Види покриттів і способів їх нанесення

Розрізняють три види покриттів. Захисні покриття, призначені для захисту від корозії деталей в різних агресивних середовищах і при високих температурах. Декоративні покриття служать для декоративної обробки деталей з одночасним захистом їх від корозії. Спеціальні покриття, які використовують з метою надання поверхні спеціальних властивостей (зносостійкості, твердості, електроізоляційних, магнітних властивостей та ін.), а також для відновлення зношених деталей.

Методи нанесення металевих покриттів:

1) Гаряче занурення в розплав - один з найстаріших методів нанесення покриттів. Метал для покриття повинен мати відносно низьку температуру плавлення - це цинк, олово, алюміній.

2) Напилення здійснюється дрібними частками матеріалу, що утворюються при пропусканні дроту або порошку через киснево-ацетиленове полум'я, з подальшим осадженням на холодну основу. Для нагріву можна використовувати електродугову, або плазмову металізацію. Це сприяє поліпшенню адгезії і зниженню пористості покриття.

3) Наплавлення здійснюється нанесенням осаджуваного матеріалу у розплавленому стані на поверхневий шар основи. Наплавлення широко застосовується для ремонту деталей, пошкоджених або зношених в процесі експлуатації. Для нанесення покриттів методом наплавлення можуть використовуватися усі основні зварювальні процеси: газовий, електродуговий, плазмовий, електроннопроменевий та ін.

4) Електрохімічне осадження металів з розчинів солей зазвичай застосовується для отримання гальванічних покриттів з хрому і нікелю завтовшки 0,12-0,60 мм. Електролітичне нанесення покриттів із сплавів Ni (-0,25 В) чи Cr (-0,74 В) здійснюється внаслідок реакції електролізу (нікелювання і хромуваня).

5) Механічне нанесення покриттів плакіруванням (гаряче пресування з пластичним деформуванням) або перемішуванням деталей в посудинах з тонкими металевими порошками, активаторами і скляними кульками (використовують для отримання цинкових, кадмієвих і оловокадмієвих покриттів). В якості матеріалу для плакірування низьколегованих сталей застосовують корозійностійкі сталі, мідь, нікель, або їх сплави, а також алюміній, титан, ніобій, молібден.

6) Нанесення покриттів у вакуумі (physical vapour deposition, PVD – фізичне осадження парів) полягає у нагріві матеріалу у вакуумі до отримання парів металу з подальшою конденсацією пари на основі - підкладці. За допомогою метода PVD можна наносити будь-які метали, сплави, оксиди, карбіди і нітриди. Наприклад, його з успіхом застосовують для нанесення зносостійкої плівки нітриду тітану TiN на сталевий інструмент. Перевагою методу PVD є висока чистота поверхні і міцний зв'язок з основою.

 

МЕТАЛЕВІ ПОКРИТТЯ

Цинкові покриття. Цинкування є найпоширенішим способом антикорозійної обробки сталі. Щорічно у світі оцинковується близько 25 млн. т сталі через те, що цинк є відносно дешевим металом.

У оцинкованому листовому залізі сталь є катодом (електродний потенціал заліза -0,04…-0,44В). Цинк, руйнуючись, захищає залізо від корозії. Цим пояснюється довговічність будівельної жерсті, домашніх відер, оцинкованих кузовних листів та ін.

Основними методами нанесення цинкових покриттів на сталь є електролітичний і занурення в розплав. Цинкові покриття характеризуються корозійною стійкістю в атмосферних умовах, в прісній воді і в закритих приміщеннях з помірною вологістю.

Цинкові покриття мають задовільну міцність і твердість, зносо- і водостійкість. Довговічність оцинкованих труб залежить від товщини покриття. Для труб, що серійно випускаються, товщина покриття складає 43-46 мкм.

В однаковому агресивному середовищі швидкість корозії оцинкованих труб у 3-4 рази нижча, ніж у сталевих без покриття. Для підвищення корозійної стійкості оцинкованих листів до складу цинкового покриття вводять мідь (0,08-0,82%) і алюміній (до1%). Для підвищення корозійної стійкості оцинкованого листа його додатково покривають лакофарбовим або кольоровим полімерним покриттям.

З'єднання цинку токсичні і при нагріванні нестійкі в кислотах. Цинкові покриття не застосовують для захисту від корозії деталей, що знаходяться у безпосередньому контакті з харчовими продуктами.

Алюмінієві покриття. Для сталевих деталей з алюмінієвим покриттям характерне поєднання високої міцності і корозійної стійкості. Покриття наносять шляхом гарячого алюмініювання в розплавах (алітування), плакіруванням і напиленням у вакуумі. Найбільш поширеним є перший спосіб.

Корозійна стійкість сталевих деталей з алюмінієвим покриттям зумовлена високими захисними властивостями плівки Аl₂О₃, що утворюється на поверхні, товщиною 0,1 мкм. Цей оксидний шар при ушкодженні швидко утворюється заново, особливо при високотемпературному нагріві.

Алюмінієві покриття стійкі у водних розчинах агресивних харчових середовищ і органічних кислот. Нетоксичність, інертність до багатьох середовищ хороші грунтовочні властивості для подальшого нанесення полімерних і склоемалевих покриттів зумовлюють досить широке застосування алюмінієвих покриттів в різних галузях машинобудування.

Олов'яні покриття. Покриття оловом (-0,14 В) роблять методами занурення в розплав і електролітичним осадженням. При зануренні сталевих і чавунних виробів в розплав на поверхні утворюється тонкий шар з'єднання FeSn₂, над яким утворюється шар олова. Також використовують метод електролітичного лудіння. Листовий прокат, отриманий цим методом, називають білою жерстю. Товщина олов'яних покриттів складає 30-35 мкм.

Олов'яні покриття широко застосовуються в різних галузях техніки, передусім в харчовій і м'ясомолочній промисловості, особливо для захисту від корозії різних сталевих місткостей типу баків, цистерн, фляг. Оловом захищають не лише сталеві, але і мідні місткості.

Покриття на основі хрому. В якості замінника білої жерсті застосовується холоднокатаний тонкий лист з електролітично нанесеним покриттям оксиду хрому.

Електролітично хромовану жерсть використовують замість білої жерсті при виготовленні пакувальної тари для консервів (овочевих молочних, м'ясних, рибних), а також фруктових соків, пива, безалкогольних напоїв, при виробництві кришок для склотари і ковпачків для пляшок, тари, для упаковки сухих харчових продуктів.

 

НЕМЕТАЛЕВІ ПОКРИТТЯ

Емаль – забарвлені в різні кольори оксидами металів легкоплавкі скловидні маси, що наплавляються одним або декількома тонкими шарами на метал. Основними компонентами майже усіх емалей є двоокис кремнію SiO₂, борний ангідрид B₂O₃, окис алюмінію Al₂O₃, окис титану TiO₂, оксиди лужних і лужноземельних металів, свинцю, цинку, деякі фториди та ін.

Емалі поділяють на грунтові і покривні. Грунтові емалі, що містять речовини з хорошою адгезією до металу (головним чином оксиди кобальту і нікелю), служать для нанесення шару, який є проміжним між покривним шаром емалі і металом. Покривні емалі утворюють міцне з’єднання з металом, тому їх наносять без грунтових емалей. Емалюють головним чином вироби з сталі і чавуну, рідше - з міді, алюмію і срібла.

Розрізняють два основні способи емалювання. Багатошарове емалювання, при якому виріб спочатку покривається грунтовкою, а потім – покривними емалями (при цьому він двічі обпалюється), і одношарове пряме емалювання, при якому шар емалі (0,2-0,3 мм) менший наполовину. При емалюванні, вживаному в хімічному і харчовому машинобудуванні, зазвичай наноситься багатошарова емаль.

Емалеве покриття має високу хімічну стійкість, зносостійкість, забезпечує незначне налипання залишків продукту, завдяки чому поверхня легко миється. Покриття має високу адгезію до металу.

При експлуатації емальованої апаратури не допускається різко підвищувати тиск і швидко її нагрівати (охолоджувати), Недоліками емалевих покриттів є чутливість до ударів (емаль відколюється), різкої зміни температури і дії лугів.

Полімерні покриття не лише захищають метали від дії агресивних середовищ, але і підвищують їх зносостійкість, знижують адгезію робочих поверхонь, економлять кольорові метали і інші дефіцитні матеріали.

У різних областях промисловості для захисту внутрішніх поверхонь апаратів, трубопроводів і арматури застосовуються вінілхлоридні, фторопластові, поліолефінові, поліуретанові, фенолформальдегідні, кремнійорганічні, каучукові, епоксидні і інші покриття.

Поліолефінові покриття. Найбільш поширеними поліолефінами є поліетилен, поліпропілен і їх сополімери. Покриття з поліолефінів відрізняються високою хімічною стійкістю до дії багатьох агресивних середовищ.

Поліолефіни використовуються для нанесення покриттів майже усіма відомими методами, включаючи напилення порошкоподібних полімерів, плакірування плівками і листами, футерування (облицювання) литвом під тиском, тощо.

Поліаміди. До поліамідів відносяться капрон і капролон. Покриття з поліамідів мають високі антифрикційні характеристики. За зносостійкістю при сухому і рідинному терті поліаміди перевершують не лише інші класи полімерів, але і багато металів, що застосовуються в антифрикційних цілях.

Поліамідні покриття наносять на поверхню виробів напиленням порошків, литвом під тиском, а також з розчинів. Модифіковані покриття на основі поліамідних шарів застосовують для виготовлення таких деталей як шестерні, підшипники і т. д. Поліамідні смоли використовують для отримання захисних покриттів, а поліамідні порошки - для нанесення тонкого антифрикційного зносостійкого покриття.

Недоліком поліамідних покриттів є схильність до старіння і значне водопоглинання, низька стійкість до окислення, що перешкоджає тривалій експлуатації поліамідних покриттів на повітрі при температурах вище 60-100°С. Підвищення теплостійкості підшипників з поліамідними покриттями досягається введенням порошків металів (алюмінію, свинцю, бронзи та ін.). Зниженню коефіцієнта тертя сприяє добавка фторопласту-4, дисульфіду молібдену, графіту.

Полівінілхлорид (ПВХ) завдяки низькій вартості сировини, високій хімічній стійкості, хорошим фізико-механічним і задовільним електричним властивостям є найпоширенішим матеріалом, що застосовується для створення захисно-декоративних, хімічно стійких і електроізоляційних покриттів.

Матеріалом для покриттів в основному служить пластифікований полівінілхлорид, рідше використовується непластифікований ПВХ, типовим представником якого є вініпласт. Пластифікований полівінілхлорид зазвичай наносять на поверхню оброблюваних деталей у вигляді порошку або плівки. Листовий і плівковий вініпласт застосовуються в хімічній промисловості для футерування металевої апаратури і трубопроводів, що експлуатуються в агресивних середовищах.

Полівінілхлорид є основним компонентом для виготовлення лакофарбових матеріалів. Полівінілхлоридний пластикат застосовують як облицювальний матеріал для захисту апаратури від корозії. Для гідроізоляції використовують полівінілхлоридну плівку.

Фторопластові покриття стійкі до агресивних середовищ і підвищеної температури. На покриття з фторопласту не діють окислювальні середовища, включаючи і царську горілку, киплячі луги, розчини солей. Фторопластові покриття цілком стійкі по відношенню до жирів, олій, вологи, кислот і т. д. Покриття з фторопластов застосовують для захисту різних технологічних місткостей.

Епоксидні смоли. На основі епоксидних смол виготовляють лакофарбові матеріали, що вживаються для захисних покриттів. Покриття на основі епоксидних смол з такими наповнювачами, як вугілля, графіт, кремнезем, кварцеве борошно, подрібнений мармур у харчовій промисловості використовувати не можна по санітарних нормах.

Полімерні покриття на основі вінілових, каучукових і епоксидних смол застосовуються для захисту сепараторів у яких технологічні процеси протікають під надмірним тиском.

Гумові покриття. В якості матеріалів для покриттів застосовуються гуми на основі натурального і синтетичних каучуків. Для футерування виробів простої форми використовують листові матеріали з сирої гуми з подальшою вулканізацією. Високу еластичність і хороші адгезійні властивості мають покриття з гум на основі натурального каучуку, які використовуються для захисту від мінеральних кислот і лугів.

М'які гуми в основному застосовуються для покриття різних апаратів, деталей цистерн, труб. Вони є складними полімерними композиціями на основі еластомірів лінійної або розгалуженої будови (каучуків) у вигляді латексів або клеїв. При підвищених температурах використовується теплостійка гума на основі рідких силоксанових каучуків, які мають високу теплостійкість (до 250°С) і є нетоксичними.

Завдяки високому опору зношуванню гуми застосовують у апаратах, працюючих з рідинами, що містять абразивні речовини. Іноді застосовують тверді гуми – ебоніти, які в порівнянні з гумами мають вищу хімічну стійкість.

Лакофарбові покриття складаються з плівкоутворюючих речовини (лаків), пігментів, наповнювачів, пластифікаторів, отверджувачів, розчинники та ін. Вони наносяться на поверхню тонкими шарами, що утворюють після висихання і затвердіння тверду, щільну і міцно зчеплену з поверхнею плівку. 

Плівкоутворення при формуванні лакофарбового покриття відбувається наступними способами: випаровуванням розчинників (наприклад, для полівінілхлоридних покриттів); взаємодією з отверджуючими агентами (для епоксидних покриттів); поліконденсацією (для фенольних покриттів); розплавленням і напиленням (для поліетилену та ін.).

Зносостійкі покриття. Полімерні покриття є ефективним засобом для підвищення зносостійкості. Частіше за інші полімери в якості зносостійких покриттів використовують поліуретани, політетрафторетилен, поліаміди, епоксидні композиції. Покриття на основі ненаповнених поліуретанових еластомірів за стійкістю до абразивної ерозії перевершують ряд марок нержавіючих сталей.

Одним з способів підвищення зносостійкості покриттів є модифікування полімерних композицій неорганічними і мінеральними наповнювачами, наприклад, дисульфідом молібдену, тальком, аморфним бором, корундом, оксидом цинку, карбідом кремнію та ін. Зменшенню зносу покриттів сприяє наповнення полімерних композицій скловолокном, графітом, цементом, азбестом, маршалітом (молотий кварц), що підвищують міцність, теплостійкість і інші характеристики полімерів.

 

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке корозія і які її види розрізняють?

2. Які основні причини хімічної корозії?

3. Які основні види і причини електрохімічної корозії?

4. Чим зумовлена корозійна стійкість кольорових металів?

5. Що таке анодні і катодні покриття?

6. Які покриття застосовують для захисту металів від корозії?

 

ЛЕКЦІЯ 4. ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ

 

Полімерні матеріали є найбільш розповсюдженими і вживаними матеріалами у сучасному світі. Це зумовлено сукупністю властивостей, які мають такі матеріали, а саме відносно високою хімічною стійкістю, задовільними механічними властивостями, низькою густиною і гігроскопічністю, хорошими діелектричними властивостями, технологічністю і невисокою вартістю виготовлення виробів, відносно невисокою вартістю отримання.

Полімери – це високомолекулярні хімічні сполуки, що складаються з мономерів і утворюються в результаті реакції полімеризації. Мономери – низькомолекулярні хімічні сполуки, молекули яких здатні реагувати між собою і з молекулами інших речовин з утворенням полімера.

Полімеризація  - це реакція поєднання низькомолекулярних сполук у високомолекулярні з утворенням довгих ланцюгів. Ступінь полімеризації оцінюється кількістю мономерів у молекулі полімеру. У більшості полімерів їх кількість становить від 10² до 10⁴ одиниць. Кополімериза́ція – полімеризація суміші двох чи більше мономерів.

За молекулярною масою М (молекулярна маса дорівнює сумі мас усіх атомів, що входять в дану молекулу) розрізняють: полімери (М>5000 – велика молекулярна маса); олігомери (М=500-5000); низькомолекулярні з'єднання (М<500).

При полімеризації відбувається закономірна зміна властивостей речовини: молекулярна маса збільшується, зростає температура плавлення і кипіння, підвищується в'язкість (в процесі полімеризації речовина може переходити з газоподібного або рідкого стану в стан густої рідини і далі – в стан твердого тіла), зменшується розчинність, і т.д. Однак процес полімеризації в деяких випадках є оборотним, тобто відбувається деполімеризація – процес розкладанням ланцюгових макромолекул до низькомолекулярних складових і початкових мономерів при нагріванні.

За походженням полімери поділяють на природні і синтетичні. Природні полімери мають природнє походження – це натуральний каучук, целюлоза, шовк і т.п. Синтетичні полімери отримують хімічним синтезом з низькомолекулярних з'єднаннь – це поліетилен, полівінілхлорид, тетрафторетилен і т.п. Синтетичні полімери є найбільш поширеними і їх номенклатура є надзвичайно широкою. Процес створення нових синтетичних полімерів триває безперервно.

За складом полімери поділяють на органічні, елементорганічні і неорганічні. Органічні полімери складаються з атомів вуглецю, водню, кисню, азоту, сірки і галогенів (фтор, хлор, бром, йод). Елементорганічні з'єднання містять крім того атоми кремнію, титану, алюмінію і інших елементів, що поєднуються з органічними радикалами. У природі таких з'єднань немає, це чисто синтетичні полімери. Їх характерними представниками є кремнійорганічні з'єднання, основний ланцюг яких побудований з атомів кремнію і кисню. Неорганічні полімери не містять атомів вуглецю і складаються головним чином з оксидів кремнію, алюмінію, магнію та ін (силікатне скло, кераміка, слюда, азбест, тощо).

В залежності від реакції на температуру полімери поділяють на термопластичні і термореактивні.

Термопластичні полімери при нагріванні розм'якшуються і плавляться, а після охолодження тверднуть, зберігаючи свої початкові властивості. Вироби з термопластичних полімерів виготовляють литвом під тиском, пресуванням, екструзією, видуванням і іншими способами. Такі полімери піддаються повторній переробці.

Термореактивні полімери при нагріванні зазнають необоротних змін властивостей. При підвищенні температури вони запікаються (отверджуються), розтріскуються і обвуглюються. Термореактивний полімер не плавиться і не розчиняється, тому на відміну від термопластичного він не може піддаватися повторній переробці. До термореактивних полімерів відносяться фенолформальдегідна, кремнійорганічна, епоксидна і інші смоли.

Властивості полімерів визначаються їх структурою. Розрізняють наступні типи полімерних структур: лінійну, лінійно-розгалужену, сходинкоподібну і просторову (рис. 4.1).

Полімери з лінійною структурою є довгими зигзагоподібними або закрученими в спіраль ланцюжками. Для полімерів з лінійною структурою характерна висока гнучкість, еластичність і відсутність крихкості в твердому стані. До типових полімерів з лінійною структурою відноситься поліетилен.

Полімери з лінійно-розгалуженою структурою окрім основного ланцюга мають бічні відгалуження. До полімерів з лінійною-розгалуженою структурою відносяться поліізобутилен і поліпропілен. Термопластичні полімери мають лінійну або лінійно-розгалужену структуру макромолекул.

Молекула полімеру зі сходинкоподібною структурою складається з двох ланцюгів, сполучених хімічними зв'язками. Полімери зі сходинкоподібною структурою, до яких відносяться, наприклад, кремнійорганічні полімери, характеризуються підвищеною термостійкістю, жорсткістю, вони нерозчинні в органічних розчинниках.

Полімери з просторовою структурою утворюють при з'єднанні макромолекул між собою міцні хімічні зв'язки. В результаті такого з'єднання макромолекул утворюється сітчаста структура з різною густиною сітки або просторова сітчаста структура. Полімери з просторовою структурою мають більшу жорсткість і теплостійкість, ніж полімери з лінійною структурою (фторопласт). Полімери з просторовою структурою є основою конструкційних неметалічних матеріалів.