CC BY
13UJ
шши
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #10, 2016
РАЗРАБОТКА НОВОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ ЗАЩИТНЫХ И УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯХ ПИЩЕВОГО
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Боташев Анвар Юсуфович
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологических машин и переработки материалов Северо-Кавказской государственной гуманитарно-технологической академии Бисилов Назим Урусланович
кандидат технических наук, доцент кафедры технологических машин и переработки материалов Северо-Кавказской
государственной гуманитарно-технологической академии Малсугенов Роман Сергеевич
ассистент кафедры технологических машин и переработки материалов Северо-Кавказской государственной гуманитарно-технологической академии
Проведен обзор существующих методов получения наноструктурных защитных и упрочняющих покрытий. Разработан новый способ получения наноструктурных покрытий и устройство для его осуществления. Разработанный способ существенно снижает себестоимость получения наноструктурных покрытий, что открывает перспективы для широкого использования таких покрытий в машиностроении.
Ключевые слова: наноструктурные покрытия, защитные покрытия, упрочняющие покрытия.
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY APPLICATION FOR NANOSTRUCTURED COATINGS PRODUCTS FOOD ENGINEERING
Botashev A.Yu.
doctor of technical, professor, North Caucasian State Academy of Humanities and Technology
Bisilov N.U.
Candidate of Technical, assistant professor, North Caucasian State Academy of Humanities and Technology
Malsugenov R.S.
assistant, North Caucasian State Academy of Humanities and Technology
A review of the existing methods for producing nanostructured protective and strengthening coatings. A new method for the production of nanostructured coatings and installation for its implementation. Developed method significantly reduces the cost of production of nanostructured coatings.
Key words: nanostructured coatings, protective coating, the reinforcing coating.
В настоящее время защитные и упрочняющие покрытия на поверхности деталей и изделий наносят различными методами. Это, прежде всего, химические и электрохимические методы, а также методы электродугового, плазменного и газотермического напыления [1,2,3]. Применение химических и электрохимических методов порождает отходы производства, загрязняющие окружающую среду. Поэтому эти методы постепенно вытесняются методами напыления. Однако покрытия, получаемые методом напыления имеют высокую пористость, до 10% [4]. Поэтому эти методы не приемлемы для нанесения покрытий на деталях, эксплуатирующихся в агрессивных средах. Это, в частности, относится к деталям машин и аппаратов, используемых в химической и пищевой промышленности. Для покрытия таких деталей могут быть использованы наноструктурные покрытия, пористость которых не превышает 1%. В настоящее время к разработке технологии таких покрытий проявляется повышенный интерес.
Наноструктурные защитные и упрочняющие покрытия получают в основном методом вакуумного ионно-плазмен-ного напыления [5]. Однако этот метод применяется для обработки сравнительно небольших деталей, используемых в медицине, электронике, авиации. Для нанесения покрытий на большие детали и изделия этот метод мало приемлем. Кроме того оборудование, осуществляющее этот метод очень дорогостоящее.
Другим направлением получения наноструктурных покрытий является использование нанопорошков. При этом покрытие получают различными методами. В частности, на поверхность детали наносят слой нанокомпозиционно-го состава, содержащего оксид кремния, растворенный в литоле, а затем этот слой подвергают воздействию электромагнитного поля высокой частоты [6]. В другом варианте исполнения нанопорошок наносят на поверхность детали в виде пасты, состоящей из связующей и нанопорошка, а затем слой пасты сушат и подвергают расплавлению [7]. Недостатком этих и других способов получения нанострук-турных покрытий, основанных на использовании нанопо-рошков, является сложность технологии получения самих нанопорошков. Чтобы устранить эти проблемы, в качестве источника наночастиц используют топливо, осуществляя при этом получение покрытия методом газотермического напыления. В частности, такое топливо представляет собой истинный или коллоидный раствор органических или неорганических соединений в растворителе, например в керосине или в спирте [8,9]. При сгорании такого топлива из него выделяются наночастицы, которые затем, оседая на поверхности детали, образуют наноструктурное покрытие. Однако получение истинного или коллоидного раствора материала для покрытия в растворителе усложняет технологический процесс получения покрытий, что значительно повышает себестоимость его получения.
114
© Боташев А. Ю., Бисилов Н. У, Малсугенов Р. С., 2016
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #10, 2016
Анализ существующих способов получения нанострук-турных защитных и упрочняющих покрытий показал, что цена получаемых покрытий чрезмерно высока вследствие низкой экономичности используемых технологий либо высокой цены используемых исходных материалов. Поэтому эти покрытия применяются в основном в высокотехнологичных отраслях производства. Для широкого применения нано структурных покрытий в машиностроении необходимо существенно снизить себестоимость их получения. В этой связи создание эффективных технологий получения наноструктурных защитных покрытий является очень актуальной задачей.
Целью данной работы является разработка новой технологии получения защитных наноструктурных покрытий, обеспечивающей существенное снижение себестоимости их получения. Для достижения этой цели нами разработан новый способ получения наноструктурных покрытий [10]. Сущность его заключается в том, что покрытие получается высокоскоростным потоком наночастиц, направляемых на поверхность обрабатываемой детали. Для этого порошок исходного материала для покрытия вводят в высокотемпературный газовый поток, где он, нагреваясь, расплавляется и частично или полностью испаряется. Затем газовый поток подвергают интенсивному охлаждению. При этом материал для покрытия из газообразного состояния, минуя жидкое состояние, переходит в твердое состояние, в результате чего образуется поток наночастиц материала для покрытия. Направляя этот поток наночастиц на поверхность детали, можно получать наноструктурные покрытия из различных материалов, обеспечивающие как защиту поверхностей деталей, так и их упрочнение. В качестве исходного материала для получения покрытия используются сравнительно дешевые порошковые материалы, выпускаемые промышленностью. Это позволяет существенно снизить себестоимость получаемых покрытий.
Высокотемпературный газовый поток создается путем сжигания в камере сгорания газообразной топливной смеси. Порошковый материал вводится в поток продуктов сгорания. Под воздействием продуктов сгорания порошковый материал расплавляется, а затем испаряется. Газовый поток после выхода из камеры сгорания резко охлаждают, например, путем его смешения с холодным потоком инертного газа.
Предлагаемый способ реализуется в устройстве высокоскоростного напыления, схематически представленном на рис.1. Устройство содержит камеру сгорания 1, соединенную с соплом 2. В камеру сгорания 1 подается горючее 3, окислитель 4 и порошок 5 исходного материала, служащего источником наночастиц. В качестве горючего используется природный газ или пропан-бутан, либо ацетилен, а в качестве окислителя - сжатый воздух или кислород. При необходимости вместе с порошком в камеру сгорания 1 может также подаваться азот. В результате сгорания топливной смеси в камере сгорания образуется высокотемпературный газовый поток. Под воздействием этого потока порошок исходного материала расплавляется, испаряется и смешивается с газовым потоком. Длина камеры сгорания 1 и параметры газового потока подбираются таким образом, чтобы в камере сгорания 1 порошок исходного материала успел испариться. Газовый поток после выхода из камеры сгорания 1 ускоряется в сопле 2. При этом температура газового потока интенсивно падает. Длина сопла 2 выбирается таким образом, чтобы до достижения выходного среза сопла температура газового потока стала ниже температуры плавления исходного материала. При этом из-за быстротечности процесса пары исходного материала, минуя жидкое состояние, переходят в твердое состояние. Благодаря этому из сопла выходит газовый поток с наночастицами, которые, оседая на подложке, образуют наноструктурное покрытие 6.
Рис. 1. Схема устройства для получения наноструктурное покрытий: 1 - камера сгорания, 2 - сопло, 3 - горючий газ, 4 окислитель, 5 - порошок, 6 - покрытие
На рис. 2 схематично представлен другой вариант реали- вый материал 5. К корпусу камеры сгорания 1 присоедине-
зации предлагаемого способа. Устройство, осуществляющее но дополнительное сопло 6, охватывающее сопло 2 камеры
способ, содержит камеру сгорания 1 с коническим соплом сгорания. В сопло 6 подается инертный газ 7, например
2, в которую подаются горючее 3, окислитель 4 и порошко- азот, благодаря чему в пространстве 8 между соплами 2 и
МАиК! ШгУОТЕЯУ^Е I TECHNICZNE
115
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #10, 2016
6 формируется холодный поток инертного газа. В камере сгорания 1 из продуктов сгорания формируется поток высокотемпературного газа. Под его воздействием частицы порошка испаряются и смешиваются с потоком. В сопле 2 поток высокотемпературного газа ускоряется, при этом его температура интенсивно снижается. После выхода из сопла
2 поток высокотемпературного газа, смешиваясь с холодным потоком инертного газа, интенсивно охлаждается. При уменьшении его температуры ниже температуры плавления исходного материала из паров исходного материала образуются наночастицы, из этих частиц на подложке образуется наноструктурное покрытие 9.
Рис. 2. Схема устройства для получения наноструктурное покрытий с дополнительным соплом: 1 - камера сгорания, 2 - сопло, 3 - горючий газ, 4 - окислитель, 5 - порошок, 6 - дополнительное сопло, 7 - азот, 8
- кольцевая полость, 9 - покрытие
Рассмотрим примеры осуществления предлагаемого способа.
Пример 1. Создание антикоррозионного покрытия использованием хрома. Температура плавления хрома составляет 2130К, а температура кипения - 2945 К. Следовательно, для испарения частичек порошка хрома температура газового потока должна быть порядка 2700...2900К. Следует отметить, что, так как парциальное давление паров хрома в газовом потоке будет невелика, то температура газового потока может быть ниже температуры кипения хрома. Поэтому при температуре 2700. 2800К частички хрома могут полностью испариться. Таким образом, газовый поток с парами хрома при выходе из камеры сгорания будет иметь температуру порядка 2700...2800К. В сопле температура газового потока должна быть снижена примерно до 2050.2150 К, т.е. в 1,3.1,4 раза. Это достигается соответствующим подбором параметров сопла. Создание покрытия осуществляется при помощи устройства, представленного на рис. 1. В камеру сгорания 1 подается природный газ, кислород и порошок хрома.
Пример 2. Создание антикоррозионного покрытия на основе алюминия. Температура плавления алюминия составляет 933 К, а температура кипения 2673К. В данном
случае температура кипения почти в 3 раза превышает температуру плавления. Поэтому для реализации предлагаемого способа целесообразнее использовать устройство, представленное на фиг.2. Для испарения частичек порошка алюминия вполне достаточна температура 2000...2100К, поэтому в качестве окислителя может быть использован сжатый воздух. В камеру сгорания подается природный газ, сжатый воздух и порошок алюминия, а в пространство 8 между соплами 2 и 6 подается азот. Газовый поток с парами алюминия при выходе из камеры сгорания будет иметь температуру порядка 2000. 2100К. При прохождении потока через сопло его температура снижается. После выхода из сопла поток высокотемпературного газа смешивается с потоком азота, и его температура снижается до 850...900К.
В разработанном способе для получения наноструктур-ного покрытия в качестве исходного материала используются порошковые материалы, широко используемые в промышленности. Это существенно упрощает и удешевляет получение наноструктурных покрытий, что дает возможность широко применять такие покрытия. Данный способ позволяет также производить многослойные нанокомпози-ционные материалы.
116
МАиК1 ШгУОТЕЯУ^Е I TECHNICZNE
ии
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #10, 2016 Ш11Ж9И
Список литературы:
1. Бобров Г.В. Нанесение неорганических покрытий: Учебное пособие для студентов вузов/ Г.В. Бобров, А.А. Ильин. -М.: Интернет инжиниринг, 2004. - 624 с.
2. Технология неорганических порошковых материалов и покрытий функционального назначения / Ю.П. Удалов, А.М. Германский, В.А. Жабров и др.; Под ред. Ю.П. Удалова. - СПб.; ООО «Янус», 2001. - 428 с.
3. Газотермическое напыление: учеб. пособие/кол. авторов; под общей ред. Л.Х. Балдаева. - М.:Маркет ДС, 2007. - 344 с.
4. Нанопокрытие [Электронный ресурс] / ЗАО Плакарт plackart.com — Режим доступа: http://www.plackart.com/coatings/ nanopokrytie.html свободный. — Загл. с экрана.
5. Нанотехнологии и наноматериалы [Электронный ресурс] / Федеральный интернет-портал portalnano.ru. — Режим доступа: http://www.portalnano.ru/read/prop/pro/materials/functional/4cosmos/gas_thermal свободный. — Загл. с экрана.
6. Пат. 2428520 Российская Федерация, С2 МПК С 23 С 26/00, B 82 B 1/00. Способ получения поверхностного наноком-позиционного слоя на деталях из металлов или сплавов / ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Артемов И.И. (RU), Кревчик В.Д. (RU) и др. опубл. 10.09.2011, Бюл. №25.
7. Пат. 2350441 Российская Федерация, МПК В23К 9/04, С23С 4/12, В23К 35/36. Способ получения методом наплавки металлического покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне / Горынин И.В., Рыбин В.В., Баранов А.В. и др.; Опубл. 27.08.2008.
8. Пат. 2394937 Российская Федерация, С1 МПК С23С 4/10, В82В 3/00. Способ получения наноструктурированного покрытия / Общество с ограниченной ответственностью «Технологические Системы Защитных Покрытий», Балдаев Л.Х., Балдаев С.Л., Гераскин В.В. и др.; опубл. 20.07.2010, Бюл. №20.
9. Пат. 2407700 Российская Федерация, C2 МПК B 82 B 3/00. Установка для газопламенного напыления наноструктури-рованного покрытия / Балдаев Л.Х., Балдаев С.Л. и др. Опубл. 27.12.2010 Бюл. №36.
10. Пат. 2542218 Российская Федерация, МПК С23С 4/40, В82В 3/00. Способ получения наноструктурированного покрытия/ Боташев А.Ю., Бисилов Н.У., Малсугенов Р.С., опубл. 20.09.2014.
NAUKI INZYNIERYJNE I TECHNICZNE
117
