Анализ и технологическое обеспечение свойств декоративно-защитных металлических плазменных покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Анализ и технологическое обеспечение свойств декоративно-защитных металлических плазменных покрытий

Специальность 17.00.06 «Техническая эстетика и дизайн»

На правах рукописи

Дегтярёв Матвей Антонович

Санкт-Петербург 2008г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна» на кафедре технологии машиностроения и художественной обработки материалов.

Научный руководитель: кандидат технических наук Лисицын Павел Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук Пирайнен Виктор Юрьевич

кандидат технических наук Петрова Светлана Георгиевна

Ведущая организация: ООО «Ассоциация Полиплазма» (Санкт-Петербург)

Защита состоится 10 декабря 2008 г. в 1800 часов на заседании диссертационного совета Д212.236.04 при Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.18, Инновационный центр, 1 этаж.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГУТД.

Автореферат разослан «07» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета С.М. Ванькович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время создание художественных изделий напрямую связано с применением прогрессивных промышленных технологий для их производства, а также с постоянным развитием и усложнением приемов в процессе проектирования материальных объектов.

Использование промышленных технологий находит широкое применение в процессе изготовления изделий различными методами и имеет практически неисчерпаемый потенциал, чрезвычайно широкое поле для исследовательской деятельности.

Одним из таких методов является создание металлических декоративно-защитных плазменных покрытий на атмосферном воздухе.

Покрытия, которыми располагает современная техника, весьма разнообразны по свойствам и способам получения. Выбирая материалы покрытий, комбинируя металлические и неметаллические покрытия, варьируя условия их нанесения, можно придавать поверхности изделий различный цвет и фактуру, а также необходимые физико-механические и химические свойства.

Таким образом, создание художественного произведения имеет в виду то, что оптимальный выбор покрытий или способов отделки невозможен без всестороннего учета свойств и технологических особенностей создания конкретного покрытия и его взаимодействия с материалом основы и возможных реакций на внешнее воздействие.

Одним из актуальных вопросов является синтез на взаимодополняющей основе современных производственных методов и художественных решений, способствующий расширению номенклатуры оригинальных изделий.

Комплексный подход к решению задач, связанный с созданием декоративно-защитных покрытий для художественного металла, обеспечивающих цветовое решение объекта дизайна в соответствии с замыслом автора или сложившимся стереотипом цветового решения, обеспечивает гармоничную интеграцию металлических конструкций в сложившуюся городскую или архитектурно-ландшафтную среду.

На сегодняшний день сведения о декоративно-защитных покрытиях, которые содержатся в фундаментальной и периодической литературе, разобщены и дифференцированы в соответствии с научной и технической специализацией. Эти сведения, в большинстве случаев, предназначены для специалистов в области технологии нанесения покрытий и рассматриваются в аспектах, не имеющих непосредственной связи с выбором покрытия в процессе создания художественного произведения. В таких условиях, наиболее важной проблемой является отсутствие научно-методического обеспечения для проектирования свойств декоративно-защитных покрытий.

Цели и задачи исследований

Целью работы является разработка и научное обоснование методики создания покрытий с необходимым соотношением декоративных и защитных свойств, используя возможности технологий плазменного газотермического и «холодного» газодинамического методов напыления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Исследовать средства и методы технологий, позволяющие установить зависимость декоративно-защитных характеристик от изменения внешних и внутренних технологических параметров процесса напыления;

2. Провести анализ и комплексное исследование влияния фазово-структурного состояния напыляемого материала на декоративно-защитные показатели покрытий;

3. Разработать методику количественной оценки цвета, позволяющую воспроизводить требуемый оттенок покрытия;

4. Разработать рекомендации по внедрению метода на производствах с применением разработанных методик.

Объекты исследования

- образцы напыляемого материала;

- образцы покрытий;

- технологические и физико-химические процессы.

Методы исследования

В работе использованы основные положения теории плазменного и газодинамического методов напыления. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием установок серий ПН и ДИМЕТ. Температура измерялась при помощи инфракрасного пирометра Optis MiniSightPlus с пределами от -32 °С до 530 °С и погрешностью ±1 °С.

Свойства напыляемого материала и покрытий изучались методами рентгенофазового анализа (дифрактометр Rigaku Miniflex II, Cu-Ka излучение), оптической микроскопии (Leica DFC 320 High Resolution Color Digital Camera), МИС 11.

С целью получения количественных характеристик цвета покрытия использовались методы спектрофотомерии. В основу этих методов положены принципы светотехнических измерений, в частности, основные положения теории цвета.

Экспериментальные измерения для получения сравнительных характеристик выполнены с помощью следующей спектральной аппаратуры: X-Rite XTH Gretag Macbeth “Spectro Eye”, Пульсар 1, Блескомер БФО-1.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально доказана зависимость между изменением цвета покрытий и предварительной термической подготовкой напыляемого материала;

2. Экспериментально доказана зависимость между изменением цвета покрытий и подогревом основы;

3. Выявлены зависимости между внешними и внутренними режимами напыления и получаемыми цветовыми параметрами покрытий;

4. Определены режимы плазменного напыления, обеспечивающие требуемое соотношение декоративных и защитных свойств покрытий;

Практическая значимость работы

Предложенные в диссертации методики, позволяют получать покрытия с необходимыми декоративно-защитными свойствами, повышают точность воспроизведения требуемого оттенка покрытия посредством варьирования режимов напыления без потери защитных свойств, минимизируют материальные затраты в процессе производства художественных изделий.

Практические результаты работы успешно применяются в деятельности организации, использующей технологии плазменного напыления: ООО «Ассоциация Полиплазма», Россия.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на XIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008» (Томск, 2008), на научно-технических конференциях и семинарах СПГУТД, (СПб, 2007, 2008), заседаниях кафедры технологии машиностроения и художественной обработки материалов СПГУТД (2007-2008) и кафедры электротехники и электротехнологии СПГПУ (2008).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников, пяти приложений. Текст работы изложен на 235 страницах, содержит 95 рисунков, 31 таблицу. Список использованных источников включает 67 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследования, отражается научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрено место и значение покрытий в системе современного проектного творчества, их декоративные и защитные функции, особенности технологий их формирования.

Характерной особенностью газотермического и «холодного» газодинамического (ХГН) методов напыления, является способность покрытия формироваться на открытой атмосфере. Помимо этого, покрытия характеризуются широкими возможностями воспроизводства цветовых характеристик и мобильностью производства.

Анализ существующих литературных и патентных источников выявил отсутствие методик контроля цвета и фактуры покрытий в процессе производства художественных объектов. Таким образом, при рассмотрении технологии с позиций технической эстетики, и оценки возможности её внедрения в процесс производства и реставрации художественных объектов, выявляется необходимость создания научно-методической базы, которая позволила бы проектировать и управлять свойствами декоративно-защитных покрытий.

Основой научного подхода является решение совокупности задач, рассмотренных в работе: систематизация технологических параметров формирования покрытия; установление теоретических связей и экспериментальных зависимостей между параметрами напыления и соотношением декоративно-защитных характеристик; создание и верификация математического аппарата, описывающего данные связи и зависимости.

Во второй главе отражены экспериментальные исследования по систематизации технологических и физико-химических параметров технологий плазменного и «холодного» (ХГН) методов напыления. Установлены технологические особенности методов напыления, влияющие на цветовые характеристики покрытий. Сформулированы основные принципы методики.

С целью исследования декоративных и защитных характеристик покрытий была изготовлена серия образцов. В качестве основ под покрытия использовались металлические материалы (медь М1, латунь Л63, алюминий А5, чугун СЧ20). Образцы получали различными, наиболее распространенными методами обработки металла - литье, прокатка, штамповка, ковка. Основная цель эксперимента - установить зависимость цвета получаемого покрытия от вида материала основы и технологии ее изготовления.

Подготовка и напыление образцов производилось в лаборатории при постоянной температуре 18-20°С в специально оборудованной камере объемом 1 м3. Устройство камеры таково, что позволяет изолировать образец от нежелательного воздействия вредных примесей в атмосферном воздухе, однако полностью не исключает атмосферного воздействия. Поверхность основы и материал покрытия взаимодействует с O2, H2, H2O, N2 и др. Подготовка основ включала в себя декапирование и пескоструйную обработку поверхности.

Помимо этого, в качестве одного из основных факторов, влияющих на цветовые и защитные свойства покрытия, рассматривалась температура основы. В результате эксперимента, установлено, что при формировании покрытия методом плазменного напыления, предварительный подогрев основы при помощи нагревательного прибора или струёй плазмы оказывает значительное влияние на процесс окисления напыляемого материала.

Основными характеристиками процессов, происходящих в точке «покрытие-основа», являются два показателя: температура контакта Tk и время кристаллизации tk. Изменение этих показателей вследствие увеличения температуры основы, линейно влияет на окислительные процессы. Образование различного по количеству и составу оксидов в покрытии, ведет к изменению цвета.

Зависимость температуры контакта от температуры основы можно выразить формулой,

Tk= Tk°+ ?1?Т+ ?2Tn (1)

где Tk° - температуры контакта при Tn = 0°С, ?Т = Tl - Tm температура перегрева частицы, Tl - исходная температура частицы, Tm - температура плавления частицы, ?1,?2 - коэффициенты, рассчитываемые методом наименьших квадратов, Tn - постоянная начальная температура тела. При этом относительная погрешность находится в пределах 1-7%.

Контроль температурных режимов основы и покрытия осуществлялся при помощи инфракрасного пирометра Optis MiniSightPlus.

На следующем этапе работы исследовался структурный состав напыляемых материалов, определялся характер его влияния на свойства покрытия.

Согласно используемой технологии в качестве напыляемых применяются порошковые материалы. Для расширения декоративно-защитных характеристик предложено использование предварительной термической подготовки - прокаливания порошков при различных температурах. При этом происходит их интенсивное поверхностное окисление, что позволяет менять структуру и цветовые свойства напыляемого материала.

Рассматриваемые в данной работе материалы, медь ПМС-1 и сплавы на ее основе (ПР-БрО5Ц5С5, ПР-БрОФ10-1, ПГ-19М-01, ПР-Бр0л8НРС), имеют различные физико-химические свойства, поэтому режимы прокаливания для каждого материала были подобраны исходя из состава сплавов (рис. 1; табл. 1).

плазменный напыление покрытие газодинамический



Рисунок 1. Режимы предварительной термической обработки: t0 - t1 - время (30-50 мин) нагрева камеры; t1 - t2 - время (20 мин) при постоянной температуре; t2 - t3 - время (60-90 мин) остывания порошкового материала на открытом воздухе; Т1 - Т2 - Т3 - Температурные режимы °С.

Таблица 1 - Режимы предварительной термической обработки

Материал покрытия	Температурные режимы °С
	T1	T2	T3
ПМС-1	20	220	320
ПР-БрО5Ц5С5	20	200	400
ПР-БрОФ10-1	20	200	400
ПГ-19М-01	20	200	300
ПР-Бр0л8НСР	20	230	340

Исследования микроструктуры порошков и покрытий, получаемых из них, выполнялись по стандартным методикам при помощи оптического микроскопа на оборудовании Leica DFC 320 при увеличении в 100 раз.

Помимо микроструктурных исследований, был проведен рентгенофазовый анализ частиц напыляемого материала, позволивший определить их качественный структурный состав. Съемка проводилась на дифрактометре Rigaku Miniflex II.

Полученные дифрактограммы дают возможность говорить о фазовом состоянии напыляемого вещества, а также об изменениях, происходящих в материале в результате температурной обработки, а именно о распаде и образовании фаз и составе оксидной пленки.

В следующем разделе главы рассматриваются возможности варьирования цвета покрытий изменением параметров напыления и режимов работы оборудования.

В виду того, что по сравнению с газодинамическим, метод плазменного напыления дает бoльшие возможности варьирования цвета, в данной работе исследование влияния технологических режимов этого метода на декоративные характеристики покрытий представлено более детально. Это связано с тем, что цветовой диапазон покрытий полученных плазменным напылением включает в себя цвета полученные методом ХГН, кроме того, метод «холодного» напыления позволяет формировать только покрытия из меди. Экспериментально установлено, что внутренними технологическими параметрами, влияющими на цвет будущего покрытия, являются характеристики работы плазмотрона:

· род плазмообразующего газа;

· вид плазмотрона;

· способ ввода газа в плазмотрон;

· мощность плазмотрона (соотношение тока, напряжения дуги и расход плазмообразующего газа);

· расход материала в единицу времени.

При подборе технологических параметров оборудования реализующего процесс плазменного напыления на атмосфере, основным является выбор плазмообразующего газа. В работе рассмотрены два вида плазмообразующего газа: сжатый воздух и аргон. Их выбор был обусловлен широким применением данных газов в промышленности. В рассматриваемой паре плазмообразующих газов наиболее широкий спектр цветов покрытий, получаемых в процессе напыления обеспечивает сжатый воздух, так как в этом случае происходит большее окисление частиц. Аргон, напротив, можно использовать как среду защитных газов, позволяющую получать менее окисленные покрытия. Управление процессами окисления, позволяет варьировать цветовые показатели покрытий.

Структурные изменения, происходящие с частицами, рассматривались как в процессе их нагрева и переноса, так и при их закреплении на поверхности напыления. Процессы, происходящие в результате предварительной подготовки и последующем термическом напылении металлических материалов, осложняются различным поведением легирующих элементов в сплаве. Между составными частями сплава происходит образование фаз, гальванических пар и интерметаллидов, каждое соединение имеет свои, отличные от других свойства. Части сплава по-разному взаимодействуют с элементами атмосферы и газовой фазы при напылении, что ведет к изменению цвета покрытия. Взаимодействие частицы с элементами воздушной и аргоновой плазмы носит аналогичный характер. Отличие лишь в количестве элементов и степени их воздействия на частицу. Этим и обусловлена разница в получаемых результатах. Выбор оборудования и режимов его работы является важным критерием, влияющим на цветовые показатели покрытий, так как каждый плазмотрон обладает своими характерными особенностями, включающими в себя: вид и технологию подачи плазмообразующего газа; мощность тока (I, A); напряжение дуги (U, B); общую мощность плазмотрона (P, кВт), объем подачи газа (G, г). Систематизация свойств приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Основные характеристики дуговых плазмотронов для напыления серии ПН

Марка плазмотрона	Способ подачи газа	Плазмообразующий газ	I,A	U,B	Р, кВт
ПН-В1 ПНП-31 ПН-21М	аксиальный* тангенциальный* аксиальный	воздух воздух аргон	100-500 100-300 40-250	150-200 150-200 80-160	45 30 25

* Примечание: аксиальный - прямая подача газа, тангенциальный - подача газа с круткой

Объём подачи газа регулируется в зависимости от тока и напряжения дуги.

Увеличение объёма подачи материала усиливает процессы окисления, однако этот фактор не следует рассматривать в качестве основного по влиянию на цвет покрытия, поскольку при увеличении объема порошка идет перегрев и слипание частиц. В ходе экспериментов, расход материала не превышал 2 г/сек.

Конфигурация плазмотрона и режим его работы определяется исходя из требований предъявляемых к будущему покрытию. Все характеристики плазмотрона в большей или меньшей степени влияют на частицы материала в процессе напыления. Поэтому, исходя из требований, подбирается соотношение всех показателей.

В данной работе, помимо внутренних параметров режимов напыления, рассматривались и внешние. Основным внешним параметром, оказывающим наибольшее влияние на цвет, является дистанция напыления. Для каждого плазмотрона дистанции напыления были подобраны соответственно особенностям его строения. За среднее были взяты дистанции, при которых покрытие приобретает оптимальные защитные свойства. Для воздушных плазмотронов, они составили: 70мм, 150мм, 250мм; для аргонового: 50мм; 100мм; 200мм.

Зависимость активности окислительных процессов, происходящих с материалом частиц, от изменения дистанции напыления имеет нелинейный характер, однако напрямую зависит от физических явлений происходящих при напылении. Чем больше дистанция напыления, тем больше время нахождения частицы в газовой фазе, а, следовательно, и окисление частицы с увеличением дистанции будет возрастать. Это утверждение правильно только для больших и средних (оптимальных) дистанций, так как при напылении на малых дистанциях энергия, выделяемая плазмотроном, воздействует на основу и подогревает ее, а металлическая основа экранирует часть получаемой энергии, вследствие чего частица перегревается, и процессы окисления в газовой фазе и на поверхности напыления усиливаются. В итоге на малых дистанциях мы получаем наиболее окисленное покрытие.

Анализ результатов проведенных экспериментов показал, что:

- химический состав основ под покрытия, а так же технологии их изготовления не влияют на цвет покрытий;

- внешние и внутренние параметры режимов напыления оказывают существенное влияние на окислительные процессы, идущие в покрытии, что непосредственно влияет на цветовые характеристики;

Эксперименты подтвердили предположение о взаимозаменяемости таких процессов, как подогрев основы и перегрев частиц в процессе напыления.

В третьей главе рассматривается традиционный спектрофотометрический метод определения цвета. Он заключается в измерении с помощью спектрофотометра коэффициентов зеркального отражения R() образца в видимой области спектра (360-750нм) относительно стандартного образца белой поверхности с известными зеркальными коэффициентами отражения и в определении координат цвета расчётным путём при стандартном источнике света D65.

Измерения проводились в диапазоне длин волн 360 - 750 нм и выполнялись на спектрофотометре X-Rite GretagMacbeth Spectrophotometer ColorEye XTH по стандартным методикам. В качестве источника света использовалась ксеноновая импульсная лампа D65.

Спектрофотометрические исследования дают возможность воспроизведения цвета в системе «CieLab» (равноконтрастная система, являющаяся трансформацией цветового графика (x,y)). Параметры, являясь относительными показателями, наглядно характеризуют цветовые различия между образцами. Применение данной методики дает возможность сравнения цвета покрытий, не только по координатам цветности (x,y), но и по светлоте покрытия (L), устанавливающей линейную зависимость между тоном (цветом) покрытия и одним или несколькими параметрами напыления.

Анализ получаемых результатов был проведен методами математической статистики, позволяющими численно характеризовать как интенсивность и направление зависимостей, так и степень влияния различных факторов напыления на количественные цветовые показатели покрытий.

В разделе, посвященном методам компьютерного определения цвета, рассматривается методика анализа цветовой палитры образцов, которая заключается в выделении основной составляющей цвета.

Для этих целей была использована специально разработанная компьютерная программа ColorMeter. С помощью сканера с разрешающей способностью 19200 dpi были получены компьютерные изображения исходных образцов. Редактирование изображения образцов проводилось с использованием редактора Adobe Photoshop CS2 и включало в себя удаление зон вокруг образца таким образом, чтобы анализируемая область включала только изображение покрытия.

Далее, используя указанную программу, определялись параметры цвета каждого пикселя изображения, после чего полученная информация обрабатывалась, и определялась вся цветовая гамма, присутствующая в изображении образца. Полученные значения подвергались статистической обработке с целью определения среднего значения цвета

(2)

и среднеквадратичного отклонения (СКО) от него

(3)

где N- общее число пикселей изображения, n - число пикселей одинакового цвета.

Корректировка состава цветовой палитры проводилась с учетом выполнения следующего условия: если (Colori<(Colorср-?Color)) или (Colori>(Colorср+?Color)), т.е., если параметры текущего цвета выходили за допустимый диапазон, то текущий цвет из общего состава цветовой палитры удалялся как ошибочный. Процесс корректировки заканчивался, когда в цветовой палитре оставался один цвет.

В результате спектрофотометрических измерений для каждого образца напыляемого материала и покрытия был получен спектр отражения, и определена доминирующая длина волны ().

На основании полученных данных выявлены зависимости изменения цветовых параметров распыляемых порошковых материалов, и покрытий получаемых из них, от их предварительной термической подготовки (табл. 4, 5; рис. 2), а также внешних и внутренних технологических режимов нанесения.

Исходя из результатов измерений и расчетов, можно сделать вывод, что при увеличении температуры подготовки материала цвет поверхности распыляемого порошка меняется с появлением на поверхности окислов различного состава. Для рассматриваемых в работе материалов диапазон изменений длин волн и RGB-составляющий представлен в таблице 3.

Таблица 3 Изменение цвета порошковых материалов в результате предварительной термической обработки

	Спектрофотометр
Режимы предварительной обработки (Т °С)*	20°С	200-230°С	300-400°С
Материал покрытия	, нм	R	G	B	, нм	R	G	B	, нм	R	G	B
ПМС-1	591	149	87	72	583,5	90	65	51	580,5	66	57	56
ПР-БрО5Ц5С5	580,5	118	97	75	581	104	79	53	583,5	100	75	60
ПР-БрОФ10-1	589	105	62	43	590	77	59	59	569,5	72	70	70
ПГ-19-01	581	121	94	64	576,5	87	78	64	580	92	77	65
ПР-Бр0л8НРС	580	119	97	79	577	83	74	65	574	69	66	66

* Примечание: Режимы подготовки порошковых материалов представлены на рисунке 1 и в таблице 1

Таблица 4 - Изменение цвета покрытия от подготовки материала перед напылением для различных видов плазмообразующего газа

Материал покрытия	Режимы предварительной обработки (Т °С) *	Спектрофотометр	Сканер
		, нм	R	G	B	R	G	B
Дуговой плазмотрон ПНП-31 (воздушный) высокоскоростной
ПМС-1	20	583,5	118	111	117	111	114	113
ПМС-1	200	552	111	106	116	105	108	112
ПМС-1	320	549	110	107	117	103	111	114
Дуговой плазмотрон ПН-21М (аргоновый)
ПМС-1	20	588,5	172	126	116	165	122	112
ПМС-1	20	589	164	123	115	158	123	109
ПМС-1	320	589,5	141	108	104	138	111	101

* Примечание: Режимы подготовки порошковых материалов представлены на рисунке 1 и в таблице 1

а б

Рисунок. 2 Зависимость цвета покрытия от температуры подготовки материала перед напылением для двух дуговых плазмотронов: а - ПНП-31 (воздушный) высокоскоростной; б - ПН-21М (аргоновый). Материал покрытия - ПМС-1

Таблица 5 - Результаты статистического анализа,

Регрессионный анализ,
Марка плазмотрона	Результаты регрессионного анализа	Коэф. корреляции
ПНП-31 (воздушный)	=584,1-0,1211x±0,9364	-0,96769
ПН-21М (аргоновый)	=588,4+0,032x±0,9643	0,98198
х - температурные режимы подготовки порошка, Т °С. Материал - ПМС-1 [20-220-320].

Уравнения регрессии (табл. 5) дают зависимость длины волны от параметров напыления.

Анализ результатов показал, что наибольшее влияние на изменения цветовых характеристик образцов оказывает режим напыления плазмотрона и используемый в нем газ (табл. 6). Показатели цвета, получаемые в результате предварительной термической подготовки порошков, и при изменении дистанции напыления дают похожие результаты, вследствие аналогичных окислительных процессов идущих в покрытии.

Таблица 6 - Диапазон получаемых цветов

Материалы покрытия	Плазмотроны
	ПН-В1	ПНП-31	ПН-21М
	, нм	, нм	, нм
ПМС-1	552-580	552-584,5	579-591
ПР-БрО5Ц5С5	579,5-583	582-587	578-581
ПР-БрОФ10-1	566-586	583-587,5	-
ПГ-19-01	568,5-579	574,5-578	575-577
ПР-Бр0л8НРС	578-580	580-581	-

В случае если длина волны неизменна, или диапазон цветов мал, в частицах материала покрытия при напылении происходили восстановительные процессы или разрушение оксидной пленки.

Цветовые параметры покрытий полученных методом ХГН для материала ПМС-1 приведены в таблице 7 и на рисунке 3.

Таблица 7 Зависимость цвета покрытий полеченных методом ХГН от предварительной термической обработки порошков

Материал покрытия	Режимы предварительной обработки (Т °С)	, нм	R	G	B
ПМС-1	20	584	212	152	131
ПМС-1	220	592	144	79	65
ПМС-1	320	583	118	101	98

На следующем этапе работы приводился анализ результатов компьютерной обработки данных.

Для компьютерного анализа использовалась модель RGB, в которой каждый пиксель описан тремя значениями, каждое из которых показывает количество красного (R), зелёного(G) и синего (B) каналов. Цветное изображение получается в результате смешения этих цветов.

Анализ данных, полученных при помощи компьютерного определения цвета, позволил построить зависимости изменения каждой цветовой составляющей RGB от предварительной термической подготовки порошков и изменения режимов напыления (табл. 2).

Рисунок 3. Зависимость цвета покрытий полеченных методом ХГН от предварительной термической обработки порошков

В четвертой главе излагается методика оценки блеска плазменных покрытий, нанесенных на атмосфере. В результате проведенных измерений на образцах различных материалов были определены коэффициенты отражения и блеска. Сравнительные результаты позволяют говорить о зависимости этих показателей от шероховатости поверхности покрытия.

Шероховатость покрытий определялась при помощи оптического микроскопа МИС 11.

Измерения коэффициентов отражения проводились при помощи спектрофотометров Пульсар и X-Rite XTH Gretag Macbeth Spectro Eye, дающих возможность измерения поверхности покрытия при направленном и диффузном освещении. Сравнение расчетных значений коэффициентов зеркального отражения дало возможность говорить о различной отражающей способности покрытий.

Измерения блеска проводились при помощи оборудования Блескомер БФО-1, при углах освещения 20° и 60°. Сопоставление данных полученных в результате спектрофотометрических измерений и при помощи блескомера с показателями шероховатости, позволило выявить зависимость параметров блеска от шероховатости.

Установлено, что с увеличением размера напыляемых частиц от фракции ?50 мкм до 100 мкм, в пределах типового процесса напыления, математическое ожидание среднеквадратичного отклонения профиля (Ra) покрытия увеличивается от 28,30 мкм до 50,18 мкм.

Математическое ожидание среднеквадратичных значений коэффициента отражения (R, %) и коэффициента блеска (Кб) при измерениях с помощью спектрофотометра и блескомера уменьшается от 8,56 до 5,92 единиц; от 3,2 до 2,7 (при угле освещения 1-20°) и от 3,9 до 3,0 (при угле освещения 1-60°) единиц соответственно.

Проведенный сравнительный анализ профилограмм обосновывает возможность применения рассматриваемых технологий на объектах, изготовленных традиционными способами обработки металла, так как шероховатость плазменных покрытий сравнима с образцами, изготовленными методом свободной заливки литьем по выплавляемым моделям.

В процессе формирования любого покрытия изменение режимов, позволяющих варьировать показатели цвета, влияет и на защитные свойства покрытий.

В пятой главе рассматривается методика проектирования защитных свойств покрытий, позволяющая осуществлять выбор и поиск оптимального соотношения декоративных и защитных характеристик за счет регулировки режимов напыления.

Основными показателями, характеризующими защитные свойства покрытия, являются: толщина, сплошность или пористость покрытия.

В начале главы рассматриваются теоретические аспекты этих явлений, все основные методики их измерения и контроля.

Толщина покрытий не превышала 150 мкм.

Пористость покрытий определялась при помощи металлографического микроскопа Leica DFC 320 при увеличении в 100 раз.

Установлено, что предварительная термическая подготовка порошка и увеличение активности процессов окисления, уменьшает образование пор на 40 - 60%.

Исследование защитных свойств покрытий из меди и медных сплавов, нанесенных напылением на атмосфере проводили электрохимическим методом, снимая анодные потенциодинамические поляризационные кривые с помощью потенциостата П 5827 при использовании линейной развертки потенциала со скоростью 0,1 В/мин. Потенциал измеряли относительно хлорсеребряного электрода сравнения в насыщенном растворе KCl. Все потенциалы приведены относительно стандартного водородного электрода. Исследования проводили в 0,1н растворе Na2SO4 при комнатной температуре. Измерение тока проводили при помощи миллиамперметра типа М244, имеющего 6 поддиапазонов: 0,001 мА; 0,025 мА; 0,05 мА; 0,1 мА; 0,5 мА и 1 мА.

На рисунке 4 представлены анодные потенциодинамические поляризационные кривые, полученные на напыленных покрытиях: ПР-БрО5Ц5С5 (кривая 5, 9), ПМС-1 (кривая 1, 2, 7), ПР-БрОФ10-1 (кривые 6), ПР-Бр0л8НРС (кривая 4), ПГ-19М-01 (кривая 3, 8).

Напыление производилось на плазмотронах ПН-31 и ПН-21М, на средних режимах напыления.

Рисунок 4. Анодные потенциодинамические поляризационные кривые, полученные на исследуемых материалах

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы:

- скорость растворения напыленного покрытия чистой меди мала (кривая 2), а предварительное окисление порошка улучшает защитные свойства покрытий на 40% (кривая 1);

- бронзовые покрытия отличаются различной скоростью растворения. Легирующие элементы Ni и Al повышают защитные свойства покрытия на 20% (кривые 3, 4), Fe и Zn снижают защитные свойства покрытий 15% (кривая 5, 6);

- напыление в среде защитных газов (аргон) и отсутствие процессов окисления негативно снижает защитные свойства покрытий из меди 60% (кривая 7) и медных сплавах на 30% (кривые 8, 9).

Полученные данные дают возможность регулировать соотношение защитно-декоративных характеристик покрытий.

Исследование выявило закономерность, что в случае если материал основы образует гальваническую пару с плазменным покрытием, происходят интенсивные электрохимические коррозионные процессы. Это значит, что использование в качестве основы таких материалов, как алюминий, сплавы на основе железа и т.д. негативно сказывается на защитных свойствах покрытий. Оптимальным является использование в качестве основы материалов на основе меди, а в случае если основа изготовлена из сплавов на основе железа, целесообразно использование подслоев.

Структурные исследования напыляемых материалов до и после термической подготовки, а также покрытий полученных из них, свидетельствует о том, что характер влияния легирующих элементов в сплаве на коррозионные свойства покрытия аналогичен влиянию добавок в сплаве при других видах обработки металла.

Наибольший интерес представляет предварительное окисление порошка и влияние его подготовки перед напылением на защитные свойства покрытия.

Экспериментальные данные позволяют говорить о том, что предварительное окисление порошка, положительно влияет на свойства получаемого покрытия, так как диссоциирующая оксидная пленка способствует лучшему плавлению частицы и повышает сплошность покрытий.

Основываясь на результатах эксперимента, можно сделать вывод, что, коррозионная стойкость покрытий напрямую зависят от окислительных процессов, происходящих с частицей при напылении и во время кристаллизации, так как температура контакта Tk и, время кристаллизации tk, линейно влияют на эти процессы, происходящие в покрытии.

Комплексный анализ влияния внешних и внутренних технологических параметров напыления на защитные свойства покрытий, позволяет сделать вывод о том, что изменение режимов, ведущих к окислительным процессам и меняющих декоративные свойства, положительно влияет и на сплошность покрытий. Это происходит вследствие лучшего плавления частицы и её растекания в момент соприкосновения с основой. Однако важно отметить, что в случае повышения температуры до максимальных значений происходят перегрев частиц и неизбежное отслаивание покрытия.

Исследование покрытий, полученных методом ХГН, показало наиболее высокие результаты коррозионной стойкости, вследствие отсутствия пористости в покрытии.

В заключении отражены основные результаты работы, сформулированы общие выводы и перспективные направления развития темы:

1. Решена проблема создания декоративно-защитных покрытий на художественных изделиях из металла. Систематизация параметров технологии напыления и проведенный комплексный анализ влияния фазово-структурного состояния напыляемого материала на декоративно-защитные показатели, позволяет создавать покрытия с заранее спроектированным цветом.

2. - Установлено, что предварительная термическая подготовка порошковых материалов приводит к изменению цвета покрытия и увеличению длины волны () от 572 до 589 нм.

Для меди от розового до фиолетового, для бронзовых от золотистых до бежевых.

- Увеличение мощности плазмотрона приводит к увеличению длины волны () от 562 до 590 нм.

Для меди от розового до синего, для бронзовых от бежевых до зеленовато-охристых.

- Увеличение или уменьшение дистанции напыления ведет к увеличению длины волны () от 573 до 590 нм.

Для меди от розового до синего, для бронзовых от бежево-желтых до охристых.

3. Разработанная методика, позволяет получать покрытия с необходимыми декоративно-защитными свойствами и повышает точность воспроизведения требуемого оттенка покрытия посредством варьирования режимов напыления без потери защитных свойств.

4. Определено, что коррозионная стойкость покрытий напрямую зависит от окислительных процессов происходящих с частицей при напылении и во время кристаллизации. Предварительная подготовка порошка, увеличивает коррозионную стойкость покрытий на 40% и уменьшает пористость покрытий на 40-60%.

5. Предложен перечень рекомендаций по разработке и внедрению технологии в процесс производства и реставрацию. Апробация результатов работы в производственных условиях подтвердила эффективность предлагаемой методики проектирования цвета покрытий.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дегтярев М.А. Проектирование параметров цвета защитно-декоративных покрытий, нанесенных по методу плазменного напыления [Текст] / Дегтярев М.А., Лисицын П. Г. Юшин Б. А. // Дизайн. Материалы. Технология. 1(4)/2008 - СПб.: СПГУТД, 2008, с. 69-72.

2. Дегтярев М.А. Исследование цветовых характеристик защитно-декоративных покрытий, нанесенных плазменным напылением на атмосфере [Текст] / Дегтярев М. А., Лисицын П. Г. // Дизайн. Материалы. Технология 3(6)/2008 - СПб.: СПГУТД, 2008, с. 49-52.

3. Дегтярев М.А. Исследование влияния свойств структуры плазменного покрытия на его цветовые характеристики [Текст] / Дегтярев М. А., Лисицын П. Г. // Дизайн. Материалы. Технология 3(6)/2008 - СПб.: СПГУТД, 2008, с. 62-67.

4. Дегтярев М.А. Зависимость параметров цвета от свойств плазменного покрытия [Текст] / Фролов В. Я., Юшин Б. А., Дегтярев М. А., Лисицын П. Г.// Научно-технические ведомости СПбГПУ - СПб.: СПГПУ, 2008, с. 212-217.

5. Дегтярев М.А. К вопросу о применении методики количественной оценки цвета защитно-декоративных покрытий, нанесенных плазменным напылением на атмосфере [Текст] / Дегтярев М. А., Лисицын П. Г. // Материалы XIV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008» - Томск: ТПУ, 2008, с. 483-486.

Размещено на Allbest.ur

...