Анализ и технологическое обеспечение свойств декоративно-защитных металлических плазменных покрытий

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, имеет практически неисчерпаемый потенциал и 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, 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.

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 °C 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 ХТН 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 покрытийПрактическая 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» и ряде других предприятий. 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 (20 072 008) и кафедры электротехники и электротехнологии СПГПУ (2008).

1. Состояние вопроса.

1.1. Покрытия в дизайне.

Изготовление и отделка художественных изделий, включает в себя много. аспектов, в том числе нанесение покровных пленок для придания изделиям из различных материалов специальных декоративно-защитных свойств. Традиционно, на изделия, изготовленные из силикатов, меди, бронзы, золота и серебра и используемые в качестве основы, наносятся стеклоэмалевые пленки, покрытия из цветных и благородных металлов. Примером этому служат предметы быта и украшения, найденные при археологических раскопках. Промышленный прогресс и развитие технологий в XIX — XXI веках определили применение и новых видов отделки при производстве художественных изделий. В это время были открыты технологии:

• химической металлизации;

• гальванической металлизации;

• металлизации распылением на атмосфере;

• вакуумной металлизации.

Методы нанесения покрытий напылением, о которых пойдет речь в данной работе относительно новые. Первым изобретателем способа напыления металлов является М. Шооп. Наблюдая выстрел из охотничьего ружья, он заметил, что свинцовая пуля оказывалась плотно вдавленной в каменную стену. Там, где две пули попадали рядом, они соединялись. Далее опытным путем он установил, что, если вместо твердых металлических частиц применить расплавленные, то сцепление будет лучше. После многочисленных опытов в 1910 г. ему удалось получить напыленный металлический слой на стационарной установке. Он же первым предложил использовать электрическую дугу в качестве источника тепла для расплавления металла [1].

Технология промышленного нанесения металла напылением, хорошо изучена с точки зрения технологических и физических процессов, получения защитных и специальных свойств покрытия. Однако при формировании покрытия на художественных объектах, оценка их декоративных свойств осуществлялась визуально и основывалась лишь на эстетических и вкусовых предпочтениях заказчика, а отсутствие инструментального контроля параметров цвета, вело к необъективности получаемых результатов [2, 3].

Сегодня, разнообразные требования, предъявляемые дизайнерами к функциональным свойствам поверхности, ставят вопрос о необходимости получения покровных пленок, обладающих заданным, прогнозируемым комплексом свойств.

При производстве художественных изделий, важным аспектом, влияющим на общий вид и восприятия изделия, является соотношение и взаимовлияние наносимых покрытий и формы изделия.

Впечатление о форме складывается в процессе восприятия ее геометрических параметров в неразрывной связи с цветом, фактурой и текстурой поверхности. Эти свойства можно изменять в широких пределах, используя различные способы поверхностной обработки и нанесения покрытий. Следовательно, покрытия правомерно рассматривать как органическую составляющую формы предмета.

Все многообразие форм предметного мира делится на внутренние и внешние формы. Покрытия как элемент внешней формы в большинстве случаев многовариантны, что касается покрытий, относящихся к внутренней форме предмета, то выбор их, как правило, строго ограничен конструктивными и функциональными особенностями изделия [4].

Следует особо подчеркнуть, что дифференцированная оценка покрытий как элемента внутренней или внешней формы изделий отнюдь не исключает их диалектического единства. Так, умение выбрать покрытие, наилучшим образом сочетающее требования внешней и внутренней форм предмета, соответствует основному принципу технической эстетики — единству красоты и пользы, а также дает возможность подчеркнуть достоинства и скрыть недостатки формы предмета.

На практике часто бывает, что выбранное покрытие, на готовом изделии воспринимается совсем не так, как видел его художник или конструктор на абстрактном образце или даже в опытном макете. В большинстве случаев такой результат является следствием недостаточного учета технологических факторов и специфики производства. Чтобы покрытие стало органической частью изделия, необходимо в процессе проектирования учитывать особенности технологии и нанесения покровных пленок, продумывать, каким образом оно будет себя вести на составных частях изделия, изготовленных из различных материалов. При выборе покрытий для деталей сложной конфигурации следует помнить о возможности получения неравномерных по толщине и качеству покровных пленок или даже отсутствия таковых в наиболее углубленных местах деталей. Технологические особенности нанесения влияют и на цветовые показатели. При неправильном подборе режимов, может возникнуть, неравномерность цвета покрытия, пятна и другие дефекты. Работа дизайнера немыслима без участия технолога, тем не менее, чем больше сам художник-конструктор знает специфику производства, тем он свободнее и самостоятельнее в решении поставленных задач [4].

7.

Заключение

.

Результаты исследований позволили сформулировать общие выводы по работе 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 (А,) 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 (А,) 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 (А,) 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.