• Главная
/
• Технологии компании «Плазмацентр»
/
• Плазменно-импульсное осаждение покрытий

Плазменно-импульсное осаждение покрытий

Плазменно-импульсное осаждение (ПИО) покрытий относится к процессам электрофизической обработки, в которых покрытие формируется за счет расплавления электрода (анода) и оплавления локальной зоны детали (катода) при подаче на них импульсов тока обратной полярности и генерирования плазменного потока.

Покрытие осаждается при ручном или механизированном (роботизированном) перемещении вибрирующего или вращающегося электрода относительно детали при воздействии плазмы газового разряда и межэлектродной среды (рис. 1). Образуемое покрытие имеют четкую границу раздела с металлом подложки и характеризуются повышенной адгезионной прочностью, например, по сравнению с газотермическими покрытиями (рис. 2).

Рис. 1. Схема ПИО покрытия с использованием вращающегося электрода

Рис. 2. Поперечный шлиф ПИО покрытия при использовании электрода из твердого сплава ВК8, основа - титановый сплав

Использование перемещения, вибрации или вращения электрода предотвращает его прилипание к детали. Применение вращающегося электрода способствует более равномерному его оплавлению по сравнению с вибрирующим и позволяет уменьшить шероховатость наносимого покрытия. Вибрация электрода при его периодическом касании детали обеспечивает проковку покрытия.

В результате плазменно-импульсного воздействия происходит быстрый нагрев поверхностного слоя с последующим интенсивным его охлаждением, путем отвода тепла, как в объем металла, так и в окружающую среду. Сверхвысокие скорости нагрева и охлаждения поверхностного слоя в сочетании с воздействием плазмы позволяют получать нано-, микрокристаллические и аморфные покрытия. При этом кроме термического и газодинамического воздействия, плазменный поток активирует процессы образования покрытий и легирования. При неравновесных быстропротекающих плазменно-импульсных процессах образуются покрытия, у которых свойства, химический и фазовый составы, микроструктура существенно отличаются от получаемых другими методами.

Поперечный разрез кратеров множества точечных образований при ПИО покрытий представляет сплошной новый материал с композиционной структурой, состоящей из трех слоев: верхнего мелкодисперсного «белого» слоя, среднего, образованного за счет диффузии химических элементов материала анода и нижнего - зоны отпуска от импульсного теплового воздействия. Формируемое покрытие при многократном воздействии электрических разрядов, высокоскоростном нагреве и повышенных скоростях охлаждения имеет крайне неравновесную структуру с высокой неоднородностью состава и градиентное уменьшение твердости от верхнего слоя к нижнему.

Толщина и элементный состав наносимых покрытий зависит от материала электрода и подложки, состава межэлектродной среды и режимов обработки. За счет одновременно действующих механизмов переноса материала с электрода на подложку и катодной очистки (катодного распыления) самой подложки имеет место ограничение толщины наносимого покрытия. Наиболее часто реализуемая толщина покрытия составляет 10-100 мкм. Образуемое покрытие в виде групп точек оптимально имеет шероховатость Ra 3,2-6,3 мкм. Для уменьшения шероховатости покрытий используется шлифование или притирка (доводка) поверхности с удалением части нанесенного материала.

Электроды для ПИО покрытий

В качестве электродов для ПИО покрытий, в основном, используются сплошные проволоки или стержни, получаемые путем проката или спекания. В табл. 1 представлены наиболее часто применяемые материалы электродов и области их применения. При нанесении покрытий могут использоваться композиции слоев с применением разных материалов электродов.

Таблица 1. Электроды для ПИО покрытий

Отличительные характеристики ПИО покрытий

• высокая адгезия покрытий к подложке;
• отсутствие нагрева и деформаций детали в процессе нанесения покрытия;
• нанесение покрытий в любых пространственных положениях;
• использование в качестве электродов различных токопроводящих материалов, как из чистых металлов, так и их сплавов, порошковых и других материалов;
• локальное осаждение покрытий в строго указанных местах, не защищая при этом остальную поверхность;
• использование при оловянировании (лужении), никелировании, серебрении, бронзировании локальных зон различных деталей, в том числе крупногабаритных;
• применение в качестве подготовительного процесса перед напылением газотермических покрытий, нанесением металлополимерных материалов, окраской;
• возможность образования на поверхностях деталей из титановых сплавов износостойкого покрытия карбида титана при их обработке графитовым электродом;
• возможность нанесения на упорных и опорных поверхностях втулок скольжения с небольшими внутренними диаметрами (менее 10 мм) антифрикционных молибденовых покрытий (на такие детали невозможно нанести качественные покрытия газотермическим напылением);
• нанесение покрытий в труднодоступных местах различных деталей за счет применения удлиненных электродов, например, при восстановлении рабочих поясов блока цилиндров дизельных двигателей;
• нанесение разнородных металлов, в том числе, последовательными слоями;
• восстановление дефектных и изношенных поверхностей деталей без их демонтажа;
• простота технологии, которая не требует специальной предварительной обработки поверхности и высокой квалификации оператора;
• применение малогабаритного и транспортабельного оборудования;
• низкая энергоемкость процесса (до 2,0 кВт);
• высокий коэффициент переноса материала (60-80%).

Процесс ПИО покрытий применяется для изменения физико-механических, трибологических и других функциональных свойств поверхности, восстановления износа и устранения поверхностных дефектов, точечной сварки и другого назначения.

Примеры использования ПИО покрытий

• нанесение антифрикционных покрытий на малогабаритные упорно-опорные подшипники скольжения - втулки, изготовленные из стали 20Х13;
• нанесение антифрикционных покрытий на сферические подшипники, изготовленные из стали 95Х18;
• нанесение покрытия на уплотнительные вкладыши роторов насосов для перекачки сжиженного газа;
• нанесение износостойких покрытий на детали штампов для горячей пробивки и формовки отверстий, изготовленные из стали 5ХНМ;
• нанесение износостойких покрытий на вырубные штампы, изготовленные из сталей Х12М, У8;
• нанесение серебряных электропроводных покрытий на медные и стальные контактные поверхности в собранных узлах электрических машин для уменьшения переходного электрического сопротивления и повышения коррозионной стойкости;
• нанесение покрытий для повышения коррозионной стойкости в растворе соляной кислоте сварных соединений из титанового сплава ВТ1-0 за счет пассивации поверхности анодными элементами или катодными элементами (при поверхностном легировании катодными элементами нет необходимости наносить сплошное покрытие, так как механизм защиты в этом случае имеет электрохимический характер);
• нанесение износостойких покрытий на пальцы, противорежущие пластины и сегменты жаток зерноуборочных комбайнов ДОН-1500, John Deere 1147, John Deere 9560, New Holland CX840;
• нанесение износостойких покрытий на переднюю режущую поверхность ножей куттера;
• нанесение покрытий на края шпоночных пазов, упрочнение и восстановление прессовых посадок;
• нанесение покрытий на квадратные фланцевые чугунные корпуса подшипниковых узлов катков почвообрабатывающих машин фирмы Amozone;
• нанесение покрытий на рабочие поверхности эджерных валков колесопрокатных станов;
• нанесение покрытий на матрицы из стали 4Х5В2ФС, используемые при производстве алюминиевого проката;
• нанесение покрытий повышенной толщины (восстановление посадочных поверхностей под подшипники качения) на детали из алюминиевых сплавов;
• нанесение для ремонта трубчатых элементов алюминиевых радиаторов для бесфлюсовой пайки автотракторных радиаторов (ПИО покрытий позволяет разрушить оксидную пленку на поверхности трубок и облегчить последующее лужение, после лужения дефектное место паяется стандартным способом и трудностей не представляет);
• восстановление дефектов путем нанесения покрытий на чугунные гильзы цилиндров автобусных дизельных двигателей MAN и Caterpillar без демонтажа из блоков цилиндров;
• нанесение антифрикционного покрытия на пару трения «гильза – поршневое кольцо» двигателя Д-100;
• нанесение эрозионностойких покрытий на рабочие лопатки турбин входных и выходных кромок из высокохромистых коррозионно-стойких сталей 13Х13-Ш, 20Х13-Ш, 15Х11МФ-Ш, 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ (961-Ш), титановых сплавов ТС-5, ВТ 6;
• нанесение покрытий на поршни литейных машин, контактирующие с жидким металлом под давлением, изготовленные из серого чугуна;
• нанесение покрытий на рабочие поверхности поршней ДВС, изготовленных из алюминиевых сплавов;
• нанесение износостойких покрытий на ролики правильных машин;
• нанесение износостойких покрытий на рабочие поверхности упорных центров (полуцентров);
• нанесение износостойких покрытий на рабочие поверхности подающих (зажимных) цанг и вкладышей к цангам.

Все вышеприведенные примеры эффективного использования ПИО покрытий основаны на применении конкретного оборудования, материалов, технологических режимов, связаны с профессионализмом оператора.