Powłoki

Powłoka - warstwa materiału wytworzona w sposób naturalny albo sztucznie na powierzchni przedmiotu wykonanego z innego materiału w celu uzyskania określonych właściwości technicznych lub dekoracyjnych.

Rys. Schemat budowy powłok: a) jednowarstwowej,

b) wielowarstwowej

Podział powłok za względu na rodzaj materiału powłoki:

• Metalowe (z czystych metali, stopów lub kompozycji metali),

• Niemetalowe (farby, lakiery, żywice, emalie lakiernicze, oleje, cementy, woski, asfalty, smary, emalie szkliste, cermetale, ceramiczne, tworzya sztuczne, kauczuki i gumy).

Podział powłok ze względu na przeznaczenie:

• Ochronne (ochrona przedmiotu przed szkodliwym wpływem atmosfery, czynników mechanicznych i chemicznych,

• Dekoracyjne (nadanie przedmiotowi estetycznego wyglądu (barwa, połysk, faktura) i odporności na pokrywanie się nalotem,

• Ochronno-dekoracyjne,

• Techniczne (nadanie wyrobowi specjalnych właściwości fizycznych, elektrycznych, termicznych lub mechanicznych.

Rodzaje metod wytwarzania powłok:

• Mechaniczne (umocnienie na zimno warstwy wierzchniej przedmiotu metalowego w wyniku nacisku - statycznego lub dynamicznego - narzędzia) - nagniatanie, kulowanie, śrutowanie;

• Cieplno-mechaniczne (połączenie oddziaływania ciepła i nacisku) - natryskiwanie cieplne, platerowanie, utwardzanie detonacyjne, obróbka cieplno-plastyczna;

• Cieplne (oddziaływanie ciepła na warstwę wierzchnią tworzywa w celu uzyskania zmian struktury w stanie stałym, zmiany stanu skupienia lub przeprowadzenia ze stanu stałego w stan ciekły i ponownie w stan stały, przeprowadzenia w stan stały sproszkowanego lub ciekłego tworzywa powłokowego;

• Cieplno-chemiczne (oddziaływanie ciepła i ośrodka chemicznie aktywnego w celu nasycenia tworzywa żądanym pierwiastkiem lub zestalenie tego tworzywa) - metody obróbki cieplno-chemicznej (np. nawęglanie, azotowanie, chromowanie, niklowanie);

• Elektrochemiczne i chemiczne (wytwarzanie powłok metalowych lub niemetalowych na powierzchni metalu, albo wygładzanie czy czyszczenie powierzchni);

• Elektrofizyczne lub elektrochemiczne osadzanie z fazy gazowej (technologie PVD, CVD, PACVD)

Metody elektrochemiczne i chemiczne

Osadzanie galwaniczne

Osadzanie galwaniczne umożliwia wytwarzanie powłok metalowych na powierzchni metalu w wyniku redukcji prądem elektrycznym (na katodzie) jonów metalu czystego lub stopu, z roztworu elektrolitów.

Otrzymane powłoki mogą być jedno- lub wielowarstwowe, o grubości od 0,3 do 300 um. Najczęściej stosuje się chromowanie, niklowanie, cynkowanie, miedziowanie, złocenie, srebrzenie, kobaltowanie. Z powłok wielowarstwowych wymienić można: Sn-Pb, Zn-Ni, Co-Pb, Co-W.

Metody cieplno - fizyczne

W metodach fizycznych do wytwarzania na powierzchni metali lub niemetali powłoki, związanej adhezyjnie z podłożem albo warstwą wierzchnią, są wykorzystywane różne zjawiska fizyczne.

Metodami fizycznymi można wytwarzać powłoki organiczne lub metalowe pod ciśnieniem atmosferycznym lub obniżonym, w większości przypadków z udziałem jonów bądź pierwiastków metali lub niemetali.

Technologie laserowe

Technologie laserowe umożliwiają wytwarzanie cienkich i twardych powłok zwiększających trwałość, wytrzymałość produkowanych wyrobów.

Technologie elektronowe

Technologie elektronowe wykorzystują wytworzoną wiązkę elektronową do oddziaływania cieplnego na powierzchnię przedmiotów umożliwiając jej uszlachetnianie przez: hartowanie, przetapianie, stopowanie, natapianie, wyżarzanie i odpuszczanie.

Metody elektrofizyczne osadzania z fazy gazowej
Technologie PVD

Technologie PVD (Plasma Voapor Deposition) służą głównie do osadzania na podłożu powłoki z innego materiału za pomocą strumienia zjonizowanej plazmy kierowanej elektrycznie na stosunkowo zimne podłoże.

Metody elektrochemiczne osadzania z fazy gazowej
Technologie PACVD

Technologie PACVD (Plasma Assisted Chemical Voapur Deposition) obejmują metody osadzania z udziałem reakcji chemicznej w warunkach aktywacji elektrycznej środowiska gazowego w celu wytworzenia warstw twardych z węglików, borków i innych podobnych związków.

Rys. 9 i 10 przedstawiają schematy komór roboczych do realizacji procesów PACVD.

Technologie malarskie i lakiernicze

Technologie malarskie wykorzystuje się do ochrony materiałów przed korozją, do podniesienia estetyki przedmiotów oraz zwiększenia bezpieczeństwa człowieka.

W metodach tych powierzchnię przedmiotu uprzednio przygotowaną (usunięcie ewentualnej rdzy, odtłuszczenie) pokrywa się farbą lub lakierem.

Stosuje się następujące metody:

• pędzla lub wałka

• natrysku pneumatycznego, natrysku elektrostatycznego z użyciem pistoletu hydrodynamicznego

• zanurzeniowo

• metody proszkowe

Technologie implantacyjne

Technologie implantacyjne umożliwiają modyfikację

struktury warstwy wierzchniej (W W) ciał stałych za pomocą jonów.

Takie oddziaływanie pozwala wprowadzić do W W

pewną liczbę atomów, co wpływa na zmianę jej

właściwości.

Powłoki konwersyjne

Powłoki konwersyjne są to powłoki niemetalowe otrzymywane w wyniku reakcji chemicznej lub elektrochemicznej. Należą do nich powłoki fosforanowe, chromianowe, szczawianowe i tlenkowe.

Powłoki fosforanowe

Fosforanowanie konwersyjne zachodzi pod działaniem roztworów kwasu fosforowego, fosforanów metali ciężkich (Zn lub Mn) lub alkalicznych (Na lub NH4+).

Zastosowanie powłok fosforanowych:

• powłoki antykorozyjne, nasycone zwykle olejami lub smarami (ochrona wyrobów na okres magazynowania)

• Powłoki podkładowe pod powłoki malarskie

• Powłoki izolacyjne dla celów elektrotechnicznych

• Powłoki ułatwiające obróbkę plastyczną na zimno

• Powłoki przeciwcierne zmniejszające współczynnik tarcia części współpracujących.

Powłoki chromianowe

Chromianowanie polega na obróbce chemicznej lub elektrochemicznej niektórych metali i stopów lub powłok metalicznych, w roztworach do chromianowania (kwas chromowy, chromiany, dwuchromiany i inne składniki aktywujące). Chromianowaniu poddaje się głównie wyroby cynkowe (odlewy Zn, galwaniczne lub zanurzeniowe powłoki Zn) oraz kadmowe powłoki galwaniczne. Chromianuje się również takie metale jak: Ag, Mg, Al., Cu, Sn.

Zastosowanie powłok chromianowych:

- zwiększenie odporności korozyjnej metalu lub powłoki ochronnej

• Zmniejszenie podatności powierzchni na tworzenie się na nich odcisków palców

• Zwiększenie przyczepności powłok malarskich lub innych powłok organicznych

• Uzyskanie efektów barwnych lub dekoracyjnych.

Proces technologiczny chromianowania:

• Przygotowanie powierzchni (oczyszczanie i odtłuszczanie)

• Płukanie w wodzie

• Chromianowanie

• Płukanie w wodzie

• Rozjaśnianie lub barwienie powłoki

• Płukanie w wodzie

• Suszenie

• Ewentualne dodatkowe zabezpieczenie otrzymanej powłoki chromianowej.

Powłoki tlenkowe na metalach

Powłoki otrzymywane w wyniku chemicznego utleniania (oksydowania) stali

Proces ten opiera się na przekształceniu warstewki powierzchniowej stali w jej najbardziej trwały tlenek - magnetyt (Fe3O4). Można to otrzymać w temperaturze powyżej 300 oC przez reakcję żelaza z przegrzaną parą wodną.

Najbardziej rozpowszechniona metoda oksydowania stali polega na wytworzeniu powłoki tlenkowej w stężonych roztworach alkaliów z dodatkiem takich utleniaczy, jak azotan lub azotyn sodowy, w temperaturze powyżej 100 oC. (Najlepsze wyniki oksydowania stali uzyskuje się w roztworach NaOH w temperaturze 140 - 145 oC).

Proces technologiczny oksydowania stali:

• Odtłuszczanie w gorącym roztworze alkalicznym

• Trawienie w 50% roztworze HCL w temperaturze pokojowej w czasie 1 minuty

• Płukanie zimną wodą 2 - krotnie

• Oksydowanie

• Płukanie zimną wodą 2 - krotnie

• Płukanie w gorącej wodzie i suszenie

• Obróbka dodatkowa (olejenie, woskowanie)

Anodowanie i barwienie aluminium

Anodowanie (utlenianie anodowe) jest to proces elektrochemicznego utleniania.

Anodowe utlenianie aluminium pozwala otrzymać powłokę o zwiększonej: odporności korozyjnej, twardości, oporności elektrycznej jak również z efektami dekoracyjnymi.

Kąpiele do anodowania aluminium i jego stopów wg agresywności w stosunku do powłoki tlenkowej dzielą się na:

• agresywne, o słabej zdolności roztwarzania, np. kwas cytrynowy - powłoki nieporowate o grubości 1 - 2 um,

• O średniej zdolności roztwarzania powłoki, np. kwas siarkowy,

• O dużej zdolności roztwarzania (nie można otrzymać dobrej, porowatej, dającej się barwić warstwy tlenkowej).

Do najbardziej popularnych kąpieli, z grupy średnio agresywnych, zalicza się roztwory kwasu siarkowego, chromowego i szczawiowego.

Kąpiele z kwasu chromowego stosuje się w przemyśle lotniczym.

Kąpiele z kwasu szczawianowego stosuje się rzadziej, głównie tam, gdzie wymagane są powłoki o mniejszej ścieralności i dopuszczalny jest nieco gorszy wygląd.

Kąpiele z kwasu siarkowego są najtańsze i najczęściej stosowane do anodowania aluminium. Powłoki są przeźroczyste i twarde oraz łatwo dają się barwić barwnikami i barwnymi solami Cu, Fe, Mn, itd., nasycać olejami izolacyjnymi. Po specjalnej obróbce uszczelniającej można je stosować jako antykorozyjne. Obróbka uszczelniająca polega na wygrzaniu świeżo otrzymanych powłok w kąpieli o temperaturze 80 oC.

Powłoki tlenkowe na miedzi i jej stopach

Utlenienie powierzchni tych metali powoduje zwiększenie odporności na działanie korozji atmosferycznej i nadaje powierzchniom mosiężnym i miedzianym piękne, złociste, czarne i czarno-brązowe zabarwienie.

Złocistą barwę otrzymuje się na powierzchniach mosiężnych utlenianych w kąpieli Na2Cr2O7 + H2SO4. Temperatura 18-25 oC, czas obróbki 2-3 s.

Czarną barwę miedzi jej stopów uzyskuje się w procesie utleniania elektrochemicznego w kąpieli NaOH. Czas 20-30 minut, temperatura 60-90 oC.

Powłoki malarskie

Malowanie zanurzeniowe - metoda elektroforetyczna

Malowanie metodą elektroforetyczną można traktować jako połączenie konwencjonalnego procesu zanurzeniowego z działaniem prądu elektrycznego.

Na powierzchni elektrody (przedmiotu) cząstki farby ulegają koagulacji wskutek kompensacji ładunku elektrycznego jonami pochodzącymi głównie z procesu elektrolizy wody. W wyniku osadzania się cząstek farby powstaje na przedmiocie powłoka lakierowa.

Malowanie elektroforetyczne

Do tego procesu stosowane są specjalne farby wodorozcieńczalne, które zawierają cząstki żywicy ze zdyspergowanym pigmentem z niewielką ilością rozpuszczalników organicznych, zwykle alkoholi.

Substancje powłokotwórcze (żywice) po neutralizacji zasadami (farby anoforetyczne) lub kwasami (farby katoforetyczne) i rozpuszczone w wodzie tworzą koloidalne roztwory polielektrolitów.

Otrzymywane powłoki są jednowarstwowymi o grubości 15 - 30 um, chociaż przy użyciu farb z grafitem można wytwarzać również powłoki dwuwarstwowe o grubści 30 - 45 um. Ilość wody pozostającej w powłoce nie przekracza 10 %.

Malowanie autoforetyczne

Malowanie autoforetyczne (autoforeza, chemiforeza) polega na zanurzeniu pokrywanych przedmiotów na krótki czas (do kilku minut) w kąpieli sporządzonej przez rozpuszczenie w wodzie demineralizowanej startera (np. lateks + fluorek żelazowy), aktywatora (kwas fluorowodorowy - HF) i utleniacza (perhydrol - H2O2).

W ten sposób na powierzchni przedmiotu wytwarza się nieorganiczną warstwę konwersyjną i osadzenie organicznej powłoki polimerowej o grubości 20 - 30 um.

Suszenie prowadzi się w dwustrefowej suszarce - w strefie pierwszej następuje odparowanie wody, a w drugiej - właściwe utwardzenie.

Powłoka osadzona autoforetycznie ma jednakową grubość na całej powierzchni kontaktu z farbą. Odporność na korozję jest zbliżona do odporności powłok po malowaniu elektroforetycznym. Poważną zaletą jest skrócenie cyklu malowania (nie wymaga uprzedniego fosforanowania), zmniejszenie powierzchni malarni ora nakładów na urządzenia, jak również zmniejszenie zużycia energii o około 60 %.

Brak rozpuszczalników organicznych zapewnia lepsze warunki BHP i ochrony środowiska.

Wadą jest ograniczona kolorystyka farb, możność stosowania tylko do wyrobów stalowych i do nakładania bezpośrednio na metaliczną powierzchnię.

Malowanie proszkowe elektrostatyczne

Proces elektrostatycznego pokrywania proszkami (farbami proszkowymi) polega na wytworzeniu pomiędzy powlekanym przedmiotem a urządzeniem rozpylającym pola elektrycznego. W wyniku następuje przenoszenie naelektryzowanych cząstek farby proszkowej do uziemionego przedmiotu.

Osadzone cząstki proszku wykazują bardzo dobrą przyczepność do powierzchni przedmiotu, którą utrzymują do czasu rozładowania napylonej warstwy (do kilkunastu minut). Daje to możliwość transportu pokrywanych przedmiotów do suszarni, gdzie zachodzi uplastycznienie i utwardzenie powłoki proszkowej.

Utwardzanie powłok malarskich

Utwardzanie nałożonej powłoki malarskiej odbywa się poprzez wysychanie fizyczne (odparowanie rozpuszczalnika), reakcję chemiczną substancji błonotwórczej z tlenem czy utwardzaczem lub przez schnięcie (sieciowanie w podwyższonej temperaturze).

Suszenie prowadzi się w celu nadania pokryciu lub powłoce założonych własności użytkowych.

Metody suszenia pokryć: suszenie naturalne, suszenie konwekcyjne, suszenie promiennikowe (promieniowaniem podczerwonym lub nadfioletowym) , suszenie indukcyjne, utwardzanie strumieniem elektronów, spiekanie-stapianie i utwardzanie powłok proszkowych.

Metalowe powłoki galwaniczne

Technologia nakładania powłok galwanicznych

Technologia ta obejmuje przygotowanie powierzchni, elektrolityczne osadzanie powłoki metalowej, pasywację i suszenie

Obróbkę powierzchni pod powłoki wykonuje się metodami mechanicznymi (szlifowanie, polerowanie, szczotkowanie, bębnowanie, piaskowanie, śrutowanie), chemicznymi (odtłuszczanie, trawienie, dotrawianie, polerowanie i płukanie) , elektrochemicznymi (odtłuszczanie, trawienie i polerowanie) i fizykochemicznymi (odtłuszczanie).

Minimalna liczba operacji przygotowania powierzchni obejmuje: odtłuszczanie wstępne, trawienie, płukanie zimne, odtłuszczanie chemiczne, płukanie gorące, płukanie zimne, odtłuszczanie elektrochemiczne, płukanie gorące, płukanie zimne, aktywacja (dotrawianie powierzchni), płukanie zimne.

Elektrolityczne osadzenie powłoki polega na zanurzeniu przedmiotów do kąpieli galwanicznej i odbywa się w wannach (części drobne w kielichach lub bębnach) ustawionych zwykle w linii technologicznej.

Po osadzeniu jednej lub kilku warstw powłoki następuje płukanie zimne, pasywacja, płukanie zimne, płukanie gorące, suszenie.

Cynkowanie.

Cynkowanie można przeprowadzać w kąpielach kwaśnych: siarczanowych, chlorkowych, fluoroboranowych i pirofosforanowych oraz w kąpielach alkalicznych: cyjankowych i cynkawych.

Przedmioty o prostych kształtach cynkuje się w kąpielach kwaśnych, wyroby profilowane, wymagające dużej wgłębności w kąpielach cyjankalicznych lub cynkawych albo amonowych.

Przykładowa kąpiel kwaśna: ZnSO4.7H2O+Na2SO4.10H2O+Kal(SO4).12H2O+dekstryna, temperatura 18-25 oC

---