Плазматрон

Плазменное напыление

Сущность плазменного  напыления состоит в нанесении  покрытия из отдельных частиц порошкового  материала, нагретого и ускоренного  с помощью высокотемпературной  плазменной струи.

Цель плазменного напыления - изготовление деталей и изделий  со специальными и декоративными  свойствами поверхности: износостойкостью (за исключением деталей, испытывающих ударно-абразивное изнашивание), антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, кавитационностойкостью, эрозионностойкостью, электроизоляцией, стойкостью против фреттинг-коррозии и др.

Эффект от плазменного  напыления достигается за счет создания на поверхности изделия защитного  покрытия, которое многократно повышает эксплуатационные свойства детали или  восстанавливает первоначальный размер.

Оборудование для плазменного  напыления состоит из источника  тока, блока аппаратуры, малогабаритного  плазмотрона и порошкового дозатора. Плазмотрон (мощностью до 25 кВт) и  порошковый дозатор изготавливаются  по оригинальным конструкторским разработкам.

Технологический процесс  плазменного напыления состоит  из предварительной очистки (любым  известным методом), активационной  обработки (например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения  покрытия путем перемещения изделия  относительно плазмотрона или наоборот. Скорость перемещения 2...30 мм/сек, расстояние между плазмотроном и изделием 100...150 мм, диаметр пятна напыления 10...25 мм, толщина покрытия 0,05...1,0 мм. Температура  нагрева деталей при плазменном напылении не превышает 100...150° С. Плазмообразующим газом являются, как  правило, аргон или воздух. Расход аргона 15...20 л/мин. В качестве порошкового  материала, формирующего покрытие, используются различные материалы и сплавы, тугоплавкие соединения, оксиды, полимеры и их композиции размером частиц до 100 мкм.

Контроль качества плазменного  напыления осуществляется визуально  по наличию покрытия, а также по результатам адгезионных испытаний  на образцах-свидетелях и др. методами.

Основные требования безопасности при плазменного напыления: наличие  вытяжной вентиляционной системы и  защита органов зрения от излучения.

Отличительные особенности  плазменного напыления . По сравнению  с аналогами - газопламенным, электродуговым и детонационным напылением, процессами наплавки и осаждения, данный процесс  имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:

• эффективное управление энергетическими характеристиками напыляемых частиц и условиями формирования покрытия за счет гибкости регулирования параметров и режимов работы плазмотрона;
• высокие коэффициент использования порошка (до 85%), прочность сцепления покрытия с основой (до 60 МПа), низкая пористость;
• высокая производительность процесса;
• универсальность за счет получения покрытий из большинства материалов без ограничения их температур плавления;
• нанесение покрытия на изделия, изготовленные практически из любого материала;
• отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий;
• низкое термическое воздействие на напыляемую основу, что позволяет избежать деформаций, изменений размеров изделий, а также исключить нежелательные структурные превращения основного металла;
• нанесение покрытия на локальные поверхности;
• получение регламентированной однородной пористости покрытия для использования в условиях работы со смазкой поверхностей скольжения;
• положительное влияние на усталостную прочность основы, за счет получения при плазменном напылении слоистой структуры покрытия, в отличие от столбчатой, образующейся при осаждении из газовой или паровой фазы, диффузионном насыщении;
• нанесение покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
• возможность использования для формообразования деталей (плазменное напыление производят на поверхность формы- оправки, которая после окончания процесса удаляется, остается оболочка из напыленного материала);
• уменьшенный уровень шума и излучения;
• надежность и стабильность оборудования, высокий ресурс элементов плазмотрона, за счет оптимизации условий охлаждения и обеспечения плавного нарастания и падения тока;
• низкий расход аргона;
• маневренность и возможность автоматизации процесса.

Примеры применения плазменного  напыления

• Машиностроение: калибры, подшипники скольжения, подпятники упорных подшипников, гидроцилиндры, плунжера, направляющие и центры токарных станков, шпиндели и валы, шнеки экструзионных машин, детали перемоточных, ткацких, прядильных машин, вытяжные и гибочные штампы, матрицы для прессования тугоплавких металлов, кокили и т.п.
• автомобильная промышленность: коленчатые валы, поворотные цапфы, втулки-шестерни коробки передач, оси коромысел, посадочные отверстия картера коробки передач, кулачки распределительных валов, ступицы маховиков двигателя, валы водяных насосов и вентиляторов, головки цилиндров, поршневые кольца, диски сцепления, выхлопные клапаны, рычаги управления, вилки переключения коробки передач, тормозные барабаны, шаровые пальцы рулевого управления, глушители, крылья и т.п.;
• электротехническая и электронная промышленность: конденсаторы, поверхности антенн, вентиляционные лопатки турбогенераторов, торцовые уплотнения электрических машин, лентопротяжные механизмы, магнитные головки, механизмы перемещения перфокарт, ролики для подачи проволоки и сопла сварочных установок и т.п.;
• строительство, угле- и нефтедобывающая промышленность: закладные детали, лопасти вентиляторов, детали конвейеров, шнеки бетономешалок и питателей для подачи угля, буровые коронки и т. п.;
• химическая промышленность: лопасти дымососов, эксгаустеров, детали ковшей, черпаков, воздуходувок, рекуператоров, кожухи термопар, фурмы доменных печей, ролики рольгангов, валки прокатных станов и т.п.;
• бытовая техника: днища кастрюль, сковородок, электронагревательные устройства и т.п.

Экономическая эффективность  плазменного напыления определяется:

• повышением надежности и долговечности выпускаемой и используемой продукции минимум в два раза;
• сокращением затрат на изготовление запасных частей;
• экономией металла, расходуемого на изготовление запасных частей;
• высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных частей и восстановлении деталей;
• увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, вследствие сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.

Информация с сайта www.plasmacentre.ru

Более подробно процесс  и особенности плазменного напыления  описаны ниже:

Плазменное напыление  — процесс нанесения покрытия на поверхность детали (изделия) с  помощью плазменной струи. Плазменная струя — это частично или полностью  ионизированный газ, обладающий свойством  электропроводности и имеющий высокую  температуру.

Различают высоко- и низкотемпературную плазму. Первая практически ионизирована, и ее электронная температура  оценивается в сотни тысяч  и более градусов. Низкотемпературная плазма, с температурой в несколько  тысяч или десятков тысяч градусов, ионизирована частично и содержит значительную часть нейтральных частиц.

Низкотемпературная плазма — многокомпонентная система, состоящая  из атомов или молекул в основном состоянии; молекул, атомов, радикалов  в различных возбужденных квантовых  состояниях; ионов, электронов. Для  нанесения плазменных покрытий применяется  низкотемпературная плазма.

Сущность плазменного  напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подается распыляемый материал, который нагревается, плавится и  в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с  поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия.

Плазменный процесс состоит  из трех основных стадий:

1. генерация плазменной струи;
2. ввод распыляемого материала в плазменную струю, его нагрев и ускорение;
3. взаимодействие плазменной струи и расплавленных частиц с основанием.

Плазменным напылением наносятся  износостойкие, антифрикционные, жаро-, коррозионностойкие и др. покрытия.

Напыление с помощью низкотемпературной плазмы позволяет:

• наносить покрытия на листовые материалы, на конструкции больших размеров, изделий сложной формы;
• покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево, ткань);
• обеспечить равномерное покрытие как на большой площади, так и на ограниченных участках больших изделий;
• значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этим методом можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров;
• легко механизировать и автоматизировать процесс напыления;
• использовать различные материалы: металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные комбинации; наносить их в несколько слоев, получая покрытия со специальными характеристиками;
• практически избежать деформации основы, на которую производится напыление;
• обеспечить высокую производительность нанесения покрытия при относительно небольшой трудоемкости;
• улучшить качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными, высокой плотности и с хорошим сцеплением с поверхностью детали.

К основным недостаткам метода нанесения покрытий напылением можно  отнести:

• высокий шум,
• ультрафиолетовое излучение,
• образование вредных для здоровья работающих соединений напыляемого материала с воздухом, которое сопровождает процесс напыления.

В зависимости от требуемых  свойств покрытий, получаемых при  плазменном напылении, наиболее широко применяются следующие материалы. В зависимости от требуемых свойств  покрытий, получаемых при плазменном напылении, наиболее широко применяются  следующие материалы:

1. Металлы и сплавы. Вольфрам (W) способен образовывать при  плазменном напылении металлическую  связь с большинством металлов. Вольфрам имеет высокую температуру  плавления (Тпл = 3683 К). Используется  для нанесения износостойких  и эрозионностойких покрытий. При  плазменном напылении применяется  вольфрамовый порошок марки В  или В-1с размером гранул 40-100 мкм.

Молибден (Мо) хорошо сцепляется с поверхностью черных металлов, поэтому  его часто используют для напыления  подслоя, на который потом наносят  покрытия других металлов. Молибденовые покрытия обладают хорошей износостойкостью. Для плазменного напыления также  используют сплавы молибдена с железом, титаном, кремнием и механические смеси  на основе молибдена с добавками  окиси алюминия и окиси титана.

Порошковые сплавы на основе железа с высоким содержанием  углерода (таблица 1) имеют низкую стоимость, высокую износостойкость. Ярко выраженный недостаток этих порошков склонность к окислению при напылении.

Таблица 1. Самофлюсующиеся  сплавы на железной основе

Группа терморегулирующих  порошков на основе интерметаллидов (Ni-Ti; Ni-Al; Ni-Cr) отличается хорошими адгезионными свойствами вследствие экзотермических  реакций компонентов и обеспечивает высокие плотность и износостойкость  покрытий. Наибольшее распространение  получили самофлюсующие порошки  системы никель-хром-кремний-бор  марок ПГ-10Н-01, ПГ-10Н-04, ПГ-12Н-01 и др. (таблица 2). Эффект самофлюсования у  этих сплавов достигается тем, что  при оплавлении кремний и бор  связывают кислород, адсорбированный  на поверхности порошка, в боросиликатные шлаки, которые всплывают на поверхность. Покрытия из этих металлов обладают высокой  износостойкостью, коррозионной и эрозионной стойкостью при повышенных температурах.

Таблица 2. Порошковые сплавы на никелевой основе

>>

2. Оксиды. Они широко используются  для нанесения теплозащитных  и износостойких покрытий. Покрытия  из оксида алюминия (Аl2O3) имеют  белый цвет, обладают хорошими  теплоизоляционными свойствами  и являются устойчивыми при  высоких температурах. Их напыляют  на трущиеся поверхности деталей,  работающих без ударных нагрузок. Такие покрытия обладают высокой  твердостью, низким коэффициентом  трения и химической устойчивостью.  Основным недостатком покрытий  из окиси алюминия является  хрупкость и низкая механическая  прочность. При местных ударных  нагрузках покрытия могут отделяться  от основы.