ТЕО РИ Я И  ТЕХНО ЛО ГИ Я Ф О РМ И РО ВАНИ Я 

НЕО РГАНИ ЧЕС КИ Х ПО КРЫ ТИ Й

Œ
Ž
‘
Š
‚
€
    €
‹
œ
”
€
-
Œ
    ˆ

”

€
-
Œ
    2
0
1
4

Г.В. Бобров • А.А. И льин
В.С. Спектор

М онограф ия

ТЕО Р И Я  
И  ТЕХН О ЛО ГИ Я  
Ф О Р М И Р О В А Н И Я  
Н ЕО Р ГА Н И ЧЕСКИ Х 
П О К Р Ы Т И Й

УДК 629.78
ББК 34.663
Б72

Бобров, Г.В.
Теория и технология формирования неорганических по
крытий : монография / Г.В. Бобров, А.А. Ильин, В.С. Спек
тор. – М. : АльфаМ, 2014. – 928 с. : ил.

ISBN 9785982814074

Изложены закономерности направленного изменения или восстанов
ления механических и физикохимических свойств исходных поверхно
стей изделий в соответствии с их эксплуатационным назначением посред
ством нанесения покрытий. Рассмотрены две основные технологические
схемы, которые позволяют получать покрытия из неорганических материа
лов различного эксплуатационного назначения: защитные, декоративные,
технологические, конструкционные, восстановительные и др.
Для аспирантов, научных сотрудников, инженеров, конструкторов и
технологов машиностроительных, приборостроительных, радиоэлектрон
ных направлений промышленности.

УДК 629.78
ББК 34.663

©БобровГ.В.,ИльинА.А.,
Спектор В.С., 2014
© «АльфаМ», 2014

Б72

ISBN 9785982814074

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АДК – автоматический детонационный комплекс
АПП – алмазоподобные пленки
АСП – анализатор состояния поверхности
ВАХ – вольтамперная характеристика источника питания
ВКН – вакуумное конденсационное нанесение
ВСН – высокоскоростное напыление
ВТИПП – высокотемпературный импульсный поток плазмы
ВЧЕ – высокочастотный емкостный разряд
ВЧИ – высокочастотный индукционный разряд
ВЧИМ – высокочастотная индукционная металлизация
ГГ – горючий газ
ГПН – газопламенное напыление
ГПНВ – газопламенное напыление высокоскоростное
ГТН – газотермическое напыление
ГФН – газофазное нанесение
ГШМ – гибкий шнуровой материал
ДВБ – диодный выпрямительный блок
ДГН – детонационногазовое напыление
ДКС – дробь короткая стальная
ДМ– дуговая металлизация
ДЧК – дробь чугунная короткая
ЗГ – защитный газ
ЗТВ – зона термического влияния
ИП – источник питания
Me⋅Me – металлидные (интерметаллидные) соединения
Me–Me, Me–Ne – металлические сплавы
МОС – металлоорганическое соединение
НСМ – наноструктурированный материал
ОКГ – оптический квантовый генератор
ОНКМ – объемный нанокристаллический материал
ПАВ – поверхностноактивные вещества
ПГ – плазмообразующий газ
ПН – плазменное напыление
ПНВ – плазменное напыление высокоскоростное
ПР – плазменный распылитель
СPС – самораспространяющийся синтез
ТВБ – тиристорный выпрямительный блок

ТИИ – теплоизоляционные покрытия
ТЗП – теплозащитные покрытия
УЗО – ультразвуковая обработка
УЗУО – ультразвуковая ударная обработка
УМП – установки для плазменного напыления
ФПУ – финишное плазменное упрочнение
ХГДН – холодное газодинамическое напыление
ХН – химическое нанесение
ЭОС – элементоорганическое соединение
ЭП – электронная пушка
ЭХН – электрохимическое (гальваническое) нанесение

APS (Atmospheric Plasma Spray) – нанесение покрытий атмосферной
плазмой
ASTM – Международный стандарт по покрытиям (США, Германия)
ASTM G 99–959; DIN 50324 – трибологические свойства покрытий
CVD – химические методы осаждения покрытий
DIN, EN582 – определение адгезионной прочности покрытий
H8302–1977 – японский промышленный стандарт определения когези
онной прочности газотермических покрытий
HVAF (High Velocity – Air – Fuel) – высокая скорость – воздух – топливо
(ВСВТ)
HVOF (High Velocity Oxygen Fuef Thermal Sprayimg) – высокая скорость –
кислород – топливо (ВСКТ)
ISO III 26–3 – Международный стандарт, регламентирующий производ
ство порошков
Ma, Me, Ne – материал, металл, неметалл
MeX, NeX – неметаллические соединения с металлом и неметаллом
PVD – физические методы нанесения покрытий
VPS (Vacuum Plasma Spraying) – нанесение покрытий вакуумной плазмой
X – неметаллический элемент

6
Список принятых сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что посредством нанесения покрытий
на изделия возможно существенно повысить их эксплуатацион
ные условия. Первые покрытия из неорганических материалов от
носятся к эпохе неолита (VII–VI тысячелетия до н.э.). Это в зна
чительной мере обусловлено появлением в быту новых материа
лов – сначала керамики, позже меди, золота, серебра, наконец,
железа и металлических сплавов. Первые покрытия наносились
на изделия из тонко размельченных природных неорганических
материалов, главным образом минералов с использованием раз
личного рода связующих. Такие покрытия в настоящее время от
носят к порошковым. Революция в производстве неорганических
покрытий связана с появлением огня. Им пользовались уже неан
дертальцы (около 100 тыс. лет назад). Обжиг порошковых покры
тий позволил существенно повысить их качество, особенно при
расплавлении предварительно закрепленного слоя. Таким обра
зом возникли покрытия высокого качества, сформированные из
расплавленного состояния.
Наиболее ярким примером покрытий, получаемых из рас
плавленного состояния, известных с древнейших времен, явля
ется эмалирование (в переводе с ранних языков – «плавить»). Ху
дожественные эмали использовали при создании произведений
искусства. В археологических раскопках древнейших цивилиза
ций – Египта, Китая, Перу и др. – найдены непревзойденные по
красоте изделия с покрытиями из художественных эмалей. На
территории России художественные эмалированные изделия из
вестны с III–IV вв. В XVIII в. М.В. Ломоносов предложил широ
кую палитру эмалей различного назначения из отечественных ма
териалов, которые впоследствии были использованы фирмами
Фаберже, Хлебникова и др. Научные разработки по химии сили
катов (XVIII–XX вв.) позволили создать индустрию эмалевых по
крытий по производству как бытовых изделий, так разнообразно
го промышленного назначения.

К древним покрытиям относят также золочение – нанесение
на поверхность изделий слоев золота толщиной от десятых долей
микрометра до 2–3 мкм и более. В Древнем Египте широко при
меняли листовой метод нанесения. На подготовленную поверх
ность наклеивали 1–3 тончайших лепестка золота. Позднее и
вплоть до наших дней поверхность покрывали золотой фольгой –
так называемым сусальным золотом. Более высокое качество зо
лочения было достигнуто при использовании огневого метода. По
этой технологии на поверхность изделий наносили пастообраз
ную амальгаму1 золота. В процессе нагрева поверхности ртуть ис
парялась, образуя покрытие из чистого золота. Твердообразное
золочение широко применялось на Руси с X–XI вв.
Техническая революция, начавшаяся в конце XIX в. и полу
чившая бурное развитие в XX в., особенно после Второй мировой
войны, потребовала создания мощной базы для реализации новых
методов нанесения покрытий из различных групп неорганиче
ских материалов. Потребовались покрытия с широким спектром
механических и физикохимических свойств – защитных в раз
личных средах, износостойких в специфических парах трения,
оптических, теплозащитных и др. Появилась настоятельная необ
ходимость в создании покрытий и пленок технологического и
конструкционного назначения, особенно для радиоэлектронных
изделий.
Наибольшее
распространение
получили
покрытия,
сформированные на атомарном уровне.
Успехи неорганической химии, особенно электрохимии, при
вели к созданию процессов электролитического осаждения ме
таллов на поверхности металлических и неметаллических изде
лий. Впервые об этом открытии было доложено русским ученым
Б.С. Якоби в 1838 г. Гальванические покрытия из металлов тол
щиной от десятых долей микрометра до десятых долей миллимет
ра наносят на поверхность электролитическим осаждением из
водных растворов солей, содержащих металл покрытия. Количе
ственно гальванические процессы регулируются законами Фара
дея. Эти покрытия наносятся в промышленных масштабах; доста
точно сказать, что даже средние машиностроительные заводы
оснащены гальваническими цехами или участками. Наряду с
гальваническими покрытиями получили распространение и дру

8
Введение

1 Амальгама – сплав металла с ртутью.

гие процессы химического и электрохимического осаждения, на
пример анодирование, фосфатирование, микродуговое оксиди
рование и др.
Использование достижений физической химии, теории га
зофазных реакций позволило создать методы нанесения ато
марных покрытий термохимическим осаждением материала
покрытия на поверхности изделий. Для нанесения покрытия
наиболее подходят соединения, легко переходящие при нагреве
в газообразное состояние (галогениды, карбонилы, гидриды
и др.). Реакции протекают с осаждением на поверхность в ре
зультате избирательного массопереноса элементов, образую
щих покрытие.
С середины XX в. для создания атомарных покрытий стали ис
пользовать конденсационные методы нанесения. Этому способ
ствовали бурное развитие и внедрение в практику концентриро
ванных источников энергии и оборудования, позволяющего осу
ществлять процессы в вакууме. Для создания парового потока,
конденсирующегося в покрытие, применяют энергетические ис
точники (электронный ионный луч и твердые электрические раз
ряды и др.), обеспечивающие испарение или распыление мате
риала покрытия. Конденсационновакуумное нанесение позво
ляет получать тонкие покрытия и пленки практически из любых
неорганических материалов. Варьирование толщин покрытий на
чинается с нанометрового уровня. В настоящее время методами
конденсации наносят наноструктурные покрытия самого различ
ного назначения. Покрытия и пленки конструкционного назна
чения обеспечили высокий уровень качества радиоэлектронной
аппаратуры.
Наряду с тонкими покрытиями и пленками в промышленном
производстве крайне необходимы более толстые покрытия, тол
щиной от десятых долей миллиметра. Это в первую очередь отно
сится к размерным восстановительным покрытиям. Значитель
ные толщины требуются и при создании теплозащитных, а в ряде
случаев жаростойких и коррозионностойких покрытий. Для этих
целей в начале XX в. создались предпосылки по созданию порош
ковых покрытий, а несколько позднее – покрытий, полученных
наплавкой.
Наибольшее распространение получили порошковые покры
тия, создаваемые методами газотермического напыления. По

Введение
9

крытия формируются дискретно из нагретых частиц, ускоренных
газовым потоком. Эта идея впервые была предложена С. Терсто
ном и М.У. Шоопом в начале XIX в. В настоящее время этот метод
доминирует при производстве толстых покрытий различного на
значения. Наибольшее распространение получили плазменное,
газопламенное,
детонационногазовое
напыление
покрытий,
а также дуговая металлизация.
Получение покрытий наплавкой тесно связано со сварочными
процессами. Разнообразные методы наплавки (дуговые, газопла
менные, плазменные и др.) в основном решают задачи восстанов
ления изношенных в процессе эксплуатации изделий. При этом
может достигаться высокий экономический эффект.
Альтернативу внешним покрытиям, сформированным без
участия материала поверхности изделий и имеющим четко выра
женную границу раздела, могут составить покрытия, сформиро
ванные с полным или частичным участием основного материала
изделия. В практике такие покрытия часто называют внутренни
ми. Они создаются за счет модифицирования исходных поверхно
стей. Широко известны и применяются в больших объемах сле
дующие методы создания внутренних покрытий модифицирова
нием:
механическим,
термическим
и
термодиффузионным
воздействием, а также воздействием высокоэнергетических пото
ков частиц. Внутренние покрытия не имеют четко выраженной
границы раздела с основным материалом изделия и в связи с этим
относятся к более надежным и долговечным.
В мировой практике обособилась мощная индустрия по про
изводству покрытий различного назначения из многих неоргани
ческих материалов. Объемы затрат превосходят такие технологи
ческие процессы, как сварочное производство, обработка метал
лов давлением и др.
Разработка научных основ по направленному изменению фи
зикохимических свойств исходных поверхностей изделий по
средством нанесения покрытий относится к приоритетным во
многих развитых странах. Результаты исследований отражены в
десятках монографий (см.: Библиографический список) и обшир
ной научнотехнической периодике. В качестве примера целесо
образно привести данные по VI международной конференции
«Пленки и покрытия2001» («Film and Coating2001»), состояв
шейся в СанктПетербургском государственном техническом

10
Введение