реферат. Реферат принят с оценкой Преподаватель к т. н., доцент Н. В. Косарева 2018 защитные покрытия. Классификация. Применение реферат по дисциплине "Методы исследование металлов и сплавов" ягту 22. 03. 01 006 Р
 Скачать 244.51 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования «Ярославский государственный технический университет» Кафедра «Технология материалов, стандартизация и метрология» Реферат принят с оценкой_______ Преподаватель к.т.н., доцент _______ Н. В. Косарева «___» ___________ 2018 ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ. ПРИМЕНЕНИЕ Реферат по дисциплине “Методы исследование металлов и сплавов” ЯГТУ 22.03.01 – 006 Р Реферат выполнила студентка гр. МВ-40 _______ Петрова М.П. «___» _________ 2018 2018 Содержание 1 Классификация покрытий 2 Диффузионные покрытия 3 Газотермические покрытия 4 Лакокрасочные покрытия 5 Лазерная наплавка 6 Воздушно-вакуумные покрытия Список источников 1 Классификация покрытий Согласно работе [1] все покрытия и материалы покрытий можно классифицировать по ряду признаков: по толщине покрытия, по прочности связи покрытия с основанием, по материалам покрытий, по функциональным признакам, по способу нанесения. Все покрытия подразделяются по природе материалов на три группы: органические, неорганические и органо-неорганические (см. рис. 1). Группа органических покрытий подразделяется на подгруппы: покрытия с естественными, синтетическими и естественно-синтетическими материалами. К естественным материалам покрытий относятся живая и растительная ткани, масла, смолы, лакокрасочные и другие подобные вещества. Основу синтетической подгруппы составляют полимеры и их производные. Использование естественных и синтетических материалов в виде растворов или их механической смеси создает естественно-синтетическую подгруппу. Так же к группе органических покрытий относят гуммирование, покрытие некоторыми пластмассами, а также лакокрасочные покрытия [2]. Группа неорганических покрытий состоит из металлических, неметаллических и металло-неметаллических. Металлическая подгруппа включает покрытия на основе чистых металлов, их сплавов и смеси (композиционные). Неметаллическая подгруппа представлена покрытиями на основе окислов карбидов, боридов и т. п. материалов, а также их сплавов и композиций. Также к этим видам относят торкретирование, эмалирование и футеровку [2, с. 19]. Металло-неметаллическая подгруппа – это покрытия из сплавов и композиции металлов с неметаллами. Примерами могут служить покрытия на основе металло-окисного сплава или чистого металла с дисперсными окисными включениями.  Рисунок 1 – Классификация покрытий по материалам Группа покрытий на основе органо-неорганических материалов включает покрытия из металлоорганических и неметаллоорганических сплавов и композиций, например, металлополимерные и окисно-полимерные. Покрытия по функциональным признакам делятся на классы: 1. стойкие (износостойкие, коррозионно-стойкие, жаростойкие, эрозионностойкие, радиационно стойкие и т. д.); 2. механико-прочностные (прочностные, контактные, вязко-пластичные, усталостные и т. д.); 3. декоративные (информативные, фактурные, декоративно-защитные и т. д.); 4. теплотехнические (изоляционные, холодостойкие, теплопроводные и т. д.); 5. светотехнические (отражательные, светопоглощающие, свето-стойкие и т. д.); 6. электрорадиотехнические (электропроводные, электроизоляционные, полупроводниковые и т. д.); 7. физико-химические (генерирующие, аккумулирующие, фиксирующие, поглощающие и т. д.); 8. экранирующие (изолирующие, барьерные, разделяющие и т. д.); 9. поверхностно-активные (стабилизирующие, активизирующие, безактивизирующие и т. д.); 10. преобразующие (люминофорные, флуорисцирующие, спец преобразующие и т. д.); 11. биохимические (санитарно-химические, ядохимикатные, биологические и т. д.); 12. специальные (самостоятельные, абляционные, технологические и т. д.) [1, с. 6]. Так же покрытия классифицируют по способу нанесения на: диффузионные, термомеханические, химические, наплавочные, гальванические, контактные, эмалевые, вакуумно-плазменные, наплавочные и т.д. Некоторые из этих покрытий, а также способы их нанесения и области применения будут рассмотрены в следующих разделах. 2 Диффузионные покрытия Суть способа заключается в проникновении металлопокрытия в поверхностный слой основного металла под воздействием высокой температуры, т.е. в результате химико-термической обработки металлов. Согласно [3] химико-термическая обработка металлов - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твёрдых, жидких, газообразных). Диффузионные покрытия на поверхности изделия могут образовываться в результате насыщения материала различными элементами: неметаллами (С, N, B, Si, P), металлами (Al, Cr, Zn, W и др.), а также совместным насыщением (C и Cr, B и Al, C и N, Cr и Al, Al и Si и др.). Выбор того или иного способа насыщения осуществляется в соответствии с видом производства, габаритами изделия, требуемой толщиной и т. д. К основным технологическим методам получения диффузионных покрытий относятся: 1. Насыщение из порошковых смесей (порошковый метод). Применяется в мелкосерийном и серийном производстве для цементации, алитирования, хромирования и т. д. Отличается простотой технологического процесса. 2. Прямоточный и циркуляционный методы диффузионного насыщения из газовых сред. Прямоточный метод применяется в крупносерийном и серийном производстве для цементации, нитроцементации и азотирования. Обеспечивает высокое качество диффузионного покрытия. Циркуляционный метод находит все большее применение при насыщении металлами и кремнием. 3. Диффузионное насыщение из расплавов металлов или солей, содержащих диффундирующий элемент. Жидкий метод позволяет сократить длительность технологического процесса, однако не всегда обеспечивает качество поверхности и стабильность толщины диффузионного слоя. Применяется в серийном производстве. 4. Насыщение из паст и суспензий (шликерный способ). Эти методы не нашли широкого распространения, т. к. не всегда обеспечивают получение равномерной толщины покрытия и высокого качества диффузионного слоя. В основном они используются для местного упрочнения поверхности и при обработке крупногабаритных деталей. 5. Диффузионное насыщение с использованием вакуума. Это перспективный метод ХТО. Насыщение осуществляется путем испарения диффундирующего элемента при высоких температурах из сублимированной фазы. Обрабатываемые изделия находятся либо в контакте с порошковой смесью, содержащей диффундирующий элемент, либо на расстоянии от нее. Процесс образования диффузионного покрытия включает четыре основные стадии: 1. реакции в насыщающей среде (образование активных атомов в насыщающей среде и их диффузия к поверхности обрабатываемого металла); 2. транспортировка активных атомов к насыщаемой поверхности; 3. реакция взаимодействия активных атомов с поверхностью, которая протекает в две стадии: адсорбция и хемсорбция; 4. диффузия – перемещение адсорбированных атомов внутри металла. Процесс возможен только при растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам. При этом приток активных атомов к поверхности насыщения должен превышать число атомов, отводимых от поверхности в глубь в результате диффузии [1, с. 9-11]. В процессе получения диффузионных покрытий, когда в поверхностном слое образуется твердый раствор внедрения или твердый раствор замещения, происходит искажение решетки основного металла, которое приводит к потере упругой устойчивости решетки и разрушению поверхностного слоя металла. Образование устойчивых диффузионных слоев без нарушения сплошности твердого тела возможно лишь при условии, когда решетка насыщаемого металла не претерпевает сильного искажения в местах образования покрытий. На искажение кристаллической решетки оказывает влияние разница диаметров атомов покрываемого и диффундирующего металлов. Установлено, что различие в размерах атомных диаметров применительно к железу не должно превышать 15%. Важным фактором образования диффузионных покрытий является растворимость диффундирующего металла в железе при комнатной или повышенной температуре. Диффузионные покрытия обладают сравнительно высокой коррозионной стойкостью и жаростойкостью. Существует множество способов химико-термической обработки: цементация, нитроцементация, азотирование, алитирование, хромирование и т.д. Каждый из этих способов имеет свое применение. Например, назначение цементации – придание поверхностному слою высокой твердости (HRC 58…62) и износостойкости, повышение пределов контактной выносливости при изгибе и т.д., азотирование применяют для повышения твердости (до НV 1000…12000), износоустойчивости, усталостной прочности и т.д., хромирование применяют для повышения жаростойкости (до 800 °С), коррозионной стойкости. 3 Газотермические покрытия Сущность процессов газотермического нанесения покрытий заключается в образовании направленного потока дисперсных частиц напыляемого материала, обеспечивающего перенос их на поверхность обрабатываемого изделия и формирование слоя покрытия. Покрытие создается за счет адгезии, возникающей при соударении частиц на поверхности основания. Напыляемые частицы могут представлять собой порошок или могут быть получены расплавлением и газовым дроблением исходного материала – проволоки, стержней, пластифицированной массы и т. д. Для разгона частиц применяют различные высокотемпературные газовые среды. Нагрев напыляемого материала проводят для повышения пластичности и адгезионной способности частиц. Газотермические покрытия, как и наплавочные, наносят с целью защиты поверхности от износа и высокой температуры, а также широко используют для восстановления нарушенной (в процессе производства или эксплуатации) геометрии изделия [1, с. 73]. Единой классификации способов газотермического напыления нет. Согласно стандарту ГОСТ 28076–89 газотермические покрытия делятся на классы по функциональному назначению (см. рис. 2) и энергетическому признаку (см. рис. 3), поскольку принципиальное отличие технологий газотермического напыления определяется видом источника энергии. Большинство способов газотермического напыления являются универсальными, так как позволяют наносить широкий спектр материалов. Материалы для напыления, в свою очередь, могут иметь различную форму (порошки, проволока, стержни).  Рисунок 2 – Классификация газотермических покрытий по функциональному назначению [1, с. 74]  Рисунок 3 – Классификация процессов газотермического напыления покрытий по энергетическому признаку [1, с. 74] Наиболее рациональные области применения покрытий: 1) Восстановление и упрочнение сопрягаемых поверхностей, работающих в условиях абразивного износа. 2) Сопротивление эрозии и кавитации. 3) Устойчивость против высоких температур и газовой коррозии. 4) Покрытия для защиты от коррозии в активных средах. Такой широкий диапазон возможных областей применения заставляет находить технические решения только с привлечением специалистов, имеющих значительный опыт в этой сфере. 4 Лакокрасочные покрытия Лакокрасочные материалы можно классифицировать по виду, химическому составу, назначению и ряду других признаков, представленных на рисунке 4.  Рисунок 4 – Классификация лакокрасочных материалов По составу они подразделяются на непигментированные — лаки и олифы, и пигментированные краски, эмали, а также вспомогательные составы — грунтовки, шпатлевки, цветные лаки, растворители, разбавители и смывки. Краски можно подразделить на густотертые и жидкотертые, то есть готовые к применению. Видовой ассортимент лакокрасочных материалов (ЛКМ) включает в себя: 1. олифы — продукты переработки растительных масел и масляных составов; 2. лаки — растворы пленкообразующих веществ в растворителях; 3. краски — суспензии красящего вещества (пигмента) в связующем (связующим могут быть олифа, лак, клей, известь, латекс); 4. эмали — суспензии пигментов в лаке. Позволяют получить более прочное, гладкое и блестящее покрытие; 5. грунтовки — составы, обеспечивающие надежное сцепление красочных слоев и окрашиваемой поверхности; 6. шпатлевки — пастообразные составы, применяемые для выравнивания поверхности и заполнения неровностей перед нанесением на них красок; 7. растворители, разбавители, смывки и сиккативы. Используются для подготовки ЛКМ перед окрашиванием, ускорения высыхания. В зависимости от типа пленкообразущего вещества лакокрасочные составы делятся на масляные, алкидные, нитроцеллюлозные и др. По условиям эксплуатации ЛКМ подразделяются на атмосферостойкие, ограниченно атмосферостойкие, водостойкие, термостойкие и т. п. По назначению выделяют ЛКМ строительные, автомобильные, промышленные, бытовые, мебельные, специальные и др. Из неметаллических покрытий наибольшее применение находят лакокрасочные. Ассортимент лаков и красок в настоящее время насчитывает более 1000 наименований. К лакокрасочным материалам относятся олифы, краски, эмали, грунты, шпаклевки. Лаки представляют собой растворы пленкообразующих веществ (синтетических или природных) в легколетучих органических растворителях [1, с. 186]. Широкое распространение получили лакокрасочные покрытия, которые служат барьером, препятствующим диффузии и ограничивающим доступ агрессивной среду к защищаемой поверхности. При введении в лакокрасочные материалы ингибиторов коррозии защитное действие покрытий усиливается. Лакокрасочные покрытия имеют ряд преимуществ перед другими видами защитных покрытий: 1. простота нанесения и ремонта лакокрасочного покрытия непосредственно на месте эксплуатации; 2. возможность обновления и ремонт лакокрасочного покрытия непосредственно на месте эксплуатации; 3. возможность сочетания лакокрасочного покрытия с другими методами защиты, что позволяет использовать его в более жестких коррозионных условиях; 4. возможность получения покрытия любого цвета; 5. более низкая стоимость по сравнению с другими видами защитных покрытий. К основным недостаткам лакокрасочных покрытий следует отнести их ограниченную паро-, газо- и водопроницаемость, и недостаточную термостойкость [4]. Согласно [5] защитное действие лакокрасочных покрытий обуславливается двумя основными факторами: механической изоляцией защищаемой поверхности от внешней среды и химическим или электрохимическим взаимодействием покрытия с защищаемой поверхностью. Процесс нанесения покрытий состоит из нескольких стадий: 1) подготовка поверхности к покрытию; 2) нанесение грунта, который необходим для создания прочного сцепления с основой и придания покрытию антикоррозионных свойств; 3) нанесение промежуточного слоя с целью выравнивания поверхности; 4) нанесение лакокрасочного покрытия (одного слоя или нескольких). Современные методы нанесения лакокрасочных покрытий разнообразны: с помощью кисти, вальцеванием, распылением, окунанием, электростатическими и электрофоретическими методами. Последние два метода наиболее широко используются в автомобильной промышленности, велосипедной, швейных машин и др. После нанесения покрытия на изделия проводят холодную или горячую сушку. В настоящее время широко применяют лакокрасочные покрытия и полимерные покрытия с внедренными в них металлическими частицами, при этом не только изолируется поверхность металла от агрессивной среды, но и реализуется электрохимический механизм защиты [1, с. 187]. 5 Лазерная наплавка Как указано в работах [6-8], лазерная наплавка – процесс восстановления старых и повышения долговечности новых деталей за счет наплавления на их поверхности материала, который доставляется в зону расплава в порошкообразном виде. Лазерная наплавка заключается в локальной подаче присадочного материала и кратковременном расплавлении материала основы [6]. Существует несколько методов лазерной наплавки: 1. коаксиальная лазерная газопорошковая наплавка; 2. создание покрытий оплавлением предварительно нанесенных порошков; 3. создания покрытий с помощью боковой подачи газопорошковой смеси. При коаксиальном методе наплавки газопорошковый поток подается в зону воздействия лазерного излучения симметрично со всех сторон – сжимающимся в фокус конусом. Метод позволяет получить наиболее тонкий газопорошковый поток, позволяющий наносить валики шириной от 200 - 300 мкм [8]. Следующим методом является создание покрытий оплавлением предварительно нанесенных порошков, который состоит в том, что нанесенную на поверхность заготовки пасту оплавляют лазерным лучом, последовательно сканируя всю поверхность. Суть метода создания покрытий с помощью боковой подачи газопорошковой смеси, описана в работе [6], а именно то, что впрыск порошка в жидкую ванну качественно изменяет процесс наплавки, позволяя создавать как равномерные по толщине и химическому составу покрытия, так и композитные материалы с сохранением упрочняющей фазы. Подача газопорошковой струи может осуществляться как сбоку относительно движения луча, так и навстречу. Согласно работам [9-11] лазерная наплавка осуществляется следующим образом. На поверхность детали с помощью сопла и газа носителя направляется поток порошкового материала. Излучение инфракрасного лазера, сфокусированное в пятно с высокой плотностью мощности, плавит порошок и поверхностных слой металлической детали. Лазерная головка, конструктивно объединяющая оптические элементы лазера и сопло, перемещается по поверхности детали и создает на ней ленточное покрытие (кордон) шириной 0,5-5 мм и толщиной от 1000 мкм до 1 мм за один проход. Физико-химические свойства, наплавленного слоя, определяются, прежде всего, выбором порошкового материала. На сегодняшний день в машиностроении болью роль играет не только работоспособность детали, но и ее долговечность и износостойкость. Одним из способов повышения ресурса деталей машин является нанесение покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами. Для этого широко применяют различные способы наплавки, в качестве источника тепла используют энергию плазмы, лазера, ТВЧ и др. Лазерная наплавка имеет ряд преимуществ: небольшую зону термического влияния, минимальное перемешивание основного и наплавляемого материала, получение прочной металлургической связи между наплавленным слоем и основой, возможность полной автоматизации. Толщина наплавленного слоя за один проход обычно составляет 0,25…0,75 мм. Она применяется во многих отраслях промышленности, в том числе аэрокосмической, автомобильной, энергетической и т.д. [12, 13]. 6 Вакуумно-плазменные Согласно работе [1, c. 190] Для нанесения покрытий вакуумно-плазменным способом используются две группы методов: CVD - химическое осаждение покрытия из пара и PVD - физическое осаждение из пара. Эти методы позволяют наносить покрытия из чистых металлов, сплавов, и/или соединений (например, Ti, Ni, Si, C и др.). Методы CVD основаны на осаждении покрытия в результате химической реакции на поверхности подложки. Реакция активируется температурой, плазмой, фотонами или каталитическим действием поверхности подложки. Методы PVD основаны на переводе материала мишени в паровую и/или плазменную фазу с последующим осаждением его на подложку. Вакуумно-плазменные методы CVD проводятся при 1000...1100 °С, что исключает их применение для быстрорежущего инструмента, у которого термостойкость составляет 620...645 0С. Современные технологии CVD-метода широко используются для нанесения коррозионно-стойких покрытий на поверхности медицинских протезов и имплантантов, для металлизации тканей. Иногда для инструмента, оснащенного твердым сплавом, используется метод КИБ - метод конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (одна из разновидностей PVD). Температура подложки относительно низкая (450 °С), что позволяет применять его для нанесения износостойких покрытий на инструмент, оснащенный твердым сплавом, и на инструмент из быстрорежущей стали. Вакуумно-плазменный метод позволяет получать широкую гамму монослойных, многослойных и композиционных покрытий, предупреждающих образование геометрических, кристаллохимических и физико-механических дефектов на поверхностных слоях инструментального материала. Список источников 1) Защитные покрытия: учебн. пособие / М. Л. Лобанов, Н. И. Кардонина, Н.Г. Россина, А.С. Юровских. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. – 200 с. 2) Майзлиш В. Е. Материалы, конструктивные узлы типовой реакционной аппратуры и вспомогательное оборудование: учебн. пособие / В.Е. Майзлиш, А.В. Борисов, Г.П. Шапошников, Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2007. – 104 с. ISBN 5-96160233-8 3)Википедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B0_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2, свободный. – Загл. с экрана. (дата обращения – 20.11.2018) 4) Защитные лакокрасочные покрытия. – 5-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1982 – 320 с., ил. 5) Казин А. Д., Лебит И.П. Электроокраска столярных изделий – М. : Стройиздат, 1972., 128 с. 6) Барзыкин Д.Р. Лазерная наплавка / Барзыкин Д.Р., Мамченкова А.А. // Сборник трудов конференции VII Международный молодежный ФОРУМ "Образование, наука, производство"; Белгород, 20-22 октября 2015 г. – С. 1609-1614. 7) Соболева Н.Н. Повышение износостойкости NiCrBSi покрытий, формируемых газопорошковой лазерной наплавкой : дис. … - М., 2016. – 190 с. 8) Новый университет : ежемесячный журнал. – 2016, ноябрь. - № 11. – Йошкар-Ола : НП «Редакция журнала «Новый университет»», 2016. 9) Ready John F. Industrial Applications of Lassers. San Diego: Academic Press, 1997. Vol. 2. 599 p. 10) Ion J. C. Laser processing of engineering materials: Principles, procedure and industrial application. Burlington: Elservier Butterworth-Heinemann, 2005. 576 p. 11) Thivillion L., Pervushin D., Bertrand, Smurnov I. Industrial technology of laser assisted direct metal deposition // International Thermal Spraying Conference (ITSC-2008), Maastricht, June 2-4, 2008. 12) Григорьянц А. Г., Шиганов И.Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки: Учебн. пособие для вузов / Под. ред. А. Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. – 664 с.: ил. 13) Югов В.И., Афанасьева Л.Е., Новоселова М.В. Особенности формирования структуры и микрогеометрии поверхности лазерных наплавок с использованием многоканального СО2 - лазера // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. №11 (143). С. 19-22. |