaktową metodą otrzymywania powłoki jest przygotowanie powłoki z roztworu soli osadzonego metalu poprzez zanurzenie powleczonego metalu w kontakcie z metalem bardziej elektroujemnym.
2.1 Klasyfikacja powłok chemicznych i elektrochemicznych
Powłoki chemiczne i elektrochemiczne można sklasyfikować w oparciu o następujące podstawowe zasady:
Zgodnie z metodą produkcji (chemiczna, elektrochemiczna, galwaniczna, katodowa, anodowa i kontaktowa);
Według rodzaju zastosowanego materiału (metaliczny, niemetaliczny i kompozytowy);
Zgodnie z wymaganiami dotyczącymi powłoki (ochronnej, ochronno-dekoracyjnej, dekoracyjnej, specjalnej);
W odniesieniu do zewnętrznego ośrodka chemicznie aktywnego (katoda, anoda, neutralny);
Zgodnie z projektem powłoki (jednowarstwowa, wielowarstwowa).
2.2 Istota metody powlekania chemicznego
Powłoki otrzymane metodą chemiczną charakteryzują się mniejszą porowatością niż powłoki naniesione metodą galwaniczną przy tej samej grubości i dużej jednorodności.
Chemiczne osadzanie metali to proces redukcji przebiegający zgodnie z równaniem:
Mez+ + Ze?M
gdzie ja z+ - jony metali w roztworze; z jest wartościowością metalu; Ze to liczba elektronów; Ja - powlekanie metalu.
Jony metali w roztworze (Me z+ ) łączą się (w zależności od wartościowości) z odpowiednią liczbą elektronów (Ze) i zamieniają się w metal (Me).
W przypadku osadzania chemicznego niezbędne elektrony powstają w wyniku procesu chemicznego zachodzącego w roztworze użytym do uzyskania powłoki. Podczas osadzania galwanicznego elektrony niezbędne do redukcji jonów metali są dostarczane przez zewnętrzne źródło prądu .W zależności od procesu chemicznego zachodzącego podczas osadzania powłoki wyróżnia się następujące metody.
Metoda kontaktowa (zanurzeniowa), w której powlekany metal zanurza się w roztworze zawierającym sól metalu bardziej elektrododatniego, a powłoka w tym przypadku jest osadzana ze względu na różnicę potencjałów, jaka występuje między powlekanym metalem a jonami w rozwiązanie. Metoda kontaktowo-chemiczna (elektroliza wewnętrzna), w której osadzanie odbywa się dzięki różnicy potencjałów, jaka powstaje, gdy metal powlekany styka się z metalem bardziej elektroujemnym w procesie zanurzenia w roztworze soli metalu, która służy do Powłoka. Metoda redukcji chemicznej, w której metal przeznaczony do powlekania zanurza się w roztworze zawierającym sól osadzanego metalu, dodatki buforujące i kompleksujące oraz środek redukujący, podczas gdy jony osadzanego metalu ulegają redukcji w wyniku oddziaływania z reduktora i osadza się na powlekanym metalu, a reakcja ta zachodzi tylko na powierzchni metalu, która jest katalizatorem tego procesu.
2.3 Powlekanie produktu
Urządzenia technologiczne stosowane w przedsiębiorstwach krajowych lub zagranicznych do nanoszenia powłok metodą redukcji chemicznej projektowane są w oparciu o określone zadania produkcyjne: duże części zawieszane są w wannach za pomocą specjalnych urządzeń, małe luzem pokrywane są w bębnach, rurach (liniach prostych lub zwojach ) - na instalacjach dających możliwość pompowania roztworu przez wnęki wewnętrzne itp. Często instalacje do aplikacji chemicznej zlokalizowane są w galwanizerniach, co umożliwia wykorzystanie dostępnego tam sprzętu do odtłuszczania, izolowania, trawienia, mycia, suszenia i części do obróbki cieplnej.
Uproszczony schemat aparatu do nakładania powłok chemicznych przedstawiono na ryc. 4.
Powlekanie chemiczne przeprowadza się w roztworach niepłynących lub płynących. W niektórych przypadkach roztwór po przetworzeniu 1-2 partii części jest wylewany i zastępowany świeżym; w innych roztwór jest filtrowany, dostosowywany i ponownie używany. Instalacja do jednorazowego powlekania części w roztworze niepłynącym zwykle ma spawaną wannę żelazną lub porcelanową, którą wkłada się do większego pojemnika - termostatu. Przestrzeń między ściankami obu wanien wypełniona jest wodą lub olejem, który jest podgrzewany grzałkami elektrycznymi lub świeżą parą. Na zewnątrz termostat ma warstwę termoizolacyjną (na przykład z arkusza azbestu, na który nakładana jest obudowa). W łaźni umieszcza się termometr kontaktowy z termostatem w celu utrzymania wymaganej temperatury roztworu roboczego.
3. Próżniowe powlekanie kondensacyjne
Istnieje wiele podobieństw w metodach i cechach technologicznych próżniowego powlekania kondensacyjnego (VKNP), w związku z tym wskazane jest rozważenie uogólnionego schematu procesu. Uogólniony schemat procesu powlekania próżniowo-kondensacyjnego przedstawiono na rys. 1. 5.
Wiadomo, że powłoki podczas próżniowego osadzania kondensacyjnego powstają ze strumienia cząstek w stanie atomowym, molekularnym lub zjonizowanym. Do powłok przechodzą obojętne i wzbudzone cząstki (atomy, cząsteczki, klastry) o normalnych i wysokich energiach oraz jony o szerokim zakresie energii. Przepływ cząstek uzyskuje się przez odparowanie lub natryskiwanie materiału poprzez wystawienie go na działanie różnych źródeł energii. Przepływy cząstek nanoszonego materiału uzyskuje się przez odparowanie termiczne, odparowanie wybuchowe - napylanie katodowe oraz napylanie jonowe materiału stałego. Proces aplikacji odbywa się w sztywnych szczelnych komorach pod ciśnieniem 13,3 - 13,3 10-3Pa, dzięki czemu zapewniają niezbędną długość swobodnej drogi cząstek i ochronę procesu przed oddziaływaniem z gazami atmosferycznymi. Przenoszenie cząstek w kierunku powierzchni skraplania odbywa się w wyniku różnicy ciśnień cząstkowych fazy gazowej. Najwyższa prężność pary (13,3 Pa lub więcej) w pobliżu powierzchni natryskiwania (parowania) powoduje przemieszczanie się cząstek w kierunku powierzchni produktu, gdzie prężność pary jest minimalna. Inne siły przenoszenia działają w strumieniu cząstek w stanie zjonizowanym; zjonizowane cząsteczki mają większą energię, co ułatwia tworzenie powłok.
Metody powlekania próżniowo-kondensacyjnego są klasyfikowane według różnych kryteriów:
Zgodnie z metodami uzyskiwania przepływu pary z materiału powłokowego i tworzenia cząstek: termiczne odparowanie materiału ze stanu stałego lub stopionego, wybuchowe (intensywne) odparowanie - natryskiwanie; rozpylanie jonowe materiału stałego;
Zgodnie ze stanem energetycznym cząstek: zastosowanie przez cząstki obojętne (atomy, cząsteczki) o różnych stanach energetycznych; cząstki zjonizowane, zjonizowane cząstki przyspieszone (w rzeczywistych warunkach w przepływie występują różne cząstki);
W zależności od interakcji cząstek z gazami resztkowymi w komorze: aplikacja w obojętnym rozrzedzonym ośrodku lub wysokiej próżni (13,3 MPa); oraz w aktywnym rozrzedzonym podłożu (133 - 13,3 Pa).
Wprowadzenie do komory gazów aktywnych umożliwia przystąpienie do metody osadzania powłok w reakcji próżniowej. Cząsteczki w strumieniu lub na powierzchni skraplania wchodzą w interakcje chemiczne z gazami aktywnymi (tlen, azot, tlenek węgla itp.) i tworzą odpowiednie związki: tlenki, azotki, węgliki itp.
Klasyfikacja próżniowego powlekania kondensacyjnego pokazana jest na ryc. 6. Wybór metody i jej odmian (metod) determinowany jest wymaganiami stawianymi powłokom, biorąc pod uwagę efektywność ekonomiczną, produktywność, łatwość sterowania, automatyzację itp. Najbardziej obiecującymi metodami są osadzanie próżniowo-kondensacyjne z jonizacją przepływu rozpylonych cząstek (stymulacja plazmą); często metody te nazywane są plazmą jonową.
Następujące podstawowe wymagania są nakładane na produkty otrzymywane metodami kondensacji próżniowej:
Zgodność z wymaganiami współczesnego przemysłu;
Niskie ciśnienie par nasyconych materiału produktu w temperaturze procesu;
Możliwość podgrzewania powierzchni w celu zwiększenia przyczepności powłok.
Próżniowe powłoki kondensacyjne znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. Proces reakcji próżniowej tworzy odporne na zużycie powłoki produktów do różnych celów: par ciernych, narzędzi do prasowania i skrawania itp.
Próżniowe osadzanie kondensacyjne umożliwia uzyskanie powłok o wysokich właściwościach fizycznych i mechanicznych; ze zsyntetyzowanych związków (węgliki, azotki, tlenki itp.); cienki i jednolity; przy użyciu szerokiej klasy materiałów nieorganicznych.
Procesy technologiczne związane z zastosowaniem próżniowej kondensacji nie zanieczyszczają środowiska i nie naruszają środowiska. Pod tym względem wypadają korzystnie w porównaniu z chemicznymi i elektrochemicznymi metodami nakładania cienkich powłok.
Wadami próżniowej metody osadzania kondensacyjnego są niska wydajność procesu (szybkość skraplania wynosi około 1 μm/min), zwiększona złożoność technologii i urządzeń oraz niskie współczynniki energii natrysku, odparowania i kondensacji.
Wskazane jest, aby proces próżniowego osadzania kondensacyjnego powłok rozpatrywać jako składający się z trzech etapów:
Przejście fazy skondensowanej (stałej lub ciekłej) w gazową (parę wodną);
Tworzenie przepływu i przenoszenie cząstek na powierzchnię kondensacji;
Kondensacja pary wodnej na powierzchni produktu – tworzenie się powłoki.
Uzyskanie wysokiej jakości powłok wymaga elastycznej kontroli procesu poprzez stworzenie optymalnych warunków ich płynięcia.
4. Nakładanie powłok napawających skoncentrowanymi źródłami ciepła
Nakładanie powłok przez napawanie skoncentrowanymi źródłami ciepła odbywa się w postaci oddzielnych przejść, z których każde tworzy ścieg stopionego materiału o szerokości b. Nakładanie się rolek ?B zwykle wynosi (1/4 - 1/3)3. Materiał powłokowy składa się ze stopionego materiału podstawowego i materiału wypełniającego, który jest wprowadzany do kąpieli. Jeżeli materiał podstawowy nie jest stopiony, to ścieg spoiny powstaje tylko z materiału dodatkowego, w tym przypadku udział materiału podstawowego w tworzeniu naniesionej powłoki jest zerowy. Najbardziej rozpowszechnione metody napawania skoncentrowanymi źródłami ciepła z lekkim nadtopieniem materiału podstawowego o wysokości h N . Wysokość koralika h N zwykle wynosi 2 - 5 mm. Kiedy rolki zachodzą na siebie, powstają podłużne rowki (nierówności) o głębokości 1–2 mm.
Znając skład chemiczny materiału bazowego i wypełniacza oraz proporcję ich udziału w tworzeniu materiału powłokowego, możliwe jest określenie składu chemicznego nanoszonej warstwy.
Pod działaniem skoncentrowanego źródła ciepła materiał bazowy jest miejscowo podgrzewany, zwłaszcza podczas jego topienia. Strumień ciepła jest odprowadzany do materiału podstawowego, tworząc w nim strefę wpływu ciepła (WCC). W obszarze wysokiej temperatury SWC z reguły obserwuje się wzrost ziarna, stwardniałą strukturę, tworzą się gorące i zimne pęknięcia. W praktyce napawanie ma tendencję do minimalizowania długości SWC.
Pod wpływem źródła ciepła roztopiony metal jest wypierany z kąpieli w oddzielnych porcjach, które podczas krystalizacji tworzą kulę osadzonego materiału. Proces krystalizacji odbywa się na bazie stopionych ziaren materiału podstawowego, główna oś krystalitów jest zorientowana zgodnie z kierunkiem odprowadzania ciepła do materiału podstawowego. Podczas krystalizacji możliwe jest powstawanie defektów: pęknięć gorących i zimnych, porowatości, wtrąceń żużla itp. Charakter powstawania powłoki z pojedynczych nałożonych kulek (przepustów) z zakładkami nie pozwala na uzyskanie cienkich i jednorodnych nakładek. Minimalną grubość powłoki 1 - 2 mm można osiągnąć tylko przy użyciu precyzyjnej technologii. Do napawania powłok stosuje się głównie materiały metalowe, czasami do stopionego metalu wprowadza się różne ogniotrwałe związki niemetaliczne.
4.1 Klasyfikacja osadzonych powłok
Klasyfikacja osadzonych powłok dokonywana jest według różnych kryteriów. Najlepiej sklasyfikowany według:
skoncentrowane źródła ciepła;
charakter ochrony stopionego metalu;
stopień mechanizacji.
Ze względu na źródła ciepła napawanie powłok dzieli się na:
płomień;
osocze;
promień światła;
wiązka elektronów;
wprowadzenie;
elektrożużel.
Ze względu na charakter ochrony stopionego metalu rozróżniają: napawanie z ochroną żużlową, gazową i gazowo-żużlową. W zależności od stopnia mechanizacji zmienione zostanie nawierzchnie ręczne i zmechanizowane z elementami automatyki.
4.2 Zastosowania do napawania
Napawanie skoncentrowanymi źródłami ciepła służy do odnawiania zużytych powierzchni, natomiast powłoki z reguły dają wysoki efekt ekonomiczny. Jednak napawanie można również wykorzystać do tworzenia początkowych powierzchni nowych produktów o szerokim zakresie właściwości fizycznych i chemicznych, na przykład przy tworzeniu zaworów wydechowych w silnikach spalinowych, przy produkcji narzędzi wiertniczych itp.
Szczególnie wskazane jest stosowanie napawania do tworzenia powierzchni odpornych na zużycie w parach ciernych, a minimalne zużycie można osiągnąć dzięki zarówno zwiększeniu twardości warstwy napawanej, jak i zmniejszeniu współczynnika tarcia. Znany jest duży efekt ekonomiczny przy tworzeniu narzędzia skrawającego. Stal szybkotnącą w osadzonej powłoce uzyskano metodą napawania łukiem argonowym z podaniem drutu elektrodowego ze stopów wolframowo-molibdenowych o wysokiej zawartości węgla (0,7 - 0,85% mas.). Do napawania mocno obciążonych matryc podczas tłoczenia na gorąco zastosowano elektrody otulone, na przykład TsI-1M (typ EN - 80V18Kh4F - 60, typ F). Napawanie powłok odpornych na zużycie jest szeroko stosowane w produkcji sprzętu do robót ziemnych. Ogólnie rzecz biorąc, metody napawania są bardzo skuteczne, ich wady obejmują:
duża grubość osadzonej warstwy (z pewnymi wyjątkami);
obecność rozszerzonej strefy wpływu ciepła w materiale podstawowym;
wysoka chropowatość powierzchni, która wymaga późniejszej obróbki;
ograniczony zakres osadzanych materiałów, głównie metalu.
5. Powlekanie przez powlekanie
Okładzina obejmuje szeroki zakres metod powlekania. Obejmują one:
Wstrząs wybuchowy;
Wstrząs magnetyczny;
Prasowanie izostatyczne na gorąco lub platerowanie;
Uzyskanie połączenia mechanicznego metodą ekstruzji.
Przy takiej klasyfikacji metody powlekania i metody z tworzeniem wiązania dyfuzyjnego w pewnym stopniu się pokrywają. Metody powlekania są klasyfikowane według szybkości tworzenia wiązania między powłoką a podłożem:
1. Procesy bardzo szybkie (okładziny wybuchowe, udarowe elektromagnetyczne);
Średnio szybkie procesy (walcowanie, wytłaczanie);
Procesy powolne (zgrzewanie dyfuzyjne, prasowanie izostatyczne na gorąco).
Częściej platerowanie stosuje się do powlekania stopów żelaza stopami na bazie niklu. Kobaltowe powlekanie stali jest mniej powszechne, głównie ze względu na wysokie koszty.
Wśród metod powlekania najczęściej stosowane są walcowanie i wytłaczanie. Powłoki wybuchowe odkryto przypadkowo w 1957 roku. Prasowanie izostatyczne na gorąco i powlekanie udarowe elektromagnetyczne to stosunkowo nowe techniki. Powłoki dyfuzyjne zostały opracowane na początku XX wieku w celu powlekania żelaza stopami niklu i innymi stopami wysokotemperaturowymi do specjalnych zastosowań.
6. Metody powlekania gazowo-termicznego
Biorąc za podstawę separacji rodzaj źródła ciepła, w praktyce zastosowano następujące metody natryskiwania: plazmową, gazowo-płomieniową, gazowo-detonacyjną, łukową oraz metalizację wysokoczęstotliwościową.
Pierwsze powłoki termiczne uzyskano na początku XX wieku. M. W. Shoopa, który rozpylił strumień gazu na roztopiony metal i kierując ten strumień na próbkę podstawową, uzyskał na niej warstwę powłoki. Proces ten nazwano shopingiem od nazwiska autora i został opatentowany w Niemczech, Szwajcarii, Francji i Anglii. Konstrukcja pierwszego metalizatora drutowego z płomieniem gazowym firmy Schoop pochodzi z 1912 roku, a pierwszego metalizatora drutowego z łukiem elektrycznym – z 1918 roku.
W przemyśle krajowym metalizację gazowo-płomieniową zaczęto stosować od końca lat 20-tych. Pod koniec lat trzydziestych z powodzeniem zastąpiono go galwanizacją łukiem elektrycznym. Sprzęt do metalizacji łukiem elektrycznym został stworzony przez N. V. Katza i E. M. Linnika.
Natryskiwanie termiczne powłok w praktyce światowej zaczęło aktywnie rozwijać się pod koniec lat 50. Ułatwiło to stworzenie niezawodnej techniki generowania plazmy niskotemperaturowej; detonacyjne gazowe urządzenia wybuchowe, doskonalenie procesów wyładowań łukowych.
W rozwój teorii, technologii i urządzeń do natryskiwania cieplnego zaangażowanych było wiele zespołów naukowych Akademii Nauk ZSRR, uczelni technicznych, instytutów branżowych i przedsiębiorstw przemysłowych. Prace w głównych czołowych krajach zagranicznych rozwijały się w podobnym tempie.
6.1 Klasyfikacje metod
Metody i technologia natryskiwania termicznego mają ze sobą wiele wspólnego. Schemat procesu natryskiwania termicznego przedstawiono na rys. 7.
Natryskiwany materiał w postaci proszku, drutu (sznurków) lub prętów wprowadzany jest do strefy grzewczej. Rozróżnij podawanie materiału w kierunku promieniowym i osiowym. Ogrzane cząstki są natryskiwane gazem, którego głównym celem jest przyspieszenie rozpylonych cząstek w kierunku osiowym, ale oprócz tego może pełnić również inne funkcje. Gdy drut lub pręty są wprowadzane do strefy grzewczej, gaz rozpylający rozprasza stopiony materiał; w wielu metodach osadzania pełni również funkcję ogrzewania.
Ogrzewanie cząstek, ich rozpraszanie i przyspieszanie przez przepływ gazu z góry zadecydowało o nazwie procesu - natryskiwanie termiczne. Cząsteczki wchodzące na powierzchnię formacji powłoki muszą zapewnić utworzenie silnych wiązań międzyatomowych w procesie kontaktu, co wymaga ich nagrzania i odpowiedniej szybkości. Wiadomo, że temperatura cząstek determinuje aktywację termiczną w obszarze kontaktu; prędkość cząstek po zderzeniu z powierzchnią stwarza warunki do mechanicznej aktywacji kontaktu powierzchniowego. Należy wziąć pod uwagę, że przy dużych prędkościach cząstek w momencie ich kontaktu część energii kinetycznej zamieniana jest na energię cieplną, co również przyczynia się do rozwoju aktywacji termicznej.
Opracowane metody natryskiwania gazowo-termicznego umożliwiają regulację w wystarczających granicach temperatur i prędkości cząstek wchodzących na powierzchnię tworzącą powłokę.
Metody natryskiwania termicznego klasyfikują:
według rodzajów energii;
według rodzaju źródła ciepła;
według rodzaju rozpylanego materiału;
według rodzajów ochrony;
według stopnia mechanizacji i automatyzacji;
przez okresowość przepływu cząstek.
Ze względu na rodzaj energii wyróżnia się metody wykorzystujące energię elektryczną (metody gazowo-elektryczne) oraz metody, w których energia cieplna powstaje w wyniku spalania gazów palnych (metody gazowo-płomieniowe). Do ogrzewania natryskiwanego materiału stosuje się następujące rodzaje źródeł ciepła: łuk, plazma, wyładowania wysokiej częstotliwości oraz płomień gazowy. W związku z tym metody natryskiwania nazywane są: powlekanie łukiem elektrycznym, natryskiwanie plazmowe, powlekanie wysokiej częstotliwości, natryskiwanie płomieniowe, natryskiwanie gazem detonacyjnym. Pierwsze trzy metody są gazowo-elektryczne, ostatnie - gazowo-płomieniowe.
W zależności od rodzaju natryskiwanego materiału stosuje się natryskiwanie proszkowe, drutowe (prętowe) oraz kombinowane. W metodach łączonych stosuje się drut proszkowy. W zależności od rodzaju ochrony znane są następujące metody natryskiwania: bez ochrony procesowej, z ochroną miejscową oraz z ochroną ogólną w komorach szczelnych. W przypadku ochrony ogólnej rozróżnia się prowadzenie procesu pod ciśnieniem normalnym (atmosferycznym), podwyższonym i przy rozrzedzeniu (w niskiej próżni).
Stopień mechanizacji i automatyzacji procesu. Przy ręcznych metodach natrysku zmechanizowana jest jedynie dostawa natryskiwanego materiału. W metodach zmechanizowanych opryskiwacz jest również przemieszczany względem produktu, który ma być natryskiwany. Często wykorzystują ruch rozpylanych produktów względem opryskiwacza stałego. Stopień automatyzacji procesów osadzania zależy od konstrukcji instalacji, w najprostszych wersjach nie ma automatyzacji, aw złożonych kompleksach możliwa jest pełna automatyzacja procesu.
Częstotliwość przepływu. Większość metod rozpylania przeprowadza się przy ciągłym przepływie cząstek. W przypadku niektórych metod możliwa jest tylko cykliczna kontrola procesu. Powłoka jest formowana w trybie pulsacyjnego osadzania, naprzemiennie z przerwami. Metody natryskiwania gazowo-termicznego są szeroko stosowane do nakładania powłok do różnych celów. Do głównych zalet metod natryskiwania cieplnego należy wysoka wydajność procesu przy zadowalającej jakości powłok.
7. Natryskiwanie plazmowe powłok
Strumień plazmy jest szeroko stosowany jako źródło ogrzewania, atomizacji i przyspieszania cząstek podczas osadzania powłok. Ze względu na duże natężenie przepływu i temperaturę, strumień plazmy pozwala na natryskiwanie niemal każdego materiału. Strumień plazmy uzyskuje się na różne sposoby: przez ogrzewanie łukowe gazu; ogrzewanie indukcyjne wysokiej częstotliwości, eksplozja elektryczna, ogrzewanie laserowe itp.
Uogólniony schemat procesu natryskiwania plazmowego powłok przedstawiono na rys. 8. Przy natryskiwaniu plazmowym możliwe jest zarówno promieniowe, jak i osiowe podawanie natryskiwanego materiału w postaci proszku lub drutu (prętów). Stosowane są różne rodzaje strumieni plazmy: turbulentne, laminarne, poddźwiękowe i naddźwiękowe, wirujące i niewirujące, osiowosymetryczne i płaskosymetryczne, ciągłe i pulsacyjne itp.
Dysze laminarne zapewniają znacznie większe długości wypływu (l N , l Z ), dzięki czemu zwiększa się czas nagrzewania rozpylonych cząstek, oraz charakteryzują się wyższymi wartościami stosunku energii wejściowej do natężenia przepływu gazu plazmotwórczego. Strumienie laminarne należy sklasyfikować jako wysokoentalpię. Ponadto charakteryzują się dużym natężeniem przepływu oraz niższym poziomem hałasu (do 40 - 30 dB). Obecnie nie znaleziono jeszcze rozwiązań pozwalających na szerokie zastosowanie strumieni laminarnych do opryskiwania. Utrudnienia związane są głównie z zaopatrzeniem w proszek. Teorię i praktykę nakładania powłok za pomocą strumieni laminarnych opracował A. V. Petrov.
Naddźwiękowe strumienie plazmy są również całkiem obiecujące w przypadku rozpylania. Duże prędkości rozpylanych cząstek (800 - 1000 m/s i więcej) umożliwiają formowanie powłok głównie bez ich topienia
Współczesny poziom natryskiwania plazmowego opiera się głównie na wykorzystaniu poddźwiękowych i naddźwiękowych, turbulentnych, osiowosymetrycznych strumieni plazmy o szerokim zakresie właściwości termicznych. Około połowa mocy dostarczanej do rozpylacza jest zużywana na ogrzewanie gazu tworzącego plazmę. Zazwyczaj sprawność cieplna rozpylacza wynosi 0,4-0,75. Należy również zwrócić uwagę na słabe wykorzystanie strumienia plazmy jako źródła ciepła do ogrzewania cząstek proszku. Sprawność efektywna nagrzewania cząstek proszku plazmą ?P mieści się w przedziale 0,01 - 0,15. Podczas natryskiwania drutu efektywna wydajność jest znacznie wyższa i sięga 0,2 -0,3.
Do najważniejszych właściwości termofizycznych strumieni plazmy, które określają optymalne warunki ogrzewania, rozpylania i przyspieszania rozpylonych cząstek, należą entalpia właściwa, temperatura i prędkość w różnych odcinkach wzdłuż osi przepływu. Elastyczne sterowanie parametrami termofizycznymi strumienia decyduje o możliwościach produkcyjnych procesu i jego możliwościach.
W zależności od stopnia zabezpieczenia procesu wyróżnia się natryskiwanie plazmowe: bez zabezpieczenia, z zabezpieczeniem miejscowym i zabezpieczeniem ogólnym.
7.1 Zalety i wady metody natryskiwania plazmowego
Główne zalety metody natrysku plazmowego:
wysoka wydajność procesu od 2 - 8 kg/h dla palników plazmowych o mocy 20 - 60 kW do 50 - 80 kg/h przy mocniejszych atomizerach (150 - 200 kW);
wszechstronność w natryskiwanym materiale (drut, proszek o różnych temperaturach topnienia;
duża liczba parametrów zapewniających elastyczną kontrolę procesu osadzania;
regulacja jakości powłok natryskowych w szerokim zakresie, w tym uzyskiwanie szczególnie wysokiej jakości przewodów procesowych z ochroną ogólną;
wysokie wartości KIM (przy natryskiwaniu materiałów drutowych 0,7 - 0,85, proszek - 0,2 - 0,8);
możliwość kompleksowej mechanizacji i automatyzacji procesu;
szeroka dostępność metody, wystarczająca wydajność i niski koszt najprostszej aparatury.
Wady metody obejmują:
niskie wartości współczynnika wykorzystania energii (dla natrysku drutowego ?Do = 0,02 - 0,18; proszek - ?I = 0,001 - 0,02);
obecność porowatości i innych rodzajów nieciągłości (2 - 15%);
stosunkowo niska wytrzymałość adhezyjna i kohezyjna powłoki (wartości maksymalne to 80 - 100 MPa);
wysoki poziom hałasu podczas procesu otwartego (60 - 120 dB).
W miarę doskonalenia metody natryskiwania plazmowego zmniejsza się liczba wad. Obiecujący jest np. rozwój natryskiwania z naddźwiękowym wypływem strumienia plazmy, który umożliwia tworzenie powłok głównie z cząstek nietopliwych, znajdujących się w stanie lepkoplastycznym. W porównaniu z promieniowym, w opryskiwaczach łukowo-plazmowych najbardziej efektywne jest osiowe podawanie natryskiwanego materiału.
Dużym zainteresowaniem cieszy się natryskiwanie plazmowe za pomocą dwułukowych lub trójfazowych palników plazmowych. Zastosowanie palników plazmowych o wysokiej częstotliwości obiecuje ogromne korzyści. W takich przypadkach uzyskuje się plazmę, która nie jest zanieczyszczona materiałami elektrod, a osiowe doprowadzanie rozpylanego materiału jest uproszczone.
8. Natryskiwanie płomieniowe powłok
Płomień gazowy powstaje w wyniku spalania palnych gazów w tlenie lub powietrzu. W specjalnych palnikach-opryskiwaczach palna mieszanina jest dostarczana wzdłuż obwodu dyszy, środkowa część jest przeznaczona do dostarczania rozpylanego materiału do utworzonego strumienia płomienia gazowego. W pobliżu wylotu dyszy płomień gazowy ma kształt stożka; gdy oddala się od wylotu dyszy, płomień gazowy tworzy ciągły przepływ gazu o wysokiej temperaturze. Istnieją laminarne (R mi < Rekp ) i turbulentnych dżetów (R mi > r ekr ). Przejście reżimu spalania i strumienia przepływu z laminarnego na turbulentny zależy od rodzaju gazu palnego i jest określone przez liczby Reynoldsa (Re = 2200 - 10000).
Strumienie płomienia gazowego jako źródło ogrzewania, natryskiwania i przyspieszania podczas osadzania powłok są podobne do strumieni plazmy. Jednak temperatura, entalpia i prędkość strumienia płomienia gazowego są znacznie niższe. Rozpylone cząstki oddziałują ze złożoną fazą gazową składającą się z gazów palnych, produktów ich spalania i dysocjacji, tlenu i azotu. Potencjał redoks w początkowej części strumienia można łatwo kontrolować, zmieniając stosunek gazu palnego do tlenu. Konwencjonalnie można wyróżnić trzy tryby powstawania płomienia: neutralny, utleniający i redukujący.
Do natryskiwania powłok stosuje się następujące gazy palne: acetylen (C 2H 2), metan (CH 4), propan (C 3H 8), butan (C 4H1 0), wodór (H 2), itp. Czasami stosuje się mieszaniny, na przykład propan-butan itp.
Natryskiwanie płomieniowe odbywa się w otwartej atmosferze. Powietrze dostaje się do palnika płomienia gazowego, a zatem ilość tlenu jest większa niż wymagana do całkowitego utlenienia pierwiastków gazu palnego zgodnie z powyższymi reakcjami. Aby zrównoważyć kompozycje, zmniejsza się ilość tlenu w palnej mieszaninie gaz-tlen.
Najwyższą temperaturę płomienia uzyskuje się przy stosowaniu mieszanin acetylenowo-tlenowych. Jednak wartość opałowa jest wyższa dla propanu i butanu. Dlatego do natrysku najczęściej stosuje się standardowy acetylen techniczny lub mieszaninę propan-butan. Przy tworzeniu strumieni gazowo-plazmowych sprawność cieplna rozpylacza jest dość wysoka ( ?t.r. \u003d 0,8 - 0,9) W tym przypadku większość dostarczanej energii jest zużywana na ogrzewanie gazu. Jednak efektywna wydajność cząstek proszku grzewczego ( ?I ) skład to tylko 0,01 - 0,15.
1 Metody natrysku płomieniowego
Ogólny schemat procesu natryskiwania płomieniowego pokazano na ryc. 9.
Gaz palny i tlen (rzadko powietrze) wchodzą do komory mieszania 3, następnie mieszanina palna wchodzi do urządzenia dyszowego 7, na wylocie którego mieszanina zapala się i tworzy płomień 2. Aby skompresować płomień gazowy, stosuje się dodatkową dyszę 4 używany, do którego dostarczany jest sprężony gaz, zwykle powietrze lub azot. Zewnętrzny współprądowy strumień gazu 5 wydłuża strumień gazu wysokotemperaturowego, zwiększa jego temperaturę, entalpię i prędkość, dodatkowo gaz może być wykorzystany do chłodzenia narażonych na ciepło elementów rozpylacza.
Natryskiwany materiał w postaci proszku lub drutu (prętów) podawany jest wzdłuż osi strumienia płomienia gazowego wewnątrz palnika, co przyczynia się do intensywniejszego nagrzewania i natryskiwania materiału.
Metody natryskiwania płomieniowego są klasyfikowane według następujących kryteriów:
Rodzaj natryskiwanego materiału. Rozpylanie płomieniowe wyróżnia materiały proszkowe i drutowe (pręty).
rodzaj gazu palnego. Znane metody natryskiwania acetylenem lub gazami, substytutami acetylenu (propan, butan, ich mieszaniny itp.).
stopień mechanizacji. Stosować natryskiwanie ręczne i zmechanizowane (maszynowe). Przy metodach ręcznych zmechanizowana jest jedynie dostawa natryskiwanego materiału. W metodach w pełni zmechanizowanych następuje przemieszczanie opryskiwanego produktu względem opryskiwacza lub odwrotnie oraz wprowadzane są elementy automatyki.
2 Opryskiwacze płomieniowe
W naszym kraju powstaje szereg instalacji do napylania płomieniowego drutem i materiałami proszkowymi. Jako gazy energetyczne stosuje się acetylen i mieszaninę propan-butan. Acetylen (lub substytut), tlen, aw niektórych przypadkach dodatkowy gaz (powietrze) do rozpylania jest dostarczany do rozpylacza z zespołu zasilania gazem. Zasilacz gazowy nie wchodzi w skład kompletu produkowanego aparatu. Jest montowany bezpośrednio na obszarze roboczym. Opryskiwacze płomieniowe najczęściej wyposażone są w opryskiwacz (pistolet), podajnik drutu lub proszku oraz panel sterujący. Często mechanizm podawania drutu znajduje się w tej samej obudowie co opryskiwacz, na którym zamocowany jest podajnik proszku.
Wniosek
Nowoczesna produkcja, uwzględniająca współczesne osiągnięcia nauki i techniki, wymaga stworzenia silnego zaplecza do wdrażania nowych metod nakładania powłok z różnych grup materiałów nieorganicznych. Wymagane są powłoki o szerokim zakresie właściwości fizycznych i chemicznych: do ochrony w różnych środowiskach; odporny na zużycie; optyczny; ochrona termiczna i wiele innych. Konieczne są również znaczne wysiłki w celu udoskonalenia istniejących i sprawdzonych metod powlekania.
Aby rozwiązać te problemy, wymagane jest zintegrowane podejście, nie tylko związane z rozwiązaniem konkretnych naukowych i technicznych aspektów tworzenia nowych technologii w dziedzinie powłok, ale coraz większego znaczenia nabiera zadanie optymalizacji i skoordynowanego przechowywania i rozpowszechniania informacji.
Spis wykorzystanej literatury
1. Grilikhes, S.Ya., Tichonow, KI Powłoki elektrolityczne i chemiczne. L.: Chemia, 1990. -288 s.
Kovensky, I.M., Povetkin, V.V. Metody badań powłok elektrolitycznych. -M.: Nauka, 1994. -234 s.
Mołczanow V.F. Połączone powłoki elektrolityczne - Kijów: Technika, 1976. -176 s.
Dasoyan, M.A., Palmskaya, I.Ya., Sakharova, E.V. Technologia powłok elektrochemicznych. -L.: Mashinostroenie, 1989. -391 s.
Eichis, AP Powłoki i estetyka techniczna. - Kijów: Technika, 1971. - 248 s.
Biront, V.S. Powłoka: podręcznik dla studentów. - Krasnojarsk. GATsMiZ, 1994. - 160 s.
Bobrow, G.V. Zastosowanie powłok nieorganicznych (teoria, technologia, aparatura): podręcznik dla studentów. / G.V.Bobrov, A.A. Iljin. - M .: Intermet Engineering, 2004. - 624 s.
8. Liniowiec, VI. Powłoki ochronne na metale / V.I. Liner, - M.: Metalurgia, 1974. - 560 s.
9. Nikandrowa, LI Chemiczne metody otrzymywania powłok metalowych./ L.I. Nikandrow. - L.: Mashinostroenie, 1971. 101 s.
Korozja.: Wydanie referencyjne. / wyd. LL. Schreier. - M.: Metalurgia. 1981. - 632 s.
Chemiczno-termiczna obróbka metali i stopów.: Podręcznik / wyd. L. S. Lachowicz. M.: Metalurgia, 1981.-.424 s.
Kołomycew, P.T. Żaroodporne powłoki dyfuzyjne / P.T. Kołomycew. - M.: Metalurgia, 1979. - 272 s.
Hawking, M. Powłoki metaliczne i ceramiczne / M. Hawking, V. Vasantasri, P. Sidki. - M.: Mir, 2000. - 516 s.
Powlekanie pozwala rozwiązać dwa problemy technologiczne. Pierwszy składa się z kierunkowa zmiana właściwości fizycznych i chemicznych pierwotnych powierzchni wyrobów, zapewniając określone warunki eksploatacji, drugi- V przywracanie właściwości powierzchni produktu naruszone przez warunki pracy, w tym utratę rozmiaru i wagi. Zastosowanie powłok może znacznie poprawić właściwości użytkowe produktów: odporność na zużycie, odporność na korozję, odporność na ciepło, odporność na ciepło itp.
Obecnie trwa doskonalenie i poszukiwanie nowych metod powlekania.
Badanie metod powlekania, ich odmian; termodynamika procesów tworzenia powłok różnego typu na powierzchniach metalowych i niemetalowych; struktura, struktura i właściwości użytkowe powłok; główny sprzęt do gazowo-termicznego i elektrotermicznego powlekania wyrobów metalowych.
Badanie metod poprawy jakości wyrobów poprzez tworzenie powłok wielowarstwowych i zbrojonych; kontrola metrologiczna parametrów technologicznych formacji i ich właściwości.
Rola i miejsce powłok we współczesnej produkcji
Powłoki- Ten jedno lub wielowarstwowa struktura nakładana na powierzchnię w celu ochrony przed wpływami zewnętrznymi(temperatura, ciśnienie, korozja, erozja itd.).
Rozróżnij powłoki zewnętrzne i wewnętrzne.
Powłoki zewnętrzne mają granicę między powłoką a powierzchnią produktu. Odpowiednio rozmiar produktu zwiększa się wraz z grubością powłoki, jednocześnie zwiększa się masa produktu.
Powłoki wewnętrzne nie mają interfejsu i wymiarów i masa produktu pozostają niezmienione, zmieniając jednocześnie właściwości produktu. Powłoki wewnętrzne nazywane są również powłokami modyfikującymi..
Istnieją dwa główne zadania, które można rozwiązać podczas nakładania powłoki
1. Zmiana początkowych właściwości fizycznych i chemicznych powierzchni wyrobów zapewniających określone warunki eksploatacji;
2. Przywrócenie właściwości, wymiarów, masy powierzchni wyrobu naruszonych warunkami eksploatacji.
Cel i zakres powłok
Główną przyczyną powstania i rozwoju technologii nakładania powłok ochronnych było chęć zwiększenia trwałości części i zespołów różnych mechanizmów i maszyn. Optymalizacja systemu powlekania obejmuje odpowiedni dobór składu powłoki, jego strukturę, porowatość i przyczepność z uwzględnieniem temperatury powłoki, I temperatura robocza, kompatybilność podłoża i materiałów powłokowych, dostępność i koszt materiału powłokowego, a także możliwość jego odnowienia, naprawy i właściwej pielęgnacji podczas eksploatacji
Zastosowanie niewystarczająco trwałej powłoki, której grubość zauważalnie zmniejsza się podczas pracy, może prowadzić do zmniejszenia wytrzymałości całej części ze względu na zmniejszenie efektywnej powierzchni jego całkowitego przekroju. Wzajemne dyfuzja składników z podłoża do powłoki i odwrotnie może prowadzić do zubożenia lub wzbogacenia stopi jeden z pierwiastków. efekt termiczny Może zmienić mikrostrukturę substraty i wezwanie pojawienie się naprężeń szczątkowych w powłoce. Biorąc pod uwagę powyższe, optymalny dobór systemu powinien zapewnić jego stabilność, czyli zachowanie takich właściwości jak wytrzymałość (w różnych jej aspektach), plastyczność, udarność, zmęczenie i odporność na pełzanie po każdym uderzeniu. Na właściwości mechaniczne największy wpływ ma praca w warunkach szybkich cykli termicznych, a najważniejszym parametrem jest temperatura i czas jej oddziaływania na materiał; interakcja z otaczającym środowiskiem pracy determinuje charakter i intensywność narażenia chemicznego.
Mechaniczne metody wiązania powłoki z podłożem często nie zapewniają pożądanej jakości przyczepności.. Metody łączenia dyfuzyjnego zwykle dają znacznie lepsze rezultaty. Dobrym przykładem skutecznego powlekania dyfuzyjnego jest aluminiowanie metali żelaznych i nieżelaznych.
Klasyfikacja powłok i metody ich wytwarzania
Obecnie istnieje wiele różnych powłok i sposobów ich otrzymywania.
W wielu publikacjach zaproponowano różne schematy klasyfikacji powłok nieorganicznych według różnych kryteriów.
Powłoki można klasyfikować według następujących podstawowych zasad:
1. Po uzgodnieniu(antykorozyjne lub ochronne, żaroodporne, odporne na zużycie, przeciwcierne, odblaskowe, dekoracyjne i inne);
2. Według właściwości fizycznych lub chemicznych(metalowe, niemetalowe, ogniotrwałe, odporne chemicznie, odblaskowe itp.);
3. Z natury elementów(chromowe, chromowo-aluminiowe, chromowo-krzemowe i inne);
4. Z natury faz powstałych w warstwie powierzchniowej(glinki, krzemki, borki, węgliki i inne)
Rozważ najważniejsze powłoki, sklasyfikowane według celu.
Powłoki ochronne- główny cel jest z nimi związany różne funkcje ochronne. Powłoki odporne na korozję, żaroodporne i odporne na zużycie są szeroko stosowane. Szeroko stosowane są również powłoki termoizolacyjne, elektroizolacyjne i odblaskowe.
Powłoki i folie strukturalne- odegrać rolę elementy konstrukcyjne w produktach. Są również szczególnie szeroko stosowane przy wytwarzaniu wyrobów w oprzyrządowaniu, sprzęcie elektronicznym, układach scalonych, w silnikach turboodrzutowych - w postaci uszczelnień uruchamianych w turbinie i sprężarce itp.
Powłoki technologiczne- przeznaczony w celu ułatwienia procesów technologicznych w wytwarzaniu produktów. Na przykład stosowanie lutów podczas lutowania złożonych konstrukcji; produkcja półproduktów w procesie odkształcania wysokotemperaturowego; spawanie różnych materiałów itp.
Powłoki dekoracyjne- niezwykle szeroko stosowane w produkcji artykułów gospodarstwa domowego, biżuterii, poprawie estetyki instalacji i urządzeń przemysłowych, protetyce w technice medycznej itp.
Powłoki regeneracyjne- dać ogromny efekt ekonomiczny w renowacji zużytych powierzchni wyrobów, takich jak wały napędowe w przemyśle stoczniowym; szyjki wałów korbowych silników spalinowych; łopaty w silnikach turbinowych; różne narzędzia do cięcia i prasowania.
Powłoki optyczne– zmniejszyć współczynnik odbicia w porównaniu z materiałami masowymi głównie ze względu na geometrię powierzchni. Profilowanie pokazuje, że powierzchnia niektórych powłok jest zbiorem chropowatości, których wysokość waha się od 8 do 15 mikronów. Na poszczególnych makronierównościach tworzą się mikronierówności, których wysokość waha się od 0,1 do 2 mikronów.. Zatem wysokość nieregularności jest proporcjonalna do długości fali padającego promieniowania.
Odbicie światła od takiej powierzchni następuje zgodnie z prawem Frenkla.
W literaturze można znaleźć różne zasady klasyfikacji metod powlekania. Chociaż Należy zauważyć, że nie ma jednolitego systemu klasyfikacji metod powlekania..
Hawking i wielu innych badaczy zaproponowało trzy klasyfikacje metod powlekania:
1. Zgodnie ze stanem fazowym medium, z którego osadza się materiał powłokowy;
2. Zgodnie z zastosowanym materiałem;
3. Według statusu procesu, które definiują jedną grupę metod powlekania.
Bardziej szczegółowe klasyfikacje metod powlekania przedstawiono w tabeli 1.1.
Zalety i wady różnych metod powlekania przedstawione w tabeli
Tabela 1.1
Tabela 1.2
Podział metod powlekania ze względu na stan fazowy ośrodka.
Tabela 1.3
Klasyfikacja metod powlekania ze względu na stan procesów określająca jedną grupę metod
Tabela 1.4
Podział metod ze względu na stan zastosowanego materiału i metody wytwarzania
Zmiany właściwości fizykochemicznych powierzchni podczas nakładania powłok
Warstwa powierzchniowa (powłoka) odgrywa decydującą rolę w kształtowaniu właściwości użytkowych i innych produktów, jego powstanie na powierzchni ciała stałego prawie zawsze zmienia właściwości fizyczne i chemiczne we właściwym kierunku. Powlekanie pozwala na przywrócenie wcześniej utraconych właściwości podczas eksploatacji produktów. Jednak najczęściej zmieniają się właściwości powierzchni wyjściowych produktów uzyskiwanych podczas ich produkcji. W tym przypadku właściwości materiału warstwy wierzchniej znacznie różnią się od właściwości pierwotnej powierzchni. W zdecydowanej większości zmienia się skład chemiczny i fazowy nowo powstałej powierzchni, w wyniku czego powstają produkty o wymaganych właściwościach użytkowych, takich jak wysoka odporność korozyjna, żaroodporność, odporność na zużycie i wiele innych wskaźników.
Zmiany właściwości fizykochemicznych pierwotnych powierzchni produkty można przeprowadzić, tworząc zarówno powłoki wewnętrzne, jak i zewnętrzne. Możliwe są również opcje kombinacji.(Rys. 1.1).
Podczas nakładania powłok wewnętrznych wymiary produktów pozostają niezmienione (Ł I = stała). Niektóre metody zapewniają również stałość masy produktu., w innych metodach - przyrost masy jest pomijalny i można go pominąć. Zazwyczaj, nie ma wyraźnej granicy modyfikowanej warstwy powierzchniowej(δm ≠ stała).
Podczas nakładania powłok zewnętrznych zwiększa się rozmiar produktu (Ł i ≠ const) na grubość powłoki (δpc). Zwiększa się również masa produktu.
H 
W praktyce występują również powłoki łączone. Na przykład, przy nakładaniu powłok termoizolacyjnych, charakteryzujących się zwiększoną liczbą nieciągłości w warstwie zewnętrznej,
odporność na ciepło zapewnia wewnętrzna nieporowata powłoka.
Ryż. 1.1. Schematyczne przedstawienie zmian właściwości fizykochemicznych powierzchni ( Li- oryginalny rozmiar produktu; δm to głębokość warstwy wewnętrznej; δpc – grubość powłoki; σ a to siła przyczepności powłoki; δc - wytrzymałość kohezyjna; P - nieciągłości (pory itp.); O N - naprężenia własne)
Powłoki wewnętrzne
Powłoki wewnętrzne powstają poprzez różne sposoby oddziaływania na powierzchnię materiału źródłowego(modyfikacja oryginalnych powierzchni). W praktyce szeroko stosowane są następujące metody oddziaływania: mechaniczne, termiczne, dyfuzyjne termiczne i wysokoenergetyczne z penetrującymi przepływami cząstek i promieniowania (ryc. 1.2).
spotkać i połączone metody oddziaływania, na przykład termomechaniczne itp. W warstwie powierzchniowej zachodzą procesy, które prowadzą do zmian strukturalnych w materiale źródłowym na głębokość od zakresu nanometrów do dziesiątych części milimetra lub więcej. W zależności od metody oddziaływania zachodzą następujące procesy:
– zmiana struktury ziarnistej materiału;
– zniekształcenie sieci, zmieniając jego parametry i typ;
– zniszczenie sieci krystalicznej(amorfizacja);
– zmiana składu chemicznego i synteza nowych faz.
Ryż. 1.2. Schemat modyfikacji powierzchni różnymi wpływami ( R-ciśnienie; T- temperatura; Z– element rozpraszający; J jest energią przepływu; τ - czas)
Powłoki zewnętrzne
Praktyczna wartość powłok zewnętrznych jest bardzo wysoka.. Zastosowanie powłok zewnętrznych pozwala nie tylko na rozwiązanie problemów związanych ze zmianą właściwości fizykochemicznych pierwotnych powierzchni, ale także przywrócić je po użyciu.
Mechanizm formowania i kinetykę pokazano na ryc. 1.3. Powłoki zewnętrzne często pełnią rolę elementu konstrukcyjnego, np. powłoki - folie w produkcji układów scalonych. Do tej pory opracowano wiele metod nakładania powłok do różnych celów z wielu materiałów nieorganicznych.
Ryż. 1.3. Schematy tworzenia powłok na stałej powierzchni
Do analizy procesów fizycznych i chemicznych związanych z nakładaniem powłok, ich wskazane jest usystematyzowanie według warunków formacji. wydaje się, że można wyróżnić następujące grupy powłok powstających na powierzchni ciała stałego: stałe, ciekłe, proszkowe i atomowe.
Pytania kontrolne:
1. Zdefiniuj pojęcie pokrycia.
2. Jakie są dwa główne zadania do rozwiązania podczas nakładania powłok.
3. Wymień główne przeznaczenie i obszary zastosowania powłok.
4. Jakie są główne kryteria klasyfikacji powłok.
5. Jakie powłoki nazywamy ochronnymi?
6. Jakie są główne kryteria klasyfikacji metod powlekania.
7. Wymień główne grupy metod sklasyfikowanych ze względu na stan zastosowanego materiału.
8. Jak zmieniają się właściwości fizyczne i chemiczne powierzchni podczas malowania?
9. Jakie są główne różnice między powłokami wewnętrznymi i zewnętrznymi.
10. Podaj przykład połączonych powłok.
Wykład 2. Właściwości fizyczne i chemiczne powierzchni ciała stałego
Właściciele patentu RU 2265075:
Wynalazek dotyczy dziedziny metalurgii, aw szczególności sposobów obróbki powierzchniowej materiałów przewodzących. Zaproponowano metodę modyfikacji powierzchni ciał przewodzących poprzez podgrzanie jej zmiennym prądem elektrycznym, natomiast do modyfikacji impulsów prądu powierzchniowego o czasie trwania 20-100 ns i amplitudzie zapewniającej głębokość topnienia powierzchni 1-10 μm . EFEKT: opracowanie metody modyfikacji powierzchni ciał przewodzących w celu poprawy właściwości użytkowych metali i stopów oraz sterowania wymaganymi właściwościami, takimi jak twardość, odporność na ścieranie, zmęczenie i odporność na korozję. 3 chory.
Wynalazek dotyczy dziedziny obróbki materiałów przewodzących prąd elektryczny poprzez nagrzewanie polem elektrycznym.
Stan techniki
Wiele właściwości fizycznych i mechanicznych materiałów silnie zależy od stanu powierzchni. Na przykład twardość, zmęczenie, zużycie, odporność na korozję i odporność na pękanie znacznie się poprawiają wraz ze zmniejszeniem wielkości ziarna i amorfizacją warstwy powierzchniowej. Istnieje wiele sposobów wpływania na powierzchnię w celu jej utwardzenia. Takie metody obejmują powlekanie i nakładanie różnych powłok, obróbkę laserową i mechaniczną (na przykład piaskowanie), implantację jonów i tak dalej. Metody szybkiego hartowania wytwarzają ze stopu amorficzne i nanokrystaliczne materiały o określonym składzie chemicznym. Krytyczna szybkość chłodzenia wymagana do amorfizacji i temperatura zeszklenia zależą od charakteru składu chemicznego stopu. Zwykłe szybkości hartowania dla układów amorficznych wynoszą 10 5 -10 7 K / s i są osiągane w metodach przędzenia ze stopu - chłodzenie strumienia na masywnym obracającym się bloku, walcowanie stopu między zimnymi walcami, natryskiwanie strumienia stopu przepływami gazu ( rozpylanie gazu).
Takimi metodami otrzymuje się albo proszki lub płatki o charakterystycznych wymiarach 1-100 nm, albo cienkie wstęgi o grubości 10-100 μm. Amorfizacja czystych metali wymaga ekstremalnie wysokich szybkości chłodzenia -10 12 -10 14 K/s, które są nieosiągalne przy nowoczesnych systemach szybkiego hartowania. Wolniejsze szybkości hartowania rzędu 10 2 -10 4 -K/sek służą do otrzymywania tzw. masywnych szkieł metalicznych o charakterystycznych wymiarach rzędu kilku milimetrów w przekroju poprzecznym. Takie szkła otrzymuje się ze stopów o szerokim obszarze przechłodzenia, których obecność lub brak zależy od składu chemicznego stopu. Mały rozmiar, wysoki koszt i ograniczony charakter kompozycji amorficznych podczas szybkiego hartowania ograniczają zakres stopów amorficznych. Zalety obróbki powierzchni gotowych produktów są oczywiste. I tak np. metodę implantacji jonów stosuje się do amorfizacji warstwy wierzchniej poprzez bombardowanie wysokoenergetycznymi jonami (np. bombardowanie niklu jonami P+ w temperaturze pokojowej – dawka 10 17 jonów/cm 2, energia jonowa 40 keV - prowadzi do powstania fazy amorficznej w warstwie powierzchniowej).
Dobrze znaną metodą jest laserowa amorfizacja powierzchni, która wykorzystuje potężną pulsacyjną wiązkę laserową, która skanuje powierzchnię i topi niewielkie obszary warstwy wierzchniej, która po ustaniu promieniowania laserowego szybko twardnieje w wyniku intensywnego odprowadzania ciepła do masywnego podłoża . W celu wydajniejszej amorfizacji do składu przetwarzanego materiału wprowadza się pierwiastki amorficzne. Wady technologiczne amorfizacji laserowej to złożoność sprzętu, wysoki koszt i stosunkowo niska prędkość obróbki dużych powierzchni. Do wad metalurgicznych tej metody należą duże naprężenia wewnętrzne powstające na granicy warstwy amorficznej i osnowy krystalicznej, a przede wszystkim duża makro- i mikroniejednorodność struktury na skutek skanowania wiązki laserowej nad obrabianą powierzchnią.
Inną wybraną jako prototyp metodą obróbki cieplnej zarówno całej objętości, jak i warstw wierzchnich materiału jest nagrzewanie indukcyjne - nagrzewanie ciał przewodzących poprzez wzbudzanie w nich prądów elektrycznych przez zmienne pole elektromagnetyczne. Aby stworzyć ten ostatni, stosuje się prądy o niskiej (50 Hz), średniej (do 10 kHz) i wysokiej (powyżej 10 kHz) częstotliwości. Służy do topienia metali, utwardzania powierzchniowego części itp.
Atrakcyjność nagrzewania indukcyjnego w przemyśle związana jest przede wszystkim z prostotą technologiczną, wysoką wydajnością, dużą dokładnością w utrzymaniu reżimu obróbki cieplnej, wysokim stopniem przyjazności dla środowiska oraz łatwością integracji w zautomatyzowane linie produkcyjne. Obecnie opracowano i wyprodukowano urządzenia do ogrzewania indukcyjnego do różnych zastosowań przemysłowych:
Do objętościowej i powierzchniowej obróbki cieplnej wyrobów metalowych w celu hartowania, normalizacji, ulepszania, wyżarzania, odpuszczania, obróbki chemiczno-termicznej;
Do podgrzewania półfabrykatów metalowych przed odkształceniem plastycznym;
Do podgrzewania powierzchni wyrobów metalowych do celów specjalnych.
Moc nowoczesnych instalacji do indukcyjnego nagrzewania metalu to dziesiątki - setki kW, częstotliwości pracy - jednostki kHz - jednostki - MHz.
Istota wynalazku
Istotą wynalazku jest wykorzystanie silnych, krótkich impulsów elektrycznych do modyfikacji powierzchni przedmiotów przewodzących prąd elektryczny.
1. poprawa właściwości użytkowych metali i stopów;
2. kontrolowanie wymaganych właściwości, takich jak twardość, odporność na zużycie, zmęczenie, odporność na korozję;
3. obniżyć koszty produkcji;
zaproponowano metodę modyfikacji struktury powierzchni poprzez tworzenie amorficznych, nano- i mikrokrystalicznych warstw powierzchniowych. W przeciwieństwie do pierwowzoru proponujemy zastosowanie silnego pojedynczego impulsu prądowego, który prowadzi do wymaganego nagrzania powierzchni (warstwy skóry).
Efekt naskórkowy polega na zlokalizowaniu prądu elektrycznego o wysokiej częstotliwości w cienkiej warstwie powierzchniowej przewodnika. Grubość warstwy skóry δ szacuje się jako:
gdzie ω to częstotliwość prądu przemiennego, μ to przenikalność magnetyczna, a σ to przewodnictwo przewodnika. Gdy impuls prądu o czasie trwania t 0 i gęstości j przepływa przez przewodnik o oporze właściwym ρ=1/σ, wydziela się ciepło q:
Ciepło to jest zużywane na zwiększenie energii wewnętrznej, a co za tym idzie temperatury powierzchniowej warstwy skóry, ponieważ czas trwania impulsu jest krótki, a zmiany w strukturze i odpływ ciepła przez powierzchnię zewnętrzną można pominąć. Przyrost temperatury ΔT w małym przedziale czasu t 0 jest proporcjonalny do ilości ciepła q:
gdzie c v to ciepło właściwe, a ρ m to gęstość warstwy przewodzącej.
Do oszacowań przyjmiemy, że kształt impulsu prądu o czasie trwania t 0 jest zbliżony do półokresu funkcji sinusoidalnej o częstotliwości ω. Wtedy możemy założyć:
Niech prąd I przepływa przez cylindryczną próbkę o promieniu R 0 . Wówczas pole przekroju poprzecznego S warstwy naskórka o grubości δ będzie wynosić:
Następnie możemy znaleźć zależność między całkowitym prądem I a gęstością prądu j:
Podstawiając (1, 2, 4-6) do (3), otrzymujemy oszacowanie zależności nagrzania powierzchni od amplitudy prądu I i promienia próbki R 0:
Podstawiając (4) do (1), otrzymujemy wyrażenia na określenie wymaganego czasu trwania impulsu elektrycznego do modyfikacji warstwy wierzchniej o grubości δ:
Z (7) można wyznaczyć amplitudę prądu potrzebną do podgrzania powierzchni próbki o promieniu R 0 przez ΔT:
Zatem wyrażenia (8, 9) pozwalają oszacować parametry impulsu prądu potrzebnego do nagrzania warstwy wierzchniej o grubości δ do temperatury ΔT.
Czas stygnięcia t f warstwy powierzchniowej jest określony przez dyfuzję ciepła do próbki i zależy od jej grubości (δ) oraz współczynnika dyfuzyjności cieplnej α.
gdzie λ jest współczynnikiem przewodności cieplnej.
Najważniejszą cechą obróbki powierzchniowej, decydującą w szczególności o wyglądzie amorficznej warstwy powierzchniowej, jest szybkość jej chłodzenia T:
Korzystając z (8, 10) otrzymujemy:
Zatem, jak wynika z otrzymanych wyrażeń, do osiągnięcia temperatury topnienia warstwy naskórkowej i uzyskania dużej szybkości jej stygnięcia potrzebne są krótkie, silne impulsy prądowe. Z szacunków wynika, że do obróbki próbek o średnicy rzędu milimetrów i uzyskania szybkości chłodzenia rzędu 10 10 K/s potrzebne są impulsy prądu o amplitudzie rzędu 100 kA i czasie trwania kilkudziesięciu nanosekund.
Pożądaną strukturę i grubość modyfikowanej warstwy można kontrolować, kontrolując wielkość przegrzania stopu lub temperaturę warstwy powierzchniowej w przypadku, gdy topienie powierzchniowe nie jest pożądane, oraz szybkości chłodzenia, które z kolei są określane przez amplituda, czas trwania przyłożonego impulsu prądu i początkowa temperatura próbki. Dlatego proponowana metoda realizuje zalety powierzchniowej obróbki cieplnej i hartowania z dużą prędkością.
Realizacja proponowanej metody uzależniona jest od technicznych możliwości uzyskania krótkich impulsów prądowych o dużej amplitudzie. Głównym problemem jest zapewnienie wysokiego współczynnika oddawania energii z generatora do obciążenia. Obecnie dla najlepszych kondensatorów o pojemności energetycznej ~10 4 J czas ten wynosi ~300 ns. Czas pobierania energii z akumulatora determinowany jest zarówno parametrami samych kondensatorów, jak i obciążeniem. Dodanie obciążenia zewnętrznego prowadzi do nieuchronnego wzrostu indukcyjności układu i wydłużenia czasu wydzielania energii do ~1 μs.
Obecnie największe wydajności energii osiągane są w generatorach dwustopniowych, w skład których wchodzi generator impulsów prądu pierwotnego (GPG) oraz układ zwiększania mocy (PSS). GIN to zwykle bateria kondensatorów impulsowych, połączona zgodnie z tym czy innym schematem (na przykład schematem Marxa) i zasilana ze źródła wysokiego napięcia. Układ zwiększania mocy przeznaczony jest do znacznego (10-100-krotnego) zwiększenia gęstości energii pochodzącej z GVP w celu uzyskania impulsu prądu o czasie trwania ˜(10-100) ns przy obciążeniu. Istnieją dwa rodzaje SMS-ów - oparte na pośredniej pamięci pojemnościowej lub wykorzystujące pamięć indukcyjną. Gęstość energii w przypadku przechowywania indukcyjnego jest dziesięć razy większa niż w przypadku przechowywania pojemnościowego. Wymagają one jednak zastosowania wysokoprądowych szybkich wyłączników prądowych, które przełączają generator na obciążenie, co stanowi poważny problem naukowy i techniczny.
Łatwiejsze do zrealizowania RMS oparte na pojedynczej (lub podwójnej) linii formującej typu współosiowego, wypełnionej glicerolem (względna przenikalność ε=44) lub wodą dejonizowaną (ε=81). W ośrodkach tych możliwe jest uzyskanie dostatecznie dużej wartości natężenia pola elektrycznego w czasie trwania ładunku, a co za tym idzie (biorąc pod uwagę odpowiednio dużą wartość przenikalności elektrycznej wysokiej częstotliwości ε) oraz dużej gęstości energii, który zapewnia krótki i mocny impuls elektryczny.
Celem wynalazku jest modyfikacja powierzchni przedmiotów przewodzących prąd elektryczny.
Cel ten osiąga się przez to, że w metodzie modyfikacji ciał przewodzących poprzez wzbudzenie w nich prądu elektrycznego zmiennym polem elektromagnetycznym nowością jest zastosowanie potężnych pojedynczych impulsów prądu o czasie trwania nanosekundowym do modyfikacji powierzchni .
Ze względu na to, że metody modyfikacji powierzchni oparte na wykorzystaniu nanosekundowych impulsów prądowych o dużej mocy nie są znane ze stanu techniki, spełnia on kryterium „nowości”.
Z uwagi na to, że zastrzegany wynalazek w sposób oczywisty nie wynika z analogii i prototypu, spełnia kryterium "poziomu wynalazczego".
Jak zostanie pokazane poniżej, ze względu na dużą projektową wartość szybkości chłodzenia i oczekiwany stosunkowo niski koszt jednostkowy, zakres przemysłowego zastosowania zastrzeganego wynalazku może być bardzo szeroki. W związku z tym zastrzegany wynalazek spełnia kryterium „stosowania przemysłowego”.
Lista figur rysunkowych
Na rysunku 1 przedstawiono wyniki obliczeń przejścia impulsu prądu o amplitudzie 240 kA i czasie trwania 40 ns przez miedzianą cylindryczną próbkę o średnicy 1 mm. Wykresy zależności czasowych natężenia prądu - I przepływającego przez próbkę, temperatury powierzchni próbki - Т, promienia przejścia fazowego (topnienia) - R m oraz szybkości zmiany temperatury od momentu topnienia - dT/ dt są prezentowane.
Figura 2 przedstawia mikrofotografię powierzchni miedzianej cylindrycznej próbki o długości 10 mm i średnicy 0,8 mm, potraktowanej impulsem prądu zgodnie z zastrzeganym sposobem. Obraz powierzchni uzyskano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi S-3500.
Rycina 3 przedstawia mikrografie tego samego obszaru powierzchni cylindrycznej próbki nitinolu (NuTi) o średnicy 1,0 mm, potraktowanej impulsem prądu zgodnie z zastrzeganą metodą. Na rys. przedstawiono powierzchnię próbki w stanie początkowym. i na ryc. 3b po leczeniu. Obraz powierzchni uzyskano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi S-3500.
Informacja potwierdzająca możliwość realizacji wynalazku.
Do modyfikacji powierzchni metali można zastosować generatory impulsów prądowych (PCG) o czasie trwania nanosekund 20...100 ns i amplitudzie prądu ~100 kA. Z reguły takie generatory są wykonywane na bazie pojedynczej (podwójnej) linii formującej (FL) typu współosiowego wypełnionej glicerolem lub wodą dejonizowaną. Zastosowanie tych linii w projektach PCG wynika z następujących czynników:
1. Czas trwania impulsu prądu zależy od długości elektrycznej PL i można go łatwo zmienić, stosując dodatkowe segmenty PL lub PL o różnych długościach elektrycznych.
2. Czas narastania impulsu prądowego w generatorze zależy zasadniczo od indukcyjności obwodu rozładowania, która jest determinowana głównie przez iskiernik zwarciowy oraz w dużym stopniu przez jego wysokość. Instalując wielokanałowy ogranicznik zwarć w linii z prądem ~10 kA płynącym przez każdy kanał zamiast jednokanałowego, można skrócić czas trwania czoła impulsu prądowego.
3. W przypadku awarii elektrycznej w linii, ciekły dielektryk nie traci swoich właściwości wytrzymałościowych i może być wykorzystany w przyszłości.
Jako przykład realizacji przedstawiamy wyniki obliczeń przeprowadzonych dla walca miedzianego o średnicy 1 mm, temperaturze początkowej T 0 = 300 K. Parametry impulsu prądowego dobrano tak, aby zapewnić stopienie głębokość ˜1÷10 μm.
Stwierdzono, że dla próbki miedzi o amplitudzie impulsu prądu I=240 kA i czasie jego trwania t0=40 ns, grubość stopionej warstwy wynosiła 9 μm. Proces nagrzewania trwał ~0,1 μs, proces chłodzenia ~1 μs. Maksymalne nagrzanie osiągnęło 1953 K (przy temperaturze topnienia i odparowania miedzi odpowiednio 1356 K i 2868 K). Maksymalna szybkość chłodzenia wyniosła T=1,8·10 11 K/s.
Wyniki obliczeń zostały potwierdzone eksperymentalnie, jak pokazano na fig. 2 dla próbki miedzi o średnicy 0,8 mm i na fig. 3 dla próbki nitilonu o średnicy 1 mm, które zostały przetworzone według zastrzeganego sposobu. Wyraźnie widać stopienie warstwy wierzchniej.
Tym samym w oparciu o zaproponowaną metodę możliwe jest opracowanie przemysłowych instalacji zapewniających obróbkę cieplną powierzchni wyrobów.
Źródła informacji
1. Inżynieria powierzchni, Euromat-99, tom. 11, wyd. H.Dimigen, Willey-VCH, Niemcy (2000) 539 USD
2. VP Alekhin, VA Khonik, Struktura i fizyczne prawa deformacji stopów amorficznych. M.: Metalurgia, 1992, 248s.
3. AI Manokhin, BS Mitin, VA Vasiliev, AV Revyakin, Stopy amorficzne. M.: Metalurgia, 1992, lata 60.
4. E. M. Breinan, Phys. Today V.29 (1976) s. 45-51.
5. A. Inoue, Bulk Amorphous Alloys, Practical Characteristics and Applications, Trans.Tech.Pub., Swizerland (1999) 146 s.
7. IR Pashby, S.Bames i BGBryden, Utwardzanie powierzchniowe stali za pomocą lasera diodowego dużej mocy. Journal of Materials Processing Technology, 139 (2003) s. 585-588.
8. G.W. Stachowiak i A.W. Batchelor, Utwardzanie powierzchniowe i osadzanie powłok na metalach za pomocą mobilnego źródła miejscowego ogrzewania elektrycznego rezystancyjnego. Journal of Materials Processing Technology, 57 (1996), s. 288-297.
Wykonujemy metalizację następujących rodzajów powierzchni:
metal, plastik, ceramika, szkło.
Usługa dodatkowa: renowacja reflektorów reflektorów.
Metalizacja - sposób modyfikacji właściwości powierzchni wyrobu poprzez nałożenie na jego powierzchnię warstwy metalu. Metalizacji poddawane są zarówno powierzchnie niemetaliczne (szkło, beton, plastik), jak i metalowe. W tym drugim przypadku poprzez metalizację nakłada się inny materiał, np. twardszy lub odporny na korozję (chromowanie, cynkowanie, aluminiowanie). Często „metalizację” nazywa się osadzaniem metali metodami: chemiczną, elektrochemiczną, próżniową i galwaniczną.
Przedsiębiorstwo stosuje chemiczne, elektrochemiczne i próżniowe metody metalizacji. W zależności od środowiska, w którym część ma być używana, nasi eksperci dobiorą najbardziej odpowiednią metodę natryskiwania i wykańczania.
Do metalizacji chemicznej stosujemy odczynniki własnej produkcji:
Koncentraty zawierają naturalne srebro (azotan, typ - HCh). Sprawdzona przez lata receptura pozwala na stworzenie wysokiej jakości odczynników, które odpowiednio rozcieńczone i użyte, dadzą wysokiej jakości powłokę. W rezultacie powlekany produkt będzie miał naturalną lustrzaną jakość. Aby kupować i używać srebra, musisz posiadać licencję uprawniającą do pracy z metalami szlachetnymi, a jednocześnie być zarejestrowanym w Inspekcji Probierczej Federacji Rosyjskiej. Wszystkie produkowane przez nas koncentraty, które znajdują zastosowanie w metalizacji chemicznej, zostały przebadane i otrzymały certyfikat jakości.
Ceny
Obliczenie kosztu metalizacji zależy od powierzchni produktu. Dokładną cenę uzyskuje się w wyniku zużycia materiałów tj. gdy produkt jest już pokryty metalem i zostały nim wykonane prace wykończeniowe. Dlatego najlepiej zadzwonić i porozmawiać z naszym specjalistą w celu wstępnego oszacowania kosztów pracy.
Szacunkowy przedział cenowy:
Uchwyt samochodowy - 1500 - 2500 rub.
- osłona chłodnicy (np. Mercedes w210) - 5100r.
- dysk samochodowy R17 - 8500r. - Uwaga! Dyski przyjmowane są do pracy rozpakowane tj. bez gumy! Dyski muszą być czyste! Dokonaj demontażu kół w dowolnej montowni opon, świadczona jest również usługa czyszczenia.
Indywidualnie wykonane części w chromie
Warunki zamówienia i płatności
Proszę uważać! Nie przyjmujemy pilnych zamówień gotowych na następny dzień!
Minimalne zamówienie - 10 000 rub.
Zaliczka w wysokości 80% wartości zamówienia.
Czas realizacji zamówienia jest indywidualny - skonsultuj się telefonicznie ze specjalistą: +7-961-162-02-34
E-mail: att777 (а) yandex.ru
Szklana kula (podstawa - plastik, średnica 30cm.)
(! bez wykańczania powłoki i polerowania!)
Regenerujemy reflektory! Pełna metalizacja (nie chromowanie!) plastikowej lub metalowej powierzchni korpusu odbłyśnika.
Rezultatem jest prawdziwe lustro! Odbłyśnik reflektora będzie jak nowy!
Czy masz jakieś pytania? Zadzwoń lub zadaj pytanie przez formularz online:
Polecamy również
Pasztet z wątróbek ze śliwkami Przepisy na pasztet z wątróbek
Możliwe doznania podczas zaklęcia miłosnego dla klienta i ofiary Jeśli oczarowany nie widzi klienta przez długi czas
Tortilla z cukinii: kilka prostych przepisów
Ragout z fasolą, ziemniakami i wieprzowiną
Świąteczna sałatka francuska „Perła” z łososiem
Sałatka z pomidorów, czerwonej cebuli i kolendry Sałatki z kolendry i pomidorów
Ładowanie...