Технология напыления металлов: основные способы металлизации изделий. Плазменная наплавка – эффективный способ защиты металлических деталей Нанесение покрытий микро плазменным напылением

Несущая поверхность детали иногда требует доработки: изменения структуры или свойств механических и физических параметров. Провести такое преобразование можно, используя плазменное напыление. Процесс является одним из видов диффузии, при которой происходит металлизация внешнего слоя изделия. Для осуществления такой обработки применяют специальное оборудование, способное превращать металлические частички в плазму и с высокой точностью переносить ее на объект.

Свойство покрытий, полученных путем , отличается высоким качеством. Они имеют хорошую адгезию к основанию и практически составляют с последним единое целое. Универсальность метода заключается в том, что нанести можно абсолютно любые металлы, а также другие материалы, например полимеры.

Получить напыление способом плазменного переноса частиц можно только в условиях производственных цехов на заводах и фабриках.

Суть процесса плазменного напыления заключается в том, что в струю из плазмы, которая имеет сверхвысокие температуры и направлена на обрабатываемый объект, подают дозированное количество частиц металла. Последние расплавляются и, увлекаемые струей, оседают на поверхности детали. К плазменному напылению прибегают в следующих случаях:

1. Создание защитного слоя на изделии. Это может быть механическое усиление, когда на менее прочное основание наносят более прочный металл. С помощью диффузионной металлизации также можно увеличить сопротивляемость детали коррозионному воздействию, если наносить пленку из оксидов или металлов, мало подверженных окислению.
2. Восстановление изношенных деталей. В этом случае за счет нового слоя покрытия можно убрать дефекты разрушения поверхности, чтобы придать изделию первоначальное состояние. В качестве материала напыления здесь используют металл, идентичный материалу основания.

Плазменное напыление отличается от других видов напыления рядом особенностей:

1. Благодаря тому что плазма воздействует на исходное основание при помощи сверхвысоких температур (5000–6000 градусов по Цельсию), процесс протекает в ускоренном режиме. Иногда достаточно долей секунд, чтобы получить заданную толщину напыления.
2. Диффузионная металлизация позволяет наносить как монослой на поверхность, так и делать комбинированное напыление. При помощи плазменной струи можно дополнять диффундируемый металл элементами газа, необходимыми для насыщения слоя элементарными частицами нужных химических элементов.
3. При плазменном напылении практически отсутствует эффект дополнительного окисления основного металла. Это связано с тем, что реакция протекает в среде инертных газов без привлечения кислорода.
4. Финальное покрытие обладает высоким качеством за счет идеальной однородности и равномерности проникновения атомов напыляемого металла в слой основания.

Методом диффузионной металлизации плазменного типа можно получать слои толщиной от нескольких миллиметров до микрон.

Технология и процесс напыления

При газоплазменном напылении металлов основой рабочей газовой среды являются инертные газы азот или аргон. Дополнительно по необходимости технологического процесса к основным газам может быть добавлен водород. Между катодом, в качестве которого выступает электрод в виде остроконечного стержня внутри горелки, и анодом, коим является подвергаемое водяному охлаждению сопло из меди, в процессе работы возникает дуга. Она прогревает до необходимой температуры рабочий газ, который обретает состояние плазменной струи.

Одновременно в сопло подается металлический материал в виде порошка. Этот металл под воздействием плазмы превращается в субстанцию с высокой способностью к проникновению в поверхностный слой обрабатываемого изделия. Распыляемый под давлением расплавочный материал оседает на основании.

Современные плазменные горелки имеют КПД в пределах 50–70 %. Они позволяют работать с любыми металлами, в том числе и тугоплавкими сплавами. Плазменное напыление – полностью управляемый процесс, позволяющий регулировать скорость подачи плазмы, мощность и форму струи.

В случае восстановления формы детали путем плазменного напыления технологический процесс имеет следующие этапы:

1. Подготовка напыляемого материала. Суть процесса заключается в сушке порошка в специальных шкафах при температуре 150–200 градусов по Цельсию. При необходимости порошок также просеивают через сито для получения однородных по размеру гранул.
2. Подготовка подложки или основания. На этом этапе с поверхности детали удаляют все посторонние включения. Это могут быть окислы либо различные загрязнения масляными веществами. Для лучшего сцепления основание может быть подвергнуто дополнительному процессу образования шероховатости. Если на изделии имеются участки, которые не следует подвергать напылению, их закрывают специальными экранами.
3. и операции по заключительной обработке полученной поверхности.

К подложке напыляемый материал может доходить в твердом состоянии, в пластичной форме либо в жидком виде. Это определяется режимом технологического процесса.

Применяемое оборудование

Стандартный комплект установки плазменного напыления включает в себя:

1. Источник электрического питания. Его назначение – питать схему формирования высоковольтного разряда и всех систем.
2. Блок формирования разряда. В зависимости от устройства схемы может генерировать искровые разряды, импульсные высокочастотные напряжения либо сплошную электрическую дугу.
3. Резервуары хранения газа – это чаще всего обычные газовые баллоны.
4. Камеру, где непосредственно происходит напыление. Внутрь такого герметичного резервуара помещают обрабатываемую заготовку и плазмотрон.
5. Установку вакуумного типа с насосом. В задачи этого агрегата входит создание требуемого разряжения в камере и образование тягового потока для подачи рабочей среды.
6. Плазмотрон – устройство, которое снабжено соплом для подачи рабочей среды и системой приводов для перемещения сопла в пространстве.
7. Систему дозирования напыляемого порошка. Служит для точной подачи необходимого количества напыляемого материала в единицу времени.
8. Охлаждающую систему. В задачу этого элемента входит отвод лишнего тепла от области сопла, через которое проходит раскаленная плазма.
9. Аппаратную часть. Она включает в себя компьютер, который управляет всем процессом плазменного напыления.
10. Систему вентиляции. Она служит для отвода отработанных газов из рабочей камеры.

Современные установки диффузионной металлизации имеют специальное программное обеспечение, позволяющее путем введения заданных параметров проводить полностью автономную операцию обработки изделия. В задачи оператора входит установка детали в камеру и задание точных условий проведения процесса.

Уважаемые посетители сайта: специалисты и технологи по плазменному напылению! Поддержите тему статьи в комментариях. Будем благодарны за конструктивные замечания и дополнения, которые расширят обсуждаемый вопрос.

Металлизация – эффективный способ придать конечному продукту дополнительные технические и эксплуатационные характеристики. Плазменное напыление представляет собой совершенный вариант диффузной обработки металлических поверхностей для создания качественного покрытия из другого металла или сплава. Диффузная металлизация позволяет улучшить твердость, прочность, цвет и антикоррозийные свойства исходной детали.

Отличительные особенности диффузного напыления

При работе с металлическими поверхностями часто возникает необходимость придать конечному продукту дополнительные характеристики, чтобы расширить область применения детали. Можно защитить металлическую поверхность от воздействия влаги, высокой температуры и агрессивной химической среды. Плазменное напыление имеет ряд особенностей, которые отличают процесс металлизации от других вариантов обработки металлических поверхностей:

1. Ускоренный процесс нанесения покрытий благодаря высокотемпературному воздействию на обрабатываемую поверхность – порядка 5000-6000° C. Технологически напыление может длиться доли секунд для получения необходимого результата.
2. Плазменная обработка металлов позволяет создать на поверхности комбинированный слой. Диффундировать можно не только металлические частицы, но и элементы газа из плазменной струи. В итоге металл насыщается атомами нужных химических элементов.
3. Традиционная металлизация протекает неравномерно и характеризуется длительностью технологического процесса и возможными окислительными реакциями. Струя высокотемпературной плазмы создает равномерную температуру и давление, обеспечивая высокое качество финальных покрытий.
4. При помощи плазменной струи перенос частиц металла и атомов газа происходит мгновенно. Процесс относится к области сварки с применением порошков, стержней, прутков и проволоки. Перенесенные частицы образуют слой толщиной от нескольких микрон до миллиметров на поверхности твердого тела.

Современная диффузная металлизация предполагает использование более сложного оборудования, чем в случаях, когда применяют газоплазменное оборудование. Для организации процесса диффузной обработки требуется одновременно наличие газовой и электрической аппаратуры.

Оборудование для диффузного воздействия

Ионно-плазменное напыление по поверхности металлов проводится с использованием высокотемпературной технической плазмы – совокупности большого количества частиц (квантов света, положительных ионов, нейтральных частиц, электронного газа). Под воздействием высокой температуры за счет электрических разрядов в газах происходит интенсивная термоионизация частиц, которые сложно взаимодействуют друг с другом и окружающей средой. Благодаря этому различают плазму, ионизированную слабо, умеренно и сильно, которая, в свою очередь, бывает низкотемпературной и высокотемпературной.

Создать необходимые условия для протекания процесса плазменной ионизации и обработки металлических покрытий помогает специальное оборудование – плазменные установки. Обычно для работы используется дуговой, импульсный или искровой электрические разряды.

Схема газотермического напыления

Для реализации технологического процесса требуются следующие установки:

1. Генератор высокочастотного типа (можно использовать сварочный преобразователь) – служит источником разряда.
2. Герметизированная камера, в которую помещают детали для нанесения покрытий методом плазменного напыления.
3. Газовый резервуар. В его атмосфере выполняется ионизация частиц под действием электрического разряда.
4. Установка, создающая давление газа. Можно использовать вакуумную или насосную аппаратуру.
5. Система, при помощи которой можно качественно изменять токовые характеристики, давление, напряжение, тем самым увеличивая или уменьшая толщину напыляемых покрытий.

Как происходит плазменное напыление: в герметизированной камере фиксируют обрабатываемую деталь, создают электрический разряд, прокачивают рабочую среду с необходимым давлением и напыляемыми порошковыми элементами. Образуется высокотемпературная плазма, которая переносит частицы порошков вместе с газовыми атомами на поверхность некоторой детали. При проведении диффузной металлизации в вакууме, в атмосфере инертного газа или при пониженном давлении можно увеличить скорость движения частиц и получить боле плотный и высокоадгезивный тип покрытий.

Где используют плазменную металлизацию

Поскольку напыляемым материалом может служить практически любой сплав или металл, ионно-плазменное напыление широко используют в различных отраслях промышленности, а также для проведения ремонтно-восстановительных работ. Любой металл в виде порошков подается в плазменные установки, где под воздействием высокотемпературной плазмы расплавляется и проникает в обрабатываемую металлическую поверхность в виде тонкого слоя напыления. Сферы применения диффузной металлизации:

• детали для авиационной, космической и ракетной промышленности;
• машиностроительное оборудование и энергетическая отрасль;
• металлургическая и химическая отрасль промышленности;
• нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая и угольная отрасль;
• транспортная сфера и производство приборов;
• ремонт и реставрация машин, оборудования, изношенных деталей.

Когда струя плазмы и порошков проходит по электродуге и осаживается на обрабатываемой поверхности, образованный слой приобретает важные качественные и эксплуатационные характеристики:

• жаростойкость;
• жаропрочность;
• коррозийную устойчивость;
• электроизоляцию;
• теплоизоляцию;
• эрозийную прочность;
• кавитационную защиту;
• магнитные характеристики;
• полупроводниковые свойства.

Ввод напыляемых порошков в установки осуществляется с плазмообразующим или транспортируемым газом. Плазменное напыление позволяет получать различные типы покрытий без ограничения по температуре плавления: металлы, комбинированные сплавы, карбиды, оксиды, бориды, нитриды, композит. Материал, который обрабатывается в установках, не подвергается структурным изменениям, но поверхность изделия приобретает необходимые качественные характеристики. Напылять можно комбинированные слои (мягкие и твердые), тугоплавкие покрытия, различные по плотности составы.

Варианты плазменной металлизации

Для нанесения на металлическую поверхность некоторого слоя напыления в условиях высокотемпературной плазменной среды в качестве формирующих покрытий используют не только порошковые составы. В зависимости от того, какими свойствами должна обладать обработанная поверхность, используют следующие особенности плазменной металлизации:

1. Наплавление высокоуглеродистой или легированной проволокой под флюсом. Для восстановления поверхностей используют наплавку в установках стержневым или пластинчатым электродом.
2. Наплавка по порошковому слою под флюсом используется для реставрации деталей с обширными деформациями по окружности с толщиной слоя более 2 мм.
3. Установки для напыления пропускают в качестве плазмообразующих газов аргон, азот, водород, гелий либо их смеси. Необходимо обеспечить отсутствие кислорода, чтобы исключить окисление наплавляемых покрытий.

Наиболее часто этот вид обработки используют для восстановления различных деталей при ремонте автомобильных двигателей. Так, при помощи диффузной металлизации удается восстановить отверстия коренных опор в блоках цилиндров (распространенная поломка), устранить износ головок цилиндров, реставрировать поршни из алюминиевого сплава, коленчатые валы из высокопрочного чугуна, ролики, катки.

При использовании ионно-плазменного напыления значительно возрастает износостойкость сложных узлов оборудования, механизмов и установок. Диффузная металлизация – это эффективный метод реставрации изношенного и усталого металла, а также оптимальный процесс для задания металлическим поверхностям необходимых прочностных и эксплуатационных характеристик.

Важно отметить, что резервы свойств исходных материалов и общеизвестных технологий, используемых при изготовлении изнашиваемых деталей, с точки зрения повышения износостойкости, практически полностью израсходованы.

Одним из перспективных направлений на пути создания высоконадежных, долговечных и конкурентоспособных изнашиваемых деталей является применение современных технологий нанесения функциональных покрытий. В мировой практике известны три основных наиболее часто применяемых метода нанесения покрытий – это технологии наплавки, напыления и осаждения. Трудности выбора оптимального метода, стоящие перед технологами машиностроительных производств, осложняются большим количеством подвидов вышеназванных технологий, многовариантностью режимов, а также многообразием применяемых присадочных и других вспомогательных материалов. Поэтому знание основных характеристик, достоинств и недостатков данных процессов позволит ориентироваться в выборе технологий для решения конкретных производственных задач.

Рис. 1 Напыление вала

Основным отличительным признаком метода нанесения является толщина покрытия: для процессов наплавки – это более 1 мм, для напыления – менее 1 мм, для осаждения – менее 10 мкм. В данной статье приведены сравнительные характеристики наиболее часто используемых газотермических методов, проводимых при атмосферном давлении, дано определение этих методов, рассмотрена их классификация, преимущества и недостатки.

Технологии наплавки

Наплавка – нанесение покрытий слоями толщиной в несколько миллимет­ров из расплавленного присадочного материала на оплавленную металлическую поверхность изделия. В зависимости от вида источника нагрева рассматриваемых газотермических процессов наплавка может производиться при помощи теплоты газового пламени (газопламенная наплавка), электрической дуги (электродуговая наплавка в среде защитного газа) или сжатой дуги (плазменная наплавка).

Рис. 2 ПНН клапана

Назначение наплавки – изготовление деталей с износо­ и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановление размеров изношенных и бракованных деталей за счет нанесения покрытий, обладающих высокой плотностью и прочностью сцепления с изделием, работающих в условиях высоких динамических, знакопеременных нагрузок или подверженных интенсивному абразивному изнашиванию.

Преимущества процессов наплавки:

• отсутствие ограничений по размерам наплавляемых зон;
• возможность нанесения покрытий различных толщин;
• возможность получения требуемых размеров восстанавливаемых деталей путем нанесения материала того же состава, что и основной металл;
• использование не только для восстановления размеров изношенных деталей, но и для ремонта изделий за счет ликвидации локальных трещин, пор и других дефектов;
• возможность (применительно к плазменной наплавке) ведения процесса на постоянном токе обратной полярности, повышающим качество и стабильность свойств биметаллических соединений за счет эффекта катодной очистки, проявляющемся в удалении окисных и адсорбированных пленок и улучшении смачивания жидким металлом обрабатываемой поверхности; более низкого тепловложения по сравнению с наплавкой на токе прямой полярности и, как следствие, отсутствие или минимальное расплавление подложки;
• возможность многократного проведения процесса и, следовательно, высокая ремонтоспособность наплавляемых деталей;
• высокая производительность и легкость автоматизации процесса;
• относительная простота и мобильность оборудования.

Недостатки технологий наплавки:

• возможность изменения свойств наплавленного покрытия из­за перехода в него элементов основного металла;
• изменение химического состава основного и наплавленного металла вследствие окисления легирующих элементов и основы металла;
• возможность структурных превращений в основном металле, в частности, образование крупнозернистой структуры, новых хрупких фаз;
• возникновение деформаций в наплавленных изделиях за счет значительного термического воздействия;
• образование больших растягивающих напряжений в поверхностном слое детали, достигающих 500 МПа;
• снижение характеристик сопротивления усталости наплавленных изделий;
• возможность возникновения трещин в наплавленном металле и зоне термического влияния, и, как следствие, более ограниченный, чем, например, при напылении, выбор сочетаний основного и наплавленного металлов;
• обязательное использование в отдельных случаях предварительного нагрева и медленного остывания наплавляемого изделия, что увеличивает длительность процесса;
• наличие больших припусков на механическую обработку и, как следствие, существенные потери металла наплавки;
• трудоемкость механической обработки наплавленного слоя большой толщины;
• требования преимущественного расположения наплавляемой поверхности в горизонтальном положении (необходимость применения наплавки в нижнем положении при использовании порошковых металлов);
• трудность наплавки мелких изделий сложной формы.

Таблица 1. Технико-экономические показатели методов наплавки

Метод наплавки	Производи­тельность метода		Толщина покры­тия	Припуск на обработ­ку	Доля основного металла в наплавлен­ном	Проч­ность сцепле­ния	Деформация детали после наплавки	Снижение сопротивле­ния усталости	Коэффициент производи­тельности, К п	Коэффи­циент технико­экономической эффективности, К э
	кг/ч	см 2 /мин	мм	мм	%	МПа		%
Газопламенный	0,15 ­ 2,0	1 ­ 3	0,5­3,5	0,4­0,8	5­30	480	Значительная	25	0,7­0,6	0,14
В среде CO 2	1,5 ­ 4,5	18 ­ 36	0,5­3,5	0,7­1,3	12­45	550	Значи­тельная	15	1,8­1,7	0,40
В среде Ar	0,3 ­ 3,6	12 ­ 26	0,5­2,5	0,4­0,9	6­25	450	Пониженная	25	2,1­1,7	0,17
Плазменный	1 ­ 12	45 ­ 72	0,5­5,0	0,4­0,9	0­30	490	Пониженная	12	2,2­1,9	0,56

Технико­экономические показатели рассматриваемых способов наплавки представлены в табл. 1 , где даны показатели для покрытий толщиной 1 мм. Коэффициент производительности – К п рассчитан как отношение основного времени, затраченного на восстановление условной детали ручным дуговым способом t р.н., к основному времени восстановления условной детали сравниваемым способом t i: К п =t р.н. /t i . За основное время восстановления условной детали приняты затраты времени, включающие предварительную и последующую механические обработки и нанесение покрытия. Коэффициент технико­экономической эффективности – К э определялся с учетом производительности и экономичности способа восстановления условной детали: К э =К п ·Э а /100, где Э а – экономия при восстановлении условной детали, %.

Использование конкретного способа наплавки из рассмотренных обусловлено условиями производства, количеством, формой и размерами наплавляемых деталей, допустимой долей участия основного металла в наплавленном, технико­экономическими показателями, а для восстановительной наплавки – величиной износа.

Выбор типа наплавленного металла и, следовательно, марки присадочного материала производится в соответствии с видом рабочего нагружения наплавляемой детали. Основными видами нагружения деталей машин и инструмента являются: абразивное, ударно­абразивное, гидроабразивное, контактно­ударное, термомеханическое, трение металла о металл, кавитационное, коррозионное. Детали машин чаще всего испытывают одновременно несколько видов нагружения. Поэтому при выборе типа наплавленного металла ориентируются на преобладающий вид износа.

Рис. 3 Осаждение покрытия на фрезу

Из сравнительного анализа рассмотренных методов очевидно преимущество процесса плазменной наплавки, вследствие его высокой производительности, незначительного припуска на механическую обработку, минимальной доли основного металла в наплавленном, наименьшему снижению сопротивления усталости. Особенно эффективен процесс плазменно­порошковой наплавки, позволяющий обеспечить точно заданную глубину проплавления и толщину покрытия, высокую равномерность по толщине слоя, возможность обеспечения необходимых состава, структуры и свойств уже в первом слое металла наплавки, высокую степень автоматизации, малые остаточные напряжения и деформации, отсутствие разбавления наплавляемого покрытия основным металлом.

Технологии напыления

Напыление – процесс, заключающийся в нагреве распыляемого материала высокотемпературным источником, образовании двухфазного газопорошкового потока и формировании покрытия на поверхности изделия толщиной менее 1 мм.

В зависимости от вида используемого источника энергии процессы напыления подразделяются на:

• газопламенные, в которых используется тепло при сгорании горючих газов (ацетилена, пропан­бутана, водорода, метана, природного газа и др.) в смеси с кислородом или сжатым воздухом;
• электродуговые, где осуществляется плавление проволоки электрической дугой и распыление расплавленного металла сжатым воздухом;
• детонационные, использующие энергию детонации газовых смесей (кислород + горючий газ), в которых перенос и нагрев частиц осуществляется ударной волной, образующейся в результате взрыва горючей смеси и выделении при этом теплоты;
• плазменные, где плавление наносимого порошкового материала осуществляется в плазменной струе;
• высокоскоростные, где порошок подается в камеру сгорания, в которой обеспечивается горение топлива содержащего кислород и горючие газы (керосин, водород, пропан, метан) с последующим прохождением порошка и газов через расширяющееся сопло.

Метод напыления

Вид напыляемого материала

Оптимальная толщина покрытия

Температура пламени, дуги, детонации, струи

Скорость истечения пламени, дуги, детонации, струи

Скорость частиц

Прочность сцепления покрытия с основой

Пористость покрытия

Производительность процесса

Коэф­фициент исполь­зования материала

Уровень шума

металл

керамика

кг / ч

Газопламенный

порошок, проволока

3463 (С 2 Н 2 +О 2)

Электродуговой

проволока

Детонационный

Плазменный

в инертных средах

порошок, проволока

0,5­8 (20­60 кВт)

в активных средах

в разряженных средах

Высокоcкоростной

Назначение процессов напыления – нанесение защитных покрытий заданных свойств минимальной толщиной от 0,05 мм и восстановление размеров изношенных и бракованных поверхностей. Технико­экономические показатели процессов напыления представлены в табл. 2 .

Преимущества технологий напыления:

• универсальность процессов, позволяющая наносить покрытия разного функционального назначения, а также для восстановления размеров изношенных деталей;
• малое термическое воздействие на напыляемую основу (температура ее нагрева не превышает 100­150 °С), позволяющее исключить нежелательные для нее структурные превращения, избежать деформаций и изменения размеров изделий;
• возможность нанесения покрытий на изделия, изготовленные практически из любого материала;
• отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий;
• возможность нанесения покрытий на локальные поверхности;
• возможность нанесения многослойных покрытий разнородными материалами;
• высокая технологичность процесса, в связи с гибкостью регулирования параметров режима;
• возможность получения регламентируемой однородной пористости покрытия для использования в условиях работы со смазкой поверхностей скольжения;
• положительное влияние на усталостную прочность основы, за счет получения при напылении слоистой структуры покрытия, в отличие от столбчатой, образующейся при осаждении из газовой или паровой фазы, диффузионном насыщении;
• нанесение равномерного покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
• возможность эксплуатации в отдельных случаях напыленных деталей без последующей механической обработки;
• возможность использования напыления для формообразования деталей (напыление производят на поверхности формы­оправки, которую после окончания процесса удаляют; остается оболочка из напыленного материала);
• высокая производительность процесса напыления;
• возможность автоматизации процесса.

Недостатки процессов напыления:

• нестойкость напыленных покрытий к ударным механическим нагрузкам;
• анизотропия свойств напыленных покрытий;
• низкий коэффициент использования напыленного материала при нанесении покрытий на мелкие детали;
• обязательное использование перед процессом напыления активационной обработки (например, абразивно­струйной), что увеличивает длительность и трудоемкость процесса;
• выделение аэрозолей напыляемого материала и побочных газов, требует использования мощной вытяжной вентиляции;
• повышенный уровень шума, а в случаях, связанных с электрической дугой – ультрафиолетового излучения.

Технологии осаждения

Осаждение – это методы нанесения защитных покрытий микронной толщины (менее 10 мкм), характеризующиеся конденсацией на поверхности изделий компонентов паровой или газовой фазы в условиях обработки частицами высоких энергий в вакууме или плазменными струями при атмосферном давлении.

Отличительными свойствами методов является обеспечение высокой адгезионной прочности покрытия к основе за счет применения физических процессов подготовки и активации поверхности (нагрева и предварительной очистки поверхностей тлеющим разрядом, бомбардировкой ионами инертных газов).

Процесс формирования покрытий осуществляется за счет обработки ионами в процессе конденсации, осаждения высоко­энергетических ионов, а также атомов и молекул с участием плазмохимических процессов.

Процессы осаждения подразделяются на:

• плазменные, заключающиеся в нанесении покрытий при атмосферном давлении и являющиеся продуктами плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой или высокочастотный плазмотрон;
• ионно­плазменные, происходящие в вакууме: необходимый для получения покрытий материал переводится из твердой в газовую фазу распылением мишени энергетическими ионами или испарением катода, добавкой реакционных газов;
• ионно­лучевые, аналогичные ионно­плазменным, в которых дополнительно используются электроннолучевые пушки.

Назначение процессов осаждения – изготовление деталей машин и механизмов, технологической оснастки и инструмента, предусматривающее финишный способ нанесения тонкопленочных покрытий различного применения.

Рассмотрим сравнительные характеристики двух основных процессов осаждения покрытий микронной толщины при помощи использования плазменных струй, истекающих при атмосферном давлении – высокочастотного плазменного нанесения износостойких покрытий и электродугового плазменного нанесения тонкопленочных покрытий (технология финишного плазменного упрочнения – ФПУ).

Процесс высокочастотного плазменного нанесения тонкопленочных покрытий осуществляется на установке «Плазма­401», предназначенной для упрочнения элементов штампов холодного деформирования из инструментальных сталей типа Х12М и У10 и различного режущего инструмента. Нанесение износостойких покрытий осуществляется при атмосферном давлении при помощи высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона, позволяющего получать объемные потоки спектрально чистой плазмы благодаря отсутствию эрозирующих электродов. Элементы покрытия образуются за счет разогрева газоразрядной плазмой пучка кварцевых стержней. Одновременно в камеру ВЧИ­плазмотрона подается реакционный газ – аргон, барботируемый через этиловый спирт. В зоне высоких температур пары реакционных веществ разлагаются на исходные компоненты, а при снижении температуры происходит восстановление элементов с плазмохимическим синтезом кремнийуглеродистых соединений, которые уносятся плазмообразующим газом и осаждаются на напыляемой детали.

Сущность технологии электродугового плазменного нанесения тонкопленочных покрытий (процесс финишного плазменного упрочнения – ФПУ) состоит в нанесении износостойкого покрытия с возможностью или отсутствием одновременного осуществления процесса повторной плазменной закалки приповерхностного слоя (на глубину нескольких микрометров). Покрытие является продуктом плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон. Закалка происходит за счет локального воздействия высококонцентрированной плазменной струи.

Цель ФПУ– изготовление инструмента, штампов, пресс­форм, ножей, фильер, подшипников и др. деталей машин со специальными свойствами поверхности: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг­коррозии.

Эффект от ФПУ достигается за счет изменения физико­механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и жаростойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.

Оборудование для ФПУ включает в себя источник тока, блок аппаратуры с жидкостным дозатором, плазмотроном и плазмохимическим генератором.

Технологический процесс ФПУ проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100­120 0 С. Параметры шероховатости поверхности после ФПУ не изменяются. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытия является жидкий препарат СЕТОЛ. Его расход не превышает 0,5 г/ч (не более 0,5 литра в год).

По сравнению с аналогами – ионно­плазменным напылением, лазерным и электроискровым упрочнением, эпиламированием, нанесением кластерных покрытий процесс ФПУ имеет следующие преимущества:

• высокая воспроизводимость и стабильность упрочнения за счет двойного эффекта – от износостойкого покрытия и структурных изменений в тонком приповерхностном слое;
• проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн;
• вследствие нанесения тонкопленочного покрытия (толщиной не более 3 микрометров), укладывающегося в допуски на размеры деталей, процесс упрочнения используется в качестве окончательной финишной операции;
• отсутствие изменений параметров шероховатости поверхности после процесса упрочнения;
• минимальный нагрев в процессе обработки (не более 100­120 о С) не вызывает деформаций деталей, а также позволяет упрочнять инструментальные стали с низкой температурой отпуска;
• возможность упрочнения локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме;
• тонкопленочное покрытие по микротвердости наиболее близко к алмазоподобным покрытиям;
• образующиеся на поверхности после ФПУ сжимающие остаточные напряжения при циклической нагрузке повышают усталостную прочность изделия (для сравнения: после операции шлифования возникают растягивающие напряжения, ведущие к снижению усталостной прочности);
• высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию (в том числе – при взаимодействии инструмента с обрабатываемым материалом);
• низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании;
• формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному его заполнению смазочно­охлаждающей жидкостью при эксплуатации инструмента и деталей машин;
• образующееся на поверхности тонкопленочное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает изделие от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 100 часов при температуре 800 о С);
• высокая производительность упрочнения (время обработки, например, кромок вырубного штампа средних размеров может составлять несколько минут);
• простота операций по очистке и обезжириванию перед упрочнением (отсутствие специальной предварительной подготовки);
• возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах;
• минимальное потребление и низкая стоимость расходных материалов;
• низкая потребляемая мощность установки для упрочнения – менее 6 кВт;
• незначительная площадь, занимаемая оборудованием – 1­3 м 2 ;
• малогабаритный плазмотрон для упрочнения (массой около 1 кг) может быть легко закреплен на манипуляторе, в руке робота, а также позволяет вести обработку вручную;
• транспортабельность и маневренность оборудования (масса порядка 100 кг);
• экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов при упрочнении;
• минимальный уровень шума, не требующий специальных мер защиты;
• в отличие от методов упрочнения с использованием поверхностно­активных веществ в данной технологии отсутствуют особые требования к помещению, нет контактирования с токсичными материалами, не требуется затрат времени на выдержку в растворах и сушку обработанных деталей;
• возможность образования профилированных углублений путем обработки поверхности методом ФПУ и образования рабочих зазоров 2­3 мкм (например, для газодинамических подшипников);
• в отличие от избирательного переноса в процессе трения при ФПУ происходит принудительное образование в зоне фрикционного контакта тонкой неокисляющейся аморфной пленки с низким сопротивлением сдвигу, неспособной накапливать дислокации (дефекты) при деформации.

Тополянский П.А.,
Тополянский А.П.

НПФ «Плазмацентр»
(Санкт­Петербург)

При плазменном способе нанесения покрытий напыляемый материал разогревается до жидкого состояния и переносится на обрабатываемую поверхность при помощи потока плазмы с высокой температурой. Напыляемый материал выпускается в виде прутков, порошков или проволоки. Порошковый способ наиболее распространенный.

Уникальность метода плазменного напыления заключается в высокой температуре (до 50 тыс. градусов по Цельсию) плазменной струи и высокой скорости (до 500 м/с) движения частиц в струе. Нагрев же напыляемой поверхности невелик и составляет не более 200 град.

Производительность плазменного напыления составляет 3-20 кг/ч для плазмотронных установок мощностью 30...40 кВт и 50-80 кг/ч для оборудования мощностью 150...200 кВт.

Прочность сцепления покрытия с поверхностью детали в среднем равна 10-55 МПа на отрыв, а некоторых случаях — до 120 МПа. Пористость покрытия находится в пределах 10...15%. Толщина покрытия обычно не более 1 мм, так как при ее увеличении в напыляемом слое возникают напряжения, стремящиеся отделить его от поверхности детали.

Плазменно-дуговое напыление в сочетании с одновременной обработкой поверхности вращающейся металлической щеткой позволяет уменьшить пористость покрытия до 1-4%, а общую толщину напыления увеличить до 20 мм.

Плазмообразующими газами служат азот, гелий, аргон, водород, их смеси и смесь воздуха с метаном, пропаном или бутаном.

Для плазменного напыления используют проволоку, в том числе порошкового типа, порошки из черных и цветных металлов, никеля, молибдена, хрома, меди, оксиды металлов, карбиды металлов и их композиции с никелем и кобальтом, сплавы металлов, композиционные материалы (никель-графит, никель-алюминий и др.) и механические смеси металлов, сплавов и карбидов. Регулирование режима напыления позволяет наносить как тугоплавкие материалы, так и легкоплавкие.

Основой для плазменного напыления могут служить металлы и неметаллы (пластмасса, кирпич, бетон, графит и др.). Для нанесения покрытий на небольшие поверхности применяется микроплазменный способ напыления, который позволяет сэкономить потери напыляемого материала (ширина напыления 1-3 мм).

Детали плазмотрона

С целью повышения адгезии напыленных покрытий, защиты от окисления, уменьшения пористости используется метод плазменного напыления в защитной среде (вакуум, азот, смесь азота с аргоном и водородом) и с применением специальных сопел, закрывающих область между распылителем и обрабатываемой поверхностью. Перспективным направлением в технологии плазменного напыления является сверхзвуковое напыление.

Процесс плазменного напыления включает 3 основных этапа:

1) Подготовка поверхности.

2) Напыление и дополнительная обработка покрытия для улучшения свойств.

3) Механическая обработка для достижения чистовых размеров.

Предварительные размеры поверхностей под напыление должны быть определены с учетом толщины напыления и припуска на последующую механическую обработку. Переходы поверхностей должны быть плавными, без острых углов, во избежание отслаивания покрытия. Отношение ширины паза или диаметра отверстия к его глубине должно быть не меньше 2.

Детали перед напылением должны быть тщательно очищены и обезжирены. Ремонтные детали, имеющие замасленные пазы или каналы, следует нагреть в печи при температуре 200-340 град. в течение 2-3 часов для выпаривания масла.

Далее производится активация поверхности — придание ей определенной шероховатости для обеспечения адгезии. Активацию производят при помощи обдува детали сжатым воздухом с абразивом или нарезанием рваной резьбы.

Абразив выбирают зернистостью 80...150 по ГОСТ3647, или применяют чугунную/стальную дробь ДЧК, ДСК №01...05 по ГОСТ 11964.

Металлическая дробь не применяется для обработки жаростойких, коррозионно-стойких сталей и цветных металлов и сплавов, т. к. может вызвать их окисление.

Шероховатость поверхности под плазменное напыление должна составлять 10...60 Rz, поверхность должна быть матовой.

Поверхности, не подлежащие абразивной обработке, защищают экранами. Зона обдува на 5+/-2 мм должна быть больше, чем номинальный размер напыленной поверхности.

Тонкие детали закрепляют в приспособлениях с целью предотвращения их коробления во время обработки.

Расстояние от сопла до детали при абразиво-струйной обработке должно находиться в пределах 80...200 мм, меньшие значения принимают для более твердых материалов, большие — для мягких. После этого детали обеспыливают путем обдува сжатым воздухом.

Промежуток времени между очисткой и напылением должен составлять не более 4ч, а при напылении алюминия и других быстро окисляющихся материалов — не более часа.

Нарезание рваной резьбы вместо абразиво-струйной обработки применяют для деталей с формой тел вращения. Резьбу нарезают на токарном станке обычным резьбовым резцом, смещенным ниже оси детали. Резьбу нарезают без охлаждения за один проход. Шаг резьбы выбирают по таблице 1.

Для плазменного напыления следует применять порошки одной фракции, форма частиц — сферическая. Оптимальный размер частиц для металлов составляет около 100 мкм, а для керамики — 50...70 мкм. В случае, если порошки хранились в негерметичной таре, их нужно прокалить при температуре 120...130 градусов в течение 1,5-2 ч в сушильном шкафу.

Те части детали, которые не подвергаются напылению, защищают экранами из асбеста или металла, или обмазками.

Предварительный подогрев детали перед напылением осуществляют плазмотроном до температуры 150...180 градусов.

Режимы обработки определяют опытным путем. Средние значения режимов плазменного напыления следующие:

1) Расстояние от сопла до детали — 100...150 мм.

2) Скорость струи — 3...15 м/мин.

3) Скорость вращения детали — 10...15 м/мин.

4) Угол напыления — 60...90 градусов.

Общую толщину покрытия набирают несколькими циклами с перекрытием полос напыления на 1/3 диаметра пятна напыления.

После напыления деталь снимают с плазмотрона, удаляют защитные экраны и охлаждают до комнатной температуры.

Рисунок 1 - Принципиальная схема плазменного порошкового напыления: 1 - подвод плазмообразующего газа, 2 - катод плазмотрона, 3 - корпус катода, 4 - изолятор, 5 - корпус анода, 6 -порошковый питатель, 7 - подвод газа-носителя порошка, 8 - плазменная дуга, 9 - источник питания.

Рисунок 2 - Принципиальная схема плазменного напыления с применением проволоки: 1 - подвод плазмообразующего газа, 2 - катод плазмотрона, 3 - корпус катода, 4 - изолятор, 5 - корпус анода, 6 - механизм подачи проволоки, 7 - сплошная или порошковая проволока, 8 - плазменная дуга, 9 - источник питания.

Рисунок 3 - Структура покрытия, напыленного плазменным способом

Для улучшения качества напыленных покрытий применяют следующие приемы:

1) обкатка роликами под электрическим током;

2) напыление с одновременной обработкой металлическими щетками;

3) оплавление покрытий из самофлюсующихся сплавов. Оплавление производят с помощью печей, ТВЧ, нагретых расплавов солей и металлов, плазменным, лазерным или газопламенным способом. Температура оплавления покрытия никель-хром-бор-кремний-углерод составляет 900..1200 градусов.

Чистовые размеры деталей после плазменного напыления получают точением и шлифованием с охлаждением водными растворами и водно-масляными эмульсиями. Шлифкруги выбирают из электрокорунда марки Э на керамической связке, зернистостью 36...46, твердостью СН. Режимы шлифования следующие: скорость вращения круга 25...30 м/с, подача круга 5...10 мм/об, скорость вращения детали 10...20 м/мин, подача детали 0,015...0,03 мм/дв.х.

Далее производят окончательный контроль, в случае, если на поверхности детали с напылением есть трещины, отслоения, риски, чернота, не выдержаны чистовые размеры, то деталь возвращают на исправление дефекта (не более 1 раза), при этом область напыления должна быть увеличена на 10...15 мм по периметру.

Установка для создания плазменного покрытия используется в энергетическом и авиационном машиностроении для создания керамических функциональных покрытий.

Назначение комплекса:

Нанесение коррозионностойких, износостойких, уплотнительных, теплозащитных покрытий.

Характеристики установки:

ТСЗП MF-P-1000 работает на смеси газов: основной - аргон, дополнительный - азот, водород или гелий.

Состав оборудования

Система управления смонтирована в пылезащищенном шкафу

Модульная система контроллера позволяет использовать огромный спектр дополнительных коммуникационных и функциональных модулей, которые расширяют возможности ЦПУ.

Установка управляется с панели оператора. На ней отображаются параметры протекающих процессов, и осуществляется их контроль. Машинные данные преобразуются в кривые, гистограммы и графические объекты, которые меняют свой вид в зависимости от выбранной программы и от состояния процесса. Кроме того, выводимые на панель сообщения о неисправностях, обеспечивают оператора важной информацией о состоянии управляемой установки. С нее могут контролироваться все технологические параметры процесса, и в памяти могут оставаться до ста технологических программ.

Пульт управления установкой плазменного напыления

Блок газоподготовки для подачи газа в плазмотрон

Блок газоподготовки включает: Металлические газовые линии Датчик давления для каждого газа Отдельные микрофильтры и электромагнитные клапаны для каждого газа Детекторы утечки газа Электронные расходомеры Bronkhorst El-Flow Блок управления сжатым воздухом для охлаждения детали Управление сжатым воздухом для охлаждения детали Контроль расхода охлаждающей жидкости Все данные с блока газоподготовки выводятся на панель оператора. Плазмообразующие газы: аргон, водород, азот, гелий. Система позволяет работать с одним или двумя плазмообразующими газами.Транспортирующий газ: аргон

Источник питания плазмотрона PPC 2002

Источник постоянного тока PPC 2002 выполнен по принципу высококачественного инвертирования постоянного тока, что обеспечивает плавное нарастание тока дуги. Техническая характеристика Габаритные размеры

Габаритные размеры

Порошковый дозатор состоит из двух миксеров, двух бункеров, двух дисковых приводов регулирования подачи порошка. Газовая система питателя составлена из предохранительных клапанов, двух ротаметров, электромагнитных вентилей, шлангов и дросселей. Управление работой осуществляется на базе контроллера Simatic S7-300. Питатель порошка может работать в автономном режиме или управляться с центральной панели оператора. Емкость бункеров (колб) может быть 1,5 или 5 литров — их количество и объем оговаривается при подписании договора. Техническая характеристика Производительность одной колбы до 6 кг/час в зависимости от типа порошка. Габаритные размеры

Габаритные размеры

Технические характеристики плазмотронов

Модель F4 – одна из самых распространенных. Доступны различные разъемы для подключения водяного охлаждения. Установка может поставляться с ручкой для ручного напыления. Устройство универсально с точки зрения широты задаваемых параметров — материала, твердости, пористости и шероховатости.

Для повышения качества напыления могут применяться различные сопла.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H 2 , для некторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N 2 или N 2 /H 2 ;

Плазмотрон F6

Аттестован авиацией, основан на классической модели F4. При сохранении базовой геометрии и основных параметров напыления, улучшенная система охлаждения позволяет существенно повысить производительность и продлить ресурс анода/катода. Кроме того, все части выполнены из бронзы, без применения пайки. Быстросъемные соединения позволяют осуществлять замену электродов за секунды. Фитинги шлангов водяного охлаждения соединены с базовой пластиной и не повреждаются в процессе замены электродов.

Для повышения качества напыления используются различные сопла.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• с плазмообразующими газами Ar/H2, для некоторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N2 или N2/H2;
• Для увеличения качества напыления используются различные сопла: сопла Лаваля позволяют напыление с более высокими эффективностью и коeффициентом использования материала при пониженном уровне шума.

Плазмотрон Delta

Использование трех анодов и одного катода позволяет объединить преимущества всех известных технологий. Стабильная дуга обеспечивает производительность до 300 грамм порошка в минуту.

Модель дельта состоит из сопла, каскада, малоизнашиваемого контактного электрода и треханодного сегмента. Основной компонент легко заменяется. Это позволяет сокращать потери времени и оптимизировать плазмотрон под различные операции за счет замены сопел.

Благодаря эффективности и высокой производительности, используется для напыления покрытий на большие поверхности. Для мелких деталей не подходит в связи с большим пятном распыления.

Сравнение плазмотронов Delta со стандартными:

F4 / F6 / P2:

• Единственная дуга
• различные диаметры сопел
• колебание напряжения +/-20V.

Delta:

• Одна каскадируемая дуга, стабилизированная как аксиально, так и радиально
• колебание напряжения +/-3V.
• Постоянная передача плазменной энергии радиально впрыскиваемым частицам порошка. Дуга равномерно распределяется на три анода.
• Не требуется корректировка положения порошковых инжекторов в зависимости от параметров напыления, т. к. положение трех оснований анодов сбалансировано радиально.

Технические характеристики:

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 70 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2, для некторых материалов может применяться смесь Ar/He;
• Благодаря высокой производительности и эффективности рекомендуется для напыления покрытий на большие поверхности. Не лучший выбор для маленьких деталей - довольно большое пятно распыления.

Плазмотрон P2

Размещение анода и катода полностью совпадают, что позволяет использовать базовые параметры напыления. Главное преимущество установки — компактность, которая достигается за счет короткого электрода. Нестандартный дизайн позволяет избежать негативных последствий как для продолжительности жизни электрода, так и для качества плазмы. Рекомендуется увеличение температуры для максимизации продолжительности работы. Стоит отметить, что катоды и аноды стоят значительно дешевле, чем для F4.

Технические характеристики:

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2, для некторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N2 или N2/H2;
• Для увеличения качества напыления используются различные сопла: сопла Лаваля позволяют напыление с более высокими эффективностью и коeффициэнтом использования при пониженном уровне шума.

Общепринятая в авиации установка для осуществления напыления в отверстиях.

Обычно эксплуатируется с плазмообразующими газами Ar/H2. Совместим с плазменными установками мощностью до 500 А

Минимальный диаметр — 80 мм.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 500 А
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2,
• Минимальный диаметр - 80 мм

Предназначен для напыления внутренних поверхностей диаметром от 90 мм. Техническая характеристика плазмотрона F1

Плазмотрон F7, для внутреннего напыления

Установка разработана для напыления внутренних поверхностей.

Отличается улучшенным энергопотреблением, обычно используется при силе тока до 600 A.

Есть возможность охлаждения обрабатываемой детали воздушными соплами, которые встроены непосредственно в устройство. Минимальный диаметр напыляемого отверстия - 90 мм.

Преимущества:

• Улучшенное по сравнению с F1 энергопотребление, обычно используется при силе тока до 600 A
• Возможность охлаждения напыляемой детали воздушными соплами, встроенными в плазмотрон;
• Минимальный диаметр напыляемого отверстия - 90 мм

Мощность изменяется в зависимости от выбранных катода и анода. Максимальная величина – 80 кВт.

Комплектуется удлинителем для напыления внутренних поверхностей.

← Вернуться