Plasmaoverfladebehandling: udstyr og procesteknologi

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Effektiviteten og problemerne ved plasmaoverfladebehandling er ekstremt akutte for materialeingeniører. Takket være denne teknologi er det muligt ikke kun at øge levetiden og pålideligheden af højt belastede dele og samlinger markant, men også at genoprette, ser det ud til, hundrede procent slidte og ødelagte produkter.

Introduktionen af plasma-overfladebehandling i den teknologiske proces øger ingeniørprodukternes konkurrenceevne markant. Processen er ikke grundlæggende ny og har været brugt i lang tid. Men den forbedrer og udvider konstant sine teknologiske muligheder.

Generelle bestemmelser

Plasma er en ioniseret gas. Det er pålideligt kendt, at plasma kan opnås ved forskellige metoder som følge af elektriske, termiske eller mekaniske effekter på gasmolekyler. For dets dannelse er det nødvendigt at rive negativt ladede elektroner af fra positive atomer.

I nogle kilder kan du findeinformation om, at plasma er den fjerde aggregeringstilstand af stof sammen med fast, flydende og gasformigt. Ioniseret gas har en række nyttige egenskaber og bruges i mange grene af videnskab og teknologi: plasmaoverfladebehandling af metaller og legeringer for at genoprette og hærde tungt belastede produkter, der oplever cykliske belastninger, ion-plasma-nitrering i en glødeudladning til diffusionsmætning og hærdning af overflader på dele til implementering af kemiske processer bejdsning (bruges i elektronikfremstillingsteknologi).

Forberedelse til arbejde

Før du begynder at gå til overfladen, skal du konfigurere udstyret. I overensstemmelse med referencedataene er det nødvendigt at vælge og indstille den korrekte hældningsvinkel for brænderdysen til produktets overflade, justere afstanden fra enden af brænderen til delen (den skal være fra 5 til 8) millimeter) og indsæt ledningen (hvis ledningsmaterialet er på overfladen).

Hvis belægningen vil blive udført ved udsving af dysen i tværgående retninger, så er det nødvendigt at indstille hovedet på en sådan måde, at svejsningen er nøjagtigt i midten mellem yderpunkterne af fluktuationsamplituderne af hoved. Det er også nødvendigt at justere mekanismen, der indstiller frekvensen og størrelsen af hovedets oscillerende bevægelser.

Plasmabueoverfladeteknologi

Belægningsprocessen er ret enkel og kan udføres med succes af enhver erfaren svejser. Han kræver dogudøver af maksimal koncentration og opmærksomhed. Ellers kan du nemt ødelægge emnet.

En kraftig lysbueudledning bruges til at ionisere arbejdsgassen. Frigørelsen af negative elektroner fra positivt ladede atomer udføres på grund af den termiske effekt af den elektriske lysbue på strålen af arbejdsgasblandingen. Men under en række forhold er flowet ikke kun muligt under påvirkning af termisk ionisering, men også på grund af påvirkningen af et kraftigt elektrisk felt.

Gas leveres under tryk på 20-25 atmosfærer. Til dens ionisering kræves en spænding på 120-160 volt med en strøm på omkring 500 ampere. Positivt ladede ioner fanges af magnetfeltet og skynder sig til katoden. Elementarpartiklernes hastighed og kinetiske energi er så stor, at når de kolliderer med metal, er de i stand til at give det en enorm temperatur - fra +10 … +18.000 grader Celsius. I dette tilfælde bevæger ionerne sig med en hastighed på op til 15 kilometer i sekundet (!). Plasma overfladeinstallationen er udstyret med en speciel enhed kaldet en "plasma fakkel". Det er denne knude, der er ansvarlig for ioniseringen af gassen og opnåelse af en rettet strøm af elementarpartikler.

Bugens kraft skal være sådan, at den forhindrer smeltning af grundmaterialet. Samtidig bør produkttemperaturen være så høj som muligt for at aktivere diffusionsprocesser. Temperaturen bør således nærme sig likviduslinjen på jern-cementitdiagrammet.

Fint pulver af en speciel sammensætning eller elektrodetråd føres ind i en stråle af højtemperaturplasma, hvori materialetsmelter. I flydende tilstand falder overfladen på den hærdede overflade.

Plasmasprøjtning

For at implementere plasmasprøjtning er det nødvendigt at øge plasmaflowhastigheden markant. Dette kan opnås ved at justere spænding og strøm. Parametre vælges empirisk.

Materialer til plasmasprøjtning er ildfaste metaller og kemiske forbindelser: wolfram, tantal, titanium, borider, silicider, magnesiumoxid og aluminiumoxid.

Den ubestridelige fordel ved sprøjtning sammenlignet med svejsning er evnen til at opnå de tyndeste lag, i størrelsesordenen adskillige mikrometer.

Denne teknologi bruges til at hærde skærende drejning og fræsning af udskiftelige hårdmetalskær, såvel som haner, bor, forsænke, rivere og andet værktøj.

Opnåelse af en åben plasmastråle

I dette tilfælde fungerer selve emnet som en anode, hvorpå materialet aflejres af plasma. Den åbenlyse ulempe ved denne forarbejdningsmetode er opvarmningen af overfladen og hele volumen af delen, hvilket kan føre til strukturelle transformationer og uønskede konsekvenser: blødgøring, øget skørhed og så videre.

Lukket plasmajet

I dette tilfælde fungerer gasbrænderen, mere præcist, dens dyse, som en anode. Denne metode bruges til plasma-pulver overfladebehandling for at genoprette og forbedre ydeevnen af dele ogmaskinknudepunkter. Denne teknologi har vundet særlig popularitet inden for landbrugsteknik.

Fordele ved Plasma Hardfacing

En af de vigtigste fordele er koncentrationen af termisk energi i et lille område, hvilket reducerer temperaturens indvirkning på materialets oprindelige struktur.

Processen er godt overskuelig. Hvis det ønskes, og med passende udstyrsindstillinger, kan overfladelaget variere fra nogle få tiendedele millimeter til to millimeter. Muligheden for at opnå et kontrolleret lag er især relevant i øjeblikket, da det gør det muligt at øge den økonomiske effektivitet af forarbejdningen betydeligt og opnå optimale egenskaber (hårdhed, korrosionsbestandighed, slidstyrke og mange andre) af overfladerne på stålprodukter.

En anden ikke mindre vigtig fordel er evnen til at udføre plasmasvejsning og overfladebehandling af en lang række materialer: kobber, messing, bronze, ædelmetaller såvel som ikke-metaller. Traditionelle svejsemetoder er langt fra altid i stand til at gøre dette.

Hardfacing-udstyr

Installation til plasma-pulver overfladebehandling inkluderer en choker, oscillator, plasma brænder og strømforsyninger. Den bør også være udstyret med en anordning til automatisk at tilføre metalpulvergranulat til arbejdsområdet og et kølesystem med konstant vandcirkulation.

Strømkilder til plasma-hardfacing skal opfylde strenge kravstabilitet og pålidelighed. Svejsetransformatorer gør det bedste stykke arbejde med denne rolle.

Ved overfladebehandling af pulvermaterialer på en metaloverflade anvendes den såkaldte kombinerede lysbue. Både åbne og lukkede plasmastråler bruges samtidigt. Ved at justere kraften af disse buer er det muligt at ændre arbejdsemnets indtrængningsdybde. Under optimale forhold vil forvrængning af produkter ikke forekomme. Dette er vigtigt ved fremstilling af dele og samlinger af finmekanik.

Materialeføder

Metalpulver doseres af en speciel enhed og føres ind i smeltezonen. Mekanismen eller princippet for drift af feederen er som følger: Rotorbladene skubber pulveret ind i gasstrømmen, partiklerne opvarmes og klæber til den behandlede overflade. Pulveret føres gennem en separat dyse. I alt er der installeret tre dyser i gasbrænderen: til tilførsel af plasma, til tilførsel af arbejdspulver og til beskyttelsesgas.

Hvis du bruger tråd, er det tilrådeligt at bruge standardfremføringsmekanismen for en nedsænket buesvejsemaskine.

Overfladeforberedelse

Plasmaoverfladebehandling og sprøjtning af materialer bør forud for en grundig rengøring af overfladen for fedtpletter og andre forurenende stoffer. Hvis det under konventionel svejsning er tilladt kun at udføre ru overfladerensning af samlinger fra rust og skalaer, skal overfladen af emnet ideelt (så vidt muligt) være ren uden fremmede indeslutninger, når der arbejdes med gasplasma. Den tyndeste oxidfilm er i stand tilsvækker den klæbende interaktion mellem hårdbelægningen og basismetallet markant.

For at forberede overfladen til belægning anbefales det at fjerne et ubetydeligt overfladelag af metal ved bearbejdning ved skæring, efterfulgt af affedtning. Hvis delens dimensioner tillader det, anbefales det at vaske og rense overfladerne i et ultralydsbad.

Vigtige træk ved metalbelægning

Der er flere muligheder og metoder til plasmaoverfladebehandling. Brugen af tråd som materiale til overfladebehandling øger processens produktivitet betydeligt sammenlignet med pulvere. Dette skyldes, at elektroden (tråden) fungerer som en anode, hvilket bidrager til en meget hurtigere opvarmning af det aflejrede materiale, hvilket betyder, at du kan justere forarbejdningstilstandene opad.

Men kvaliteten af belægningen og vedhæftningsegenskaberne er klart på siden af pulveradditiver. Brugen af fine metalpartikler gør det muligt at opnå et ensartet lag af enhver tykkelse på overfladen.

Surfacing powder

Anvendelsen af pulverbelægning er at foretrække med hensyn til kvaliteten af de resulterende overflader og slidstyrke, så pulverblandinger bliver i stigende grad brugt i produktionen. Den traditionelle sammensætning af pulverblandingen er kobolt- og nikkelpartikler. Legeringen af disse metaller har gode mekaniske egenskaber. Efter forarbejdning med en sådan sammensætning forbliver overfladen af delen perfekt glat, og der er ikke behov for dens mekaniske efterbehandling og eliminering af uregelmæssigheder. Fraktionen af pulverpartikler er kun nogle få mikrometer.