Что такое напыление металла
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:
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:
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:
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:
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:
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
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:
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:
Переход на осевое введение порошка позволяет полностью избавиться от вышеперечисленных проблем:
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:
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
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:
Установка вакуумного напыления
Технологические определенияВакуумное напыление – сложный технологический процесс, зависящий от нескольких параметров:
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:
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)
Напыление металлов
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.
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
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:
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.
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
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
Установка вакуумного напыления
Технологические определения Вакуумное напыление – сложный технологический процесс, зависящий от нескольких параметров:
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.
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.
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.
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.