Powłoki ochronne.doc

Powłoki ochronne

stosowane w aparaturze chemicznej

2010/2011

Czym jest powłoka ochronna?

Przez określenie powłoka ochronna, przyjmuje się warstwę metalu, stopu, materiału ceramicznego, tworzywa sztucznego i in. naniesioną trwale na powierzchnię metalu chronionego, który zasadniczo pozostaje w tym samym stanie w jakim był przed nałożeniem powłoki.

Znaczenie powłok ochronnych

• Powłoki ochronne stosuje się najczęściej na powierzchniach metalicznych aby uchronić je przed korozją, działaniem silnych kwasów, zasad i innych związków mogących uszkodzić strukturę zbiorników i innych naczyń laboratoryjnych mających zastosowanie w przemyśle chemicznym. Także w celach ochronnych, regeneracyjnych lub dekoracyjnych, zwiększenia twardości powierzchniowej, polepszenia odporności na ścieranie, żaroodporności.
• Podstawową funkcją powłok jest odizolowanie chronionego metalu od środowiska oraz zastosowanie pokrycia z materiału, który posiada większą odporność np. na korozję, zużycie ścierne czy własności antyadhezyjne.

Zależnie od rodzaju materiału osadzonego na podłożu metalowym, powłoki ochronne dzieli się na dwie główne grupy: powłoki metalowe i powłoki niemetalowe.

Powłoki metalowe wytwarza się najczęściej z: cynku, chromu, niklu, aluminium, miedzi, kadmu, cyny, stali nierdzewnej, metodą: galwaniczną, zanurzeniową, natryskową, przez polerowanie. Poza wyżej wymienionymi metodami klasycznymi stosuje się też liczne metody nowej generacji, jak implantacja jonów, techniki laserowe.

Drugą główną grupą powłok ochronnych stanowią powłoki niemetalowe. Zalicza się do nich powłoki organiczne i nieorganiczne. Do powłok organicznych należą powłoki malarskie, z tworzyw sztucznych oraz gumowe, a do nieorganicznych- pokrycia ceramiczne, emalierskie i konwersyjne.

Jakie wymagania powinny spełniać ?

Wszystkie powłoki ochronne powinny odpowiadać podstawowym wymaganiom:

• muszą być szczelne, nieprzepuszczalne,
• powinny posiadać dobrą przyczepność do podłoża i zdolność krycia powierzchni.

Istotną role dla uzyskania powłok odpowiedniej jakości odgrywa dokładne przygotowanie powierzchni pokrywanego metalu oraz przestrzeganie warunków technologicznych procesu nanoszenia warstwy.

Przygotowanie powierzchni polega na oczyszczaniu, tj. usunięciu zanieczyszczeń, zgorzeliny, produktów korozji, usunięciu nierówności ewentualnie nadanie odpowiedniej gładkości, oraz odtłuszczanie.
 

Bezpośrednio po tych zabiegach powinny być nakładane warstwy, aby nie dopuścić do pokrycia się oczyszczonej powierzchni produktami korozji.

Do podstawowych metod oczyszczania powierzchni metali zalicza się:

• Metody mechaniczne– oczyszczanie przy pomocy narzędzi, głównie napędzanych elektrycznie i pneumatycznie, metody strumieniowo-ścierne, strumieniowo- wirnikowe,
• Metody chemiczne lub elektrochemiczne- odtłuszczanie, polerowanie, trawienie

Metody cieplno-mechaniczne

W owych metodach wykorzystuje się połączone oddziaływanie ciepła i nacisku w celu otrzymania powłok przez:

- Natryskiwanie (cieplne, płomieniowe, detonacyjne)- powlekanie przedmiotów głównie metalowych warstwą materiałów powłokowych przez pneumatyczne rozpylanie drobnych cząstek materiału powłokowego w płomieniu gazu, łuku elektrycznym bądź plazmy i nadanie im dużej energii kinetycznej w celu wywarcia na pokrywana powierzchnię nacisku umożliwiającego dobra przyczepność natryskiwanej powłoki do podłoża. Jeżeli materiałem natryskiwanym jest metal, proces nazywa się metalizacją natryskową. Odmiana natryskiwania jest natapianie natryskowe- metalizacja natryskowa połączona z obróbką cieplną warstwy natryskiwanej w płomieniu gazowym lub w łuku elektrycznym.

- Platerowanie powierzchni- pokrycie metalu podłoża innym metalem lub stopem przez wytworzenie nacisku na metal pokrywający np. przez walcowanie, detonacje w odpowiednio podwyższonej temperaturze

- Utwardzanie detonacyjne metalu przez falę uderzeniową powstającą w wyniku gwałtownego odparowania metalu podłoża pod działaniem bardzo silnie skoncentrowanego strumienia elektronów (utwardzanie elektronowe) lub fotonów (utwardzanie laserowe) przy wzroście temperatury podłoża, bądź detonacji materiału wybuchowego.

Metody cieplne

W metodach cieplnych wykorzystuje się zjawiska związane z oddziaływaniem ciepła na metale w celu uzyskania:

-          Zmiany struktury tworzyw metalowych w stanie stałym (hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie)

-          Zmiany stanu skupienia: przeprowadzenie ze stanu stałego w ciekły i następnie ponownie w stan stały tworzywa pokrywanego (nadtapianie) lub pokrywającego (napawanie, natapianie). Ponadto przeprowadzenie ze stanu ciekłego w stan stały tworzywa powłokowego (powlekanie zanurzeniowe).

Hartowanie, odpuszczanie i wyżarzanie przeprowadzane przez nagrzewanie warstwy wierzchniej metodą indukcyjną, płomieniową, plazmą, wiązką lasera, a następnie chłodzenie z określonymi szybkościami wywołuje zmiany struktury tworzywa metalowego, a tym samym określone zmiany własności metalicznych, chemicznych i fizycznych bez zmiany składu chemicznego.

- Nadtapianie- wygładzenie powierzchni tworzywa metalowego albo wytworzenie struktury amorficznej (szkła metalowego) warstwy nadtopionej różniącej się od rdzenia własnościami fizycznymi i chemicznymi, ale zachowującej ten sam skład chemiczny. Nadtapianie przeprowadza się przez grzanie laserowe, elektronowe lub płomieniowe.

- Napawanie- pokrywanie powierzchni metalu warstwą stopowa tworzącą powlokę o własnościach zbliżonych do podłoża, w wypadku stosowania jej w celu regeneracji, lub o właściwościach odmiennych od podłoża, w wypadku zastosowania jej w celu podwyższenia  trwałości eksploatacyjnej. Napawanie przeprowadza się technikami spawalniczymi, głównie łukowymi i płomieniowymi.

- Natapianie- nanoszenie na podłoże metalowe powłoki z czystego metalu lub stopu związków metali, lub innych materiałów o właściwościach różnych od materiału podłoża, za pomocą grzania laserowego, elektronowego lub elektroiskrowego. Natapianie zalicza się również do metod platerowania, bowiem skurcz odlewniczy wywiera nacisk na materiał pokrywany, zapewniając trwałe połączenie.

Metody cieplno-chemiczne

W metodach cieplno-chemicznych wykorzystuje się połączone oddziaływanie:
- ciepła i ośrodka aktywnego względem obrabianego tworzywa metalowego, w celu nasycenia go żądanym pierwiastkiem lub pierwiastkami wywołującymi zmiany składu chemicznego, struktury i własności,
- ciepła i czynników chemicznych (reakcji sieciowania polimerów) na tworzywa powłokowe w celu ich zestalenia (utwardzenia).

Nasycanie dyfuzyjne - proces nasycania warstwy wierzchniej metali pierwiastkami zawartymi w ośrodkach stałych, ciekłych lub gazowych, w celu wywołania zmian składu chemicznego, struktury i właściwości. Wyróżnia się sposoby obróbki cieplno-chemicznej typu klasycznego (np. nawęglanie, azotowanie, chromowanie, aluminiowanie) określane mianem niewspomaganych.
 

Aluminiowanie- przygotowane wyroby zanurza się w ciekłym aluminium lub jego stopach. Temperatura kąpieli waha się zależnie od metody w granicach 675-800⁰C. Powłoka składa się w przybliżeniu z warstwy zewnętrznej aluminium lub jego stopu o składzie kąpieli oraz kruchej warstwy wewnętrznej związków Fe-Al. Grubość powłoki można regulować przez zmianę składu kąpieli. Wyroby aluminiowane   zanurzeniowe mają dobrą odporność korozyjną i dużą żaroodporność. Stosowane są do pokrywania ochronnego blach, drutów i wyrobów narażonych na korozję atmosferyczną oraz przedmiotów pracujących w podwyższonych temperaturach (do 950⁰C).

Rys. 1. Schemat pieca do nakładania powłok aluminiowych metodą zanurzeniową beztopnikową;

1 – obudowa ceramiczna,

2 – roztopione aluminium,

3 – nagrzewnica,

4 – tyrystorowy regulator mocy,

5 – termoelement,

6 – elektroda grafitowa,

7 – pokrywany przedmiot

Obraz mikrostruktury powłoki po aluminiowaniu w 550°C

1 - faza Al,

2 - mieszanina faz międzymetalicznych     FeAl3, FeAl2 i FeAl,

3 - podłoże

Występują także metody nasycania dyfuzyjnego z udziałem czynnika przyspieszającego i aktywującego proces dyfuzyjny, określany jako wspomagany.

Stopowanie laserowe lub elektronowe  - proces nasycania, w którym występuje mieszanie pierwiastka lub pierwiastków stopowych z przetopionym bądź nie przetopionym materiałem podłoża oraz częściowo dyfuzja. Stopowanie przeprowadza się za pomocą strumienia
laserowego lub wiązki elektronów.
Zestalanie cieplno-chemiczne -nieodwracalne przejście polimerów termoutwardzalnych naniesionych na powierzchnię metalu, ze stanu ciekłego lub plastycznego w stan stały, w wyniku działania ciepła i reakcji chemicznych,  w celu uzyskania powłok malarskich.

Metody elektrochemiczne i chemiczne

W metodach elektrochemicznych  i chemicznych wykorzystuje się w celu wytworzenia

powłoki metalowej (osadzanie) lub niemetalowej  (osadzanie lub zestalanie) na powierzchni metalu:

- redukcję elektrochemiczną (powłoki elektrolityczne i konwersyjne),

- redukcję chemiczną (powłoki chemiczne i konwersyjne),

- reakcję chemiczną (powłoki malarskie)

Osadzanie elektrolityczne (galwaniczne) - pokrywanie metalu stanowiącego katodę w procesie elektrolizy, jonami metalu zawartymi w elektrolicie i ulegającymi redukcji i formującymi powłokę, podczas przepływu prądu stałego przez elektrolit.

Omówienie poszczególnych powłok galwanicznych:

 

Powłoki cynkowe
Rozpowszechnienie powłok cynkowych wynika z dostępności, niskiej ceny, dobrych własności ochronnych i dekoracyjnych tego metalu.
Cynk jako metal bardziej elektroujemny niż żelazo, tworzy na stali i żeliwie powłoki anodowe. W wilgotnym powietrzu powstające na powierzchni produkty korozji tworzą dość szczelną warstwę izolującą podłoże od środowiska. Jako dodatkowe zabezpieczenie antykorozyjne powłok cynkowych stosuje się wytwarzanie na nich warstewek chromianowych lub fosforanowych, a ostatnio zalecanych chromitowych.

W procesie cynkowania ciągłego osadzona powłoka o grubości 3÷12 μm stanowi zabezpieczenie przed korozją, a wartość ochronna jest proporcjonalna do grubości.
Istotną zaletą galwanicznych powłok cynkowych jest ich dobra przyczepność do podłoża, a jednocześnie większa plastyczność niż otrzymywanych innymi metodami. Szczególnie duże ilości cynku zużywa się w przemyśle maszynowym i samochodowym do pokrywania taśm, blach, drutów stalowych i drobnych elementów. Cynkowane są też elementy wyposażenia samochodów, rowerów, urządzeń domowych, sprzętu elektrycznego.

Powłoki chromowe

Chrom jest metalem powszechnie stosowanym w galwanotechnice do pokryć dekoracyjno-ochronnych z uwagi na nadawanie powierzchniom atrakcyjnego wyglądu – trwałego lustrzanego połysku w warunkach atmosferycznych i znacznej odporności korozyjnej, wynikającej z własności pasywnych chromu. Jednocześnie bardzo wysoka twardość warstw chromu otrzymanego w odpowiednich warunkach (większa od twardości zahartowanych stali) jest wykorzystywana do pokryć technicznych.

Rozpowszechnione jest chromowanie cylindrów silników spalinowych, pierścieni tłokowych, tłoczysk podnośników hydraulicznych. Doskonałe wyniki daje chromowanie matryc i tłoczników, zwłaszcza do wykonywania przedmiotów z tworzyw sztucznych, gumy i skóry. Duża gładkość i mały współczynnik tarcia tych narzędzi zapewnia doskonały wygląd wytwarzanych produktów. Chromowaniu poddaje się narzędzia skrawające, wykorzystując małą adhezję obrabianych materiałów, chromuje się przyrządy pomiarowe i sprawdziany, łożyska dla lotnictwa.

Przedmioty podlegające ścieraniu i pracujące w warunkach niedostatecznego smarowania, jak cylindry silników spalinowych, pierścienie tłokowe, sworznie zaworów poddaje się chromowaniu porowatemu. Na powierzchni powłoki chromowej występują pory, w których zbiera się smar ułatwiający poślizg współpracujących części.  

Powłoki niklowe
Galwaniczne powłoki niklowe należą do najszerzej stosowanych. Atrakcyjny wygląd powłok, duża odporność korozyjna, korzystne własności mechaniczne pozwalają na zastosowanie powłok w celach dekoracyjno-ochronnych oraz technicznych.
Nikiel osadzony bezpośrednio na stali ma charakter powłoki katodowej, a więc chroni podłoże tylko mechanicznie. Odporność niklu na działanie wielu środowisk korozyjnych wynika z jego własności pasywnych.

Powłoki niklowe są podstawą wielowarstwowych powłok dekoracyjno-ochronnych łącznie z chromem i miedzią. Służą do pokrywania akcesoriów samochodowych, armatury.

Dzięki korzystnym własnościom mechanicznym niklowanie stosuje się do regeneracji zużytych części maszyn, galwanoplastycznego wytrawiania form wtryskowych. W przemyśle chemicznym grubymi powłokami niklowymi pokrywa się aparaturę chemiczną narażoną na działanie silnych zasad.

Osadzanie konwersyjne

Powłoki konwersyjne nazywa się powłoki nieorganiczne powstające pod
wpływem działania roztworów. Roztwory te powodują wytwarzane na powierzchni metalu nierozpuszczalnych w wodzie związków, tworzących szczelną powłokę o własnościach ochronnych. W zależności od rodzaju użytej kąpieli i od rodzaju metalu powstające powłoki mogą mieć różny skład chemiczny, barwę i własności.

Powłoki konwersyjne są stosowane do ochrony przed korozją, jako warstwy polepszające przyczepność powłok malarskich do stali, cynku i aluminium oraz jako powłoki poprawiające własności innych powłok. Powłoki  konwersyjne wytwarza się przez zanurzanie lub przez natrysk metodą chemiczną lub elektrochemiczną. Proces ten jest coraz bardziej automatyzowany.

...