Покрытия

A little about guns

Введение

В этой статье мы подробнее разберём некоторые моменты, которые мы затрагивали в выпуске про покрытия пистолетов Глок.

Начать, пожалуй, стоит с ответа на вопросы: что такое покрытие и зачем нужно покрывать оружие? В материаловедении покрытие — это нанесённый на объект относительно тонкий поверхностный слой из другого материала. Есть много способов создания покрытия на деталях оружия, и в основном они все выполняют три основные задачи: повышение износостойкости, усталостной прочности и стойкости к коррозии. Некоторые покрытия могут уменьшать коэффициент трения деталей, придавать уникальный вид изделию и т. д.

Термины

Адгезия – прочность сцепления покрытия с основой.

Роквелл – единица измерения твёрдости.

Диффузия – процесс, при котором молекулы одного вещества проникают между молекулами другого вещества.

Диффузионный слой – объём материал, химический состав которого изменился в результате диффузии.

Антифрикционные материалы — это группа материалов, обладающих низким коэффициентом трения, или материалы, способные уменьшить коэффициент трения других материалов.

Электролит — вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах.

Прекурсор — вещество, участвующее в реакции, приводящей к образованию целевого вещества.

Осаждение, преципитация — образование твёрдого осадка в растворе в процессе химической реакции.

Подложка — термин, используемый в материаловедении для обозначения основного материала, поверхность которого подвергается различным видам обработки, в результате чего образуются слои с новыми свойствами или наращивается плёнка другого материала.

Электролитическая диссоциация — это процесс распада молекул на ионы при его растворении или плавлении.

Автокатализ — катализ, ускорение химической реакции одним из её продуктов или исходных веществ.

Нитрокарбюризация FNC

Термин нитрокарбюризация относится к стали, обработанной солью (тенифер/нитроуглероживание) или экзогазом (азотирование), нитрокарбюризация не является процессом покрытия.

Нитроуглероживание/«Тенифериование» – это этап обработки поверхностей металла. Деталь помещают в ванну, в которой находятся расплавленные цианистые соли. В течение всего процесса насыщения, через расплав пропускается сухой воздух, в результате чего на поверхности детали возникает тонкий (7-15 мкм) карбонитридный слой Fe3(N, C), который выполняет защитную функцию для деталей. Часто можно встретить формулировку TENIFER® QPQ, которая включает термообработку TENIFER® с оксидированием, промежуточной полировкой и дополнительным оксидированием в солевом расплаве. Название “Tenifer” образовано от начальных слогов трех латинских слов: tenax – твердый; nitrogenium – азот; ferrum – железо. Впервые тениферирование было использовано британским институтом ICI (Imperial Chemical Industries)

Азотирование – низкотемпературный процесс поглощения азота сталью при температуре около 510 °C. Чаще всего термин “азотирование” относится к стали, нагретой в газообразном аммиаке. Процесс проводят в герметичной ретортной печи при температуре от 490 ° С до 530 ° С в проточной атмосфере аммиака в течение 120 часов. В отличие от нитроуглероживания, при азотировании переносится только азот. Процессы азотирования дают твердость поверхности и четкую микроструктуру.

Паркеризация или фосфатирование

– покрытие, обеспечивающее долговечность металла, которое создаётся при реакции металла и фосфорной кислоты (H3PO4). В процессе реакции выделяется три вида солей фосфорной кислоты, вследствие чего формируется слой, благодаря которому повышается адгезия краски к основному материалу при существенном замедлении подпленочной коррозии при повреждении краски.

Технология создания защитной пленки впервые была применена в 1869 году путем погружения раскаленной стали в раствор фосфорной кислоты. Первую процедуру фосфатирования железа, а также стали без нагрева материала осуществили в 1906 году.

Название возникло в честь американской компании «Паркер» (Parker R. Р. С.), запатентовавшей эту методику в 1918 году.

«Тефлонирование»

Порошок фторопласта (техническое название тефлона) распыляется на поверхность металла, нагретую до 415 °C, и, вступая с ним в реакцию, образует защитный слой, обладающий высокой тепло- и морозостойкостью (от −70 до +270 °C), защищающий от смачивания водой, жирами и большинством органических растворителей. Также покрытие тефлоном защищает детали оружия от воздействия всех щелочей и кислот.

Фторопласт по своей химической стойкости превосходит все известные синтетические материалы и благородные металлы, не разрушается под влиянием щелочей, кислот и даже смеси азотной и соляной кислот. Тефлон — превосходный антифрикционный материал с чрезвычайно низким коэффициентом трения и скольжения.

Тефлон был открыт в апреле 1938 года, а в 1941 году компания Kinetic Chemicals получила на него патент.

Никель-борное покрытие

Изначально аутокаталитический процесс нанесения покрытия был востребован в военной отрасли, к примеру, в винтовке M4, созданной для эксплуатации в засушливых пустынных условиях и не требующей для эффективной работы смазочных составов. На сегодняшний день покрытие уже претерпело четыре поколения с различными запатентованными составами. Наносится никель-борное покрытие как химическим, так и гальваническим способом.

NiB (Nickel boron coating/никель-борное покрытие) — это твердосплавное покрытие (около 70 Роквелл), жестче металла, на который оно наносится, превосходя по низкому коэффициенту трения даже такие матричные составы как Teflon, которые со временем изнашиваются. Это свойство упрощает работу механизмов и их дальнейшее обслуживание.

Первый удачный электролит был найден в 1916-м году; он представляет из себя смесь сульфата никеля, хлорида никеля и борной кислоты.

Вакуумное напыление

Технология осаждения тонких плёнок, которая базируется на последовательных химических реакциях между паром и твёрдым телом. Большинство реакций используют два химических соединения, которые обычно называют прекурсорами. Такие прекурсоры поочередно вступают в реакцию с поверхностью. В результате многократного влияния прекурсоров происходит рост тонкой плёнки.

Химическое осаждение из газовой фазы CVD

Существуют разные методы осаждения, многие из которых работают по одним и тем же базовым принципам, главным отличием является то, как осаждаются сами атомы. Например, атомы могут осаждаться при плазменной стимуляции, при низких давлениях, посредством лазерного облучения и фотохимических реакций и так далее. Однако все процессы выполняются в вакуумной среде, и независимо от самого механизма осаждения во всех методах используется летучий материал-прекурсор.

Эти прекурсоры испаряются при высоких температурах в реакционной камере, затем осаждаются испаренные атомы, которые, как уже упоминалось, могут принимать различные формы в зависимости от конкретного рассматриваемого метода. Испаренные атомы, взаимодействуя друг с другом, воздействуют с поверхностью подложки, что позволяет накапливать тонкую наноразмерную химически связанную пленку.

Физическое осаждение из газовой фазы physical vapour deposition (PVD)

Напыление конденсацией из паровой (газовой) фазы — группа методов напыления покрытий (тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие получается путём прямой конденсации пара наносимого материала. Как и в случае с химическим осаждением из газовой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD) представляет собой еще один общий класс методов, которые можно использовать для нанесения атомов на поверхность для создания наноразмерной тонкой пленки.

PVD во многом похож на CVD и также выполняется в вакуумной среде. Как следует из названия, метод PVD имеет физическую природу. Напыление происходит под действием тепловой энергии с помощью испарения (в реакционной камере твёрдый материал расплавляется и переходит в газовую фазу с последующим осаждением и образованием наноплёнки на обрабатываемом материале). Так же часто применяется распыление с использованием ускоренных частиц, заряженных в плазме, что является более распространенным способом.

PVD-процессы являются более экологически чистыми методами вакуумного осаждения, состоящими из трех основных этапов:

1) Создание газа (пара) из частиц, составляющих напыление;

2) Транспорт пара к подложке;

3) Конденсация пара на подложке и формирование покрытия.

Отличие этих процессов друг от друга состоит в том, что в технологиях PVD исходные твердые материалы за счет испарения или распыления переводятся в газовую (паровую) фазу, которая имеет тот же состав, что и покрытие, а сам процесс осуществляется только в вакууме.

А при CVD-процессах в качестве исходных материалов используются газы. Составы газовой фазы и покрытия существенно различаются, покрытие образуется за счет прохождения химических реакций используемых реагентов, сами процессы в большинстве случаев проводятся при атмосферном давлении в специальных камерах, в отдельных случаях — в вакуумных камерах.

Атомно-слоевое осаждение Atomic Layer Deposition (ALD)

Процесс ALD впервые был описан под названием «Молекулярное наслаивание» в начале 1960 годов профессором С. И. Кольцовым из Ленинградского технологического института им. Ленсовета.

На самом деле, ALD является одним из методов, относящихся к классу методов CVD, но в последние годы у него появились свои достоинства, поэтому он заслуживает отдельного упоминания. Это прогрессивный метод для получения очень однородных и конформных нанотонких пленок, которые могут использоваться в широком диапазоне применений для геометрически сложных форм и криволинейных поверхностей (если оно наносится непосредственно в виде нанопленочного покрытия).

ALD — это технология, которая использует принцип молекулярного сбора материалов из газовой фазы. Фактически материал пропитывается газом из окружающей среды. Основным отличием от ХОГФ/CVD (Химическое осаждение из газовой фазы) является процесс очищения газовой камеры от отработанного прекурсора.

Отличие ALD от CVD

ALD использует два материала-прекурсора для создания нанопленки. Отличие ALD от других методов CVD заключается в том, что разные прекурсоры никогда не присутствуют в реакционной камере одновременно – они осаждаются последовательно. Камера осаждения очищается от прекурсора и отработанных частиц посредством продува газом.

ALD используется для создания пленок с несколькими атомными слоями, тогда как CVD обычно используется для однослойных пленок.

Как только один из прекурсоров был нанесен по всей поверхности, следующий материал прекурсора наслаивается сверху, где он вступает в реакцию с первым нанесенным материалом, создавая химически связанную многослойную пленку. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина.

Алмазоподобное покрытие

(DLC/Diamond like coating)

В конце 1960-х годов американские физики Сол Айзенберг и Рональд Шабот, первыми в мире нанесли на подложку из стали алмазоподобное покрытие.

Графит – мягкий, электропроводный, непрозрачный материал. А вот в алмазе у атомов углерода сильные связи во всех направлениях, и это самый твердый из известных материалов. Алмазоподобные (DLC) покрытия состоят из атомов углерода как с алмазными атомными связями, так и с графитоподобными.

Данный тип покрытия обладает незначительной шероховатостью, что практически исключает необходимость послестаночной обработки деталей.

В оружестроении алмазоподобное покрытиене не пользуется большой популярностью из-за очень дорогого производства.

Наносится покрытие методом напыления или плазменного осаждения схожим с PVD.

Нитрид-титановое покрытие

Это покрытие часто выполняет декоративную функцию. Благодаря сочетанию способа нанесения и материала, изделие с покрытием приобретает ярко выраженный золотистый цвет с небольшими отклонениями, зависящими от условий нанесения.

Защитная же функция проявляется в устойчивости к воздействию кислотных и щелочных сред. Так как нитрид титана невосприимчив к атмосферным явлениям, серной, соляной кислотам, фосфатам и хлору.

Покрытие имеет высокую термостойкость, соединение покрытия с подложкой сохраняется при температурах до 750 °C.

Существует несколько способов нанесения нитрид-титанового покрытия, однако на данный момент в большинстве случаев используется вакуумно-дуговой метод.

Np3

Метод был придуман в Голландии, позже в Англии был усовершенствован, а в 1987 году компания Coating Technologies Inc. получила лицензию на данный процесс в США.

Покрытие Np3 – это композитное покрытие из никеля, фтора и тефлона.

Тефлон равномерно распределяется по поверхности изделия и фиксируется в никелево-фосфорной матрице, образуя сухо-смазанную поверхность с низким коэффициентом трения, обладающую высокой твёрдостью и повышенной износостойкостью.

Автокаталитическая никелевая матрица обеспечивает идеальную поддерживающую среду для частиц тефлона. По мере того, как композитная поверхность медленно изнашивается во время работы, более богатое ПТФЭ покрытие подвергается воздействию изнашиваемой поверхности, обеспечивая непрерывную подачу твердой смазки в критические области.

Таким образом покрытие как бы «подпитывает» критические места, на которые оказывается более жёсткое воздействие.