Технология газопламенного напыления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования и Науки Республики Казахстан

Карагандинский Государственный Технический Университет

Кафедра НТМ

РЕФЕРАТ

«Технология газопламенного напыления»

Выполнил: магистрант гр.МетМ-15-2

Мырзаков Б.Т.

Принял: преп. Нарембекова А.К.

Караганда 2016

Введение

Большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжения.

Много лет назад украшение любых изделий требовало недюжинных способностей и фантазии. Нанесение изображений на поверхность осуществлялось при помощи гравировки. Чуть позже человечество изобрело метод травления. Помимо этих способов были другие - вроде оклеивания или обтягивания специальными тканями.

Благодаря развитию технологий мы можем использовать и самый новый способ нанесения покрытий на изделие - плазменное напыление. Плазменное напыление (чаще всего металла) позволило изготавливаться удивительной красоты и прочности вещи. Автомобильные фары изготавливаются с помощью напыления светоотражающих составов. Стекла для зданий предварительно тонируют, напыляя на них защитные покрытия. Даже елочные игрушки - и те стали украшать с помощью напыления.

Плазменное напыление металлов все же обычно используется для достаточно серьезных изделий и деталей оборудования. Инструменты после обработки становятся намного прочнее, изношенная деталь при помощи напыления приводят почти к идеальному состоянию - положительных свойств у процесса напыления достаточно много.

Несмотря на кажущуюся легкость, современное напыление не терпит халатного отношения к себе. Если по какой-либо причине установка, осуществляющая напыление, будет обесточена, то изделие будет безнадежно испорчено. И само устройство может прийти в негодность. По этой причине лучше всего позаботиться о том, чтобы обеспечить максимальную защиту работающих устройств от возникновения чрезвычайных ситуаций.

Так, стоит купить инвертор для ББП и других установок, позаботиться об автономной линии энергоснабжения и так далее. Только так вы сможете обезопасить производственный цикл от незапланированных остановок.

Напыление - это достаточно сложный и опасный процесс, а потому время контакта человека с установкой желательно максимально сократить. Безопасная утилизация отходов - тоже важная составляющая любого производственного процесса.

Напыление и нанотехнологии

Напыление всегда представляло собой очень сложный, но в то же время интересный технологический процесс.

Напыление всегда представляло собой очень сложный, но в то же время интересный технологический процесс. Напыление - это равномерное распределение по поверхности обрабатываемого изделия тончайшего слоя вещества, в большинстве случаев - металла. Производится напыление с целью придать изделию дополнительную прочность, износоустойчивость, электропроводимость, приятный внешний вид и т.д.

Напыление металлов осуществляется при помощи самых современных вакуумных технологий.

Но уже сегодня существуют чертежи и идеи устройства, которые могут в корне изменить процесс напыления, сделав его более экономичным и качественным. Речь идет о технологии нано-напыления.

Что же такое нано-напыление?

В принципе, это то же самое равномерное нанесение пленки металла, но толщина ее будет измеряться уже в нано-частицах. Используя огромный потенциал нано-технологий, можно будет значительно увеличить прочность изделия. Вполне вероятно, что благодаря нано-технологиям можно будет напылять не только металлические частицы, но и частицы других материалов. Или вообще использовать смешанные варианты.

Плазменное напыление металлов также претерпит определенные изменения. С использованием нано-частиц пленка станет намного менее заметной, но в то же время потрясающе надежной и прочной. Особенно важно это для космической промышленности. Используя нано-напыление, станет реально запускать одни и те же космические корабли в космос не один и не два раза, а намного больше. Впрочем, нано-напыление пока что не имеет должного развития, является новым словом в промышленности, а потому не используется, хотя многие руководители предприятий с нетерпением ждут дальнейших разработок.

Развитие нано-технологий вообще находится под пристальным вниманием промышленников. Это объясняется тем, что многие открытия и изобретения ученых непосредственно связаны с их деятельностью. Например, недавно была создана нано-проволока, длина которой достигает 10 см. На первый взгляд это немного, но раньше не получалось создать и 1 см такой проволоки! А вскоре ее производство будет поставлено на поток.

Сущность и история создания

Плазменное напыление -- процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи.

Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменное напыление является одним из вариантов газотермического напыления.

Дуга свободна, если её развитие в пространстве не ограничено. Сжатая дуга помещается в узких каналах и обдувается струями газов или паров. Особенно мощные плазменные потоки у сжатой дуги. Сжатые дуги являются основой дугового плазмотрона - устройства для получения «низкотемпературной» плазмы. Физические исследования по созданию плазмотронов начались в начале ХХ века, а наиболее широкое исследование в конце 50-х, начале 60-х годов. В 1922 году Жердьен и Лотц получили сжатую дугу, стабилизированную водяным вихрем. В 1951 году в дуговом разряде, стабилизированном водяным вихрем, Бурхорну, Меккеру и Петерсу удалось получить температуру 50000°С, а в 1954 году на установке для получения сжатой дуги при высоком давлении паров воды Петерс получил сверхзвуковую скорость истечения плазменной струи - 6500м/с при температуре 8000К (1,6 М).

В середине пятидесятых фирма Джианини публикует работы по устройству газового плазмотрона с кольцевым анодом. В конце 50-х были созданы первые дуговые плазмотроны, а в начале 60-х годов - плазменные распылители. Из-за своей универсальности (температура плазменной струи обеспечивала плавление любых материалов) плазменные распылители заняли значительное место в ГТН, потеснив газопламенные методы. Плазменная обработка позволила упрочнять поверхность конструкционных материалов. Плазменное напыление - создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами. Особенно широко плазменное напыление используется для нанесения порошков оксидов различных металлов.

Методы и история их создания

Атмосферное плазменное напыление (англ. Atmospheric plasma spraying) (APS) запатентован Giannini and Ducati в 1960 г., Gage в 1962 г. Базируется на применении Плазменного генератора Гердиена, изобретенного в 1922 г.

Вакуумное плазменное напыление (англ. Vacuum plasma spraying) (VPS), или Low-Pressure Plasma Spraying(LPPS). Приоритет изобретение отдают сотруднику фирмы Plasmadyne Мюльбергеру, в 1973 г.

Плазменное напыление в контролируемой атмосфере (англ. Controlled-atmosphere plasma spraying) (CAPS) Mash, Stetson и Hauck в 1961 г. первыми сообщили о напылении плазмой в камере, заполненной инертным газом. Эту технику назвали Inert Plasma Spraying (IPS). Другой способ, позволяющий изолировать плазменную струю от окружающей атмосферы, был изобретен Okada и Maruo в 1968 г. и назывался Shrouded Plasma Spraying (SPS). В этом способе защитный газ подавался из сопла, присоединенного к аноду плазмотрона, близко к подложке, что позволяло удалять плазмообразующий газ.

Плазменным напылением наносятся износостойкие, антифрикционные, жаростойкие, коррозионностойкие и другие покрытия.

Напыление с помощью низкотемпературной плазмы позволяет:

- наносить покрытия на листовые материалы, на конструкции больших размеров, изделий сложной формы;

- покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево, ткань);

- обеспечить равномерное покрытие как на большой площади, так и на ограниченных участках больших изделий;

- значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этим методом можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров;

- легко механизировать и автоматизировать процесс напыления;

использовать различные материалы: металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные комбинации; наносить их в несколько слоев, получая покрытия со специальными характеристиками;

практически избежать деформации основы, на которую производится напыление;

- обеспечить высокую производительность нанесения покрытия при относительно небольшой трудоёмкости;

- улучшить качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными, высокой плотности и с хорошим сцеплением с поверхностью детали.

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

низкотемпературный плазма напыление покрытие

Технология плазменного напыления. Установка плазменного напыления

Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия.

Между катодом и медным водоохлаждаемым соплом, служащим анодом, возникает дуга, нагревающая поступающий в сопло горелки рабочий газ, который истекает из сопла в виде плазменной струи. В качестве рабочего газа используют аргон или азот, к которым иногда добавляют водород.

Порошковый наплавочный материал подается в сопло струей транспортирующего инертного газа, нагревается плазмой и с ускорением переносится на поверхность основного материала для образования покрытия. Средняя температура плазмы на выходе из сопла плазмотрона находится в пределах от нескольких тысяч градусов до десятков тысяч градусов Кельвина.

Рисунок 1 -- Плазменное напыление металлов, П - покрытие; С - струя напыляемого материала и продуктов сгорания газов

КПД плазменной горелки составляет 50--70%. Высокая температура плазмы позволяет проводить напыление тугоплавких материалов. Возможность регулирования температуры и скорости плазменной струи путем выбора формы и диаметра сопла и режима напыления расширяет диапазон напыляемых материалов (металлы, керамика и органические материалы).

Покрытия, полученные методом плазменного напыления, обладают высокой плотностью и хорошим сцеплением с основой. Процесс плазменного напыления хорошо поддаётся автоматизации.

Краткие характеристики покрытия:

Пористость покрытия 4--8%.

Прочность сцепления покрытия с основой (адгезия) 5,0-8,0 кг/ мм?.

Толщина напыленного слоя: -- при напылении металлов и сплавов 0,05 - 5,0 мм; -- при напылении керамики 0,05 - 0,5 мм.

Рисунок 2 -- Установка плазменного напыления, 1 -- источник питания; 2 -- баллоны с газом; 3 -- пульт управления; 4 -- камера напыления; 5 -- порошковый дозатор; 6 -- вытяжной вентилятор; 7 -- плазмотрон; 8 -- плазменная струя; 9 -- напыляемое покрытие; 10 -- изделие; 11 -- устройство для перемещения изделия; 12 -- водяной насос; 13 холодильник

Камера для плазменного напыления покрытий

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

Основные технические характеристики и параметры камеры плазменного напыления покрытия:

· рабочий объем внутренней полости и ее форма определяются в зависимости от геометрических особенностей номенклатуры напыляемых деталей;

· мощность и производительность локальной вытяжной вентиляции;

· механизмы и устройства для закрепления, вращения, перемещения детали при плазменном напылении;

· устройство для закрепления плазмотрона;

· габаритные размеры;

· масса.

Параметры режима плазменного напыления покрытий

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

Техника безопасности и экология в технологии нанесения плазменного покрытия

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

· шум, в том числе его высокочастотную составляющую, ультразвук;

· аэроионизацию;

· электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное);

· химические факторы (озон, оксиды азота);

· твердую фазу аэрозоля (металлы, их оксиды, карбиды, бориды, силициды);

· психофизическое напряжение (физическое, эмоциональное);

· электрический ток и др.

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

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

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

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

Подведем итоги:

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

· высокая производительность процесса;

· получение высококачественного покрытия, особенно в условиях общей защиты;

· наличие большого количества технологических факторов, варьирование которых обеспечивает гибкое регулирование процесса напыления;

· высокий коэффициент использования порошкового материала;

· широкая доступность метода как в основном, так и ремонтном производстве;

· экономичность;

· невысокая стоимость простейшего оборудования;

· возможность комплексной механизации и автоматизации процесса;

· продление ресурса дорогостоящих деталей (коленчатых валов, подшипников скольжения, поршневых колей и др.);

· уникальная возможность получения рабочих поверхностей деталей с заданными эксплуатационными свойствами;

· универсальность применения порошковых материалов, в том числе с высокой температурой плавления.

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

· низкий коэффициент использования электроэнергии, по порошкам 0,001--0,020;

· наличие несплошности (пористости) покрытия (2--15 %), в ряде случаев пористость способствует удержанию смазочного материала в покрытии, что эффективно сказывается на работе деталей в условиях сопряженного трения;

· невысокую прочность сцепления покрытия с основой и в самом покрытии -- 80--100 МПа;

· высокий уровень шума -- 60--120 дБ (cм. Средства защиты от шума);

· необходимость использования средств индивидуальной защиты от вредных и опасных воздействий в процессе напыления.

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

· повышение надежности и ресурса электродуговых плазмотронов, порошковых дозаторов, камер для напыления и абразивной обработки;

· повышение надежности и эффективности систем водо- и газоснабжения плазменных установок;

· совершенствование технологии плазменного напыления покрытий при расширении номенклатуры напыляемых деталей;

· увеличение номенклатуры применяемых порошковых материалов с целью расширения эксплуатационных свойств плазменного покрытия;

· повышение уровня мероприятий по защите обслуживающего персонала от вредных и опасных воздействий, возникающих в процессе плазменного напыления и др.

Размещено на Allbest.ur