Напылитель металла своими руками

Установка ионно-плазменного (магнетронного) напыления. Часть 1

Здравствуйте беспокойные умы. Сегодня речь пойдет об установке магнетронного напыления, полностью спроектированной и изготовленной своими руками.

Для начала я вкратце постараюсь ответить, для чего нужны подобные установки и что же такое, ионно-плазменное распыление.

Мишень — это тот материал, который распыляется.
Подложка — это, то на что происходит напыление.

Установки такого рода позволяют формировать на подложках тончайшие слои токопроводящих материалов (в основном металлов). В качестве подложек может использоваться как токопроводящий, так и диэлектрический материал. А для того чтобы сформировался нанослой, например какого либо металла на подложке, требуется сначала хорошенько атаковать металл плазма-образующими ионами, для этого используют зажжение плазмы тлеющего разряда при пониженном давлении и магнетрон в качестве ловушки для электронов.

Давайте рассмотрим простейшую схему магнетрона и его работу, и вы поймете, почему он является ловушкой (постараюсь без особой научности, но думаю, что многие будут против, так как некоторые моменты без этого не объяснить, но я постараюсь).

Классический тлеющий разряд загорается при постоянном токе, и ток течет от анода к катоду. Катодом является плоская мишень, под которой находится кольцевой магнит. Электроны летящие от катода, ионизируют газ в объеме, ионы которого попадают в мишень, из нее выбивают атомы которые вновь сталкиваются с электронами, тем самым их часть ионизируется… В общем образуется электронная лавина, которая закручивается магнитным полем и не дает им после столкновений улететь, тем самым магнит удерживает электроны и при этом увеличивается образование атомов, которые осаждаются на подложке, тем самым формируя пленку.

А теперь от теории к практики. Так как я занимаюсь различными плазмохимическими технологиями при атмосферном давлении, то через какое-то время возник интерес и к пониженному давлению. Источник питания тлеющего разряда у меня уже имелся в наличии, его я сделал давно. И после покупки вакуумного насоса, начались эксперименты, которые выявили некоторые трудности при работе с пониженным давлением.

Подводя итоги этой части статьи, можно сказать, что работа движется, получается немалый опыт и дополнительные знания. На данный момент, готов корпус в железе, он будет покрашен, после чего начнется сборка.

Статью специально не стал раздувать, потому что в роликах многие вопросы освещены, а если нет, то в комментариях я постараюсь на все ответить.

Источник

Газодинамическое напыление металла своими руками

Газодинамическое напыление металла выполняется с целью придания поверхностям металлических и неметаллических изделий необходимых свойств. Это может быть повышение электро- и теплопроводности, прочности, защита от воздействия коррозионных процессов, восстановление геометрических размеров и т. д. При этом в зависимости от конкретной задачи, зависящей от металла изделия, подбирается необходимое оборудование, расходные материалы и технология выполнения напыления. Чаще всего поверхности подлежат металлизации, при этом наносимое покрытие имеет высокую адгезию с материалом, на которую оно наносится, а изделие получается механически прочным. Напыляться могут чисто металлические порошки или смеси, в состав которых, помимо металлической составляющей, вводится керамический порошок в определенных количествах. Это значительно удешевляет технологию получения порошкового покрытия и не сказывается на его свойствах.

Суть и назначение технологии газодинамического напыления

Сущность метода холодного газодинамического напыления заключается в нанесении и закреплении на поверхности изделия или детали твердых частиц металла или смеси материалов размером от 0,01 до 50 мкм, разогнанных до необходимой скорости в воздухе, азоте или гелии. Такой материал называют порошковым. Это частицы алюминия, олова, никеля, баббиты разных марок, смесь алюминиевого порошка с цинком. Среда, с помощью которой осуществляют перемещение материала, может быть холодной или подогреваться до температуры не выше 700 °C.

При контакте с поверхностью изделия происходит трансформация пластического типа, а энергия кинематического вида переходит в адгезионную и тепловую, что способствует получению прочного поверхностного слоя металла. Порошок может наноситься не только на металлические поверхности, но и на выполненные из бетона, стекла, керамики, камня, что значительно расширяет область применения способа создания поверхностей с особыми свойствами.

В зависимости от давления различают такие виды холодного газодинамического напыления:

В первом случае в качестве рабочей среды, перемещающей порошковый материал размером от 5 до 50 мк, используют гелий и азот. Частицы металла, если они движутся, имеют давление больше 15 атм. Во втором случае используется сжатый воздух, который подается под давлением, не превышающим 10 атм. Различаются эти виды еще и такими показателями, как мощность подогрева и расход рабочей среды.

Этапы напыления следующие:

• подготовка поверхности изделия к напылению механическим или абразивным способом;
• нагревание рабочей среды (воздух, азот, гелий) до установленной в технологическом процессе температуры;
• подача нагретого газа в сопло оборудования вместе с порошком под необходимым давлением.

В результате порошок разгоняется в потоке до сверхзвуковых скоростей и соударяется с поверхностью детали или изделия. Происходит напыление слоя металла толщиной, величина которой зависит от температуры нагрева подаваемого газа и давления.

Подготовку поверхности изделия абразивным способом выполняют, применяя само оборудование для нанесения газодинамического напыления простой сменой параметров режима.

Область применения этого вида напыления довольно обширная. С помощью метода осуществляют герметизацию течей в емкостях и трубопроводах, ремонт деталей и отливок из легких сплавов, наносят электропроводящие, антикоррозионные и антифрикционные покрытия, устраняют механические повреждения, восстанавливают посадочные места в подшипниках.

Установка газодинамического напыления Димет

В продолжении темы об оборудовании для нанесения цинкового покрытия на стальной корпус яхты, я побывал в Обнинском Центре Порошкового напыления и собственноручно затестировал установку газодинамического напыления Димет-405. Установка впечатляет. Под катом много много фоток напыленных поверхностей, над которыми мы немного поизголялись.

Установка малогабаритная, в зависимости от модификации весит 10-19 кг, потребляет 0.3-0.4 куба воздуха и порядка 3 КВт электричества. Напыляет как распространенные металлы и смеси (цинк, алюминий), так и специфические (никель, баббит). Принцип действия- т.н. газодинамическое напыление- воздух от компрессора дополнительно нагревается и ускоряется в сопле до сверхзвуковых скоростей (типа 700 м/c), в него подается мелкодисперсный порошок (частица 50 мкм) металла или керамики, частицы которого разгоняются и впечатываются в деталь. Единственный минус установки для меня — низкая производительность. Цинковать корпус придется долго. Ну и ценник конечно тоже впечатляет.

Теперь про покрытие. Обещают прилипание к отпескоструенной поверхности порядка 50 МПа. Для сравнения- лучшие клеи дают в районе 20. Тоесть вроде как держаться должно прочнее краски)) Покрытие получается шероховатое- как раз то что нужно для последующего грунтования. Правда есть некоторые вопросы по слабоприлипшим частицам- нужно ли их пытаться удалять и если да то как?

2. Сам процесс прост до безобразия — стараемся обеспечить нормальное направление факела к обрабатываемой поверхности и выдерживаем дистанцию от сопла до детали порядка 10-15мм:

3. Стандартный образец, выдающийся клиентам. Взял два- один погрызли, другой замочили в солевом растворе)) Треугольные наплывы на образце- это массив напыленного металла на плоской стальной подложке:

Источник

Плазменное напыление металла своими руками

Особенности и назначение плазменного напыления

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

Стадии плазменного напыления металла:

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

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

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

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

Технология процесса напыления

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

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

Плазменное напыление осуществляется в результате:

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

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

Глава 5. Восстановление деталей высокотемпературным напылением

Напыление является одним из способов нанесения металли­ческих покрытий на изношенные поверхности восстанавливаемых деталей. Сущность процесса состоит в напылении предваритель­но расплавленного металла на специально подготовленную по­верхность детали струей сжатого газа (воздуха). Мелкие части­цы распыленного металла достигают поверхности детали в пластическом состоянии, имея большую скорость полета. При ударе о поверхность детали они деформируются и, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие. Соединение металли­ческих частичек с поверхностью детали и между собой носит в основном механический характер, и только в отдельных точках имеет место сваривание присадочного металла с подложкой. Основными достоинствами напыления, как способа нанесения покрытий при восстановлении деталей, являются: высокая про­изводительность процесса, небольшой нагрев деталей (120— 180°С), высокая износостойкость покрытия, простота техноло­гического процесса и применяемого оборудования, возможность нанесения покрытий толщиной от 0,1 до 10 мм и более из лю­бых металлов и сплавов. К недостаткам процесса следует отне­сти пониженную механическую прочность покрытия и сравни­тельно невысокую прочность сцепления ^го с подложкой.

В зависимости от вида тепловой энергии, используемой в металлизационных аппаратах для плавления металла, различа­ют четыре основных способа напыления: газопламенное, элект­родуговое, высокочастотное и плазменное.

Газопламенное напыление осуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление напыляемого металла производится ацетилено-кислородным пламенем, а его распыление струей сжатого воздуха (рис. III. 5.1). Напыляемый материал в виде проволоки подается через центральное отверстие горелки и, попадая в зону пламени с наиболее высокой температурой, расплавляется. Проволока подается с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в аппарат воздушной турбинкой через червячный редуктор.

В качестве напыляемого материала при газопламенном на­пылении применяют также металлические порошки (рис. III. 5.2.), которые поступают в горелку из бункера с помощью транспорти­рующего газа (воздуха).

Наибольшее применение нашли аппараты для газопламенного напыления проволокой типа МГИ-1-57, ГИМ-1 и др.

Преимуществами газопламенного напыления являются: не­большое окисление металла, мелкий его распыл, достаточно высокая прочность покрытия. К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса (2—4 кг/ч)

Электродуговое напыление производится аппаратами, в кото­рых плавление металла осуществляется электрической дугой, го­рящей между двумя проволоками, а распыление — струей сжато­го воздуха (рис. III. 5.3).

Для злектродугового напыления отечественная промышлен­ность выпускает аппараты ЭМ-3, ЭМ-9, ЭМ-14 (ручные) и ЭМ-6, МЭС-1, ЭМ-12 (станочные). Привод для подачи проволоки в зону горения электрической дуги в ручных аппаратах осуществляется от воздушной турбинки, в станочных — от электродвигателя. Основным преимуществом электродугового напыления являет­ся высокая производительность процесса (от 3 до 14 кг напыляе­мого металла в час). Высокая температура электрической дуги позволяет наносить покрытия из тугоплавких металлов. При ис­пользовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава. К преимущест­вам электродугового напыления следует отнести сравнительную простоту применяемого оборудования, а также небольшие эксплу­атационные затраты.

Недостатками электродугового напыления являются повышенное окисление ме­талла, значительное выгорание леги­рующих элементов и пониженная плотность покрытия.

Высокочастотное напылениеосно­вано на использовании принципа ин­дукционного нагрева при плавлении исходного материала покрытия (про­волоки). Распыление расплавленного металла производится струей сжато­го воздуха. Головка высокочастот­ного аппарата для напыления (рис. III.5.4) имеет индуктор, пита­емый от генератора тока высокой частоты, и концентратор тока, кото­рый обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке дли­ны проволоки.

Нагрев проволоки до температуры плавления в короткое время может быть обеспечен только при опреде­ленной частоте тока, которая опре­деляется по формуле

При высокочастотном напылении автомобильных деталей при­меняют стальную проволоку, для которой коэффициент к—

20000. Следовательно, при применении проволоки диаметром 4—5 мм. частота тока будет 80—425 кГц. Учитывая большую частоту то­ка при высокочастотном напылении, применяют ламповые генера­торы токов высокой частоты типа ЛГПЗ-30, ГЗ-46, ЛГПЗ-60 и др.

Преимуществами высокочастотного напыления являются небольшое окисление металла благодаря возможности регулирования температуры его нагрева и достаточно высокая механическая прочность покрытия. К числу недостатков следует отнести срав­нительно невысокую производительность процесса, а также сложность и высокую стоимость применяе­мого оборудования. Плазменное напыление это новый способ нанесения металлических покрытий, при котором для расплавления и переноса металла, на поверхность дета­ли используются тепловые и динамические свойства плазменной струи (рис. III. 5.5). В качестве плазмообразующего газа применяют азот. Азотная плазма имеет сравнительно невы­сокую температуру (до 10—15 тыс.°С), но обладает высокой энтальпией (теп­лосодержанием). Повышен­ная энтальпия (рис. III. 5.6) азотной плазмы объясняется тем, что про­цесс ее образования имеет две стадии: диссоциацию. (N2→2N) № ионизацию (N→N+ + e). Обе стадии процесса получения плазмы протекают с поглощением тепловой энергии. Процесс получения аргонной плазмы имеет только одну стадию — ионизацию. Таким образом, азотная плазма становится носителем большего количества тепловой энергии, чем аргонная. Высокая энтальпия азотной плазменной струи и низкая стоимость азота и обусловили его широкое применение в качестве плазмообразующего газа при плазменном напылении.

Азотная плазменная струя надежно защищает напыляемый металл от окисления. Несмотря на то, что вследствие турбулент­ного характера истечения плазменная струя смешивается с воздухом, содержание кислорода в ней достигает концентрации его в атмосфере только на расстоянии 120—150 мм от сопла плазмотрона (рис. III. 5.7), т. е. на расстоянии дистанции напы­ления.

Исходный материал покрытия вводится в сопло плазмотрона в виде проволоки или гранулированного порошка. Проволока в качестве напыляемого материала используется реже, так как при ее применении структура покрытия получается крупнозернистой и, кроме того, не все материалы для напыления могут быть приго­товлены в виде проволоки. Поэтому при плазменном напылении в качестве присадочного материала применяют гранулированные порошки с размером частиц от 50 до 150 мкм.

Порошок в сопло плазмотрона подается из дозатора при помо­щи транспортирующего газа (азота). Дозатор определяет расход порошка и, следовательно, производительность процесса напыле­ния. Расход порошка можно плавно регулировать в пределах от 3 до 12 кг/ч.

Попадая в плазменную струю, металлический порошок рас­плавляется и, увлекаемый плазменной струей, наносится на по­верхность детали, образуя покрытие.

Свойства покрытия зависят от температуры нагрева частиц и скорости их полета при встрече с поверхностью детали. Скорость полета металлических частиц определяется в основном двумя фак­торами — силой тока дуги и расходом плазмообразующего газа. В зависимости от значений этих факторов она может достигать 150—200 м/с (рис. III. 5.8). Наибольшей скорости расплавленные частицы металла достигают на расстоянии 50—80 мм от сопла плазмотрона.

Большая скорость полета частиц порошка и высокая темпера­тура их нагрева в момент встречи с подложкой обеспечивают бо­лее высокие, чем при других способах напыления, механические свойства покрытия и более прочное его соединение с поверхно­стью детали.

Экономическая эффективность и производительность процесса напыления зависят от того, какая часть исходного материала по­падает на деталь и закрепляется на ее поверхности, т. е. от ко­эффициента напыления.

Величина коэффициента напыления при плазменном напыле­нии выше, чем при других способах напыления, и зависит от ма­териала порошка, от диаметра напыляемой детали и от основных параметров режима. Так, при напылении порошка ПГ-У30Х28Н4С4 (сормайт-1) на деталь диаметром 26 мм в условиях оптимально­го режима коэффициент напыления не превышает 65—70%. При напылении хромоникелевого порошка на деталь диаметром более 50 мм коэффициент напыления достигает 90—95%.

Из других достоинств процесса плазменного напыления сле­дует отметить его высокую производительность, возможность на­несения покрытий из любых материалов, полную автоматизацию управления процессом.

Все эти достоинства процес­са плазменного напыления позволяют сделать вывод о воз­можности его широкого приме­нения при восстановлении авто­мобильных, деталей.

При плазменном напылении применяются специальные уста­новки, включающие в себя: плазменную горелку (плазмо­трон), пульт управления, порош­ковый питатель (дозатор) и ис­точник питания.

Промышленность выпускает два типа установок для плаз­менного напыления: универсаль­ные плазменные установки типа УПУ-3 производства Ржевского механического завода и универ­сальные плазменно-металлизационные установки УМП-4, УМП-5, выпускаемые Барнауль­ским аппаратно-механическим заводом. Установки УМП-4 и УМП-5 конструкции ВНИИДЕ-ТОГЕНМАШ выпускаются без источника питания. В качестве источника питания для этих ус­тановок можно использовать вы­прямитель ИПН-160/600 или два

последовательно соединенных сварочных машинных преобразователя ПСО-500.

В указанных установках применены плазменные горелки ГН-5Р (рис. III. 5.9).

Напыляемые материалы

В качестве напыляемых материалов при восстановлении авто­мобильных деталей применяют проволоку или порошковые сплавы.

При газопламенном, электродуговом и высокочастотном напы­лении обычно используется проволока. При восстановлении сталь­ных и чугунных деталей применяют стальную проволоку с содер­жанием углерода 0,3—0,8%- Среднеуглеродистую проволоку ис­пользуют при восстановлении посадочных поверхностей на сталь­ных и чугунных деталях. Для деталей, работающих в условиях трения, рекомендуется применять стальную проволоку с повышен­ным содержанием углерода. При плазменном напылении приме­няют порошковые сплавы.

Для восстановления деталей, работающих в условиях трения рекомендуется применять износостойкие порошковые сплавы на основе никеля или более дешевые сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода. Эти сплавы обладают высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Наличие в их структуре твердых составляющих (карбидов и боридов) \

сравнительно мягкой основы (твердого раствора) позволяет полу­чать покрытия с высокими служебными свойствами.

Порошковые сплавы на основе никеля марок ПГ-ХН80СР2, ПГ-ХН80СРЗ и ПГ-ХН80СР4 обладают рядом ценных свойств: низкой температурой плавления (950—1050°С), твердостью HRC

35—60 в зависимости от содержания бора, жидкотекучестью, вы­сокой износостойкостью и свойством самофлюсования благодаря наличию в составе бора (Р) и кремния (С), которые активно от­нимают кислород от окислов.

Основной их недостаток — высокая стоимость, которая сни­жает эффективность применения этих сплавов при восстановле­нии деталей.

Сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода типа ПГ-У30Х28Н4С4, ФБХ-6-2, КБХ имеют высокую твердость HRC

56—63, высокую износостойкость, недефицитны, но более тугоплавки (температура плавления 1250—1300°С) и не обладают свойством самофлюсования.

На практике получили применение композиционные смеси этих порошков с порошками сплавов на основе никеля. Порошко­вая смесь, состоящая из 50% ПГ-ХН80СРЗ и 50% ПГ-У30Х28Н4С4, имеет высокую износостойкость, невысокую температуру плавления (1100—1150°С), обладает свойством са­мофлюсования и стоит в 2 раза дешевле порошковых сплавов на основе никеля.

Порошковые сплавы на основе никеля и железа, а также их смеси обеспечивают высокую износостойкость напыленных дета­лей, но одновременно несколько повышают (на 15—20%) износ сопряженных деталей, изготовленных из мягких антифрикцион­ных сплавов. Этот недостаток может быть устранен при примене­нии порошковой смеси, состоящей из 80—85% стального порош­ка ПЖ-5М и 15—20% порошка ПГ-ХН80СР4, которая при плаз­менном напылении обеспечивает достаточно высокую износостой­кость покрытия и в то же время не повышает износа сопряжен­ных деталей из мягких антифрикционных сплавов.

При восстановлении посадочных поверхностей под подшипни­ки качения в чугунных корпусных деталях следует применять стальной порошок ПЖ-5М с добавкой 1—2% порошка алюми­ния АКП. Эта же порошковая смесь с добавкой 4—5% медного порошка ПМС-2 или 2—3% никелевого порошка может быть применена при восстановлении плазменным напылением опор под вкладыши коренных подшипников в чугунных блоках цилиндров двигателей.

Последующая обработка покрытия

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

Оборудование плазменного напыления

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

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

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

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

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

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

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

Термическое вакуумное напыление

Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис. 3.17, являются: вакуумная камера, блок размещения детали с нагревательными элементами и блок испарителя, как источник атомов осаждаемого вещества.

Процесс напыления начинается с установки на держатель деталей, подвергаемых напылению. Затем опускается вакуумный колпак и включается система вакуумных насосов (вначале для создания предварительного разрежения, а затем и высоковакуумные). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей колпака и сокращения времени откачки в трубопровод для нагрева колпака подают горячую проточную воду. При достижении давления внутри камеры от 1 до 100 Па включаются нагреватели испарителя и детали. Когда нагрев испаряемого вещества и поверхности детали становится равен диапазону рабочих температур, заслонку 2 отводят в сторону и пары вещества нагреваются и перемещаются к поверхности детали, где происходит их конденсация и последующий рост плёнки.

Рис. 3.17. Схема установки вакуумного напыления: 1 — вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 — заслонка; 3 — трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 — игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 — нагреватель детали; 6 — держатель с деталью, на которой может быть размещен трафарет; 7 — герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 — испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).

Система автоматического контроля за ростом плёнки фиксирует либо толщину плёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток пара. Далее отключают нагреватели испарителя и детали, выключают систему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду для охлаждения колпака. После остывания подколпачных устройств через натекатель плавно впускается атмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне колпака даёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.

Расстояние между испарителем и поверхностью

На качество формирования напыленного покрытия значительное влияние оказывает расстояние между испарителем и поверхностью детали (дистанция распыления), которое может изменяться от 20 до 500 мм. В зависимости от требуемой скорости осаждения покрытия дистанция распыления определяется следующим образом:

• для точечного источника распыления (S

Рис. 3.19. Нагрев испаряемого материала в тигле.

Рис. 3.20. Распыление из тигля с индукционным нагревом.

К материалам для изготовления тиглей при индукционном нагреве предъявляются те же требования, что и при резистивном контактном нагреве. Часто, например, используют тигли, изготовленные из порошковой смеси нитрида бора и диборида титана. По сравнению с резистивным нагревом индукционный высокочастотный нагрев является значительно более эффективным. Коэффициент использования энергии существенно повышается. Недостатком способа вакуумного конденсационного напыления с индукционным нагревом распыляемого материала является достаточно высокая сложность оборудования и стоимость.

Электроннолучевой нагрев

Электроннолучевой нагрев при вакуумном конденсационном напылении покрытий получил наибольшее распространение. Известно много различных схем испарителей и установок для вакуумного конденсационного напыления с применением электроннолучевого нагрева. На рис. 3.21 приведены наиболее часто встречающиеся схемы электроннолучевого нагрева.

К катоду и аноду электронной пушки от источника питания подводится высоковольтное напряжение. В зависимости от типа пушки оно составляет 5-60 кВ. Термокатод (прямонакальный или косвенно-накальный) в процессе термоэлектронной эмиссии испускает электроны, которые и ускоряются в направлении водоохлаждаемого анода. Отклоняющие и фокусирующие электромагнитные системы (катушки) направляют сформированный луч на испаряемый материал в виде стержня или водоохлаждаемого тигля. Электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают значительную кинетическую энергию. Так, например, проходя через поле с напряжением в 1 В, скорость движения электронов составляет 595 м/с.

Рис. 3.21. Схемы электроннолучевых испарителей для вакуумного контактного испарителя: а — с независимыми вакуумными системами рабочей камеры и камеры электронной пушки; б — с совмещенной вакуумной системой. 1 — рабочая камера; 2 — камера электронной пушки; 3 — электронная пушка; 4 — электронный луч; 5 — водоохлаждаемый тигель.

Электроны, движущиеся с большой скоростью, сталкиваются с поверхностью распыляемого материала, происходит его электронная бомбардировка. Основная часть кинетической энергии электронов выделяется в виде теплоты и затрачивается на испарение материала. Однако значительная ее часть теряется на образование вторичных электронов (15-30 %) и рентгеновское излучение (около 0,1 %). Энергия отраженных электронов расходуется на нагрев стенок камеры, напыляемого изделия, механизмов, размещенных в камере.

Необходимо учитывать ряд особенностей испарения, характерных при нагреве материала электронным лучом. Электроны в момент соударения с поверхностью испаряемого материала не останавливаются полностью, а некоторое время продолжают свое движение в поверхностном слои и тормозятся на глубине 1-2 мкм (при рабочем напряжении — 15-20 кВ). Основное торможение происходит в конце пробега. В результате теплота выделяется не на поверхности, а в объеме тонкого поверхностного слоя. Это обусловливает высокую эффективность электроннолучевых испарителей, особенно при максимальных степенях фокусировки электронного луча.

Наиболее значимым параметром процесса при электроннолучевом напылении покрытий является мощность луча. Как и при других способах напыления покрытий термическим испарением энергия испаряемых атомов в потоке пара невелика и составляет 0,2-0,3 эВ; степень ионизации частиц 0,05-0,1 %. Однако для этого способа характерна высокая плотность парового потока, что обеспечивает высокую производительность процесса термического осаждения. Недостатки заключаются в повышенной сложности установок при их изготовлении и эксплуатации; наличие жесткого излучения при высоких ускоряющих напряжениях. Способ электроннолучевого напыления особенно целесообразен при нанесении покрытий на большие поверхности, например, на ленту в установках непрерывного действия и другие изделия.

Давление газовой среды

Давление газовой среды в вакуумной камере также является одним из важнейших параметров процесса термического осаждения. Обеспечение низкого давления (р) в рабочей камере необходимо для свободной диффузии атомов испаряемого вещества и их прямолинейного движения к поверхности детали без столкновения с молекулами остаточного воздуха, приводящего к бесполезному рассеиванию материала в объёме камеры. Кроме того, напыляемые материалы представляют собой, как правило, химически активные вещества, поэтому необходимо исключить их химическое взаимодействие с молекулами воздуха. Наиболее высокое давление пара достигается вблизи поверхности распылителя и может составлять от 1 до 100 Па. По мере удаления от него давление снижается, что создает условия для перемещения атомов вещества в направлении напыляемого изделия, где давление паров минимально.

Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении р в диапазоне от 10-4 до 0,1 Па. Такой вакуум создается с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включённых последовательно. Максимальная степень разряжения облегчает процесс переноса частиц. Так, например, при давлении около 10-4 Па длина свободного пробега атома металла составляет 1000 мм, а при 0,1 Па — 10 мм. Поэтому давление в камере выбирают от 10-2 Па и ниже. При более высоких давлениях к тому же снижается скорость испарения.

Температура поверхности детали

Температура поверхности детали в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру плёнки, а следовательно, и на стабильность её электрофизических свойств в процессе эксплуатации. Атомы напыляемого материала поступают на поверхность детали с энергией равной Е = к-Т (где к = = 8,63-10-5 эВ/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура) и скоростями порядка 1000 м/с. Часть энергии при этом передаётся поверхностным атомам детали, а остаточная энергия позволяет им некоторое время мигрировать в поверхностном потенциальном поле. Доля остаточной энергии тем выше, чем выше температура подложки. В процессе миграции атом может либо покинуть подложку, либо частично погасить энергию, вступив во взаимодействие с другим мигрирующим атомом. Полностью потерять способность мигрировать и закрепиться на нагретой подложке (конденсироваться) может лишь многоатомная группа, которая становится одним из центров кристаллизации. При невысокой плотности потока испаряемых атомов, т.е. умеренной температуре на испарителе, число центров кристаллизации на единицу площади невелико и к моменту образования сплошной плёнки вокруг них успевают вырасти крупные кристаллы.

Снижение температуры поверхности детали и повышение плотности потока приводит к более раннему образованию центров кристаллизации, увеличению их числа на единицу площади и формированию мелкокристаллической структуры. В процессе эксплуатации электронной аппаратуры, когда она подвергается периодическим циклам нагрева и медленного охлаждения мелкокристаллическая структура постепенно рекристаллизуется в крупнокристаллическую. Электрофизические свойства при этом необратимо изменяются, происходит «старение» плёнки. В резистивных плёнках, например, наблюдается со временем уменьшение удельного сопротивления.

Строение толстых покрытий (толщина свыше 1 мкм) также в значительной степени зависит от температуры нагрева напыляемого изделия. При температуре напыляемой поверхности, начиная от температуры окружающей атмосферы до граничной температуры примерно равной 0,3 от температуры плавления распыляемого материала, в покрытии формируется специфическое куполообразное строение кристаллитов (рис. 3.22, а).

В среднетемпературной зоне в интервале температур от 0,3 до 0,5 Гид в покрытии формируется ярко выраженное столбчатое строение (рис. 3.22, б) Причем с увеличением температуры ширина столбчатых кристаллов возрастает. В высокотемпературной зоне, при температуре напыляемой поверхности выше 0,5 от Гпл в покрытии формируется преимущественно равноосная структура (рис. 3.22, в). С ростом температуры нагрева поверхности детали твердость и прочность получаемых покрытий снижаются, а пластичность повышается.

Следует учитывать, что при температуре поверхности напыления выше 0,5 Гпл в покрытии происходят процессы объемной рекристаллизации, приводящие к росту зерна. Изменяя температуру поверхности напыления, и, собственно, структуру покрытий, можно в широких пределах регулировать их механические свойства.

Рис. 3.22. Схема распределения структурных зон в напыленном покрытии в зависимости от температуры напыляемого изделия.

Наряду с особенностями формирования напыленных слоев температура поверхности детали оказывает значительное влияние на прочность сцепления слоя с основой. Невысокие температуры нагрева (до 0,3 Гпл) способствуют формированию на поверхности изделий слабо сцепленных покрытий с низкой когезионной прочностью. В табл. 3.9 приведены минимальные значения температур напыляемых изделий для различных сочетаний материалов покрытия и изделия.

Характеристики

Таким образом, представленные выше параметры процесса термического осаждения обеспечивают создание потока частиц со следующими характеристиками:

• плотность потока 1016-1022 частиц/(см2 *с);
• средняя кинетическая энергия 0,2-0,5 эВ;
• степень ионизации 0,01-1,2 %.

Высокая плотность потока частиц обеспечивает повышенную производительность процесса. Скорость роста покрытий достигает 1 мкм/мин и выше.

В первом приближении поток атомов от испарителя к подложке представляет собой расходящийся пучок и поэтому плотность потока в плоскости подложки неравномерна: в центре подложки она максимальна и убывает от центра к периферии. Это означает, что при напылении плёнки на неподвижную подложку в центральной области подложки образуется более толстая плёнка, нежели на краях подложки. Для предотвращения этого установки термовакуумного напыления снабжены вращающимися устройствами (дисками, барабанами), несущими несколько деталей (6, 8 или 12). Детали последовательно и многократно проходят над неподвижным испарителем (рис. 3.23), постепенно набирая необходимую толщину плёнки.

Таблица 3.9. Температуры нагрева для различных сочетаний материалов изделия и покрытия.

Материал покрытия	Материал изделия
	Ti	Cu	Mo	Fe	Nb	Ni
Молибден	650	500	750	350	400	400
Хром	650	450	700	600	—	400
Медь	—	—	400	450	400	350
Никель	—	350	500	350	—	—

Рис. 3.23. Схема установки термовакуумного напыления карусельного типа: 1 — испаритель; 2 — корректирующая диафрагма; 3 — подложкодержатель с деталью; 4 — диск карусели; 5 — нагреватель детали.

В результате более толстый слой пленки, формирующийся в центре на неподвижной детали, размывается в направлении ее движения. Для выравнивания толщины плёнки в поперечном направлении применяют корректирующую диафрагму, устанавливаемую между испарителем и деталью в непосредственной близости от нее. Профиль диафрагмы рассчитывается на основании исследования рельефов плёнки, получаемых при напылении на неподвижную и движущуюся деталь. В результате различия времени облучения центральной и периферийной зон подложки равномерность толщины плёнки на всей площади групповой подложки повышается и находится в пределах ±2 % (для подложек 60×48 мм). Термическое вакуумное напыление имеет ряд недостатков и ограничений, главные из которых следующие:

• напыление плёнок из тугоплавких материалов (W, Mo, SiO2, Аl2О3 и др.) требует высоких температур на испарителе, при которых неизбежно «загрязнение» потока материалом испарителя;
• при напылении сплавов различие в скорости испарения отдельных компонентов приводит к изменению состава плёнки по сравнению с исходным составом материала, помещённого в испаритель.

Большинство способов напыления покрытий посредством термического испарения распыляемого материала не обеспечивает получение в потоке пара частиц с высокими значениями энергии. Это отрицательно влияет на качество покрытия. Возможности способов напыления покрытий термическим испарением существенно возрастают при ионизации парового потока.

Напыление с использованием потока ионизированных частиц можно проводить с использованием постоянного дугового разряда в парах испаряемого материала и тлеющего разряд в разряженной газовой атмосфере (распыление ионной бомбардировкой).
Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

• Высокотемпературное цинкование
• Модифицированные гальванические покрытия
• Защита черного металла от коррозии
• Свинцевание и его электролиты
• Производство стали в России

comments powered by HyperComments

Расходные материалы

Выбор исходных материалов определяется свойствами покрытия и стоимостью его получения.

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

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

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

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

Сущность и назначение плазменного напыления металлов

Суть процесса плазменного напыления заключается в том, что в струю из плазмы, которая имеет сверхвысокие температуры и направлена на обрабатываемый объект, подают дозированное количество частиц металла. Последние расплавляются и, увлекаемые струей, оседают на поверхности детали. К плазменному напылению прибегают в следующих случаях:

1. Создание защитного слоя на изделии. Это может быть механическое усиление, когда на менее прочное основание наносят более прочный металл. С помощью диффузионной металлизации также можно увеличить сопротивляемость детали коррозионному воздействию, если наносить пленку из оксидов или металлов, мало подверженных окислению.
2. Восстановление изношенных деталей. В этом случае за счет нового слоя покрытия можно убрать дефекты разрушения поверхности, чтобы придать изделию первоначальное состояние. В качестве материала напыления здесь используют металл, идентичный материалу основания.

Плазменное напыление отличается от других видов напыления рядом особенностей:

1. Благодаря тому что плазма воздействует на исходное основание при помощи сверхвысоких температур (5000–6000 градусов по Цельсию), процесс протекает в ускоренном режиме. Иногда достаточно долей секунд, чтобы получить заданную толщину напыления.
2. Диффузионная металлизация позволяет наносить как монослой на поверхность, так и делать комбинированное напыление. При помощи плазменной струи можно дополнять диффундируемый металл элементами газа, необходимыми для насыщения слоя элементарными частицами нужных химических элементов.
3. При плазменном напылении практически отсутствует эффект дополнительного окисления основного металла. Это связано с тем, что реакция протекает в среде инертных газов без привлечения кислорода.
4. Финальное покрытие обладает высоким качеством за счет идеальной однородности и равномерности проникновения атомов напыляемого металла в слой основания.

Методом диффузионной металлизации плазменного типа можно получать слои толщиной от нескольких миллиметров до микрон.

Плазменное напыление

Плазменное напыление (APS, Air Plasma Spray, воздушно-плазменное напыление)

— материал (порошок) будущего покрытия подается в плазматрон и нагревается до плавления и переносится на поверхность плазменным потоком.

Особенность плазменного напыления — высокая температура плазменной струи (до 20 — 22 тыс. градусов Цельсия), высокая скорость перемещения частиц в струе (до 500 м/с). Нагрев поверхности при этом не более 200 град.

С помощью установок атмосферного плазменного напыления Плакарт P-1000 можно наносить:

• износостойкие;
• коррозионностойкие;
• теплозащитные;
• уплотнительные;
• антифрикционные покрытия;

Плазменные установки Плакарт обеспечивают нанесение покрытий из широкого спектра керамических и металлических порошковых материалов на практически любые внешние и внутренние поверхности отверстий глубиной до 1000мм и диаметром более 125 мм. Плазменные покрытия внесены в конструкторскую документацию на многих отраслевых (авиационных, турбостроительных и пр.) предприятиях и институтах

Преимущества технологии воздушно-плазменного напыления:

• независимость нанесения покрытия от геометрии поверхности: стабильное качество покрытия обеспечивается как на плоских ровных поверхностях (листы, плиты), так и на крупногабаритных объектах и изделиях сложной формы;
• покрытие (металлы, твердые сплавы, керамику, металлокерамику, полимеры) можно наносить на металлы, пластик, и даже на не терпящие воздействия экстремально высоких температур. При этом практически не происходит деформации основного материала, на который напыляется покрытие;
• равномерное стабильное качество покрытия обеспечивается и на большой площади, и на ограниченных участках больших деталей;
• возможно напыление многослойного покрытия толщиной в несколько миллиметров, что очень важно при восстановлении геометрии изношенных деталей.

Покрытия, наносимые плазменным напылением, отличаются хорошей равномерностью, стабильностью, высокими плотностью и адгезией.

Установка плазменно-порошкового напыления Plakart Р-1000 предназначена для нанесения износостойких, коррозионностойких, теплозащитных, уплотнительных, антифрикционных и других покрытий, придающих рабочей поверхности деталей новые свойства и увеличивающие их рабочий ресурс. Большой выбор отработанных технологий напыления на данной установке позволяет получать хорошо повторяемые покрытия высокого качества.

В установке Plakart P-1000 в качестве плазмообразующего газа используется аргон и водород. При необходимости, в качестве плазмообразующих могут использоваться различные газовые смеси, азот, гелий (доп. опция) и др.

Технология и процесс напыления

При газоплазменном напылении металлов основой рабочей газовой среды являются инертные газы азот или аргон. Дополнительно по необходимости технологического процесса к основным газам может быть добавлен водород. Между катодом, в качестве которого выступает электрод в виде остроконечного стержня внутри горелки, и анодом, коим является подвергаемое водяному охлаждению сопло из меди, в процессе работы возникает дуга. Она прогревает до необходимой температуры рабочий газ, который обретает состояние плазменной струи.

Одновременно в сопло подается металлический материал в виде порошка. Этот металл под воздействием плазмы превращается в субстанцию с высокой способностью к проникновению в поверхностный слой обрабатываемого изделия. Распыляемый под давлением расплавочный материал оседает на основании.

Современные плазменные горелки имеют КПД в пределах 50–70 %. Они позволяют работать с любыми металлами, в том числе и тугоплавкими сплавами. Плазменное напыление – полностью управляемый процесс, позволяющий регулировать скорость подачи плазмы, мощность и форму струи.

В случае восстановления формы детали путем плазменного напыления технологический процесс имеет следующие этапы:

1. Подготовка напыляемого материала. Суть процесса заключается в сушке порошка в специальных шкафах при температуре 150–200 градусов по Цельсию. При необходимости порошок также просеивают через сито для получения однородных по размеру гранул.
2. Подготовка подложки или основания. На этом этапе с поверхности детали удаляют все посторонние включения. Это могут быть окислы либо различные загрязнения масляными веществами. Для лучшего сцепления основание может быть подвергнуто дополнительному процессу образования шероховатости. Если на изделии имеются участки, которые не следует подвергать напылению, их закрывают специальными экранами.
3. Напыление слоя металла и операции по заключительной обработке полученной поверхности.

К подложке напыляемый материал может доходить в твердом состоянии, в пластичной форме либо в жидком виде. Это определяется режимом технологического процесса.

Общие сведения о технологии

Суть метода заключается в напылении частиц металла на рабочую поверхность. Процесс формирования нового покрытия происходит за счет испарения донорских металлов в условиях вакуума. Технологический цикл подразумевает выполнение нескольких стадий структурного изменения целевой основы и элементов покрытия. В частности, выделяются процессы испарения, конденсации, абсорбции и кристаллизации. Ключевой процедурой можно назвать взаимодействие металлических частиц с поверхностью в условиях особой газовой среды. На этом этапе технология вакуумной металлизации обеспечивает процессы диффузии и присоединения частиц к структуре обрабатываемой детали. На выходе в зависимости от режимов напыления, характеристик покрытия и типа заготовки можно получать самые разные эффекты. Современные технические средства позволяют не просто улучшать отдельные эксплуатационные качества изделия, но и с высокой точностью дифференцировать свойства поверхности на отдельных участках.

Применяемое оборудование

Стандартный комплект установки плазменного напыления включает в себя:

1. Источник электрического питания. Его назначение – питать схему формирования высоковольтного разряда и всех систем.
2. Блок формирования разряда. В зависимости от устройства схемы может генерировать искровые разряды, импульсные высокочастотные напряжения либо сплошную электрическую дугу.
3. Резервуары хранения газа – это чаще всего обычные газовые баллоны.
4. Камеру, где непосредственно происходит напыление. Внутрь такого герметичного резервуара помещают обрабатываемую заготовку и плазмотрон.
5. Установку вакуумного типа с насосом. В задачи этого агрегата входит создание требуемого разряжения в камере и образование тягового потока для подачи рабочей среды.
6. Плазмотрон – устройство, которое снабжено соплом для подачи рабочей среды и системой приводов для перемещения сопла в пространстве.
7. Систему дозирования напыляемого порошка. Служит для точной подачи необходимого количества напыляемого материала в единицу времени.
8. Охлаждающую систему. В задачу этого элемента входит отвод лишнего тепла от области сопла, через которое проходит раскаленная плазма.
9. Аппаратную часть. Она включает в себя компьютер, который управляет всем процессом плазменного напыления.
10. Систему вентиляции. Она служит для отвода отработанных газов из рабочей камеры.

Современные установки диффузионной металлизации имеют специальное программное обеспечение, позволяющее путем введения заданных параметров проводить полностью автономную операцию обработки изделия. В задачи оператора входит установка детали в камеру и задание точных условий проведения процесса.

Уважаемые посетители сайта: специалисты и технологи по плазменному напылению! Поддержите тему статьи в комментариях. Будем благодарны за конструктивные замечания и дополнения, которые расширят обсуждаемый вопрос.

Технология напыления металлов в домашних условиях

В строительных и производственных сферах все чаще применяются высокопрочные пластики. Они превосходят традиционные твердые материалы за счет своей небольшой массы, податливости в обработке и практичности. И все же металл сохраняется во многих отраслях как наиболее выгодный материал с точки зрения сочетания прочности, жесткости и долговечности. При этом далеко не всегда оправдывает себя использование цельной структуры.

Все чаще технологи применяют напыление металлов, которое позволяет наделить рабочую заготовку частью свойств наиболее подходящего в плане эксплуатации сплава.

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.

При этом сама рабочая поверхность в большинстве случаев подвергается термической обработке. Перед нанесением металлических частиц она расплавляется горелками, индукторами или посредством воздействия низкотемпературной плазмы. 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. Чем покрасить декоративный камень из гипса в домашних условиях? 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.

Метод газопламенной обработки

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.

В частности, газопламенное напыление используют для повышения эксплуатационных качеств подшипников скольжения, изоляционных покрытий, электротехнических деталей и т. д.

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.

Виды и применение процессов плазменного напыления металлов

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

Принцип плазменного напыления

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

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

Рабочие установки для реализации процесса

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

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

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

Схема плазменного напыления

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

Технологическая оснастка, расходные материалы

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

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

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

Отличия напыления металлов в вакууме

• минимальная температура нагрева изделий 250°С;
• сепарация плазменного потока для минимизации капельной фазы;
• осуществление контроля толщины покрытия;
• нанесение градиентных и многослойных покрытий.

Напыление металлов в вакууме применяется для нанесения pvd покрытий, толщина которых колеблется от 0,01 до 0,5 мкм в случае нанесения покрытий методом pvd благородных металлов (серебро, золото, платина) и до. Напыление металлов в вакууме широко применяется в технике для получения тонких стальных или диэлектрических покрытий.

Переход частиц из конденсированного состояния в газовое может происходить при воздействии ионов плазмы или при перемещении напыляемого вещества в вакуумной среде. Вакуумное перемещение является более предпочтительным, так как обеспечивает лучшее сцепление нанесенного состава с предназначенной для этого подложкой. В безвоздушной среде преобладающее количество частиц, попадающих на поверхность детали, оседает на ней и конденсируется, в то время как при других методах напыления атомы плохо сцепляются с поверхностью и отражаются от нее (процесс десорбции). Помимо состояния вакуума, эффективное вакуумное или ионное нанесение покрытия требует соблюдения определенной температуры, при которой процент оседаемых частиц, образующих зародыши и превращающихся в пленку, максимален. Также качество нанесения покрытия в вакууме зависит от состава материала, свойств поверхности, скорости прохождения физического процесса.

Для лучшей фиксации осаждаемой пленки на покрытии объекта сразу после процедуры напыления проводят ее обжиг — при температуре чуть выше, чем у полученной в результате обработки поверхности. После обжига на готовую плоскость возможно наложить еще несколько слоев — с различными свойствами, необходимыми для создания того или иного полезного эффекта.

Последующая обработка готового покрытия

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

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

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

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

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

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

Процесс напыления металлического порошка на токарном станке

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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

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

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

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.

Химическая металлизация: технология, выполнение в домашних условиях

Вопросы эффективной защиты и декоративного оформления поверхностей изделий из различных материалов являются достаточно актуальными как для производственников, так и для многих домашних мастеров. Эффективно решить такие задачи позволяет химическая металлизация, которую можно выполнить и своими руками.

Технология химической металлизации может использоваться практически на любых жестких поверхностях

Виды металлизации

Металлизация изделий, как понятно из названия данного процесса, заключается в том, что на их поверхность наносится тонкий металлический слой.

Подвергаться такой обработке может не только металл, но также пластик, древесина, стекло и другие материалы.

Наиболее популярными и известными видами такого процесса являются металлизация хромом (хромирование), покрытие поверхности изделия слоем цинка (цинкование), менее известным – алитирование, в процессе которого на поверхность наносится слой алюминия.

Химическая металлизация. Рама для зеркала

В зависимости от того, какое оборудование и какая технология используются для металлизации, данная обработка подразделяется на различные виды. Так, на сегодняшний день хорошо отработаны и активно применяются следующие способы нанесения металлического покрытия:

1. гальваническая металлизация, выполняемая в ваннах со специальным электролитом;
2. электродуговая металлизация, при которой покрытие на обрабатываемую поверхность наносится посредством электродугового плавления металлического электрода и последующего распыления расплавленного металла при помощи струи сжатого воздуха;
3. газоплазменное напыление, при которой, как и при осуществлении дуговой технологии, металл наносится на поверхность изделия в расплавленном мелкодисперсном состоянии (как и электродуговая металлизация, газоплазменное напыление является достаточно сложным технологическим процессом, поэтому их применяют преимущественно в производственных условиях);
4. плакирование – нанесение на поверхность слоя металла и его последующая горячая прокатка;
5. диффузионная металлизация, суть которой заключается в том, что атомы наносимого металла под воздействием высокой температуры проникают в поверхностный слой обрабатываемого изделия;
6. горячая металлизация – формирование покрытия при погружении изделия в ванну с расплавленным металлом;
7. химическая металлизация.

На последней технологии стоит остановиться подробнее, так как она оптимально подходит для того, чтобы наносить металлические покрытия на различные изделия своими руками в домашних условиях.

Технологические особенности химической металлизации

Химическая металлизация может проводиться с различными целями, основной из которых является улучшение декоративных характеристик обрабатываемого изделия. Кроме того, полученное методом химической металлизации покрытие позволяет скрыть такие дефекты обрабатываемой поверхности, как мелкие поры и микротрещины. В отдельных случаях данную технологию используют для того, чтобы выполнить восстановление поверхности.

Если обобщить цели применения данного метода обработки, то все они заключаются в том, чтобы улучшить характеристики материала, из которого изготовлено изделие. К таким характеристикам, в частности, относятся:

• декоративные свойства;
• коррозионная устойчивость;
• твердость;
• износоустойчивость и др.

При этом, нанося на поверхность металлический слой химическим способом, можно получить покрытие с требуемыми характеристиками.

Процесс химической металлизации разделяется на несколько этапов, легко осуществимых на любом лакокрасочном производстве

Основная задача, которую необходимо решить при выполнении хим металлизации, – это обеспечить оптимальные условия для протекания окислительно-восстановительных реакций.

При обеспечении таких условий из состава химического вещества происходит вылет атомов, окислительно-восстановительный потенциал которых находится на более высоком уровне.

Конечно, такой процесс сложно проконтролировать визуально, но его результат – изменение цвета обрабатываемой поверхности – будет заметен сразу.

Сама технология выполнения металлизации химическим способом заключается в следующем: на изделие наносятся специальные химические реагенты, которые начинают вступать между собой в реакции. В результате на обрабатываемой поверхности формируется тонкий слой металла.

Металлическое покрытие, полученное химическим способом, может быть выполнено не только в определенном цвете, но и иметь несколько оттенков с плавными переходами между ними.

Известный многим специалистам и домашним мастерам метод каталитического хромирования изделий, к слову, также выполняется по технологии химической металлизации.

Если наблюдать за выполнением химической металлизации на видео, можно обратить внимание на то, что данный метод не отличается сложностью. Со стороны данный способ нанесения металлического покрытия напоминает простую покраску поверхности.

Используемые материалы и оборудование

Химическую металлизацию, как уже говорилось выше, можно выполнять своими руками и в условиях домашней мастерской. При этом изделия, отличающиеся небольшими размерами и несложной формой, обрабатывают по такой методике даже без использования специального оборудования. Если же такое оборудование в вашем распоряжении имеется, то наносить слой металла химическим способом можно даже на габаритные детали сложной конфигурации.

Самостоятельно занимаясь выполнением такой процедуры, следует соблюдать предельную осторожность, так как при этом используются опасные для здоровья химические реактивы. Если правильно подготовить оборудование и материалы для выполнения химической металлизации, то своими руками в домашних условиях можно получать на различных изделиях покрытия, качество которых практически не отличается от тех, которые сформированы на заводе.

Реагенты для химической металлизации

В наборе для химической металлизации должны быть реактивы, обладающие свойствами активатора и восстановителя. Для выполнения данной процедуры потребуется также грунтовка, которая наносится на обрабатываемую поверхность, и лак, защищающий готовое покрытие от негативного влияния внешних факторов. Для нанесения финишного лакового покрытия следует выбирать материал, обладающий высокой твердостью и износостойкостью.

Чтобы окрасить наносимый металлический слой в желаемый цвет, можно использовать специальный красящий тонер.

Грунтовка, о которой говорилось выше, необходима для того, чтобы улучшить адгезию наносимого металлического слоя с материалом, из которого изготовлено обрабатываемое изделие.

Результат химической металлизации, выполняемой своими руками, не всегда может быть качественным. Однако нанесенное покрытие можно удалить, используя для этого специальные смывочные растворы.

Установка химической металлизации предназначается для нанесения покрытия на любые твердые поверхности

Химическая металлизация в домашних условиях

Если вы решили выполнить химическую металлизацию своими руками, следует не только изучить теоретический материал, но и просмотреть обучающее видео на данную тему. Естественно, необходимо подготовить комплект оборудования и расходных материалов для выполнения этого технологического процесса.

Источник