X Международная студенческая научная конференция
«Студенческий научный форум» - 2018
 
     

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Маков А.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


В этой статье будут рассмотрены вопросы защиты изделий от различных воздействий путём нанесения покрытий различными технологиями.

Исследование в данном направлении предпринято ввиду востребованности продукции, получаемой путём покрытия для машиностроения, металлургии и пр. Для коллективов, занимающихся непосредственно применением теоретических изысканий в целях получения прибыли, представляет интерес информация, накопленная по различным способам повышения эксплуатационных характеристик металлических изделий.

Необходимо осветить и сформулировать вновь полученные технологии. Новизна технологических решений даст почву для реализации их на производстве и усовершенствует их.

В работе рассмотрены три метода и технологии нанесений покрытий, каждый из которых появился в последние три десятилетия. Их актуальность подтверждается тем, что они находят своё применение уже сегодня и на ответственных частях различных процессов

Метод газодинамического напыления является новым. Он разработан на основе открытого в 80-х годах эффекта закрепления частиц, движущихся со сверхзвуковой скоростью, на поверхности при соударении с ней. Не смотря на кажущуюся ясность метод находит применения ограничено. Несмотря на возникающие преимущества, массовое применения носит прогностический характер. Наша задача, изучив распространённые источники выяснить надёжность результатов оговоренного метода и понять степень освоенности технологических процессов.

Неотъемлемой частью экономической рентабельности инноваций является стремление к безотходности процессов. Метод импульсно-плазменного нанесения покрытий характеризуется именно этим.

Сущность процесса нанесения покрытий состоит в следующем. Полимерный порошок поступает из бункера в смеситель, где смешивается с воздухом в необходимой пропорции, регулируемой блоком вентилей, далее смесь порошка и воздуха поступает в распылитель. В распылителе находится высоковольтный (20 кВ, 200 мкА) источник, питающий разрядник. Проходя мимо него, пылинки приобретают необходимый электрический заряд, благодаря которому, пролетая вблизи покрываемой детали, которая находится в кабине, прилипают к её поверхности. Не прилипший порошок уносится потоком воздуха в вытяжную вентиляцию откуда опять поступает на вторичное использование. [5]

Метод позволяет обращаться к работе малого объёма, что непременно найдёт реализацию у малого и среднего предпринимательства, развитие которых сегодня поддерживается государственными программами.

Одним из эффективных методов нанесения функциональных или износостойких покрытий на новые изделия, а также восстановления изношенных деталей признается холодное газодинамическое или сверхзвуковое воздушно-порошковое напыление, основанное на эффекте закрепления движущихся со сверхзвуковой скоростью и обладающих большой кинетической энергией твёрдых частиц при высокоскоростном ударе о поверхность изделия. [6]

Для оценки сопротивления покрытия коррозии обычно применяют испытания, при которых коррозионная нагрузка на деталь близка к условиям её эксплуатации. Эффективность сопротивления коррозии предложенных технологий будет так же отражена в исследовании.

Основная часть Газодинамический метод Особенности технологии и классификация

Метод газодинамического разработан на основе эффекта закрепления частиц, движущихся со сверхзвуковой скоростью, на поверхности при соударении с ней. Технология нанесения металлов на поверхность деталей использует газодинамический метод нанесения покрытий, который состоит в том, что твёрдые частицы металла, движущиеся со сверхзвуковой скоростью, прочно закрепляются на поверхности при соударении с нею. Сверхзвуковые скорости придаются частицам оборудованием (например, ДИМЕТ) с помощью сжатого воздуха. Технология позволяет наносить металлические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон.

К настоящему времени технология ДИМЕТ1 позволяет наносить покрытия из алюминия, цинка, меди, олова, свинца, баббитов, никеля. [2]

В наиболее распространённых газотермических методах нанесения покрытий для формирования покрытий из потока частиц необходимо, чтобы падающие на подложку частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала.

В газодинамической технологии напыления (которую на практике удобно называть «наращиванием» металла), это условие не является обязательным, что и обуславливает её уникальность. В данном случае с твёрдой подложкой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью. Ускорение частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью разработанных оригинальных установок.

Достоинства

Газодинамический метод нанесения металлических покрытий обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами. Эти преимущества состоят в следующем:

  1. покрытие наносится в воздушной атмосфере при нормальном давлении, при любых значениях температуры и влажности атмосферного воздуха;

  2. при нанесении покрытий оказывается незначительное тепловое воздействие на покрываемое изделие (изделие в зоне нанесения покрытия не нагревается выше 100-150 Сo), что исключает возникновение внутренних напряжений в изделиях и их деформацию, а также окисление материалов покрытия и детали;

  3. высокая производительность процесса (до 5 – 7 м2/час);

  4. возможность получения покрытий как защитных, так и декоративных на изделиях и конструкциях из самых различных металлических и неметаллических материалов.

Недостатки

В укромный уголок струе порошка не добраться, оптимальное положение распылителя – перпендикулярно обрабатываемой поверхности на расстоянии 5-20мм. Работа под острым углом (например, при восстановлении свечного отверстия в головке цилиндров) требует навыка (как при окраске обычной эмалью).

Область применения
  1. нанесение защитных и антикоррозионных покрытий на стенки корпусов резервуаров для хранения и переработки нефтепродуктов, морских судов, автомобилей, конструкций мостов, гидротехнических сооружений, внутренних и наружных поверхностей трубопроводов, в том числе протекторная защита2 внутренней поверхности стыков магистральных трубопроводов;

  2. нанесение жаростойких, теплозащитных и антифрикционных покрытий на детали энергетического, машиностроительного и других видов оборудования.

Импульсно-плазменная технология нанесения покрытий Основные принципы и классификация

Эффективным методом повышения мощности газодинамического импульса является осуществление детонации горючей газовой смеси в реакционной камере (РК) в электрическом поле. Инициирование детонации в РК осуществляется малогабаритным детонационным устройством. Энергию для поддержания напряжённости электрического поля подают от постоянно включённого электрического преобразователя. При инициировании детонации в РК по слою продуктов сгорания за детонационной волной (ДВ) течёт электрический ток. Возникает добавочный приток энергии к газу. После выхода ДВ из РК электрический ток течёт по плазменной струе и напыляемому материалу к поверхности напыляемого изделия.

Технологический процесс делится на этапы:

  1. Подготовка поверхности. Это обезжиривание, удаление оксидов, а при жёстких условиях эксплуатации нередко дополнительно наносят конверсионные покрытия;

  2. Нанесение слоя покрытия;

  3. Запекания. Осуществление сушки и застывания нанесённого покрытия.

Достоинства
  1. Для подготовки поверхности пригодны как сухие, так и мокрые способы очистки;

  2. Метод пригоден для работы с цветными и черными металлами;

  3. Есть возможность нанесения конверсионных покрытий. Это улучшает защиту изделий, делает её более надёжной. Результат - эти способы используют преимущественно для изделий, эксплуатирующийся вне помещения и в условиях переменной влажности и температуры [1];

  4. Возможность работы с антикварными изделиями. В процессе есть стадия запекания, позволяющая адаптировать происходящее к желаемому результату. При запекании деталей окрашенных антикварными ППК3 требуется отдельный температурный режим, а именно предварительная подготовка печи. Заранее разогревают печь, желательно до 230 °C.

Недостатки
  1. Детали, на которые наносят порошковые покрытия, должны быть предварительно подготовлены, обладать ровной поверхностью, без окислов, ржавчины и т.п.;

  2. При подготовке поверхностей щелочным обезжириванием требуется специальное оборудование, предусматривающее не только обработку изделий моющим средством, но и последующую промывку и просушку. Последнее, за собой влечёт очистку и утилизацию сточных вод.

Область применения

Частным проявлением метода является известное сегодня нанесение порошковых полимерных покрытий. Типовой технологический процесс получения покрытий из порошковых красок включает три основные стадии: подготовку поверхности, нанесение порошкового материала, формирование из него покрытия (запекание). Качество покрытий зависит от строгого соблюдения технологических режимов всех стадий процесса.

Сверхзвуковое воздушно-порошковое напыление Особенности технологии и классификация

Напыляемый материал выбирается на основе эксплуатационных требований к покрытию с учётом финишной обработки по ликвидации открытой пористости.

Износоустойчивая и противокоррозионная защита оплавляемыми материалами накладывает ограничения на габариты, массу и конструкцию защищаемого изделия. При поверхностном разогреве габариты изделия ограничиваются мощностью оплавляющих горелок, а при объёмном разогреве в печи - рабочими размерами последней. [4]

Преимущества
  1. В результате обработки поверхность приобретает требуемый комплекс характеристик: жаростойкость или жаропрочность, механическую износостойкость, антифрикционные свойства, коррозионную стойкость, радиопоглощение, электроизоляцию.

  2. Покрытия представляют собой однородный слой плотно упакованных деформированных металлических частиц с внедрёнными керамическими частицами.

  3. В некоторых случаях после напыления и термообработки покрытие шлифуется до необходимого уровня шероховатости. Это открывает возможность получения разнокалиберного результата

Недостатки

В ряде случаев для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости покрытия необходимо формирование диффузионного слоя путём термической обработки, режимы которой подбираются экспериментально.

Область применения

Развиваются технологии по нанесению покрытий из ультрадисперсных порошков на поверхности элементов подшипников с целью улучшения антифрикционных, антикоррозионных и антиэрозионных свойств, а также лучшего рассеивания тепла.

Разработанные технологии используют порошки металлов (алюминий, медь, цинк, никель, свинец, олово, баббит4, железо, кобальт, ванадий, титан), сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. Они позволяют наносить металлические и керамические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон, и даже на плотные органические материалы – углепластик, вакуумную резину, пластмассы. [7]

А это большая часть рынка.

Заключение

В этой статье были рассмотрены три современных технологии нанесения покрытий в машиностроении.

Привлекательность технологии нанесения металла на поверхность деталей и изделий газодинамическим методом состоит в том, что оборудование и создаваемые с его помощью покрытия свободны от большинства недостатков, присущих другим методам нанесения металлических покрытий, и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ.

Импульсно-плазменная технология нанесения покрытий при детальном изучении продемонстрировала ряд преимуществ технологического процесса и что интересно потребителю – градацию результатов.

Толщину слоя, его плотность можно регулировать параметрами высоковольтного источника. Хорошие результаты, даёт использование "групповой" оснастки, когда в кабине и в печи устанавливаются сразу несколько деталей. Благодаря тому, что заряженные частицы порошка могут налипать с "тыла" и "флангов" наносить слой можно не со всех сторон, а с нескольких удобных для работы направлений [3].

Значит у метода есть возможность и конкурентное преимущество, заключённое в повышенных скоростно-объёмных показателях производства.

Метод сверхзвукового воздушно-порошкового напыления достаточно известен и распространён, однако разработка технологии нанесения покрытия на конкретные детали и изделия является сложной технической задачей. Успешно разрабатываются технологические схемы нанесения покрытий в зависимости от типа изделий, причём ряд способов запатентован.

Главной особенностью этой технологий является создание многослойных покрытий с комбинированными свойствами. Здесь находят своё применение и «новомодные» углеродные нано трубки. Кроме того, различные легирующие элементы в нано дисперсном виде могут добавляться при производстве конструкционных материалов, что повышает эксплуатационные свойства последних.

Покрытия в машиностроении играют огромную роль. Они увеличивают срок эксплуатации изделия, защищают от коррозии и от многих других разрушающих факторов.

Список литературы
  1. Зенин Б. С., Слосман А. И. Современные технологии поверхностногоупрочнения и нанесения покрытий: учебное пособие - Томск: ТПУ, 2003.– 98с.

  2. Методы исследования материалов. Структура, свойства и процессынанесения неорганических покрытий: учебное пособие / Л. И.Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, В. И. Синдеев. — Москва: Мир, 2004. — 384 с.

  3. Плазменные покрытия (свойства и применение): учебное пособие / В. П.Кривобоков, Н. С. Сочугов, А. А. Соловьёв; Томский политехнический университет (ТПУ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2009. — 135 с.

  4. Трефилова Н.В. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ // Современные наукоёмкие технологии. – 2014. – № 10. – С. 67-67

Электронные ресурсы

  1. Современные технологии поверхностного упрочнения и нанесения

покрытий [Электронный ресурс] : учебное пособие / Б. С. Зенин, А. И.

Слосман; Национальный исследовательский Томский политехнический

университет (ТПУ), Институт физики высоких технологий (ИФВТ),

Кафедра материаловедения в машиностроении (ММС). — 2-е изд.. — 1

компьютерный файл (pdf; 3.2 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2012

  1. Неорганические покрытия. [Электронный ресурс] URL: http://poznayka.org/s65372t1.html (Дата обращения: 20.12.2017)

  2. Порошковые краски Pulver [Электронный ресурс] URL: http://www.polimerkraska.ru/paint/tech/ (Дата обращения: 20.12.2017)

1 ДИМЕТ – название товарного знака, зарегистрированного Обнинским центром порошкового напыления, также это сокращённая формулировка «Технология динамической металлизации»

2 Протекторная защита - это один из возможных вариантов защиты конструкционных материалов трубопроводов от коррозии

3 Полимерно-порошковая краска

4 Баббит – антифрикционный сплав на основе олова или свинца, предназначенный для использования в виде слоя, залитого или напыленного по корпусу вкладыша подшипника скольжения.