eng
Выпуск #4/2012
А.Вохидов, Л.Добровольский
Эпиламирование: эффективный метод создания нанопленок
Эпиламирование: эффективный метод создания нанопленок
Просмотры: 6965
Эпиламы – растворы фторсодержащих поверхностно-активных веществ, образующие после нанесения на поверхность и испарения растворителя мономолекулярные пленки, придающие поверхности новые свойства. Обработка обеспечивает продление ресурса и повышение надежности ответственных узлов и деталей.
Теги: decrease in friction fcsaa functions of coverings properties of surfaces sheetings technologies of drawing of coverings защитные покрытия свойства поверхностей снижение трения технологии нанесения покрытий фторпав функции покрытий
Создание новых свойств поверхностей посредством нанесения различных покрытий, включая сверхтонкие, расширяет возможности конструкторов оборудования, приборов и комплексов для различных отраслей (общее и специальное машиностроение, медтехника, системы космической связи, навигация и т.д.) Одно из приоритетных направлений исследований в области нанотехнологий и наноматериалов – изучение новых функций, возникающих у уже известных покрытий при использовании ряда усовершенствованных технологий. В их число входят:
повышение антикоррозионной стойкости, позволяющее замедлять окисление, коррозию, диффузионные процессы на поверхности;
увеличение эрозионной стойкости, обеспечивающее снижение истирания и износа поверхности при динамическом контакте с сопрягаемой поверхностью;
рост кавитационной стойкости (судовые ходовые винты), позволяющий увеличить ресурс узлов и механизмов;
повышение антифрикционной стойкости, обеспечивающее снижение коэффициента трения при динамическом контакте (скольжение, качение) и уменьшение износа и истирания поверхности;
сохранение работоспособности при расширении температурного диапазона;
существенное снижение поверхностной энергии и изменение смачиваемости поверхности;
повышение адгезионной устойчивости;
рост антизадирных характеристик;
увеличение антипригарных параметров;
расширение диапазона температур эксплуатации, повышение термической стойкости;
увеличение химической стойкости в агрессивных средах;
расширение возможностей демпферных покрытий как направления конструирования наносистем с атомарной точностью;
"умные" покрытия, способные передавать информацию о состоянии поверхности, на которую они нанесены, или сопрягаемой с ней.
Особая роль принадлежит покрытиям, используемым в технологиях с атомарной точностью (ТАТ) и в производствах с атомарной точностью (ПАТ), которые в ближайшие 15–20 лет будут играть стратегически важную роль. Все биологические ПАТ одновременно являются наносистемами (ПНАТ). С применением ПАТ появляется возможность применения ПНАТ для более широкой номенклатуры изделий и устройств с беспрецедентными рабочими характеристиками. Эти системы используются при производстве энергии, в медицине, вычислительных приборах и химической промышленности. Использование функциональных покрытий (ФП) на базе фторПАВ позволяет с успехом реализовать многие из перечисленных функций.
Сегодня уже в рядовом Центре коллективного пользования (ЦКП) можно снять любые характеристики покрытия и наметить пути корректировки состава и способов его нанесения. Значительное число специалистов с увлечением занимается получением и изучением покрытий. Их контингент неуклонно растет, как и количество технологий создания покрытий. Процесс аналогичен росту числа автомобилистов, с той лишь разницей, что на исследовательской магистрали пока нет "пробок", причем конца инновациям в этом направлении не предвидится. Существуют, однако, заповедные "островки", где придерживаются патриархальных представлений о важности для современной промышленности отдельных направлений теории и практики формирования покрытий, в том числе, образующихся на поверхности изделий при нанесении на нее фторПАВ.
Выдающемуся химику, медику и композитору А.П.Бородину еще в 1859 году в Италии при работе с фтористыми соединениями первому удалось получить фтористый бензоил, по свойствам аналогичный хлористому бензоилу. Дальнейшие исследования позволили создать мощную теорию фторсоединений и промышленное производство продуктов фторорганики. Значительное место среди них занимали многофункциональные композиции двойного назначения. На основе фторПАВ появились антифрикционные и защитные композиции (эпиламы), существенно продлевающие ресурс деталей в машиностроении, а также элементов микроэлектроники, причем в настоящее время нанесение покрытий на основе фторорганики (эпиламирование) переживает второе рождение.
Это направление хорошо зарекомендовало себя как метод повышения надежности и долговечности машин, станков, инструментов, технологической оснастки, рабочих поверхностей пар трения. Закрепление покрытия на поверхности происходит в результате хемосорбции, позволяющей получать неснимаемый монослой пленки толщиной 4–10 нм из нормально ориентированных к поверхности молекул фторПАВ, создающих так называемый "частокол Ленгмюра". Сами молекулы также обладают способностью снижать трение при контакте с поверхностью из любого материала (замечательное качество фторсодержащего вещества). Наличие же "частокола" из них позволяет удерживать в узлах трибологических систем штатное масло, предотвращая сухую смазку (рис.1).
Эпиламирование относится к области получения сверхтонких полимерных покрытий на основе перфторполиэфиркислот или их производных и может быть использовано для повышения эффективности металлообрабатывающего инструмента, узлов трения и скольжения различных машин и механизмов. При упрочняющей обработке такого инструмента, штамповой оснастки и пресс-форм обычно выделяют шесть основных методов, сущность которых заключается в изменении химического состава, структуры, энергетического запаса, шероховатости поверхностного слоя, вариаций в объеме металла, образовании защитной пленки. Для создания упрочненной структуры металла требуются, как правило, высокотемпературное оборудование и установки для осаждения на поверхности изделий износостойких покрытий.
Для получения таких покрытий предлагается широкий ассортимент оборудования. Рекомендуются плазменное напыление, лазерное упрочнение, другие инновационные, но энергоемкие и дорогостоящие методы. По этой причине, по мнению ряда экспертов, наибольший практический интерес для машиностроения представляет эпиламирование, заключающееся в обработке изделий растворами фторПАВ в легколетучих хладонах, после испарения которых образуются сверхтонкие гидрофобные покрытия, предотвращающие вытекание масла из зоны трения и придающие поверхности антиадгезионные свойства (рис.2).
Обычно используются эфрен-1, эфрен-2, 6СФК-180-05 – 0,05–0,5%-ные растворы перфторкислоты RfCOOH в хладонах новых составов, не разрушающих озоновый слой Земли.
Периодически появляются новые виды эпилам для создания противоизносных покрытий, в частности, на основе перфторполиэфира с концевой кислотной группой, для которого в качестве растворителя используются алифатические озонобезопасные (ОРП 0,01-0,02) гидрохлорфторуглероды H(CF2)nCl, где n не менее 3 и не более 5, с массовым содержанием последнего 0,1–2,0%. Практика свидетельствует, что применение более высоких концентраций перфторполиэфира экономически нецелесообразно, а его более низкие концентрации ухудшают износостойкость обработанных поверхностей.
Покрытие может быть сформировано в герметичной емкости окунанием изделия при 30–45°C в эпиламирующий раствор на 10–15 мин, двух-, трехкратным напылением из аэрозольных баллонов либо нанесением с помощью кисти и последующей сушкой. Для всех методов нанесения продолжительность сушки составляет не менее 50 мин при помещении детали в термошкаф с нагревом до 80–100°C. Норма расхода эпилама – 30–50 г/м2. Поверхность перед нанесением покрытия очищается от следов коррозии, загрязнений и тщательно обезжиривается. Для этих целей обычно используются бензин "Калоша", ацетон, этанол, уайт-спирт.
Триботехнические испытания образцов с нанесенными покрытиями проводятся на специализированных машинах трения, оснащенных для оперативного представления результатов компьютером и принтером. При оценке энергетических характеристик для подложки используются сталь, медь или дюраль, а в качестве смачивающей жидкости – дибутилфталат или трикрезилфосфат.
Наиболее распространенный вопрос, задаваемый конструкторами при обсуждении влияния на работу узлов эпиламов, – насколько их наличие сказывается на заложенных в конструкторской документации (КД) характеристиках фактически получаемых посадок, и как размеры деталей выходят из полей допусков? Однако эта сторона применения эпиламов не должна волновать специалистов, поскольку толщина слоя, равная 4–10 нм на плоской поверхности или 8–20 нм по диаметру цилиндрической детали, фактически не сказывается на характере посадки и не влияет на выход размера из поля допусков. В связи с этим вводимые с 2012 года новые стандарты [1–4] могут быть применены к деталям, обработанным эпиламами, в том числе и при производстве особо точных устройств (рис.3).
Вместе с тем, использование эпиламирования ставит перед производственниками жесткие требования по подготовке поверхности для нанесения покрытия. Технологические службы предприятий должны заблаговременно вносить изменения в документацию на процессы, в которые входит эпиламирование, просчитывать нормы расхода на эпиламы и средства обезжиривания и ультразвуковой очистки деталей, разрабатывать технологические инструкции и обеспечивать ими участки эпиламирования. Задача конструкторов – заложить в КД требования к шероховатости обрабатываемых поверхностей.
Соблюдение технологии эпиламирования на всех этапах – залог гарантированного качества покрытия и технического эффекта, для обеспечения которого все затевается. Часто производственники задаются проблемой идентификации деталей с покрытиями толщиной 4–10 нм. Действительно, на глаз оно нередко не различимо, хотя оттенок всегда свидетельствует о его образовании. Часто невозможность качественного контроля покрытия заставляет отказываться от применения этой технологии. поскольку не всякое предприятие может позволить себе приобретение дорогостоящего оборудования, например, атомно-силового микроскопа. Обычно задача решается с помощью ЦКП, где по заявкам предприятий без особых хлопот проводятся необходимые тесты. Тем более, что уже ряд лет действует государственная программа по поддержке внедрения нанотехнологий предприятиями малого и среднего бизнеса, причем через Комитеты экономического развития при администрациях практически всех городов инновационные проекты в этой сфере поддерживаются организационно и финансово.
Предприятия, заинтересованные в практическом освоении технологии эпиламирования, могут организовывать отдельные посты по типу сварочных участков. Стоимость оборудования для комплектации такого участка не идет в сравнение с приобретением комплектов для плазменного напыления или лазерного упрочнения поверхностей и в среднем для малого и среднего бизнеса составляет 300 тыс. руб. Крупное предприятие, производящее, например, печатные платы и заменяющее традиционные защитные лаки на фторПАВ, может заказать автоматическую или полуавтоматическую линию для селективного нанесения покрытий.
В целом следует отметить, что успешное решение проблемы повышения ресурса деталей и узлов находится в руках самих предприятий. Перед желающими внедрить технологию эпиламирования все пути открыты. Вперед, к новым успехам!
Литература
ГОСТ Р 53440-2009. Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Нормальные конусности и углы конусов.
ГОСТ Р 53441-2009. Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Нормальные углы и уклоны призм.
ГОСТ Р 53442-2009. Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Допуски формы, ориентации, месторасположения и биения.
www.epilam.ru
повышение антикоррозионной стойкости, позволяющее замедлять окисление, коррозию, диффузионные процессы на поверхности;
увеличение эрозионной стойкости, обеспечивающее снижение истирания и износа поверхности при динамическом контакте с сопрягаемой поверхностью;
рост кавитационной стойкости (судовые ходовые винты), позволяющий увеличить ресурс узлов и механизмов;
повышение антифрикционной стойкости, обеспечивающее снижение коэффициента трения при динамическом контакте (скольжение, качение) и уменьшение износа и истирания поверхности;
сохранение работоспособности при расширении температурного диапазона;
существенное снижение поверхностной энергии и изменение смачиваемости поверхности;
повышение адгезионной устойчивости;
рост антизадирных характеристик;
увеличение антипригарных параметров;
расширение диапазона температур эксплуатации, повышение термической стойкости;
увеличение химической стойкости в агрессивных средах;
расширение возможностей демпферных покрытий как направления конструирования наносистем с атомарной точностью;
"умные" покрытия, способные передавать информацию о состоянии поверхности, на которую они нанесены, или сопрягаемой с ней.
Особая роль принадлежит покрытиям, используемым в технологиях с атомарной точностью (ТАТ) и в производствах с атомарной точностью (ПАТ), которые в ближайшие 15–20 лет будут играть стратегически важную роль. Все биологические ПАТ одновременно являются наносистемами (ПНАТ). С применением ПАТ появляется возможность применения ПНАТ для более широкой номенклатуры изделий и устройств с беспрецедентными рабочими характеристиками. Эти системы используются при производстве энергии, в медицине, вычислительных приборах и химической промышленности. Использование функциональных покрытий (ФП) на базе фторПАВ позволяет с успехом реализовать многие из перечисленных функций.
Сегодня уже в рядовом Центре коллективного пользования (ЦКП) можно снять любые характеристики покрытия и наметить пути корректировки состава и способов его нанесения. Значительное число специалистов с увлечением занимается получением и изучением покрытий. Их контингент неуклонно растет, как и количество технологий создания покрытий. Процесс аналогичен росту числа автомобилистов, с той лишь разницей, что на исследовательской магистрали пока нет "пробок", причем конца инновациям в этом направлении не предвидится. Существуют, однако, заповедные "островки", где придерживаются патриархальных представлений о важности для современной промышленности отдельных направлений теории и практики формирования покрытий, в том числе, образующихся на поверхности изделий при нанесении на нее фторПАВ.
Выдающемуся химику, медику и композитору А.П.Бородину еще в 1859 году в Италии при работе с фтористыми соединениями первому удалось получить фтористый бензоил, по свойствам аналогичный хлористому бензоилу. Дальнейшие исследования позволили создать мощную теорию фторсоединений и промышленное производство продуктов фторорганики. Значительное место среди них занимали многофункциональные композиции двойного назначения. На основе фторПАВ появились антифрикционные и защитные композиции (эпиламы), существенно продлевающие ресурс деталей в машиностроении, а также элементов микроэлектроники, причем в настоящее время нанесение покрытий на основе фторорганики (эпиламирование) переживает второе рождение.
Это направление хорошо зарекомендовало себя как метод повышения надежности и долговечности машин, станков, инструментов, технологической оснастки, рабочих поверхностей пар трения. Закрепление покрытия на поверхности происходит в результате хемосорбции, позволяющей получать неснимаемый монослой пленки толщиной 4–10 нм из нормально ориентированных к поверхности молекул фторПАВ, создающих так называемый "частокол Ленгмюра". Сами молекулы также обладают способностью снижать трение при контакте с поверхностью из любого материала (замечательное качество фторсодержащего вещества). Наличие же "частокола" из них позволяет удерживать в узлах трибологических систем штатное масло, предотвращая сухую смазку (рис.1).
Эпиламирование относится к области получения сверхтонких полимерных покрытий на основе перфторполиэфиркислот или их производных и может быть использовано для повышения эффективности металлообрабатывающего инструмента, узлов трения и скольжения различных машин и механизмов. При упрочняющей обработке такого инструмента, штамповой оснастки и пресс-форм обычно выделяют шесть основных методов, сущность которых заключается в изменении химического состава, структуры, энергетического запаса, шероховатости поверхностного слоя, вариаций в объеме металла, образовании защитной пленки. Для создания упрочненной структуры металла требуются, как правило, высокотемпературное оборудование и установки для осаждения на поверхности изделий износостойких покрытий.
Для получения таких покрытий предлагается широкий ассортимент оборудования. Рекомендуются плазменное напыление, лазерное упрочнение, другие инновационные, но энергоемкие и дорогостоящие методы. По этой причине, по мнению ряда экспертов, наибольший практический интерес для машиностроения представляет эпиламирование, заключающееся в обработке изделий растворами фторПАВ в легколетучих хладонах, после испарения которых образуются сверхтонкие гидрофобные покрытия, предотвращающие вытекание масла из зоны трения и придающие поверхности антиадгезионные свойства (рис.2).
Обычно используются эфрен-1, эфрен-2, 6СФК-180-05 – 0,05–0,5%-ные растворы перфторкислоты RfCOOH в хладонах новых составов, не разрушающих озоновый слой Земли.
Периодически появляются новые виды эпилам для создания противоизносных покрытий, в частности, на основе перфторполиэфира с концевой кислотной группой, для которого в качестве растворителя используются алифатические озонобезопасные (ОРП 0,01-0,02) гидрохлорфторуглероды H(CF2)nCl, где n не менее 3 и не более 5, с массовым содержанием последнего 0,1–2,0%. Практика свидетельствует, что применение более высоких концентраций перфторполиэфира экономически нецелесообразно, а его более низкие концентрации ухудшают износостойкость обработанных поверхностей.
Покрытие может быть сформировано в герметичной емкости окунанием изделия при 30–45°C в эпиламирующий раствор на 10–15 мин, двух-, трехкратным напылением из аэрозольных баллонов либо нанесением с помощью кисти и последующей сушкой. Для всех методов нанесения продолжительность сушки составляет не менее 50 мин при помещении детали в термошкаф с нагревом до 80–100°C. Норма расхода эпилама – 30–50 г/м2. Поверхность перед нанесением покрытия очищается от следов коррозии, загрязнений и тщательно обезжиривается. Для этих целей обычно используются бензин "Калоша", ацетон, этанол, уайт-спирт.
Триботехнические испытания образцов с нанесенными покрытиями проводятся на специализированных машинах трения, оснащенных для оперативного представления результатов компьютером и принтером. При оценке энергетических характеристик для подложки используются сталь, медь или дюраль, а в качестве смачивающей жидкости – дибутилфталат или трикрезилфосфат.
Наиболее распространенный вопрос, задаваемый конструкторами при обсуждении влияния на работу узлов эпиламов, – насколько их наличие сказывается на заложенных в конструкторской документации (КД) характеристиках фактически получаемых посадок, и как размеры деталей выходят из полей допусков? Однако эта сторона применения эпиламов не должна волновать специалистов, поскольку толщина слоя, равная 4–10 нм на плоской поверхности или 8–20 нм по диаметру цилиндрической детали, фактически не сказывается на характере посадки и не влияет на выход размера из поля допусков. В связи с этим вводимые с 2012 года новые стандарты [1–4] могут быть применены к деталям, обработанным эпиламами, в том числе и при производстве особо точных устройств (рис.3).
Вместе с тем, использование эпиламирования ставит перед производственниками жесткие требования по подготовке поверхности для нанесения покрытия. Технологические службы предприятий должны заблаговременно вносить изменения в документацию на процессы, в которые входит эпиламирование, просчитывать нормы расхода на эпиламы и средства обезжиривания и ультразвуковой очистки деталей, разрабатывать технологические инструкции и обеспечивать ими участки эпиламирования. Задача конструкторов – заложить в КД требования к шероховатости обрабатываемых поверхностей.
Соблюдение технологии эпиламирования на всех этапах – залог гарантированного качества покрытия и технического эффекта, для обеспечения которого все затевается. Часто производственники задаются проблемой идентификации деталей с покрытиями толщиной 4–10 нм. Действительно, на глаз оно нередко не различимо, хотя оттенок всегда свидетельствует о его образовании. Часто невозможность качественного контроля покрытия заставляет отказываться от применения этой технологии. поскольку не всякое предприятие может позволить себе приобретение дорогостоящего оборудования, например, атомно-силового микроскопа. Обычно задача решается с помощью ЦКП, где по заявкам предприятий без особых хлопот проводятся необходимые тесты. Тем более, что уже ряд лет действует государственная программа по поддержке внедрения нанотехнологий предприятиями малого и среднего бизнеса, причем через Комитеты экономического развития при администрациях практически всех городов инновационные проекты в этой сфере поддерживаются организационно и финансово.
Предприятия, заинтересованные в практическом освоении технологии эпиламирования, могут организовывать отдельные посты по типу сварочных участков. Стоимость оборудования для комплектации такого участка не идет в сравнение с приобретением комплектов для плазменного напыления или лазерного упрочнения поверхностей и в среднем для малого и среднего бизнеса составляет 300 тыс. руб. Крупное предприятие, производящее, например, печатные платы и заменяющее традиционные защитные лаки на фторПАВ, может заказать автоматическую или полуавтоматическую линию для селективного нанесения покрытий.
В целом следует отметить, что успешное решение проблемы повышения ресурса деталей и узлов находится в руках самих предприятий. Перед желающими внедрить технологию эпиламирования все пути открыты. Вперед, к новым успехам!
Литература
ГОСТ Р 53440-2009. Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Нормальные конусности и углы конусов.
ГОСТ Р 53441-2009. Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Нормальные углы и уклоны призм.
ГОСТ Р 53442-2009. Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Допуски формы, ориентации, месторасположения и биения.
www.epilam.ru
Отзывы читателей
