Нанесення покриттів — Енциклопедія Сучасної України

Нанесення покриттів

НАНЕ́СЕННЯ ПОКРИТТІ́В – технологічні процеси створення на виробі поверхневого шару з наперед визначеними властивостями, що відрізняються від основного матеріалу. Н. п. здійснюють для захисту від корозії виробів у різноманіт. агресив. середовищах; для декорування деталей з одночас. захистом їх від впливу довкілля; для зміцнення – підвищення опору матеріалу або заготовки руйнуванню, зносостійкості, залишк. деформації; для надання поверхні виробу спец. властивостей (зокрема й струмопровід., електроізоляц., магнітних, твердості), відновлення зношених деталей; для зміни якості, напр., для маскування смаку, захисту чи контро­льованого вивільнення актив. компонента (продукції харч., фармацевт. й ін. галузей пром-сті). До процесів Н. п. відносять: металізацію, фарбування, напилення, гарячі металопокриття, дифуз., детонац. та гальванічні покриття тощо. У 9–8 ст. до н. е. керам. посуд вилискували зсередини. У скіф.-сармат. часи виготовляли лощені келихи та корчаги, на які наносили рельєф. орнамент. У 3–2 ст. до н. е. у Пн. Причорномор'ї посуд розписували чорною та червоною фарбами на світлому ангобі. Протягом століть у різних місцевостях виготовляли позолочені художні вироби з міді та бронзи. Технологія Н. п. була різноманітною. Особливо багато виробів періоду Середньовіччя, коли моду на позолоту італ. і франц. майстри запозичили у фахівців Араб. Сходу. Донині не повторено технологію часів імперії інків, що полягала у виготовленні прикрас унаслідок Н. п. платиною, розплавити яку без сучас. обладнання неможливо (Тпл. = 1730 °С). Гробниця китай. полководця 3 ст. Жоу Чжу покрита орнаментом з алюміній-мідно-магнієвого сплаву. У 18 ст. створ. технологію Н. п. золотом, за допомогою якої речі покривали матовою та яскравою позолотами, а також різними кольорами (див. Золота сплави). Повністю не розкрито хім. склади матеріалів і технол. режими тонування бронз. та заліз. виробів у зелений, коричневий і золотисті кольори. Багатокольор. тони створюють під час оброблення міді вуглекислотами. Покриття патиною були розроблені також для олова, свинцю, цинку. За допомогою порошку спец. складу виконують чорнення срібла, наносять малюнки та написи. З давніх часів відоме й Н. п. фарбами. Лакофарб. покриття (див. Лакофарбові матеріали) застосовують для надання поверхні деталей антикороз. властивостей, красивого зовн. вигляду та ін. Їх не можна наносити на деталі, що мають точні допуски, піддаються нагріванню та мех. впливам (напр., тертю). Для захисту від впливу довкілля, з декор. й ін. цілями Н. п. виконують олій. фарбами чи лаками. Як гідрофіл. матеріали застосовують покриття на основі фенол., кам'яно­ву­гіл., епоксид., фурил. смол, бакеліт. лаку з наповнювачами графітом, андезит. борошном, а також скло, різні склоемалі, полівінілбутиралевий лак, гліфтал. лаки з домішкою хроматів (цинк. крон) і без хроматів, бітумні лаки, шелак, нітрофарби, олійні фарби з різними пігментами і без пігментів тощо. Для захисту хім. апаратури наносять модифіков. фурил. смолу, бакеліт. лак з домішками каоліну, нафталіну, цинк. крона або алюм. пудри. Як електропровідне неметал. покриття використовують колоїдні суміші графіту або металу з лаком. Мист-во нанесення емалі було відоме ще у Стародав. Єгипті (див. Емаль і полива). Їхні склади, способи виготовлення та методи нанесення тримали в таємниці. Наприкінці 19 ст. набули поширення емал. покриття кухон. посуду, котлів, раковин, ванн, труб, торг. обладнання, вказівників, вивісок, ювелір. прикрас та ін. Емалі наносять на алюміній, нержавіючу сталь, мідь, благородні метали з урахуванням їхніх декор. властивостей для підвищення стійкості осн. металу. Застосовують сухий і мокрий способи Н. п. емаллю. Отримувані при цьому різноманітність забарвлення та міцність вищі, ніж при нанесенні по­криттів ін. видів. Від 19 ст. Н. п. металами в пром-сті здійснюють гальваніч., хім., гарячим, дифуз., деякими металізац. способами. При виборі виду покриття враховують умови роботи виробу й окремих деталей. Найбільш поширений гальваніч. (електролітич.) спосіб Н. п. полягає в осадженні металів при електролізі водних розчинів відповід. солей. Покриття наносять у гальваніч. ваннах, куди деталь вміщують на спец. підвісках, а дрібні деталі – в сітчасті кошики. Деталь, що покривають, слугує катодом, а метал, яким покривають, – анодом. Часто для покриття використовують срібло, золото, олово, нікель, кадмій, паладій, платину і родій. Такі контактні матеріали, як мідь і її сплави, легко покривати будь-яким з перерахованих металів. Для протикороз. захисту нікел. покриття може бути отримане на сталях, алюмінію, титані та цинку, а також на непровідниках – кераміці та пластиках. Пасивацію літієвих джерел струму здійснюють при взаємодії електроліту з літієвим анодом. Нанесена на літієвий анод тонка плівка з високим опором уповільнює процес розряду та розкладання літію, зменшує швидкість саморозряду акумулятора. При хім. способі Н. п. тонкий щільний шар оксиду металу на поверхні виробу утворюється зі спец. розчинів під дією тих чи ін. ре­агентів. Так, при нагріванні захисна плівка на сталевих деталях утворюється в атмосфері водяної пари або розплавленої селітри. Хім. осадження нікелю на скло, кварц, пластмасу або папір досягають обробленням 10-відсотк. розчином хлористого олова, а потім – гарячим розчином хлористого паладію. Найбільш широке застосування з хім. покриттів набули оксидування та фосфатування. Вороніння сталі та чавуну (оксидування, чорніння) виконують у лужних розчинах з окислювачами при т-рі 135–150 °C, у кислих розчинах – хім. або електрохім. способами; окислення здійснюють при високих т-рах у повітр. атмосфері, парах або розплавлених солях із поперед. покриттям шаром асфальт. або масляного лаку. Гаряче Н. п. здійснюють зануренням виробу у ванну з розплавленим металом (Zn, Sn, Pb та ін.). Н. п. оловом (лудіння) застосовують для полегшення паяння, для герметизації згвинчувал. різьб. з'єднань, для захисту ємностей і устаткування харч. пром-сті тощо. Дифуз. спосіб Н. п. полягає в спіл. нагріванні виробів і порошку металу покриття або нагріванні виробу в парах летких з'єднань металу. Його застосовують для покриття сталевих деталей цинком (шерадизація), алюмінієм (алітирування), кремнієм (силіціювання). Анодування можливе фактично для будь-якого металу. Н. п. анод. оксидуванням є одним з осн. методів захисту алюмінію та його сплавів від корозії. У хромокислих розчинах отримують плівки світло-сірого кольору, а в сірчанокислих – безбарвні. У серед. 20 ст. в СРСР розроб­лено технологію Н. п. металоплакуючими мастил. матеріалами, у склад яких вводять порошки металів з високими антифрикц. властивостями (міді, їх сплавів та ін.). При роботі вузлів тертя утворюється плівка товщиною декількох атом. шарів з високими антифрикц. і антикороз. властивостями. Застосування пластич. мастил значно підвищує довговічність вузлів тертя, знижує втрати енергії на тертя. Для Н. п. на поверхні виробів струмопідвід. матеріалами, легування, збільшення зносостійкості, твердості, антифрикц. властивостей 1938 Б. Лазаренко (разом з дружиною) розробив метод електроіскр. оброблення металів. У 1960-х рр. створ. технологію золочення напівпровідник. приладів (транзисторів) за допомогою електроіскр. оброблення (Б. Антонов, Болгарія). У цей же період в Ін-ті електрозварювання АН УРСР (Київ) вивчено взаємодії надвисокочастот. випромінювання гіротрона та виготовлено перше обладнання для Н. п. поліетилену з метою антикороз. захисту метал. конструкцій (Б. Патон). Іонно-плазм. технологія, розроблена 1978 у Харків. фіз.-тех. ін-ті (В. Зелінсь­кий, Г. Карамазов, В. Павлов та ін.), включає стадії електронно-променевого випаровування матеріалів, іонізації парів, що утворю­ються, конденсації їх у плазм. стані на поверхні підкладки. Для різних цілей Н. п. застосовують у авіаракет. пром-сті. 1962–80 в Ін-ті проблем матеріалознавства АН УРСР розроблено фіз. основи міцності тугоплав. металів і сплавів, створ. технології їх одержання та оброблення виробів спец. техніки (В. Трефілов). Цим же Ін-том спільно з Пд. маш.-буд. з-дом (Дніпропетровськ, нині Дніпро) створ. теплозахисні покриття (І. Францевич), Всесоюз. ін-том авіац. матеріалознавства (Мос­ква) – радіопоглинал. покриття для захисту гол. частин від радіолокац. виявлення, матеріалів оп­тич. захисту гол. частин ракет (О. Туманов). У 2000-х рр. в Ін-ті електрозварювання НАНУ розроблено парофазну технологію отримання неорган. матеріалів з аморф., нано- та мікророзмір. структурою. Вперше в світі створ. жаростійкі та теплозахисні покриття, композитні матеріали на основі металів, їх оксидів, карбідів і боридів, мікрошар. композиц. матеріали типу метал–метал або метал–оксид, відкрито явище надпластичності цих матеріалів. Уведенням у паровий потік актив. газів або відповід. домішок різних актив. металів отримано різноманітні металокерам. багатофазні, градієнтні покриття, що застосовують для біоімплантантів, пристроїв для каталізу, фільтрів, захисту лопаток газотурбін. двигунів для роботи при т-рах вище 1600 °С (Б. Патон, Б. Мовчан). У Міжнар. центрі електронно-променевих технологій Ін-ту електрозварювання НАНУ створ. технологію Н. п. дискрет. металевих нанорозмір. часток металів (Ag, Cu, Fe, Pd та ін.) на поверхні орган. і неорган. порошків та гранул з метою розширення спектра їх функціонал. властивостей. Зокрема розроблено наноструктурні мед. речовини та препарати, розчини наночастинок для адрес. цілеспрямованого транспортування діагност. і лікар. препаратів. У Нац. аерокосміч. ун-ті «Харків. авіац. ін-т» створ. технології Н. п. зі спец. властивостями (іонно-плазмові, газоструменеві, газодетонаційні та ін.). Вентил. фотоелементи виготовляють за допомогою нанесення шару селену на метал. основу з подальшим напиленням напівпрозорої плівки срібла або ін. благород. металу. Між селеном і метал. покриттям утворюється замикаючий шар. При іонно-катод. розпиленні утворюються атоми, іони й кластери, однак немає теплової рівноваги, чим і відрізняється від випаровування. Радіац. Н. п. відбувається під дією опромінення високоенергет. електронами, іонами, жорсткими фотонами та дозволяє управляти структурою і властивостями плівок. Радіац. технології підвищують пружність та міцність металів і сплавів. У Ін-ті електрозварювання НАНУ розроблено технологію Н. п. метал. порошками за допомогою енергії електрич., магніт., тепл., деформац. і акустич. хвиль для створення нано- і мікрокристаліч. структур, що підвищує твердість і корозійну стійкість, надійність роботи виробів у склад. умовах (напр., газотурбін. двигунів; М. Жадкевич, А. Устинов). Створ. спосіб Н. п. наношарів шляхом випаровування матеріалу (метали, сплави, кераміка) лазер. випромінюванням та внаслідок транспортування утворених парів струменем мікроплазми до оброблюв. поверхні (В. Шелягін). Н. п. в умовах вакууму використовують у планар. технології напівпровідник. мікросхем, під час виготовлення тонкоплівк. гібрид. схем, виробів п'єзотехніки, акустоелектроніки тощо, а також обмежено – при металізації поверхні пластмас. і скляних виробів, тонуванні скла автомобілів. Магнетронне напилення застосовують для отримання тонкошар. тонкоплівк. покриттів з різних матеріалів (для мікроелектроніки); покриттів з просвітлювал., світловідбивал. та захис. властивостями (на деталі оптич. систем і приладів); пристроїв запису інформації та дисплеїв; зміцнювал., стійких до корозії і захисно-декор. покриттів на метали, діелектр. матеріали, скло, пластмаси для виготовлення виробів різного призначення (зокрема й зубних коронок, прикрас), товарів нар. споживання та ін. Цим методом наносять метали, сплави, хім. сполуки, скло, кермети. Магнетрон. розпиленням здійснюють Н. п. з нітриду титану (вирізняється високою атмосферостійкістю та мех. міцністю). Осн. перевагами магнетрон. способу Н. п. є точність отримання покриття фактично з будь-яких матеріалів без порушення стехіометрич. складу і повна екол. безпека (відсутність рідких стікань, газоподіб. викидів, транспортування та зберігання отруй. реагентів). 2001 створ. технологію Н. п. з квазікристаліч. структурою на основі системи Al–Cu–Fe (А. Устинов, В. Чаплюк та ін.). Подрібнюючи зерна до нанорозмір. масштабу, створюючи гетерофазні структури на основі кристаліч. і квазікристаліч. фаз, розроблено покриття, що істотно збільшують термін служби інструментів (прес-форм для виготовлення виробів з армованих вуглецем пластмас, штампів для вироб-ва прецизій. деталей гарячим штампуванням), дозволяють уникнути холод. зварювання деталей вузлів тертя, що працюють в умовах вакууму (Б. Патон, В. Теличко, С. Демченков, А. Устинов спільно з європ. партнерами). В Ін-ті хімії поверхні НАНУ (Київ) сконструйовано багатошар. нанокомпозити із заданими профілями, квант. ямами та двомір. газом. На вузли косміч. апаратів суттєво впливають активне сонячне випромінювання, різні мікрочастинки та ін., тому в різних наук. установах світу, зокрема й в Ін-ті електрозварювання НАНУ, створ. устаткування та технології Н. п. для таких цілей (зокрема у відкритому космосі).

Літ.: Бахвалов Г. Т. Защита металлов от коррозии. Москва, 1964; Трефилов В. И., Мильман Ю. В., Фирстов С. А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. К., 1975; Загребельный А. А., Лукаш Е. С., Никитский В. П. и др. Развитие техники нанесения тонкопленочных покрытий в натурных условиях // Тр. 22-х чтений, посвящен. разработке науч. исследований и развитию идей К. Э. Циолковского. Москва, 1988; Патон Б. Е., Михайловская Е. С. и др. Возможность восстановления покрытий в реальных условиях космоса // АС. 2000. № 1; Мовчан Б. А., Фирстов С. А., Луговской Ю. Ф. Структура, прочность и сопротивление усталости микрокристаллических и ми­крослойных материалов. К., 2016; Яковчук К. Ю., Рудой Ю. Э. и др. Структура и свойства конденсационных градиентных термобарьерных металлокерамических покрытий со связующим слоем NiAl, ле­гированным Y, Hf, Dy // Современ. элек­трометаллургия. 2017. № 4.

О. М. Корнієнко

Статтю оновлено: 2020

Покликання на статтю
О. М. Корнієнко . Нанесення покриттів // Енциклопедія Сучасної України: електронна версія [веб-сайт] / гол. редкол.: І.М. Дзюба, А.І. Жуковський, М.Г. Железняк та ін.; НАН України, НТШ. Київ: Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2020. URL: https://esu.com.ua/search_articles.php?id=71826 (дата звернення: 23.10.2021)