Осаждения и покрытия

Осаждения и покрытия

 

Осаждения и покрытия используются, чтобы приспособить поверхностные свойства ком­понентов к особым требованиям, например, для обработки поверхности. Таким образом, возможно сделать так, чтобы компонент, вы­полненный из вязкого, дешевого материала, получил твердую износостойкую поверх­ность. Вот о том, в чем заключаются процессы осаждения и покрытия, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Основными задачами использования покрытий являются:

  • Защита от коррозии (а также обеспечение функциональности и сохранение декора­тивных свойств);
  • Защита от изнашивания;
  • Изготовление электрических контактов (съемные, сварные, паяные, склеиваемые и спрессованные контакты).
  • В технологиях покрытий сделаны различия между следующими типами покрытий: осаждения, которые представляют собой осаждаемый слой материала;
  • Конверсионные покрытия, в которых функциональное покрытие получается в результате химической или электрохи­мической реакции основного материала;
  • Диффузионные покрытия, в которых функ­циональное покрытие произведено распро­странением атомов или ионов в основной материал.

 

Осаждение

 

Гальванопокрытие

 

Гальванопокрытие наносится с помощью внешнего источника питания. Заготовки по­гружаются в электролит (рис. «Гальванопокрытие» ), содержащий ионы металла, которые должны осаждаться. Ионы металлов предоставляются анодом либо образуются в электролите (когда ис­пользуются инертные аноды).

 

Гальванопокрытие

 

Распределение линий электрического поля влияют на толщину осаждаемого слоя. Равномерная толщина слоя может быть до­стигнута за счет оптимизированной конфигу­рации анодов и экранов.

Гальванопокрытие широко используется в об­ласти защиты от коррозии, от износа и для из­готовления электрических контактов. Некоторые важные технологии осаждения описаны ниже.

Гальванопокрытие цинком

 

Электролитически осаждаемые цинковые покрытия широко используются в качестве антикоррозионной защиты покрытий для стальных компонентов и катодно эффектив­ных средств защиты от коррозии (защитный эффект). Для повышения эффекта коррози­онной защиты, цинк пассивируется в растворе свободного хрома (VI) в качестве замены ранее применяемой обычной хроматизации.

Цинковые сплавы, таких как цинк-никель с содержанием приблизительно 15 % Mi, обе­спечивают значительно более высокую сте­пень защиты от коррозии.

 

 

Гальванопокрытие никелем

 

Никелевые гальванопокрытия создают ком­поненту локальную защиту от коррозии, придавая с приданием привлекательного внешнего вида. В автомобильной технике это покрытие, главным образом, применяется в свечах зажигания.

Гальванопокрытие хромом

 

В случае гальванопокрытия хромом, дела­ется различие между твердым и блестящим покрытием. Блестящее покрытие хрома ис­пользуется в качестве осаждения толщиной приблизительно 0,3 мкм с никелевым или медноникелевым промежуточным осажде­нием. В недавнем прошлом бамперы и другие детали автомобилей имели блестящее покры­тие их хрома из декоративных соображений. Осаждения Cu/Ni/Cr, переставшие широко применяться на автомобилях, теперь все бо­лее используются в премиальном сегменте.

Твердо-хромовые осаждения имеют тол­щину > 2 мкм. Вследствие высокого уровня твердости, полученного электролитическим способом хромового покрытия, оно идеально подходит для использования в качестве покры­тия для защиты от изнашивания. В прошлом твердо-хромовые покрытия часто наносились большой толщиной и затем механически обра­батывались. Дальнейшее развитие технологии привело к тому, что сегодня на компоненты, в основном, наносятся покрытия толщиной в пределах от 5 до 10 мкм и затем использу­ются без дополнительной обработки (напри­мер, в деталях топливных форсунок).

 

 

Гальванопокрытие оловом

 

Электролитическим способом осаждаемые оловянные покрытия, главным образом, ис­пользуются в качестве обработки поверхно­стей контактов для штекерных соединений и контактов переключателей, а также для нанесения на контакты припоя. Толщина по­крытия 2-3 мкм идеальна для контактов ште­керных соединений. Большие таких покрытия требуются для нанесения припоя, чтобы га­рантировать пригодность к пайке даже после длительных периодов хранения.

Гальванопокрытие золотом

 

Золотые осаждения обычно используются для контактов, отвечающих строгим требованиям. Они характеризуются хорошей проводимостью, низким сопротивлением контактов и хорошим сопротивлением загрязнению и коррозии. Это гарантирует стабильность контакта. Твердо­золотые покрытия (с легирующим элементом, в основном, кобальтом, составляющим прибли­зительно 0,5 %), являющиеся более твердыми и более стойкими к трению, чем чисто-золотые покрытия, подходят для контактов, подвергаю­щихся механическим нагрузкам.

Табл. Область применения покрытий

 

Область применения покрытий

 

Химическое осаждение

(без электрического тока внешней цепи)

 

В отличие от гальванопокрытия, химическое осаждение характеризуются более однород­ным распределением толщины покрытия по поверхности компонента, так как на про­цесс осаждения не влияет внешнее электри­ческое поле. Вследствие медленной скорости

осаждения и дорогостоящих химикатов, эти покрытия более дороги, чем те, что наносятся на металл гальваническим способом. Хими­ческое осаждение стало широко использо­ваться в промышленности:

  • «Химический никель» (никель/фосфор) для защиты от коррозии и изнашивания;
  • «Химическая медь» и «химическое олово», применяемые в технологии печатных про­цессов.

 

Осаждение погружением в горячий раствор

 

Осаждение погружением в горячий раствор происходит во флоат-ванне. Погружение в горячий раствор катодным образом исполь­зуются для того, чтобы защитить от коррозии низколегированные стали. Используются цинк, сплавы цинка/алюминия и алюминий. Широко используемой практикой является недорогое покрытие листовых и полосных ма­териалов. Однако следует обращать внимание на обработку кромок таких материалов.

Олово и покрытия из оловянного сплава, осаждаемые погружением в горячий рас­твор, прежде всего используются в качестве покрытия поверхностей для штепсельных соединений и поверхностей, предназначен­ных для пайки.

Цинк-ламельное осаждение

 

Цинк-ламельное осаждение — покрытие, осно­ванное на использовании цинка, алюминие­вых ламелей и неорганического связующего вещества. Покрытие получают иммерсионным центрифугированием или электростатическим распылением и термической закалкой. Цинк- ламельное осаждение — дешевое противо­коррозионное покрытие для выпускаемых серийно стальных деталей (например, винтов и болтов).

 

 

Автомобильные краски

 

У красок имеется широкий диапазон приме­нения из-за широких вариантов химического состава и многочисленных способов образо­вания покрытия, таких как нанесение кистью, распыление, и погружение, в том числе с ис­пользованием электрического тока (CD, ка­тодное осаждение).

Покрытия, получаемые окрашиванием, могут выполнять множество различных функций. В автомобилях это, прежде всего, защита от коррозии, сопровождаемая декоративным эффектом, защита от изнашивания, звуко- или электроизоляция.

Кузов легкового автомобиля защищен сложной слоистой структурой (рис. «Слоистое строение покрытия кузова автомобиля» ). Узлы в моторном отделении, с другой стороны, обычно покрываются в один или два слоя краски при меньшем внимании к декоратив­ным свойствам.

 

Слоистое строение покрытия кузова автомобиля

 

Низкорастворимые системы, прежде всего, краски на водной основе, почти всегда используются при создании автомобилей. Краски, основанные на порошковых матери­алах, и ультрафиолетовые краски являются полностью нерастворимыми.

 

 

Покрытия PVD и CVD

 

Схематичное нанесение ионно-плазменного покрытия PVD/CVD в вакуумной камереПокрытия PVD и CVD осаждаются, в основ­ном, в вакууме, с использованием плазмы или термообработки автомобильных компо­нентов и инструментов (рис. «Схематичное нанесение ионно-плазменного покрытия PVD/CVD в вакуумной камере» ). Есть два раз­личных способа, в зависимости формирую­щего покрытие материала — твердого (PVD, физическое парофазное осаждение) или газообразного (CVD, химическое парофаз­ное осаждение). В современных технологиях комбинируются обе эти категории вступаю­щих в «реакцию» процессов.

Покрытия из твердого материала

 

Инструменты покрывают твердыми мате­риалами для увеличения их срока службы и улучшения свойств. Типичным примером покрытий инструмента, широко представлен­ных на рынке, является нитрид титана цвета золота (TiN), который наносится, например, катодным напылением или термовакуумным испарением титана в реакции с азотом. Более свежие материалы покрытия, такие как кар- бонитрид титана (TiCN) или нитрид титана- алюминия (TiAIN), можно использовать для сторостной механической обработки.

Супертвердые материалы, такие как алмаз, все более и более используются в качестве по­крытия карбидных инструментов.

 

Покрытие DLC

 

Защита компонентов против изнашивания подчиняется специальным условиям. В дан­ном случае покрытие должно установить низкий коэффициент трения для компонен­тов, которые входят в контакт друг с другом, и минимизировать изнашивание. Покрытие DLC (алмазоподобный углерод) не только за­щищает компонент, на поверхность которого оно нанесено, против изнашивания, но также и не имеющий покрытия компонент, состав­ляющий пару трения. У покрытия имеется очень низкий коэффициент сухого трения — от 0,1 до 0,2, при трении по стали. Слои DLC обладают противокоррозийным эффектом. Из-за этих преимуществ покрытия DLC стали самыми важными в области технологий изго­товления компонентов с покрытием. Однако, нужно отметить, что покрытия, содержащие водород, теряют свои свойства при окислении в атмосфере в условиях локальной темпера­туры 350 °С и выше. Твердо-материальные покрытия, такие как TiN, могут противостоять значительно более высоким температурам и также используются в качестве одной из со­ставляющих покрытия.

Различные составы покрытий и применяе­мые процессы позволяют материалам быть приспособленными к различным нагрузкам, вызывающим изнашивание, или комплексу воздействий в виде абразива, вибрации, скольжения, схватывания и адгезионного из­нашивания. Поскольку нет никакой стандар­тизации для покрытий DLC, необходимо тща­тельно проверять свойства алмазоподобного углеродного покрытия с помощью различных тестов. Покрытия PVD и CVD наносятся при условии, что температура компонента во время этого процесса не превысит 250 °С. Это позволит избежать снижения твердости основного стального материала.

Углеродные покрытия низкого трения, со­держащие металлический карбид i-C (WC), являются электрически проводящими и имеют микротвердость по Виккерсу при­близительно 1800 HV при модуле упругости 150-200 ГПа.

Неметаллические углеродные покрытия (а-С:Н) имеют увеличенную твердость по Виккерсу приблизительно до 3500 HV и зна­чительно улучшенную износостойкость, но это сопровождается увеличением хрупкости. Они являются электрическими изоляторами.

С толщиной слоя от 2 до 4 мкм алмазопо­добные углеродные покрытия обеспечивают очень хорошую защиту от изнашивания и являются особенно подходящими для ком­понентов, изготовленных с высокой точ­ностью, которые подвергаются высоким механическим нагрузкам. После нанесения покрытия эти компоненты не идут на пере­работку. В топливных насосах высокого дав­ления для дизеля и двигателях с искровым зажиганием, оборудованных электронной си­стемой впрыска, поршень ходит в цилиндре с зазором всего в несколько микрометров. В этом случае покрытия DLC, нанесенные на поверхность поршня, гарантируют надежную его работу на весь срок службы.

 

 

Диффузионные покрытия

 

Поверхностную антикоррозионную обработку металлических изделий выборочно можно объединить с поверхностным их упрочнением с использованием диффузионных процессов для термохимического цементирования, циа­нирования и хромирования, или термическим упрочнением бором или ванадием. Металли­ческие изделия могут также подвергаться антикоррозионной обработке окислением, азотированием, сульфатированием и без по­верхностного упрочнения.

Конверсионные покрытия

 

Конверсионные покрытия образуются не путем нанесения материала, но путем хими­ческого или электрохимического преобразо­вания исходного материала.

Покрытия, получаемые воронением

 

Покрытия, получаемые в процессе воро­нения, состоят из тонких железооксидных слоев (преимущественно — Fe3O4), которые образуются в результате окисления стали в щелочном водном растворе, содержащем нитрит, при температуре > 100 °С. С после­дующим смазыванием они обеспечивают на­дежную защиту от коррозии.

Покрытия, получаемые фосфатированием

 

Покрытия, получаемые в процессе фосфатирования, образуются на стали, оцинкованной стали, а также на алюминии в растворах, содержащих фосфорную кислоту, путем погружения или распыления. Покрытия из фосфата цинка преимущественно используются в качестве грунта для лакокрасочных покрытий. Фосфат марганца служит противоизносным покры­тием с защитой против схватывания, и как грунт под другие покрытия для улучшения антифрикционных свойств компонента.

Покрытия, получаемые анодированием

 

Анодированные покрытия формируются за счет электрохимического преобразования металла в оксиды металлов в водных элек­тролитах. Могут быть анодированы алюми­ний, магний, титан. Анодированные покрытия на алюминиевых материалах широко исполь­зуются для защиты от износа и коррозии.

В следующей статье я расскажу о ременных передачах.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *