По функциональному назначению антикоррозионные, жаростойкие, износостойкие, потеющие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева

Институт промышленной инженерии имени А. Буркитбаева

Кафедра «Станкостроение, материаловедение и технология

машиностроительного производства»

Дегтярева А.С., Себепова Д.К, Щенева А.В.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Методические указания к практическим работам для магистров

Специальности 6М071000 – Материаловедение и технология новых материалов

Алматы 2015

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева

Кафедра «Станкостроение, материаловедение и технологии

машиностроительного производства»

Дегтярева А.С., Себепова Д.К., Щенева А.В.

ПОВЕРХНОСНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Методические указания к практическим работам

для магистров специальности 6М071000 - «Материаловедение и технология новых материалов»

Алматы 2015

Дегтярева А.С., Себепова Д.К., Щенева А.В.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Методические указания к практическим работам

для магистров специальности 6М071000 - «Материаловедение и технология новых материалов»

Издается в авторской редакции

УТВЕРЖДЕНО – Директором ИПИ

Турдалиевым А.Т. « » _____________2015 г.

СОГЛАСОВАНО - Зав. кафедрой СМ и ТМП

Сейткуловым А.Р. «_____» __________ 2015 г.

Подписано в печать « _______» __________2015 г.

Тираж 100 экз. Формат 60 x 84 1/18. Бумага типографская 1.

Объем уч.-изд. л Заказ____. Цена договорная.

Издание Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева

Издательский центр КазНТУ

Алматы, ул. Ладыгина, 32

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1-2

ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ

В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ И МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1 Цель работы: Ознакомиться с классификаций защитных покрытий, нанесенных на поверхность для выполнения различного функционального назначения.

1.2. Исходная позиция: Покрытия, нанесенные на поверхность различных материалов, их функциональное назначение и способы получения относятся к одному из разделов поверхностной инженерии.

Общие сведения

Защитные покрытия – покрытия, защищающие поверхность металлических и неметаллических изделий от разрушающего воздействия окружающей среды. Воздействие среды может быть химическим (при окислении, коррозии металлов, диффузии), физическими (при прохождении, отражении и поглощении тепловых потоков) и механическими (в условиях трения, износа, эрозии металлов). Часто это воздействие бывает комбинирован­ным, например, при высокотемпературной механической эрозии, окислении и диффузии газообразных примесей из окружаю­щей среды. Защитные покрытия бывают:

- металли­ческие (алюминиевые, бериллиевые, медные, никелевые и др.);

- неметал­лические (керамические, полимерные, эмали).

По составы они могут быть одно- и многокомпонентными. К однокомпонентным относятся покрытия из чистых металлов: алюминия, берил­лия, меди, никеля и др. Многоком­понентные покрытия представляют собой однородные твердые растворы или многофазные (в частности, слои­стого типа) системы. Разработаны комбинированные многофазные защитные покрытия. с элементами саморегулирования, например, самозалечивания трещин. Одно из таких покрытий представля­ет собой пористый слой силицида ниобия NbSi₂, пропитанный распла­вом олово - алюминий. При температуре до 1400 °С жидкий олово - алюминиевый сплав, отличаясь высокой по­движностью, самозалечивает местные дефекты, образующиеся в слое си­лицида ниобия в процессе эксплуатации изделия. Подобное (двухфазное) по­крытие в большей степени повыша­ет эффективность и надежность за­щиты изделий от окисления по срав­нению с покрытием, состоящим из одной фазы - NbSi₂. К многофаз­ным относятся также покрытия с испаряющейся жидкой фазой - потеющие покрытия. Свойства защитных покрытий определяются их составом, структу­рой и адгезией с материалом осно­вы.

По функциональному назначению антикоррозионные, жаростойкие, износостойкие, потеющие.

Перед нанесением покрытий по­верхность изделий тщательно очи­щают от механических и химических загрязнений. Широко применят очистку поверх­ности песком, металлическими опил­ками или мелким абразивным материалом.­ Весьма эффективна ультра­звуковая очистка в специальных ваннах с моющими растворами. Оксиды уда­ляют также химическим травлением или электролитическим полированием. При нанесении защитных покрытий в вакууме окон­чательную очистку поверхности изделий осуществляют нагревом до температур, достаточных для удаления загря­знений, или обработкой в тлеющем разряде. На практике обычно сочетают несколько способов очистки, например, пескоструйную очистку с ультразвуковой, электролитическое по­лирование с обработкой в тлеющем разряде.

Защитные покрытия создают различными способами и технологическими при­емами. Наиболее распространен спо­соб нанесения защитных покрытий электроосажде­нием. Большинство металлических покрытий получают электроосажде­нием из водных растворов, некото­рые покрытия - из расплавов солей, органических растворов или электро­форезом (гальванические, электрохимические комбинированные, электрофоретические). Способ нане­сения защитных покрытий в вакууме первоначально применялся для нанесения кадмия, титана и алюминия на поверхность стальных изделий, затем с его по­мощью начали получать многоком­понентные и многофазные металли­ческие и неметаллические покрытия (вакуумные покрытия). Разра­ботаны способы нанесения покрытий с использованием химических реакций, пи­ролиза в газовой фазе (газофазные покрытия), диффузионного на­сыщения поверхности ( диффузионные покрытия). Защитные покрытия создают также плавлением покрывающего материала и распылением жидкой фазы (газопламенные и плазменные покрытия). Плотное покрытие образуют быстролетящие частицы материала при соударении с поверхностью (детонационные покрытия). Различные защитные покрытия получают традиционными способа­ми - эмалированием и плакирова­нием.

Вследствие многообразия и сложности физико-химических про­цессов, происходящих при созда­нии защитных покрытий, адгезия материала основы с покрытием определяются различ­ными факторами: механическим и химическим взаи­модействием, взаимным смачиванием, растворением, диффузией. В зави­симости от системы материал осно­вы - покрытие один из перечислен­ных факторов приобретает реша­ющее значение: например, при пламен­ных способах нанесения покрытий ­механическое взаимодействие, при вакуум­ных - взаимное растворение и диф­фузия. Механическое соединение недостаточ­но прочно, поскольку обусловли­вается только шероховатостью по­верхности. Предпочтительнее хим. взаимодействие и сопутствующие ему процессы взаимного растворения и диффузии.

Повышение температуры - основной способ активирования всех химических процессов, поэтому для получения достаточно прочного соединения по­крытия с материалом основы покры­тие осаждают на предварительно нагретую поверхность или осуще­ствляют изотермический отжиг ма­териала основы и покрытия. Внутренние напряжения, возникающие в защитных покрытиях из-за различия коэффициента термического расширения материала осно­вы и покрытия, во многом опреде­ляют прочность соединения, его эксплуатационные свойства. Остаточ­ные внутренние напряжения снижают прочность соединения, приводят к преждевременному разрушению покрытия. При больших напряже­ниях сжатия появляется вероятность отслоения покрытия от материала основы, при растягивающих напря­жениях в покрытии могут возник­нуть трещины.

Для уменьшения внутренних напряжений обычно стре­мятся «согласовать» свойства материала основы и покрытия, В частности, мак­симально сблизить их температур­ные коэффициенты линейного расширения. Чем тоньше покрытие, тем меньше в нем внутренние напряжения. Иног­да между материалом покрытия и основой создают «согласованный» промежуточный слой, предваритель­но нанося его на основу или исполь­зуя взаимную диффузию атомов контактирующих материалов при фор­мировании покрытия либо при до­полнительном изотермическом от­жиге. Прочное соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов и образования в пограничном слое твердого раствора, в пределах которого происходит монотонное изме­нение свойств от материала основы к покрытию.

Эти условия выполнимы для многих систем материал осно­вы - покрытие, в том числе и для мате­риалов с резко отличающимися химическими свойствами, например, для металла и кера­мики, в каждом из которых растворя­ется, упрочняя связь, поверхностная пленка оксидов металла. Образова­ние новых химических соединений в пере­ходном слое менее желательно из-за ухудшения механических свойств. Толщину покрытия регулируют в процессе его нанесения или после завершения всего технологического цикла. При­меняют непрерывные методы контро­ля толщины покрытия при нанесе­нии его на движущуюся полосу, лен­ту или проволоку. Структуру и свойства покрытия исследуют различными способами разрушающего или не­разрушающего контроля.

Защитные покрытия, зна­чительно сокращающие безвозврат­ные потери металла от коррозии, чаще всего наносят на поверхность стальных изделий. Широко приме­няются такие изделия с защитными покрытиями, как белая жесть, оцинкованные сталь­ные листы, а также трубы, армату­ра и листы, покрытые алюминием, хромом, титаном , цинком или эмалью. Про­изводятся стальные листы, плаки­рованные нержавеющей сталью и сплавами титана. В зависимости от толщины защитного покрытия срок эксплуатации стальных изделий увеличивается в два - семь раз. 3амена дорогостоя­щих металлов и их сплавов сталью с защищающим ее покрытием дает возможность повысить экономиче­скую эффективность использования материалов. Защитные покрытия применяют в химическом машиностроении, атомной энергети­ке, авиационной и космической тех­нике.