О типах антикоррозионных покрытий

Практически все металлоконструкции должны иметь защитные покрытия для обеспечения работоспособности данной металлоконструкции планируемый срок службы.

Это могут быть мостовые сооружения, трубопроводы, линии электропередач, портовые сооружения, транспортные средства, оборудование для нефте- и газодобычи и т.д.

Например, применение защитных покрытий на оборудовании для нефтедобычи окупает затраты на технологию покрытий в течение нескольких месяцев.

Среди защитных покрытий антикоррозионные занимают особое место. Они применяются очень широко и без них коррозионные повреждения наносят существенный, часто решающий, ущерб.

При выборе антикоррозионного покрытия исходят из следующих факторов:

~ необходимый срок службы покрытия;

~ стоимость покрытия; воздействие окружающей среды;

~ техническая возможность реализации покрытия.

При выборе покрытия рекомендуется провести подробные консультации со специалистами, так как оптимальный выбор покрытия предполагает учёт нескольких взаимосвязанных факторов. Ошибки при выборе покрытия приводят к значительным расходам, как при создании покрытия, так и при его эксплуатации.

Для металлоконструкций, работающих в сельской местности, в городской, индустриальной или морской среде в различных климатических зонах при отсутствии воздействия на поверхность механических ударных нагрузок и локальных термических воздействий аналогичных газосварки, можно рассматривать три типа антикоррозионных покрытий:

1. Всевозможные лакокрасочные покрытия (эпоксидные, полиуретановые, акриловые и т.д.), срок службы 6-25 лет, относительно низкая стоимость и высокая технологичность.

2. Металлизационные электродуговые цинковые или алюминиевые покрытия. Срок службы около 50 лет. Активная электролитическая защита покрытой металлоконструкции, «самозалечивание» микропор и мелких повреждений продуктами электролиза. Для нанесения покрытия требуется специальное оборудование. Как любое металлизационное покрытие имеет микропоры.

3. Металлизационно-полимерные покрытия. Сначала наносится металлизационное покрытие из цинка, алюминия или другого металла, а затем металлизационное покрытие пропитывается лакокрасочным материалом. Лакокрасочное покрытие должно иметь низкую вязкость для проникновения в поры металлизационного покрытия и то же время создавать тонкую плёнку на поверхности металлизационного покрытия. Такая структура покрытия обладает чрезвычайно высокой коррозионной стойкостью, а также, в сравнении с другими типами покрытий, высокими механической прочностью и износостойкостью. Срок службы практически не ограничен и обычно составляет «нормативный срок службы металлоконструкции». Это подтверждается мостовыми металлоконструкциям и.

Для всех трёх типов покрытий требуется тщательная подготовка поверхности струйно-абразивными технологиями, определяющая в значительной мере адгезионную прочность покрытия.

Введение к теме о процессе формирования газотермических

Покрытий и их прочности

Сарбучев С.Н.

Важнейшей проблемой современной техники является повышение надёжности и долговечности машин и оборудования, осуществляемой, как правило путём упрочнения отдельных узлов, лимитирующих срок службы изделия, или их восстановления.

Одним из способов упрочнения и восстановления различных деталей и узлов машин и механизмов, а также создания материалов, отвечающих повышенным эксплуатационным требованиям, является газотермическое нанесение покрытий.

Технология газотермического нанесения покрытий имеет широкие возможности как в области сочетания материалов покрытия и подложки, так и по размерам и форме защищаемых объектов. Практическое использование покрытий ограничивается некоторыми их основными свойствами: низкая прочность сцепления, в результате чего покрытия могут отделяться от подложки; газопроницаемость покрытий вследствие их пониженной плотности и наличия сквозных пор; нестабильность свойств в различных участках покрытия, что приводит к местным выколам даже казалось бы доброкачественного покрытия.

В настоящей работе рассматривается процесс формирования газотермических покрытий, некоторые аспекты управления процессом формирования газотермических покрытий с целью получения необходимых свойств покрытий. В том числе, специальная защитная оснастка и её роль в формировании краевых галтелей в процессе напыления.

Процесс газотермического напыления заключается в том, что материал для покрытия вводится в источник тепла, температура которого достаточно высока, чтобы его пластифицировать. При «холодном» напылении, способе, относящемся также к газотермическим способам напыления, порошковый материал не подвергается нагреву, а разгоняется сверхзвуковым потоком газа до энергии пластификации на подложке. В общем случае газотермических покрытий, поток газа, обладающий высокой скоростью, захватывает частицы и с очень большой скоростью направляет их на предварительно подготовленную поверхность. Последовательно накладываясь друг на друга, частицы образуют чешуйчатое слоистое покрытие с сильной анизотропией физических и механических свойств. Материал для покрытия может быть в виде порошка, проволоки, стержня, ленты или шнура. Характерный размер частиц в потоке газа от 5 до 200 мкм. Характерная толщина покрытий около 1 мм.

Газотермические методы универсальны и поэтому могут с большой эффективностью применяться на всех уровнях производства - от заводов до передвижных ремонтных мастерских. Универсальность и эффективность определяются следующими принципиальными особенностями газотермического напыления:

~ возможностью нанесения покрытий из самых различных материалов - цветных металлов и сталей, сплавов и интерметаллидов, соединений, органических веществ или композиций на их основе;

~ возможностью нанесения покрытий на различные материалы - металлы, пластмассы, стекло, дерево, ткань, бумагу, керамику и т.д.;

~ отсутствие деформации изделия, на которое покрытие наносится;

~ небольшой потребностью в материалах для покрытий, т.к. их толщина обычно составляет до 1 мм;

~ сравнительной простотой оборудования для напыления и относительно низкой трудоёмкостью процесса, поскольку он отличается высокой производительностью, которая для различных процессов составляет от 1 до 20 кг/час;

Методы газотермического напыления отличаются по уровню температур и удельных энергий источников тепла, а также, соответственно, формой и характеристикой распыляемого материала.

Так для электродуговой металлизации может использоваться только проволока, для газопламенного напыления как проволока, так и порошки, стрежни, шнуры; детонационным способом можно наносить только порошки.

Использование технологии газотермического напыления имеет свои особенности. Область использования технологии, основанная на возможности придания напыляемой поверхности практически любых служебных свойств, ограничена прочностью покрытий, на порядок ниже прочности металлов.

Подвергнутые напылению поверхности как правило не должны испытывать прямых ударов, как, например, при ковке, или линейных нагрузок, которые преобладают, например, на валках прокатных станов.

Свойства и состав покрытий, в силу условий их формирования, обычно сильно отличаются от исходных распыляемых материалов.

Качество покрытий зависит от большого числа переменных факторов (по данным разных авторов до 60), таких как конструкция распылителя (плазмотрона, газовой горелки, электрометаллизатора и т.д.); род и расход газов; потребляемая мощность; физико-химические свойства; грануляция напыляемого материала и скорость его подачи; расстояние от распылителя до подложки (напыляемой поверхности); состав защитной атмосферы; способ подготовки поверхности изделия; температурный режим в процессе формирования покрытия и т.д. Поэтому в зависимости от напыляемого материала, а также от материала и формы изделия, обычно для каждого конкретного случая режим напыления подбирается экспериментально, руководствуясь общими положениями теории газотермических покрытий.

Наиболее общими причинами, определяющими свойства напыленных материалов, являются:

~ воздействие окружающей атмосферы на напыляемый материал;

~ пониженная прочность сцепления на границах между частицами и слоями покрытия, нанесенными за один проход, возникающая в следствие неполного схватывания, а также повышенного содержания окислов, пор и других включений в пограничных областях;

~ образование пористости в результате газовыделения и кристаллизации частиц с высокими скоростями, а также возникновение выплесков материала покрытия при ударе частиц и подложку;

~ изменение строения материала вследствие фазовых превращений и появление пересыщенных и нестехиометрических структур часто с присутствием большой доли аморфной фазы в результате химико-термического воздействия плазменной струи и закалки перегретых расплавов;

~ возникновение напряжений во всём объёме напылённого материала и в объёме каждой частицы.

Процесс газотермического нанесения покрытий можно разделить на следующие операции:

предварительная подготовка поверхности изделия под покрытие, собственно процесс газотермического нанесения покрытий и при необходимости последующая обработка нанесенного покрытия (оплавление, уплотнение, пропитка, термическая или механическая обработка). От каждой из этих операций зависят эксплуатационные свойства покрытий.

Предварительная обработка поверхности основы является важным фактором для обеспечения прочного сцепления напылённого покрытия с деталью, так как в большинстве случаев соединение напыленного покрытия с основой происходит в результате механического сцепления. Следовательно, для того чтобы напыляемые частицы, которые ударяются и деформируются об основу, прочно сцепились с неровностями поверхности, основа должна быть достаточно шероховатой.

В некоторых отдельных случаях помимо механического соединения напылённого материала с материалом основы, имеет место образование химических соединений.

Увеличение прочности механического зацепления связано с увеличением площади поверхности основы и созданием большей активности основы, что также важно и для других видов соединений. Поэтому создание развитой шероховатости на поверхности основы является важным требованием.

Однако обеспечение шероховатости поверхности ещё не достаточно для получения прочного соединения покрытия с основой.

Перед предварительной обработкой поверхности необходимо провести промывку, удалить влагу, масло и другие загрязнения.

В деталях из пористых материалов и чугунных отливках в порах может содержаться масло, которое при напылении в результате нагрева выделяется на поверхность, что значительно ухудшает сцепление покрытия с основой. Поэтому такие детали после промывки подвергают отжигу, при котором происходит выгорание масла, содержащегося в порах.

Для подготовки поверхности широко применяется струйно-абразивная обработка поверхности перед напылением. Такая подготовка очищает поверхность и выводит её из состояния термодинамического равновесия со средой, освобождая межатомные связи поверхностных атомов, т.е. химически активирует подложку. Но активность подложки быстро снижается из-за химической адсорбции газов из атмосферы и окисления. Струйно-абразивная обработка делает поверхность шероховатой, что увеличивает температуру в контакте под напылёнными частицами на выступах шероховатости и повышает суммарную площадь участков приваривания. Шероховатая поверхность имеет большую площадь по сравнению с гладкой, что также способствует увеличению прочности сцепления.

В месте удара абразивной частицы подложка разрушается и обнажается так называемая ювенильная поверхность её материала, однако, на воздухе она очень быстро теряет активность.

Другие способы подготовки поверхности в данной работе не рассматриваются.

Каждый из существующих методов напыления имеет технологические особенности и режимы, которые определяются особенностями конструкции распылителя, родом и формой напыляемого материала, размерами и свойствами изделия, на которое надо нанести покрытие, а также требованиями, предъявляемыми к напыляемому покрытию.

Одно из общих требований при выборе режима напыления для получения качественных покрытий - расплавление и доставка частиц напыляемого материала на поверхность изделия в расплавленном состоянии.

Результаты изучения взаимодействия материалов при напылении позволяют классифицировать и наметить наиболее рациональные технологические приёмы и методы регулирования свойств покрытий. Ниже приведена схема классификации.

С целью получения необходимого качества поверхности и точности размеров, а в ряде случаев и повышения прочности связи между изделием и напылённым слоем, а также уменьшения пористости покрытия, могут применяться различные способы обработки покрытия: термические (оплавление, отжиг, алитирование и т.д.), механические (токарная, шлифование, хонингование и т.д.), химические (нанесение красок, пропитка и т.д.).

Для газотермического напыления применяют различные источники энергии, используемые для нагревания и расплавления напыляемого материала. Пруток и проволока расплавляются с образованием частиц в виде капель; напыляемый порошок также расплавляется или принимает состояние, близкое к расплавленному. Расплавленные частицы с высокой скоростью соударяются с поверхностью основы и наслаиваются на неё, что приводит к образованию покрытия, которое может иметь самые различные свойства.

Двухфазный поток, состоящий из раскалённого газа и напыляемых частиц, и распределение частиц в потоке определяют не только их нагрев и ускорение, но и условия формирования покрытия и распределение его толщины по поверхности подложки.

Из практики известно, что, несмотря на высокую скорость истечения плазменных струй из плазмотронов (1000 - 2000 м/сек), частицы напыляемого материала разгоняются до 50-200 м/сек. При газопламенном напылении и электродуговой металлизации скорости примерно такие же. Размер частиц в потоке при плазменном и газопламенном напылении обычно 40 - 100 мкм, электродуговой металлизации 50 - 400 мкм.

Скорость частиц, которая зависит от размера частиц, плотности их материала, траектории движения и мощности распыления, распределена по пятну напыления неравномерно. Особенно сильно изменяется скорость мелких частиц, у которых на периферии пятна она может быть в 3 - 5 раз ниже, чем на оси струи. У более крупных частиц перепад скорости меньше. Мелкие частицы диаметром менее 100 мкм по сравнению с более крупными быстрее набирают скорость в плазме и быстрее её теряют. Наибольшую скорость частицы имеют приблизительно на расстоянии 40 - 60 мм от среза сопла.

Можно считать, что струя напыляемых частиц образует конус, вершина которого при порошковом напылении располагается на срезе сопла, а при прутковом и проволочном - в точке плавления подаваемого прутка (или проволоки).

Из-за неравномерности ускорения и нагрева частиц напыляемого материала по сечению струи напыления на её периферии они имеют меньшую скорость и температуру. В результате на периферии пятна напыления, сформированного на напыляемой поверхности за один проход горелки, образуется зона с пониженной прочностью осаждённых частиц, принадлежащих либо периферийной, либо приосевой области пятна напыления. Известно, что телесный угол распыления, в пределах которого возможен нагрев частиц до состояния, позволяющего осаждаться им на подложку, меньше для крупных фракций по сравнению с мелкими, при одних и тех же условиях истечения струи.

При напылении полидисперсного материала наблюдается сепарация частиц в струе по размерам, что вызвано в значительной мере поперечным вводом частиц в струю.

Сужение фракционного состава, повышение скорости перемещения плазмотрона (или другого распылителя) и снижение концентрации частиц в струе снижает вероятность возникновения слоистости в структуре.

При напылении возможны два случая взаимодействия: между напыляемыми частицами и поверхностью подложки, что приводит к возникновению адгезии покрытия к подложке, и между напыляемыми частицами и частицами уже нанесенного покрытия, что вызывает сцепление частиц в покрытии или его когезию.

Взаимодействие обусловлено действием сил механического зацепления, слабых невалентных сил взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса) и химических сил связи. Процесс взаимодействия напыляемых частиц с материалом подложки можно представить состоящим из трёх стадий: образование физического контакта, активация контактных поверхностей и образование химических связей на границе раздела частица-подложка, развитие объёмного взаимодействия (релаксация микронапряжений, рекристаллизация, гетеродиффузия, образование новых фаз. Процесс соединения определяется тремя основными параметрами: температурой контакта, длительностью взаимодействия и приложенным давлением, под действием которого, с одной стороны, частицы деформируются и сближаются с атомами подложки, с другой, происходит активация контактной поверхности подложки.

Основные структурные элементы напылённого материала - зерно, частица, слой. В отличии от компактного материала, имеющего два типа границ: межзеренные и межфазные; напылённое покрытие имеет три типа границ, оказывающих существенное, а часто определяющее, влияние на свойства покрытия: это границы между деформированными частицами, межслойные границы и, наконец, границы, разделяющие покрытие и подложку.

Границы раздела между слоями, полученными за один проход распылителя, возникают из-за различной длительности выдержки между нанесением частиц в слое и между слоями. Поверхность покрытия между слоями загрязняется и контактные процессы под частицами затрудняются.

Эти границы появляются также из-за различия в термоциклах, которые зависят от теплопроводности покрытия, сильно изменяющейся с увеличением его толщины. Часть границы раздела между любыми частицами состоит из площади контактной поверхности в местах схватывания, на которых частицы приварились к подложке или к частицам в покрытии.

Образование напыляемого покрытия последовательной укладкой множества деформирующихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, особенно на стыках частиц. Так как частицы формируются в атмосфере, микрополости заполняются газом.

Вследствие большой шероховатости покрытия, чрезвычайно быстрого растекания и кристаллизации частиц при ударе в зоне контактов ранее нанесённых частиц с поверхностью остаются дефекты и полости. Взаимодействие с атмосферой, адсорбция газов и оседание пылевидных фракций существенно ухудшает свойства межслойной зоны покрытия.

С уменьшением размера напыляемых частиц улучшается заполнение слоя покрытия - его плотность растёт, объём микропустот уменьшается, структура покрытия делается более однородной. Однако слишком мелкие частицы не пригодны для газотермического напыления из ряда соображений: транспортировки и ввода в струю, испарения в струе.

Важное ограничение возникает вследствие того, что газотермическое покрытие образуется из двухфазного потока, состоящего из газа и самих частиц. Частицы с размером менее критического не достигают поверхности изделия, поскольку захватываются и отклоняются потоком газа, обтекающим изделие.

Таким образом, свойства покрытия в целом будут зависеть от процессов, происходящих с частицами при взаимодействии с потоком газа (плазмы) и формировании покрытия на подложке.

Прочность напылённых газотермических покрытий не превышает 10-60 мПа, что на порядок ниже прочности металлов. Такой же уровень имеет величина адгезионной прочности покрытия. Вследствие больших остаточных напряжений, покрытия толщиной 0,5-1,0 мм склонны к самопроизвольному отслаиванию. Низкая прочность покрытий объясняется их строением и условиями, при которых они образуются.

Причины низкой прочности заключаются в макростроении покрытий. Напыленные материалы состоят из отдельно сравнительно слабо связанных между собой частиц. Объёмное взаимодействие на участках контакта между частицами практически отсутствует. Кроме того, покрытия отличаются пористостью, и в них всегда имеются значительные остаточные напряжения.

Остаточные напряжения в покрытиях возникают в результате разницы теплофизических свойств материалов частицы и подложки, появляются после остывания нанесённого покрытия. Макротермические циклы в пятне напыления объясняются действием струи нагретого распыляющего газа и массы нагретых частиц, образующих покрытие. Эти термоциклы имеют гораздо большую длительность и менее высокую максимальную температуру по сравнению с термоциклами в контакте застывающих частиц.

Исходя из характера и места разрушения покрытий, можно считать, что их прочность определяется силами сцепления между частицами, а не прочностью самих частиц.

При охлаждении в напылённых деталях и покрытиях возникают сложные поля остаточных напряжений. Эти поля зависят от неравномерного распределения наносимого материала в струе и неравномерного нагрева детали вследствие местного характера действия источника напыления, а также особенностей формы и размеров защищаемой детали.

В зависимости от соотношения между прочностями сцепления покрытия с подложкой и частицами в покрытии разрушение может быть адгезионным или когезионным. Часто наиболее слабым местом является зона сцепления между частицами покрытия, прилегающими к подложке, поэтому при разрушении часть покрытия остаётся на подложке. Низкая прочность покрытия в этой зоне объясняется отрицательным влиянием высокой теплопроводности компактной массивной подложки на термические циклы в контакте частиц второго, третьего и т.д. слоёв вблизи подложки. По мере роста толщины покрытия его теплопроводность понижается, температура в контакте увеличивается и прочность покрытия растёт.

Несмотря на ясность основных физических процессов, вызывающих остаточные напряжения в напылённых покрытиях, в настоящее время ещё не разработаны методы их инженерной оценки. Это объясняется не только сложностью, но и многосторонностью рассматриваемых теплофизических, физико-химических и других явлений, ответственных за прочность покрытий.

Известны следующие технологические приёмы, позволяющие регулировать остаточные напряжения в покрытиях, а, следовательно, их прочность:

1. Согласование свойств материалов покрытия и подложки и, в первую очередь. их коэффициентаов термического расширения.

2. Регулирование термического воздействия газотермического потока на частицы и подложку путём изменения распределения его тепловой мощности по пятну нагрева, а также регулированием дистанции напыления или изменением скорости перемещения горелки (распылителя).

3. Снижение модуля упругости материала покрытия, например, введением в него добавок пластичного материала.

4. Использование подслоёв между подложкой и покрытием, обеспечивающих плавный переход свойств от материала подложки к материалу покрытия.

5. Изменение толщины покрытия, а также применение многослойных покрытий с чередованием слоёв из различных материалов.

6. Армирование покрытия непрерывными или дискретными волокнами или проволоками.

7. Изменение формы напыляемой поверхности, например, придание определённого радиуса кривизны всем острым углам изделия.

В литературе приводятся данные по остаточным напряжениям в зависимости от различных факторов режима напыления, свойств исходного материала подложки и последующей обработки покрытия. Встречаются противоречивые данные исследователей, объясняемые неточностью методов определения и отсутствием сведений о физико-механических свойствах исследуемых покрытий. Обычно эти данные относятся к частным конкретным случаям и без знания условий образования покрытия, формы образца и т.д., дают мало информации и не позволяют установить общих закономерностей.

Настоящий обзор был составлен в период 1986-1989 гг. и редактирован в августе 2008 года.

 

---

⇐ Предыдущая2345678Следующая ⇒

---

Просмотров 2210

Эта страница нарушает авторские права

---