Плазменное напыление покрытий является одним из видов газотермического напыления покрытия (ГОСТ 28076—89), применяемого в технологии упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей машин, механизмов, аппаратов, приборов и др.

Плазменное напыление относят к области сварки и резки. Для плазменного напыления применяют преимущественно порошковые материалы, а также проволоку, стержни, прутки.

Техническая плазма — ионизированный газ, в котором объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов, образующих плазму заряженных частиц, практически одинаковы (условие квазинейтральности) и доля этих частиц сравнительно велика. При этом дебаевский радиус экранирования D намного меньше характерного линейного размера L :

, (1)

где е — заряд частицы; n_i — содержание i-го сорта частиц; k — постоянная Больцмана; Т — температура i-го сорта частиц.

Способ плазменного напыления покрытий на детали изделий в промышленном масштабе начали применять с 50-х годов XX века. Первые отечественные разработки плазменных установок были выполнены в институте металлургии им. А. А. Байкова под руководством акад.

Н. И. Рыкалина и д-ра техн. наук И. Д. Кулагина. Во ВНИИавтогенмаше совместно с ИМЕТ к 1961 г. было разработано отечественное оборудование для плазменного напыления покрытий.

Рис. 1. Обобщенная схема процесса плазменного напыления покрытий (j — угол расхождения струи): 1 — сопло-анод; 2 — ядро плазменной струи; 3 — основной участок плазменной струи; 4 — напыляемое покрытие.

Техническая плазма образуется при электрических разрядах в газах, которые нагревают до высокой температуры, обеспечивающей протекание интенсивной термической ионизации. Плазма представляет собой совокупность нейтральных частиц, положительных ионов, электронного газа, квантов света, которые сложным образом взаимодействуют между собой и внешней средой.

В зависимости от степени ионизации n-отношения концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц — различают слабоионизированную (n — доли процента) плазму; умеренно ионизированную (несколько процентов) и полностью ионизированную (около 100%).

Техническая плазма активно реагирует на внешние электрические и магнитные поля, что обусловлено ее очень высокой электропроводимостью.

Плазма считается "четвертым" особым состоянием вещества после твердого, жидкого, газообразного. При равенстве ионных и электронных температур плазма называется изотермической. Плазму принято называть "холодной", если ее температура порядка 10⁵К (низкотемпературная плазма) и "горячей", если ее температура около 10⁶—10⁷К (высокотемпературная плазма).

Для напыления покрытий используется холодная плазма.

Для реализации технологии упрочнения и восстановления рабочей поверхности деталей плазменным напылением в условиях промышленного производства необходим участок, оснащенный специальным комплексом технологического оборудования.

Производственный участок плазменного напыления покрытий.

Плазменное напыление покрытий на рабочую поверхность деталей изделий при их упрочнении и восстановлении производится оператором преимущественно вручную, особенно при сложной геометрии напыляемой поверхности и высоких требованиях к качеству покрытий.

Для получения гарантированного высококачественного плазменного покрытия на деталях важно, чтобы производственный участок был соответствующим образом оснащен и оборудован.

Основные технико-экономические, санитарно-гигиенические, экологически-эстетические требования, предъявляемые к производственному участку плазменных покрытий:

• участок должен быть расположен на первом этаже вблизи наружных стен производственного здания с обязательным размещением в отдельном помещении или на изолированнойплощади цеха, при этом свободная площадь, нe занятая оборудованием, должна сoставлять нa одного работающего нe менее 10 м²;
• полы участка должны быть несгораемыми, изготовлены из электроизоляционного материала и обладать малой теплопроводностью;
• на участке должен быть размещен комплекс технологического оборудования в соответствиис монтажной схемой энерго-, водо- и газокоммуникаций, в том числе плазменная установка, камера плазменного напыления, камера сухой струйно-абразивной обработки поверхности деталей, автономная система водоохлаждения, система газообеспечения с баллонами газа, камера обезжиривания деталей с локальной вытяжной вентиляцией вредных испарений, система сжатого воздуха, электропечь, сушильный шкаф, вибросито для просева порошков и др.;
• все металлические конструкции на участке должны быть заземлены по контуру заземления медным многожильным проводом сечением не менее 6 мм²;
• наличие механической приточно-вытяжной общеобменной вентиляции, монтаж которой выполнен в соответствии с требованиями действующих "Санитарных норм", при этом приточные установки дoжны быть совмещены c воздушным отоплением при подаче воздуха компaктными струями в верхнюю чaсть помещения или рассеянными cтруями в рабочую зону оператора, а удаление загрязненного воздуха производится из верхней зоны с обязательным очищением;
• камера плазменного напыления должна быть оборудована автономной мощной вытяжной вентиляцией, предусматривающей сбор порошка в системе типа "Циклон", при этом эффективность вытяжки должна быть нe менее 90 % и скорость движeния отсасываемого воздухa в зонe выделения вредных веществ нe менее 1,5 м/с;
• наличие подвода сетевой магистральной питьевой воды с избыточным давлением в системе не менее 0,4 МПа и расходом воды не менее 48 л/мин;
• наличие подвода сетевого сжатого воздуха с избыточным давлением в системе 0,6 МПа;
• наличие подвода сетевой электроэнергии мощностью не менее 120 кВ•А трехфазного тока с промышленной частотой 50 Гц;
• освещение рабочего места оператора должно быть нe менее 1000 лк, при системе общего освещения нe менее 300 лк;
• интерьeр участка, eго стены, потолок и внутренниe конструкции отдельных помещений дoлжны иметь звукопоглощающую облицовку, окрашeны в серый, желтый, голубой тонa, поглощающие ультрафиолетовые лучи, обеспечивающиe рассеянное отражение света c учетoм наименьшего коэффициента отражения;
• участок должен быть оборудован противопожарным постом со штатным инвентарем и средствами тушения пожара;
• недопустимо наличие на участке огнеопасных и легковоспламеняющихся средств и жидких и твердых материалов, хранящихся в открытом виде с нарушением установленных правил противопожарной безопасности;
• баллоны с газами (азотом, аргоном и др.) необходимо устанавливать на расстоянии не ближе 5 м от рабочего места оператора в вертикальном положении с обязательным закреплением, отбор газов производить только через редуктор соответствующего назначения;
• баллоны с водородом устанавливать только с наружной стороны здания в специальной клети, исключая доступ посторонним лицам;
• на участке категорически недопустимо накопление пыли любого происхождения, регулярно производить влажную уборку, соблюдая меры безопасности.

Параметры плазменной струи

Плазменная струя является по существу рабочим инструментом, формирующим покрытие на поверхности детали изделия. Она характеризуется рядом теплофизических и других параметров, к основным из которых относятся:

• скорость (среднемассовая) истечения плазменной струи на срезе сопла плазмотрона, регулируемая расходом плазмообразующего газа и определяемая из уравнения неразрывности течения и уравнения состояния газа,

, (2)

где v_п.г — скорость истечения из сопла плазмотрона холодного плазмообразующего газа; t_п.г, t_п.с —температура холодного плазмообразующего газа и плазменной струи соответственно.

Для электродуговых плазмотронов vп.с = 1000÷1500 м/с;

• энтальпия (среднемассовая) плазменной струи на срезе сопла плазмотрона

, (3)

где W_р — мощность, подводимая к плазмотрону; η_т.р — тепловой кпд плазмотрона; G_п.г — расход плазмообразующего газа; K — доля газа, участвующего в плазмообразовании;

• количество теплоты, получаемой напыляемой частицей за время ее полета в плазменной струе,

, (4)

где α — коэффициент теплоотдачи;

• среднемассовый состав газа по оси плазменной струи на срезе сопла — превалирует плазмообразующий газ;
• длина высокотемпературного участка плазменной струи (условная длина плазменной струи);
• угол расхождения плазменной струи.

Камера сухой струйно-абразивной обработки поверхности деталей.

Предварительная очистка поверхности деталей от хемосорбционных загрязнений предшествует специальной обработке этой поверхности под плазменное напыление покрытия — созданию регламентированной шероховатости и одновременно активации поверхностного слоя напыляемой поверхности путем насыщения ее различными дислокациями и разрушения межмолекулярных/межатомных связей.

Для этой операции применяют сухую струйно-абразивную обдувку поверхности под напыление. Обдувку производят воздушно-абразивной смесью в специальных камерах с применением пистолета эжекционного типа (рис. 2). Процесс ведут как вручную, так и с использованием механизации. В качестве абразивного агента применяют электрокорунд, карбид кремния, дробь чугунную или стальную колотую и др. Сжатый воздух обязательно должен быть сухой и очищен от примесей.

Рисунок 2. Камера для сухой струйно-абразивной обработки поверхности деталей (а) и эжекционный воздушный пистолет для ручной обдувки абразивной крошкой (б).

К основным параметрам ССАОПД относятся:

• размер зерен абразивного агента 0,3—1,5 мм;
• давление сжатого воздуха 0,4—0,7 МПа;
• дистанция обдува 0,08—0,15 м;
• угол атаки струйно-абразивной струи с обрабатываемой поверхностью 60—90°;
• расход абразивного агента 300—500 кг/ч;
• время обдува в пятне 25—30 с;
• время выдержки детали после обработки до напыления 2—5 ч.

На рис. 2 приведена схема конструкции камеры для ССАОПД и эжекционный воздушный пистолет для ручной обдувки абразивной крошкой.

Струйно-абразивная обработка поверхности детали вносит существенные изменения в поверхностный слой: происходит его насыщение структурными дефектами.

При высоких кинетических энергиях некоторые абразивные частицы в момент удара о поверхность, имея высокие скорости, могут деформироваться и расплавляться, растекаясь по поверхности со скоростью

, (11)

где с — скорость звука в материале абразивной частицы; v_ч — скорость абразивной частицы в момент удара о поверхность.

Напряжение на обрабатываемой поверхности детали, вызванное растеканием абразивных частиц, оценивается как напряжение в пограничном слое жидкого потока:

, (12)

где μ — коэффициент динамической вязкости расплавленного материала абразивной частицы; v_л — скорость растекания ламинарного слоя; δ_л — толщина ламинарного слоя.

При струйно-абразивной обработке увеличивается поверхность взаимодействия материала плазменного покрытия с основой, что положительно отражается на адгезионной связи покрытия с основой.

Камера для плазменного напыления покрытий.

В производственных условиях упрочнение и восстановление рабочей поверхности деталей изделий методом плазменного напыления производят на участке обычно в атмосфере воздуха (р_а ≈ 0,1 МПа) в специальной камере, изготовленной и оборудованной в соответствии с техническим заданием предприятия.

Основные технические характеристики и параметры камеры плазменного напыления покрытия:

• рабочий объем внутренней полости и ее форма определяются в зависимости от геометрических особенностей номенклатуры напыляемых деталей;
• мощность и производительность локальной вытяжной вентиляции;
• механизмы и устройства для закрепления, вращения, перемещения детали при плазменном напылении;
• устройство для закрепления плазмотрона;
• габаритные размеры;
• масса.

Параметры режима плазменного напыления покрытий.

Формирование плазменного покрытия на рабочей поверхности деталей обусловлено влиянием многих параметров процесса напыления, к основным из которых относятся дистанция напыления, ток, напряжение дуги, расход порошкового материала, плазмообразующего и транспортирующего газов, скорость перемещения пятна напыления по поверхности детали и др. Параметры режима регулируются непосредственно оператором.

Техника безопасности и экология в технологии нанесения плазменного покрытия.

При выполнении работ по напылению плазменного покрытия для упрочнения и восстановления рабочей поверхности деталей изделий оператор должен быть защищен от вредных и опасных воздействий (см. Опасные и вредные производственные факторы), к которым в первую очередь следует отнести:

• шум, в том числе его высокочастотную составляющую, ультразвук;
• аэроионизацию;
• электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное);
• химические факторы (озон, оксиды азота);
• твердую фазу аэрозоля (металлы, их оксиды, карбиды, бориды, силициды);
• психофизическое напряжение (физическое, эмоциональное);
• электрический ток и др.

От вредного и опасного воздействия оператор и обслуживающий персонал (при плазменном напылении необходимо присутствие не менее двух операторов) должны быть защищены как индивидуальными средствами, так и комплексом соответствующих мероприятий.

Осмотр, ремонт, чистка, наладка оборудования, расположенного на участке плазменного напыления, производят только после полного отключения электропитания. Периодически следует проверять надежность работы блокировочных систем. Запуск плазменной установки в режиме "Работа" производить только после проверки в режиме "Настройка".

Систематически необходимо проверять состояние всех коммуникаций (электропроводов, шлангов водо- и газообеспечения и пр.). Недопустимо механическое повреждение электрокоммуникаций и действие высоких температур.

Комплекс всех мероприятий по обеспечению безопасности работ на участке плазменного напыления должен быть отражен в специальных технологических инструкциях, разработанных соответствующей службой предприятия.

Подведем итоги:

1. Плазменное напыление широко применяется для упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей изделий. К существенным технико-экономическим достоинствам технологии относятся:

• высокая производительность процесса;
• получение высококачественного покрытия, особенно в условиях общей защиты;
• наличие большого количества технологических факторов, варьирование которых обеспечивает гибкое регулирование процесса напыления;
• высокий коэффициент использования порошкового материала;
• широкая доступность метода как в основном, так и ремонтном производстве;
• экономичность;
• невысокая стоимость простейшего оборудования;
• возможность комплексной механизации и автоматизации процесса;
• продление ресурса дорогостоящих деталей (коленчатых валов, подшипников скольжения, поршневых колей и др.);
• уникальная возможность получения рабочих поверхностей деталей с заданными эксплуатационными свойствами;
• универсальность применения порошковых материалов, в том числе с высокой температурой плавления.

2. Метод плазменного напыления покрытий имеет также ряд недостатков, которые по существу являются резервом в совершенствовании технологии, а именно:

• низкий коэффициент использования электроэнергии, по порошкам 0,001—0,020;
• наличие несплошности (пористости) покрытия (2—15 %), в ряде случаев пористость способствует удержанию смазочного материала в покрытии, что эффективно сказывается на работе деталей в условиях сопряженного трения;
• невысокую прочность сцепления покрытия с основой и в самом покрытии — 80—100 МПа;
• высокий уровень шума — 60—120 дБ (cм. Средства защиты от шума);
• необходимость использования средств индивидуальной защиты от вредных и опасных воздействий в процессе напыления.

3. Широкое применение плазменного напыления покрытий, особенно для упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей изделий широкой номенклатуры, обусловливает необходимость повышения уровня применяемого оборудования и материалов, в том числе:

• повышение надежности и ресурса электродуговых плазмотронов, порошковых дозаторов, камер для напыления и абразивной обработки;
• повышение надежности и эффективности систем водо- и газоснабжения плазменных установок;
• совершенствование технологии плазменного напыления покрытий при расширении номенклатуры напыляемых деталей;
• увеличение номенклатуры применяемых порошковых материалов с целью расширения эксплуатационных свойств плазменного покрытия;
• повышение уровня мероприятий по защите обслуживающего персонала от вредных и опасных воздействий, возникающих в процессе плазменного напыления и др.

Еще страницы по теме Плазменное напыление:

• Ионно-плазменное нанесение покрытий
• Плазменно-дуговое напыление
• Детонационное напыление
• Газопламенное напыление
• Физические основы методов нанесения покрытий
• Контроль качества напыленных покрытий
• Методы нанесения покрытий

Copyright. При любом цитировании материалов Cайта, включая сообщения из форумов, прямая активная ссылка на портал weldzone.info обязательна.

Скачать бесплатно