Плазменное напыление металла

Плазменное напыление

Плазменное напыление – это один из лучших способов не только защитить металл от коррозии, но и улучшить его характеристики прочности и стойкости. Не зря этот метод нанесения защитных покрытий применяется для оборудования, которое работает в тяжелых режимах нагрузки. При этом такой тип окрашивания придаст изделию аккуратный эстетический вид. Ведь покрытие ложится равномерно без потёков, пузырей и других дефектов.

Компания «КОРТЭК-РСБ» предлагает услуги плазменного напыления металла и других материалов (стекло, дерево, керамика, графит, пластмассы и др.). Материал самого покрытия − оксид хpома, диоксид титана (напыления на основе керамики), металлы и т.д. Чтобы добиться высоких результатов и безупречного качества, мы применяем высококачественные материалы, точно соблюдает технологию.

Плазменное напыление обладает рядом достоинств:

  • Возможность равномерно покрыть изделие сложной формы.
  • Высокая адгезия (максимальное сцепление материала с покрытием).
  • Практически беспористая структура поверхности.
  • В процессе напыления не происходит деформации объекта.
  • Сохраняется первозданный вид изделия в течение многих лет при активном использовании.
  • Устраняется вероятность коррозии во влажной среде.
  • Снижается истираемость.
  • Покрытие позволяет контактировать деталям с агрессивными химическими веществами.
  • Обеспечит жаростойкость, электроизоляцию, теплозащиту.
  • Препятствует абразивному износу.
  • Состав покрытия не выделяет вредных веществ, не имеет запаха и абсолютно безвреден.

Данная функция существенно расширяет сферу применения деталей. Поэтому плазменное напыление покрытий востребовано в машиностроительной, химической, нефтедобывающей, пищевой и других промышленностях.

С помощью плазменного напыления можно легко восстановить изношенные детали и увеличить их срок службы. Учитывая, что новые запчасти к оборудованию будут стоить в разы дороже, то это существенная экономия. А если оснащение устаревшее и его комплектующие не производятся вовсе, то технология PLASMA может стать единственным решением, избежать покупки полностью нового дорогостоящего оборудования.

Для повышенной прочности возможно нанесение подслоёв из других видов материалов.

Почему плазменное напыление покрытий лучше других методов нанесения износостойких материалов?

  • Напыление можно наносить на изделия практически любых размеров.
  • Обработка занимает мало времени и не требует сушки.
  • Таким методом можно создать тепловую мощность на 30% больше, чем при газопламенном напылении. Это увеличивает производительность, и даёт возможность работать с тугоплавкими компонентами.
  • Стоимость услуг обойдётся дешевле.
  • Для образования плазмы используются инертные газы без кислорода, что препятствует окислению.
  • Энергетические характеристики плазмы можно изменять это позволяет получить покрытие с качеством, точно обусловленным технологией.

Звоните, у нас на плазменное напыление цена крайне выгодная! Работаем оперативно и ответственно!

Плазменное напыление металлов

Напыление плазменное, которое иногда называют диффузионной металлизацией, образуется вследствие термического диссоциации атомов металла под воздействием высокотемпературной плазмы с последующим осаждением и диффундированием внутрь заготовки. Это простой и дешёвый способ формирования покрытий.

Особенности и назначение плазменного напыления

Особенность покрытия — пластинчатая зернистая структура, возникающая в результате термической диффузии мелких частиц.

Стадии плазменного напыления металла:

  1. Ионизация частиц.
  2. Распыление.
  3. Осаждение.
  4. Затвердевание.

На каждом из этапов необходимо проводить контроль температуры и скорости движения напыляемых частиц.

Осаждение представляет собой совокупность двух, одновременно протекающих процессов – химической связи, которая активируется вследствие высоких температур в зоне обработки, и механических взаимодействий, обусловленных повышенной кинетической энергией частиц напыляемого металла. Дополнительным интенсифицирующим фактором считается наличие промежуточной среды – газа/жидкости — молекулы которой ускоряют и стабилизируют процесс металлизации. При этом образуются дополнительные соединения, улучшающие качество напылённого слоя. Например, азот формирует высокотвёрдые нитриды металлов, гелий предотвращает окисление поверхности, а медь улучшает условия трения.

Процесс используется для формирования оптимальных характеристик поверхностного слоя, а также как метод восстановления изношенных стальных деталей.

Технология процесса напыления

Исходный материал подается в столб плазмы в форме порошка или проволоки. Ионизированные газы высвобождают активные молекулы газов, некоторые из которых (например, водород) дополнительно поднимают температуру внутри плазменного столба, ускоряя процесс превращения молекул исходной заготовки в парообразное состояние. В результате ускоряется оседание движущихся частиц на подложку. Ионизация возможна не только из газа, но и из жидкости, испаряющейся в столбе дуги.

Напыляющие порошки разнообразят состав и свойства покрытий, поскольку в мелкодисперсное состояние может быть переработан широкий спектр металлов.

Плазменное напыление осуществляется в результате:

  • Инициализации плазмы высоковольтным разрядом, который образует электрическую дугу постоянного тока, образующуюся между двумя электродами — медным анодом и металлическим катодом (чаще – вольфрамовым). Электроды должны постоянно охлаждаться;
  • Генерирования потока высокотемпературного ионизированного плазменного газа, который обычно состоит из аргона/водорода или аргона/гелия;
  • Нагрева газа, с последующим ускорением его движения через сужающееся сопло;
  • Переноса мелкодисперсного порошка в плазменной струе на подложку.

Высококачественное покрытие образуется вследствие сочетания высокой температуры (до 15000°C), концентрированной тепловой энергии плазменной струи, инертной среды распыления и скоростей частиц, достигающих 300 м/с.

Последующая обработка покрытия

Процесс распыления в потоке плазмы ограничен материалами, которые имеют более высокую температуру плавления, чем пламя. При более низких температурах и скоростях (до 40 м/с), энергетические характеристики движущихся частиц уменьшаются, что приводит к окислообразованию, пористости и наличием различных включений в готовом покрытии. Снижается прочность сцепления и адгезии между покрытием и подложкой. Такие покрытия подвергают шлифовке или полированию. В обоснованных случаях предусматривается термическая обработка – закалка, отпуск, нормализация.

Оборудование плазменного напыления

Для диффузионной металлизации производят три вида устройств – со сжиганием кислородной смеси, с подачей инертного газа и с термическим разложением жидкости. Толщина покрытия достигает 100…120 мкм.

Установки плазменного напыления, использующие энергию высокоскоростной кислородной плазмы, работают при гиперзвуковых скоростях газа, достигающих 1600…1800 м/с в момент удара струи по подложке. Так производят плазменное напыление износостойкими карбидами металлов, когда не требуется полного расплавления ионизированных частиц.

Оборудование, где поток плазмы формируется в струе инертного газа, используется для производства покрытий, требующих сочетания хорошей износостойкости и ударопрочности. Нагрев приводит к тому, что газ достигает экстремальных температур, диссоциирует и ионизируется.

Установки третьего типа выполняют металлизацию в конечный момент формообразования поверхности или полости электродуговым разрядом, сжатым поперечным потоком рабочей среды. Такие установки наиболее производительны. В качестве примера рассмотрим станок типа «Дуга-8М», состоящий из следующих узлов:

  1. Инструментальной головки с электрододержателем.
  2. Герметизированной рабочей камеры.
  3. Насосной станции.
  4. Резервуара с диэлектриком.
  5. Генератора плазмы.
  6. Узлов контроля и слежения.

Диффузионная металлизация происходит так. Исходное изделие фиксируется в рабочей камере и герметизируется. Электрододержатель с электродом (имеющим сквозное отверстие) устанавливается над заготовкой, после чего через зону обработки производится прокачка среды под высоким давлением. Включается генератор плазмы, и производится перемещение электрода до момента пробоя межэлектродного промежутка. Высокая концентрация тепловой мощности в дуге приводит к размерному испарению материалов электрода и рабочей среды. В результате одновременно происходит съём металла и насыщение поверхности атомами элементов.

Оборудование для плазменного напыления своими руками изготовить крайне сложно, поскольку кроме мощных источников питания, необходимых для создания дугового разряда, необходимы высокоточные узлы подачи рабочей среды к плазменному столбу.

Расходные материалы

Выбор исходных материалов определяется свойствами покрытия и стоимостью его получения.

Читайте также  Станок для полировки металла

Металлы. Предпочтение отдают интерметаллидам алюминия, железа, титана, никеля и кобальта, потому что они имеют высокие температуры плавления и сравнительно невысокие плотности, что уменьшает энергоёмкость плазменного напыления.

Самофлюсующиеся порошки. Используются порошки самофлюсующихся сплавов (типа бор-кремний). В процессе обработки расплавы порошков образуют металлургические соединения, устойчивые к коррозии и износу.

Минералокерамика. Для плазменного напыления используют исходные материалы, содержащие алюминий и кремний: они не дают трещин или отслаиваний. Добавка железа, марганца, меди, цинка и магния приводит к улучшению свойств покрытия.

Металлоорганические соединения. Используются преимущественно неполярные жидкости, которые хорошо растворяются в минеральных и синтетических маслах малой вязкости.

Плазменное напыление металла

Виды и применение процессов плазменного напыления металлов

Плазменное напыление (или, другими словами – диффузионная металлизация) эффективный способ изменения физико-механических свойств, а также структуры основной поверхности. Поэтому он часто используется с декоративными целями, и для увеличения стойкости конечного продукта.

Принцип плазменного напыления

Как и традиционные методы поверхностных покрытий, при диффузионной металлизации происходит осаждение на поверхности металла слоя другого металла или сплава, который обладает необходимыми для последующего применения детали свойствами – нужным цветом, антикоррозионной стойкостью, твёрдостью. Отличия заключаются в следующем:

  1. Высокотемпературная (5000 — 6000 °С) плазма значительно ускоряет процесс нанесения покрытий, который может составлять доли секунд.
  2. При диффузионной металлизации в струе плазмы в поверхностные слои металла могут диффундировать также химические элементы из газа, где проводится обработка. Таким образом, регулируя химический состав газа, можно добиваться комбинированного поверхностного насыщения металла атомами нужных элементов.
  3. Равномерность температуры и давления внутри плазменной струи обеспечивает высокое качество конечных покрытий, чего весьма трудно достичь при традиционных способах металлизации.
  4. Плазменное напыление отличается чрезвычайно малой длительностью процесса. В результате не только повышается производительность, но также исключается перегрев, окисление, прочие нежелательные поверхностные явления.

Рабочие установки для реализации процесса

Поскольку чаще всего для инициации высокотемпературной плазмы используется электрический разряд – дуговой, искровой или импульсный – то применяемое для такого способа напыления оборудование включает:

  • Источник создания разряда: высокочастотный генератор, либо сварочный преобразователь;
  • Рабочую герметизированную камеру, где размещается подвергаемая металлизации заготовка;
  • Резервуар для газа, в атмосфере которого будет производиться формирование высокотемпературной плазмы;
  • Насосной или вакуумной установки, обеспечивающей необходимое давление для прокачки рабочей среды или для создания требуемого разрежения;
  • Системы управления за ходом протекания процесса.

Работа плазмотрона, выполняющего плазменное напыление, происходит так. В герметизированной камере закрепляется напыляемая деталь, после чего между поверхностями рабочего электрода (в состав которого входят напыляемые элементы) и заготовкой возбуждается электрический разряд. Одновременно через рабочую зону с требуемым давлением прокачивается жидкая или газообразная среда. Её назначение – сжать зону разряда, повысив тем самым объёмную плотность его тепловой мощности. Высококонцентрированная плазма обеспечивает размерное испарение металла электрода и одновременно инициирует пиролиз окружающей заготовку среды. В результате на поверхности образуется слой нужного химического состава. Изменяя характеристики разряда – ток, напряжение, давление – можно управлять толщиной, а также структурой напыляемого покрытия.

Схема плазменного напыления

Аналогично происходит и процесс диффузионной металлизации в вакууме, за исключением того, что сжатие плазмы происходит вследствие разницы давлений внутри и вне её столба.

Технологическая оснастка, расходные материалы

Выбор материала электродов зависит от назначения напыления и вида обрабатываемого металла. Например, для упрочнения штампов наиболее эффективны электроды из железо-никелевых сплавов, которые дополнительно легируются такими элементами, как хром, бор, кремний. Хром повышает износостойкость покрытия, бор – твёрдость, а кремний – плотность финишного покрытия.

При металлизации с декоративными целями, главным критерием выбора металла рабочего электрода является конфигурация напыляемой поверхности, а также её внешний вид. Напыление медью, например, производят электродами из электротехнической меди М1.

Важной структурной составляющей процесса является состав среды. Например, при необходимости получить в напыляемом слое высокостойкие нитриды и карбиды, в газе должны присутствовать органические среды, содержащие углерод или азот.

Последующая обработка готового покрытия

В силу особенностей процесса плотность напылённого слоя и прочность его сцепления с основным металлом не всегда бывают достаточными для обеспечения долговечности покрытия. Поэтому часто после обработки деталь подвергается последующему поверхностному оплавлению с использованием кислородно-ацетиленового пламени, либо в термических печах. Как следствие, плотность покрытия возрастает в несколько раз. После этого продукцию шлифуют и полируют, применяя твердосплавный инструмент.

С учётом последующей доводки изделия, толщину слоя металла после обработки принимают не менее 0,8 — 0,9 мм.

Для придания детали окончательных прочностных свойств её закаливают и отпускают, применяя технологические режимы, рекомендуемые для основного металла.

Плазменное напыление повышает теплостойкость, износостойкость и твёрдость изделий, увеличивает их способность противодействовать коррозионным процессам, а напыление с декоративными целями значительно улучшает внешний вид деталей.

Ограничениями технологии диффузионного плазменного напыления считаются чрезмерная сложность конфигурации заготовки, а также относительная сложность используемых установок.

При невысоких требованиях к равномерности образующегося слоя можно использовать и более простые установки, конструктивно напоминающие сварочные полуавтоматы. В этом случае плазменное напыление производится в воздушном пузыре, который образуется при обдуве зоны обработки компрессором. Электроды, в составе которых имеется напыляемый металл, последовательно перемещаются по контуру изделия. Для улучшения сцепления напыляемого металла с основой внутрь зоны напыления вводится также присадочный материал.

Процесс напыления металлического порошка на токарном станке

Способы напыления металлов

Традиции производства металлических изделий накапливались столетиями. Наука многократно модернизировала общепринятые технологические схемы, но всегда оставались существенными сырьевые и энергетические потери на всех этапах техпроцесса. Идея его кардинального изменения зародилась в начале ХХ века, когда известный русский инженер-металлург Соболевский П.Г. порекомендовал применить напыление металла в производстве машиностроительных изделий. Усовершенствование этой технологии способствовало образованию инновационной специализации – порошковой металлургии, обуславливающей замену традиционной обработки металла автоматизированными операциями прессовки и спекания материалов.

Технология напыления металлов является современным способом нанесения однородного металлического слоя на деталь при использовании раскаленной скоростной струи, имеющей в своем составе порошковые элементы, осаждающиеся на базисном металле при ударном столкновении с ним. Для выбора оптимального метода напыления металла следует принимать во внимание форму и размерные габариты деталей; точность и характер погрешности покрытия, его технико-эксплуатационные особенности; расход на базовое и дополнительное оснащение, порошковые материалы, на черновое и заключительное обрабатывание покрытий и прочее.

Способы и оборудование для напыления металлов

Однако порошковое напыление металла вовсе не ограничивается одним лишь производством деталей из порошков. Не менее важным является такое ее направление, как нанесение на металлическую поверхность слоя мелкодисперсной среды из огнеупорных, коррозионно- и износостойких материалов для улучшения функциональных, реставрационных и декоративных характеристик. При использовании в этих целях многокомпонентных порошковых материалов возрастает риск возникновения неоднородности покрытия, связанной с сегрегацией (расслаиванием) порошков. Такая проблема разрешается применением пластичных шнуровых материалов, имеющих в своем составе порошок, который фиксируется пластичной связкой. При обработке поверхности вещество связки целиком испаряется и на подложку изделия оседает лишь непосредственно порошок.

Читайте также  Полиуретановый клей для резиновой крошки

Сущность вакуумного напыления металлов состоит в том, что требуемый материал в результате сильного нагревания в вакуумном пространстве переходит в пар, который конденсируется в виде плоской пленки на наружной стороне тех или иных изделий.

Процесс термонапыления относительно прост и включает такие операции: расплавка металлического сырья в специальном пистолете (горелке) и напыление металла в жидком состоянии на заблаговременно обработанную поверхность при помощи сжатого воздуха. В ходе газопламенного напыления металла непрерывно перемещающийся напыляемый материал в форме проволоки или стержня продвигается через пистолет и плавится в конусовидном потоке горючего газа (диметилметана или топлива с содержанием ацетилена и кислорода). Кончик расплавленной проволоки встраивается в конусовидный поток и наносится на поверхность подложки. При контакте с поверхностью микрочастицы наносимого вещества моментально остывают и трансформируются, прочно сцепляясь с ней. В связи с этим, газотермическое напыление отличается мельчайшей ленточной или планарно-зернистой структурой.

Данный способ обработки идеально подходит для напыления труднодоступных участков. При его использовании следует контролировать дистанцию между пистолетом и обрабатываемым изделием, поддерживать оптимальную температуру напыления, соблюдать чистоту. Соблюдение точно выбранного промежутка и скорости передвижения пистолета обеспечивает оптимальную дозу материала и толщину наносимого слоя. Поскольку в ходе напыления металла создается пыль, следует регулярно прочищать фронтальную часть аппарата, чтобы гарантировать нанесение свежего слоя на очищенную поверхность. Использование газопламенного способа нанесения позволяет создавать покрытия с достаточной пористостью (до 12 %) и небольшой адгезией к основе, что связано с невысокой скоростью воздушно-газовой струи (менее 50 м/с). Температурный режим горения пламени лимитирует спектр металлов, которые можно наносить таким способом.

При осуществлении плазменного или газоплазменного напыления металла в качестве источника тепла выступает электродуга, возникающая между парой электродов. В зону ее горения нагнетается инертный газ, способный ионизироваться и образовывать плазму (температурой до 15000 °С). В плазменную струю поступает порошок наносимого металла, который плавится и переходит на обрабатываемую подложку. Вопреки высоким температурам в месте горения электродуги, изделие не подвергается перегреву, поскольку при переходе из участка дуги температурные показатели резко снижаются. Оборудование для такого типа нанесения металла сложнее, в сравнении с газопламенным из-за дополнительной потребности в электроаппаратуре.

В наиболее ответственных задачах для получения максимальной адгезии и прочности покрытий плазменную обработку осуществляют в вакуумном оборудовании для напыления металлов при низком давлении. Снижение давления обеспечивает возрастание скорости микрочастиц, что способствует получению более прочных химически стойких покрытий с повышенной твердостью.

Газодинамическое напыление металла заключается в образовании покрытий при взаимном ударении холодных микрочастиц металла, убыстренных ультразвуковой газовой струей, с подложкой детали. При контакте не расплавленных микрочастиц с поверхностью получается их пластическая трансформация и кинематическая энергия переходит в тепловую и адгезионную, способствуя образованию однородного слоя из прочно уложенных частиц металла. Отличительная особенность такого напыления – отсутствие повышенных температур при нанесении металлических покрытий, а значит, и отсутствие оксидации металлических частиц и подложки, явления неоднородной кристаллизации, повышенных внутренних напряжений в готовых изделиях.

Лазерное напыление металла представляет собой технологию восстановления изделий путем обработки их лазерным лучом света, генерируемым при работе оптико-квантового генератора. Из-за узкой сосредоточенности лазерного потока и повышенной энергетической плотности в месте его контакта с поверхностью можно производить наплавку любого металла. Самой востребованной является порошковая форма. Локальное фокусирование излучения дает возможность производить наплавление в труднодоступных зонах. При этом первичная структура практически не деформируется, но достигается повышенная износостойкость деталей.

Разработаны многочисленные установки для напыления металла. Как правило, они производятся в двух исполнениях: стационарном и мобильном, кроме этого могут функционировать как в закрытых цехах, так и на открытой местности для обработки крупногабаритной продукции. Покрытия, образованные перечисленными способами напыления, имеют высокие параметры прочности и пониженную степень остаточных напряжений.

Процесс плазменного напыления

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Как и другие состояния она имеет свои уникальные свойства. Также, как и большинство веществ при охлаждении плазма станет твердой, а любое вещество будучи нагретым до определенной температуры превратится в плазму. В плазме электроны отделены от атомов, образуя субстанцию, напоминающую газ, но при этом проводящую электрический ток. В природе плазма образуется в пламени, электрических разрядах, молнии и Северном Сиянии.

Flame Spray Technologies (FST) использует этот вид материи, создавая плазму при прохождении электрического тока через газ, например аргон или азот. Это приводит к образованию плазменной струи с температурой до 15000 ºC под высоким давлением, которая нагревает и ускоряет частицы к поверхности напыляемой детали. Использование данной технологии позволяет напылять практически любой металл или керамику на широкий диапазон материалов с большой адгезией без нагрева напыляемой поверхности.

Основным компонентом, образующим плазменную струю, является плазматрон, схема работы которого показана на изображении выше. Принцип работы плазматрона заключается в следующем. Плазменной газ (например, аргон) подается в кольцевой зазор между электродом и анодом. При подведении тока высокой частоты или высокого напряжения между анодом и электродом загорается дуга, ионизирующая газ. При увеличении тока происходит утолщение дуги и увеличение степени ионизации. Это приводит к увеличению мощности и, за счет расширения газа, к росту его скорости.

Если в качестве плазменного газа используется только аргон, то для создания необходимой мощности для плавления большинства материалов потребуется очень большой ток (от 800 до 1000 А). При таком токе скорость газа может быть слишком большой, чтобы расплавить материал с высокой температурой плавления. Таким образом, для увеличения мощности до уровня, необходимого для плавления керамических материалов, необходимо менять термодинамические и электрические свойства газа. Это достигается путем добавления в плазмообразующий газ вторичного газа (как правило, водорода).

После образования плазменной струи с нужными характеристиками в плазматрон подается напыляемый материал в виде порошка.

Основные типы покрытий

  • Керамики
  • Карбиды и керметы
  • Сплавы на основе железа, никеля и кобальта
  • Прирабатываемые материалы

Основные применения

  • Износостойкость (абразивная, скользящая, эрозионная)
  • Коррозионная защита
  • Термобарьерные покрытия
  • Комбинированные покрытия

Компания FST предлагает полный спектр оборудования для плазменного напыления:

Система AP-50

Цифровая система AP-50, построенная по самым высоким стандартам с использованием последних достижений в области управления процессами

Система AP-25i

Полуавтоматическая система. Качество и безопасность по разумной цене.

Мультипроцессная система MP-X

Цифровая система для нескольких процессов газотермического напыления. Непревзойденный контроль за процессом и гибкость.