16 Адсорбированные вещества на поверхности материала изделия

Адсорбированные вещества на поверхности материала изделия.

К физическим адсорбирбирующим веществам часто присутствующим на поверхности изделий относят:

Простые и сложные газы. Поверхность мат-ла изделия всегда сопровождается с газовой фазой. наиболее вероятна физичкой адсорбция атмосферных газов (N₂, O₂). В отдельных случаях может наблюдаться адсорбция рабочих газов (аргон, Н₂, углеводорода и др.).

Твердые частицы. В первую очередь это различного рода пыль, к-ая оседает вместе с газовой фазой. более крупные агломераты, как органич, так и неорганич-го происхождения.Пр.:сажа, ворсинки, абразив. частицы, самоабразивные соед-ия.

Влага. Физ-ки адсорбированная влага всегда присутствует на пов-ти изделий, поскольку ее основ. источником является атмосфера. Следы влаги на пов-ти могут быть результатом технологич. цикла при произв-ве изделий; возможно также оседание влаги в процессе нанесения самих покрытий.

Жировые вещ-ва бывают: растительного и живого происхождения. Животные (омылеваемые) жиры поподают на пов-ть различными путями. Пр.: при соприкосновении с незащищенными чел-ми руками, в процессе подготовки покрытий к нанесению. Растительные или минеральные жиры и масла поподают на пов-ть при их произв-ве, хранении, эксплеатации. Их влияние на адгезионну прочность покрытий особенно не велико.

Посколько физически адсорбированные загрязнения имеют слабые межатомные связи на пов-ти изделий, то их удаление с пов-ти не представляет особых трудностей.

К хемосорбир-ым на пов-ти вещ-ам относится:

• оксодные пленки на Ме-ах (металлидные и не Ме-ие соед-ия);

• пленки сложного состава (оксикарбидные);

• оксидные и более сложные пленки, содержащие кристаллизационную воду.

хемосорбция относится к активируемым процессам, т.к. повышение темп-ры всегда ускоряет образование хемосорб-ых загрязнений на пов-ти изделия.

Удаление хемосорб-ых загрязнений затруднительно, т.к. они обазуют прочные связи с пов-ыми атомами.

17 Подготовка поверхности при нанесении покрытий: мойка, обезжиривание, травление

Подготовка поверхности при нанесении покрытий: мойка, обезжиривание, травление.

Подготовка поверхности представляет ключевую операцию в технологическом процессе нанесения покрытий. Она необходима для повышения такого показателя качества как прочность сцепления покрытия с основным материалом изделия (адгезионная прочность).

Подготовка поверхности подразумевает активирование поверхности удалением с поверх­ности адсорбированных веществ - загрязнений. (Активирование поверхности - повышение поверхностной энергии.)

Удаление физически или химически адсорбированных веществ с поверхности активирует эту поверхность. При удалении загрязнений восстанавливаются оборванные связи поверхностных атомов, их асимметрия и, соответственно, повышается уровень поверхностной энергии.

В практике нанесения покрытий нашли применение следующие основные методы подго­товки поверхности: 1) мойка холодной или горячей водой; 2) обезжиривание; 3) травление; 4) ме­ханическое воздействие; 5) термическое и химико-термическое воздействие; 6) электрофизиче­ское воздействие; 7) воздействие световыми потоками; 8) обезвоживание.

МОЙКА ВОДОЙ

Мойку применяют для предварительной очистки поверхности изделий. Происходит удале­ние физически адсорбированных веществ, слабо связанных с поверхностью. Смываются различ­ные загрязнения неорганического происхождения. Однако жировые вещества, как животного, так и минерального происхождения при промывке практически не устраняются из-за слабой раствори­мости б воде. Промывка водой иногда используется как завершающая стадия очистки поверхно­сти. Например, если обработка поверхностей заканчивается обезжириванием или травлением. Мойка водой осуществляется либо в специальных ваннах, либо струйным способом. Промывочная вода может служить источником загрязнений. Например, в водопроводной воде содержится до 10⁶ шт./см³ твердых частиц со средним размером около 1 мкм. Поэтому промывочную воду пропус­кают через специальные фильтры. Для удаления растворенных в воде солей применяют дистил­ляцию с двойной - тройной перегонкой.

ОБЕЗЖИРИВАНИЕ

Обезжиривание предназначается для удаления с поверхности изделий жировых загрязне­ний. Обычно эту операцию проводят после мойки водой или совмещая мойку с обезжириванием. В результате предварительной мойки, обезжиривания и последующей промывки горячей и холодной водой с поверхности удаляется большинство химически не связанных веществ (загрязнений). Та­кой обработке подвергают практически все изделия при нанесении на них покрытий. Технологиче­ский процесс осуществляют в специальных ваннах или применяют местное обезжиривание, на­пример посредством протирки хлопчатобумажными салфетками.

Удаление жировых загрязнений производят в основном в щелочных растворах или органи­ческих растворителях. Под действием щелочи животные жиры разлагаются (омыливаются), (обра­зуя мыла - растворимые в воде соли жирных кислот и глицерина).

Реакция стеарина (составная часть животного сала) с едким натром имеет вид:

(С₁₇Н₃₅СОО)₃С₃Н₅ + ЗNаОН = 3C₁₇H₃₅COONa + С₃Н₅(ОН)₃. Натриевая соль стеариновой кислоты (мыло) растворяется в воде, образуя коллоидный раствор.

Растительные (минеральные) масла или неомыливаемые жиры со щелочами в химическое взаимодействие не вступают; при определенных условиях они могут образовывать со щелочами эмульсии и таким образом отделяться от поверхности. Для активации этого процесса в раствор вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ), обладающие моющими и эмульгирующими свой­ствами.

Температуру щелочных обезжиривающих растворов выбирают от 60 до 80 °С. При увели­чении температуры и при перемешивании раствора процесс очистки ускоряется. Продолжитель­ность обезжиривания составляет от 3 до 20 мин в зависимости от материала изделия, количества и рода загрязнений. Завершающим этапом, как правило, служит сушкой сжатым воздухом, подог­ретым до температуры 45-60 °С.

Состав щелочных растворов и режим обезжиривания для различных материалов и видов жировых загрязнений применительно к покрытиям регламентированы производственными инст­рукциями или стандартами.

Для повышения эффективности обезжиривания в ваннах используют высокочастотные ко­лебания (10-20 кГц и более). Благодаря этому происходит ультразвуковая очистка поверхности. При наложении ультразвуковых колебаний наблюдается сильное возбуждение жидкости, приводящее к кавитации - возникновению мгновенных высоких гидростатических давлений на поверхно­сти и отрыву частиц жировых загрязнений.

Для обезжиривания также применяют органические растворители - применяют керосин, бензин, толуол. Процесс сводится к обычному растворению жиров и масел.

Иногда применяют термические методы удаления жировых загрязнений. Выжигание масел особенно целесообразно из пористых поверхностей.

ТРАВЛЕНИЕ

(Травление преследует цель удаления с поверхности изделий хемосорбированных ве­ществ, главным образом оксидов или более сложных соединений.)

Очистка травлением осуществляется в водных растворах кислот, кислых солей или щело­чей. Процесс ведется химическими или электрохимическими способами после обезжиривания из­делий. Выбор способа, состава ванны для травления, режима процесса зависит от природы мате­риала, физико-химических свойств оксидного вещества, его толщины и др.

Для травления изделий из обыкновенных сталей (углеродистых, низколегированных и др.) наиболее часто используют водные растворы серной (5-10 %), соляной (5-20 %) кислот или их смеси (10H₂SO₄+10 HCI).

Для примера рассмотрим реакции удаления оксидов железа при взаимодействии с серной кислотой:

Fe0 + H₂S0₄ = FeS0₄ + Н₂0;

Fe₂0₃ + 3H₂S0₄ = Fe₂(S0₄)₃ + 3H₂0;

Fe₃0₄ + 4H₂S0₄ = FeS0₄ + Fe₂(S0₄)₃ + 4H₂0;

Fe+ H₂S0₄ = FeS0₄ + H₂.

Из приведенных реакций следует, что при травлении происходит растворение не только оксидов, но и самого железа, что нежелательно по двум причинам: 1) по экономическим сообра­жениям; 2) из-зз ухудшения качества металла поверхности.

Травление меди и некоторых ее сплавов проводят в концентрированных растворах кислот (HN0₃; K₂S0₄; HC1; Н₃Р0₄) или в их смеси.

Для травления алюминия и его сплавов в основном применяют фосфорные кислоты (Н₃Р0₄идр.).

Очистку поверхности титана и его сплавов проводят з кислотных растворах с добавками фтористого натрия, (например: 15 % НС! + 3 % NaF или 15% H₂S0₄ + 3 % NaF и др.)

Травление многих материалов осуществляют и в щелочных растворах. Однако удаление оксидных пленок существенно замедляется. Щелочное травление для некоторых материалов ска­зывается предпочтительным, в частности, когда требуется снижение шероховатости поверхности. Кроме того, при щелочном травлении наблюдается значительно меньшая токсичность.

Электрохимический способ травления значительно ускоряет процесс удаления (хемосор­бированных) загрязнений. Его применяют в тех случаях, когда химическое травление малоэффек­тивно или вообще невозможно. При этом способе расходуется меньше кислоты. Наибольшее рас­пространение получило электрохимическое анодное травление при плотности тока 5-30 А/дм².

При травлении на поверхности изделий могут осаждаться соли металла. Поэтому нельзя допускать насыщение травильных растворов солями металла: отработанные растворы необходи­мо своевременно заменять на новые.

После травления с поверхности изделий должны быть тщательно удалены остатки кисло­ты, щелочи или осадки солей металлов. Для этих целей обязательна тщательная промывка, на­пример в горячем водном 1 % растворе соды.

18. Механические способы подготовки поверхности

Механические способы подготовки покрытия.

Наряду с очисткой поверхности от хемосорбированных загрязнений возможно из­менение ее шероховатости и одновременно активирование при насыщении материала поверхно­сти различными видами дислокаций.

Наибольшее применение получила абразивно-струйная очистка. Обработку поверхности проводят струей сжатого воздуха с абразивными частицами в специальных защитных камерах (рис. 1, а).

Двухфазный направленный скоростной лоток создается с помощью пистолета эжекционного типа. Процессы ведут как вручную, так и с применением механизации. В качестве абразивных частиц используют электрокорунд, карбид кремния, дробь, чугунную (ДЧК) и стальную (ДСК). Сжа­тый воздух должен быть хорошо очищен и соответствовать установленному стандарту.

Рис. 1. Абразивно-струйная (а) и абразивно-ультразвуковая (б) очистка поверхности изде­лий: 1 - камера; 2 - отрабатываемые изделия; 3 — бункер с абразивными частицами; 4 - загру­зочный люк; 5 - ультразвуковой преобразователь.

Размер абразивных частиц составляет 0,3-1,5 мм. Давление сжатого воздуха выбирают в пределах 0,4-0,7 МПа; дистанцию обработки - в пределах 0,08-0,15 м; угол встречного потока с по­верхностью 60-90°; расход абразивных частиц 300-500 кг/ч. Параметры режима обработки сущест­венно влияют на адгезионную прочность покрытий и их нужно выбирать оптимальными для раз­личных условий формирования наносимого слоя.

Рис. 2 Влияние дистанции обработки L (а), времени очистки в пятне τ₀ (6) и вылеживания изделий τ_и (в) на параметры поверхности σ_а, R_z, ∆В/В.

На рис. 2 приведены качественные зависимости адгезионной прочности σ_а, шероховато­сти R_z и отношения величины прироста микронапряжений обработанной поверхности к величине микронапряжений исходной поверхности ∆В/В от дистанции обработки. Оптимальная дистанция обычно составляет 100-150 мм; время очистки в пятне 25-30с; время вылеживания обработанных изделий не должно превышать 24ч. Необходимо стремиться к минимальному времени вылежива­ния для сохранения высокого уровня микронапряжений в поверхностном слое. Время релаксации для каждого материала различно. Поэтому в производственных инструкциях срок вылеживания регламентируется и составляет не более 2-5ч.

При газотермическом напылении порошковых покрытий на поверхность поступает поток частиц с высокими скоростями, соизмеримыми со скоростями частиц при абразивно-струйной об­работке. В связи с этим напыляемые частицы могут выполнять роль самоочистки поверхности в процессе формирования первого монослоя. Известно, что на поверхность при напылении покры­тий поступают частицы с различной температурой нагрева. Слабо нагретые частицы в основном отскакивают от поверхности, произведя соответствующую очистку. Частицы, нагретые до вязкопластического состояния, могут закрепляться, переходя в покрытие. При этом в области контакти­рования развиваются высокие пластические деформации, также способствуя очистке и активации поверхностных атомов. Даже расплавленные частицы, имеющие высокие значения кинетической энергии, при растекании в момент удара очищают и активируют поверхность. Расплавленные час­тицы в момент удара обладают высокими скоростями растекания. В начальный период скорость растекания ν_Р может быть оценена по уравнению Ю. А. Харламова: ν_Р=сх|1+√1+ν_И/с|, где ν_И - скорость частицы в момент удара; с - скорость звука в материале частицы.

Напряжения на напыляемой поверхности, вызванные растеканием частиц, могут быть оце­нены как напряжения в пограничном слое жидкого потока: σ=μ(υ_Л/δ_Л), где μ - коэффициент динамической вязкости расплавленного материала; υ_Л - скорость растекания ламинарного слоя; δ_Л -толщина ламинарного слоя.

М ожно полагать, что растекающийся тонкий слой материала частиц будет увлекать по­верхностные загрязнения и уносить их в периферийные зоны. Так, при скорости частиц 20-30 м/с и соответственно скорости растекания 100 м/с напряжение в пограничном слое составит 2,3 МПа, что приведет к существенному разрушению поверхности под частицей. При скорости растекания около 1000 м/с и наличии шероховатости напряжение достигает 80 МПа, что уже близко к напря­жению сдвига для некоторых металлов.

Абразивно-струйная и абразивно-ультразвуковая (см. рис. 1, б) обработки вносят сущест­венные изменения в поверхностные слои: происходит насыщение их структурными дефектами. При этом резко возрастает скорость диффузии поверхностных атомов и их энергия. В никеле и никелевых сплавах в результате абразивно-струйной очистки скорость самодиффузии возрастает примерно в 30 раз. Такое состояние поверхности особенно необходимо при формировании порош­ковых покрытий, наносимых газотермическими методами из двухфазных газопорошковых потоков. Особенно это относится к процессам, при которых наблюдаются минимальные значения темпера­туры и давления при закреплении порошковых частиц на поверхности.

При абразивно-струйной обработке резко возрастает поверхность взаимодействия мате­риала покрытия с основным материалом изделия. Иногда разница достигает порядка и более, что всегда сказывается положительно на величине адгезионной прочности покрытия. Исходя из этого в некоторых случаях целесообразно прибегать к технологическим приемам увеличения неровно­сти поверхности изделий для нанесения покрытий, предшествующим абразивно - струйной обра­ботке. Наиболее распространены следующие способы создания регулируемой шероховатости по­верхности изделий:

• нарезка «рваной» резьбы на изделиях, имеющих форму тел вращения;

• нарезка крупной резьбы с параллельными канавками;

• насечка зубилом или другим режущим инструментом;

• накатка роликом-фрезой с прямым или косым зубом;

• намотка тонкой проволоки с последующей ее приваркой.

Абразивно-струйная очистка обычно проводится после обезжиривания изделий и во многих случаях является завершающей обработкой поверхности перед нанесением покрытий. Абразивно-струйная очистка имеет ряд существенных недостатков: тяжелые условия труда, наличие пыли, появление пятен на поверхности при недостаточной очистке сжатого воздуха и др.

Альтернативой абразивно-струйной очистке может служить абразивная ультразвуковая обработка поверхности (см. рис. 1, б). Ультразвуковые процессы протекают в акустических полях с частотами колебаний среды /= 16 • 10³ Гц и более. Для технологических целей ультразвуковые

колебания получают с помощью специальных ультразвуковых преобразователей, состоящих из набора пластин магнитострикционного материала, который при наложении магнитного поля изме­няет свои размеры с частотой изменения величины напряженности поля. К торцу преобразователя крепится специальный волновод (концентратор), предназначенный для подвода волновой энергии к инструменту и регулирования амплитуды колебаний. Инструмент торцевой частью ускоряет час­тицы абразива, подаваемого в зону обработки в виде суспензии.

Д ля очистки малогабаритных изделий в единичном производстве и придания поверхности различной шероховатости применяют различные способы обработки абразивным или режущим инструментом. Например, используются наждачная бумага, напильники и др. Завершающей под­готовкой является протирка поверхности салфетками, смоченными сильнодействующими раство­рителями.