Функциональные покрытия

В. В. Овчинников, М. А. Гуреева, Е. В. Лукьяненко 
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ 
Учебник 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
О-35 
Рецензенты: 
к. т. н., заместитель директора ООО «Инновационные технологии» 
 Равинский Вячеслав Владимирович; 
д. т. н., профессор, начальник отдела «Конструкционные материалы  
и функциональные покрытия» филиала АО «ОДК» «НИИД»  
Абраимов Николай Васильевич 
Овчинников В. В. 
О-35  
Функциональные покрытия : учебник / В. В. Овчинников, 
М. А. Гуреева, Е. В. Лукьяненко. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. - 280 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1801-0 
Обобщены сведения о функциональных покрытиях, технологиях их нанесения, о структуре и свойствах функциональных покрытий. Рассматриваются теоретические основы и технологические аспекты различных методов нанесения 
покрытий. Теоретические основы различных методов нанесения покрытий излагаются по мере необходимости для объяснения физико-химических процессов 
происходящих при нанесении покрытий. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-1801-0 
” Овчинников В. В., Гуреева М. А., Лукьяненко Е. В., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
.......................................................................................................... 8 
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЙ  
И МЕТОДОВ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ 
..................................................................... 10 
1.1. Назначение и области применения покрытий 
......................................... 10 
1.2. Классификация покрытий и методов их получения 
............................... 10 
1.3. Изменение физико-химических свойств поверхностей  
при нанесении покрытий 
.......................................................................... 17 
1.4. Внутренние покрытия 
................................................................................ 18 
1.5. Внешние покрытия 
..................................................................................... 19 
1.6. Формирование поверхности твердого тела,  
роль поверхности в изделиях 
................................................................... 20 
1.7. Адсорбированные вещества на поверхности  
металлических материалов ...................................................................... 26 
1.8. Свойства покрытий………………… ........................................................ 27 
1.8.1. Физико-механические свойства покрытий ................................... 27 
1.8.2. Физические свойства покрытий ..................................................... 30 
1.8.3. Физико-химические свойства ......................................................... 34 
1.8.4. Санитарно-гигиенические свойства 
............................................... 35 
1.8.5. Эксплуатационные характеристики 
............................................... 36 
1.8.6. Технологические свойства .............................................................. 37 
1.8.7. Декоративные свойства покрытий ................................................. 39 
1.8.8. Защитные свойства покрытий ........................................................ 41 
 
Глава 2. ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ  
К НАНЕСЕНИЮ ПОКРЫТИЙ 
........................................................................ 48 
2.1. Формирование поверхности твердого тела ............................................. 48 
2.2. Свободная поверхностная энергия 
........................................................... 48 
2.3. Строение и свойства поверхностного слоя ............................................. 50 
2.4. Физическая и химическая адсорбция 
....................................................... 50 
2.5. Адсорбированные вещества  
на поверхности металлического материала ............................................. 54  
2.6. Подготовка поверхности при нанесении покрытий ............................... 55 
2.7. Контроль состояния подготовленной поверхности 
................................ 66 
 
Глава 3. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ ........................................... 68 
3.1. Общие и специальные контрольные операции определения  
качественных показателей ........................................................................ 68 
3 
 

3.2. Основные показатели качества покрытий ............................................... 69 
3.3. Прочность покрытий на границе раздела ................................................ 70 
3.4. Прочность материала покрытия ............................................................... 73 
3.5. Остаточные напряжения 
............................................................................ 74 
3.6. Несплошности в покрытиях (пористость) ............................................... 76 
3.7. Определение толщины и равномерности покрытий............................... 77 
3.8. Методы оценки функциональных свойств покрытий ............................ 81 
 
Глава 4. ХИМИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ  
НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ 
............................................................................. 85 
4.1. Основные понятия о химических и электрохимических способах  
нанесения покрытий ................................................................................. 85 
4.2. Классификация химических и электрохимических покрытий 
.............. 85 
4.3. Сущность метода химического нанесения покрытий ............................ 86 
4.4. Технология нанесения металлических покрытий химическим  
восстановлением ....................................................................................... 88 
4.5. Химическое меднение 
................................................................................ 92 
4.6. Химическое никелирование ...................................................................... 93 
4.7. Образование и рост кристаллов при электрокристаллизации ............... 95 
4.8. Влияние режима электролиза на структуру  
и свойства электролитических осадков .................................................. 99 
4.9. Влияние состава электролита на структуру  
и свойства электролитических осадков ................................................ 103 
4.10. Количественные зависимости электрохимического процесса ........... 105 
4.11. Основные параметры электрохимического процесса ......................... 107 
4.12. Технология нанесения металлических покрытий  
электрохимическим осаждением из растворов .................................. 108 
4.13. Оборудование для нанесения электрохимических покрытий  
из водных растворов ............................................................................. 109 
4.14. Методы нанесения электрохимических покрытий  
из водных растворов ............................................................................. 111 
4.15. Электрохимические покрытия благородными металлами ................. 115 
4.16. Получение композиционных электролитических покрытий ............. 116 
4.17. Электроосаждение из солевых расплавов ............................................ 117 
4.18. Специальные области применения электроосаждения 
....................... 119 
 
Глава 5. ФИЗИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ  
(ВАКУУМНОЕ КОНДЕНСАЦИОННОЕ  
НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ) ........................................................................ 120 
4 
 

5.1. Обобщенная схема вакуумного конденсационного  
нанесения покрытий ................................................................................. 120 
5.2. Механизм и кинетика формирования вакуумных  
конденсационных покрытий 
.................................................................... 123 
5.3. Основные параметры вакуумного конденсационного нанесения  
покрытий и их влияние на эффективность процесса 
............................ 127 
5.4. Вакуумное конденсационное нанесение покрытий термическим  
испарением ................................................................................................ 131 
5.5. Вакуумное конденсационное нанесение покрытий взрывным  
испарением-распылением материала покрытия 
.................................... 137 
5.6. Технологические особенности вакуумного  
конденсационного нанесения покрытий ионным распылением 
.......... 139 
5.7. Преимущества и недостатки нанесения покрытий  
ионным распылением. Перспективы развития метода ......................... 144 
 
Глава 6. ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ 
............... 146 
6.1. Описание процесса и основные области применения  
химического осаждения из паровой фазы 
............................................. 146 
6.2. Теоретические основы технологии получения покрытий  
химическим осаждением из паровой фазы ........................................... 148 
6.3. Общая характеристика технологического процесса  
химическим осаждением из паровой фазы ........................................... 152 
6.4. Реакторная установка 
............................................................................... 154 
6.5. Подготовка подложки .............................................................................. 155 
6.6. Нагрев подложки ...................................................................................... 156 
6.7. Расположение подложки ......................................................................... 156 
6.8. Основные достоинства метода химического восстановления  
из паровой фазы ....................................................................................... 157 
 
Глава 7. ДИФФУЗИОННЫЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ 
...... 159 
7.1. Назначение диффузионных методов покрытий.  
Виды диффузионных покрытий, их классификация 
............................ 159 
7.2. Процессы, протекающие при получении покрытий  
диффузионными методами ..................................................................... 160 
7.3. Взаимодействие компонентов при насыщении  
в условиях твердорастворной диффузии 
............................................... 162 
7.4. Основные законы диффузии, описывающие формирование слоя  
при насыщении 
......................................................................................... 163 
7.5. Технологические параметры диффузионных методов нанесения  
покрытий 
................................................................................................... 165 
5 
 

7.6. Формирование слоя в системах с образованием  
промежуточных фаз ........................................................................................ 166 
7.7. Развитие и область применения метода диффузионного насыщения  
из засыпок ........................................................................................................ 169 
7.8. Технология метода насыщения из засыпок 
........................................... 169 
7.9. Технология алитирования 
....................................................................... 172 
7.10. Достоинства и недостатки метода порошков 
...................................... 173 
7.11. Технология шликерного метода нанесения покрытий 
....................... 174 
7.12. Технология золь-гель метода нанесения покрытий ........................... 178 
7.13. Обобщенная схема формирования покрытий из расплавленного 
состояния. Смачивание и растекание расплава ........................................... 180 
7.14. Взаимодействие расплавленного материала покрытия  
с атмосферой 
.................................................................................................... 183 
7.15. Кристаллизация расплавленного материала покрытия 
...................... 183 
7.16. Диффузионное взаимодействие расплавленного покрытия  
с поверхностью изделий ................................................................................. 184 
7.17. Особенности процесса и классификация покрытий  
из расплавленного состояния 
......................................................................... 185 
7.18. Нанесение покрытий погружением в расплавленные среды 
............. 189 
7.19. Достоинства, недостатки, области применения метода 
..................... 188 
7.20. Получение покрытий методом насыщения неметаллами 
.................. 188 
7.21. Цементация ............................................................................................. 189 
7.22. Термическая обработка после цементации ......................................... 194 
7.23. Азотирование 
.......................................................................................... 195 
7.24. Методы совместного насыщения азотом и углеродом ...................... 198 
Глава 8. КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ............ 201 
8.1. Нанесение покрытий наплавкой концентрированными  
источниками тепла 
................................................................................... 201 
8.2. Классификация наплавленных покрытий 
.............................................. 202 
8.3. Дуговая наплавка покрытий 
.................................................................... 202 
8.4. Плазменная, газопламенная, светолучевая  
и электронно-лучевая наплавки ............................................................. 209 
8.5. Области применения наплавки ............................................................... 211 
8.6. Нанесение покрытий плакированием. Классификация и область 
применения методов нанесения покрытий плакированием ................ 212 
8.7. Прокатка и экструзия ............................................ ……………………...212 
8.8. Взрывная обработка ................................................................................. 214 
8.9. Диффузионная сварка .............................................................................. 216 
8.10. Горячее изостатическое прессование 
................................................... 217 
6 

8.11. Электромагнитная обработка 
................................................................ 218 
 
Глава 9. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО  
НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ 
........................................................................... 220 
9.1. История возникновения и классификация газотермических  
методов нанесения покрытий ................................................................. 220 
9.2. Классификация методов .......................................................................... 220 
9.3. Влияние параметров газотермического напыления  
на эффективность процесса .................................................................... 223 
9.4. Формирование покрытий ........................................................................ 227 
9.5. Ударные взаимодействия частиц 
............................................................ 230 
9.6. Формирование однослойных и многослойных  
газотермических покрытий 
..................................................................... 235 
 
Глава 10. ПЛАЗМЕННОЕ  
И ГАЗОПЛАМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ................................. 238 
10.1. Плазменная струя как источник нагрева и распыления материала .. 238 
10.2. Порошковые и проволочные способы плазменного напыления 
....... 239 
10.3. Степень защиты процесса плазменного напыления 
........................... 243 
10.4. Параметры режима плазменного напыления и их влияние  
на эффективность процесса 
................................................................... 245 
10.5. Параметры распыляемого материала 
................................................... 249 
10.6. Параметры, характеризующие внешние условия напыления ........... 250 
10.7. Параметры плазменной струи и потока напыляемых частиц 
............ 251 
10.8. Преимущества и недостатки метода плазменного напыления 
.......... 252 
10.9. Технологические особенности газопламенного напыления 
.............. 253 
10.10. Параметры газопламенного напыления и их влияние  
на эффективность процесса ................................................................. 255 
10.11. Области применения. Преимущества и недостатки газопламенного 
напыления покрытий ............................................................................ 258 
10.12. Установки для газопламенного напыления ...................................... 259 
 
Глава 11. ДЕТОНАЦИОННО-ГАЗОВОЕ НАПЫЛЕНИЕ ПОКРЫТИЙ 
... 264 
11.1. Технологические особенности детонационно-газового напыления 
. 264 
11.2. Параметры режима детонационного напыления и их влияние  
на эффективность процесса ................................................................. 268 
11.3. Преимущества и недостатки детонационно-газового напыления .... 272 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
............................................................................................... 274 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 275 
7 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Одна из наиболее серьезных проблем технологического прогресса состоит в необходимости обеспечивать постоянное соответствие между 
свойствами новых материалов, применяемых в машиностроении, и все более жесткими условиями их работы. Как правило, оказывается, что хотя бы 
по одному из параметров эти материалы не соответствуют предъявляемым 
требованиям. 
Чаще всего наиболее слабым элементом в системе «материал - рабочая среда», определяющим допустимые условия эксплуатации и ресурс 
всей системы, является поверхность материала. Из этого ясно, насколько 
важна задача разработки методов и технологии нанесения защитных покрытий на поверхность конструкционных материалов. 
Объем и поверхность любой детали следует всегда рассматривать как 
единую систему. Главным требованием к защищенной поверхности является то, что она должна обеспечивать существенно лучшую защиту детали 
в агрессивной среде, чем исходная поверхность, или подложка. Система 
должна быть нечувствительной к условиям работы независимо от того, создается ли защитное покрытие путем модификации поверхности самой детали или же нанесением на подложку моно- или многослойного покрытия 
из другого материала. В любом случае нанесению покрытия предшествует 
определенная обработка поверхности детали одним из известных способов. Конкретная комбинация данной подложки с определенным покрытием называется системой покрытия, и в это понятие включается также случай модификации поверхности материала, хотя для него, быть может, точнее, было бы название «поверхностно-модифицированная система». 
Необходимость применения покрытий для материалов, работающих  
в различных условиях, вытекает из невозможности соответствующего 
улучшения эксплуатационных характеристик узлов и деталей даже в случае использования новых конструкционных материалов с улучшенным 
комплексом физических, механических и металлургических свойств. Выбор конкретной системы покрытия определяется балансом результатов и 
затрат, т. е. соотношением между улучшением эксплуатационных характеристик детали и стоимостью нанесения соответствующего покрытия. 
Разработка научных основ по направленному изменению физикохимических свойств исходных поверхностей изделий посредством нанесения покрытий относится к приоритетным направлениям во многих развитых странах. 
Все выше перечисленные аспекты находят отражение в изучении курса «Технология и свойства покрытий». 
8 
 

В одиннадцати разделах данного учебника рассматриваются теоретические основы и технологические аспекты различных методов нанесения 
покрытий. 
Теоретические основы различных методов нанесения покрытий излагаются по мере необходимости для объяснения физико-химических процессо, в происходящих при нанесении покрытий. 
В первых главах учебника освещены аспекты, связанные с классификацией покрытий и методов их получения. Приведены теоретические положения, связанные со строением и свойствами поверхностного слоя. Отражены методы подготовки поверхности изделий к нанесению покрытий  
и последующего контроля качества нанесенных покрытий. 
В последующих разделах учебника достаточно подробно рассмотрены 
теоретические и технологические особенности различных методов нанесения покрытий. 
Основное внимание уделяется методам нанесения покрытий, нашедшим широкое применение в современной технике и технологии. 
9 
 

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЙ  
И МЕТОДОВ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ 
1.1. Назначение и области применения покрытий 
Технология покрытий, наряду с другими наукоемкими и энергосберегающими отраслями промышленности, является одним из основных 
направлений развития современного производства передовых стран мирового сообщества. Нанесение покрытий позволяет решить две технологические задачи. 
Первая состоит в направленном изменении физико-химических 
свойств исходных поверхностей изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации, вторая - в восстановлении свойств поверхностей изделий, нарушенных условиями эксплуатации, включая потерю размеров  
и массы. Использование покрытий позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики изделий: износостойкость, коррозионная 
стойкость, жаропрочность, жаростойкость и др. 
В настоящее время продолжается совершенствование и поиск новых 
методов нанесения покрытий. 
Изучение методов нанесения покрытий, их разновидностей; термодинамики процессов при создании покрытий различного типа на металлических и неметаллических поверхностях; строения, структуры и эксплуатационных свойств покрытий; основного оборудования для газотермического и электротермического нанесения покрытий на металлопродукцию. 
Изучение методов повышения качества изделий формированием многослойных и армированных покрытий; метрологического контроля технологических параметров формирования и их свойств. 
1.2. Классификация покрытий и методов их получения 
Покрытия - это одно- или многослойная структура, нанесенная на поверхность для защиты от внешних воздействий (температуры, давления, 
коррозии, эрозии и так далее). 
Различают внешние и внутренние покрытия. 
Внешние покрытия имеют границу между покрытием и поверхностью 
изделия. Соответственно размер изделия увеличивается на толщину покрытия, при этом возрастает масса изделия. 
10