Теория формирования покрытий. Методы получения покрытий

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 708 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра порошковой металлургии 
и функциональных покрытий 

С И . Педос 
В.А. Шугаев 

Теория формирования 
покрытий 

Методы получения покрытий 

У ч е б н о е п о с о б и е 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению Металлургия 

Москва 
Издательство «УЧЕБА» 2 0 0 7 

УДК 621.793 
П24 

Рецензент 
д-р техн. наук, проф. В.И. Москвитин 

Педос С.И., Шугаев В.А. 
П24 
Теория формирования покрытий. Методы получения покрытий: Учеб. пособие. – М.: МИСиС, 2007. – 64 с. 

В учебном пособии содержится современная классификация методов получения покрытий. Приведены примеры реализации этих методов, оценены 
их достоинства и недостатки. Содержание пособия соответствует программе 
курса «Теория формирования покрытий». 

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 150108 
«Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», а также 
может быть использовано студентами других технических вузов, преподавателями, аспирантами и слушателями факультета повышения квалификации. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2007 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Контактные методы нанесения покрытий 
6 

1.1. Контактные твердофазные методы 
7 

1.1.1. Плакирование 
7 

1.1.2. Окрашивание 
10 

1.1.3. Окунание 
13 

1.1.4. Эмалирование 
14 

1.1.5. Электрофорез 
16 

1.2. Контактные жидкофазные методы 
19 

1.2.1. Оплавление 
19 

1.2.2. Наплавка 
20 

1.2.3. Погружение в расплав (горячая металлизация) 
22 

1.2.4. Растекание 
23 

1.2.5. Капельное напыление 
23 

1.3. Контактные газофазные методы 
30 

1.3.1. Конденсация, сорбция паров 
30 

1.3.2. Вакуумная металлизация 
33 

2. Химические методы 
35 

2.1. Избирательное осаждение 
36 

2.1.1. Избирательное осаждение из расплавов металлов 
36 

2.1.2. Осаждение из расплавов солей 
38 

2.2. Газофазное химическое осаждение 
38 

2.2.1. Термохимическое осаждение покрытий 
39 

2.2.2. Реактивное распыление твердых материалов 
48 

2.3. Электрохимическое осаждение 
50 

2.3.1. Электроосаждение из водных растворов 
51 

2.3.2. Электроосаждение из расплавов солей 
54 

2.3.3. Электроосаждение из органических растворов 
56 

2.4. Экзотермические реакции 
57 

Библиографический список 
63 

3 

Введение 

Создание покрытий из неорганических и органических материалов известно человечеству с древнейших времен. С помощью покрытия изделий, изготовленных из различных недефицитных и недорогих материалов можно придать им свойства, которые потребуются 
при эксплуатации. Ведь наиболее часто при работе изделия в составе 
механизма, устройства наиболее подвержены нагрузкам или процессу коррозии его поверхности. Если на поверхности находится покрытие, то многие его свойства определяются не основным материалом 
изделия, а свойствами поверхностного слоя. Материал покрытия, в 
этом случае, может быть и дорогим и дефицитным, но поскольку 
толщина покрытия (она может составлять всего 5…1000 мкм) и его 
объем (иногда целесообразно наносить покрытие не на всю поверхность детали, а только на ее рабочую поверхность) невелики, то 
стоимость материала покрытия в общей цене изделия незначительна. 
Например, с древнейших времен известна техника золочения медных 
и железных изделий. 

Важной задачей технологии покрытий является также восстановление свойств и геометрии деталей, изделий после их продолжительной эксплуатации. В этом случае материал покрытия по химическому составу может быть идентичен материалу основы (подложки), но 
из-за технологических факторов процесса нанесения покрытий, 
влияющих на уровень термических и механических напряжений, а 
также отличий микроструктуры и ряда других сопутствующих причин – свойства покрытия могут заметно отличаться от свойств внутреннего объема изделия (подложки). 

Современные технологии обладают огромным арсеналом методов 
создания покрытий. В этих методах используются возможности горения пламени газов, электрической дуги, детонации газов, лазерного нагрева, испарения, сорбции, различных химических превращений. При этом в литературе отсутствует строгая классификация методов создания покрытий и нет четкой терминологии. В данном пособии мы не стали подробно описывать методы наплавки, так как 
они совпадают с соответствующими методами плазменного и газопламенного напыления по своей сути. Плазменная наплавка осуществляется, когда помимо основной электрической цепи катод – анод 
еще сформирована цепь основа (подложка-анод) – катод, которая 
«растягивает» электрическую дугу до поверхности подложки и таким 

4 

образом дуга плавит подложку. При газопламенном методе напыления наплавка может произойти тогда, когда напыляемый материал и 
флюсующие добавки плавятся и соприкасаются с расплавленной поверхностью подложки. Этого можно добиться, например, сократив 
расстояние от среза горелки до подложки. Подробности технологии 
распыления можно узнать в пособии по этому курсу № 799, разделы 2.1 и 2.3. Вопросы, связанные с особенностью технологии детонационно-газового напыления покрытий, можно изучить в пособиях 
по этому же курсу № 627 (раздел 4) и № 799 (раздел 2.2). 

В этом пособии мы также не рассматриваем ряд важных методов 
создания покрытий, которые хотя и являются высокотехнологичными, но выходят за рамки читаемого курса и, скорее, относятся к сфере полупроводниковых технологий, активно использующих разнообразные методы нанесения покрытий и, прежде всего пленочных покрытий. 

Методы нанесения покрытий на изделия или полуфабрикаты 
можно разделить на две группы в зависимости от того, в каком качестве материал покрытия подается к покрываемой поверхности: контактные методы и химические методы. Этим вопросам и посвящено 
данное пособие. 

5 

1. КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ 
ПОКРЫТИЙ 

Контактные методы – это методы, в которых при формировании 
покрытия происходит контакт подложки непосредственно с материалом покрытия, находящимся в твердом, жидком или газообразном 
состоянии. Материал образовавшегося покрытия не отличается по 
составу от исходного материала покрытия (рис. 1.1). 

Контактные методы нанесения покрытий 

Твердофазные 
Жидкофазные 
Газофазные 

плакирование 

окрашивание 

I окун 
окунание 

электрофорез 

эмалирование 

оплавление 

наплавка 
(метод сварки) 

конденсация, 
сорбция пара 

погружение 
расплав 
(горячая 
металлизация) 

растекание 

капельное 
напыление 

^ 

Исходный 
материал 
порошок 

Исходный 
материал 
проволока 

газопламенное 
газопламенное 

плазменное 
плазменное 

детонационное 

высокочастотное 
ное 
I 

Рис. 1.1. Контактные методы нанесения покрытий 

вакуумная 
| 

металлизация 

электродуговое 

в 

6 

1.1. Контактные твердофазные методы 

Материал покрытия наносится на подложку в твердом состоянии. 
К этому методу относятся: 

– плакирование (прокаткой, газопрессовой и детонационной 
сваркой); 

– окрашивание; 
– окунание; 
– электрофорез; 
– эмалирование. 
Свойства покрытия определяются, в основном, в твердой составляющей материала покрытия, даже если при формировании покрытия образуется жидкая связывающая фаза. 

1.1.1. Плакирование 

Плакирование (от франц. plaquer – покрывать, накладывать)– 
один из самых старых методов нанесения покрытий. 

Это наиболее надежный метод получения химически- и структурнооднородных покрытий на изделиях простой формы (листы, прутки 
и т.п.) 

Существуют следующие способы плакирования: 
– соединение основного и плакирующего материала их совместной прокаткой или ковкой; 

– газопрессовая сварка основного и плакирующего материала; 
– детонационная сварка (сварка взрывом). 
При плакировании прокаткой, прежде всего, делают рамку или 
обойму вокруг плакируемого изделия. Затем плакирующий лист накладывают на подложку и обойму (рис. 1.2). Весь пакет нагревают в 
инертной или восстановительной среде и прокатывают в горячем состоянии. Обычно обжатие дают на проход 20 %, иногда до 40 %. При 
прокатке слои схватываются. Таким образом, например, плакируют 
молибденовые заготовки никелем. Плакирование – хорошая технология для защиты пластичными материалами деталей простой формы, 
не содержащих внутренних полостей. Недостатком метода является 
большое количество отходов. 

В некоторых случаях между основным материалом (подложкой) и 
плакирующим слоем помещают прослойку, обеспечивающую лучшее схватывание слоев и препятствующую диффузии материалов 
подложки и плакирующего слоя или между плакирующими слоями 
(при многослойном покрытии), а также диффузии газов извне. В ка
7 

честве прослойки применяют, например, алюминий при плакировании молибдена платиной, а при плакировании ниобия – хром. Алюминий препятствует диффузионным процессам из-за наличия тугоплавкой оксидной пленки на его поверхности, а хром из-за близости 
параметров решетки с платиной и малой взаимной растворимости 
металлов. 

4 

% 

3 

Рис. 1.2. Плакирование прокаткой: 

1 – плакируемый материал; 2 – плакирующие листы, 3 – обойма, 

4 – прокатные валки 

Для получения плакирующего слоя можно применять и прокатку 
порошка, нанесенного на материал основы. Такое порошковое покрытие перед прокаткой наносится методом распыления, обмазывания или погружения в расплав. Таким образом наносят, например, 
алюминий на сталь, а затем (для лучшего сцепления с основой) проводят прокатку и термообработку. 

Плакирование газопрессовой сваркой состоит из подготовки такого же пакета, как и для плакирования прокаткой, за исключением того, что проводят следующие дополнительные операции: проводят 
предварительное обжатие пакета для его герметизации; проводят откачку воздуха из пакета и заваривают отверстие, через которое проводилось вакуумирование; пакет помещают в автоклав и нагревают в 
атмосфере инертного газа при высоком давлении (рис. 1.3). Давление 
и температура поддерживаются в течение времени, которое обеспечивает схватывание основного и плакирующего материала. 

При газопрессовом способе плакирующий материал также можно 
наносить и в виде порошка. В этом случае изделие со слоем порошка 
на поверхности помещают в контейнер, из которого откачивают воздух. Давление инертного газа, которым заполняется автоклав с помещенным в него контейнером, равномерно распределено по всей 

8 

поверхности контейнера и частицы порошка связываются (спекаются) как между собой, так и с поверхностью изделия, образуя плотное 
покрытие на поверхности изделия. В этом случае, благодаря равномерному всестороннему сжатию (давлению газа) можно плакировать 
очень хрупкие материалы, изделия сложной формы и с рельефной 
поверхностью. 

1 

2 

Р 

3 
4 

Рис. 1.3. Газопрессовая сварка: 

1 – плакируемый материал; 2 – плакирующие листы или порошок; 

3 – эластичная оболочка; 4 – газостат; 5 – нагреватель; 

6 – подвод газа от компрессора 

Процесс газопрессового плакирования (как и плакирование прокаткой) нельзя применять для изделий с закрытыми и открытыми 
«глубокими» полостями. Закрытые полости приводят к разрушению 
изделий, а «глубокие» могут привести как к разрушению изделия, 
так и к нарушению сплошности покрытия на поверхности. Нельзя 
плакировать крупногабаритные изделия, так как они требуют применения слишком больших автоклавов, которые более опасны в применении (давления до сотен атмосфер, а температуры до тысячи градусов Цельсия). 

При плакировании под действием высоких давлений и температур 
происходит деформация плакирующего материала и подложки, механическое сцепление материалов, припекание покрытия к подложке 
и в случае использования порошка в качестве исходного материала 
спекание частиц покрытия между собой. 

Существует еще один метод плакирования изделий простой формы, разработанный в конце 70-х годов XX века в ОИХФ АН СССР 

9 

А.Н. Дреминым и Ю.А. Гордополовым, называемый методом детонационной сварки. Сущность метода заключается в следующем: плакирующий материал помещается на подложку; на поверхности размещается заряд взрывчатого вещества; производится направленная 
детонация взрывчатого вещества и под действием высокого давления 
и температуры детонационной волны происходит плакирование 
(рис. 1.4). Другой модификацией этого метода является использование метательной пластины, размещенной между плакирующей пластиной и зарядом взрывчатого вещества. Основным достоинством 
данного метода является возможность создания за очень короткое 
время прочных, плотных покрытий из трудносовместимых материалов. Дополнительные операции и ограничения применимости данного метода аналогичны методу плакирования давлением и газопрессовой сваркой. 

4 

2 

6 

Рис. 1.4. Детонационная сварка: 

1 – плакируемый материал; 2 – плакирующие листы, 3 – взрывчатое 

вещество; 4 –детонатор; 5 – направление движения фронта детонации; 

6 – метательная пластина 

1.1.2. 
Окрашивание 

При окрашивании 
твердожидкие материалы (шликеры, пульпы, 
грубые суспензии, пасты), нанесенные на поверхности, переходят в 
рабочее твердое состояние либо путем прямого затвердевания жидкой составляющей шликера при термообработке (удаление жидкости, полимеризация, поликонденсация, кристаллизация), либо через 
стадии припекания, расплавления и диффузионного отжига твердой 

10 

(основной) составляющей материала покрытия. Окрашивание может 
состоять из стадии нанесения покрытия на подложку в виде шликера, 
суспензии и модификации жидкой составляющей шликера (отвердевания). Например, нанесение минеральных или металлических красок на основе полимеризующихся жидкостей на изделие для изменения оптических, электрических или коррозионных свойств изделия. 
Другой способ придания прочностных свойств покрытиям заключается в расплавлении (связки) одной из составляющих материала покрытия (эмалирование, окунание) с последующим отвердеванием 
при охлаждении. Третий способ придания прочностных свойств покрытиям заключается в термодиффузионном спекании твердых составляющих покрытия между собой и с покрытием. Окрашивание 
может быть также промежуточной стадией для других контактных 
методов получения покрытий. 

Из-за различных структурно-механических свойств, эти материалы наносят на изделие несколькими способами: обмазывание, погружение, облив, пульверизация, электрораспыление, электрофорез, 
торкретирование, ангобирование. 

Обмазывание заключается в ручном способе нанесения шликера 
на поверхность изделия с помощью кистей, валиков, шпателей и т.п. 

Погружение как правило, применяют для нанесения шликера на 
малогабаритные изделия (например, посуду). В настоящее время в 
производстве эмалированной посуды проводятся большие работы по 
механизации процесса: сконструированы станки, имитирующие основные движения ручной работы. 

Для нанесения шликера на внутренние поверхности труб применяют метод заливания. Трубу заполняют в вертикальном положении 
шликером, а затем удаляют его. Другим способом окрашивания 
внутренней поверхности труб является заливка шликера в трубу, 
вращающуюся в наклонном положении. 

Обливание широко используют при нанесении глазурной суспензии на керамические плитки. Последние движутся на конвейере под 
воронкой, из которой выходит плоская непрерывная струя суспензии. Пористый материал плитки впитывает влагу, благодаря чему 
образуется ровное плотное покрытие. 

Пульверизация применяется для нанесения шликера на крупногабаритные изделия и небольшие изделия правильных геометрических 
форм. Пульверизация проводится с помощью ручных и стационарных (для небольших изделий) пистолетов-распылителей работающих 
от давления воздуха 0,3…0,4 МПа. Для нанесения шликера на внут
11