Высокопрочные покрытия для металла
Опубликован журнал № 2/2022 и его содержание
Мы продолжаем подписку на наш журнал на 2022 год, условия подписки – на сайте журнала.
Опубликован журнал № 1/2022 и его содержание
Результаты опросов по терминологии
- » » »
- О выборе защитных покрытий для высокопрочных крепёжных изделий
Кабанов Е.Б., д.т.н.
Дерновой А.Н., начальник лаборатории
ООО «НПЦ мостов»
О выборе защитных покрытий для высокопрочных крепёжных изделий
Высокопрочный крепёж (болтокомплекты: болт, гайка и шайбы), применяемый для изготовления металлических строительных конструкций имеет ряд специфических особенностей, вытекающих из условий применения этого крепежа. Основными из них являются повышенные требования к надёжности и способность создавать расчётное предварительное натяжение при монтаже.
По сложившейся практике строительства мостовых сооружений устройство их монтажных соединений выполняется за счёт фрикционных сил, возникающих при обжатии монтажных поверхностей на расчётное усилие высокопрочными болтокомплектами. Расчёт фрикционных соединений ведётся согласно требованиям СНиП 2.05.03 «Мосты и трубы».
Расчётные усилия натяжения болтокомплектов достигаются с помощью контроля момента затяжки болтового соединения, рассчитываемого по значению коэффициента закручивания.
Поставка высокопрочных болтов и гаек на строительные площадки до настоящего времени осуществляется без защитных покрытий. Поэтому единственным способом защиты метизов от коррозии на период до монтажа является консервационная смазка, дальнейшее использование которой при затяжке крепёжных изделий в процессе сборки недопустимо из-за снижения усилия затяжки у смазанных болтов и растекания смазки по поверхности монтажных соединений, что приведёт к потере адгезии штатного лакокрасочного покрытия. В соответствии с СТП 006-97 для удаления консервационной смазки и загрязнений крепёжные изделия подвергаются перед монтажом мойке в горячих щелочных растворах с последующей смазкой в 10-20 % растворе масла в бензине. Срок хранения подготовленных таким образом болтокомплектов не превышает 10 суток. Отмеченные вспомогательные технологические операции затратны и трудоёмки для их выполнения в условиях строительной площадки, в особенности в зимнее время.
Для исключения указанных операций по предмонтажной подготовке крепёжных изделий целесообразно на заводском этапе изготовления метизов нанести на них защитные покрытия, к которым предъявляются следующие требования:
● покрытие должно сохранять защитную способность по крайней мере на период до их монтажа, включая транспортировку и хранение;
● толщина покрытия должна обеспечивать свободное навинчивание гайки на болт без предварительного обнижения резьбы, чтобы сохранить прочность резьбового соединения;
● покрытие должно обеспечить нормативное значение коэффициента закручивания в диапазоне Кзакр. = 0,11- 0,20;
● технология нанесения покрытия на крепёжные изделия не должна вызывать наводораживание стальной подложки крепежа, способствующее последующему непредсказуемому её охрупчиванию и разрушению.
Отдельно следует остановиться на защитных покрытиях для длительной противокоррозионной защиты крепёжных изделий, к которым можно предъявить следующие требования:
● покрытие должно сохранять защитную способность на длительный срок эксплуатации при воздействии различных агрессивных сред;
● обеспечить нормативное значение коэффициента закручивания в диапазоне Кзакр. = 0,11- 0,20;
● технология нанесения покрытия, не должна требовать обнижения резьбы;
● технология нанесения покрытия на крепёжные изделия не должна вызывать наводораживание стальной подложки крепежа, способствующего последующему непредсказуемому её охрупчиванию и разрушению.
Практика применения защитных покрытий для крепёжных изделий показала, что наилучшим средством для их противокоррозионной защиты является цинкование. Однако при применении данного вида покрытия из технологического процесса оцинковки следует исключить операцию по подготовке стальной поверхности путём кислотного травления, т.к. оно способствует процессу наводораживания стали. По этой причине гальваническое покрытие не может быть применено для защиты высокопрочных крепёжных изделий. Горячее цинковое покрытие может быть применено с условием применения технологии, исключающей риск наводораживания.
Следует также отметить, что применению высокопрочного крепежа, оцинкованного горячим методом, препятствует значительная толщина покрытия, не позволяющая наносить его на болтокомплекты с допусками резьбового соединения 6g/6H. В связи с этим при применении крепёжных изделий с горячецинковым покрытием приходится ослаблять допуск на наружный диаметр резьбы. Во вступающих в действие с июля 2015 г. ГОСТ 32484.1÷32484.6-2013 «Болтокомплекты высокопрочные для предварительного натяжения конструкционные» предусмотрено поле допуска резьбы гаек 6az для применения их в болтокомплектах с горячим цинковым покрытием. При этом резьба на гайке нарезается, когда на заготовку уже нанесено горячецинковое покрытие. Только при таких условиях применение горячего цинкового покрытия оправдано для длительной противокоррозионной защиты высокопрочных крепёжных изделий.
Горячему цинковому покрытию конкурентом может только быть термодиффузионное цинковое (ТДЦ) покрытие соответствующей толщины. Следует, однако, заметить, что для крепёжных изделий с горячецинковым покрытием и ТДЦ покрытием характерны неприемлемо завышенные значения коэффициента закручивания, в результате чего при затяжке в болтах не достигается нормативный уровень усилия натяжения. Указанную проблему решает применение антифрикционных покрытий, известных как «дуплекс-системы».
При этом подчеркнём, что, в отличие от мостостроения, в строительстве, машиностроении и судостроении широко применяется высокопрочный крепёж с горячецинковым покрытием в пределах прав и ответственности, определяемых проектной документацией и законом.
Из имеющихся видов цинкования для противокоррозионной защиты высокопрочных болтокомплектов наиболее целесообразно применение термодиффузионного цинкования 2 или 3 классов и цинкнаполненных лакокрасочных покрытий ламельного типа (рис. 1). Оба метода предполагают применение при подготовке поверхности метизов под покрытие лёгкого абразивно-струйного бластинга для удаления продуктов коррозии и окисной плёнки, возникшей в процессе их изготовления, что исключает необходимость его кислотного травления.
а) | б) |
Рис. 1. Высокопрочные болты с разными покрытиями: а) болт с ТДЦ покрытием; б) болт с ламельным покрытием |
Существующее уже более 100 лет ТДЦ покрытие традиционно выполняется по следующей технологии: цинкуемые детали помещаются в реторту с порошковой смесью, состоящей из порошкового цинка, глинозёма и активатора (хлористого аммония или активированного угля). Путём радиационного нагрева реторта прогревается до температуры плавления цинка (420 o С), и за счёт температурной диффузии атомы цинка из твёрдой и паровой фазы внедряются в кристаллическую решётку железа. В свою очередь активные атомы железа движутся в сторону цинка. В результате этого процесса образуется интерметаллидное покрытие Zn-Fe, состоящее из нескольких слоёв-фаз. Первый, собственно диффузионный α-слой толщиной 10-12 мкм, представляет собой твёрдый раствор цинка в железе, содержащий до 4,5 % Zn. За счёт него последующие слои прочно закрепляются на стальной основе. Следующий Г-слой как раз и обеспечивает диффузию цинка и железа во встречных направлениях. Г-слой толщиной 4-5 мкм содержит до 28 % железа и очень хрупкий. Поверх этих слоёв образуется также интерметаллидный δ-слой, имеющий столбчатую структуру и содержащий кроме цинка от 11.5 до 7 % железа. Именно он за счёт большего содержания цинка начинает выполнять протекторные (защитные) свойства для стали. Поскольку это интерметаллид, он имеет высокую микротвёрдость (до 4800 МПа) по сравнению с чистым цинком, имеющим микротвёрдость не более 900 Мпа. Толщина δ-слоя составляет 30-40 мкм. Затем при более длительном нагреве (более 3 ч) образуется ζ-слой, представляющий почти чистое цинковое покрытие, имеющее микротвёрдость, сопоставимую с цинком, и обеспечивающее наиболее высокие защитные свойства. Толщина ζ-слоя в зависимости от выдержки в печи может достигать 40 и более мкм. Таким образом, хорошую защитную способность ТДЦ покрытие на крепеже может иметь при общей толщине не менее 30-40 мкм. Указанная толщина покрытия ТДЦ вписывается в величину общего межрезьбового зазора между резьбовыми поверхностями болта и гайки с допуском 6g/6H, который для наиболее распространённого типоразмера мостовых высокопрочных метизов М22 составляет 113 мкм, что не мешает свинчиваемости указанного резьбового соединения при условии достаточной пластичности цинкового покрытия.
Рис.2. Установка для нанесения ТДЦ покрытия: а) загрузка реторты, вмещающей 1,2 т крепёжных изделий, в печь; б) охлаждение реторты после выполнения цинкования. |
Среди достоинств метода ТДЦ следует назвать следующие:
● детали цинкуются в герметически закрытых ретортах, поэтому процесс диффузионного цинкования экологически безопасен и не требует создания очистных сооружений;
● получаемое покрытие не имеет пор и за счёт диффузионного слоя в виде твёрдого раствора цинка в железе имеет прочную адгезионную связь со стальной подложкой;
● защитная способность покрытия в 2-4 раза выше, чем у гальванических и несколько выше, чем у горячецинковых покрытий;
● диффузионный цинк покрывает детали равномерным слоем без наплывов, точно повторяя профиль цинкуемой поверхности, включая глухие отверстия, элементы сложной конфигурации, щели, полости, резьбу и т.п.;
● отходы производства не требуют захоронения.
В то же время традиционный способ ТДЦ с использованием радиационного нагрева имеет следующие недостатки:
● невозможность получения качественного покрытия при толщинах покрытия менее 30 мкм из-за высокого содержания в верхних слоях интерметаллида цинка с железом, что вызывает высокую микротвёрдость покрытия, а, значит, и высокое значение коэффициента закручивания;
● относительно небольшая производительность метода ТДЦ, лимитируемая объёмами реторт для цинкования и длительностью прогрева реторты с порошковыми смесями и цинкуемыми деталями;
● значительный расход электроэнергии и цинкового порошка, выгорание цинка при радиационном нагреве;
● необходимость наличия массивного металлоёмкого теплоизолированного корпуса печи.
Исходя из указанных недостатков, более рационально для цинкования высокопрочных крепёжных изделий применить новый способ ТДЦ – с индукционным нагревом, который позволяет:
● получить по всей площади цинкуемой поверхности равномерное гомогенизированное защитное покрытие требуемой толщины с высокой коррозийной стойкостью, как содержащее до 98 % цинка;
● сократить время цинкования с 2,5 ч до 5-20 минут, т.е. в 12-48 раз быстрее;
● сократить в 2 раза расход цинкового порошка для покрытия поверхности металлоизделий за счёт уменьшения степени выгорания цинка;
● сократить в 4 раза расход электроэнергии за счёт уменьшения длительности производственного цикла цинкования;
● сохранить при цинковании резьбовых соединений геометрию, профиль и диаметр резьбы;
● восстанавливать цинковое покрытие в случае его повреждения путём проведения повторного цинкования;
● существенно сократить капитальные вложения на создание промышленной установки, использующей предлагаемый способ ТДЦ, по сравнению с установкой, выполненной по традиционному способу.
В настоящее время имеется опытно-промышленная установка для оцинковки деталей методом ТДЦ с индукционным нагревом, имеющая рабочую камеру диаметром 300 мм и длину 4 м. Производительность такой установки до 30 кг метизов в час.
Альтернативой вышеперечисленным методам защиты крепёжных изделий может служить цинк-алюминиевое ламельное покрытие типа Dacromet или Delta. Это фактически лакокрасочные покрытия, наполненные чешуйчатыми частицами цинка и алюминия толщиной не более 10-15 мкм, имеющие прекрасные декоративные свойства (серебристый цвет) и долговечность не менее двух лет – на весь период транспортировки и хранения метизов до выполнения монтажных операций. Технология нанесения ламельного покрытия исключает вероятность наводораживания, т.к. при его применении нет контакта с кислотами. Суспензия основы покрытия наносится на изделия в три слоя методом их окунания в центрифуги, наполненные суспензией, и последующей сушки в течение 5-10 минут в проходных печах при температуре 200 и 300 о С. Диффузии цинка в стальную подложку при этом не возникает.
Как показали наши исследования, покрытия и ТДЦ, и Dacromet для обеспечения по условиям сборки монтажных поверхностей мостовых конструкций требуемого значения коэффициента закручивания (в диапазоне Кзакр. = 0,11 – 0,15) предполагают применение специальных смазок на полимерной основе. В этом случае возникает проблема совместимости этих смазок со штатными лакокрасочными покрытиями для мостовых конструкций. Поставщики лакокрасочных материалов (ЛКМ) в этом случае не дают гарантии по стойкости штатных покрытий в узлах болтовых соединений.
Перспективным было бы формирование на высокопрочных болтах покрытия, обеспечивающего одновременно необходимый коэффициент закручивания (0,11 – 0,15), антикоррозионную защиту и совместимость с покровными ЛКМ. Универсальное покрытие решало бы сразу несколько проблем по разным направлениям: исключение предмонтажной подготовки крепёжных изделий, обеспечение необходимой долговечности противокоррозионной защиты, обеспечение требуемых усилий обжатия крепёжных изделий, что вызвало бы обоюдный интерес и у изготовителей высокопрочных метизов и в мостостроительных организациях. В качестве такого универсального покрытия видится ламельное цинкнаполненное покрытие со смазками на полимерной основе.
Защитные покрытия металлов: как и для чего они создаются?
Уникальной разновидностью неметаллических защитных покрытий являются антифрикционные материалы. По внешнему виду они напоминают краски, однако вместо пигментов содержат частицы твердых смазочных веществ, которые равномерно распределены в смеси связующих компонентов и растворителей.
В противокоррозионной практике для изоляции металла от воздействия агрессивных сред используются специальные защитные покрытия. Все они подразделяются на металлические и неметаллические.
Металлические – анодные и катодные – покрытия наносятся на поверхности методами газотермического напыления, окунания, гальванизации, плакирования или диффузии.
К неметаллическим защитным покрытиям относятся лакокрасочные составы, полимерные пленки, силикатные эмали, резины, оксиды металлов, соединения фосфора, хрома и др.
Рассмотрим все виды покрытий подробнее.
Металлические защитные покрытия
В качестве анодных металлических покрытий выступают металлы, электрохимический потенциал которых меньше, чем у обрабатываемых материалов. У катодных он, наоборот, выше.
Анодные покрытия обеспечивают электрохимическую защиту металлических поверхностей и выполняют свои функции даже при нарушении целостности слоя.
Катодные покрытия препятствуют проникновению агрессивных сред к основному металлу благодаря образованию механического барьера. Они лучше защищают поверхности от негативных воздействий, но только в случае неповрежденности.
В зависимости от способа нанесения металлические покрытия подразделяются на следующие виды.
Гальванические покрытия
Гальванизация – это электрохимический метод нанесения металлического защитного покрытия для защиты поверхностей от коррозии и окисления, улучшения их прочности и износостойкости, придания эстетичного внешнего вида.
Гальванические покрытия применяются в авиа- и машиностроении, радиотехнике, электронике, строительстве.
В зависимости от назначения конкретных деталей на них наносятся защитные, защитно-декоративные и специальные гальванические покрытия.
Защитные служат для изоляции металлических деталей от воздействия агрессивных сред и предотвращения механических повреждений. Защитно-декоративные предназначены для придания деталям эстетичного внешнего вида и их защиты от разрушительных внешних воздействий.
Специальные гальванические покрытия улучшают характеристики обрабатываемых поверхностей, повышают их прочность, износостойкость, электроизоляционные свойства и т.д.
Разновидностями гальванических покрытий являются меднение, хромирование, цинкование, железнение, никелирование, латунирование, родирование, золочение, серебрение и пр.
Газотермическое напыление
Представляет собой перенос расплавленных частиц материала на обрабатываемую поверхность газового или плазменным потоком. Покрытия, образованные таким методом, отличаются термо- и износостойкостью, хорошими антикоррозионными, антифрикционными и противозадирными свойствами, электроизоляционной или электропроводной способностью. В качестве напыляемого материала выступают проволоки, шнуры, порошки из металлов, керамики и металлокерамики.
Выделяют следующие методы газотермическогого напыления:
- Газопламенное напыление: самый простой и недорогой метод, применяемый для защиты крупных площадей поверхности от коррозии и восстановления геометрии деталей
- Высокоскоростное газопламенное напыление: используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытий
- Детонационное напыление: применяется для нанесения защитных покрытий, восстановления небольших поврежденных участков поверхности
- Плазменное напыление: используется для создания тугоплавких керамических покрытий
- Электродуговая металлизация: для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхности
- Напыление с оплавлением: применяется тогда, когда риск деформации деталей отсутствует или он оправдан
Погружение в расплав
При использовании этого метода обрабатываемые детали окунаются в расплавленный металл (олово, цинк, алюминий, свинец). Перед погружением поверхности обрабатываются смесью хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Это позволяет защитить расплав от окисления, а также удалить оксидные и солевые пленки.
Данный метод нельзя назвать экономичным, так как наносимый металл расходуется в больших количествах. При этом толщина покрытия неравномерна, а наносить расплав в узкие зазоры и отверстия, например, на резьбу, не представляется возможным.
Термодиффузионное покрытие
Данное покрытие, материалом для которого выступает цинк, обеспечивает высокую электрохимическую защиту стали и черных металлов. Оно обладает высокой адгезией, стойкостью к коррозии, механическим нагрузкам и деформации.
Слой термодиффузионного покрытия имеет одинаковую толщину даже на деталях сложных форм и не отслаивается в процессе эксплуатации.
Плакирование
Метод представляет собой нанесение металла термомеханическим способом: путем пластичной деформации и сильного сжатия. Чаще всего таким образом создаются защитные, контактные или декоративные покрытия на деталях из стали, алюминия, меди и их сплавов.
Плакирование осуществляется в процессе горячей прокатки, прессования, экструзии, штамповки или сваривания взрывом.
Виды и особенности неметаллических покрытий
Неметаллические покрытия подразделяются на органические и неорганические. Они создают на обрабатываемых поверхностях тонкую, инертную по отношению к агрессивным веществам пленку, которая предохраняет детали от негативных воздействий окружающей среды.
Лакокрасочные защитные покрытия
В состав таких покрытий входят пленкообразующие вещества, наполнители, пигменты, пластификаторы, растворители и катализаторы. Варьирование состава позволяет получать материалы со специфическими свойствами (токопроводящие, декоративные, особопрочные, жаростойкие и т.п.). Они не только защищают изделия в различных условиях, но и придают им эстетичный внешний вид.
В группу лакокрасочных покрытий входят лаки, краски, грунтовки, олифы, шпаклевки.
Силикатные эмали
Применяются для изделий, работающих при высоких температурах в химически агрессивных средах.
Эмалевое защитное покрытие формируется с помощью порошка или пасты. Процесс проходит в несколько этапов. Сначала на изделие наносится грунтовая эмаль – она улучшает адгезию, уменьшает термические и механические напряжения.
Затем, после спекания первого слоя при температуре +880… + 920 °С, накладывается покровная эмаль, после чего изделие снова подвергается нагреванию до +840… +860 °С.
Если требуется нанести несколько слоев силикатной эмали, вышеописанные операции проводят поочередно несколько раз. Изделия из чугуна, к примеру, обрабатывают в 2-3 подхода.
Застывшая эмаль представляет собой тонкое, похожее на стекло, покрытие. Его основным недостатком является сравнительно низкая прочность – под воздействием ударных нагрузок эмаль может растрескиваться или скалываться.
Полимерные защитные покрытия
В число наиболее распространенных полимеров, применяющихся для защиты металлов от коррозии, входят полистирол, полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, фторопласты, эпоксидные смолы и др.
Полимерное покрытие осуществляется методами окунания, газотермического или вихревого напыления, обычной кистью. Остывая, оно образует на поверхности сплошную защитную пленку толщиной несколько миллиметров.
Разновидностью полимерных являются антифрикционные твердосмазочные покрытия. Внешне эти материалы похожи на краски, однако вместо пигментов они содержат высокодисперсные частицы твердых смазочных веществ, которые равномерно распределены в смеси связующих компонентов и растворителей.
Основу покрытий могут составлять дисульфид молибдена, графит, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и прочие твердые смазки. В качестве связующих применяются акриловые, фенольные, полиамид-имидные, эпоксидные смолы, титанат, полиуретан и некоторые другие специальные компоненты.
Антифрикционные твердосмазочные покрытия, а также специальные растворители и очистители для предварительной подготовки поверхностей разрабатывает российская компания «Моденжи».
Материалы MODENGY применяются в средне- и тяжелонагруженных узлах трения скольжения (направляющих, зубчатых передачах, подшипниках и т.д.), на деталях двигателей внутреннего сгорания (юбках поршней, вкладышах валов, дроссельной заслонке), в резьбовом крепеже, трубопроводной арматуре, пластиковых и металлических элементах автомобилей (замках, петлях, пружинах, скобах, механизмах регулировки и т.д.), а также в других парах трения металл-металл, металл-резина, полимер-полимер, металл-полимер.
Покрытия MODENGY наносятся однократно на весь срок службы деталей. С их помощью создаются узлы трения, не требующие дальнейшего обслуживания и применения традиционных смазочных материалов.
Антифрикционные покрытия MODENGY отличаются:
- Высокой несущей способностью
- Работоспособностью в запыленной среде
- Низким коэффициентом трения
- Широким диапазоном рабочих температур
- Высокой износостойкостью
- Противозадирными и антикоррозионными свойствами
- Стойкостью к воздействию кислот, щелочей, растворителей и других химикатов
- Работоспособность в условиях радиации и вакуума
Покрытия ложатся тонким слоем, поэтому практически не меняют исходные размеры деталей, зато обеспечивают им необходимый комплекс триботехнических и защитных свойств.
Применение материалов MODENGY позволяет эффективно управлять трением, повышать ресурс и энергоэффективность оборудования.
Оксидные защитные пленки
Оксидирование – это окислительно-восстановительная реакция металлов, которая возникает благодаря их взаимодействию с кислородом, электролитом или специальными кислотно-щелочными составами. В результате этого процесса на металлических поверхностях образуется защитная пленка, которая увеличивает их твердость, снижает риск образования задиров, улучшает приработку деталей и повышает срок их службы.
Оксидирование используется для получения защитных и декоративных покрытий, а также для формирования диэлектрических слоев. Различают химические, анодные (электрохимические), термические, плазменные и лазерные методы этой обработки.
Резиновые защитные покрытия
Гуммирование, или создание защитных покрытий из резины или эбонита, помогает защитить трубопроводы, химические аппараты, резервуары для перевозки и хранения химических веществ от воздействия агрессивных сред.
Защитное покрытие может быть сформировано из мягкой или твердой резины. Консистенция контролируется добавками серы: мягкая содержит от 2 до 4 % этого вещества, твердая – от 30 до 50 %.
Покрытие наносится на предварительно очищенные и обезжиренные поверхности. Скопившийся после обработки воздух выдавливается валиком. В качестве заключительного этапа гуммирования проводится вулканизация изделий.
Резиновые покрытия являются хорошими диэлектриками, обладают стойкостью ко многим кислотам и щелочам (но не к сильным окислителям). Из существенных недостатков резиновых покрытий можно выделить их старение со временем.
Смазки и пасты
При длительном хранении и перевозке металлоизделий в качестве защитных покрытий могут использоваться специальные смазки и пасты – они препятствуют попаданию на поверхности влаги, пыли и различных газообразных веществ, наносятся кистью или методом распыления.
Консервационные материалы изготавливаются на основе минеральных масел (вазелинового, машинного) и воскообразных веществ (воска, парафина, мыла). Очень популярны смазки, в состав которых входит 5 % парафина и 95 % петролатума (смеси парафинов, масел и минеральных восков – церезинов).
Главный недостаток паст и смазок, применяющихся в качестве защитных покрытий, состоит в том, что целостность образовавшейся пленки легко нарушить. Именно поэтому лучшей альтернативой пластичных составов являются антифрикционные твердосмазочные покрытия.
Все материалы сайта https://atf.ru/ принадлежат
ООО "НОВЫЕ РЕШЕНИЯ" ИНН 5751054390
Защитные покрытия для металлических поверхностей
Защитные покрытия металлов делятся на металлические и неметаллические. К первым относятся анодные и катодные покрытия, в которые входят гальванические, термодиффузионные, нанесенные газотермическим напылением, погружением в расплав и полученные плакированием.
Неметаллические покрытия включают в себя органические и неорганические материалы, куда входят лакокрасочные покрытия, смолы, пластмассы, полимерные пленки, резины, эмали, оксиды металлов, соединения фосфора, хрома и так далее.
Неметаллические покрытия
Неметаллические покрытия делятся на органические и неорганические. Их действие сводится к изоляции обработанных поверхностей от воздействия окружающей среды посредством создания тонкой инертной по отношению к агрессивным веществам пленки.
Среди неметаллических защитных покрытий выделяют полимерные и оксидные пленки, эмали, лаки, краски, пластмассы, резины.
Полимерные пленки
На сегодняшний день данный вид покрытий является наиболее популярной альтернативой лакокрасочным материалам, резинам, пластику и оцинковке. Обработанные поверхности приобретают эстетичный внешний вид, а также повышают электроизоляционные, высокотемпературные, противоизносные свойства и срок службы. Кроме этого стоимость нанесения полимерного покрытия достаточно низкая.
Нанесение происходит в три этапа: напыление, термообработка и отверждение.
В качестве напыляемых веществ выступают полиэстер, пластизоль, полиуретаны, поливинилдефторид. Наиболее популярен полиэстер, который широко применяется для обработки металлочерепицы и профнастила.
Полимерные антифрикционные покрытия
Антифрикционные покрытия (АФП) являются разновидностью полимерных покрытий металлов. По структуре эти материалы схожи с красками, где красящий пигмент заменен на высокодисперсные частицы твердых смазочных веществ, которые равномерно распределены в смеси растворителей и связующих веществ.
Основу полимерных покрытий может составлять дисульфид молибдена, графит, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и другие вещества, которые равномерно распределены в среде полимерного связующего: эпоксидной смоле, титанате, полиуретане, акриловых, фенольных, полиамид-имидных и других специальных компонентов.
В качестве примера таких материалов рассмотрим полимерные покрытия MODENGY. Они применяются в средне- и тяжелонагруженных узлах трения скольжения (направляющие, зубчатые передачи, подшипники и т.д.), деталях двигателей внутреннего сгорания (юбки поршней, подшипники скольжения, дроссельная заслонка), резьбовых соединениях и крепеже, трубопроводной арматуре, пластиковых и металлических деталях автомобилей и других парах трения металл-металл, металл-резина, полимер-полимер, металл-полимер.
Применение полимерных покрытий во многих случаях позволяет полностью отказаться от масел и пластичных смазок, создав узел трения, не требующий обслуживания. Материалы наносятся однократно на весь срок службы детали, обеспечивая необходимую защиту и смазывание поверхностей.
Преимущества полимерных покрытий MODENGY:
Высокая несущая способность
Работоспособность в запыленной среде
Низкий коэффициент трения
Широкий диапазон рабочих температур
Высокая износостойкость, противозадирные и антикоррозионные свойства
Стойкость к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей и других химикатов
Работоспособность в условиях радиации и вакуума
Тонкий слой покрытия практически не влияет на исходную точность размеров детали
Эмалирование
Эмаль представляет собой тонкое, похожее на стекло, покрытие на поверхности металла, которое получается благодаря высокотемпературной обработке стекловидного порошка. Данный порошок смешивается с водой до нужной консистенции и наносится на поверхность.
Оксидирование
Оксидирование – это окислительно-восстановительная реакция металла, которая возникает благодаря взаимодействию с кислородом, электролитом или специальными кислотно-щелочными составами. Результатом процесса является образование защитной пленки, которая увеличивает твердость поверхности, увеличивает срок службы деталей, улучшает приработку, снижает образование задиров.
Существует химическое, анодное, термическое, плазменное, лазерное (доступно только на промышленных предприятиях) оксидирование.
Покрытие лакокрасочными материалами, резиной, пластиком
Данные виды покрытий металлов хорошо известны каждому. Их основная задача – защита поверхностей от коррозии и воздействия агрессивных сред. Как правило, у таких покрытий ограниченный функционал в плане термостойкости и износостойкости. Их очень легко повредить.
Основным преимуществом данных покрытий является низкая стоимость и достаточно простая технология нанесения. Достаточно провести тщательную подготовку поверхности и придерживаться рекомендаций по нанесению используемого материала.
Срок службы данных покрытий очень зависит от условий эксплуатации деталей, поэтому их не применяют в условиях высоких нагрузок и температур. Чаще всего их используют в качестве декоративного слоя.
Металлические покрытия
Как уже было сказано выше, металлические покрытия бывают анодными и катодными. Для создания первых используются металлы, электрохимический потенциал которых меньше потенциала обрабатываемого металла, а для катодных наоборот, потенциал используемого материала больше, чем у обрабатываемого.
Анодные покрытия благодаря электрохимическим процессам обеспечивают защиту металлических поверхностей от коррозии даже при нарушении целостности слоя.
Катодные покрытия из-за того, что их потенциал выше, чем у обрабатываемого металла, не обеспечивают электрохимическую защиту. Они образуют защитный механический слой, который препятствует попаданию агрессивных сред к основному металлу. По сравнению с анодными покрытиями, катодные лучше защищают поверхности от агрессивного воздействия, но только в том случае, если защитный слой покрытия не имеет повреждений. На чугуне и стали для нанесения катодных покрытий используются такие металлы, как олово, свинец, никель, медь и другие металлы, которые расположены в электрохимическом ряду напряжений правее железа.
Гальванизация – это электрохимический метод нанесения металлического защитного слоя, который защищает поверхности от коррозии и окисления, улучшает их износостойкость, прочность, а также придает эстетичный внешний вид. Покрытия, созданные при помощи данного способа, применяются в авиастроении, машиностроении, радиотехнической и электронной промышленности, строительстве.
В зависимости от назначения конкретных деталей гальванические покрытия бывают:
Защитными, которые служат для изоляции металлических деталей от механических повреждений и воздействия агрессивных сред
Защитно-декоративными, которые предназначены для придания деталям эстетичного внешнего вида и защиты от разрушающих внешних воздействий
Специальными, которые наносятся для придания обрабатываемым поверхностям улучшенных характеристик – повышенной износостойкости, электроизоляционных и магнитных свойств, твердости и т.д.
Меднение, хромирование, цинкование, железнение, никелирование, латунирование, родирование, золочение и серебрение, покрытие оловом – все эти операции являются видами гальванических покрытий. Разницу составляет используемый в качестве покрытия материал.
Газотермическое напыление – это метод переноса расплавленных частиц материала на обрабатываемую поверхность при помощи газового или плазменного потока. Покрытия металлов, образованные таким методом, могут быть износостойкими, коррозионностойкими, антифрикционными, противозадирными, термостойкими, термобарьерными, электроизоляционными, электропроводными и т.д. В качестве напыляемого материала служат проволоки, шнуры и порошки из металлов, керамики и металлокерамики.
Существуют следующие методы газотермическогого напыления:
Высокоскоростное газопламенное напыление. Используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытий.
Детонационное напыление. Применяется для напыления защитных покрытий и восстановления небольших поврежденных участков поверхности.
Плазменное напыление. Является достаточно энергозатратным методом, поэтом используется для создания тугоплавких керамических покрытий
Электродуговая металлизация. Менее энергозатратный способ нанесения покрытий, который используется только для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхности.
Газопламенное напыление. Самый простой и недорогой метод в плане внедрения и эксплуатации. Используется для защиты от коррозии крупных площадей поверхности и восстановления геометрии деталей.
Напыление с оплавлением. Используется в тех случаях, когда нет риска деформации деталей или такой риск оправдан. Метод металлургически связывает покрытие с основанием.
При использовании данного метода подразумевается окунание детали в расплавленный метал, в роли которого выступает олово, цинк, алюминий, свинец. Перед погружением поверхности следует обработать флюсом, который состоит из хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Такая предварительная обработка позволяет защитить расплав от окисления, а также удалить солевые и оксидные пленки.
Данный метод не слишком экономичен, так как расходуется большое количество наносимого металла, неравномерность толщины покрытия, а также невозможность нанесения в узкие зазоры и отверстия, например, на резьбу и т.д.
Данный вид обработки поверхностей является анодным по отношению к черным металлам, и обеспечивает электрохимическую защиту стали. Покрытие обладает высокой адгезией с основой, в процессе эксплуатации не отслаивается. Оно также обладает высокой стойкостью к механическим нагрузкам и деформации.
Термодиффузионный метод позволяет добиться однородного по толщине слоя даже на деталях сложных форм. Кроме этого такое покрытие очень устойчиво к коррозии и не вызывает водородного охрупчивания металла. В качестве наносимого материала выступает цинк.
Данный метод представляет собой нанесение на поверхности деталей равномерного слоя металла при помощи пластичной деформации и сильного сжатия. Основу технологии составляет холодное сваривание. Чаще всего таким образом создают защитные, контактные или декоративные покрытия на деталях из стали, меди, алюминия и их сплавов.
Плакирование производится при помощи технологий прокатки, экструзии, штамповки, сваривания взрывом.
Защитные покрытия для металлов
Различные покрытия металлов используются для изоляции этих материалов от агрессивной окружающей среды. Чтобы выполнять свою основную функцию, покрытия должны быть сплошными, непроницаемыми, равномерно распределяющимися по поверхности. Также они должны обладать хорошей адгезией, высокой износостойкостью, жаростойкостью и твердостью.
Защитные покрытия подразделяют на металлические и неметаллические. Рассмотрим подробнее обе категории.
Металлические покрытия наносятся на различные поверхности (не только на металл, но и на стекло, керамику, пластмассу и др.) в целях их защиты от коррозии, придания твердости и износостойкости, электропроводящих и декоративных функций.
Для придания поверхностям антикоррозионных свойств покрытия наносятся следующими способами:
- Гальванизацией (электролитическим методом): металл или сплав осаждается на поверхность в виде водных растворов солей путем постоянно пропускания тока через электролит
- Газотермическим напылением: расплавленный металл распыляется на обрабатываемую поверхность с помощью струи воздуха
- Окунанием: горячий способ нанесения покрытия методом погружения изделия в ванну с расплавленным металлом
- Плакированием (термомеханическим методом): на поверхность основного металла наносится другой, более устойчивый к агрессивной среде, путем литья, совместной прокатки, прессования или ковки
- Термодиффузионным методом: покрытие проникает в поверхностный слой основного металла под воздействием высокой температуры
По способу защиты металлические покрытия подразделяют на анодные и катодные – в зависимости от того, анодом или катодом является металлопокрытие к обрабатываемому изделию.
Электрохимическую защиту от коррозии осуществляют исключительно анодные покрытия, имеющие более отрицательный электрохимический потенциал. Под воздействием окружающей среды они постепенно разрушаются, но при этом сохраняют целостность изделий.
Хорошим примером анодного покрытия металлов является цинковый защитный слой не железе.
Катодные защитные покрытия, имеющие положительный электродный потенциал, используются намного реже, так как защищают детали лишь механически. Основной металл изделия, являющийся анодом, при подводе к нему влаги начинает интенсивно разрушаться, поэтому катодное покрытие должно быть сплошным, без малейших пор и царапин. Примером такого покрытия служит оловянная или медная защита на железе.
Гальванизация относится к электрохимическим методам нанесения металлических покрытий.
Получаемый защитный слой предупреждает коррозию и окисление, улучшает износостойкость и прочность изделий, придает им эстетичный внешний вид.
Гальванические покрытия распространены в строительстве, авиа- и машиностроении, радиотехнике и электронной промышленности.
В зависимости от назначения они бывают защитными, защитно-декоративными и специальными. Назначение первых двух понятны уже из названий. Специальные наносятся на изделия для придания им повышенной твердости и износостойкости, улучшенных электроизоляционных, магнитных и других свойств.
Разновидностями гальванизации являются меднение, хромирование, цинкование, железнение, никелирование, латунирование, родирование, золочение, серебрение, покрытие оловом.
Газотермическое напыление – это метод переноса расплавленных частиц на обрабатываемую поверхность при помощи газового или плазменного потока. Покрытия, образованные газотермическим способом, обладают износостойкостью, коррозионной устойчивостью, антифрикционными, противозадирными, термостойкими, электропроводными и другими свойствами.
В качестве напыляемого материала используются проволоки, шнуры и порошки из металлов, керамики или металлокерамики.
- Высокоскоростное газопламенное напыление: используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытий
- Детонационное напыление: применяется для восстановления небольших поврежденных участков поверхности
- Плазменное напыление: используется для создания тугоплавких керамических покрытий
- Электродуговое напыление: применяется для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхности
- Газопламенное напыление: самый простой и недорогой метод в плане внедрения и эксплуатации; используется для защиты больших поверхностей от коррозии и восстановления геометрии деталей
- Напыление с оплавлением: металлургически связывает покрытие с основанием; применяется в тех случаях, когда отсутствует риск деформации деталей или этот риск оправдан
Окунание в расплав
При использовании данного метода деталь окунается в расплавленный металл: олово, цинк, алюминий или свинец. Перед погружением поверхности обрабатываются флюсом, состоящим из хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Такая обработка позволяет удалить солевые и оксидные пленки, а также защитить расплав от окисления.
Данный метод не слишком распространен, так как расходует большое количество защитного покрытия, при этом не обеспечивая его равномерную толщину и не позволяя наносить металл в узкие зазоры.
Данный вид обработки поверхностей по отношению к черным металлам является анодным и обеспечивает эффективную электрохимическую защиту стали. Покрытие обладает высокой адгезией с основой, в процессе эксплуатации не отслаивается. Оно также обладает высокой стойкостью к механическим нагрузкам и деформации.
Неметаллические защитные покрытия применяются для изоляции металлических изделий от воздействия внешней среды (в первую очередь, влаги) и придания им эстетичного внешнего вида.
К неметаллическим относятся полимерные, резиновые, лакокрасочные, эмалевые, оксидные и др. покрытия.
Полимерные покрытия
На сегодняшний день данный вид покрытия металла является наиболее популярной альтернативой оцинковке и окраске изделий.
Детали, обработанные полимерными веществами, имеют долгий срок службы, эстетичный внешний вид, отличные электроизоляционные, высокотемпературные и противоизносные свойства.
В качестве напыляемого материала чаще всего выступают полиэстер, пластизоль, полиуретаны, поливинилдефторид и некоторые другие.
Одной из самых современных и высокотехнологичных разновидностей полимерных покрытий являются антифрикционные покрытия (АФП).
По структуре они похожи на краски, однако вместо пигмента содержат высокодисперсные частицы твердых смазочных веществ: дисульфида молибдена, графита, политетрафторэтилена (ПТФЭ) и пр. Эти компоненты равномерно распределены в полимерной связующем, в качестве которого могут выступать эпоксидные, акриловые, титанатовые и другие смолы.
Например, в России такие покрытия разрабатывает компания «Моделирование и инжиниринг».
Основным предназначением АФП MODENGY являются:
- Средне- и тяжелонагруженные узлы трения скольжения (направляющие, зубчатые передачи, подшипники и т.д.)
- Детали ДВС (юбки поршней, подшипники скольжения, дроссельная заслонка и др.)
- Пластиковые и металлические компоненты автомобилей (замки, петли, пружины, скобы, механизмы регулировки в салоне автомобиля и т.д.)
- Резьбовые соединения и крепеж
- Трубопроводная арматура
- Другие пары трения металл-металл, металл-резина, полимер-полимер, металл-полимер.
Антифрикционные твердосмазочные покрытия (АТСП) MODENGY наносятся однократно на весь срок службы узлов трения, что позволяет полностью отказаться от регулярно восполняемых масел и пластичных смазок.
Высокая популярность АТСП обусловлена их высокой несущей способностью, низким коэффициентом трения, широким диапазоном рабочих температур, устойчивостью к воздействию воды и химикатов, работоспособностью в запыленной среде, условиях радиации и вакуума.
Тонкий слой защитного покрытия практически не влияет на исходную точность размеров детали.
Эмаль – это тонкое покрытие на металле, обладающее антикоррозионными свойствами. Получают его с помощью высокотемпературной обработки стекловидного порошка, смешанного с водой.
Оксидирование бывает анодным, химическим, термическим, плазменным, лазерным (последнее доступно только в промышленных условиях).
Окрашивание
Данный метод антикоррозионной защиты металла хорошо известен каждому. Однако лакокрасочные покрытия не отличаются термостойкостью и износостойкость, повредить их очень легко.
Основным преимуществом окрашивания является низкая стоимость и достаточно простая технология. Достаточно провести тщательную подготовку поверхности и придерживаться рекомендаций по нанесению используемого материала.
Срок службы лакокрасочных покрытий зависит от условий эксплуатации деталей. При высоких нагрузок и температурах их не применяют, используя чаще всего в качестве декоративного слоя.
Упрочняющие покрытия режущего инструмента
Упрочняющие покрытия используются с целью продления срока службы режущего инструмента. Они предотвращают абразивный износ сверл, коронок и фрез, существенно повышают эксплуатационные качества метчиков.
Особенности применяемых материалов
Каждый сплав для производства режущего инструмента обладает преимуществами и недостатками: у быстрорежущих сталей высокая прочность, но твердость и теплостойкость не на высоте, а у режущей керамики, наоборот, твердость и теплостойкость замечательные, а вот прочностью похвастаться эти материалы не могут.
Повысить долговечность изделий позволяют износостойкие покрытия для режущего инструмента . Составы наносятся на поверхность продукции, кратно продлевают срок ее службы.
- в 5–10 раз — при работе с конструкционными сталями;
- в 4 раза — при работе с жаропрочными сталями;
- в 1,5–2 раза — при работе с титановыми сплавами.
Рис. 1 Примеры защитного покрытия на поверхности сверл
Какими параметрами должны обладать защитные составы?
Покрытия фрез, сверл и прочего режущего инструмента обязаны соответствовать следующим требованиям.
- Стабильная плотность, сплошное распределение по всей поверхности инструмента.
- Твердость выше твердости материала инструмента. Нельзя допустить схватываемость покрытия с материалом обрабатываемой поверхности при любых температурах резания.
- Стабильность свойств покрытия независимо от времени использования инструмента.
- Устойчивость к механическому воздействию и разрушению при любых характеристиках напряжения и температуры.
- Совместимость основных свойств материала покрытия со свойствами инструмента.
Методы нанесения упрочняющего покрытия:
- Chemical Vapour Deposition — метод химического осаждения (CVD);
- Physical Vapour Deposition — метод физического осаждения (PVD).
Каждый метод имеет собственные преимущества и недостатки
Преимущества и недостатки PVD и CVD
Нанесение защитного состава методом PVD – распространенная практика среди производителей. Покрытие режущего инструмента формируется благодаря применению тлеющего или дугового разряда. Это обеспечивает высокую скорость и качество обработки.
- нанесение при щадящей температуре, минимальные требования к материалу-основанию;
- широкая распространенность;
- толщина покрытия – 5 мкм, что гарантирует сохранение остроты кромки.
- высокие требования к навыкам персонала;
- применение дорогостоящего оборудования.
Метод CVD построен на использовании высокочистых химических реагентов, предполагает исключительно точное дозирование химикатов.
- возможность создания уникальных покрытий;
- многослойное нанесение защитного состава, вплоть до 18 слоев.
- высокий нагрев заготовки в процессе обработки;
- риск образования хрупких фаз на поверхности инструмента;
- значительная толщина покрытия, снижающая остроту рабочей кромки;
- высокие требования к точности дозирования реагентов.
Каждый тип покрытий оптимален для определенного инструмента. Например, защита по методу CVD станет отличным решением для термостойких сверл, работающих с чугунами и легированными сталями. Для инструмента, взаимодействующего с листовым металлом и нержавейкой, больше подойдет покрытие PVD ввиду сохранения остроты рабочей части.
Твердый сплав
Наряду с перечисленными покрытиями производители применяют твердые сплавы. Они изготавливаются из карбида вольфрама и кобальтовой связки. Массовая доля первого превышает 80%. Материал получают путем прессования или экструзии. Изготовленные инструменты обладают высокой прочностью и температурной стойкостью.
Рис. 2 Структура твердого сплава под микроскопом
Состав упрочняющих покрытий
Твердые материалы, применяемые в упрочняющих покрытиях, классифицируются по типу химической связи между атомами.
- Металлическая: металлоподобные карбиды, силициды, бориды, нитриды переходных металлов.
- Ковалентная: бор, алмаз, бориды, нитриды и карбиды бора, кремния и алюминия.
- Ионная: оксиды бериллия, циркония, хрома, алюминия, титана.
К возможным парам карбид-карбид относятся: TiC-ZrC; VC-TaC; TiC-TaC; TiC-NbC; ZrC-TaC. Карбид-нитрид: VC-VN; VC-NbN; TiC-TiN; TiC-NbN; ZrC-NbN; ZrC-ZrN. Нитрид-нитрид: VN-NbN; TiN-NbN; TiN-ZrN; ZrN-NbN; TaN-CrN.
Нередко место в упрочняющих покрытиях находят соединения на основе нитридов или карбидов. Это обусловлено однородной структурой и простотой работы с материалом. Изменяя содержание азота, углерода и кислорода, можно корректировать механические и физические свойства покрытия, создавать оптимальные решения для инструментов всех групп.
Таблица №1 Параметры типовых покрытий, применяемых производителями
Определить параметры покрытия, которым обработано сверло, можно по его цвету. Для получения подробной информации о способах идентификации защитных составов воспользуйтесь ссылкой.
Составы, применяемые для сверл и фрез
Защитные покрытия для сверл и фрез представлены следующими решениями.
- AlCrN – хромонитрид алюминия.
- AlCrSiN – нитрид алюминия-хрома-кремния.
- TiAlN – нитрид титана, легированный алюминием.
- TiAlCrSiN – нитрид титана-алюминия-хрома-кремния.
Покрытия наносятся методом напыления, формируют высокопрочный защитный слой. Возможно использование нанокомпозитных составов, сохраняющих устойчивость при нагреве до 1 400 градусов.
Многослойные покрытия
Многослойные, в частности, двухфазные покрытия — огромный шаг вперед в деле улучшения свойств режущего инструмента. Для таких покрытий важен характер взаимодействия фаз на границе раздела слоев. Существует три основных вида поверхностей раздела, выявленных в процессе исследований компактных материалов:
- поверхности, слабо взаимодействующие между собой (свободные);
- поверхности когерентные (полностью или частично согласованные);
- поверхности, характеризующиеся смешанной (переходной) зоной.
Твердые металлоподобные вещества могут образовывать с металлами и иными металлическими материалами полусогласованные или же согласованные поверхности раздела. Нитриды и карбиды переходных металлов образуют согласованные поверхности раздела с диборидами. Такие поверхности характеризуются низкой энергией. На их основе создаются двухфазные или многослойные покрытия, основным достоинством которых становится значительно большая сопротивляемость износу, чем у однофазных решений.
Инструментальные стали – особая категория сплавов, используемых при изготовлении штампов, деталей машин, режущих и измерительных инструментов. Продукция отличается повышенными прочностными характеристиками, устойчивостью к динамическому и термическому воздействию.
Инструментальные стали представлены группой сплавов повышенной прочности с содержанием углерода от 0,7%. Материал получил широкое распространение в промышленности, востребован при изготовлении штампов, измерительных приборов и режущего инструмента.
Хвостовик – это не рабочая часть инструмента, обеспечивающая его фиксацию в патроне. Элемент является неотъемлемой частью сверл, фрез, разверток, зенковок и прочих изделий.
Расчет режимов резания осуществляется при механизированной и ручной обработке металла. По результатам вычислений подбирается оснастка, определяется оптимальный способ проведения работ и размер производственных расходов.
Хранение инструмента в мастерской или гараже нередко превращается в проблему. Ограниченность пространства и обилие оснастки приводят к путанице, исключают упорядоченное размещение изделий. Избежать перечисленных сложностей помогут наши полезные советы.
Читайте также: