Металл с алюминиевым покрытием

Обновлено: 18.05.2024

Непрерывные линии горячего алюминирования так же, как и при горячем цинковании полосы, делятся на три части: входную, основную технологическую и выходную. Весь агрегат расположен в двух плоскостях. Выше уровня пола расположена ванна алюминирования, ниже — входная и выходная части. Скорость прохождения полосы ~200 мм/с (12 м/мин). Толщина покрытия 25 мкм. Температура алюминиевой ванны до 700° С, материал ванны — керамика. Для предупреждения загрязнения ванны железом после окислительной печи, в которой температура полосы повышается до 460—500° С, полосу охлаждают сначала воздухом, а затем водой, после чего в течение 8—10 с следует операция струйного травления в 16%-ной НCl. Остатки кислоты отжимают гуммированными валками с пневматическим прижимом, после чего полосу подвергают интенсивной струйной промывке водой из сопел, расположенных по обе стороны полосы. Операцию промывки повторяют дважды, затем следует сушка воздухом, после чего полоса поступает в печь с температурой 900 (нормализация) или 790° С (отжиг) и восстановительной атмосферой (диссоциированный аммиак), а дальше в алюминиевую ванну. После выхода из ванны полоса проходит через воздушную камеру, где охлаждается до 400° С.

Листы или полосы с покрытием Al—Si (25 мкм) применяют в тех случаях, когда требуется высокая жаростойкость и коррозионная стойкость, при высокой температуре, но они непригодны в условиях атмосферной коррозии. Их применяют для изготовления выхлопных труб автомобилей, самолетов и др. Из этого материала изготовляют также посуду для приготовления пищи, сушилки для одежды, камины, теплообогревательные приборы, водонагревающие устройства и др. Материал устойчив до 480° С без изменения внешнего вида поверхности и до 680° С без разрушающего окалинообразования; он хорошо отражает и задерживает тепло.

Покрытие Fe—Al (50 мкм) без легирующих компонентов используют для защиты от атмосферной коррозии. Из такого материала изготовляют сельскохозяйственный инвентарь и инструменты, оборудование для кондиционированного климата, стенные и кровельные панели, вентиляторы кабин грузовых автомобилей, его используют в нефтеперерабатывающей промышленности и др. Выше температуры 480° С этот материал применять не рекомендуется.

Пластичность алюминированного железа ограничена. Его можно изгибать под углом 180° вокруг оправки, равной двукратной толщине листа. При температуре выше 480° С, особенно при переменном нагреве и охлаждении рекомендуется меньший изгиб.

Главное преимущество алюминированного железа перед оцинкованным — стойкость при повышенных температурах. До температуры 470° С поверхность остается блестящей и обладает 85%-ным отражением тепла и света. При температуре 700° С алюминированное железо стоит несколько тысяч часов; кратковременно может выдерживать температуру 1000° С. Отопительные газы, содержащие серу, мало влияют на покрытие даже при высокой температуре. При быстрых изменениях температуры покрытие растрескивается.

В промышленной атмосфере горячеалюминированное железо обладает десятикратной стойкостью, в приморской— еще больше, чем горячеоцинкованное железо. При наличии несплошностей защитные свойства цинковых покрытий выше, чем алюминиевых.

Микроструктура кремнийсодержащих алюминиевых покрытий характеризуется наличием снаружи темно-серых игольчатых включений, состоящих в основном из кремния. В остальном слой представляет собой твердый раствор с мелковкрапленными железоалюминиевыми включениями. Непосредственно примыкающий к железу слой представляет собой железоалюминиевый сплав с содержанием в среднем 33,5% Fe.

В отсутствие легирующих компонентов покрытие представляет собой твердый раствор железоалюминиевых включений в алюминии, а в непосредственном контакте с основным металлом содержание железа в покрытии достигает 45%.

Рентгеноструктурное исследование тех и других покрытий показало, что они в основном представляют собой сплавы Fe—Al и в меньшей степени соединение Fe₃Al. Соединения FeAl₃ и Fe₂Al₇ не были обнаружены.

Исходя из диаграммы состояния можно ожидать, что содержание железа в FeAl₃ и Fe₂Al₅ составляет соответственно 33,5 и 45%. Это дает основание допускать, что при низких температурах некоторые железоалюминиевые фазы находятся в неустойчивом состоянии.

Алюминирование листов применяется шире, чем давно известный способ калоризации, поскольку он позволяет получать необходимые изделия штамповкой и вытяжкой. О стойкости алюминированной стали можно судить по сопротивлению окислению(привесу кислорода на 1 см 2 поверхности). При температуре 677°С спустя 336ч привес незащищенной стали в 56 раз превышал привес алюминированной стали. При температуре до 482° С алюминированная сталь отражает примерно 80% падающих тепловых лучей. Это очень ценное свойство — летом поверхность отражает солнечные лучи, а зимой она их генерирует.

Стойкость против коррозии алюминиевого покрытия без присадок характеризуется следующими натурными испытаниями (штат Огайо): алюминиевое покрытие полностью сохранилось в течение 19 лет, в то время как горячее цинковое покрытие (~40 мкм) начало разрушаться спустя 7 лет, а через 12 лет 30% поверхности покрылось ржавчиной.

Необходимо избегать попадания влаги между алюминированными листами или трубами, так как это приводит к потускнению поверхности, а в некоторых случаях и к уменьшению коррозионной стойкости. В таких случаях поверхность рекомендуется смазывать маслом.

Хотя описанный выше метод непрерывного алюминирования по методу Сендзимира, ранее разработанный для горячего цинкования полосы, удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к алюминированной стали, эта технология не лишена некоторых недостатков, приводящих к снижению пластичности и коррозионной стойкости. В процессе удаления жировых загрязнений на поверхности стали остается окисная пленка; после восстановления она превращается в мелкодисперсную реактивную пленку железной пыли. В процессе последующего алюминирования происходит обогащение алюминия железом и возможно образование обособленных железоалюминиевых включений. Эти включения катодны по отношению к алюминию и в соответствующей коррозионной среде могут привести к ослаблению защитного эффекта в результате реакции замещения. Это устраняется в агрегате струйного травления; помещенном после сжигания органических загрязнений перед восстановительным отжигом. Повышение качества продукции окупает расходы, связанные с дополнительной операцией, включая стоимость оборудования и обезвреживания сточных вод.

Алюминированная сталь отличается рядом ценных свойств, в том числе хорошей адгезией лакокрасочных покрытий (после хроматирования). В ряде случаев алюминированная сталь может заменять более дорогие жаростойкие сплавы. Механические свойства алюминированной стали при повышенной температуре значительно выше, чем алюминия. При температуре выше 470° С алюминий диффундирует в промежуточный сплав и сталь, образуя твердый раствор. В результате этого жаростойкость покрытия повышается.

Защита алюминия покрытиями

Ранее алюминиевые сплавы в зависимости от их способности подвергаться коррозионному растрескиванию и расслаивающей коррозии, были разделены на три основные группы. В зависимости от особенностей сплавов, входящих в ту или иную группу, системы покрытий также следует разделять на три группы.

Первая группа, включающая наиболее универсальную схему защиты, может быть применена для стойких сплавов (первая группа) и некоторых состояний сплавов третьей группы, имеющих повышенные коррозионные свойства в тех случаях, когда нет значительных циклических нагрузок. В данном случае можно применять защитно-декоративное анодное оксидирование (анодирование), лакокрасочные покрытия, а также комплексные покрытия, состоящие из анодно-оксидной пленки с последующим нанесением на нее лаковых или эмалевых покрытий. Одной из самых простых схем в этом случае является защитно-декоративное анодирование как бесцветное, так и цветное. В первом случае долговечность покрытия определяется главным образом сопротивлением коррозии, во втором еще и светостойкостью. При отсутствии воздействия ультрафиолетовых лучей, т. е. для внутренней отделки (поверхности внутри помещений), может быть использована обычная система адсорбционного окрашивания анодно-оксидной пленки органическими красителями. Гамма цветов при этом достаточно широка.

В настоящее время существуют компании, которые специализируются на нанесении защитных покрытий, так например анодирование алюминия в Москве с неизменным качеством осуществляет компания "Гальваника".

Для конструкций, эксплуатирующихся в открытой атмосфере, использование даже лучших органических цветных красителей в сочетании с прогрессивными технологическими процессами анодирования не позволяет получить долговечность более десяти лет. Для современных конструкций, например строительных, необходимо обеспечить по крайней мере 20-30 лет эксплуатации без полного обновления облицовки. В этих случаях следует применять анодирование с самоокрашиванием, анодирование с электролитическим окрашиванием и частично с окрашиванием красителями. Из красителей, обеспечивающих требуемую светостойкость, получили распространение неорганические для окраски в бронзовый и золотые тона и органический краситель черный светопрочный. Цвет защитно-декоративных анодно-оксидных пленок, полученных по методу самоокрашивания, зависит от толщины пленки. Для тонких пленок, т. е. для пленок светлых тонов (в интервале цветов золотистый - темно-бронзовый) иногда требуется дополнительная защита полимерными лаками, в то время как для пленок темных тонов дополнительная защита не обязательна. Используя сочетание обычных методов бесцветного анодирования с процессами самоокрашивания можно получить и оксидные пленки светлых тонов достаточной толщины с высокой коррозионной стойкостью.

Покрытия второй группы используют для деталей, подвергаемых значительным циклическим нагрузкам. Они распространяются на стойкие сплавы первой и третьей групп, а также на те состояния сплавов второй группы, которые обеспечивают высокое сопротивление как коррозионному растрескиванию, так и расслаивающей корозии. Для этого класса применяют лакокрасочные и полимерные покрытия; во многих случаях целесообразно полностью исключить подготовку поверхности обычными методами анодного оксидирования, когда толщина пленки превышает 3 мкм. Это связано с тем, что на поверхности образцов, анодированных в сернокислотном электролите, на толщину 10 мкм, трещины появляются при угле загиба всего лишь 4°; при уменьшении толщины сернокислотной пленки до 5 мкм трещины образуются при угле загиба 30°. В этих же условиях возникают трещины и в пленке, полученной в хромовокислом электролите, но их число меньше. На поверхности материалов с конверсионными хроматно-фосфатными пленками, особенно при толщине 0,1-0,3 мкм, и с анодно-оксидной толщиной 0,05-0,15 мкм трещины не наблюдаются даже при загибе на 180°. Как видно из табл. 78, анодное оксидирование заметно снижает усталостную выносливость.

Для пленки, полученной в хромовокислом электролите, этот эффект несколько меньше при малых значениях механических напряжений. Имеются сведения о положительном влиянии анодно-оксидных пленок на предел выносливости сплавов. При этом авторы исходили из того, что в анодно-оксидной пленке возникают сжимающие напряжения. Поэтому, если уменьшить величину напряжений (например, путем добавок в раствор анодирования или другими технологическими приемами), то проявляется положительный эффект, аналогичный эффекту поверхностной пластической деформации при обкатке роликами или дробеструйной обработке.

Эксперименты, однако, показали, что наибольшее влияние оказывает неоднородный рельеф пленки, способствующий концентрации напряжений. Поэтому и предел выносливости, хотя и в меньшей степени, чем сопротивление усталости при повышенных значениях напряжений на ограниченной базе, но понижается. Примером могут служить результаты испытаний анодированных образцов сплава В95Т1, изготовленные из прессованного полуфабриката (рис. 98).

Как видно из рис. 98, травление в щелочи снижает предел выносливости на 40%. Если теперь за исходное взять значение предела выносливости травленого образца, то анодирование на 3; 5; 10 мкм уменьшает его на 10, 30, 40 % соответственно. Отрицательное влияние анодно-оксидной пленки толщиной более 3 мкм проявляется и при нанесении лакокрасочного покрытия. Возникновение трещин в оксидной пленке снижает адгезию лакокрасочного покрытия и коррозионную стойкость в этих местах.

Трещины в анодно-оксидной пленке появляются в результате преобразования ее структуры под влиянием нагревов. Такие трещины также приводят к образованию коррозионных точек вследствие нарушения адгезии.

Тонкослойные методы подготовки поверхности под лакокрасочное покрытие имеют преимущество перед обычными анодно-оксидными. Они позволяют не только устранить понижение усталостной прочности, но и повысить адгезию - один из главных показателей, определяющих коррозионную стойкость. Ниже приведены значения адгезии для различных видов обработки поверхности, г/см:

Третью группу покрытий целесообразно применять для второй и третьей групп сплавов, если последние обладают чувствительностью к расслаивающей коррозии или коррозионному растрескиванию. От этих видов коррозионного поражения не удается защитить алюминиевые сплавы лакокрасочными и полимерными пленками. Необходимо использовать металлические покрытия в виде плакирующих или термодиффузионных слоев, обеспечивающих электрохимическую защиту. Еще более эффективна комплексная защита, в которой металлическое покрытие дополнительно защищено лакокрасочным слоем. Из табл.79 видно, что в агрессивной среде для сплава системы А1-Сu-Мп (1201) даже плакирование алюминием с добавкой цинка (АЦпл) не обеспечивает полной защиты от межкристаллитного питтинга.

Технический алюминий в качестве плакирования мало эффективен. Ненамного отличается от него алюминий высокой чистоты. Однако специальный сплав АЦ2 практически полностью защищает основу, при этом он и сам подвергается коррозии заметно меньше, чем другие сплавы, указанные в табл. 83. Это обусловлено изменением (вследствие специального легирования) электрофизических свойств поверхностной пленки, резко снижающим процесс саморастворения плакирующего слоя.

Эффект анодной защиты проявляется заметнее в том случае, когда покрытия третьей группы используют в целях предупреждения сквозной питтинговой коррозии тонкостенных оболочек. Это связано с тем, что при сдвиге потенциала в пассивную область питтинг на алюминиевых сплавах не возникает (табл. 80).

Если контактную пару металл - покрытие подобрать таким образом, чтобы ее потенциал был в пассивной области для обоих контактирующих материалов, вероятность образования и развития питтинга существенно снижается.

Для защиты от расслаивающей коррозии и коррозионного растрескивания недостаточно контролировать только электродный потенциал, поскольку при определенной степени пассивации чувствительность к этим видам коррозии усиливается. В этих случаях, согласно кинетике электрохимических реакций, металлическое покрытие на алюминиевых сплавах для достаточной защиты должно в контакте с основой обеспечивать ток, несколько превышающий по значению предельный диффузионный ток (рис. 99).

Оценка эффективности плакирования по электрохимическим характеристикам совпадает с результатами испытаний на расслаивающую коррозию и коррозионное растрескивание. Например, испытания тонкого листа из сплава Д16 со снятой плакировкой показали, что образцы в виде «петель» в среднем разрушаются за 20 дней, а в четырехточечном приспособлении - за 50 дней. Плакированные образцы не разрушаются в течение года и более.

Аналогичная картина наблюдается и для сплавов; АК4-1 и 1201 при плакировании сплавом АЦпл. В то же время при плакировании алюминием АД1 образцы разрушаются, хотя и за более значительное время, чем без плакирования. Плакирование сплавами АД1, АЦпл, АЦ2 хотя и обеспечивает заметный защитный эффект, но понижает механическую и особенно усталостную прочность. Однако применение сплава П35-3 позволяет одновременно повышать предел усталости (практически без снижения уровня временного сопротивления) и достигать более значительной эффективности электрохимической защиты по сравнению со сплавом АЦпл. В США аналогичные сплавы 7008, 7011 также используются для защиты проката из сплава В95 (7075) с целью увеличения сопротивления усталости.

Метод электрохимической защиты металлическим покрытием оказался пригодным и для сварных соединений. Так, сварные соединения из сплава 1201, выполненные из листов со снятым плакирующим слоем, в испытаниях с заданной растягивающей нагрузкой при переменном погружении в 3 %-ный раствор NaCl интенсивно разрушались при напряжениии выше 140 МПа. Разрушение плакированных образцов в тех же условиях наблюдалось только при напряжениях выше 240 МПа.

Представляет большой интерес электрохимическая защита сварных соединений из сплавов системы А1- Zn-Mg. Образцы сплава (4,2 % Zn; 1,8 % Mg; 0,3 % Mn; 0,15 % Cr; 0,18 % Zr), защищенные как плакированием, так и напылением сплава П35-3, при испытании в течение 6 мес в морской тропической атмосфере не проявили чувствительности к расслаивающей коррозии. Они также не разрушались при испытании на коррозионное растрескивание в течение года в 3 %-ном растворе NaCl (табл. 81).

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Алюминирование

Защитные покрытия из алюминия наносят различными способами на углеродистую и коррозионностойкую сталь, на чугунное литье, а также на медь, титан и латунь. Алюминием покрывают полосы, листы, проволоку, трубы и штучные изделия преимущественно из стали. По масштабам применения важнейшим способом является покрытие погружением малоуглеродистой стальной полосы. В последние годы этот способ получил очень широкое распространение в отдельных странах благодаря пуску современных агрегатов горячего алюминирования (объем производства 1 млн. т в год, толщина полосы 0,4— 2,0 мм, ширина до 1500 мм).

Благодаря особым свойствам горячеалюминированных листов такой способ является ценным дополнением горячего цинкования. Очевидно, что народнохозяйственное значение горячеалюминированной стали еще не полностью выявлено.

Горячеалюминированная сталь обладает более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с горячеоцинкованной сталью в очень многих средах (рис. 4.41), характеризуется значительно лучшей жаростойкостью и окалиностойкостью, высокой отражательной способностью при отводе тепла излучением, безвредна для человека; термически обработанные детали имеют хорошую износостойкость.

Горячеалюминированные листы применяют в строительстве, при сооружении топочных устройств, в автомобилестроении, судостроении, химическом аппаратостроении, пищевой промышленности и сельском хозяйстве. В числе наиболее распространенных изделий можно назвать: глушители для автомобильных двигателей, обшивку стен, печи, трубопроводы, теплообменники.

4.4.1. ФОРМИРОВАНИЕ СЛОЯ ПРИ ГОРЯЧЕМ АЛЮМИНИРОВАНИИ СТАЛИ

Для горячего алюминирования справедливы те же зависимости. Поэтому имеется большое сходство с процессами и агрегатами, применяемыми для горячего цинкования.

При погружении стали в жидкий алюминий на ее поверхности в результате диффузионных процессов образуются соединения железо — алюминий в твердом состоянии. Этот слой сплава может состоять из фаз, перечисленных в табл. 4.8 (см. также диаграмму состояния системы Fe — А1), рост и расположение которых зависят от температуры и времени. Преобладающей составляющей является фаза Fe₂Al₅, скорость роста которой довольно велика (коэффициент диффузии D для алюминия в этой фазе в диапазоне температур 630—730 °С составляет от 0,15- 10 -5 до 2,7-10 -5 см 2 /с ). Поэтому температура ванны и полосы, а также

а — с чисто алюминиевым покрытием (температура ванны на 30 °С выше точки плавления, температура полосы 750 °С, продолжительность погружения 4,5 с); б — с покрытием типа AlSi8 (А1 + 8 % Si, температура ванны на 80 °С выше температуры ликвидуса сплава AlSi8; температура полосы 650 °С; продолжительность погружения 4 с); 1 — основной металл (железо): 2 — слой сплава; 3 — верхний слой покрытия

продолжительность погружения должны соответствовать нижнему технически возможному пределу. Уменьшение толщины возникшего диффузионного слоя уже невозможно (если не считать процессов деформации, при которых слой сплава разрывается.

Верхний алюминиевый слой возникает над слоем сплава при выходе стальной полосы из жидкой ванны алюминирования. Суммарный состав этого покрытия соответствует химическому составу ванны. В зависимости от легирования ванны и наличия в ней загрязнений могут появляться различные фазы.

После извлечения из ванны слой сплава может продолжать расти в зависимости от температуры и энтальпии покрываемого предмета, а также от интенсивности охлаждения.

4.4.2. ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВРЕМЕНИ

С увеличением температуры ванны толщина слоя сплава растет по степенному закону с показателем степени т > 1, а с увеличением продолжительности

погружения — по параболическому закону в зависимости от времени.

4.4.3. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ВАННУ АЛЮМИНИРОВАНИЯ

При большинстве способов алюминирования методом погружения в алюминиевый сплав кинетика диффузии, а следовательно, химический состав, морфология и рост фаз и слоев сплава существенно зависят от легирующих добавок, введенных в ванну. При горячем алюминировании большое промышленное значение имеет кремний, который добавляют в жидкий алюминий в количестве до 10%. Этим достигается резкое уменьшение роста слоя сплава и подавляется образование слоя сплава в виде язычков. С увеличением содержания кремния до 11,6 % температура солидуса ванны алюминирования снижается. Верхний слой покрытия состоит из фаз а-А1, А1—Fe — Si и Si, а слой сплава — из фаз Fe₂Al₅, FeAl₃ и А1—Fe—Si.

4.4.4. МЕТОДЫ АЛЮМИНИРОВАНИЯ

Горячее алюминирование осуществляется с помощью периодических и непрерывных процессов. Если проводить классификацию процессов по требуемой предварительной обработке, то можно назвать следующие способы:

с нанесением и сушкой растворов флюса;

с применением расплавленных флюсов;

с предварительной обработкой в реакционном газе;

с предварительным нанесением какого-либо металлического покрытия, например кобальта, меди, олова, цинка (данные о промышленном применении таких процессов пока отсутствуют).

Горячеалюминированную стальную полосу получают по аналогии с процессом на современных агрегатах непрерывного действия с предварительной обработкой реакционным газом и с устройством для регулирования покрытия (воздушный нож). Пассивирование поверхности алюминия может быть обеспечено последующим хроматированием.

4.4.5. СВОЙСТВА ГОРЯЧЕАЛЮМИНИРОВАННОГО СТАЛЬНОГО ЛИСТА

Свойства горячеалюминированных стальных листов зависят от состава и структуры покрытия и марки стали полосы.

Слой покрытия на малоуглеродистой стальной полосе доходит до 100 мкм. Слой сплава имеет толщину до 60 мкм. Поэтому последующая обработка давлением возможна лишь в ограниченных пределах ввиду опасности отслоения покрытия. Однако коррозионная стойкость получается весьма высокой, равно как и окалиностойкость и жаростойкость, благодаря наличию проросшего слоя сплава железо — алюминий.

В ваннах алюминий — кремний (содержание кремния до 10 %, температура ванны около 680 °С, время погружения до 5 с) покрытие на малоуглеродистой стальной полосе, б) имеет толщину 25—40 мкм, а слой сплава — около 10 мкм. Ввиду меньшей толщины и твердости покрытия возможно проведение обычных операций обработки листа давлением.

Важнейшими процессами переработки горячеалюминированных стальных листов являются резка, вырубка, гибка, фальцовка, тиснение, профилирование, вытяжка и глубокая вытяжка, причем должны применяться листы из соответствующих сталей. Кроме того, возможно эмалирование. Способами соединения могут быть: соединение болтами, заклепочное, фальцовка, склеивание, сварка (точечная, рельефная, роликошовная, высокочастотная, неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного газа И - плазменная).

5. осаждение покрытий из паровой фазы в вакууме

К способам нанесения покрытий из паровой фазы в вакууме относятся: катодное напыление; термическое напыление и ионное плакирование.

При катодном напылении скорость осаждения невелика. Способ применим только при нанесении покрытий на небольшую площадь в условиях периодического процесса. Ионное плакирование как сравнительно новый способ вакуумного нанесения покрытий находится пока на стадии разработки.

Важнейшим способом вакуумного нанесения покрытий является осаждение из паровой фазы в вакууме, при котором материал покрытия испаряется в вакууме и осаждается на материал подложки (имеющий гораздо более низкую температуру по сравнению с испаряемым материалом), где конденсируется и затвердевает. Материалы покрытий и подложек и возможности применения процессов осаждения из паровой фазы в вакууме (вакуумного напыления) могут быть весьма разнообразными.

Элементы, в первую очередь металлы: А1 (преобладает), Си, Ag, Cr, Ge, Se, Cd, Zn, Si, Ti, Rh, Pd, Ir, Pt, Mo, Та, W. Сплавы с учетом различного давления паров их компонентов, например Fe — Сг, Ni — Cr, Ni — Сг — Fe, латунь. Соединения, не подвергающиеся термической диссоциации, например А1₂0₃, SiO, Si0₂, фториды, различные полимеры и т. д.

Подложки (покрываемые материалы)

Листовая продукция (полоса) и фасонные изделия из металла (в первую очередь из стали), стекла, бумаги, ткани, пластмассы и керамика (подложки с высоким собственным давлением паров подвергаются предварительной обработке).

Оптика: зеркала и светофильтры.

Электроника: конструктивные элементы контактов, селеновые выпрямители, интегральные печатные схемы, изоляционные покрытия, проводящие покрытия в нагревателях, тонкие слои в блоках памяти, фольговые конденсаторы и т. д. Стекольная промышленность: стекло с теплоотражающими покрытиями. Упаковочная промышленность: напыление покрытий на фольгу с декоративными и упаковочными целями.

Ювелирная промышленность: декоративная отделка поверхности. Металлургия: нанесение покрытий на стальную полосу.

Наиболее производительным по скорости нанесения покрытия (толщине слоя за единицу времени) и по покрываемой площади является процесс непрерывного нанесения металлического покрытия на полосу, например осаждение алюминия из паровой фазы на стальную полосу. В последнее десятилетие этот процесс находит промышленное применение. Разработка крупнопромышленных процессов напыления алюминия на стальную полосу была ускорена все более широкой заменой белой жести другими упаковочными материалами, не содержащими олова; сравнительной простотой осаждения из газовой фазы таких металлов, как алюминий и титан, которые при гальванических способах нанесения или при погружении в расплав образуют слой толщиной 0,5—15 мкм, не пригодный для использования в качестве защитного; значительно меньшим загрязнением окружающей среды при способах нанесения покрытий из паровой фазы, чем при электролитических процессах (при которых требуются большие затраты на обработку сточных вод, образующихся в значительных количествах); возможностью достижения высокой скорости осаждения, например 50 мкм/с, на установках небольшой рабочей длины; разработкой высокопроизводительных и надежных в эксплуатации электронных пушек (генераторов электронного луча) для испарения трудно испаряющихся металлов.

С начала 60-х гг. в , СССР, США, Западной Европе и Японии ведутся проектно-конструкторские работы по напылению алюминия на стальную полосу; был пущен в эксплуатацию ряд лабораторных » опытных установок.

С 1971 г. стальная полоса с алюминиевым покрытием, нанесенным из паровой фазы, изготовляется в в промышленных масштабах и применяется в металлоперерабатывающей промышленности как заменитель белой жести .

Алюминирование

Нанесение на поверхность металлических изделий покрытий из металлического алюминия или алюминия сплавов. К А. прибегают, чтобы защитить поверхность изделий от коррозии металлов, при необходимости — с декоративной целью. Покрытия создают одно- и многослойные (один из слоев — из металлического алюминия), к-рые могут быть анодированы (см. Аиодирование) или окрашены. Широко применяется диффузионное насыщение поверхности металлических изделий алюминием (см. Алитирование). Алюминирование осуществляют газопламенным и плазменным распылением металла (см. Газопламенные покрытия, Плазменные покрытия), плакированием, испарением металла в вакууме (см. Вакуумные покрытия). Различают также алюминирование горячее, электролитическое и А. нанесением алюминиевого порошка.

Горячее алюминирование, проводимое в ваннах с расплавленным металлом (так же, как и горячее цинкование), применяют в основном для нанесения покрытий на полосы и листы. По одному из методов горячего А. стальную полосу вначале нагревают в печи с окислительной средой до т-ры 450° С, с тем чтобы сжечь остатки смазочных масел и создать на поверхности изделия тонкую пленку окислов железа. Затем полоса поступает в печь с восстановительной средой, где при т-ре 730—800° С эти окислы восстанавливаются. После охлаждения в спец. зоне печи полосу пропускают через ванну с алюминиевым расплавом, охлаждают на воздухе и сматывают в рулон.

Для нагрева ванн используют силитовые стержни, через к-рые пропускают электрический ток. Есть также ванны с индукционными (посредством токов низкой частоты) и магнито-стрикционными нагревателями. Скорость движения полосы до 1 м/сек. Толщина покрытия (0,02—0,07 мм) определяется его назначением и регулируется скоростью движения полосы и т-рой расплава. Рулоны окончательно обрабатывают обычно в правильных машинах, иногда — в клетях для холодной прокатки (дрессировки). Для того, чтобы на поверхности изделий и расплавленного металла не образовывались окисные пленки, снижающие адгезию алюминия и основы, в металл вводят флюсы, процесс ведут в защитной среде или на поверхность изделия предварительно наносят промежуточные покрытия. При люминирование стальных изделий флюсами служат бура, хлористый аммоний, борная к-та, борнокислая соль, криолит с добавками хлористого алюминия, хлориды бария; материалами промежуточных покрытии — чаще всего кадмий, олово, цинк, никель.

Электролитическое алюминирование проводят её солевых расплавов, преимущественно при осаждении алюминия из электролита AlCl 3 — NaCl — КСl в инертной среде или из электролита 2AlCI 3 — NaCI с добавлением сотых долей моля свинца в защитной среде азота. Оптимальные т-ры электролитов составляют 130—160° С, катодная плотность тока для этих электролитов соответстве нно 0,1— 0,3 и 3—5 а/дм ² , выход металла по току — 90—100%. Покрытия получаются гладкие и плотные, однако скорость их нанесения относительно невелика — не более 20 мкм/час. Большей производительностью, чем электролитическое А., характеризуется алюминирование нанесением на поверхность изделий алюминиевого порошка из жидкой фазы, электростатическим и электрофоретическим способами.

Нанесение порошка из жидкой фазы осуществляют, напр., напылением раствора диэтилгидрида алюминия на изделие, нагретое до т-ры не менее 260° С.

Под воздействием тепла диэтилгидрид алюминия разлагается и продукт разложения — алюминий оседает на покрываемую поверхность. Толщину покрытия (0,5 мкм — 1 мм) регулируют т-рой нагрева. Скорость нанесения покрытия — 100 — 600 мкм/мин. Покрытие отличается высокой чистотой, значительной плотностью, хорошим сцеплением с поверхностью. Процесс проводят в инертной среде (из-за опасности воспламенения диэтилгидрида алюминия). Электростатический способ алюминирования основан на переносе отрицательно заряженных частиц алюминиевого порошка в электростатическом поле.

По этому способу на очищенную и увлажненную поверхность изделия (стальной полосы) наносят с помощью спец. устройства сухой порошок алюминия. Составные части этого устройства — вибропитатель, комплект вибросит и источник электростатического поля (между изделием и прилегающим к нему ситом) напряженностью до 20 кв. Частицы алюминия, приобретая отрицательный заряд при прохождении через отрицательно заряженное сито, взаимно отталкиваются и равномерно осаждаются на алюминируемой поверхности. Потеряв заряд при контакте с изделием, порошок удерживается на его поверхности водяной пленкой. После нанесения покрытия изделие сушат в электрической радиационной печи при т-ре 350° С в течение минуты, затем покрытие уплотняют прокаткой и очищают.

На заключительной стадии изделие подвергают термической обработке: быстрому (порядка 15 сек) нагреву на воздухе до т-ры 500—600° С с последующим самопроизвольным охлаждением или медленному (в течение 15 ч) нагреву в печи до т-ры 450° С с последующим охлаждением на воздухе. Толщину покрытия (0,05 — 1 мм) регулируют скоростью подачи порошка вибропитателем.

Покрытия, полученные электростатическим способом, имеют удовлетворительные св-ва, однако процесс их нанесения громоздок. По технологическим возможностям, производительности, универсальности и экономической эффективности наибольшие преимущества имеет алюминирование испарением металла в вакууме . Структура и св-ва алюминиевых покрытий в значительной степени определяются способом их нанесения.

Так, структура вакуумных покрытий и покрытий, полученных горячим способом, подобна структуре отожженного алюминия. Структура покрытий, образуемых нанесением алюминиевого порошка, газопламенным и плазменным распылением, во многом обусловливается наличием окислов алюминия. У таких покрытий выше твердость, ниже электропроводность по сравнению с чистым алюминием. На эксплуатационные св-ва алюминиевых покрытий, в частности на прочность сцепления и деформцруемость, влияет толщина переходного слоя (диффузионного слоя между поверхностью и покрытием), зависящая от т-р ы времени а. и термообработки, хим. состава изделия, а при горячем а и от состава расплава. Хорошими эксплуатационными св-вами отли чаются алюминированные изделия с толщиной переходного слоя не более 5—7 мкм. При вакуумном а толщина переходного слоя, как правило , не превышает долей микрометра. При горячем а. толщину этого слоя можно уменьшить, вводя в ванну различные добавки (напр, 2—12% Si).

Добавки по-разному влияют на внешний вид алюминиевых покрытий: добавки висмута кальция, кремния и меди снижают отражательную способность покрытия, добавка никеля делает покрытие шероховатым без существенного уменьшения блеска, добавки бериллия, кальция, хрома, меди и марганца придают покрытию оттенок седины.

Покрытия из чистого алюминия достаточно стоики в воде и на воздухе, что обусловлено образованием на поверхности окисной пленки, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюминиевые покрытия устойчивее цинковых — примерно в шесть раз при одинаковой их массе и в 2,5 раза при одинаковой толщине. В атмосфере пром. предприятий стойкость горячеалюминиро-ванных изделий в 10 раз выше стойкости горячеоцинкованных, в горячей воде — в 15 раз. Алюминированные изделия сохраняют блеск до т-ры 470° С, отражая 85% тепла и света. Вакуумное алюминиевое покрытие в 15—20 раз повышает стойкость стали к газовой коррозии при т-ре 700—800° С.

Алюминирование дает возможность защищать от коррозии детали самолетов, ракет и автомобилей, сварные трубы, стенные и кровельные панели, обогревательные приборы, сельскохозяйственный инвентарь и инструменты, изделия бытового назначения. Алюминированную жесть используют взамен луженой в консервной промышленности. Экономическая эффективность А. основывается на его низкой себестоимости, на существенном повышении срока службы алюминированных изделий, прежде всего изделий из сталей и алюминиевых сплавов.

Лит.; Виткин А. И., Тейндл И, И. Металлические покрытия листовой и полосовой стали. М., 1971 Ройх И. Лм Колтунова Л. Н. Защитные вакуумные покрытия на стали. М., 1971.

Металл с алюминиевым покрытием

Защита алюминия покрытиями

Алюминирование

Алюминирование

Похожие страницы: