НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

,,КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Полонський Леонід Григорович

УДК 621.793.71

РОЗВИТОК ТЕХНІКИ

ТИГЕЛЬНОГО, ГАЗОПОЛУМЕНЕВОГО ТА ЕЛЕКТРОДУГОВОГО

НАПИЛЮВАННЯ ПОКРИТТІВ ІЗ НАЙДАВНІШИХ ЧАСІВ ДО КІНЦЯ ХХ ст.

Спеціальність 05.28.01 – Історія техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування і конструювання технічних систем Житомирського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: академік НАН України, доктор технічних наук, професор

Новіков Микола Васильович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля

НАН України, директор, м. Київ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кузнецов Валерій Дмитрович,

Національний технічний університет України ,,Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри відновлення деталей машин, м. Київ;

доктор технічних наук, професор Ляшенко Борис Артемович,

Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України,

завідувач лабораторії зміцнення поверхні елементів конструкцій, м. Київ;

доктор історичних наук, професор Бєсов Леонід Михайлович,

Національний технічний університет ,,Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри історії науки і техніки,

м. Харків.

Провідна установа: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

м. Київ.

Захист відбудеться 19 червня 2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .002.15 при Національному технічному університеті України ,,Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України ,,Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 18 травня 2006 р.

Вчений секретар

cпеціалізованої вченої ради Д 26.002.15,

доктор технічних наук, професор Головко Л.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перехід України на світові промислові стандарти передбачає високу якість виробів та їхню конкурентоспроможність і пов’язаний з досить гострою проблемою економії матеріалів і енергії. Вирішувати її найдоцільніше через впровадження ресурсозберігаючих технологій. До них належить і технологія захисту, відновлення та зміцнення поверхонь деталей машин за допомогою техніки газополуменевого та електродугового напилювання покриттів. Для успішного використання напилених покриттів необхідно застосовувати набутий досвід, який давав і дає зараз позитивні результати. Його більшою мірою накопичено у передових індустріальних країнах світу, хоча значні досягнення в цьому напрямку були і в колишньому Радянському Союзі та, зокрема, в Україні. Але постійне зростання вартості енергоносіїв, структурні зміни в економіці викликали нагальну необхідність перегляду підходів до застосування таких покриттів. Завдання з поліпшення їхньої ефективності ставлять на порядок денний питання, пов’язані зі зменшенням енерговитрат і здешевленням напилюваних матеріалів, впровадженням у процеси остаточної обробки покриттів прогресивних інструментальних матеріалів тощо.

У зв’язку з необхідністю чіткого визначення місця техніки газополуменевого та електродугового напилювання покриттів у сучасних суспільно-економічних умовах дослідження її історії є актуальною науковою проблемою, вирішення якої дозволить осмислити основні закономірності, властиві інноваційним процесам у ній, проаналізувати шляхи становлення та розкрити глибину впливу цієї техніки на окремі галузі промисловості і, певною мірою, на загальний технічний розвиток.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що стали основою дисертаційної роботи, виконувались в Житомирському державному технологічному університеті (ЖДТУ) у відповідності з Державною науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України 5.4 „Енергоефективні та ресурсоощадні технології, обладнання та матеріали для зварних конструкцій і споріднених процесів” за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки „Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” в рамках госпдоговірних науково-дослідницьких робіт „Дослідження, розробка і впровадження газотермічних покриттів, які підвищують термін служби пластин преса силікатних виробів”, № держреєстрації 0202U004315; „Відновлення та зміцнення деталей металообробного устаткування за допомогою техніки напилення газотермічних покриттів”, № держреєстрації 0104U006128; „Стратегія відновлення енергетичного обладнання на основі застосування техніки напилення газотермічних покриттів”, № держреєстрації 0104U007018.

Мета і завдання дослідження. Метою є відтворення цілісної картини процесу удосконалення техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів із висвітленням впливу на неї досягнень в галузі механічної обробки матеріалів, визначення її ролі серед іншої техніки покриттів і закономірностей становлення для передбачення перспектив подальшого розвитку.

Досягнення поставленої мети визначило завдання дослідження:

1. Обгрунтування доцільності вибору об’єкта і предмета історико-технічного дослідження.

2. Розроблення періодизації історії газотермічних покриттів.

3. Висвітлення історичних факторів, що мають відношення до появи та удосконалення техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів.

4. Вивчення внеску окремих вітчизняних та зарубіжних учених і виробничників у розвиток напилених покриттів.

5. Виявлення причин, які визначають механізми розвитку техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів.

6. Визначення перспектив подальшого розвитку техніки газополуменевого та електродугового напилювання покриттів.

Хронологічні рамки історичного матеріалу дисертації охоплюють відрізок із найдавніших часів до кінця XX ст.

Територіальні межі охоплюють провідні індустріальні країни світу.

Об’єкт дослідження – розвиток техніки напилення газотермічних покриттів (ГТП).

Предмет дослідження – процес удосконалення техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання, як засіб розкриття еволюції технологій покриттів.

Методи дослідження. Для отримання достовірних результатів і раціонального викладення фактичного матеріалу використано наукові методи, що грунтуються на принципах історизму, багатофакторності, всебічності та об’єктивності пізнання.

У процесі роботи над дисертацією застосовано історичний, порівняльно-історичний, логічний, синхронний, хронологічний, ретроспективний, структурно-системний, статистичний, математичний методи і метод періодизації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробленні абстрактно-формальної схеми, що розвиває уявлення про причини появи, шляхи розвитку та роль і основні задачі техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів у нинішніх економічних умовах. Для цього:

1. Вперше в історичній науці створено цілісну картину розвитку даної техніки покриттів.

2. Вперше розроблено періодизацію розвитку газотермічних покриттів, виявлено та наведено основні характеристики стадій, періодів і етапів їхньої історії, що дає можливість відпрацювання загальних підходів до вирішення проблемних питань техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання у зв’язку з потребами суспільного виробництва і науково-технічного прогресу.

3. Вперше введено до наукового обігу низку виявлених фактичних даних і уточнено окремі пріоритети розвитку газотермічних покриттів.

4. Вперше прослідковано еволюцію інноваційних ідей, націлених на прогрес техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів, що показує необхідність дослідження зміни основних показників досконалості при розгляді проблем технічного розвитку.

5. Вперше досліджено, що основними причинами, які визначали розвиток техніки газополуменевого та електродугового напилювання покриттів, є досягнення відповідного рівня досконалості устаткування і, на цій основі, – поліпшення технологій формування покриттів та напилюваних матеріалів.

6. Продовжено дослідження діяльності учених і винахідників у сфері техніки напилення ГТП, що необхідно для підтвердження ролі особистостей у технічному розвитку.

Практичне значення одержаних результатів полягає в отриманні цілісного та систематизованого матеріалу, який може бути використаний в історико-технічних дослідженнях з довідковою метою та як методика; у патентно-інформаційних пошуках при розробці нових конструкцій напилювального устаткування; в експозиціях музеїв, що відображають питання історії техніки; в роботах на історичну тему; в інженерній практиці (при складанні звітів, карт технічного рівня, пояснювальних записок тощо); у навчальному процесі при вивченні розвитку техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів.

Матеріали дисертаційної роботи використані в експозиціях Державного політехнічного музею при Національному технічному університеті України ,,Київський політехнічний інститут” (НТУУ „КПІ”) і Тернопільського обласного краєзнавчого музею; у навчальному процесі Донецького національного технічного університету (ДонНТУ), Національного транспортного університету (м. Київ), Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля (СУНУ) (м. Луганськ), Технічного навчально-наукового інституту Національного аграрного університету (м. Київ), Житомирського автомобільно-дорожнього коледжу та Новоград-Волинського промислово-економічного технікуму (Житомирська обл.); в довідково-інформаційних фондах Львівського державного центру науково-технічної і економічної інформації і ТОВ ,,РК-Сервіс” (с. Княжичі Броварського району Київської обл.); у виробничій практиці ВАТ ,,Житомирський комбінат силікатних виробів”, ВАТ ,,Золотоніський машинобудівний завод ім. І.І. Лепсе” (Черкаська обл.), Відокремленого підрозділу ,,Черкаська ТЕЦ” ВАТ ,,Черкаське хімволокно” та Науково-виробничого центру ,,Бінар” (м. Луганськ).

Особистий внесок здобувача. Здобувачеві належать основні ідеї дисертації та положення, що виносяться на захист. Особистий внесок у роботах, виконаних у співавторстві, полягає у встановленні логіки розвитку техніки напилення ГТП протягом усього часу її існування, розробленні концепції історії, періодизації та класифікації цієї техніки, виявленні, уточненні та введенні у науковий обіг пріоритетів, визначенні та обгрунтуванні закономірностей розвитку напилювального устаткування. Постановка завдань і обговорення наукових результатів виконані разом із науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та були схвалені на симпозіумах і конференціях, у тому числі, на: XIX Міжнародному київському симпозіумі з наукознавства та історії науки „Історія національної науки: новий зміст і суспільна значимість” (м. Київ, 2002 р.); Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 100річчю механіко-машинобудівного і 50річчю зварювального факультетів НТУУ „КПІ” (м. Київ, 1998 р.), Міжнародній науково-технічній конференції „Прогресивні технології машинобудування і сучасність” (м. Севастополь, 1997 р.); Міжнародній науковій конференції „Інженерія поверхонь і реновація виробів” (м. Феодосія, 2001 р.); Міжнародних конференціях „Flexible technologies” (м. Нові-Сад – Югославія, 1997 р.), „Пленки и покрытия” (м. Санкт-Петербург – Російська Федерація (РФ), 1998 і 2001 рр.); І Українській науково-технічній конференції „Сучасні технології та обладнання в газотермічних процесах відновлення та утилізації деталей машин і конструкцій” (м. Київ, 1999 р.); 2й Всеукраїнській науковій конференції „Актуальні питання історії техніки” (м. Київ, 2003 р.); 4й Всеукраїнській науково-практичній конференції ,,Український технічний музей: історія, досвід, перспективи” (м. Київ, 2005 р.); II Східноукраїнській науково-технічній конференції „Зварювання, литво та споріднені процеси” (м. Луганськ, 2003 р.).

Публікації. Основний зміст і результати дисертації опубліковані в 46 роботах (9 – без співавторів), у тому числі, в 2 монографіях, 19 статтях у фахових виданнях, 3 патентах України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 492 найменувань та 25 додатків. Загальний обсяг дисертації – сторінки. Робота містить 10 таблиць і 97 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначаються мета і завдання дослідження, вказуються наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі здійснено аналіз робіт, які стосувалися розвитку техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів, наведено методологію та визначено напрямки і програму історико-технічного дослідження. Проведено огляд наукової літератури та архівних матеріалів, проаналізовано розкриття історії техніки напилення у працях попередників.

Встановлено, що цілісне історико-технічне дослідження, в якому б було здійснено порівняльний аналіз процесу становлення даної техніки на загальному тлі технічної еволюції, зафіксовано рівні та пояснено особливості її розвитку в той або інший історичні періоди, визначено, коли, де і як виникають передумови її поліпшення на основі як появи нових технічних ідей, так і об’єктивних експлуатаційних оцінок, на сьогодні є відсутнім.

Факти, що стосуються розвитку техніки напилення, в літературних джерелах надзвичайно розпорошені, практично відсутня їхня систематизація. Найбільш осяжно, але також розрізнено, історичні факти розвитку техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів до кінця 1950х рр. відображені у працях Є.В. Антошина, Г.Д. Вольперта, А.М. Дмитровича, М.В. Катца, Л.В. Красніченка. У монографії англійських спеціалістів T.Х. Tернера і Н.Ф.  Будгена найповніше відображена історія техніки напилення до початку 20х рр. ХХ ст. В.Н. Хромовим, В.Г. Верцевим, А.Я. Коровіним та Н.Г. Абашевим досліджено розвиток техніки газополуменевого напилювання покриттів протягом другої половини XX ст.

Деякі фактографічні дані з історії техніки напилення містяться в роботах А.В. Богуслаєва, Д.Г. Вадівасова, В.В. Єфремова, В.А. Какуєвицького, Н.Н. Мурага, В.М. Потоцького, К.А. Ющенка, Ю.С. Борисова та Є.А. Астахова, інших дослідників. Різні дані техніко-економічного та історико-технічного характеру, необхідні для аналізу її розвитку, зустрічаються у дослідженнях Н.В. Авдєєва, В.Я. Кершенбаума, Б.Є. Патона, В.І. Трефілова. Дані про розвиток техніки напилення у колишньому Радянському Союзі та деяких країнах СНД наведено у працях Є.В. Антошина, Є.В. Говоріна, А.Т. Долженкова, М.Д. Нєдзельського, Н.С. Пруднікова, А.Ф. Троїцького. Згадки про розміщення та застосування техніки напилення ГТП в Україні є у монографіях, статтях і оглядових матеріалах А.І. Відути та В.А. Паризького, І.А. Довгича, О.П. Епіка, В.А. Какуєвицького, А.Д. Климчука, С.Ю. Кваші та В.І. Ковальчука, А.П. Кравченка та Ю.Г. Вельчева, Б.А. Ляшенка, А.З. Мальованного, А.А. Петренка, А. Свєта.

Дослідження стану розвитку світового ринку стосовно поширення та застосування техніки напилення ГТП проводили В.Н. Бернадський, Ю.С. Борисов, А.А. Мазур та К.А. Ющенко, Л.К. Дружинін і В.В. Кудінов, В.С. Івашко, І.Л. Купріянов і В.І. Гущин, О.Ф. Ільющенко, Є.Д. Манойло та Е.Н. Толстяк, Ю.О. Харламов і О.П. Алєксєєв.

Деякі історичні факти, що стосуються розвитку техніки напилення та суміжних з нею галузей промисловості, висвітлено у працях зарубіжних учених і спеціалістів, зокрема, Г. Бабліка, В.Д. Джонса, М.Т. Імагави, Е. Кречмара, Р. Крняка, Х. Райса, Г. Роудона, П. Цемке, А. Хасуя, Д. Маша, Н. Вієра та Д. Уолкера.

Фрагментарні дані історичного характеру з механічної обробки газотермічних покриттів в Австрії, Німеччині, колишніх Радянському Союзі та Чехословаччині, США, які констатують застосування відповідних інструментів, процесів і режимів обробки, наведені у працях Є.В. Антошина, В.Н. Байкалової, Ф.Я. Баранова, Г.Д. Вольперта, А.М. Дмитровича, М.В. Катца, С.А. Клименка, Д.А. Козлова, Н.Ф. Литвиновича, В.В. Юшкова.

Методологічною базою роботи є діалектичний матеріалізм. За визначальний напрямок розгляду проблем техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів, який охоплює її технічні, природничі та суспільні аспекти, вибрано принцип системного аналізу. Дослідження базується на методологічних положеннях, розроблених такими вченими, як А.Н. Боголюбов, В.В. Данилевський, Г.М. Добров, А.А. Зворикін, В.І. Онопрієнко, А.В. Санцевич, Ю.О. Храмов, і розкриває еволюцію техніки як невід’ємної частини об’єктивного процесу суспільного розвитку.

У другому розділі проаналізовано багатовіковий шлях розвитку напилених покриттів. Охарактеризовано об’єкт і предмет дослідження та визначено поняття ,,техніка напилення ГТП”, під яким мається на увазі сукупність засобів праці і технічних процесів із постійно змінюваною в часі структурою, завдяки чому методами напилення та механічної (або іншої) обробки на поверхні формується покриття певного призначення з наданням йому необхідних експлуатаційних властивостей.

Акцентовано увагу на тому, що всю історію техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів супроводжує відчутна невизначеність її технологічних процесів, низькі передбачуваність та контрольованість їх динаміки, що обумовлено залежністю від значної кількості факторів зовнішнього та внутрішнього впливів. Головними параметрами довершеності даної техніки є: міцність зчеплення покриття з основою зч; пористість П; швидкість руху напилюваних часток vч; температура процесу Тч; продуктивність; коефіцієнт використання напилюваного матеріалу (КВМ) та ін.

У зв’язку з вищенаведеним і тим, що обсяг напилених покриттів серед усіх інших поступається тільки обсягу наплавлених і електролітичних, необхідність дослідження логіки розвитку, хронології становлення техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання у системі виробництва в різних соціально-економічних умовах, рушійних сил, які впливають на її поліпшення, ознайомлення зі спадщиною творців цієї техніки дозволяє визначити її важливим об’єктом вивчення.

Розглянуто вихідні принципи, необхідні для наукового підходу до проблеми періодизації історії розвитку техніки. Показано, що науковою періодизацією є обмеження основних часових відрізків розвитку техніки, які в тій або іншій мірі різняться між собою. З врахуванням того, що витоки техніки напилення беруть початок від дуже давніх часів існування прийомів розпилення розплавлених металів, запропоновано такий диференційований розподіл її існування: стадія, період, етап.

Стадію визначено як довготривалий проміжок часу, що відображає стан розвитку техніки напилення, протягом існування якого її принципова суть не змінюється. Як тільки відбувається різке поліпшення одного або кількох головних параметрів, змінюється стадія розвитку. Історично всяка техніка, в основному, проходить через такі стадії розвитку, як: знаряддева, машинна, автоматична.

Стосовно техніки напилення ГТП, яка зароджувалася в надрах техніки розпилення розплавів, знаряддева стадія характерна тим, що впродовж неї утворення напрямленого газового струменя відбувалося за допомогою мускульної сили людини.

Збільшення суспільних потреб у порошках викликало в XVI ст. подальше удосконалення техніки розпилення. Поява обертових дисків, привід у дію яких здійснювався від водяного колеса, знаменувала собою початок машинної стадії розвитку техніки розпилення розплавів. А розроблення у 1902 р. в США напилювального апарата (рис. 1) означало відокремлення від техніки розпилення нового технічного напрямку. Він передбачав застосування температури і струменя газу за іншим призначенням. Ця подія знаменувала початок робіт зі створення техніки напилення практично у тому вигляді, який вона має сьогодні. З появою цього апарата спосіб отримання порошків почав використовуватися для утворення покриттів. Ця ж дата є і початком машинної стадії техніки напилення.

У процесі подальшого становлення цієї техніки у ній вже в 1910і рр. з’явилася нова складова, яка почала виконувати функції управління процесом і параметрами напилення. Зокрема, було автоматизовано подачу дроту. Відбувся черговий перебіг у розвитку – на зміну машинній прийшла автоматична стадія. Остаточно вона сформувалася в 50і рр. ХХ ст., коли в техніці напилення розпочалося використання енергії плазми та вибуху.

Періодом у розвитку техніки напилення запропоновано вважати відрізок часу, впродовж якого об’єкт дослідження не зазнає якісних змін. Причинами зміни періодів є зміни в енергетичній основі. Першим, початок якого практично співпадає з початком знаряддевої стадії, можна вважати період техніки тигельного напилювання газотермічних покриттів. Енергетичною базою впродовж нього виступає тепло розплавленого металу.

На рубежі ХІХ–ХХ ст.ст. найбільше розповсюдження отримало нагрівання та розплавлення напилюваних матеріалів теплом спалюваного горючого газу. Це сприяло формуванню наступного періоду розвитку – періоду техніки газополуменевого напилювання газотермічних покриттів.

Дещо пізніше (кінець 30х рр. ст.) його змінив період техніки електродугового напилювання газотермічних покриттів, який характерний стрімким розширенням застосування устаткування на електричній енергетичній базі.

В рамках автоматичної стадії розвитку розпочався (середина 50х–70і рр. ст.) період високоенергетичної техніки напилювання газотермічних покриттів, головною ознакою якого є те, що поряд із розплавами, газовими та електричними джерелами енергії розпочалося та інтенсивно розширюється використання енергії плазми і вибуху, а також комбінацій різних енергетичних джерел.

Визначення етапів розвитку в дослідженні здійснене за принципом відслідковування змін у домінуючому призначенні техніки напилення.

Освоєння міді, золота, заліза, інших металів, зокрема, корозієстійких, а також значне збільшення кількості металевих виробів створили наприкінці ХІХ–на початку XX ст.ст. умови для застосуваня декоративних та захисних покриттів (етап декоративно-захисної техніки напилення ГТП).

Особливо бурхливий технічний розвиток, поява зносостійких металів, виникнення дефіциту традиційних конструкційних матеріалів, підняття на значно вищий якісний рівень швидкісних, силових, температурних та інших характеристик машин, а також неспроможність наявних на той час засобів реновації забезпечити безперебійність експлуатації машин зумовили наприкінці 20х–на початку 30х рр. XX ст. початок використання напилених покриттів для відновлення спрацьованих деталей (етап відновлювальної техніки напилення ГТП).

І, накінець, поява принципово нових видів техніки, які використовували найновіші надбання у галузі матеріалознавства, освоєння повітряного та водного просторів, проникнення в космос і, внаслідок цього, вихід на передові рубежі вимог до міцності та довговічності деталей машин, подальше зростання технічних характеристик викликали і появу зміцнювальних та спеціальних газотермічних покриттів (етап зміцнювальної техніки напилення ГТП) (середина 1950х рр.).

Третій розділ присвячений розгляду питань, що стосуються виникнення засобів і прийомів розпилення розплавів з метою отримання порошків, удосконалення яких та подальша трансформація створили умови для появи техніки напилення. Показано, що корені техніки розпилення сягають часів приборкання вогню та початку його застосування в технологіях обробки, завдяки чому люди навчилися розплавляти метал. Археологами знайдено незаперечні докази того, що інки виготовляли порошок розпиленням розплавленого золота вже за 3 тис. рр. до н.е., а древнім єгиптянам був відомий і залізний порошок.

Функціональна структура техніки розпилення розплавів на знаряддевій стадії розвитку мала вигляд простого ланцюга: розплавлений метал – генератор повітряного струменя – металевий порошок.

Всесторонньо досліджено еволюцію покриттів. На основі запропонованої концепції освоєння засобів захисту предметів праці від руйнування і наявних історичних матеріалів показано, що поштовхом до їх появи став перехід людей від збирання дарів природи або їх захоплення силою до ведення свідомого господарства.

Історично першими були покриття із жирів, воску, глини, фарб, смоли, дьогтю тощо, які можна об’єднати єдиним поняттям – отримувані механічним способом. Вони повністю задовольняли потреби суспільства до приборкання людьми вогню.

Освоєння вогню різко підняло продуктивність виробництва і радикально вплинуло на розвиток суспільства. Його використання дозволило зробити якісний стрибок в удосконаленні покриттів – з’явилися так звані термічні покриття, для нанесення яких у тій або іншій якості використовувалася температура.

Зацікавитись захистом поверхонь від спрацювання змусили людей розвиток засобів обробки грунту і поява складаних знарядь праці. З’явилися примітивні пристрої для добування вогню, свердлування, гончарний круг, де був постійний контакт окремих частин між собою – люди почали мати справу з рухомими з’єднаннями. IIІ–І тис. до н.е., так званий бронзовий вік, відкрили значні можливості розвитку. Використання в транспортних засобах колеса означало виникнення класичної пари тертя „вісь–втулка”. Очевидно, до цього ж періоду відноситься і початок змащування колісних вісей дьогтем або різними жирами – тобто, розпочалося використання механічних покриттів для зменшення тертя. У ливарній справі в новій якості знайшла застосування глина. Обмащування нею плавильних печей являло собою перші приклади термостійких покриттів.

Досягнення епохи бронзи підготували умови, що дозволили пізніше здійснити іще один якісний стрибок – розпочати використання заліза, яке відіграло надзвичайно важливу роль у техніці. Наявність достатньої для задоволення тогочасних потреб кількості заліза призвела до диференціювання ремесел, появи нових галузей виробництва. З’явилися технології паяння, лудіння, кування тощо. Нове оснащення в ХIV ст. підняло продуктивність виплавлення чавуну до 1,6 т за добу. І, мабуть, в цей період люди вже могли задуматись про збереження такого багатства, однак, технічної можливості для появи досконаліших за жири корозієстійких покриттів іще не було.

Період від появи складаних знарядь праці до зародження машинної техніки (початок XVI ст.) ознаменувався інтенсифікацією технічних характеристик механізмів: швидкості пристроїв, які приводились в дію використанням сили тварин і води, в 3 рази перевершили швидкості знарядь, де використовувалась сила людини, а продуктивність праці стала в 30 разів вищою; при цьому стало можливим оперувати температурами понад 1350 °С. Але значних досягнень у розвитку техніки взагалі, а покриттів – зокрема, годі було чекати без підвищення рівня наукових знань.

З появою клина, важеля, колеса, з використанням похилої площини поступово у свідомості людей викристалізувались абстрактні поняття сили, швидкості, опору тощо. Пізніше це дало поштовх розвитку наук, зокрема, математики, механіки, фізики. Поєднання наукових знань з практичним досвідом обумовило накопичення предметів матеріальної культури, сприяло створенню таких деталей, пристроїв і механізмів, які підготували появу робочих машин. Бурхливий розвиток машин поступово ввійшов у протиріччя з консервативними засобами захисту деталей від спрацювання. Потреби техніки, її високі експлуатаційні характеристики почали перевершувати можливості наявних покриттів.

У –1802 рр. були відкриті електроліз і електрична дуга, яка згодом відіграла неабияку роль у становленні техніки напилення. Із впровадженням пристроїв для спалювання газу – пальників (початок 1800х рр.), освоєнням порошкової металургії (1826–1827 рр.), відкриттям ацетилену, розробленням методів електрозварювання металів (1882–1888 рр.) інженерна та наукова думки наблизилися до винайдення покриттів, якісно нових із технічного боку. Однак, їхньої появи ще не вимагав рівень розвитку продуктивних сил того часу. Швидкості і температури, при яких працювали деталі машин, були хоч і значними, але все ще такими, за яких їхній негативний вплив знешкоджувався використанням наявних на той час конструкційних матеріалів, мастил тощо.

А от техніка кінця XIX–початку XX ст.ст. могла ритмічно функціонувати вже тільки за умови належного догляду та своєчасного ремонту. Завдяки газо- та електрозварюванню з’явилася можливість обробляти поверхні деталей машин наплавленням, що значно поліпшило якість покриттів і міцність зчеплення їх з основою.

Поряд із розвитком легування, термообробки та наплавлення на шляху створення корозіє та зносостійких виробів наприкінці ХІХ–на початку XX ст.ст. почав завойовувати собі місце і принципово новий підхід до їх відновлення та виготовлення. Суть його полягала в тому, що механічна міцність деталей гарантувалася за рахунок одного матеріалу, а специфічні властивості поверхні забезпечувались формуванням на ній тонких шарів більш стійких матеріалів, які в розплавленому або нагрітому стані напилювались на поверхню струменем газу. Цей спосіб, на перший погляд, абсолютно подібний до наплавлення, насправді принципово відрізняється від останнього тим, що не викликає деформації основи. Початок його застосування знаменував появу такої техніки покриттів, яку ми зараз називаємо технікою напилення ГТП. Із часом вона набула широкого визнання. На виробництво прийшла зручна техніка покриттів, яка за прийнятних продуктивності та економічності забезпечує працездатність виробів без негативного впливу на них.

Четвертий розділ присвячений питанням удосконалення техніки тигельного, газополуменевого та електродугового напилювання покриттів протягом машинної стадії її розвитку. Досліджено, що завдяки досягненням порошкової металургії та виникненню об’єктивних потреб в оволодінні різними методами захисту матеріалів інтенсифікувалася діяльність вчених, конструкторів, технологів, які працювали над цими проблемами. Після появи першого напилювального апарата ідея застосування для утворення покриттів способу розпилення повністю оволоділа думками спеціалістів із захисту металів. Напилення покриттів вдалося впровадити протягом 1902–1912 рр., що свідчить про актуальність даної техніки у тодішніх умовах суспільного і технічного розвитку.

Швейцарець Макс Ульріх Шооп (10.05.1870 р.–29.02.1956 р.) був першим дослідником, який поставив вивчення питань, що стосувалися освоєння газотермічних покриттів, на науково-технічну основу. Але віддавати йому пріоритет у винайденні напилених покриттів, як це зроблено в багатьох довоєнних виданнях, не зовсім коректно. Адже цей спосіб уже був запатентований С. Терстоном. Беззаперечною ж заслугою Шоопа є те, що він вперше для здійснення напилення застосував тепло і отримав придатне для практичного використання покриття.

Однак, те, що Шооп вважається засновником сучасної техніки напилення ГТП, є цілком справедливим і логічним. Завдяки, у першу чергу, його працям було освоєно процеси напилення покриттів із різних матеріалів, сформовано основні елементи устаткування. Науково-технічні принципи, запропоновані та використані Шоопом на практиці, витримали перевірку часом, про що свідчить майже повна відповідність сучасних електродугових і газополуменевих технічних засобів напилення тим, що були розроблені ним. Шооп також здійснив спробу, правда, невдалу, теоретично пояснити механізм зчеплення напилюваних часток між собою та з основою. Головне ж досягнення Шоопа полягає в тому, що дослідження, здійснювані ним, були відповіддю на нагальні потреби дня, а результати його праць виявилися прийнятними для тогочасної промисловості.

Переваги напилення порівняно з іншими способами нанесення покриттів у значній мірі проявилися після впровадження його у процеси алітування сталей та виправлення бракованого литва. Інженер Ф. Шорі висунув у 1920і рр. ідею напилення покриттів уже на стадії виготовлення виробів. Майже відразу ж у Німеччині та Швейцарії на машинобудівних підприємствах таким чином почали захищати від корозії каркасні конструкції транспортних засобів.

Визначено, що перші роки освоєння газотермічних покриттів характерні переважним застосуванням устаткування першого покоління – простих напилювальних технічних засобів із ручним управлінням режимами та візуальним контролем за ходом процесу.

Етап відновлювальної техніки напилення ГТП характеризувався розповсюдженням устаткування другого покоління – намітилася тенденція створення напилювальних технічних засобів, які комплектувалися механізованими пристроями, що забезпечували необхідне взаємне переміщення генератора робочого середовища та оброблюваного виробу, внаслідок чого поліпшилася рівнотовщинність покриття на всій площі його напилення та зросла продуктивність устаткування – вона досягла на початок 30х рр. ст. відмітки 9,3 кг/год.

На цьому етапі розвитку розпочалися теоретичні дослідження в галузі газотермічних покриттів. На початок 40х рр. ст. існувало три теорії, які пояснювали механізм зчеплення диспергованих часток між собою та з основою. Першу з них, про яку згадано вище, розробив Шооп. Згідно його твердження, розплавлені частки в польоті охолоджувалися і тверділи. В момент удару об основу кінетична енергія часток перетворювалася в теплову і цього тепла, як вважав дослідник, було достатньо, щоб частки або знову розплавились, або хоча б пластифікувалися. Внаслідок цього відбувалося зварювання часток між собою або утворювався міцний адгезійний зв’язок між ними. Майже відразу цю теорію спростував Шенк, який показав, що у такому випадку швидкість руху напилюваних часток повинна бути близькою до 800 м/с, тоді як насправді, згідно багатьох експериментальних даних, вона не перевершувала vч = 140 м/с.

Друга теорія – Рейнінгера – була також швидко спростована. Згідно неї частки у твердому стані досягали основи і вклинювалися у пори на ній та між раніше напиленими частками. Утримувалися ж вони, як вважав дослідник, за рахунок молекулярного зчеплення.

Третьою, що домінувала до початку 50х рр. ст., була теорія Тормана. Він стверджував, що частки попадають на основу в пластичному стані, розплющуються, добре заповнюючи нерівності на поверхні основи і на попередньо нанесених частках та між ними, і таким чином міцно зчіплюються між собою.

Австрійський інженер Г. Баблік у 1930 р. узагальнив досягнення техніки напилення, опублікувавши порівняльні дані з формування різними методами цинкових покриттів, які переважали на той час у світовому масштабі (табл. 1).

На середину 40х рр. ХХ ст. стало зрозумілим, що для отримання якісних покриттів надзвичайно важливим є, поряд зі створенням ефективного та економічного устаткування, і забезпечення процесів напилення високоякісними матеріалами. Після розроблення та впровадження у Сполучених Штатах порошків самофлюсівних сплавів (1945 р.) центр розвитку техніки напилення почав переміщуватися зі Швейцарії та Німеччини до США та Великої Британії. Одночасно поява нових порошків дала додатковий імпульс для розширення застосування та удосконалення газополуменевого устаткування, в конструкціях якого відбулися принципові зміни (1948–1952 рр.). Найголовніша з них полягала в тому, що принцип рівного тиску, який передбачав пропорційне змішування горючого газу та кисню, замінило використання безпечнішого принципу інжекції.

Зносостійкі порошкові покриття досить швидко розповсюдилися у світовій практиці, а газове полум’я з появою самофлюсівних матеріалів почали використовувати і для їх оплавлення, впровадження якого дозволило досягти практично триразового збільшення ?зч. Ці ж роки відзначалися і розширенням географії техніки електродугового напилювання. Промисловість деяких західних країн, зокрема, Австрії, Бельгії, Франції, отримала імпульс для поширення її у виробництво. У ФРН налагодили випуск електродугових апаратів із автоматичним управлінням, Велика Британія також розпочала власне виробництво таких апаратів. Велику зацікавленість у 1950і рр. викликав метод газополуменевого напилення покриттів із оплавленням, відмінною особливістю якого була невелика відстань між соплом пальника та основою. Він добре зарекомендував себе при напиленні поверхонь масивних деталей. Тоді ж значно розширилося застосування керамічних покриттів. Швидко розповсюдилося і напилення покриттів з інших неметалевих матеріалів. З’явилися пристрої для ведення спеціальних робіт, наприклад, для отримання щільних покриттів напиленням свинцю в атмосфері вуглекислого газу, для напилення припою та інших легкоплавких металів і сплавів. На зміну кільцевій конструкції сопла, яка була не зовсім вдалою для напилення порошку, прийшла щілинна.

Відбулися деякі зміни і в енергетичній основі техніки газополуменевого напилювання. Поряд із ацетиленом широке використання отримали його дешевші замінники, що позитивно відбилося на економічності напилення покриттів. Технічний рівень газополуменевих апаратів, які випускалися на той час західними фірмами, був досить високий. Вони виготовляли переважно апарати у вигляді пістолетів із середньою продуктивністю до 3...5 кг/год, масою не більше 1,5 кг і з великою стабільністю в роботі. КВМ в окремих випадках вдалося довести до 95

Середина 50х–початок 60х рр. XX ст. відзначені корінними змінами в техніці напилення ГТП, насамперед, в її енергетичній основі, – поряд із газовими та електричними почалося використання нових джерел енергії: плазми та вибуху. Здійснювалися спроби застосування електричного високочастотного напилювального устаткування. В цей же період з’явились принципово нові конструкції, що започаткували розвиток устаткування так званої „ракетної” дії. Суть нового способу, запропонованого Баффінгтоном і Дж. Браунінгом, полягала у тому, що матеріал плавився всередині камери згоряння та напилювався з надзвуковими швидкостями без використання транспортувального газу.

На початок 70х рр. ст. та частина техніки газополуменевого напилювання покриттів, що основувалася на використанні дротів, характеризувалася високими якісними показниками, однак, починаючи з 1900х–1920х рр., нових розробок у цьому напрямку не спостерігалось. Причини такого становища можна бачити у тому, що наявне устаткування досить добре напилювало дріт, і, крім того, його розвиток гальмувався появою напилювального устаткування значно вищого енергетичного рівня. Хоча, з іншого боку, ці роки відзначилися початком використання особливої групи напилюваних матеріалів – порошкових дротів, які в окремих випадках успішно замінили стрижні.

60і–90і рр. XX ст. характеризувалися і деякою зміною поглядів на техніку напилення ГТП, що обумовив перехід на високошвидкісні методи напилення. У хронологічній послідовності це детонаційне, високоенергетичне плазмове та газополуменеве, а з кінця 1980х рр. – і електродугове напилювання. Освоєння плазмових і детонаційних джерел енергії остаточно забезпечило перехід на автоматизоване устаткування (устаткування третього покоління), яке здійснює весь цикл напилення покриттів без участі людини.

А загалом техніка напилення, насамперед, порошкова, значний розвиток отримала у 80і рр. ст., що було пов’язано з попередніми роботами 1960х рр. Дж. Браунінга в галузі високошвидкісного газополуменевого напилювання. У світовій практиці спосіб отримання покриттів із досягненням надзвукової швидкості руху напилюваних часток отримав назву „High – Velocity – Oxygen – Fuel” (НVОF) („Висока – Швидкість – Кисень – Паливо”). Дещо пізніше американська фірма „Browning Thermal System Co” розпочала випуск пальника „Air-Spray НVАF”, у якому закладено спосіб напилення, що отримав назву „High – Velocity – Air – Fuel” (НVАF) („Висока – Швидкість – Повітря – Паливо”). Він відрізняється використанням повітря як для окислення (замість кисню), так і для охолодження (замість води). Ці роки також характерні впровадженням у техніку електродугового напилювання покриттів порошкових дротів і металевих стрічок, використанням у ній інертних газів і вакууму.

Загальний об’єм світового ринку, який використовує техніку напилення ГТП, сягнув у 2000 р. 4 млрд. доларів США.

Зміна головних показників техніки напилення ГТП протягом усього часу її існування показана на рис. 2–4.

Вироби із напиленими покриттями в Російську імперію вперше потрапили у 1913 р. Спроби промислового застосування газополуменевого напилювання відносяться до 1914 р., коли в Санкт-Петербурзі було організоване товариство „Металлизаторъ”, яке не змогло розгорнути свою діяльність через початок війни.

В Радянському Союзі апарати Шоопа з’явилися наприкінці 1920х рр. Промислове значення техніки напилення оцінила та відмітила спеціальною постановою Вища Рада Народного ГосподарстваВРНГ) СРСР, яка розробила і завдання з її розвитку та впровадження у виробництво, доручивши цю роботу Народному комісаріату важкої промисловостіНКВП). Насамперед, у майстернях Ленінградського політехнічного інституту було розміщено демонстраційні стенди, де можна було побачити весь процес напилення. Крім цього, тут проводилися дослідницькі роботи і навчання способу напилення.

На початок другої світової війни (1939–1941 рр.) техніка напилення використовувалась багатьма підприємствами, авто і танкоремонтними заводами, ремонтними підрозділами Червоної Армії. На цей час вдалося освоїти відновлення близько тридцяти найменувань деталей. Покриття мали успіх на машинобудівних підприємствах під час ремонту верстатів, розширювалось їхнє застосування у ливарному виробництві для виправлення дефектів відливок.

Наприкінці 30х–на початку 40х рр. XX ст. у країні здійснювалися організаційні заходи з удосконалення роботи структур, які займалися впровадженням техніки напилення, головним наслідком яких стало створення Відділу металізації Монтажно-технічної контори Головавтогену НКВП. Однак, слабо розвинена газова промисловість не дозволяла не тільки досягти, а й наблизитися до рівня, що сформувався на цей час у світовій техніці газополуменевого напилювання. Для того, щоб піднятися на рівень загальних вимог до техніки покриттів у такому її виді, як техніка напилення ГТП, вітчизняній промисловості необхідно було терміново переорієнтовуватися на альтернативні джерела енергії. Успіхи в електрифікації країни об’єктивно підштовхували до того, щоб основну увагу звернути на електродугове напилювання, що й було зроблено.

Експериментальні та дослідницькі роботи із застосування напилених покриттів у ремонтній практиці були доручені Московському текстильному інституту (МТІ). Там під керівництвом М.В. Катца розпочалося напрацювання нормативних матеріалів, визначення режимів напилення та серійне виробництво перших вітчизняних апаратів. Хоча, взагалі, самі перші дослідження зі створення електродугового апарата розпочав у Радянському Союзі інженер Є.М. Лінник.

Євгеній Мелентійович Лінник народився у 1891 р. в м. Краснодарі. Закінчив 3 курси Київського комерційного інституту (сьогодні – Національний економічний університет). Працював на різних посадах в акціонерному товаристві з раціоналізації виробництва у важкій індустрії „Оргаметал” ВРНГ СРСР і РРФСР, Державному тресті з раціоналізації виробництва у машинобудуванні та металообробній промисловості „Оргаметал” НКВП СРСР, Народному комісаріаті середнього машинобудування СРСР та Міністерстві сільського господарства СРСР. Він є автором (у співдружності з М.В. Катцом) радянських напилювальних електродугових апаратів серії ЛК. Ним одноосібно та у співавторстві опубліковано більше двадцяти статей, посібників і монографій з питань техніки напилення.

Микола Васильович Катц (1905–1979) – співавтор першого електродугового апарата. Завдяки його зусиллям у 1935 р. було створено, а дещо пізніше вперше у світовій практиці і задіяно при проведенні ремонтних робіт апарат, який отримав назву ЛК1. Під керівництвом М.В. Катца у майстернях МТІ вироблялися електродугові апарати ЛКУ, вивчалися властивості газотермічних покриттів, вперше в СРСР розпочалися дослідження процесів їх абразивної та лезової обробки. Ним також розроблено основні засади теорії електродугового напилювання покриттів.

Ще до війни техніці напилення в СРСР вдалося пройти певний шлях розвитку, її необхідність вже не заперечувалася. Створення ж у 1944 р. Всесоюзного науково-дослідного інституту автогенної обробки металу (ВНДІАВТОГЕН) (на сьогодні – Всеросійський науково-дослідний інститут автогенного машинобудування (ВНДІАВТОГЕНМАШ)) дало новий поштовх поширенню цієї техніки. Роботи з виготовлення повоєнного газополуменевого дротового устаткування (серія ,,ГИМ”) очолив Є.В. Антошин, один із провідних і найбільш компетентних вітчизняних спеціалістів у галузі покриттів.

Євгеній Васильович Антошин (13.02.1905 р.–1974 р.) з 1945 р. завідував лабораторією та відділом металізації у ВНДІАВТОГЕНі, а з 1964 р. працював начальником відділу газотермічних покриттів ВНДІАВТОГЕНМАШу. Під його керівництвом розроблено основні конструкції та налагоджено виробництво