СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ АНТИКОРРОЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ИЗДЕЛИЕ ИЗ МЕДНЫХ СПЛАВОВ С ПРИДАНИЕМ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ ЗАДАННОГО ЦВЕТА Российский патент 2003 года по МПК C23C4/08 C23C4/12 

Изобретение относится к способам создания антикоррозионных покрытий методом термического напыления покрытий и может быть использовано при реставрации памятников, декоративных решеток, скульптур, элементов строительных конструкций и др. изделий из медных сплавов, длительное время подвергавшихся атмосферным воздействиям, которые приводят к разрушению поверхностного слоя, или при создании новых изделий.

Известны способы защиты таких изделий, использующие природный процесс образования естественной патины, при котором вначале образуется слой закиси меди (куприт) на поверхности изделия и затем со временем образуется наружный слой, имеющий разный состав в зависимости от состава атмосферного воздуха. Внутренний слой закиси меди изолирует поверхность изделия от внешней среды и прекращает взаимодействие ее с воздухом. Полностью процесс образования патины толщиной (50-80) мкм при толщине внутреннего слоя закиси меди (15-20) мкм происходит в течение (10-20) лет, после чего патина становится непроницаемой [1]. Этот процесс часто нарушается воздействием агрессивных факторов окружающей среды, защитная пленка теряет целостность и плотность и поверхность изделия может разрушаться. Поэтому при реставрации таких поверхностей было предложено снимать разрушенный слой патины и создавать новый - искусственный путем химического оксидирования [1]. Такое искусственное оксидирование позволяет получать покрытие различных оттенков коричневого цвета.

Следует отметить, что оксидные пленки, получаемые химическим путем, тонки и трещиноваты, и они также могут быть разрушены агрессивными факторами атмосферы, как и естественные пленки, что вызывает необходимость повторять процесс перепатинирования периодически. При химическом создании оксидных пленок в реакцию вовлекается медь из защищаемой поверхности (т.е. из поверхности памятника или иного изделия), что ведет (особенно при периодическом повторении этого процесса) к изменению геометрии самой этой поверхности. Кроме того, этот способ вообще непригоден, если отдельные части изделия выполнены из медных сплавов разного состава или имеются включения из других металлов, т. к. при этом образуются участки разного цвета, что встречается достаточно часто.

В качестве прототипа выбран способ термического напыления порошка из меди или медных сплавов на поверхность изделия из медных сплавов [2]. Этот способ используется в радиоэлектронной промышленности, где необходимо получить покрытие из чистой меди, причем это покрытие не испытывает разрушающего воздействия окружающей среды. Способ-прототип позволяет получить достаточно прочное покрытие изделия, но не дает возможности получить покрытие заданного цвета, отличающегося от цвета чистой меди.

Задача изобретения - создать антикоррозионное покрытие заданного цвета (при реставрации изделий из медных сплавов или при создании новых изделий) при нанесении на поверхность защитного слоя методом термического напыления.

Эта задача решается путем термического напыления на поверхность изделия из медных сплавов покрытия на основе меди с нужным для заданного цвета соотношением закиси и окиси меди в составе напыляемого порошка, порошкового шнура, штабика или проволоки.

Если наносить на изделие покрытие из окисленного на воздухе порошка меди, то покрытие будет иметь низкую адгезию (прочность сцепления порошка с основой) и когезию (прочность сцепления частиц порошка между собой). Кроме того, порошок, окисленный на воздухе, содержит неконтролируемое количество закиси и окиси меди, и цвет покрытия, зависящий от этого соотношения, будет неуправляемым. Для технических изделий это не имеет значения, но для исторических памятников и ряда других изделий требуется получить покрытие заданного цвета, которому соответствует определенное процентное соотношение закиси и окиси меди в напыляемом порошке.

В заявляемом способе заданное соотношение формируется в термической струе путем выбора параметров струи (теплосодержания и скорости) и содержания кислорода в струе, а также температурой поверхности изделия в пятне напыления. Температура поверхности изделия в пятне напыления не должна превышать 200^oС, иначе еще до осаждения частиц порошка на поверхности изделия образуется слой непрочных окислов, которые мешают формированию нужного покрытия.

Экспериментально установлено, что:
- для придания поверхности изделия всех оттенков коричневого цвета теплосодержание струи составляет 2-20 кДж/г, скорость струи - 100-2000 м/с, содержание кислорода в струе - 1-30%, причем температура поверхности изделия в пятне напыления не превышает 150^oС;
- для придания поверхности изделия оливкового цвета различных оттенков теплосодержание струи составляет 4-10 кДж/г, скорость струи - 500-1000 м/с, содержание кислорода в струе - 10-21%, причем температура поверхности изделия в пятне напыления не превышает 100^oС;
- для придания поверхности изделия бурого цвета различных оттенков теплосодержание струи составляет 8-17 кДж/г, скорость струи 300-700 м/с, содержание кислорода в струе - 15-21%, причем температура поверхности изделия в пятне напыления составляет 100-200^oС;
- для придания поверхности изделия темно-серого и черного цвета различных оттенков теплосодержание струи составляет 10-20 кДж/г, скорость струи - 100-2000 м/с, содержание кислорода в струе - 15-30%, причем температура поверхности изделия в пятне напыления составляет 150-200^oС;
- для придания слою повышенной прочности первый слой покрытия наносится на режимах, обеспечивающих повышенную адгезионную прочность покрытия, при теплосодержании струи 8-10 кДж/г, скорости струи 500-2000 м/с, содержании кислорода в струе 0-21%, а последующие слои в соответствии с предыдущим.

В качестве примера выполнения способа опишем процесс нанесения на четыре скульптурные группы "Укротители копей" П.К. Клодта в г. Санкт-Петербурге при их реставрации защитного покрытия коричневого цвета.

Материалы скульптуры - латунь, бронза, медь, свинец. Материал покрытия - порошок меди с диаметром частиц 50 мкм. Плазмотрон - с межэлектродной вставкой. В качестве плазмообразующего газа использовался сжатый воздух (может использоваться другой газ, например аргон или гелий с кислородом, азот с кислородом и другие). Диаметр дугового канала 4-12 мм. Расход плазмообразующего газа 1,2-2,0 г/с, ток дуги 160-200 А. При этих параметрах теплосодержание сжатого воздуха в дуге составляло 12-17 кДж/г, что соответствует температуре 5500-6300 К, скорость струи 0,4-1,5 км/с. Содержание кислорода в сжатом воздухе - 21%, остальное - азот. Расход порошка - 1,0-8,0 кг/ч. Дистанция (расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности скульптуры) 15-25 см, скорость прохождения струи по поверхности изделия - 2-50 см/с, что обеспечивало температуру в пятне напыления не выше 200^oС.

Перед нанесением покрытия на скульптурную группу проводились испытания на образцах - латунных, бронзовых и медных пластинках. Результаты испытаний показали, что по прочностным характеристикам покрытие удовлетворяет требованиям реставраторов. Адгезия составила 1-5 кг/мм².

В результате работы получилось покрытие толщиной темно-коричневого цвета. Толщина покрытия не превышает 100 мкм, что удовлетворяет требованию не искажать рельеф скульптуры.

Использованная литература
1. Калиш М.К. Патина делает бронзу вечной. - Природа, 1974, 11, с. 61-65.

2. Бурьяненко В.Д., Клубникин B.C., Свиридов В.А. Двухструйная плазменная металлизация керамических конденсаторов. Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты, 1982, вып. 1 (46), с. 8-11.0

Способ может быть использован при реставрации памятников, скульптур, декоративных решеток и других изделий из медных сплавов, подвергающихся атмосферным воздействиям. При плазменном напылении материала из меди или медного сплава выбирают теплосодержание, скорость термической струи и содержание в ней кислорода. Таким образом регулируют количество образующейся закиси и окиси меди для обеспечения получения покрытия заданного цвета. Температуру поверхности изделия в пятне напыления поддерживают не выше 200^oС. Для повышения адгезионной прочности покрытия может быть нанесен предварительный слой покрытия. Способ обеспечивает получение защитного покрытия коричневого, или оливкового, или бурого, или серого, или черного цвета, стойкого к атмосферным воздействиям. 6 з.п.ф-лы.

1. Способ создания антикоррозионного покрытия на поверхности изделия из медных сплавов, включающий плазменное напыление материала из меди или медного сплава, отличающийся тем, что при напылении выбирают теплосодержание, скорость термической струи и содержание в ней кислорода для регулирования количества образующейся закиси и окиси меди, обеспечивающего получение покрытия заданного цвета, при этом поддерживают температуру поверхности изделия в пятне напыления не выше 200^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения покрытия всех оттенков коричневого цвета теплосодержание струи выбирают равным 2-20 кДж/г, скорость струи 100-2000 м/с, содержание кислорода в струе 1-30%, при этом температуру поверхности изделия в пятне напыления поддерживают не выше 150^oС. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения покрытия всех оттенков оливкового цвета теплосодержание струи выбирают равным 4-10 кДж/г, скорость струи 500-1000 м/с, содержание кислорода в струе 10-21%, при этом температуру поверхности изделия в пятне напыления поддерживают не выше 100^oС. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения покрытия всех оттенков бурого цвета теплосодержание струи выбирают равным 8-17 кДж/г, скорость струи 300-700 м/с, содержание кислорода в струе 15-21%, при этом температуру поверхности изделия в пятне напыления поддерживают 100-200^oС. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения покрытия всех оттенков темно-серого и черного цвета теплосодержание струи выбирают равным 10-20 кДж/г, скорость струи 100-2000 м/с, содержание кислорода в струе 15-30%, при этом температуру поверхности изделия в пятне напыления поддерживают 150-200^oС. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что на поверхность изделия предварительно наносят слой материала при теплосодержании струи 8-10 кДж/г, скорости струи 500-2000 м/с, содержании кислорода в струе 0-21% для повышения адгезионной прочности покрытия. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что используют напыляемый материал в виде порошка, или порошкового шнура, или штабика, или проволоки.