Плазменное напыление металла своими руками

Плазменно-дуговое напыление

Плазменное напыление по сравнению с газопламенным напылением и электродуговой металлизацией имеет ряд преимуществ:

• позволяет наносить покрытия из материалов широкого состава (металлы, сплавы, оксиды, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные композиции) на разнообразный материал основы (металлы, керамика, графит, пластмассы и др.);
• плазмотроны позволяют в широких пределах регулировать энергетические характеристики плазмы, что облегчает получение покрытий со свойствами, обусловленными требованиями технологии;
• использование в плазменных горелках инертных газов и смесей, не содержащих кислорода, способствует уменьшению окисления напыляемого материала и поверхности детали;
• покрытия, полученные плазменным напылением, по физикомеханическим свойствам превосходят покрытия, полученные газопламенным и дуговым способами напыления.

Плазменно-дуговое напыление по виду используемого присадочного материала подразделяется на: напыление порошком и напыление проволокой (рис. 3.12).

Технологический процесс

Порошковые распылители в зависимости от свойств и размеров частиц могут осуществлять подачу присадочного материала (рис. 3.13):

• непосредственно в плазменную струю на выходе из плазмотрона;
• под углом к соплу плазмотрона, навстречу потоку ионизированного газа;
• внутрь сопла плазмотрона в заанодную зону или в доанодную зону плазменной дуги.

Подача порошка в плазменную струю используется в плазмотронах большой мощности. Такая схема подачи не влияет на формирование потока плазмы, а плазмотроны характеризуются завышенной мощностью, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Подача порошка в доанодную зону наиболее выгодна с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами, что приводит к необходимости выдвижения повышенных требований к равномерности подачи порошка.

Эффективность нагрева частиц порошка можно повысить при одних и тех же параметрах режимов путем более равномерного его распределения по сечению горячей зоны плазменной струи.

При этом КПД нагрева порошка изменяется от 2 до 30 %.

Рис. 3.12. Схема плазменного напыления:
а — порошком; б — проволокой. 1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 -корпус анода; 6 — порошковый питатель (рис. а) или механизм подачи проволоки (рис. б); 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная струя; 9 — источник питания.

Рис. 3.13. Схемы подачи порошка в плазмотрон:
1 — в плазменную струю; 2 — под углом к плазменной струе; 3 — в сопло.

Применение

Для напыления износостойких покрытий применяют порошки с грануляцией, не превышающей 200 мкм. При этом дисперсность частиц порошка должна находиться в узких пределах с разницей размеров не более 50 мкм.

При значительной разнице размеров частиц невозможно обеспечить их равномерный нагрев.

Это объясняется тем, что, несмотря на высокую температуру плазменной струи, крупный порошок не успевает расплавиться за короткое время его нахождения в плазменной струе (10-4-10-2 с), мелкий частично испаряется, а основная его масса из-за низкой кинетической энергии оттесняется плазменной струей в сторону, не достигнув ее центральной зоны. При восстановлении деталей напылением порошковыми износостойкими сплавами на никелевой и железной основе наиболее рациональнои является грануляция порошка с размерами частиц 40-100 мкм.

При напылении, как правило, применяют частицы порошка сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Оптимальным режимом работы плазмотрона следует считать такой, при котором наибольшее число частиц достигает подложки (основы) детали в расплавленном состоянии.

Поэтому для высокоэффективного нагрева и транспортирования частиц порошка необходимо, чтобы конструкция плазмотрона обеспечивала получение плазменной струи достаточной мощности.

В настоящее время разработаны установки мощностью до 160-200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в воде.

Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. Плазменная струя вытекает из плазмотрона со скоростью 1000-2000 м/с и сообщает частицам порошка скорость 50-200 м/с.

Увеличение ресурса соплового аппарата (катод-анод) плазменного распылителя повышенной мощности (50-80 кВт) тормозилось из-за низкой эрозионной стойкости медного сопла в зоне анодного пятна.

С целью увеличения стойкости сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой.

Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А.

Эффективность нагрева частиц и скорость их полета зависят от применяемого вида газа: двухатомные газы (азот, водород), а также воздух и их смеси с аргоном повышают указанные параметры.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением включает следующие операции: подготовка порошка, поверхности детали, напыление и механическая обработка напыленных покрытий.

Подготовке поверхности детали к напылению придается первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления частиц порошка с поверхностью детали. Восстанавливаемую поверхность перед обработкой следует обезжирить. Участки, прилегающие к поверхности, подлежащей напылению, защищают специальным экраном.

Напылять покрытия следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2 ч ее активность уменьшается из-за увеличения на обработанной поверхности оксидной пленки.

Для повышения прочности сцепления покрытия с основой процесс плазменного напыления проводят с последующим оплавлением. Операция оплавления завершает процесс нанесения покрытия.

Оплавление осуществляют тем же плазмотроном, что и напыление, при той же мощности сжатой дуги, с приближением сопла плазмотрона к детали на расстояние 50-70 мм. Сопротивление усталости после оплавления повышается на 20-25 %.

Прочность сцепления после оплавления достигает 400 МПа. Зона перемешивания оплавленного и основного металлов составляет 0,01-0,05 мм.

Рис. 3.14. Схемы плазменных распылителей:
а — пруткового; б — проволочного («проволока-анод»).

Недостатки

Существенным недостатком плазменного нагрева при оплавлении является то, что плазменная струя, обладая высокой температурой и значительной концентрацией энергии, весьма быстро нагревает поверхность покрытия при недостаточном прогреве поверхности детали и тем самым часто приводит к свертыванию оплавляемого покрытия. Кроме того, в результате высокой скорости истечения плазменной струи и значительного давления на напыляемую поверхность также может произойти нарушение слоя покрытия. Плазменное напыление с последующим оплавлением рекомендуется применять для малогабаритных деталей диаметром, не превышающим 50 мм.

При использовании в качестве присадочного материала проволоки возможно применение двух схем подключения плазмотрона: при токоведущем сопле (рис. 3.14, а) или при токоведущей проволоке (рис. 3.14, б).

Схема проволочного распыления с токоведущей проволокой — анодом была разработана В. В. Кудиновым в конце 50-х годов прошлого столетия. Тогда удалось получить невиданную производительность — 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт.

Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А.

С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15-20 А при мощности до 2 кВт.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи: by HyperComments

Напыление металлов — все способы и необходимое оборудование

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

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.

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.

Технология напыления металлов: основные способы металлизации изделий

Производство металлических изделий модернизируется по мере развития передовых технологий.

Металл в большей степени подвержен воздействию влаги, поэтому для обеспечения высокого срока эксплуатации и придания деталям, рабочим механизмам и поверхностям требуемых свойств, в современной промышленности широко используют напыление металлов.

Технология порошковой обработки заключается в нанесении на базовую металлическую основу защитного слоя, обеспечивающего высокие антикоррозийные характеристики напыляемых изделий.

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.

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. 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.

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.

Рекомендуем прочитать:

Плазменное напыление металла своими руками

Работу по раскрою металлических листов выполнить не так-то просто без специального оборудования.

Поэтому все домашние мастера, который сталкиваются с подобной задачей, должны позаботиться о наличии в своем арсенале такого инструмента, как аппарат ручной плазменной резки.

Это оборудование отличается компактными размерами и позволяет в домашних условиях легко разрезать железные листы на фрагменты подходящего размера.

Этот инструмент обладает множеством достоинств, главным из которых является то, что во время разделения заготовок на отрезки владельцу не придется впоследствии заниматься обработкой краев деталей.

Чтобы упростить работу с этим оборудованием, нелишним будет каждому домашнему умельцу получить представление о существующих разновидностях этих аппаратов, их конструкции, принципе работы и правилах выбора.

Оборудование для плазменной резки металла

Все многообразие подобных инструментов можно классифицировать на две основные группы:

• производственного;
• домашнего назначения.

Особенностью аппаратов, представляющих первую группу, являются большие размеры и значительный вес. В их конструкции предусмотрено ЧПУ (числовое программное управление). Это приспособление упрощает изготовление деталей различных форм.

Работа с таким оборудованием заключается в разработке макета с использованием специального программного обеспечения. Именно на него впоследствии придется ориентироваться во время выполнения работы.

После этого созданный в требуемом формате файл поступает на машину, а там уже выполняется его отрезание.

Более простое устройство имеют аппараты, предназначенные для плазменной резки в домашних условиях. По своему исполнению они имеют вид компактного блока, который работает от электроэнергии и дополнен такими компонентами, как шланг и наконечник, обеспечивающие электрическую дугу. Именно благодаря ей и выполняется резка.

Также дуга позволяет разделять железные листы и обеспечивать высокое качество краев.

Учитывая, что для разрезания заготовки используется необычный инструмент в виде ножовки или диска, владельцу не придется тратить время и силы на дополнительную шлифовку деталей.

Оборудование для домашнего использования привлекательно тем, что его можно перевозить в любое место, а также хранить и использовать на протяжении длительного времени.

Предлагаемые на рынке модели устройств для плазменной резки рассчитаны на работу с различными видами материалов, что определяется типа газа, который имеется в механизме.

При помощи воздушно-плазменного типа установок можно заниматься резкой заготовок из черных металлов и их сплавов.

Если возникла задача по разделению деталей из цветных металлов и их комбинаций, желательно применять оборудование, где используются неактивные элементы наподобие водорода, азота или аргона. Однако к подобному варианту газовой резки в бытовых условиях прибегают нечасто.

Отличие аппаратов прямого и косвенного действия

Сегодня можно найти различные варианты ручных аппаратов, в которых реализован различный принцип функционирования. Работа установок прямого действия основывается на использовании электрической дуги.

Последняя выглядит как цилиндр, и к ней непосредственно подведена струя газа. Благодаря подобной конструкции дуга нагревается до высоких температур порядка 20 000 градусов.

И в то же время она способна эффективно охлаждать прочие элементы устройства.

Если говорить об установках косвенного действия, то их особенностью является меньший КПД. Именно этим и обусловлено то, что к ним прибегают не так часто.

Говоря про их устройство, следует отметить, что основная цель здесь заключается в размещении активных точек цепи на трубе либо специальном вольфрамовом электроде.

Оборудование косвенного действия получило распространение для напыления, нагрева металлических устройств, причем в качестве режущего оборудования их не используют.

При этом подобным установкам присуща одна общая особенность: они способны работать только при наличии воздушных фильтров и охладителей. Польза от первых заключается в увеличении срока службы катода и анода, ускорении запуска механизма, который эксплуатируется довольно долго.

Что же касается второго элемента, то он необходим для увеличения эксплуатационного ресурса аппарата, работающего в непрерывном режиме. Оптимально, когда в течение часа беспрерывной резки этим аппаратом выделяют на отдых порядка 20 минут. Эти характеристики являются очень важными и должны учитываться вне зависимости от типа исполнения выбираемого устройства.

Конструкция ручного плазмореза

Возможность выполнять свою функцию подобному аппарату обеспечивает подача сильно нагретого воздуха на металлический лист. В условиях температуры, достигающей нескольких десятков тысяч градусов, при которой происходит нагрев кислорода, последний под большим давлением поступает на поверхность, что приводит к ее резке.

Более быстрое выполнение этой операции обеспечивается с учетом ионизации электрическим током. Продлить срок службы подобного оборудования можно при условии, что в его оснащении будут присутствовать следующие элементы:

• Плазмотрон. Имеет вид резака, в обязанности которого входит выполнение основных задач;
• Плазморез. Это устройство может быть выполнено в варианте прямого или косвенного воздействия;
• Сопло. Это приспособление превосходит по функциональности все прочие элементы оборудования. Оно дает понять, для выполнения резки какой сложности предназначена конкретная модель;
• Электроды. Ими оснащаются отдельные виды устройств;
• Компрессор. С его помощью создается мощный воздушный поток.

Как сделать плазморез из инвертора — инструкция

При желании подобное оборудование в состояние изготовить своими руками любой владелец. Однако, чтобы самодельный плазморез смог эффективно выполнять свою работу, необходимо соблюсти все правила.

В подобном деле инвертор будет практически незаменим, так как при помощи этого устройства будет обеспечена надежная подача тока. За счет него в работе плазмореза не будет возникать перебоев, а также удастся уменьшить расход электроэнергии.

Однако при этом у него имеются и недостатки: он рассчитан на резку материала меньшей толщины, нежели при использовании трансформатора.

Выбор элементов

Если вы решили самостоятельно изготовить плазморез, то вам следует подготовить необходимые материалы и оборудование:

• Инвертор или трансформатор, обладающий требуемой мощности. Чтобы не ошибиться во время покупки этого устройства, необходимо в магазине рассказать продавцу о том, для резки материала какой толщины вы планируете применять его. На основании этого и будет сделан выбор подходящего механизма. Учитывая, что резка будет выполняться вручную, желательно приобрести именно инвертор, что связано не только с его легковесностью, но и способностью уменьшить расходы электроэнергии.
• Плазменный резак или плазмотрон точка. При его выборе необходимо опираться на те же критерии, что и в случае с инвертором. Важным моментом здесь является то, что оборудование прямого воздействия рассчитано на работу с токопроводящими материалами, а плазморез косвенного воздействия больше подойдет для работы с изделиями, не способными проводить электричество.
• Компрессор для прогонки воздуха. Здесь следует уделить внимание его мощности, по которой он должен соотноситься с прочими подбираемыми компонентами.
• Кабель-шланговый пакет. Его задача будет заключаться в соединении всех вышеописанных элементов.

Сборка

Еще до начала сборки самодельного плазмореза не помешает выяснить, совместимы ли компоненты, приобретенные вами между собой. Если вам ранее не приходилось изготавливать своими руками аппарат плазменной резки, то желательно обратиться за помощью к более опытным мастерам.

Проведя анализ мощности каждого необходимого элемента, они дадут вам свою рекомендацию. Обязательно стоит позаботиться о наличии защитного комплекта одежды. Его вам придется использовать, когда настанет время проверить работоспособность самодельного плазмореза. Если говорить о процедуре сборки оборудования для плазменной резки, то она включает в себя следующие этапы:

• На первом этапе необходимо подготовить все необходимые элементы для сборки и защитную одежду.
• Далее, следует решить вопрос с источником бесперебойного питания.
• Затем необходимо взять инвертор или же трансформатор, а также кабель подходящей толщины и электроды. Особое внимание уделите последнему элементу, который должен быть выполнен из бериллия, циркония, тория или гафния. Подобные материалы считаются наилучшим выбором для воздушно-плазменной резки. Гафний также может рассматриваться в качестве альтернативы, поскольку в этом случае сварщику или мастеру, который будет выполнять работу по разделению листов, будет обеспечена более высокая безопасность. Перечисленные элементы необходимо по порядку соединить между собой, в результате должна получиться электрическая дуга.
• Далее, к компрессору подключают шланг. Именно через него будет поступать воздух в аппарат плазменной резки. Второй край необходимо подсоединить к плазмотрону.
• Возьмите небольшой кусок алюминия и проверьте в работе аппарат, который вы изготовили. Особое внимание уделите безопасности соединений.

Плазменное напыление металла

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.

Плазменное напыление металла

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.

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.

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.

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

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Общие сведения о технологиях металлизации

Среди современных методов металлизации поверхностей чаще применяют гальваническое нанесение, а также погружение в расплавы.

Традиционная технология также предусматривает вакуумную обработку напылением, которая имеет свои классификации в зависимости от используемых активных сред.

Так или иначе, любое напыление металлов предусматривает обработку основы материала с целью получения тех или иных защитных качеств. Это может быть формирование антикоррозийного слоя, восстановление утраченной структуры или же ремонт эксплуатационного износа.

Таким образом подготавливается основа с оптимальными физико-химическими качествами, на которой в дальнейшем производится напыление металлов в виде порошка.

Важно отметить, что в качестве основного материала может выступать тот же металл, стекло, пластики или некоторые породы древесины и камни.

Метод химического хромирования

В качестве активного компонента для реализации такого напыления используют химические реагенты. Классический состав включает хлористый хром, натрий, уксусную кислоту, а также воду с раствором едкого натра. Процесс напыления выполняется при температуре порядка 80 °С. Начинается работа с подготовки материала.

Обычно хромирование используют для обработки металлических поверхностей, в частности стали. Перед самой операцией материал подвергается первичному покрытию медным слоем. Далее производится химическое хромирование посредством пескоструйного аппарата, подключенного к компрессорной установке.

После завершения процедуры изделие моется в чистой воде и просушивается.

Если в предыдущей технологии предусматривается тщательная подготовка основы, которая должна подвергаться покрытию, то в данном случае особое внимание уделяется частицам металлизации.

Современное газопламенное напыление может выполняться с помощью полимерного порошка, проволочного или шнурового материала.

Данная масса направляется в пламя кислородно-пропановой или ацетиленокислородной горелки, в которой происходит расплавление и перенос на напыляемую основу сжатым воздухом. Далее состав остывает, формируя готовое к применению покрытие.

При помощи данной методики можно наделять материалы антикоррозийной стойкостью и механической прочностью. Активным материалом можно обрабатывать алюминиевые, никелевые, цинковые, железные и медные сплавы.

Кроме этого, технология используется в интерьерном и архитектурном дизайне для обеспечения конструкций декоративными свойствами.

Метод вакуумного напыления

В этом случае речь идет о группе методов, которые предполагают формирование тонких пленок в вакууме при воздействии прямой конденсации пара. Технология реализуется разными путями, в том числе за счет термического воздействия, испарения электронными и лазерными лучами.

Используется вакуумное напыление для повышения технических качеств деталей, оборудования и инструментов.

К примеру, такая обработка позволяет формировать специальные «рабочие» покрытия, которые могут повышать электропроводность, изолирующие свойства, износостойкость и защиту от коррозии.

Технология применяется и для создания декоративных покрытий. В данном случае техника может задействоваться в операциях, требующих высокой точности. Например, вакуумное напыление используют в изготовлении часов с позолоченным покрытием, для придания эстетичного вида оправам для очков и т. д.

Применяемое оборудование

Чаще всего для напыления используются аппараты, снабженные сверхзвуковым соплом. Также применяется небольшой по размерам электрический нагреватель, работающий на подачу сжатого воздуха. Особенностью последней модели является возможность доведения температуры до 600 °С.

До недавнего времени применение стандартных устройств, напоминающих по принципу действия пневматические пистолеты, осложнялось тем, что частицы изнашивали насадки инструмента. Современное оборудование, благодаря которому осуществляется напыление металлов, использует принцип пульверизатора.

Это значит, что в момент прохождения рабочей газовой среды по каналу подачи струи скорость потока увеличивается по мере сужения трубы. Вместе с этим падает и статическое давление. Такой принцип работы сокращает износы и увеличивает рабочий срок аппаратов.

Заключение

В целях удешевления технологических операций по защите металла от внешних воздействий часто используются узкоспециализированные, но менее эффективные средства. При этом сэкономить помогает и напыление металла, цена которого составляет в среднем 8-10 тыс. руб. за деталь.

Финансовая целесообразность обусловлена тем, что такие покрытия могут обеспечивать сразу несколько функциональных качеств. Например, обработав металлический компонент кровельной конструкции, вы можете получить такие свойства, как антикоррозийность, стойкость перед воздействием осадков, механическая защищенность.

Существуют и особые металлизированные покрытия, способные уберечь деталь от агрессивных химических и термических воздействий.