Лекция 2. Классификация и маркировка покрытий

Лекция 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ПОКРЫТИЙ.

 1.1. Классификация покрытий по назначению.
  По назначению покрытия для художественных изделий можно классифицировать следующим образом: защитные (коррозионностойкие), функциональные (специальные), декоративные, защитно-декоративные. Защитные покрытия предназначены для защиты изделий и деталей от коррозии. Некоторые защитные покрытия могут не только защищать от коррозии, но и улучшать внешний вид, соответственно такие покрытия называются защитнодекоративные. Все защитные покрытия (рисунок 1.1) подразделяются по механизму защиты металла основы от коррозии на две группы: анодные и катодные покрытия. Анодные покрытия – это такие покрытия, которые имеют потенциал в эксплуатационной среде более отрицательный по сравнению с потенциалом металла основы, на который нанесено покрытие. Анодное покрытие  обеспечивает не только механическую, но и электрохимическую защиту. Когда анодное покрытие не сплошное и имеет царапины, сквозные поры и другие дефекты, то могут возникнуть микрогальванические элементы. При работе таких микрогальванических элементов происходит коррозия, разрушение покрытия в местах, где покрытие не сплошное, однако, металл основы не подвергается коррозии. Такие покрытия ещё называют жертвенными или активными. Так никелевые и оловянные покрытия на меди и медных сплавах являются анодными. Приблизительно судить о том, каким покрытие будет на металле основе, можно по стандартным потенциалам. Так, стандартные потенциалы меди (+0,34 В), а потенциалы никеля (–0,25 В), олова (–0,136 В) более отрицательные по сравнению с медью. У цинкового покрытия стандартный потенциал (–0,76 В) более отрицательный по сравнению со стандартным потенциалом железа (–0,44 В) и на нелегированной стали в холодной воде цинковое покрытие является анодным. Однако в горячей воде потенциалы цинка и стали изменяются, и цинковое покрытие в горячей воде не защищает сталь по анодному механизму, оно становятся катодным.
Катодными покрытиями являются медные и никелевые на стали, золотые и серебреные на меди. Для надёжной защиты металла основы от коррозии катодные покрытия должны быть сплошными. Если катодное покрытие не сплошное, то на не сплошных участках в присутствии влаги могут возникнуть микрогальванические элементы и их работа приведёт к коррозии защищаемого металла. Катодные покрытия защищают от коррозии только механически. В связи с этим очень часто для надёжной защиты от коррозии используют многослойные катодные покрытия, например, медь-серебро, никель-золото, медь-никель-хром, никель-хром. Защитные покрытия могут быть диэлектриками. Например, лакокрасочные покрытия, полимерные, резиновые, стеклянные, хроматные, оксидные, фосфатные. Такие покрытия, также как катодные, защищают от коррозии механически и для выполнения защитной функции должны быть сплошные, что очень часто достигается их сочетанием или использованием в паре с покрытиями других групп. Широко используются такие варианты: фосфатное покрытие с лакокрасочным покрытием, цинковое покрытие с хроматированием, оксидное покрытие с промасливанием, цинковое покрытие с лакокрасочным покрытием. Защитные покрытия выбираются исходя из условий эксплуатации. Лёгкие условия эксплуатации – это использование изделий в отапливаемом помещении, средние – в не отапливаемом помещении, жёсткие – на открытом воздухе вне помещения, особо жёсткие – в атмосфере, насыщенной веществами, ускоряющими коррозию, в том числе с повышенной температурой и влажностью. К функциональным или специальным покрытиям относятся: износостойкие покрытия; покрытия, обладающие повышенной твёрдостью; покрытия, улучшающие паяемость и другие. Наиболее распространёнными покрытиями, имеющими высокую твёрдость и износостойкость, являются покрытия на основе хрома и никеля. Разработана технология твёрдого и износостойкого серебрения и золочения с добавками сурьмы, никеля, нанопорошков и т. д. Для улучшения паяемости художественных изделий используются покрытия: олово-висмут, серебренное и медное покрытия. Соответственно в конце маркировки специальных покрытий можно встретить такие обозначения: изн – износостойкое, тв – твёрдое покрытие, сс – светостойкое, пор – пористое, мр – микропористое, мс – микротрещиноватое. Декоративные покрытия предназначены для улучшения внешнего вида художественного изделия. Основными декоративными параметрами покрытия являются цвет и фактура. Цвет – это способность света вызывать зрительные ощущения в зависимости от спектрального состава испускаемого или отражаемого излучения. Спектральный состав света, прежде всего, определяется длиной волны и в зависимости от этого параметра известны следующие хроматические, спектральные цвета: фиолетовый (380–450 нм), синий (450–480 нм), голубой (480–510 нм), зелёный (510–550 нм), жёлтый (550–585 нм), оранжевый (585–620 нм), красный (620–770 нм). Что касается зрительных ощущений то известно, что цвета могут быть тёплыми (красный, жёлтый, оранжевый) и холодными (синий, голубой). Цвета могут быть успокаивающими, например, зелёный или возбуждающими, например, красный. Цвета могут зрительно увеличивать габариты изделия (белый) и уменьшать, например, чёрный цвет. Безусловно, при конструировании необходимо учитывать эти свойства цвета, обращать внимание на сочетания цветов, учитывать способы создания цветного покрытия, способы изменения, регулирования цвета.  Широкий цветовой ассортимент у многих лакокрасочных материалов, пластмассовых покрытий, горячих эмалей. В этих покрытиях можно варьировать цветовой тон различными пигментами или красителями, концентрацией пигментов изменять насыщенность цвета, а также получать различную светлоту покрытия с помощью добавления белого или чёрного красителя или пигмента. Менее разнообразны цвета металлических покрытий. Наиболее серебристо-белое покрытие – серебреное, белое с серым оттенком имеют свинцовые покрытия, у хромовых покрытий мало заметный голубоватый оттенок, никелевые покрытия имеют желтоватый оттенок, медные покрытия – красно-розовые, некоторые электролитические сплавы меди жёлтые или белые.
            Режимы нанесения покрытий и составы способны существенно изменить цвет металлического покрытия. Так гальванический хром может быть чёрным, молочным, серым, агатовым и иметь различные оттенки. Золотые покрытия золотисто-жёлтого цвета, но различные легирующие элементы способны изменить цвет золотого покрытия на белый, розовый, оранжевый, зеленоватый и т. д. В различные цвета можно окрасить анодированный алюминий: золотой, чёрный, голубой, красный и др. Разработаны различные тонирующие (маркировка Тн) и патинирующие (Пт) составы для окрашивания металлических покрытий. Второй важной характеристикой внешнего вида покрытия является фактура. Фактура – это визуальное и тактильное свойство поверхности. Фактура – это свойство поверхности, определяемое совокупностью микро- и макрорельефов основы и/или покрытия. Основные характеристики фактуры: шероховатость, рельефность, блеск, текстура. Шероховатость – это макрорельеф, образованный равномерно распределёнными на поверхности выступами и впадинами. Рельефность – это тоже макрорельеф, но выступы и впадины расположены на длине больше базовой. Поверхность может не иметь рельефа и быть гладкой, или наоборот, иметь рельеф и быть, например, волнистой. Блеск – это оптическое свойство поверхности, характеризующее её способность зеркально отражать пучки света. Блеск или степень блеска можно определить и оценить в процентах. Так высоко глянцевые ЛКП имеют степень блеска более 60%, а глубоко матовые покрытия менее 3%. Однако блеск, в отличие от глянца, связан с объёмным материалом и покрытием. Известны такие вида блеска: металлический, стеклянный, бриллиантовый, перламутровый, восковой и др. Текстура – важная характеристика материала и покрытия. Термин «текстура» имеет два значения. В материаловедении под текстурой понимают такую упорядоченную микроструктуру, при которой зёрна металла вытянуты в одном направлении. Во-вторых, под текстурой понимают естественный или искусственный узор, рисунок, видимый невооружённым глазом. Например, текстура древесины или крупнозернистая структура поверхности слитка металла и т. д. Созданы разнообразные фактурные, в том числе и текстурированные покрытия, которые всё чаще используются для декорирования художественных изделий. Это такие покрытия как: изморозь, кристаллит, хромагат, молотковое, крокодиловая кожа, сатин, муар, замша, малахит, гранит, янтарь, перламутр и др. 1.2. Классификация и маркировка покрытий по способу нанесения.
         При выборе покрытий необходимо учитывать не только состав покрытия, но и способ нанесения покрытия. Способ нанесения покрытия оказывает существенное влияние на стоимость, качество и свойства покрытия. Это связано с тем, что способ нанесения покрытия влияет на структуру получаемого покрытия и на наличие в покрытии микропримесей. Так, например, гальванические покрытия более твёрдые, но менее пластичные по сравнению с покрытиями, получаемыми горячим способом или вакуумным напылением из-за более высокой концентрации дислокаций или включений водорода. Способ нанесения покрытий указывается в начале маркировки покрытий. Не указывается способ нанесения ЛКП, а также гальванических (электролитических, электрохимических) покрытий. Гальванический способ является самым распространённым способом нанесения металлических покрытий. Таким образом, если способ нанесения металлического покрытия не указан, значит, покрытие наносится гальваническим способом. Рассмотрим остальные основные способы нанесения металлических покрытий. Ан – так обозначается способ анодного оксидирования (анодирования). Это электрохимический способ, при котором изделие присоединяется к положительному полюсу выпрямителя и помещается в электролит, в котором проводят электролиз. В результате анодирования увеличивается толщина оксидной плёнки на поверхности металла, соответственно, повышается защитная способность оксидной плёнки. Такая плёнка хорошо удерживает различные красители и пигменты и способствует окрашиванию металлов и сплавов в различные цвета. Наиболее часто анодирование выполняется для алюминия и сплавов на его основе. Вж – вжигание. Для реализации этого способа используются пасты или краски с металлическими пигментами. Например, с золотым или серебряным мелкодисперсным порошком (пудрой). После нанесения покрытия выполняется термическая обработка (вжигание), в результате которой органическая основа выгорает, а металлический порошок закрепляется на окрашиваемой поверхности. Таким способом изготавливают золотую каёмочку на блюдце. Способ в основном используется для росписи стеклянных и керамических художественных изделий.  Гор – горячий способ. Таким способом наносят покрытия лёгкоплавкими металлами. Например, цинк или олово. Для нанесения покрытий создают расплав металла, в который погружают металлизируемое изделие. Способ не требует сложного оборудования, обладает высокой производительностью, но не позволяет наносить тонкие равномерные покрытия, покрывать изделия сложной конфигурации, изделия с резьбой, с узкими пазами, маленькими отверстиями. Диф – диффузионный способ. Диффузионный способ, или метод химикотермической обработки (ХТО) выполняется следующим образом. Покрываемую поверхность изделия контактируют со средой, содержащей наносимый элемент или элементы, выполняют термическую обработку, в результате которой наносимый элемент (например, хром, титан, алюминий и т. д.) диффундирует в поверхность изделия, образуя покрытие. Способ обладает низкой производительностью, однако, покрытия имеют очень высокую адгезию. Кон – конденсационный (вакуумный) способ. Для нанесения покрытий способом вакуумной конденсации в камере установки создают вакуум, затем наполняют камеру парами осаждаемого металла, которые конденсируются на поверхности изделия. Таким способом наносят на стеклянные, керамические, пластмассовые и металлические изделия покрытия из алюминия, хрома, титана, серебра и других металлов. Таким способом изготавливают ёлочные украшения. Конденсационным (вакуумным) способом можно наносить покрытия на изделия сложной конфигурации, покрытия могут иметь высокую степень блеска. Однако, для нанесения требуется дорогостоящее оборудование, габариты изделия ограничены размерами рабочей вакуумной камеры, процесс имеет низкую производительность. Кр – катодное распыление. В этом способе изделие помещается в рабочую камеру, в камере создаётся вакуум, затем подаются пары металла и в ряде случаев газ (аммиак, метан и т. д.) Между изделием и стенками камеры создаётся напряжение и в результате на поверхности формируется покрытие. Самое распространённое покрытие, наносимое на художественные изделия таким способом – это нитрид титана. Покрытие нитрид титана имеет золотой цвет, обладает высокой твёрдостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Это покрытие – лучшая имитация золотого покрытия. Способ катодного распыления имеет недостатки, присущие способу вакуумной конденсации. Км – контактно-механический способ, Кт – контактный способ, Пк – способ плакирования. Во всех этих способах для получения покрытий используется давление. Такими способами создаются алюминиевые покрытия на дюралюминиевых сплавах или покрытия из нержавеющей стали на нелегированной стали и т. д. Этими способами трудно нанести покрытия на изделиях сложной конфигурации, и они почти не используются для изготовления художественных изделий. Мет – металлизационные способы. К металлизационным способам относятся: способ электродуговой металлизации, способ газопламенного напыления, способ плазменного напыления и др. Для нанесения покрытия электродуговой металлизацией между плавящимися электродами создаётся электрическая дуга, материал электрической дуги с помощью сжатого воздуха или инертного газа направляется на покрываемую поверхность и формируется покрытие. При газопламенном и плазменном способе напыляемые порошки подаются в струю пламени или плазмы, оплавляются и затем прилипают к покрываемой поверхности. Способы металлизации относятся к самым высокоскоростным способам нанесения покрытий, с их помощью можно металлизировать крупные изделия, но покрытия могут получаться шероховатыми и иметь поры. Хим – химический способ. Для нанесения покрытий химическим способом готовят водные растворы, содержащие ионы осаждаемого металла, восстановителя и добавки. Подготовленные изделия помещают в такой раствор, 16 и в результате протекания химической реакции восстановления образуется покрытие. Таким способом можно наносить покрытия на стекло, пластмассы, металлы и т. д. Можно наносить покрытия на изделия сложной конфигурации. Получаемые покрытия могут быть высокого качества, в том числе блестящие. Основной недостаток химического способа нанесения покрытий – маленький срок службы растворов. Так, например, растворы серебрения являются одноразовыми. Эм – эмалирование. Эмалирование горячее – это процесс получения стеклообразных покрытий на металлах методом обжига. Эмалирование позволяет получать стеклообразные покрытия различного цвета, степени блеска и прозрачности и поэтому часто используется для изготовления художественных изделий, несмотря на то, что эмалирование – достаточно трудоёмкий процесс.
 1.3. Классификация и маркировка покрытий по составу.
      По составу покрытия подразделяются на следующие группы:
      - металлические;
неметаллические;
композиционные, или комбинированные.
К композиционным, или комбинированным покрытиям относятся покрытия, которые в своём составе содержат и металлы, и неметаллы. Например, КЭП – композиционные электрохимические покрытия, содержащие металлическую основу (никель, медь, серебро, золото и т. д.) и неметаллическую вторую фазу, чаще всего в виде мелкодисперсных или нанопорошков: карбида кремния, нитрида бора, оксида алюминия, алмаза и др. При этом вторая фаза обозначается химической формулой. Например, никелевое композиционное покрытие с оксидом кремния обозначается Н(SiO2). К комбинированным покрытиям относятся многослойные покрытия, например, цинк хроматированный. К неметаллическим покрытиям относятся ЛКП, полимерные покрытия, стеклообразные, резиновые, хроматные (обозначаются хр), оксидные (окс), фосфатные (фос) и др. Металлические покрытия подразделяются на покрытия, представляющие из себя металлы и состоящие из сплавов. Материал покрытия, состоящий из металла, обозначают символами в виде одной или двух букв, входящих в русское наименование соответствующего металла (таблица 1.1).





Таблица 1.1
Обозначения материалов покрытия

Наименование Обозначение Наименование Обозначение
Алюминий А Никель-сил Нсил
Вольфрам В Олово О
Висмут Ви Палладий Пд
Железо Ж Платина Пл
Золото Зл Рений Ре
Индий Ин Родий Рд
Иридий Ир Рутений Ру
Кадмий Кд Свинец С
Кобальт Ко Серебро Ср
Марганец Мц Сурьма Су
Медь М Титан Ти
Молибден Мо Хром Х
Никель Н Хромовое двухслойное Хд/
Никелевое, содержащее 0,12-0,20% серы Нс Хромовое, состоящее из хрома молочного и твёрдого Хмол - Хтв
Никелевое двухслойное (дуплекс) Нд Цинк Ц
Никелевое трехслойное (триплекс) Нт

Материал покрытия, состоящий из сплава, обозначают символами компонентов, входящих в состав сплава, разделяя их знаком дефис, и в скобках указывают максимальную массовую долю первого или второго (в случае трехкомпонентного сплава) компонентов в сплаве, отделяя их точкой с запятой. Например, покрытие сплавом медь-цинк с массовой долей меди 50-60% и цинка 40-50% обозначают М-Ц (60); покрытие сплавом медь-олово-свинец с массовой долей меди 70-78%, олова 10-18%, свинца 4-20% обозначают М-О-С (78; 18). В состав металлических сплавов, например, на основе никеля могут входить неметаллические элементы бор маркируется Б, фосфор обозначается Ф. В обозначении материала покрытия сплавом при необходимости допускается указывать минимальную и максимальную массовую доли компонентов, например, покрытие сплавом золото-никель с массовой долей золота 93,0-95,0%, никеля 5,0-7,0% обозначают Зл-Н (93,0-95,0). В обозначении покрытия сплавами на основе драгоценных металлов деталей часов и ювелирных изделий допускается указывать среднюю массовую долю компонентов. Для вновь разрабатываемых сплавов обозначение компонентов производят в порядке уменьшения их массовой доли.  В обозначении материала покрытия, получаемого способом вжигания, указывают марку исходного материала (пасты) в соответствии с нормативно-технической документацией. В обозначении покрытия припоем, получаемого горячим способом, указывают марку припоя по ГОСТ 21930-76, ГОСТ 21931-76.
Обозначение декоративных свойств покрытий: рисунчатое – рсч, кристаллическое – кр, слоистое – сл. Металлические покрытия классифицируются по степени блеска и обозначаются соответствующим образом: зк - зеркальное, б - блестящее, бо – блестящее из электролитов с блескообразователем, пб - полублестящее, м – матовое. Металлические покрытия подразделяются по степени шероховатости по величине Ra, мкм: гл – гладкие шероховатость меньше 0,6; сш – слегка шероховатые 0,63-2,5; ш – шероховатые 2,5-20; вш – весьма шероховатые шероховатость более 20. У цветных покрытий указывается наименование цвета. Цвет покрытия, соответствующий естественному цвету осажденного металла (цинка, меди, хрома, золота и др.) не служит основанием для отнесения покрытия к окрашенным. Цвет покрытия обозначают полным наименованием, за исключением черного покрытия - ч.
Некоторые виды нижеприведённых обработок могут использоваться как самостоятельно, так и применяться в виде дополнительных обработок покрытий: гидрофобизирование – гфж; наполнение в воде – нв; наполнение в растворе хроматов – нхр; нанесение лакокрасочного покрытия – лкп; оксидирование – окс; оплавление – опл; пропитка (лаком, клеем, эмульсией и др.) – прп; пропитка маслом – прм; термообработка – т; тонирование – тн; фосфатирование – фос; для химического окрашивания, в том числе наполнения в растворе красителя – приводится наименование цвета; хроматирование - хр., при необходимости обозначают цвет хроматной пленки: хаки - хаки, бесцветной - бцв; цвет радужной пленки - без обозначения; электрохимическое окрашивание - эл. и указывается наименование цвета.
Порядок обозначения покрытия в технической документации:
обозначение способа обработки основного металла (при необходимости);
обозначение способа получения покрытия;
обозначение материала покрытия;
минимальная толщина покрытия;
обозначение электролита (раствора), из которого требуется получить покрытие (при необходимости);
обозначение функциональных или декоративных свойств покрытия (при необходимости);
обозначение дополнительной обработки (при необходимости).
В обозначении покрытия не обязательно наличие всех перечисленных составляющих.
При необходимости в обозначении покрытия допускается указывать минимальную и максимальную толщины через дефис. Допускается в обозначении покрытия указывать способ получения, материал и толщину покрытия, при этом остальные составляющие условного обозначения указывают в технических требованиях чертежа. Толщину покрытия, равную или менее 1 мкм, в обозначении не указывают, если нет технической необходимости (за исключением драгоценных металлов). Покрытия, используемые в качестве технологических (например, цинковое при цинкатной обработке алюминия и его сплавов, никелевое на коррозионно-стойкой стали, медное на сплавах меди, медное на стали из цианистого электролита перед кислым меднением) допускается в обозначении не указывать. Если покрытие подвергается нескольким видам дополнительной обработки, их указывают в технологической последовательности. Запись обозначения покрытия производят в строчку. Все составляющие обозначения отделяют друг от друга точками, за исключением материала покрытия и толщины, а также обозначения дополнительной обработки лакокрасочным покрытием, которое отделяют от обозначения металлического или неметаллического неорганического покрытия чертой дроби. Обозначение способа получения и материала покрытия следует писать с прописной буквы, остальных составляющих - со строчных.
Примеры маркировки металлических покрытий.
Цинковое гальваническое толщиной 15 мкм с хроматированием хаки - Ц15. хр. Хаки;
Хромовое гальваническое толщиной 0,5-1 мкм, блестящее, с подслоем сил - никеля толщиной 9 мкм - Нсил9. Х. б;
Хромовое гальваническое толщиной 0,5-1 мкм, блестящее, с подслоем меди толщиной 30 мкм и трехслойного никеля толщиной 15 мкм - М30.Нт15.Х.б.
Задания по расшифровке маркировки металлических покрытий
Вариант 1. Хим Н-Ф(93)6 бо; Кон А2зк; Мет В80вш; Гор Ц100хр/лкп; О12опл.
Вариант 2. Ср6.Зл-М(75)3б; КрТи3окс; Х-Мо(98)24изн; Рд-Ко(90)3бо; М6тн оранжевое
Вариант 3. Х36тв; Хим Ср2; Диф В48тв, М12Н6Хбо, Мет Ко-Мц-Мо(70;20) 50ш.
Вариант 4. Ц15хр, Фос/ЛКП, М12.О-Ви(98,5)6, Пд-Пл(85)9зк, Н6.Зл.
Вариант 5. Окс/ЛКП, Кд24хр, Пд-Н(80)9Ззк , Пд-Ир(95)3пб, М-Ц-Н(70,20)12бо.
Вариант 6. Ср3Рдбо, Хим Н-Б(95)6, О-Н(70)опл, Окс/прм, Ан 12эл голубое,
Вариант 7. Х18мол, Кр(TiC)24изн, Ср-Су(97)6бо, Пк А100т, Мет Ж-Ко-В(70, 15)120ш
Вариант 8. КтА100, Гор О-С(61)50б, Н6.Зл, Ср6Рд, Хим Н-Ф-Б(90,7)6зк
Вариант 9. КмА150, Пл-Ру(95)3, КрВ3гл, Ср6Рд зк, Кр(TiN)5б.
Вариант 10. Пл-И(95)2, Ан20пв золотое. Ц24/ЛКП, Кд9/ хр хаки, М12Н6Зл.