Осаждение покрытий из газовой и твердой фазах - файл n1.rtf

Осаждение покрытий из газовой и твердой фазах
Скачать все файлы (3653.1 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.rtf3654kb.18.02.2014 00:02скачать

n1.rtf

Министерство образования и науки РФ

Волжский институт строительства и технологий

(филиал)

Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета


Кафедра: ТОПМ

КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: «Коррозия и защита металлов».
Тема: «Осаждение покрытий из газовой и твердой фазах»
Выполнил:

ст. гр. ПМКМП 2-07

Тарасова Я.А.
Проверил:

Пушкарская О.Ю.


Волжский 2010
Содержание.

Введение…………………………………………………………………………3

1. Метод защиты от коррозии газопламенным напылением………………..5

1.1 Структура и строение покрытия…………………………………………...5

1.2 Защитные свойства покрытия……………………………………………..7

2. Подготовка поверхности к нанесению покрытия…………………………9

3. Технология газопламенного напыления покрытий………………………11

4. Контроль качества напыления……………………………………………..17

Заключение……………………………………………………………………...19

Список литературы……………………………………………………………..22

Введение.

Самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой, происходящий с выделением энергии и рассеиванием вещества, называется коррозией. Коррозионные процессы протекают необратимо.

Защита металлов от коррозионного разрушения состоит из целого комплекса мероприятий по увеличению работоспособности и надежности машин и конструкций в данной среде. Часть этих мер закладывается еще в процессе проектирования, часть — в процессе изготовления машин или конструкций, а остальные меры должны быть приняты в процессе эксплуатации.

Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Для создания антикоррозионного слоя существуют различные методы нанесения покрытий, например газотермическое напыление.

Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying) -это про­цесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для фор­мирования на подложке слоя нужного материала. Под общим названи­ем (газотермическое напыление» (ГТН) объединяют следующие мето­ды: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное на­пыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыле­ние с оплавлением, электродуговая металлизация и активированная электродуговая металлизация.

Как правило, ГТН применяют для создания на поверхности де­талей и оборудования функциональных покрытий - износостойких, коррозионно-стойких, антифрикционных, антизадирных, теплостой­ких, термобарьерных, электроизоляционных, электропроводных, и т.д. Материалами для напыления служат порошки, шнуры и проволоки из металлов, металлокерамики и керамики. Некоторые из методов газо­термического напыления являются альтернативой методам гальвани­ческой, химико-термической обработки металлов, плакирования, дру­гие - методам покраски, полимерным покрытиям. Другое распростра­ненное применение ГТН - ремонт и восстановление деталей и обору­дования. С помощью напыления можно восстановить от десятков мик­рон до миллиметров металла.

Особенностями технологии являются:

Высокоскоростное газопламенное напыление широко применя­ется для создания плотных металлических и металлокерамических по­крытий. Детонационное напыление, в силу дисперсного характера на­пыления и малой производительности, наиболее подходит для напы­ления покрытий для защиты и восстановления небольших участков. Распыление с помощью плазмы обычно называют плазменным напы­лением, энергозатратный метод, наиболее оправдано его применение для создания керамических покрытий. Газопламенное напыление - недорогой во внедрении и эксплуатации метод, широко используемый для восстановления геометрии деталей.

В данной курсовой работе газотермическое напыление подробно рассмотрим на примере газопламенного напыления - металлический либо полимерный порошковый, проволочный либо материал подается в пламя ацетилен - кислородной либо пропан - кислородной горелки, расплавляется и переносится сжатым воздухом на поверхность изделия, где, остывая, формирует покрытие.

1.Метод защиты от коррозии газопламенным напылением.

1.1Структура и строение.

Различают два вида напыляемого материала: в виде порошка или в виде проволоки.

Порошки.

По своему химическому составу и структуре частиц порошки для газопламенного напыления подразделяются на следующие ос­новные классы: металлы (Ni, Al, Mo, Ti, Cr); сплавы (легированные стали и чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, в том чис­ле самофлюсующиеся (Ni-Cr-B-Si,Ni-B-Si, Co-Ni-Cr-B-Si,Ni-Cu-B-Si); оксиды (Al, Ti, Cr, Zr и др. и их композиции); бескислородные тугоплав­кие соединения и твёрдые сплавы (карбиды Cr, Ti, W и др. и их компо­зиции с Со и Ni); композиционные порошки (плакированные Ni-графит, Ni-AI и др.; конгломерированные - Ni-Al, NiCrBSi - Al и др.) механические смеси (СгЗСг2 +NiCr, NiCrBSi + СгЗС2 и др.).

Применяемые для ГТН порошки не должны разлагаться или воз­гоняться в процессе напыления, иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (не менее 200 С). По размерам зерен в настоящее время для ГТН в основном используются порошки со следующей зернистостью, мкм: -40, 15,..40, 15...56, 20...40, 20. .63, 40...7I, 40...80, 40...100, 40..J25, 45...90, 50...125, 50...160, 50.. 160. 63..Л00,63...160 80...160, 100... 140.

Проволоки.

Проволоки для напыления покрытий изготовляются известными способами из сплавов на основе железа, меди, цинка, алюминия, нике­ля или чистых металлов (никеля, алюминия, цинка, меди). Поверх­ность проволоки должна быть чистой и гладкой. Проволока должна поставляться намотанной на кассету ровными рядами и состоять из одного отрезка. Внутренний диаметр мотка - не менее 400 мм. Прово­локи для нанесения покрытий электродуговой металлизацией должны включать сплавы на основе алюминия и цинка с диапазоном из­менений номинального диаметра 1,5...2,5 мм, предельно допустимым отклонением от номинала -0,008; стали, нихром, другие металлы и сплавы с диапазоном изменения номинального диаметра 1,5...2,0 мм, предельно допустимым отклонением от номинала -0,400. Проволоки для нанесения покрытий газопламенных и плазменными методами ис­пользуются в диапазонах изменения номинального диаметра 2,0...4,0мм и 0,8... 1,2 мм соответственно.

Наиболее популярные материалы для напыления - электрокорунд, алюник, баббит, инконель, молибден, монель, хастеллой, самофлюсующиеся порошки.

Алюник - никель - алюминиевая электродная проволока. NiAl -сплав никеля и алюминия, проволока «Алюник 7/1» ТУ 48-21-5060-75 толщиной 3,17 мм используется в газопламенном напылении в основ­ном для создания подслоя - промежуточного слоя, который повышает адгезию напыленного материала к подложке.

Элемент

Содержание

Ni

Остальное

Al

22-28

Химический состав:

Баббит - антифрикционный сплав на основе олова или свинца, предназначаемый для использования в виде слоя, залитого или напыленного по корпусу вкладыша подшипника.

В качестве присадок могут быть использованы: сурьма, медь, никель, кадмий, теллур, кальций, натрий, магний. Температура плавления - 300 - 440 °С. Первый подшипниковый сплав разработан американцем И. Бэббитом в 1839 году.

Инконель, жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий - 15% хрома и до 9% железа. Разработан в США, где выпускается ряд его разновидностей, легируемых в зависимости от назначения алюми­нием, титаном, молибденом и др. Инконель применяют как конструк­ционный материал для деталей газотурбинных двигателей, сверхзву­ковых самолетов, ракет и др. Сплавы отличаются высокими прочно­стью и ударной вязкостью при температурах до 900 °С, нечувстви­тельностью к надрезам при низких (до - 78 °С) температурах. Изделия из инконеля хорошо соединяются сваркой. Для повышения прочности сварные конструкции подвергают термической обработке. Аналогами инконеля в РФ являются сплавы марок ХН80ТБЮ и ХН73МБТЮ.

Монель-металл - сплав на основе никеля, содержит до 30% меди. Монель является торговой маркой, принадлежащей Special Metals Corporation. Монель создана David Н. Browne, главным метал­лургом. Сплав был назван в честь президента компании Абруаза Монель и запатентован в 1906.

Хастеллой - зарегистрированная торговая марка компании Haynes International Inc., используемая как префикс для обозначения группы различных металлических сплавов, имеющих высокую стой­кость к коррозии. Постепенно становится нарицательным названием коррозионностойких никелевых сплавов.

Основным компонентом хастеллой является никель и, как пра­вило, в состав входит молибден. Также в состав могут входить хром, железо, углерод. В качестве легирующих добавок применяются: кобальт, медь, марганец, титан, цирконий, алюминий, вольфрам, ванадий и ниобий.

Основной функцией хастеллой является эффективная работа при высоких температурах и давлениях и в условиях контакта с едкими веществами, где обычные или более дешевые сплавы должным обра­зом не работают, например, в котлах атомных и химических реакторов или трубах и клапанах, применяемых в химической промышленности.

1.2. Защитные свойства покрытия.

С помощью газопламенного напыления наносят износостойкие и коррозионно-стойкие покрытия из железных, никелевых, медных, алюминиевых, цинковых сплавов, баббитовые покрытия подшипников скольжения, электропроводные покрытия, электроизоляционные покрытия, декоративные покрытия.

Предназначено для напыления широкой номенклатуры порошковых материалов и создания износостойких, коррозионно-стойких покрытий, а также покрытий, стойких к эрозии, кавитации, к тепловым воздействиям.
Применяется для быстроизнашиваемых деталей нефтяного, нефтехимического, бурового, газоперерабатывающего оборудования, автотранспортной техники, текстильного производства, запорной арматуры энергетического оборудования, валов, штоков, гильз насосного оборудования и пр.
Качество покрытий и деталей обеспечивается комплексом технологий, оборудования и материалов (порошков).


2.Подготовка поверхности к нанесению покрытия.

Качественная и правильная подготовка поверхности перед нанесением покрытия имеет важное значение. Двумя критическими показателями являются профиль поверхности и ее чистота. Эти факторы влияют на адгезию покрытия к поверхности. Некачественная и недобросовестная подготовка поверхности перед покрытием приводит к преждевременному разрушению нанесенного покрытия.

Подготовка поверхностей перед нанесением металлопокрытий состоит в удалении окалины, жиров, оксидов и заусенцев и других поверхностных дефектов. Выбор способа обработки поверхности металла (механического или химического) зависит от степени поражения коррозией, от размеров и конфигурации металлоконструкций (оборудования), подлежащих противокоррозионной защите. При механической обработке поверхность очищают от продуктов коррозии, окалины и других загрязнений до второй степени очистки от окислов. При сильном поражении металла коррозией необходимо производить механическую обработку поверхности металла – пескоструйную, дробеструйную, абразивным инструментом, металлическими щетками. Окалину со сварных швов следует удалять ручным шлифовальным электро- или пневмоинструментом. После механической обработки поверхность металла обезжиривают. Степень обезжиривания - должна быть первая по ГОСТ 9.402-89.Обезжиривание следует производить после механической обработки не позднее чем через 6 ч при работе на открытом воздухе и не позднее чем через 24 ч при работе внутри помещения. Обработку поверхности химическим способом разрешается производить при слабом поражении металла коррозией (не более 100 мкм и на труднодоступных участках металлоконструкций после удаления рыхлого слоя продуктов коррозии механическим способом). Запрещается прикасаться руками к поверхности, подготовленной к нанесению покрытий.

Длительность перерыва между подготовкой поверхности и нанесением покрытия должна быть по возможности минимальной и не превышать 3 часа. При перерыве более 3 часов необходима повторная подготовка поверхности.

3. Технология газопламенного напыления покрытий.

Газопламенный способ напыления покрытий состоят в форми­ровании на поверхности изделий слоя частиц напыляемого материа­ла, обладающего достаточным запасом тепловой и кинетической энер­гии в результате взаимодействия со струей газового пламени. Струя пламени образуется в результате сгорания горючей смеси, вытекаю­щей из сопловых отверстий горелки с большой скоростью. Температу­ра струи горючий газ-кислород может достигать 3200 0С, а скорость осаждения частиц от 150 - 160 м/с до сверхзвуковой скорости.

В результате напыления образуется покрытие, толщиной до 3 мм с прочностью на отрыв от 5 до 45 МПа и присутствия в слое оста­точной пористости 5 - 25%.

Газопламенный способ нанесения покрытий отличается относи­тельной простотой, мобильностью, позволяющий напылять покрытия на крупногабаритные, протяженные детали и обеспечивает возмож­ность напыления покрытий в локальных, труднодоступных местах. Данный способ является наиболее предпочтительным для последующей лазерной обработки, так как позволяет напылять покрытия с достаточной адгезией и контролируемой толщиной.

При газопламенном напылении высокотемпературный поток создается при сгорание горючих газов (ацетилена, водорода, метана и др.) в атмосфере кислорода или воздуха. Темперaтурa пламени горючих гaзoв в смеси с кислoрoдoм — 2000...3200°С, в смеси с вoздухoм — 500...900°С.
0


Рис. 1 Упрощенная схема нанесения порошков
Аппaрaты для гaзoплaменнoгo напыления в зaвисимoсти от вида нaпыляемoгo мaтериaлa существуют двух типов: прoвoлoчные и пoрoшкoвые.

Первый газопламенный проволочный распылитель разработал М.У. Шооп в 1913 г. Скорость продуктов сгорания ацетилена в кислороде составляла 10:12 м/с, плотность напыленных покрытий - 85-90% плотности компактного материала. В качестве источника тепла использовалось кислородно-ацетиленовое пламя. В последнее время все шире стали применять заменители ацетилена: пропан, этилен, метан, водород.



Рис. 2 Схема проволочного распылителя:

1 - воздушное сопло;

2 - газовое сопло;

3 - пруток;

4 - направляющая трубка.

Проволочный распылитель (рис. 2) имеет распылительную головку, по оси которой подается проволока, пруток или шнур. Горелка с дополнительным воздушным соплом, предложенная М.М. Морозовым (рис. 3), обеспечила интенсивный нагрев поверхности подаваемого материала за счет прижатия пламени к распыляемому материалу расширяющимся воздушным конусом. Воздух дополнительно ускорял и дробил частицы материала.



Рис. 3 Распылитель с двойным воздушным соплом:

1 - дополнительное воздушное сопло;

2 - воздушное сопло;

3 - газовое сопло.



Рис. 4 Схема установки газопламенного напыления:

1 - порошковый распылитель;

2 - проволочный распылитель;

3 - порошковый питатель;

4 - бухта проволоки на вращающемся столе;

5 - ротаметры газовые;

6 - газовые баллоны;

7 - фильтр;

8 - ресивер;

9 - воздушный ротаметр;

10- компрессор.

На рис. 4 представлена схема универсальной установки для газопламенного напыления. Фирма Norton Packо Industrial Ceramics (США) с 50-х годов специализируется на выпуске стержневых материалов для напыления керамики. В настоящее время фирма выпускает стержни из оксидов диаметром до 8 мм. Достоинством подачи керамики в виде стержней является гарантия проплавления материала, недостатком - прерывистость процесса, влияющая на качество поверхности покрытия. Лучший газопламенный стержневой распылитель УР-2А конструкции М.М. Коноплина был разработан в конце 50-х годов в ВИАМе (рис. 5).


Рис. 5 Прутковый распылитель УР-2А:

а - в трубе диаметром 100 мм;

б - при работе без "загибающего" воздуха.

Распылитель имел дополнительное воздушное сопло, направляющее воздух в радиальном направлении в зону плавления керамического стержня, где осевая скорость частиц была невелика. "Загибающий" воздух дробил относительно крупные (100:160 мкм) расплавленные частицы на более мелкие (20:40 мкм) и направлял их под углом 45-50о к поверхности изделия. Дистанция напыления составляла 50 мм. Плотность покрытий из стержней со связующим на жидком стекле достигала 95%. Осевое расположение распылителя и малая дистанция напыления позволяли наносить покрытия на внутреннюю поверхность трубы диаметром 100 мм. В отличие от иностранных и отечественных распылителей пистолетного типа оператор работал сидя, в удобной позе, держа распылитель на коленях.



Рис.6 Проволочный распылитель MDP-115 в работе.
Современный проволочный газопламенный распылитель типа MDP-115, Россия (рис. 6) с приводом от электродвигателя мощностью 150 Вт работает на проволоке диаметром 3:3,17 мм из различных материалов (коррозионно-стойкие и углеродистые стали, латуни, бронзы, баббиты, Al, Cu, Mo, Zn, Sn, Pb, сплавы на никелевой и кобальтовой основах). Производительность по цветным металлам - до 15 кг/ч, по стали и сплавам - до 9 кг/ч, расход кислорода - 50 л/мин, расход ацетилена или пропана - до 20 л/мин. Давление воздуха - 0,5 МПа. Масса распылителя - 4,1 кг. Он может комплектоваться автоматической установкой, оснащенной роботизированной системой, боксом и пультом дистанционного управления.



Рис.7 Схема порошкового распылителя:
1 - газовое сопло;

2 - кольцевое пламя;

3 - покрытие;

4 - подложка;

5 - горючий газ;

6 - кислород;

7 - порошок.

Порошковый распылитель схематично представлен на рис. 6. Порошковая струя окружена кольцом пламени. При перемешивании струй пламени и газопорошковой взвеси происходит теплообмен. Частицы нагреваются до температуры плавления и переносятся на подложку. Порошковые установки предназначались для напыления легкоплавких материалов (УГПЛ) - цинка, термопластичных пластмасс (температура плавления до 8000оС), и для напыления тугоплавких материалов (УГПТ), имеющих температуру плавления до 20500оС, но в основном - для нанесения самофлюсующихся материалов.

4. Контроль качества напыления.

Визуальный вид покрытия.

Покрытие должно быть равномерным, сплошным, однородного цвета с мелкозернис­той структурой. В покрытии должны отсутствовать наплывы, вздутия, трещины, брызги, участки с круп­нозернистой рыхлой структурой, пропуски, сколы. Внешний вид покрытия контролируют по ГОСТ 9.304 невооруженным глазом при осве­щенности не менее 300 лк на расстоянии 20—30 см от покрытия или с применением оптических приборов, указанных в документации на изделие, и сравнивают с эталонами крупности зерна на по­верхности покрытия, утвержденными в установленном порядке.

Контроль толщины покрытия.

Для изделий с площадью поверхности до 1 м2 толщины определяют не менее чем в 10 местах, причем вся поверхность является контролируемой.Для изделий с площадью поверхности свыше 1 м2 методом случайной выборки определяют участок (от каждых 10 м2 поверхности изделия) контролируемой поверхности площадью не менее 1 м2, на котором в 10 местах определяют толщину.

Толшина покрытия в любой измеряемой точке должна быть не менее минимальной толщины установленной в нормативно-технической документации на изделие с учетом абсолютной погрешности измерения. Равномерность толщины определяется по разности максимальной и минимальной толщин в измеряемых точках, которая должна укладываться в установленный допуск. Для измерения толщин покрытий рекомендуется применять магнитный метод. Метод основан на регистрации изменения магнитного сопротивления в зависимости от толщины покрытия. В качестве измерительных приборов используют магнитные толщиномеры. За результат измерения толщины покрытия принимают среднее арифметическое значение не менее пяти измерений у краев и в середине контролируемой поверхности одного изделия.

Относительная погрешность метода ±10 %.Также используют металлографический метод. Метод основан на измерении толщины покрытия на поперечном шлифе с применением металлографических микроскопов различных типов. Относительная погрешность метода ±10 %. Толщина покрытия должна быть не менее 40 мкм и не более 200 мкм и определяется условиями эксплуатации изделий и нормативно-технической документацией на конкретное изделие.

Контроль прочности сцепления.

Качественную оценку прочности сцептення покрытия с основным металлом определяют методом нанесения сетки царапин. Для этого на поверхность контролируемого покрытия острием режущего инструмента (твердость материала острия должна быть выше твердости покрытия не менее чем на 30 %) наносят сетку царапин, состоящую из квадратов с размерами, указанными в табл. 4.
Таблица 4

Площадь на которую наносят сетку царапин

Расстояние между царапинами, мм

Толщина контролируемого покрытия, мкм

15 х 15 мм

25 x 25 мм

3

5

До 200

Св 200


Царапины прорезают до основного металла. На контролируемой поверхности не должно быть отслаивания покрытия. После проведения контроля покрытие должно быть восстановлено.

Заключение.

По сравнению с нанесением покрытий погружением в расплав, гальваническими, термодиффузионными, лакокрасочными покрытиями, а также - процессами электрохимической защиты с использованием внешнего источника напряжения - процесс газопламенного напыления коррозионностойких покрытий имеет преимущества:

- обеспечение двойного эффекта защиты от коррозии - на основе электрохимической природы и в качестве преграды для проникновения коррозионных возбудителей;

- более длительный срок службы защищаемого изделия, часто равный сроку его эксплуатации;

- значительное снижение эксплуатационных расходов;

- возможность нанесения покрытия на детали любых габаритов и сложной конфигурации;

- отсутствие ухудшения свойств основного металла из-за возникновения водородной хрупкости вследствие обработки травителем (травление, как способ подготовки поверхности, при газопламенном напылении не требуется);

- шероховатость поверхности напыляемого металла увеличивает трение в болтовых соединениях и, таким образом, снижает вероятность образования фреттинг-коррозии;

- микропористость напылённого покрытия способствует сохранению в порах продуктов коррозии и, тем самым, значительно замедляет коррозионный процесс;

- возможность получения покрытий, значительно большей толщины, чем при горячем погружении в расплав или при термодиффузионном методе (например, при горячем цинковании максимальная толщина покрытия - 50-60 мкм, при термодиффузионном методе - 12-50 мкм);

- получаемые покрытия, вследствие своей шероховатости и пористости являются высококачественной основой для антикоррозионных смазок, мастик, лакокрасочных, полимерных и других материалов;

- возможность обеспечения дополнительной защиты зон сварки, обработанных изделий непосредственно на месте монтажа конструкций;

- относительная простота процесса, не требующего повышенной квалификации обслуживающего персонала;

- экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов производства.

Применение газопламенного напыления коррозионностойких покрытий обеспечивает долговременную защиту металлоконструкций, работающих как в атмосферных условиях, так и в водных и других средах. Тем самым, исключается необходимость частого восстановления, что, помимо больших затрат труда и материалов, может быть связано и с временным прекращением эксплуатации объектов. Расходы на газопламенного напыление по сравнению с окраской составляют около 250 %. Однако, как показывают данные сравнительной стоимости различных видов антикоррозионной защиты, в зависимости от сроков эксплуатации при условии не менее 20-летнего срока.

Примеры изделий рекомендуемых для нанесения коррозионностойких покрытий методами газотермического напыления: нефте- и бензохранилища, газгольдеры, трубопроводы в теплотрассах, бункера шахтных вагонеток, профилированная кровля и стеновые панели, автомобильные кузова, глушители, крупногабаритные строительные профили (швеллера, двутавры, уголки), стальные листы, закладная арматура, сварные и сборные строительные конструкции мостов, дымовых труб, резервуаров, гидротехнических сооружений, нефтяных буровых вышек, металлоограждений дорог, дорожные знаки, опоры высоковольтных передач, палубное оборудование, пристани, понтоны, шлюзы, доки, рефрижераторы, ёмкости для хранения и перевозки химических реактивов, металлоорнаменты, решётки, ограды, уличные осветительные столбы, затворы гидроэлектростанций, металлоконструкции контактной сети железных дорог (опоры, кронштейны, подвески, жёсткие поперечины), шасси подвижного состава, обода колёс, элементы рельсовых скреплений, коммуникации животноводческих ферм и др.
Список литературы.

  1. методические указания к лабораторным работам по дисциплине « Теория технология покрытий» для студентов специальности 150108 « Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» / ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ; сост. И.В. Дуличенко, О.Ю. Пушкарская. – Волжский: ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2010.- 38 с.

  2. www.icm.by/public/developments/p200/indexr.html

  3. www.avcd.ru/gazoplamennoe-napyilenie.html

  4. www. 5ballov. ru
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации