Плазменное напыление металла — оборудование, фото, видео

Напыление металлов позволяет улучшить характеристики деталей, работающих в условиях, связанных сильным изнашиванием и механическими концентрированными нагрузками. Металлизация поверхностей повышает устойчивость и увеличивает срок службы. Кроме решения технических задач, напыление используется во время производства декоративных изделий, бижутерии, в пищевой, фармацевтической и химической промышленностях. Для напыления могут применяться различные металлы, конкретный выбор зависит от технического задания.

Задачи и варианты напыления

Металлическая поверхность после порошковой обработки приобретает важные защитные свойства. В зависимости от назначения и области применения, металлическим деталям придают огнеупорные, антикоррозийные, износостойкие характеристики.

Основная цель напыления базовой основы из металла – обеспечить продолжительный эксплуатационный ресурс деталей и механизмов в результате воздействия вибрационных процессов, высоких температур, знакопеременных нагрузок, влияния агрессивных сред.

Процессы напыления металлов выполняют несколькими способами:

• Вакуумная обработка – материал при сильном нагревании в вакуумной среде преобразуется в пар, который в процессе конденсации осаживается на обрабатываемой поверхности.
• Плазменное или газоплазменное напыление металла – в основу метода обработки положено использование электродуги, образующейся между парой электродов с нагнетанием инертного газа и ионизацией.
• Газодинамический способ обработки – защитное покрытие образуется при контакте и взаимодействии микрочастиц холодного металла, скорость которых увеличена ультразвуковой струей газа, с подложкой.
• Напыление лазерным лучом – генерация процесса происходит с использованием оптико-квантового оборудования. Локальное лазерное излучение позволяет проводить обработку сложных деталей.
• Магнетронное напыление – выполняется при воздействии катодного распыления в плазменной среде для нанесения на поверхность тонких пленок. В технологии магнетронных способов обработки используются магнетроны.
• Защита металлических поверхностей ионно-плазменным способом – основана на распылении материалов в вакуумной среде с образованием конденсата и осаждением его на обрабатываемой основе. Вакуумный метод не дает металлам нагреваться и деформироваться.

Технологический метод напыления деталей, механизмов, поверхностей из металла подбирают, в зависимости от характеристик, которые нужно придать напыляемой основе. Поскольку метод объемного легирования экономически затратный, в промышленных масштабах широко используют передовые технологии лазерной, плазменной, вакуумной металлизации.

Напыление в магнетронных установках

Металлизация поверхностей по технологии магнетронного напыления основана на расплавлении металла, из которого выполнена мишень магнетрона. Обработка происходит в процессе ударного действия ионами рабочей газовой среды, сформированными в плазме разряда. Особенности использования магнетронных установок:

• Основными элементами рабочей системы являются катод, анод, магнитная среда, которая способствует локализации плазменной струи у поверхности распыляемой мишени.
• Действие магнитной системы активизирует использование магнитов постоянного поля (самарий-кобальт, неодим), установленных на основании из магнитомягких материалов.
• При подаче напряжения от источника электропитания на катод ионной установки происходит распыление мишени, причем силу тока нужно поддерживать на стабильно высоком уровне.
• Магнетронный процесс основан на использовании рабочей среды, которой выступает соединение инертных и реакционных газов высокой чистоты, подающихся в камеру вакуумного оборудования под давлением.

Преимущества магнетронного напыления позволяют применять данную технологию обработки для получения тонких пленок металлов. Например, алюминиевые, медные, золотые, серебряные изделия. Происходит формирование пленок полупроводников – кремний, германий, карбид кремния, арсенид галлия, а также образование покрытий диэлектриков.

Главное достоинство магнетронного метода – высокая скорость распыления мишени, осаждения частиц, точность воспроизведения химического состава, отсутствие перегрева обрабатываемой детали, равномерность нанесенного покрытия.

Использование при напылении магнетронного оборудования дает возможность обрабатывать металлы и полупроводники с высокой скоростью осаждения частиц, создавать на напыляемой поверхности тонкие пленки с плотной кристаллической структурой, высокими адгезивными свойствами. К основному перечню работ по магнетронной металлизации относятся хромирование, никелирование, реактивное напыление оксидов, карбо- и оксинитридов, сверхскоростная наплавка меди.

Технология ионно-плазменной наплавки

Чтобы получать многомикронные покрытия на изделиях из металла, широко используют метод ионно-плазменного напыления. Он основан на использовании вакуумной среды и физико-химических свойств материалов испаряться и распыляться в безвоздушном пространстве.

Технологически сложный процесс позволяет решать важные технические задачи по металлизации изделий благодаря использованию установки ионно-плазменного напыления:

• Увеличение параметров износоустойчивости, исключение спекания при эксплуатации изделий в условиях высоких температур.
• Повышение коррозийной устойчивости металлов при эксплуатации в агрессивных водных, химических средах.
• Придание электромагнитных свойств и характеристик, эксплуатация в границах инфракрасного и оптического диапазона.
• Получение высококачественных гальванических покрытий, придание изделиям декоративно-защитных свойств, обработки деталей и механизмов, используемых в разных отраслях промышленности.

Процесс ионно-плазменного напыления базируется на использовании вакуумной среды. После поджига катода формируются пятна первого и второго уровня, которые перемещаются с высокой скоростью и образуют плазменную струю в ионном слое. Полученная в результате эродирования катодов струя проходит через вакуумную среду и вступает во взаимодействие с конденсируемыми поверхностями, осаживаясь плотнокристаллическим покрытием.

Использование ионно-плазменного напыления позволяет наносить защитные покрытия при температуре поджига катода до 100°C, отличается достаточно простой схемой получения слоев толщиной до 20 мкм.

С помощью ионно-плазменного напыления на металл удается придавать требуемые свойства конструктивно сложным изделиям нестандартной геометрической формы. После обработки металлическую поверхность не требуется покрывать финишным слоем.

Особенности плазменной металлизации

Наряду с ионно-плазменным напылением и магнетронными способами обработки металлов применяют еще один метод – плазменная металлизация. Главная задача технологии – защита изделий от окислительных процессов в агрессивных средах, повышение эксплуатационных качеств, упрочнение обрабатываемой поверхности, усиление сопротивляемости механическим нагрузкам.

Плазменное напыление алюминия и других металлов основано на высокоскоростном разгоне металлического порошка в потоке плазмы с осаждением микрочастиц в виде покрывающего слоя.

Особенности и преимущества технологии плазменного напыления на металл:

• Высокотемпературный метод нанесения защитного слоя на обрабатываемую поверхность (порядка 5000-6000 °C) происходит за доли секунд.
• Используя методы регулирования газового состава, можно получать комбинированное насыщение металлической поверхности атомами порошковых покрытий.
• Благодаря равномерности потока плазменной струи удается получать одинаково пористое, качественное покрытие. Конечная продукция превосходит результаты традиционных способов металлизации.
• Длительность процесса напыления невысока, что помогает достичь стопроцентной экономической эффективности использования плазменного оборудования в разных производственных масштабах.

Основные компоненты рабочей установки – высокочастотный генератор, камера герметизации, резервуар газовой среды, насосная установка для подачи давления, система управления. Использовать технологию плазменного напыления на металл допускается в домашних условиях при наличии необходимого оборудования с вакуумной камерой – воздействие кислорода приводит к окислению горячих металлических поверхностей и мишени.

На видео: восстановление деталей напылением.

Процесс лазерной обработки

Наплавка металлов лазерным методом позволяет восстанавливать детали и механизмы потоками света, генерируемыми от оптико-квантового оборудования. Вакуумное напыление лазером является одним из наиболее перспективных методов получения наноструктурированных пленок. В основу процесса положено распыление мишени световым лучом с последующим осаждением частиц на подложке.

Преимущества технологии: простота реализации металлизации, равномерное испарение химических элементов, получение пленочных покрытий с заданным стехиометрическим составом. Благодаря узкой направленности лазерного потока в месте его сосредоточения удается получить наплавку изделия любыми металлами.

Механизмы формирования жидкокапельных фаз:

• Крупные капли частиц расплавленной мишени образуются путем воздействия гидродинамического механизма. При этом диаметр крупных капель варьируется в диапазоне 1-100 мкм.
• Капли среднего размера формируются вследствие процессов объемного парообразования. Размер капель колеблется в диапазоне 0,01-1 мкм.
• При воздействии на мишень коротких и частых импульсов лазерного луча в эрозийном факеле образуются частицы мишени небольшой величины – 40-60 нм.

Если в лазерной установке при наплавке металлов на мишень одновременно действуют все три механизма рабочего процесса (гидродинамика, парообразование, высокочастотный импульс), приобретение изделием требуемых характеристик зависит от величины влияния конкретного механизма наплавки.

Одно из условий качественной лазерной обработки – воздействие на мишень таким режимом облучения, чтобы на выходе получить лазерные факелы с наименьшим включением жидкокапельных частиц.

Химическое хромирование

Используется для обработки деталей со сложной геометрической формой, процесс основан на восстановлении хрома из растворов солей при помощи гипофосфита натрия. Осадок имеет серый цвет, блеск приобретается после полирования. Химическое хромирование протекает в ваннах с таким составом растворов.

Состав растворов для химического хромирования

1. Фтористый хром, г — 17
2. Хлористый хром, г — 1,2
3. Лимоннокислый натрий, г — 8,5
4. Гипофосфит натрия, г — 8,5
5. Вода, л — 1
6. Температура, °С — 70-87

Хромированная деталь

Скорость процесса хромирования может достигать 2,5 мкм/ч, для изготовления ванн используется устойчивый пластик. Металлизация сопровождается выделением ядовитых химических соединений, растворы негативно влияют на кожу людей. Во время производства работ следует соблюдать правила техники безопасности, для очистки воздушной среды устанавливается принудительная вентиляция. Мощность вентиляции рассчитывается исходя из объема помещения или рабочей зоны с учетом минимальной кратности обмена.

На промышленных предприятиях монтируется вентиляция пластиковая, она позволяет выдерживать рекомендованные технологические параметры при минимальных финансовых потерях. Для промышленного хромирования химическим методом применяются специально разработанные растворы с улучшенными показателями.

Промышленные растворы для химического хромирования

При приготовлении растворов первым растворяется хлористый хром. Затем согласно схеме могут растворяться лимонно-кислый натрий и фтористый хром. Для ускорения химических процессов в состав добавляется щавелевая кислота. Ионы хрома образуют с ней химически активный ион, скорость покрытия возрастает до 7 мкм/ч и более. Процентное содержание ингредиентов корректируется технологами с учетом поставленных конечных задач по обработке деталей.

Для получения расчетного покрытия необходимо выполнять следующие требования:

1. Качественная подготовка поверхностей. Детали очищаются механическим и химическим способами, при необходимости поверхности шлифуются.
2. Оборудование должно обеспечивать максимальную автоматизацию процесса для исключения вредного влияния человеческого фактора.
3. Постоянный контроль за состоянием раствора, фильтрование, поддержание заданной концентрации, своевременная замена катода.

Нарушение рекомендованной технологии может становиться причиной отслоений покрытий или образования глубоких раковин. Необходимость исправления дефектов приводит к значительному увеличению себестоимости производства.

Линия химического хромирования

Визуальный контроль химических процессов производится за счет определения количества выделяемого водорода, технологи рекомендуют для улучшения процесса одновременно покрывать детали из нескольких металлов. Слишком интенсивное выделение водорода может становиться причиной появления раковин, скорость процесса регулируется в каждом конкретном случае.

Достоинства осевого ввода порошка

Осевой ввод порошка – это качественный скачок в технике плазменного напыления. Дело тут не только в том, что при осевом вводе значительно уменьшаются потери порошка, но и в том, что открываются возможности напыления совсем других порошковых материалов, непригодных для радиального ввода. Так как этот аспект является принципиально важным для понимания следующих разделов, остановимся на нем подробнее.

Итак, что же происходит при радиальном вводе порошка в струю пламени на выходе из сопла? Перечислим недостатки такого ввода:

1. Для радиального ввода пригодны только очень узкофракционные порошки, для которых необходимо точно подбирать давление несущего газа. Что это значит?: При недостаточном давлении несущего газа частицы порошка будут «отскакивать» от струи пламени, при слишком высоком давлении несущего газа они будут «простреливать» это пламя насквозь; если же порошок состоит из частиц разного размера, то подобрать «правильное» давление несущего газа в принципе невозможно: самые мелкие частицы будут всегда «отскакивать», а самые крупные – всегда «простреливать», то есть, ни тех ни других частиц в напыляемом покрытии не будет, а будут только какие-то «средние» частицы. Особенно трудно вводятся мелкозернистые порошки из-за их повышенного рассеяния несущим газом (типичное облако пыли вокруг факела).
2. При радиальном вводе порошка нельзя использовать в порошковой смеси не только частицы разных размеров, но и разных плотностей (разных масс) по той же причине: более тяжелые частицы пролетают сквозь пламя легче более легких. Таким образом, попытка использования сложных порошковых смесей приведет к искажению состава покрытия по сравнению с составом порошковой смеси.
3. Увеличение скорости плазмообразующих газов усложняет радиальный ввод порошка, так как дополнительно сужаются интервалы необходимых давлений несущего газа и распределения частиц по размерам. На практике это означает следующее: чем выше скорость пламени, тем меньше КПД напыления при радиальном вводе порошка. Ввести же весь порошок в пламя без потерь невозможно ни при каких обстоятельствах.
4. Расположение порошковых дюз рядом с горячей зоной пламени вызывает их разогрев, компенсирующийся только охлаждением газом, несущим порошок. Если же скорости охлаждающего газа недостаточно для охлаждения, то частицы порошка могут налипать на края отверстия дюз, образуя натеки. Налипшие куски периодически отрываются от дюзы, попадают в пламя и вызывают характерный дефект – «плевание», приводящий к образованию грубых пористых включений в покрытии. Так как скорость истечения несущего газа строго связана с параметрами пламени (см. пункт 1), то возникает проблема: для некоторых порошков просто не существует параметров, убирающих эффект «плевания», особенно если эти порошки легкоплавкие и/или мелкозернистые.

Переход на осевое введение порошка позволяет полностью избавиться от вышеперечисленных проблем:

1. Давление и скорость несущего газа больше не привязаны к параметрам пламени и порошка. Единственное условие, – давление несущего газа должно быть несколько выше давления плазмообразующего газа в сопле в месте ввода порошка. За счет осевого ввода, любой порошок полностью захватывается пламенем.
2. Всегда можно подобрать такое давление несущего газа, при котором «плевания», связанного с налипанием порошка на край отверстия порошковой дюзы происходить не будет.
3. Возможно использование порошковых смесей любой сложности и фракционного состава. Частицы разных размеров будут приобретать различные скорости и температуры, но все, в итоге, примут участие в образовании покрытия. То, что мелкие частицы при осевом вводе в пламя плазмы становятся значительно горячее крупных, открывает новые возможности для дизайна порошковых смесей. Созданию таких полифракционных композиций посвящена основная часть этой книги.

Автору очень повезло, что в его распоряжении в течение многих лет находился плазматрон Axial III с осевым вводом порошка. Если бы не это, то создание новых многокомпонентных покрытий было бы просто невозможно.

Стадии

Плазменный процесс состоит из трёх 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.

Газоплазменное напыление

Газоплазменное напыления позволяет получать чистое покрытие с высокими показателями адгезии. Процесс протекает при температурах до +50 000°С, скорость струи оставляет 500 м/с, температура поверхности обрабатываемой детали составляет не более +200°С.

Газоплазменное напыление металлов

Шероховатость поверхности напыляемых деталей до 60 Rz, зона обдува должна на 2–5 мм превышать номинальный размер напыляемого участка. Для работы используются порошки одной фракции по размерам, необрабатываемые участки детали закрываются специальными экранами. Перед процессом поверхность деталей предварительно прогревается до рабочих технологических температур.

Режимы работы оборудования при газоплазменном напылении

Технология напыления

Схема оборудования для напыления

Оборудование для порошкового напыления состоит из подвода газа (1), катода плазмотрона (2), корпуса катода (3), теплоизолятора (4), корпуса анода (5), порошкового питателя (6), подвода газа-носителя (7), плазменной дуги (8) и источника питания (9).

Газоплазменное напыление допускает финишную обработку покрытий для улучшения характеристик деталей, в таком случае толщина покрытия должна учитывать механическую шлифовку.

Напыление в вакууме

Перенос напыляемых металлов выполняется при разрежении 10-2 Па, напыление может быть катодным, магнетронным или ионно-плазменным. Вакуум увеличивает прочность сцепления поверхностей. Оборудование для технологии может быть многокамерным или многопозиционным однокамерным. Первые линии состоят из нескольких установок, в каждой из которых выполняется определенное напыление металлов, агрегаты между собой соединены технологическими линиями для транспортировки деталей. Многопозиционные имеют несколько отдельных постов для напыления в одном объеме. Вакуумное напыление производится по следующим этапам:

1. Создание вакуума заданной глубины. Мощные компрессоры откачивают воздух из камеры, металлизация контролируется автоматическими приборами.
2. Распыление покрывающего материала. В зависимости от особенностей процесса напыление металлов может выполняться несколькими способами.
3. Транспортировка деталей в зависимости от их состояния.

Установка вакуумного напыления

Технологические определенияВакуумное напыление – сложный технологический процесс, зависящий от нескольких параметров:

1. Критическая температурная точка напыления. Выше этого значения весь объем направляемых частиц отражается от поверхности детали, напыление металлов приостанавливается. Параметр зависит от металла детали, состояния ее рабочей поверхности и свойств напыляемых материалов.
2. Критическая плотность давления. Минимальная плотность, при которой осадочная пленка адсорбируется и становится неспособной принимать атомы металла, напыление прекращается. Контроль критической плотности в установках выполняется непрерывно, при необходимости параметры условий корректируются. В зависимости от состава пленки могут быть моно- или поликристаллическими и аморфными.

Для повышения производительности вакуумное оборудование комплектуется механизмами автоматизированной транспортировки деталей в камеру и из нее, экранами и манипуляторами, заслонками и прочими механизмами. Напыление осуществляется в полуавтоматическом режиме.

Использование вакуумного оборудования позволяет получать напыление металлов с максимальным коэффициентом адгезии, увеличивается скорость протекания процесса, покрытия отличаются повышенной твердостью и химической устойчивостью. Недостаток – высокая энергоемкость процесса. Кроме того, вакуумное напыление не рекомендуется использовать для деталей со сложным профилем поверхностей.

Оборудование для холодного напыления

Существует два варианта защиты металлов от негативного воздействия внешних и рабочих факторов – легирование и напыление с вакуумным оборудованием. То есть, в сплав добавляют атомы химических элементов, придающих изделиям требуемые характеристики, или наносят на базовую поверхность защитное покрытие.

Чаще всего в отрасли металлизации используют технологию нанесения гальванических покрытий, применяют методы погружения деталей в расплав, задействуют в процессах обработки вакуумную среду, пользуются магнетронным оборудованием.

Иногда используют детонационно-газовое напыление, которое разгоняет частицы до невероятных скоростей. Широко применяют плазмотроны, электродуговую металлизацию, газопламенную обработку, ионное напыление. Задачи промышленности диктуют свои условия, и перед инженерами возникла необходимость создать недорогое, простое в обращении оборудование, для которого можно использовать свойства нагретого сжатого воздуха.

Появилось понятие порошковой металлизации с добавлением в металлический порошок мелкодисперсионной керамики либо частиц твердого металла. Используется для работы с алюминием, никелем, медью.

Результат экспериментов превзошел ожидания, позволив решить следующие задачи:

• Нагревание сжатого воздуха в камере приводит к повышению давления, что вызывает увеличение скорости вытекания наплава из сопла в установках.
• При наборе металлическими частицами в газовой среде высокой скорости они ударяются о подложку, размягчаются и прикипают к ней. А керамические частицы уплотняют образовавшийся слой.
• Использование порошковой технологии подходит для металлизации пластичных металлов – медь, алюминий, никель, цинк. После напыления изделия можно поддавать механической обработке.

Благодаря успешной работе инженеров удалось создать переносной аппарат, позволяющий выполнять металлизацию покрытий на всех промышленных предприятиях и в домашних условиях. Требования для успешной работы оборудования – наличие компрессорной установки (или воздушной сети) с давлением сжатого воздуха в пять-шесть атмосфер и электропитание.

В таблице ниже приведены данные для хромирования алюминия в домашних условиях. Перед нанесением гальванического покрытия требуется «положить» на деталь промежуточный металлический слой, а потом выполнять напыление алюминия.

Таблица 1. Хромирование алюминия

Использование передового оборудования для металлизации изделий позволяет решить технические вопросы, связанные с повышением антикоррозийных, прочностных, эксплуатационных характеристик, а также приданием машинам, деталям и механизмам требуемых свойств для работы в сложных эксплуатационных условиях.

Лазерная сварка (2 видео)

Процесс напыления и рабочие установки (24 фото)

Рекомендуем прочитать:

Возможности

Плазменным напылением наносятся износостойкие, антифрикционные, жаростойкие, коррозионностойкие и другие 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 слоёв, получая покрытия со специальными характеристиками;
• практически избежать деформации основы, на которую производится напыление;
• обеспечить высокую производительность нанесения покрытия при относительно небольшой трудоёмкости;
• улучшить качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными, высокой плотности и с хорошим сцеплением с поверхностью детали.

Впервые твердосплавные пластины с покрытием из карбидов титана (TiC) появились на мировом рынке в 1969 г. К настоящему времени более 50% всех твердосплавных пластин, выпускаемых западными фирмами, имеют покрытия на основе таких соединений, как карбид титана TiC, нитрид титана TiN, оксид алюминия Al2O3 и др. В отечественной промышленности широкое применение нашли установки плазменного напыления типа «Булат», «УВМ», «Пуск», позволяющие наносить на инструмент одно- и многослойные покрытия.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Деформация растяжения-сжатия — характери... Дорнование — преимущества, виды, приемы... Чертежи ножей с размерами для изготовлен... Измерение твердости по Роквеллу HRC — ме...