Fizičko-hemijska modifikacija se podrazumijeva kao ciljana promjena svojstava površine kao rezultat tehnološkog vanjskog utjecaja. To se odnosi na promjenu strukture materijala u tankim površinskim slojevima uslijed fizičkog utjecaja (jonski i elektronski snopovi, niskotemperaturna i visokotemperaturna plazma, električno pražnjenje i sl.) ili kemijskog utjecaja, što dovodi do stvaranja kemijske tvari. jedinjenja na bazi osnovnog materijala na površini slojeva (hemijska, elektrohemijska i termička oksidacija, fosfatiranje, sulfidacija, plazma nitriranje itd.).
Očigledno je da ne postoji jasna klasifikacijska granica između procesa fizičko-hemijske modifikacije i površinskog očvršćavanja.
Među brojnim metodama fizičko-hemijske modifikacije, najviše obećavaju ionska implantacija, anodizacija, posebno impulsna (obrada u plazmi elektrolita) i lasersko očvršćavanje.
Ionska implantacija je relativno nova metoda fizičko-hemijske modifikacije zasnovana na uvođenju ubrzanih jona legirajućih elemenata u površinski sloj.
|
Rice. 19.12. Dijagram instalacije za ionsku implantaciju sa linearnim akceleratorom (A ) od D-implantaiii (b):
1 - izvor jona; 2 - sistem za ekstrakciju jona; 3 - separator; 4 - magneti za fokusiranje; 5 - linearni akcelerator; 6 - elektrostatički sistem otklona; 7 - protok jona; 8 - kaljeni dijelovi
Implantirani joni imaju plitku dubinu prodiranja, ali njihov uticaj seže mnogo dalje od površine.
Mogu se razlikovati sljedeće karakteristike ionske implantacije:
Mogućnost formiranja legura na površini koje se ne mogu dobiti u normalnim uslovima zbog ograničene rastvorljivosti ili difuzije komponenti. U nekim slučajevima, granice ravnotežne rastvorljivosti su prekoračene za nekoliko redova veličine;
Doping nije povezan sa procesima difuzije, sa izuzetkom modifikacije materijala za implantaciju jona pri visokim gustoćama struje, kada se posmatra radijacijom stimulisana difuzija komponenti;
Proces se odvija na niskim temperaturama (manje od 150 °C), bez promjene mehaničkih svojstava materijala. Metoda omogućava obradu materijala osjetljivih na toplinu;
Nema primjetne promjene u veličini dijelova nakon implantacije;
Modificirane površine ne zahtijevaju daljnju završnu obradu;
Proces je dobro kontrolisan i ponovljiv;
Ekološka čistoća procesa;
Očvršćavaju se samo izložene površine direktno izložene ionskom zračenju;
Mala dubina modifikovanog sloja;
Relativno visoka cijena opreme.
Instalacija za implantaciju sa jonskim snopom sadrži izvor jona, sistem za „povlačenje” jona 2, separator jona 3, magnetna sočiva za fokusiranje 4, linearni akcelerator 5 i elektrostatički sistem za otklanjanje b. U praksi se koriste kontinuirani i impulsni jonski izvori različitih dizajna koji generišu ione gasova (od vodonika do kriptona) i metala (sa toplom i hladnom katodom, magnetronom, dijaplazmtronom itd.). Joni koji napuštaju izvor su heterogenog sastava. Za odvajanje stranih jona koristi se magnetni separator mase, koji odbija ione koji imaju različitu masu i naboj od glavne ose. "Pročišćeni" snop jona se fokusira i ubrzava u linearnom akceleratoru. Skeniranje snopa jona preko površine dijela koji se kaljuje vrši se sistemom za otklon 6 .
Da bi se osiguralo jednolično otvrdnjavanje, dio se rotira i rotira u odnosu na gredu.
Implantacija jona sa jonima plazme - ponekad se naziva 3B implantacija - izvodi se u vakuum komorama, gde se stvara jonizovano okruženje svetlećim ili lučnim pražnjenjem, a na deo se primenjuje impulsni visoki napon koji obezbeđuje ubrzanje jona u pravcu bombardovanih površina. Visokoenergetski jonski tok može se formirati direktno tokom sagorevanja impulsnog samopražnjenja između uzemljene vakuumske komore i proizvoda koji je katoda.
Ioni ubrzani u upadnom polju katode male debljine učinkovito modificiraju površinu proizvoda, koja može imati složen volumetrijski oblik. Upadni joni stvaraju snop elektrona sa površine proizvoda, koji, u interakciji sa plazmom, osigurava samoodrživo pražnjenje. Ova metoda ima određene prednosti u odnosu na metode zračenja zbog jednostavnosti i relativno niske cijene implementacije tehnoloških procesa. Može se kombinovati sa drugim metodama ionsko-plazma obrade, kao što su magnetron, vakuumsko-lučno i plazma-termalno raspršivanje, ionsko nitriranje itd.
Implantacija visokoenergetskih jona koristi ione gasa sa energijama do 100 keV za jačanje metala i legura, keramike i polimera.
Tretman sa visokoenergetskim ionima dušika učinkovito povećava izdržljivost alata za rezanje i štancanje i otpornost dijelova na zamor.
Implantacija intersticijskih atoma (dušik, ugljik i bor) poboljšava otpornost na habanje i zamor čelika. Ovi elementi imaju svojstvo segregacije na dislokacije i na sobnoj temperaturi, što blokira njihovo kretanje i učvršćuje površinski sloj, a to zauzvrat sprječava nastanak zamornih pukotina.
Kada je nikl jon implantiran sa borom, zamorna čvrstoća se povećava za više od 100%.
Povećanje zamorne čvrstoće nije posljedica efekta zaostalih tlačnih naprezanja koji nastaju tijekom implantacije jona, kao što se ranije mislilo, već inhibicije razvoja zamornih pukotina zbog smanjenja pokretljivosti dislokacije.
Da bi se povećala svojstva protiv trenja, mogu se implantirati ioni molibdena i duplo veća količina iona sumpora. Implantacija zgloba može postati nova metoda za formiranje antifrikcionih i drugih specijalnih legiranih slojeva.
Implantacijom titana na površini se dobija amorfna Ti-C-Fe faza, što dovodi do smanjenja trenja i habanja.
Ionska implantacija se široko koristi za poboljšanje otpornosti čeličnih dijelova na koroziju. U tu svrhu se implantiraju joni.
Lokalna termička obrada vrši modifikaciju strukture površinskog sloja. Istovremeno, daju se takvi temperaturno-vremenski režimi i rezultati očvršćavanja koje je teško ili nemoguće dobiti tradicionalnim metodama termičke obrade, i to:
Visoke brzine grijanja i hlađenja (brzine zagrijavanja dostižu vrijednosti od 10 4 ... 10 8 K/s, a brzine hlađenja - 10 3 ... 10 4 K/s, u zavisnosti od vremena izlaganja i energije zračenja, kao i kao na laserskim režimima rada). Takvi načini grijanja i hlađenja dovode do neravnotežnih faznih transformacija i pomaka u kritičnim tačkama I sa I A, formiranje prezasićenih čvrstih otopina s fino dispergiranim strukturama, uključujući i amorfne. Kao rezultat, formira se sloj povećane tvrdoće (premašuje za 15 ... 20% tvrdoću nakon stvrdnjavanja postojećim metodama), s dobrom otpornošću na habanje i stvrdnjavanje tijekom trenja;
Mogućnost očvršćavanja površina na teško dostupnim mjestima (šupljine, udubljenja), gdje se laserski snop može uvesti pomoću optičkih uređaja;
Upotreba lasera omogućava oštro smanjenje dubine očvrslog sloja i efektivnu kontrolu njegove veličine.
Lasersko otvrdnjavanje koristi se za kaljenje reznih i mjernih alata, radnih rubova kalupa i probijača do dubine do 0,15 mm (pulsno zračenje) i do 1,5 mm (kontinuirano zračenje). Na alatnim čelicima tvrdoća je 63 ... 67 HRC. Hrapavost tretirane površine se ne mijenja.
Utvrđeno je da korištenje laserskog zračenja kao izvora grijanja pri termoplastičnom očvršćavanju legura nikla omogućava postizanje zaostalih tlačnih napona do 10 GPa u površinskom sloju.
Laserskom termičkom obradom moguće je stvoriti uslove za selektivno isparavanje ispupčenja, što dovodi do smanjenja hrapavosti površine.
Lasersko nanošenje je jedna od najperspektivnijih metoda za obnavljanje kritičnih dijelova plinskoturbinskih motora, posebno lopatica turbina i kompresora. Njegove glavne prednosti su sposobnost uklanjanja malih nedostataka bez zagrijavanja površine uz defekt i odsutnost kašnjenja tijekom obrade površine.
Lasersko navarivanje se izvodi u komorama sa zaštitnom atmosferom ili ubrizgavanjem inertnog gasa. Kao materijali za punjenje koriste se žica, folija ili prah.
Lasersko navarivanje legurama metala u prahu sa minimalnim termičkim efektima omogućava višestruko povećanje performansi delova pod visokim temperaturama, erozijom i drugim radnim uslovima.
Ministarstvo obrazovanja i nauke Ruske Federacije
Federalna državna autonomna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja "Uralski federalni univerzitet po imenu prvog predsjednika Rusije B.N. Jeljcina"
Katedra za termičku obradu i fiziku metala
"Klasifikacija premaza prema funkcionalnim svojstvima i načinu nanošenja"
Učitelj:
vanredni profesor, dr. Rossina N.G.
Student: Trapeznikov A.I.
Grupa: Mt 320701
Ekaterinburg 2015
Uvod
Klasifikacija premaza i načini njihove proizvodnje
1 Promene fizičkih i hemijskih svojstava površina tokom nanošenja premaza
2 Unutrašnji premazi
3 Vanjski premazi
4 Priprema površine prilikom nanošenja premaza
Hemijske i elektrohemijske metode premazivanja
1 Klasifikacija hemijskih i elektrohemijskih premaza
2 Suština metode hemijskog premaza
3 Premazivanje proizvoda
Vakum kondenzacioni premaz
Nanošenje površinskih premaza korištenjem koncentriranih izvora topline
1 Klasifikacija nanesenih premaza
2 Područja primjene oblaganja
Nanošenje premaza oblaganjem
Metode plinsko-termalnog oblaganja
1 Klasifikacije metoda
Plazma prskanje premaza
1 Prednosti i nedostaci metode plazma raspršivanja
Raspršivanje premaza plinskim plamenom
Zaključak
Uvod
Premazi dostupni u modernoj tehnologiji vrlo su raznoliki kako po svojstvima tako i po metodama proizvodnje. Upotreba zaštitnih, zaštitno-dekorativnih i specijalnih premaza omogućava rješavanje mnogih problema. Odabirom premaznog materijala, uslova za njihovu nanošenje, kombinovanjem metalnih i nemetalnih premaza, moguće je površini proizvoda dati različitu boju i teksturu, potrebna fizička, mehanička i hemijska svojstva: povećana tvrdoća i otpornost na habanje, visoka reflektivnost, poboljšana svojstva protiv trenja, površinska električna provodljivost, itd. Ali optimalan izbor premaza ili metoda završne obrade nemoguć je bez sveobuhvatnog razmatranja njihovih svojstava i proizvodnih karakteristika.
Tehnologija premaza, zajedno sa drugim naučno intenzivnim i energetski štedljivim industrijama, jedan je od glavnih pravaca razvoja moderne proizvodnje u naprednim zemljama svjetske zajednice.
Trenutno se nastavlja usavršavanje i potraga za novim metodama premaza. Proučavanje metoda nanošenja premaza, njihovih varijanti; termodinamika procesa pri stvaranju premaza različitih vrsta na metalnim i nemetalnim površinama; struktura, struktura i performanse premaza; osnovna oprema za plinsko-termalno i elektrotermalno premazivanje metalnih proizvoda.
Proučavanje metoda za poboljšanje kvaliteta proizvoda formiranjem višeslojnih i ojačanih premaza; metrološka kontrola tehnoloških parametara formiranja i njihovih svojstava.
Uloga i mjesto premaza u savremenoj proizvodnji
Premazi su jednoslojna ili višeslojna struktura koja se nanosi na površinu radi zaštite od vanjskih utjecaja (temperatura, pritisak, korozija, erozija itd.).
Postoje spoljašnji i unutrašnji premazi.
Vanjski premazi imaju granicu između premaza i površine proizvoda. Shodno tome, veličina proizvoda se povećava debljinom premaza, a težina proizvoda se povećava.
U unutrašnjim premazima nema sučelja i dimenzije i težina proizvoda ostaju nepromijenjeni, dok se svojstva proizvoda mijenjaju. Unutrašnji premazi se nazivaju i modificirajući premazi.
Prilikom nanošenja premaza rješavaju se dva glavna problema
Promena početnih fizičkih i hemijskih svojstava površine proizvoda koji obezbeđuju određene uslove rada;
Vraćanje svojstava, dimenzija, težine površine proizvoda oštećene radnim uslovima.
Namjena i područja primjene premaza
Glavni razlog za nastanak i razvoj tehnologije nanošenja zaštitnih premaza bila je želja za povećanjem trajnosti dijelova i sklopova različitih mehanizama i strojeva. Optimizacija sistema premaza uključuje odgovarajući odabir sastava premaza, strukture, poroznosti i adhezije, uzimajući u obzir i temperature premaza i radne temperature, kompatibilnost podloge i materijala premaza, dostupnost i cijenu materijala za premazivanje, kao i mogućnost obnavljanja, popravke. i pravilno ga održavati tokom rada.
Upotreba nedovoljno jakog premaza, čija se debljina značajno smanjuje tokom rada, može dovesti do smanjenja čvrstoće cijelog dijela zbog smanjenja efektivne površine njegovog ukupnog poprečnog presjeka. Međusobna difuzija komponenti sa podloge na premaz i obrnuto može dovesti do iscrpljivanja ili obogaćivanja legura u jednom od elemenata. Toplotno izlaganje može promijeniti mikrostrukturu podloge i uzrokovati pojavu zaostalih naprezanja u premazu. Uzimajući u obzir sve navedeno, optimalan izbor sistema treba da obezbedi njegovu stabilnost, odnosno očuvanje svojstava kao što su čvrstoća (u različitim aspektima), duktilnost, čvrstoća na udar, zamor i otpornost na puzanje nakon bilo kakvog udara. Rad u uslovima brzog termičkog ciklusa ima najjači uticaj na mehanička svojstva, a najvažniji parametar je temperatura i vreme njegovog izlaganja materijalu; interakcija sa okolnim radnim okruženjem određuje prirodu i intenzitet izlaganja hemikalijama.
Mehaničke metode spajanja premaza na podlogu često ne daju potrebnu kvalitetu prianjanja. Mnogo bolji rezultati se obično postižu metodama difuzijskog spajanja. Dobar primjer uspješnog difuzijskog premaza je aluminiziranje crnih i obojenih metala.
1. Klasifikacija premaza i metode za njihovu proizvodnju
Trenutno postoji mnogo različitih premaza i metoda za njihovu proizvodnju.
Mnoge publikacije predlažu različite šeme klasifikacije neorganskih premaza na osnovu različitih karakteristika. Premazi se mogu klasificirati prema sljedećim osnovnim principima:
Po namjeni (antikorozivni ili zaštitni, otporni na toplinu, otporni na habanje, antifrikcioni, reflektirajući, dekorativni i drugi);
Po fizičkim ili hemijskim svojstvima (metalni, nemetalni, vatrostalni, hemijski otporni, reflektujući, itd.);
Po prirodi elemenata (hrom, hrom-aluminijum, hrom-silicijum i drugi);
Po prirodi faza formiranih u površinskom sloju (aluminid, silicid, borid, karbid i dr.)
Pogledajmo najvažnije premaze, klasificirane prema namjeni.
Zaštitni premazi - glavna namjena je povezana s njihovim različitim zaštitnim funkcijama. Premazi otporni na koroziju, toplinu i habanje postali su široko rasprostranjeni. Široko se koriste i toplinski, elektroizolacijski i reflektirajući premazi.
Strukturni premazi i folije djeluju kao strukturni elementi u proizvodima. Takođe se posebno koriste u proizvodnji proizvoda u instrumentarstvu, elektronskoj opremi, integrisanim kolima, u turbomlaznim motorima - u obliku aktiviranih zaptivki u turbinama i kompresorima, itd.
Tehnološki premazi su namijenjeni olakšavanju tehnoloških procesa u proizvodnji proizvoda. Na primjer, primjena lemljenja prilikom lemljenja složenih struktura; proizvodnja poluproizvoda u procesu visokotemperaturne deformacije; zavarivanje različitih materijala itd.
Dekorativni premazi imaju izuzetno široku primjenu u proizvodnji proizvoda za domaćinstvo, ukrasima, poboljšanju estetike industrijskih instalacija i uređaja, protetici u medicinskoj opremi itd.
Obnavljajući premazi - daju ogroman ekonomski učinak pri restauraciji istrošenih površina proizvoda, kao što su osovine propelera u brodogradnji; Oklopi radilice motora s unutarnjim izgaranjem; lopatice u turbinskim motorima; razni alati za rezanje i presovanje.
Optički premazi - smanjuju refleksiju u odnosu na čvrste materijale, uglavnom zbog geometrije površine. Profiliranje pokazuje da je površina nekih premaza skup hrapavosti čija se visina kreće od 8 do 15 mikrona. Na pojedinačnim makronepravilnostima formiraju se mikroneravnine čija se visina kreće od 0,1 do 2 mikrona. Dakle, visina nepravilnosti je srazmerna talasnoj dužini upadnog zračenja. Refleksija svjetlosti od takve površine događa se u skladu sa Frenkelovim zakonom.
U literaturi postoje različiti principi za klasifikaciju metoda premaza. Iako treba napomenuti da ne postoji jedinstven sistem klasifikacije metoda nanošenja premaza. Hawking i brojni drugi istraživači su predložili tri klasifikacije metoda premazivanja:
Prema faznom stanju medija iz kojeg se nanosi premaz;
Prema stanju primijenjenog materijala;
Prema stanju procesa koji definišu jednu grupu metoda
premazivanje.
Klasifikacije metoda premazivanja detaljnije su prikazane u tabeli 1.
Tabela 1. Prednosti i nedostaci različitih metoda premazivanja
MetodaPrednostiNedostaciPVDVsvestranost; Svi čvrsti elementi i materijali se mogu deponovati. Moguće je dobiti tanke filmove i prilično debele premaze. Postoje različite modifikacije metode. H = 5-260 mikrona.Prevlake je moguće nanositi samo na vidljivi dio površine. Slaba sposobnost disipacije. Skupa oprema.CVDCNatječe se s metodom fizičkog taloženja. Mogu se primijeniti elementi i spojevi koji su kemijski aktivni i u parnom stanju. Dobra sposobnost disperzije. H = 5-260 µm Izvor grijanja igra važnu ulogu. Taloženje se obično vrši na višim temperaturama nego kod metode fizičkog taloženja. Podloga se može pregrijati. Može doći do nepoželjnog direktnog taloženja Difuzijsko taloženje iz čvrstih materija Dobra uniformnost i bliske tolerancije dimenzija premaza. Visoka ekonomska efikasnost procesa. Najčešći materijali za premazivanje su Al i Cr. Visoka tvrdoća premaza. H = 5 - 80 µm Ograničene dimenzije podloge. Nije prikladno za podloge osjetljive na visoke temperature. Tanji premazi od drugih metoda difuzije. Moguća krhkost premaza Prskanje Mogućnost kontrole uslova prskanja i kvaliteta nanesenog materijala tokom procesa. Mogućnost dobijanja debelih, ujednačenih premaza. H = 75 - 400 µm Kvalitet zavisi od kvalifikacija operatera. Podloga mora biti otporna na toplinu i udarce. Premazi su porozni sa hrapavom površinom i mogućim inkluzijama Obloga Mogu se nanositi debeli premazi. Velike podloge se mogu obraditi. H = 5 - 10% debljine podloge Moguće savijanje podloge. Pogodno za krute podloge Elektrotaloženje (uključujući hemijsku i elektroforezu) Isplativ proces kada se koriste vodeni elektroliti. Moguće je nanošenje plemenitih metala i vatrostalnih premaza od rastopljenih soli. Koristi se za industrijsku proizvodnju kermeta. Hemijsko taloženje i elektroforeza primjenjive su samo za određene elemente i vrste supstrata. H = 0,25 - 250 µm Pažljiv dizajn opreme je potreban kako bi se osigurala dobra disipacija. Upotreba rastopljenih soli kao elektrolita zahtijeva strogu kontrolu kako bi se spriječila vlaga i oksidacija. Štetne pare iznad taline. Premazi mogu biti porozni i napregnuti. Ograničeno na posebna područja visokih temperatura. Vruće potapanje Relativno debeli premazi. Metoda brzog premaza. H = 25 - 130 mikrona Ograničeno samo nanošenjem A1 za dobijanje visokotemperaturnih premaza. Premazi mogu biti porozni i diskontinuirani.
Tabela 2. Klasifikacija metoda premazivanja prema faznom stanju medija
Čvrsto stanjeMehaničko vezivanje Oblaganje Sinterovanje Tečno stanje Vruće potapanje Raspršivanje Polutečno ili pastozno stanje Sol-gel proces Slip LemljenjeGasno okruženje (atomska, jonska ili elektronska interakcija)Fizičko taloženje pare Kemijsko taloženje pareRješenjeKemijska obrada Galvanska elektronikaPlasmaSgalva
Tablica 3. Klasifikacija metoda premazivanja prema stanju procesa koji definiraju jednu grupu metoda
Mehanička masa za oblaganje Fizička fizička taloženje pare Vakumski premazi Termičko isparavanje Raspršivanje Ion taloženje Kemijsko Kemijsko taloženje pare Taloženje iz elektrolita bez primjene električnog polja Elektrohemijsko U vodenim otopinama U rastopljenim solima RaspršivanjeDetonacijski pištolj Plasiranje električnim lukom La Metall-Galin Ručni električni luk za metalna žica ding kiseonik-acetilensko zavarivanje u plazmi luk Plazma zavarivanje Fuzija prskanjem Potopljeni luk Još jedan između volframovih elektroda u inertnom okruženju
Tabela 4. Klasifikacija metoda prema stanju primijenjenog materijala i metodama izrade
Grupa 1 Atomsko ili jonsko stanjeVakumske metode: Vakuumsko isparavanje Taloženje ionskim snopom Epitaksijalno taloženje molekularnim snopom Plazma metode: Raspršivanje (jonsko, magnetronsko) Taloženje jona Plazma polimerizacija Aktivirana reakcija isparavanje Taloženje katodnim lukom Hemijska interakcija u reagensu Depozicija isparavanjem Reduma depozicija Vaporom depozicijom Taloženje elektrolita: Galvanizacija Hemijsko taloženje Taloženje rastopljene soli Hemijska supstitucija Grupa 2 Čestice Metode udara Fuzija: Debeli premaz Emajliranje Elektroforeza Termičke metode: Atomizacija plamenom Atomizacija plazmom Detonacija atomizacija Sol-gel proces Grupa 3 Rasuti materijal: Eksterni materijal za eksterno brušenje Vanjski premaz. Vruće potapanje Elektrostatičke metode: Spin Coating Spray patterning Grupa 4 Modifikacija površinske strukture Laserska modifikacija površine Toplotna obrada Implantacija jona Površinsko legiranje: Masovna difuzija Raspršivanje Ispiranje Hemijska konverzija difuzija tekućina-para (zagrijavanje, plazma) Elektrolitičko eloksiranje Mehanička izmjena rad u rastopljenim solima Peskarenje
1.1 Promjene fizičkih i hemijskih svojstava površina tokom nanošenja premaza
Površinski sloj (prevlaka) igra odlučujuću ulogu u formiranju operativnih i drugih svojstava proizvoda, čije stvaranje na površini čvrstog tijela gotovo uvijek mijenja fizička i kemijska svojstva u željenom smjeru. Primjena premaza omogućava vam da vratite prethodno izgubljena svojstva tijekom rada proizvoda. Međutim, najčešće se mijenjaju svojstva originalnih površina proizvoda dobivenih prilikom njihove proizvodnje. U ovom slučaju, svojstva materijala površinskog sloja značajno se razlikuju od svojstava originalne površine. U velikoj većini, kemijski i fazni sastav novostvorene površine se mijenja, što rezultira proizvodima sa potrebnim karakteristikama performansi, na primjer, visokom otpornošću na koroziju, otpornošću na toplinu, otpornošću na habanje i mnogim drugim pokazateljima.
Promjena fizičkih i kemijskih svojstava originalnih površina proizvoda može se postići stvaranjem unutarnjih i vanjskih premaza. Moguće su i kombinovane opcije (slika 1).
premaz hemijska vakuumska obloga
Prilikom nanošenja unutarnjih premaza, dimenzije proizvoda ostaju nepromijenjene (L I = const). Neke metode osiguravaju da masa proizvoda ostane konstantna, dok je u drugim metodama povećanje mase zanemarivo i može se zanemariti. U pravilu ne postoji jasna granica modificiranog površinskog sloja ( ?m ? const). Prilikom nanošenja vanjskih premaza povećava se veličina proizvoda (L I ?const) na debljinu premaza ( ?PC ). Težina proizvoda se također povećava. U praksi postoje i kombinovani premazi. Na primjer, kada se nanose toplinski zaštitni premazi koje karakterizira povećan broj diskontinuiteta u vanjskom sloju, toplinska otpornost je osigurana zbog unutrašnjeg neporoznog premaza.
1.2 Unutrašnji premazi
Unutrašnji premazi se stvaraju različitim metodama uticaja na površinu originalnog materijala (modifikacija originalnih površina). U praksi se široko koriste sledeće metode uticaja: mehanički, termički, toplotno difuzioni i visokoenergetski sa prodornim tokovima čestica i zračenja.
Postoje i kombinovane metode uticaja, na primer termomehaničke, itd. U površinskom sloju se dešavaju procesi koji dovode do strukturne promene u izvornom materijalu do dubine od nanometarskog opsega do desetih delova milimetra ili više.
Ovisno o načinu izlaganja, javljaju se sljedeći procesi:
promjena zrnaste strukture materijala;
Distorzija kristalne rešetke, promjena njenih parametara i vrste;
uništavanje kristalne rešetke (amorfizacija);
mijenjanje hemijskog sastava i sintetiziranje novih faza.
1.3 Vanjski premazi
Praktična važnost vanjskih premaza je vrlo velika. Primjena vanjskih premaza omogućava ne samo rješavanje problema promjene fizičkih i kemijskih svojstava originalnih površina, već i njihovo obnavljanje nakon upotrebe.
Mehanizam i kinetika formiranja prikazani su na Sl. 3. Vanjski premazi često služe kao strukturni element, na primjer, folije za oblaganje u proizvodnji integriranih kola. Do danas je razvijen veliki broj metoda za nanošenje premaza za različite namjene od mnogih neorganskih materijala.
Za analizu fizičko-hemijskih procesa vezanih za nanošenje premaza, preporučljivo je da ih sistematiziramo prema uvjetima nastanka, čini se da je moguće razlikovati sljedeće grupe premaza nastalih na čvrstoj površini: čvrsta faza, tečna faza, prah i atomski.
1.4 Priprema površine prilikom nanošenja premaza
Priprema površine određuje glavni pokazatelj kvalitete - čvrstoću prianjanja premaza na osnovni materijal proizvoda, odnosno čvrstoću ljepila. Neki izuzeci su premazi formirani na rastopljenoj površini, na primjer, kada se premazi nanose koncentriranim izvorima topline. Međutim, čak i u ovom slučaju, kontaminirane površine negativno utječu na svojstva premaznog materijala. Uočava se njeno krhkost, a povećava se sklonost stvaranju nedostataka: pukotina, poroznosti itd. U tom smislu priprema površine je ključna operacija u tehnološkom procesu nanošenja bilo kakvih premaza.
Prilikom pripreme površine potrebno je riješiti dva važna zadatka:
) uklanjanje adsorbovanih supstanci - zagađivača - sa površine;
) površinska aktivacija.
Uklanjanje zagađivača i aktiviranje površine može se izvršiti u jednom tehnološkom procesu ili zasebno. U principu, svako uklanjanje fizički ili kemijski adsorbiranih tvari s površine već aktivira ovu površinu.
Prekinute veze površinskih atoma i njihova asimetrija se obnavljaju i shodno tome se povećava nivo površinske energije. Najveći učinak u pripremi površine postiže se kada se uz uklanjanje zagađivača dogodi i najveća aktivacija. U realnim tehnološkim procesima takva priprema površine nije uvijek moguća. Obično se koristi dvo- ili trostepena odvojena priprema. Završna faza je uglavnom usmjerena na aktiviranje površine do njenih maksimalnih vrijednosti.
U praksi premazivanja korišćene su sledeće osnovne metode pripreme površine proizvoda: pranje hladnom ili toplom vodom; odmašćivanje; bakropis; mehanički udar; termički i hemijsko-termički efekti; elektrofizički uticaj; izloženost svjetlosnim tokovima; dehidracija.
2. Hemijske i elektrohemijske metode prevlačenja
Proizvodnja premaza iz rastvora hemijskim i elektrohemijskim metodama klasičan je primer procesa koji omogućavaju da se na relativno čist način prati formiranje nanesenih slojeva uzastopnim dodavanjem atoma na površinu obloženog proizvoda tokom njegove interakcije sa jonski reakcioni medij.
Postoje standardne definicije metoda za proizvodnju premaza napravljenih od vodenih otopina - elektrolita (GOST 9.008-82).
Hemijska metoda proizvodnje premaza je proizvodnja metalne ili nemetalne neorganske prevlake u otopini soli bez električne struje iz vanjskog izvora. Primeri za proizvodnju premaza hemijskim metodama su: za metalne prevlake dobijene redukcijom - niklovanje, bakreno prevlačenje, posrebrenje itd., za nemetalne premaze dobijene oksidacijom - oksidacija, fosfatiranje, hromiranje itd. Potonje se takođe koriste. za dodatnu obradu premaza.
Elektrohemijska metoda dobivanja prevlake je proizvodnja metalne ili nemetalne neorganske prevlake u elektrolitu pod utjecajem električne struje iz vanjskog izvora.
Katodna redukcija metala je elektrohemijska metoda za proizvodnju metalnog premaza na metalu koji je katoda.
Anodna oksidacija je elektrohemijska metoda za proizvodnju nemetalne neorganske prevlake na metalu koji je anoda.
Kontakt Metoda dobivanja prevlake je dobivanje prevlake iz otopine soli nanesenog metala uranjanjem obloženog metala u kontakt sa elektronegativnijim metalom.
2.1 Klasifikacija hemijskih i elektrohemijskih premaza
Hemijski i elektrohemijski premazi mogu se klasifikovati na osnovu sledećih osnovnih principa:
Po načinu proizvodnje (hemijski, elektrohemijski, galvanski, katodni, anodno-oksidni i kontaktni);
Po vrsti primijenjenog materijala (metalni, nemetalni i kompozitni);
Prema zahtjevima za premaz (zaštitni, zaštitno-dekorativni, dekorativni, specijalni);
U odnosu na spoljašnju hemijski aktivnu sredinu (katoda, anodna, neutralna);
Prema dizajnu premaza (jednoslojni, višeslojni).
2.2 Suština metode hemijskog premaza
Prevlake proizvedene hemijskim metodama karakterišu niža poroznost od onih koje se nanose galvanskim metodama pri istoj debljini i visokoj uniformnosti.
Hemijsko taloženje metala je proces redukcije koji se odvija prema jednadžbi:
Mez+ +Ze?M
gdje sam ja z+ - joni metala prisutni u rastvoru; z - valencija metala; Ze je broj elektrona; Ja - metalni premaz.
Metalni joni u rastvoru (Me z+ ) kombinuju (u zavisnosti od valencije) sa odgovarajućim brojem elektrona (Ze) i pretvaraju se u metal (Me).
U slučaju hemijskog taloženja, potrebni elektroni nastaju kao rezultat hemijskog procesa koji se dešava u rastvoru koji se koristi za dobijanje prevlake. Kod galvanskog taloženja, elektroni potrebni za redukciju metalnih jona se napajaju iz vanjskog izvora struje .U zavisnosti od hemijskog procesa koji se dešava tokom nanošenja premaza, razlikuju se sledeće metode.
Kontaktna metoda (imerzija), u kojoj se metal koji se oblaže uranja u otopinu koja sadrži sol elektropozitivnijeg metala, a premaz se u ovom slučaju taloži zbog razlike potencijala koja nastaje između metala koji se oblaže i iona u rjesenje. Kontaktno-hemijska metoda (unutrašnja elektroliza), u kojoj se taloženje vrši zbog razlike potencijala koja nastaje kada metal koji se oblaže dođe u kontakt sa elektronegativnijim metalom tokom potapanja u otopinu soli metala koja se koristi za premazivanje. Metoda hemijske redukcije u kojoj se metal koji se oblaže uranja u rastvor koji sadrži so taloženog metala, aditive za puferovanje i kompleksiranje i redukciono sredstvo, dok se joni deponovanog metala redukuju kao rezultat interakcije sa redukciono sredstvo i taloženo na metal koji se oblaže, a ova reakcija se odvija samo na površini metala, budući da je katalitička za ovaj proces.
2.3 Premazivanje proizvoda
Tehnološka oprema koja se koristi u domaćim i stranim preduzećima za taloženje premaza hemijskom redukcijom dizajnirana je na osnovu specifičnih proizvodnih zadataka: veliki delovi se kače u kade pomoću posebnih uređaja, mali delovi se prekrivaju u rinfuzi u bubnjeve, cevi (ravne ili namotane) - u instalacijama koje pružaju mogućnost pumpanja rastvora kroz unutrašnje šupljine i sl. Često se instalacije za hemijsku primenu nalaze u galvanskim radnjama, što omogućava korišćenje opreme koja je tamo dostupna za odmašćivanje, izolaciju, kiseljenje, pranje, sušenje i grejanje tretiranje delova.
Pojednostavljeni dijagram uređaja za nanošenje hemijskih premaza prikazan je na Sl. 4.
Hemijsko premazivanje se izvodi u statičnim ili protočnim otopinama. U nekim slučajevima, otopina se, nakon obrade 1-2 serije dijelova u njemu, izlije i zamijeni svježom; u drugima se rastvor filtrira, podešava i koristi više puta. Instalacija za jednokratno premazivanje dijelova u statičkom rastvoru obično ima zavarenu željeznu ili porculansku kadu, koja se ubacuje u veći spremnik - termostat. Prostor između zidova oba kupatila ispunjen je vodom ili uljem, koje se grije električnim grijačima ili živom parom. Sa vanjske strane termostat ima toplinski izolacijski sloj (na primjer, napravljen od azbestnih ploča, na koji se postavlja kućište). U kadu se postavlja kontaktni termometar sa termostatom kako bi se osiguralo održavanje potrebne temperature radnog rastvora.
3. Vakuumski kondenzacijski premaz
Postoje mnoge sličnosti u metodama i tehnološkim karakteristikama vakuumskog kondenzacionog premaza (VCDC), te je u tom pogledu preporučljivo razmotriti generalizirani dijagram procesa. Generalizirani dijagram procesa vakuumske kondenzacije prikazan je na Sl. 5.
Poznato je da se obloge tokom vakuum kondenzacionog taloženja formiraju iz struje čestica u atomskom, molekularnom ili jonizovanom stanju. Neutralne i pobuđene čestice (atomi, molekuli, klasteri) sa normalnom i visokom energijom i ioni sa širokim energetskim rasponom prenose se u obloge. Protok čestica se postiže isparavanjem ili atomizacijom materijala izlaganjem različitim izvorima energije. Protoci čestica nanesenog materijala dobijaju se metodom termičkog isparavanja, eksplozivnog isparavanja - raspršivanjem i jonskim raspršivanjem čvrstog materijala. Proces nanošenja se izvodi u krutim zatvorenim komorama pod pritiskom od 13,3 - 13,3 10-3Zbog toga osiguravaju neophodan slobodan put čestica i štite proces od interakcije s atmosferskim plinovima. Prijenos čestica prema površini kondenzacije nastaje kao rezultat razlike parcijalnih pritisaka parne faze. Najveći pritisak pare (13,3 Pa ili više) u blizini površine prskanja (isparavanja) uzrokuje kretanje čestica prema površini proizvoda, gdje je pritisak pare minimalan. Druge transportne sile djeluju u toku čestica u joniziranom stanju; jonizovane čestice imaju više energije, što olakšava formiranje premaza.
Metode primjene vakuumske kondenzacije klasificirane su prema različitim kriterijima:
Metodama dobijanja toka pare iz materijala za oblaganje i formiranja čestica: termičko isparavanje materijala iz čvrstog ili rastopljenog stanja, eksplozivno (intenzivirano) isparavanje - prskanje; ionsko raspršivanje čvrstog materijala;
Prema energetskom stanju čestica: primjena neutralnih čestica (atoma, molekula) različitih energetskih stanja; jonizovane čestice, jonizovane ubrzane čestice (u realnim uslovima u toku su prisutne različite čestice);
Prema interakciji čestica sa zaostalim gasovima komore: primena u inertnoj razređenoj sredini ili visokom vakuumu (13,3 MPa); iu aktivnom razređenom okruženju (133 - 13,3 Pa).
Uvođenje aktivnih plinova u komoru omogućava prelazak na metodu vakuumskog reakcijskog oblaganja. Čestice u toku ili na površini kondenzacije ulaze u hemijsku interakciju sa aktivnim gasovima (kiseonik, azot, ugljen monoksid, itd.) i formiraju odgovarajuća jedinjenja: okside, nitride, karbide itd.
Klasifikacija vakuum kondenzacionog premaza prikazana je na Sl. 6. Izbor metode i njenih varijanti (metoda) određen je zahtjevima za premaze, uzimajući u obzir ekonomsku efikasnost, produktivnost, lakoću upravljanja, automatizaciju, itd. Metode koje najviše obećavaju su vakuumsko kondenzacijsko taloženje sa jonizacijom toka raspršenih čestica (stimulacija plazmom); Ove metode se često nazivaju jonskom plazmom.
Sljedeći osnovni zahtjevi primjenjuju se na proizvode proizvedene metodama vakuumske kondenzacije:
Usklađenost sa zahtjevima veličine moderne industrije;
Nizak pritisak zasićene pare materijala proizvoda na temperaturi procesa;
Mogućnost zagrijavanja površine radi povećanja adhezivne čvrstoće premaza.
Vakumski kondenzacijski premaz ima široku primjenu u različitim područjima tehnologije. Proces vakuumske reakcije stvara premaze otporne na habanje na proizvodima različite namjene: frikcioni parovi, alati za presovanje i rezanje itd.
Primena vakuumske kondenzacije omogućava dobijanje premaza sa visokim fizičkim i mehaničkim svojstvima; iz sintetiziranih spojeva (karbidi, nitridi, oksidi itd.); tanak i ujednačen; koristeći široku klasu neorganskih materijala.
Tehnološki procesi povezani sa taloženjem vakuumske kondenzacije ne zagađuju okolinu i ne remete životnu sredinu. U tom pogledu povoljno se razlikuju od hemijskih i elektrohemijskih metoda za nanošenje tankih premaza.
Nedostaci metode vakuumskog kondenzacionog taloženja su niska produktivnost procesa (brzina kondenzacije od oko 1 μm/min), povećana složenost tehnologije i opreme, niski energetski koeficijenti atomizacije, isparavanja i kondenzacije.
Preporučljivo je razmotriti proces vakuumskog kondenzacionog premaza koji se sastoji od tri faze:
Prelazak kondenzovane faze (čvrste ili tečne) u gasovitu (para);
Formiranje protoka i prijenos čestica na kondenzacijsku površinu;
Kondenzacija para na površini proizvoda - formiranje premaza.
Za dobijanje visokokvalitetnih premaza neophodna je fleksibilna kontrola procesa stvaranjem optimalnih uslova za njihov nastanak.
4. Nanošenje površinskih premaza korištenjem koncentriranih izvora topline
Nanošenje površinskih premaza pomoću koncentriranih izvora topline izvodi se u obliku odvojenih prolaza, od kojih svaki čini zrno rastaljenog materijala širine b. Preklapanje valjaka ?b obično iznosi (1/4 - 1/3)3. Materijal za oblaganje se sastoji od rastopljenog osnovnog materijala i materijala za punjenje, koji se ubacuje u kadu. Ako se osnovni materijal ne topi, tada se zrno vara formira samo od materijala za punjenje, pri čemu je udio osnovnog materijala u formiranju premaza vara nula. Najrasprostranjeniji načini navarivanja su koncentrirani izvori topline sa blagim topljenjem osnovnog materijala visine h n . Visina perle nanesenog sloja h n obično 2 - 5 mm. Kada se valjci preklapaju, formiraju se uzdužni žljebovi (neravnine) dubine 1 - 2 mm.
Poznavajući hemijski sastav osnovnog i materijala za punjenje i proporciju njihovog učešća u formiranju premaznog materijala, moguće je odrediti hemijski sastav nanesenog sloja.
Pod utjecajem koncentriranog izvora topline, osnovni materijal se lokalno zagrijava, posebno kada se topi. Toplotni tok se prenosi u osnovni materijal, formirajući u njemu zonu pod utjecajem topline (HAZ). U visokotemperaturnom HAZ području, u pravilu se uočava rast zrna, stvrdnuta struktura i formiraju se vruće i hladne pukotine. U praksi, navarivanje teži minimalnoj dužini ZUT.
Pod uticajem izvora toplote, rastopljeni metal se istiskuje iz kupke u odvojenim delovima, koji tokom procesa kristalizacije formiraju zrno taloženog materijala. Proces kristalizacije se odvija na bazi rastopljenih zrna osnovnog materijala, glavna osa kristalita je orijentisana u skladu sa smerom odvođenja toplote u osnovni materijal. Prilikom kristalizacije moguće je formiranje defekata: tople i hladne pukotine, poroznost, inkluzije šljake itd. Priroda formiranja prevlake od pojedinačnih taloženih zrna (prolaza) sa preklapanjem ne dozvoljava dobijanje tankih i ujednačenih naslaga po debljini. Minimalna debljina premaza od 1 - 2 mm može se postići samo pomoću preciznih tehnologija. Metalni materijali se uglavnom koriste za površinske premaze; ponekad se u rastopljeni metal unose različita vatrostalna nemetalna jedinjenja.
4.1 Klasifikacija nanesenih premaza
Klasifikacija nanesenih premaza vrši se prema različitim kriterijima. Najprikladnije je klasificirati prema:
koncentrirani izvori topline;
priroda zaštite rastopljenog metala;
stepen mehanizacije.
Prema izvorima topline, površinski premazi se dijele na:
gasni plamen;
plazma;
svjetlosni snop;
elektronski snop;
indukcija;
elektrošljaka.
Prema prirodi zaštite rastaljenog metala razlikuju se: navarivanje šljakom, plinska i plino-šljaka zaštita. Prema stepenu mehanizacije, ručna i mehanizovana naplata biće zamenjena elementima automatizacije.
4.2 Područja primjene obloga
Površine s koncentriranim izvorima topline koriste se za obnavljanje istrošenih površina, premazi u pravilu daju visok ekonomski učinak. Međutim, navarivanje se može koristiti i za stvaranje početnih površina novih proizvoda sa širokim spektrom fizičkih i kemijskih svojstava, na primjer, pri izradi ispušnih ventila u motorima s unutarnjim izgaranjem, u proizvodnji alata za bušenje itd.
Posebno je preporučljivo koristiti navarivanje za stvaranje površina otpornih na habanje u parovima trenja, a minimalno trošenje se može postići kako povećanjem tvrdoće nanesenog sloja tako i smanjenjem koeficijenta trenja. Poznat je veliki ekonomski efekat pri izradi reznih alata. Brzorezni čelik u taloženom premazu proizveden je argon-lučnim navarivanjem uz dovod žice za punjenje od legura volfram-molibdena sa visokim sadržajem ugljika (0,7 - 0,85 tež.%). Za nanošenje na površinu teško opterećenih kalupa tijekom vrućeg štancanja korištene su obložene elektrode, na primjer TsI-1M (tip EN - 80V18Kh4F - 60, tip F). Obrada premaza otpornih na habanje ima široku primjenu u proizvodnji opreme za zemljane radove. Općenito, metode površinskog sloja su vrlo efikasne; njihovi nedostaci uključuju:
veća debljina nanesenog sloja (uz neke izuzetke);
prisutnost proširene zone pod utjecajem topline u osnovnom materijalu;
visoka hrapavost površine, koja zahtijeva naknadnu mehaničku obradu;
ograničen raspon deponovanih materijala, uglavnom metala.
5. Oblaganje oblogom
Oblaganje uključuje širok spektar metoda premazivanja. To uključuje:
Eksplozivne perkusije;
Magnetski udar;
Vruće izostatičko prešanje ili oblaganje;
Dobivanje mehaničke veze ekstruzijom.
S takvom klasifikacijom, metode oblaganja i metode sa stvaranjem difuzijske veze donekle se preklapaju. Metode oblaganja klasificirane su prema brzini stvaranja veze između premaza i podloge:
1. Veoma brzi procesi (eksplozijsko oblaganje, elektromagnetni udar);
Umjereno brzi procesi (valjanje, ekstruzija);
Spori procesi (difuzijsko zavarivanje, vruće izostatičko prešanje).
Češće, obloga se koristi za oblaganje željeznih legura legurama na bazi nikla. Oblaganje čelika kobaltom je manje uobičajeno, uglavnom zbog visokih troškova.
Čini se da su među metodama oblaganja valjanje i ekstruzija najčešće korištene metode. Proizvodnja premaza eksplozijom otkrivena je slučajno 1957. Vruće izostatičko presovanje i proizvodnja premaza elektromagnetnim udarom su relativno nove metode. Difuzijski spregnuti premazi razvijeni su početkom 20. veka za oblaganje gvožđa legurama nikla i drugim legurama na visokim temperaturama za specijalne primene.
6. Metode plinsko-termalnog oblaganja
Uzimajući vrstu izvora toplote kao osnovu za separaciju, u praksi su korišćene sledeće metode raspršivanja: plazma, gas-plamen, detonaciono-gas, lučna i visokofrekventna metalizacija.
Prvi gasno-termički premazi dobijeni su početkom 20. veka. M.W. Schoop, koji je raspršio rastopljeni metal strujom plina i usmjeravajući ovaj tok na osnovni uzorak, dobio sloj prevlake na njemu. Po imenu autora ovaj proces je nazvan shopoping, a patentiran je u Njemačkoj, Švicarskoj, Francuskoj i Engleskoj. Dizajn prvog Schoopovog metalizatora plamene žice datira iz 1912. godine, a prvog metalizatora na električni luk - 1918. godine.
U domaćoj industriji gasno-plamenska metalizacija se koristi od kasnih 20-ih godina. Krajem 30-ih godina uspješno je zamijenjen elektrolučnom metalizacijom. Opremu za elektrolučnu metalizaciju kreirali su N.V. Katz i E.M. Linnik.
Plinsko termalno raspršivanje premaza u svjetskoj praksi počelo se aktivno razvijati kasnih 50-ih godina. Ovo je olakšano stvaranjem pouzdane tehnologije za generisanje plazme niske temperature; detonacione gasne eksplozivne naprave, poboljšanje procesa lučnog pražnjenja.
Mnogi naučni timovi Akademije nauka SSSR-a, tehničkih visokoškolskih ustanova, industrijskih instituta i proizvodnih preduzeća bili su uključeni u razvoj teorije, tehnologije i opreme za termičko raspršivanje. Rad u glavnim vodećim stranim zemljama razvijao se sličnim tempom.
6.1 Klasifikacije metoda
Metode i tehnologija termičkog prskanja imaju dosta zajedničkog. Dijagram procesa termičkog raspršivanja prikazan je na Sl. 7.
Raspršeni materijal u obliku praha, žice (kanala) ili šipki se dovodi u zonu grijanja. Pravi se razlika između radijalnog i aksijalnog dodavanja materijala. Zagrijane čestice se raspršuju plinom, čija je glavna svrha da ubrza raspršene čestice u aksijalnom smjeru, ali uz to može obavljati i druge funkcije. Prilikom dovođenja žice ili šipki u zonu grijanja, raspršeni plin raspršuje otopljeni materijal, a u brojnim metodama raspršivanja obavlja i funkciju grijanja.
Zagrijavanje čestica, njihova atomizacija i ubrzanje strujom plina unaprijed su odredili naziv procesa - termičko raspršivanje. Čestice koje stignu na površinu formiranja prevlake moraju osigurati stvaranje jakih međuatomskih veza tokom procesa kontakta, što zahtijeva njihovo zagrijavanje i odgovarajuću brzinu. Poznato je da temperatura čestica određuje termičku aktivaciju u području kontakta; brzina čestica pri udaru o površinu stvara uslove za mehaničko aktiviranje površinskog kontakta. Mora se uzeti u obzir da se pri velikim brzinama čestica u trenutku njihovog kontakta dio kinetičke energije pretvara u toplinsku energiju, što također doprinosi razvoju toplinske aktivacije.
Razvijene metode termičkog raspršivanja omogućavaju regulaciju u dovoljnim granicama temperature i brzine čestica koje dolaze na površinu formiranja premaza.
Metode termičkog prskanja su klasifikovane:
po vrsti energije;
prema vrsti izvora topline;
prema vrsti materijala koji se prska;
po vrsti zaštite;
po stepenu mehanizacije i automatizacije;
prema periodici toka čestica.
Na osnovu vrste energije razlikuje se metode koje koriste električnu energiju (gasno-električne metode) i metode u kojima se toplinska energija stvara sagorijevanjem zapaljivih plinova (plinsko-plamene metode). Za zagrijavanje raspršenog materijala koriste se sljedeće vrste izvora topline: luk, plazma, visokofrekventna pražnjenja i plinski plamen. U skladu s tim, metode prskanja se nazivaju: elektrolučna metalizacija, plazma raspršivanje, visokofrekventna metalizacija, raspršivanje plinskim plamenom, prskanje detonacijskim plinom. Prve tri metode su plinsko-električni, posljednje tri su plinsko-plameni.
U zavisnosti od vrste materijala koji se raspršuje, koriste se prah, žičana (šipka) i kombinovana metoda prskanja. U kombinovanim metodama koristi se punjena žica. Po vrsti zaštite poznate su sledeće metode prskanja: bez procesne zaštite, sa lokalnom zaštitom i sa opštom zaštitom u zatvorenim komorama. U opštoj zaštiti, razlikuje se izvođenje procesa pri normalnom (atmosferskom) pritisku, pri povišenom pritisku i u vakuumu (u niskom vakuumu).
Stepen mehanizacije i automatizacije procesa. Kod ručnih metoda prskanja mehanizira se samo dovod prskanog materijala. Mehanizirane metode također omogućavaju pomicanje prskalice u odnosu na prskani proizvod. Često se koristi kretanje prskanih proizvoda u odnosu na stacionarnu prskalicu. Nivo automatizacije procesa prskanja ovisi o dizajnu instalacije, u najjednostavnijim verzijama nema automatizacije, ali u složenim kompleksima je moguća potpuna automatizacija procesa.
Frekvencija protoka. Većina metoda prskanja uključuje kontinuirani tok čestica. Za neke metode moguće je samo ciklično upravljanje procesima. Premaz se formira u impulsnom režimu prskanja, naizmjenično sa pauzama. Metode plinskog termičkog raspršivanja se široko koriste za nanošenje premaza za različite namjene. Glavne prednosti metoda termičkog prskanja uključuju visoku produktivnost procesa uz zadovoljavajući kvalitet premaza.
7. Plazma prskanje premaza
Mlaz plazme se široko koristi kao izvor zagrijavanja, atomizacije i ubrzanja čestica u taloženju premaza. Zbog velikog protoka i temperature, plazma mlaz omogućava prskanje gotovo svih materijala. Mlaz plazme se proizvodi na različite načine: lučnim zagrevanjem gasa; visokofrekventno indukcijsko grijanje, električna eksplozija, lasersko grijanje itd.
Uopšteni dijagram procesa plazma raspršivanja premaza prikazan je na Sl. 8. Kod plazma raspršivanja moguće je i radijalno i aksijalno dovod raspršenog materijala u obliku praha ili žice (šipova). Koriste se različiti tipovi plazma mlaza: turbulentni, laminarni, podzvučni i nadzvučni, vrtložni i nevrtložni, osimetrični i ravni simetrični, kontinuirani i impulsni itd.
Laminarni mlazovi daju znatno veće vrijednosti dužine izlaznog toka (l n , l With ), zbog čega se vrijeme zagrijavanja raspršenih čestica povećava, a karakteriziraju ih veće vrijednosti omjera dovedene energije i brzine protoka plina koji stvara plazmu. Laminarne mlaznice treba klasifikovati kao mlaznice visoke entalpije. Pored toga, karakteriše ih visok protok i niži nivo buke (do 40 - 30 dB). Trenutno još nisu pronađena rješenja koja bi omogućila široku upotrebu laminarnih mlaznica za prskanje. Poteškoće se uglavnom odnose na nabavku praha. Teoriju i praksu premazivanja laminarnim mlazovima razvio je A. V. Petrov.
Supersonični plazma mlazovi su takođe prilično obećavajući za raspršivanje. Velike brzine raspršenih čestica (800 - 1000 m/s ili više) omogućavaju formiranje premaza uglavnom bez njihovog topljenja
Trenutni nivo raspršivanja plazme uglavnom se zasniva na upotrebi podzvučnih i nadzvučnih, turbulentnih, osimetričnih, plazma mlaznica sa širokim spektrom termofizičkih svojstava. Otprilike polovina snage dovedene u raspršivač troši se na zagrijavanje plina koji stvara plazmu. Obično je toplotna efikasnost raspršivača 0,4-0,75. Takođe treba napomenuti da se mlaz plazme slabo koristi kao izvor toplote za zagrevanje čestica praha. Efikasna efikasnost zagrevanja plazmom čestica praha ?P je u rasponu od 0,01 - 0,15. Prilikom prskanja žice efektivna efikasnost je znatno veća i dostiže 0,2 -0,3.
Najvažnije termofizičke karakteristike mlaza plazme, koje određuju optimalne uslove za zagrijavanje, atomizaciju i ubrzanje raspršenih čestica, uključuju specifičnu entalpiju, temperaturu i brzinu u različitim presjecima duž ose strujanja. Fleksibilna kontrola termofizičkih parametara mlaza određuje proizvodnost procesa i njegove mogućnosti.
Prema stepenu zaštite procesa razlikuje se raspršivanje plazma: bez zaštite, sa lokalnom zaštitom i opštom zaštitom.
7.1 Prednosti i nedostaci metode plazma raspršivanja
Glavne prednosti metode plazma raspršivanja:
visoka produktivnost procesa od 2 - 8 kg/h za plazma gorionike snage 20 - 60 kW do 50 - 80 kg/h sa snažnijim prskalicama (150 - 200 kW);
raznovrsnost materijala koji se prska (žica, prah sa različitim tačkama topljenja;
veliki broj parametara koji omogućavaju fleksibilnu kontrolu procesa prskanja;
regulacija u širokom rasponu kvaliteta prskanih premaza, uključujući postizanje posebno visokokvalitetnih performansi procesa uz opštu zaštitu;
visoke vrijednosti CMM (pri prskanju žičanih materijala 0,7 - 0,85, praškastih materijala - 0,2 - 0,8);
mogućnost složene mehanizacije i automatizacije procesa;
široka dostupnost metode, dovoljna efikasnost i niska cijena najjednostavnije opreme.
Nedostaci metode uključuju:
niske vrijednosti faktora iskorištenja energije (sa prskanjem žice ?To = 0,02 - 0,18; puder - ?I = 0,001 - 0,02);
prisustvo poroznosti i drugih vrsta diskontinuiteta (2 - 15%);
relativno niska čvrstoća ljepila i kohezije premaza (maksimalne vrijednosti su 80 - 100 MPa);
visok nivo buke kada je proces otvoren (60 - 120 dB).
Kako se metoda plazma raspršivanja poboljšava, smanjuje se broj nedostataka. Obećavajući su, na primjer, razvoji raspršivanja sa nadzvučnim izlivanjem plazma mlaza, koji omogućava formiranje prevlaka prvenstveno od čestica bez topljenja koje su u viskoplastičnom stanju. U poređenju sa radijalnim, aksijalno snabdevanje raspršenog materijala u arc plazma raspršivačima je najefikasnije.
Plazma raspršivanje pomoću dvolučnih ili trofaznih plazma gorionika je od značajnog interesa. Upotreba HF plazmatrona obećava velike prednosti. U tim slučajevima se dobija plazma koja nije kontaminirana elektrodnim materijalima, a aksijalno snabdevanje raspršenog materijala je pojednostavljeno.
8. Raspršivanje premaza gasnim plamenom
Plinski plamen nastaje izgaranjem zapaljivih plinova u kisiku ili zraku. U specijalnim gorionicima za raspršivanje, zapaljiva smjesa se dovodi duž periferije mlaznice, središnji dio je dizajniran za dovod raspršenog materijala u formirani plinsko-plameni mlaz. U blizini izlaza mlaznice, plinski plamen je konus; kako se udaljava od izlaza mlaznice, plinski plamen formira kontinuirani mlaz visokotemperaturnog plina. Postoje laminarne (R e < Rekp ) i turbulentne mlaznice (R e > R ECR ). Prijelaz načina sagorijevanja i istjecanja mlaza iz laminarnog u turbulentan ovisi o prirodi zapaljivog plina i određen je Reynoldsovim brojevima (Re = 2200 - 10000).
Mlazovi plinskog plamena kao izvor zagrijavanja, atomizacije i ubrzanja pri nanošenju premaza slični su mlazovima plazme. Međutim, temperatura, entalpija i brzina mlaza gasnog plamena su mnogo niže. Raspršene čestice stupaju u interakciju s plinskom fazom složenog sastava, koja se sastoji od zapaljivih plinova, proizvoda njihovog sagorijevanja i disocijacije, kisika i dušika. Redox potencijal na početnom dijelu mlaza se lako regulira promjenom omjera između zapaljivog plina i kisika. Konvencionalno se mogu razlikovati tri načina nastanka plamena: neutralni, oksidativni i redukcijski.
Za prskanje premaza koriste se sljedeći zapaljivi plinovi: acetilen (C 2N 2), metan (CH 4), propan (C 3N 8), butan (C 4H1 0), vodonik (H 2) itd. Ponekad se koriste mješavine, na primjer propan-butan itd.
Prskanje plamenom vrši se na otvorenom prostoru. Vazduh ulazi u plamen gasa, pa je stoga količina kiseonika veća od potrebne za potpunu oksidaciju elemenata zapaljivog gasa prema gore navedenim reakcijama. Da biste uravnotežili kompozicije, smanjite količinu kiseonika u mešavini zapaljivog gasa i kiseonika.
Najviša temperatura plamena postiže se upotrebom mješavine acetilena i kisika. Međutim, vrijednost grijanja je veća za propan i butan. Stoga se za prskanje najčešće koristi standardni tehnički acetilen ili mješavina propan-butana. Kada se formiraju gasno-plazma mlazovi, termička efikasnost atomizera je prilično visoka ( ?t.r. = 0,8 - 0,9) U ovom slučaju, većina isporučene energije se troši na zagrijavanje plina. Međutim, efektivna efikasnost grijanja čestica praha ( ?I ) sastav je samo 0,01 - 0,15.
1 Metode prskanja plamenom
Opšti dijagram procesa raspršivanja plamenom prikazan je na Sl. 9.
Zapaljivi gas i kiseonik (ređe vazduh) ulaze u komoru za mešanje 3, zapaljiva smeša zatim ulazi u uređaj mlaznice 7, na izlazu iz nje mešavina se zapali i formira plamenu baklju 2. Za kompresiju plamena gasa, dodatna mlaznica 4 koristi se u koji se dovodi komprimirani plin, obično zrak ili dušik. Eksterna istostrujna gasna struja 5 produžava mlaz visokotemperaturnog gasa, povećava njegovu temperaturu, entalpiju i brzinu; osim toga, gas se može koristiti za hlađenje elemenata raspršivača koji su pod pritiskom.
Raspršeni materijal u obliku praha ili žice (šipke) dovodi se duž ose gasno-plamenog mlaza u gorionik, što pospješuje intenzivnije zagrijavanje i atomizaciju materijala.
Metode prskanja plamenom klasificirane su prema sljedećim kriterijima:
Vrsta materijala koji se prska. Pravi se razlika između raspršivanja plamenom praškastim i žičanim (šipkastim) materijalima.
Vrsta zapaljivog gasa. Poznate su metode prskanja pomoću acetilena ili plinova koji su zamjena za acetilen (propan, butan, njihove mješavine itd.).
Stepen mehanizacije. Koriste se ručno i mehanizovano (mašinsko) prskanje. Kod ručnih metoda mehanizira se samo dostava prskanog materijala. Potpuno mehanizirane metode omogućavaju kretanje prskanog proizvoda u odnosu na prskalicu ili obrnuto i uvode elemente automatizacije.
2 Instalacije za raspršivanje plinskog plamena
Naša zemlja proizvodi niz instalacija za plamensko prskanje žičanih i praškastih materijala. Kao energetski gasovi koriste se mješavina acetilena i propan-butana. Acetilen (ili zamjena), kisik i u nekim slučajevima dodatni plin (vazduh) za prskanje se dovode u prskalicu iz jedinice za dovod plina. Jedinica za dovod plina nije uključena u proizvedeni uređaj. Montira se direktno na gradilište. Aparati za raspršivanje plamenom obično su opremljeni pištoljem za prskanje (pištoljem), mehanizmom za dovod žice ili praha i kontrolnom pločom. Često se mehanizam za dovođenje žice nalazi u istom kućištu kao i pištolj za prskanje, na koji je montiran dovod praha.
Zaključak
Moderna proizvodnja, uzimajući u obzir savremena dostignuća nauke i tehnologije, zahteva stvaranje moćne baze za implementaciju novih metoda nanošenja premaza iz različitih grupa neorganskih materijala. Potrebni su premazi sa širokim spektrom fizičkih i hemijskih svojstava: za zaštitu u različitim okruženjima; otporan na habanje; optički; toplotno zaštitne i mnoge druge. Također su potrebni značajni napori za poboljšanje postojećih i dugo korištenih metoda premaza.
Za rješavanje ovih problema potrebno je koristiti integrirani pristup povezan ne samo s rješavanjem specifičnih znanstvenih i tehničkih aspekata stvaranja novih tehnologija u oblasti premaza, već i zadatak optimizacije i koordiniranog skladištenja i širenja informacija postaje sve važniji. .
Spisak korišćene literature
1. Grilikhes, S.Ya., Tikhonov, K.I. Elektrolitičke i hemijske prevlake. L.: Hemija, 1990. -288 str.
Kovensky, I.M., Povetkin, V.V. Metode za proučavanje elektrolitskih prevlaka. -M.: Nauka, 1994. -234 str.
Molčanov V.F. Kombinovani elektrolitski premazi - Kijev: Tehnika, 1976. -176 str.
Dasoyan, M.A., Palmskaya, I.Ya., Saharova, E.V. Tehnologija elektrohemijskog premaza. -L.: Mašinstvo, 1989. -391 str.
Eichis, A.P. Premazi i tehnička estetika. -Kijev: Tehnologija, 1971. - 248 str.
Biront, V.S. Premazi: udžbenik za studente. - Krasnojarsk. GATSMIZ, 1994. - 160 str.
Bobrov, G.V. Primjena neorganskih premaza (teorija, tehnologija, oprema): udžbenik za studente. / G.V. Bobrov, A.A. Ilyin. - M.: Intermet Engineering, 2004. - 624 str.
8. Layner, V.I. Zaštitni premazi za metale / V.I. Liner, - M.: Metalurgija, 1974. - 560 str.
9. Nikandrova, L.I. Hemijske metode za proizvodnju metalnih premaza./ L.I. Nikandrova. - L.: Mašinstvo, 1971. 101 str.
Korozija: Referentna publikacija. / Ed. LL. Schreyer. - M.: Metalurgija. 1981. - 632 str.
Hemijsko-termička obrada metala i legura: Priručnik / Ed. L.S. Lyakhovič. M.: Metalurgija, 1981.-.424 str.
Kolomycev, P.T. Difuzijski premazi otporni na toplinu / P.T. Kolomytsev. - M.: Metalurgija, 1979. - 272 str.
Hawking, M. Metalne i keramičke prevlake / M. Hawking, V. Vasantasri, P. Sidki. - M.: Mir, 2000. - 516 str.
Vlasnici patenta RU 2265075:
Pronalazak se odnosi na oblast metalurgije, odnosno na metode za obradu površina provodljivih materijala. Predložena je metoda za modifikaciju površine provodnih tijela zagrijavanjem naizmjeničnom električnom strujom, a za modifikaciju se koriste strujni impulsi u trajanju od 20-100 ns i amplitudom koja daje dubinu topljenja površine od 1-10 μm. površine. Tehnički rezultat je razvoj metode za modifikaciju površine provodnih tijela radi poboljšanja karakteristika rada metala i legura i kontrole potrebnih svojstava, kao što su tvrdoća, otpornost na habanje, zamor i otpornost na koroziju. 3 ill.
Pronalazak se odnosi na oblast obrade električno provodljivih materijala zagrevanjem električnim poljem.
Stanje tehnike
Mnoga fizička i mehanička svojstva materijala jako zavise od stanja površine. Na primjer, tvrdoća, zamor, habanje, čvrstoća na koroziju i otpornost na pucanje značajno su poboljšani smanjenjem veličine zrna i amorfizacijom površinskog sloja. Postoji veliki broj načina da se utiče na površinu kako bi se očvrsnula. Takve metode uključuju oblaganje i nanošenje raznih premaza, lasersku i mehaničku obradu (na primjer, pjeskarenje), ionsku implantaciju i tako dalje. Metodom brzog gašenja iz taline se dobijaju amorfni i nanokristalni materijali određenih hemijskih sastava. Kritična brzina hlađenja potrebna za amorfizaciju i temperatura staklastog prijelaza zavise od prirode kemijskog sastava taline. Tipične brzine gašenja za sisteme za amorfizaciju su 10 5 -10 7 K/sec i postižu se metodama centrifugiranja rastopa - mlazno hlađenje na masivnom rotirajućem bloku, valjanje taline između hladnih valjaka, prskanje mlaza taline strujama gasa (gasna atomizacija).
Ovim metodama dobijaju se ili prahovi ili pahuljice karakterističnih veličina od 1-100 nm, ili tanke trake debljine 10-100 mikrona. Amorfizacija čistih metala zahteva izuzetno visoke brzine hlađenja -10 12 -10 14 K/sec, koje su nedostižne sa savremenim šemama brzog očvršćavanja. Sporije stope gašenja od 10 2 -10 4 - K/sec koriste se za proizvodnju takozvanih masivnih metalnih stakla sa karakterističnim dimenzijama od nekoliko milimetara u poprečnom presjeku. Takva stakla se dobivaju iz talina sa širokim područjem prehlađenja, čije je prisustvo ili odsustvo određeno hemijskim sastavom legure. Male veličine, visoka cijena i ograničene amorfne kompozicije tokom brzog očvršćavanja ograničavaju područja primjene amorfnih legura. Prednosti površinske obrade gotovih proizvoda su očigledne. Na primjer, metoda ionske implantacije koristi se za amorfizaciju površinskog sloja bombardiranjem jonima visoke energije (na primjer, bombardiranje nikla sa P+ jonima na sobnoj temperaturi - doza 10 17 jona/cm 2, energija jona 40 keV - dovodi do formiranje amorfne faze u površinskom sloju).
Poznata je metoda laserske amorfizacije površine koja koristi snažan impulsni laserski snop koji skenira površinu i topi male površine površinskog sloja, koje nakon prestanka laserskog zračenja brzo otvrdnu uslijed intenzivnog odvođenja topline u masivni supstrat. Za efikasniju amorfizaciju u sastav obrađenog materijala unose se amorfoformirajući elementi. Tehnološki nedostaci laserske amorfizacije su složenost opreme, visoka cijena i relativno mala brzina obrade velikih površina. Metalurški nedostaci ove metode uključuju visoka unutarnja naprezanja nastala na granici amorfiziranog sloja i kristalne matrice i, što je najvažnije, visoku makro- i mikro-nehomogenost strukture uzrokovanu skeniranjem laserskog snopa preko površine koja se obrađuje.
Druga metoda toplinske obrade i cjelokupnog volumena i površinskih slojeva materijala, odabrana kao prototip, je indukcijsko grijanje - zagrijavanje provodnih tijela pobuđivanjem električnih struja u njima naizmjeničnim elektromagnetnim poljem. Za stvaranje potonjeg koriste se struje niske (50 Hz), srednje (do 10 kHz) i visoke (preko 10 kHz) frekvencije. Koristi se za topljenje metala, površinsko kaljenje delova itd.
Atraktivnost indukcijskog grijanja u industriji povezana je, prije svega, s tehnološkom jednostavnošću, visokom produktivnošću, visokom preciznošću održavanja režima toplinske obrade, visokim stupnjem ekološke prihvatljivosti i lakoćom integracije u automatizirane proizvodne linije. Trenutno je razvijena i proizvedena oprema za indukcijsko grijanje za različite industrijske primjene:
Za volumetrijsku i površinsku termičku obradu metalnih proizvoda u svrhu kaljenja, normalizacije, poboljšanja, žarenja, kaljenja, hemijsko-termičke obrade;
Za zagrijavanje metalnih obradaka prije plastične deformacije;
Za grijanje površina metalnih proizvoda za posebne namjene.
Snaga modernih instalacija za indukcijsko zagrijavanje metala je desetine - stotine kW, radne frekvencije - jedinice kHz - jedinice - MHz.
Suština pronalaska
Suština izuma je korištenje snažnih kratkih električnih impulsa za modificiranje površine električno vodljivih predmeta.
1. poboljšanje performansi metala i legura;
2. kontrola potrebnih svojstava, kao što su tvrdoća, otpornost na habanje, zamor, otpornost na koroziju;
3. smanjenje troškova proizvodnje;
predložena je metoda za modifikaciju površinske strukture formiranjem amorfnih, nano- i mikrokristalnih površinskih slojeva. Za razliku od prototipa, predlažemo korištenje snažnog jednostrukog impulsa koji dovodi do potrebnog zagrijavanja površine (sloja kože).
Skin efekat se sastoji od lokalizacije električne struje visoke frekvencije u tankom sloju provodnika koji se nalazi blizu površine. Debljina sloja kože δ se procjenjuje kao:
gdje je ω frekvencija naizmjenične struje, μ je magnetska permeabilnost, a σ provodljivost vodiča. Kada strujni impuls trajanja t 0 sa gustinom j teče kroz provodnik otpornosti ρ=1/σ, oslobađa se toplota q:
Ova toplota se troši na povećanje unutrašnje energije, a samim tim i temperature površinskog sloja kože, budući da je trajanje impulsa kratko, a promene u strukturi i odliv toplote kroz vanjsku površinu se mogu zanemariti. Prirast temperature ΔT u kratkom vremenskom intervalu t 0 proporcionalan je količini topline q:
gdje je c v specifični toplinski kapacitet, a ρ m gustina provodnog sloja.
Za procjene ćemo pretpostaviti da je oblik strujnog impulsa trajanja t 0 blizak poluperiodu sinusoidne funkcije frekvencije ω. Tada možemo pretpostaviti:
Neka struja I teče kroz cilindrični uzorak poluprečnika R 0 . Tada će površina poprečnog presjeka S sloja kože debljine δ biti:
Tada možemo pronaći odnos između ukupne struje I i gustine struje j:
Zamjenom (1, 2, 4-6) u (3) dobivamo procjenu ovisnosti vrijednosti površinskog grijanja od amplitude struje I i polumjera uzorka R0:
Zamjenom (4) u (1) dobijamo izraze za određivanje potrebnog trajanja električnog impulsa za modifikaciju površinskog sloja debljine δ:
Iz (7) možemo pronaći amplitudu struje koja je potrebna za zagrijavanje površine uzorka radijusa R 0 za vrijednost ΔT:
Dakle, izrazi (8, 9) omogućavaju procjenu parametara strujnog impulsa potrebnog za zagrijavanje površinskog sloja debljine δ do temperature ΔT.
Vrijeme hlađenja t f površinskog sloja određeno je difuzijom topline u uzorak i ovisi o njegovoj debljini (δ) i koeficijentu toplinske difuzije α.
gdje je λ koeficijent toplotne provodljivosti.
Najvažnija karakteristika površinske obrade, koja određuje, posebno, izgled amorfnog površinskog sloja, je njegova brzina hlađenja T:
Koristeći (8, 10), dobijamo:
Dakle, kao što slijedi iz dobivenih izraza, potrebni su kratki, snažni strujni impulsi da bi se postigla temperatura topljenja sloja kože i postigla visoka brzina hlađenja. Procjene pokazuju da su za obradu uzoraka prečnika reda milimetara i postizanje brzine hlađenja reda od 10 10 K/s potrebni strujni impulsi amplitude oko 100 kA i trajanja od nekoliko desetina nanosekundi.
Potrebna struktura i debljina modificiranog sloja može se podesiti regulacijom količine pregrijavanja taline ili temperature površinskog sloja u slučaju da topljenje površine nije poželjno, te brzine hlađenja, koja je određena amplitudom, trajanje primijenjenog strujnog impulsa i početnu temperaturu uzorka. Posljedično, predložena metoda ostvaruje prednosti površinske toplinske obrade i brzog očvršćavanja.
Implementacija predložene metode zavisi od tehničkih mogućnosti dobijanja kratkih strujnih impulsa velike amplitude. Glavni problem je osigurati veliku brzinu izlazne energije od generatora do opterećenja. Trenutno, za najbolje kondenzatore sa energetskim kapacitetom od ˜10 4 J, ovo vrijeme iznosi ˜300 ns. Vrijeme potrebno za uklanjanje energije iz baterije određeno je i parametrima samih kondenzatora i opterećenjem. Dodavanje vanjskog opterećenja dovodi do neizbježnog povećanja induktivnosti sistema i povećanja vremena izlazne energije na ˜1 μs.
Trenutno se najveće izlazne stope energije postižu u dvostepenim generatorima, koji uključuju generator impulsa primarne struje (CPG) i sistem za povećanje snage (PAS). GIN je obično baterija impulsnih kondenzatora, povezanih prema jednom ili drugom krugu (na primjer, Marxov krug) i napajana iz izvora visokog napona. Sistem povećanja snage je dizajniran da značajno (10-100 puta) poveća gustinu energije koja dolazi iz GIN-a za proizvodnju strujnog impulsa u trajanju od ˜(10-100) ns na opterećenju. Postoje dvije vrste SMS-a - bazirane na srednjem kapacitivnom uređaju za pohranu ili korištenje induktivnog uređaja za pohranu. Gustoća energije u induktivnim uređajima za skladištenje je desetine puta veća nego u kapacitivnim uređajima. Međutim, oni zahtijevaju upotrebu visokostrujnih, brzih strujnih prekidača koji prebacuju generator na opterećenje, što predstavlja ozbiljan naučni i tehnički problem.
SMA zasnovane na jednoj (ili dvostrukoj) koaksijalnoj liniji za formiranje punjene glicerolom (relativna dielektrična konstanta ε=44) ili deioniziranom vodom (ε=81) je lakše implementirati. U ovim okruženjima moguće je dobiti dovoljno visoku vrijednost jakosti električnog polja za vrijeme trajanja naboja, a samim tim (uzimajući u obzir prilično veliku vrijednost visokofrekventne dielektrične konstante ε) i veliku gustoću energije , koji osigurava prijem kratkog i snažnog električnog impulsa.
Svrha izuma je modificiranje površine električno vodljivih predmeta.
Ovaj cilj se postiže činjenicom da se u metodi modifikacije provodnih tijela pobuđivanjem električne struje u njima naizmjeničnim elektromagnetnim poljem, novost koristi snažnim jednostrujnim impulsima u rasponu trajanja nanosekunde za modificiranje površine.
Zbog činjenice da su metode modifikacije površine zasnovane na korištenju nanosekundnih strujnih impulsa velike snage nepoznate u dosadašnjem stanju tehnike, ispunjava kriterij “novosti”.
Zbog činjenice da izum za koji se traži očito ne proizlazi iz analoga i prototipova, on ispunjava kriterijum „inventivnog nivoa“.
Kao što će biti pokazano u nastavku, zbog visoke izračunate vrijednosti brzine hlađenja i očekivane relativno niske specifične cijene, opseg industrijske primjene predmetnog pronalaska može biti vrlo širok. Shodno tome, pronalazak za koji se traži zaštita ispunjava kriterijum „industrijske primenljivosti“.
Spisak crteža
Na slici 1 prikazani su rezultati proračuna prolaska strujnog impulsa amplitude 240 kA i trajanja od 40 ns kroz bakarni cilindrični uzorak prečnika 1 mm. Grafovi vremenske zavisnosti jačine struje - I, koja teče kroz uzorak, temperature površine uzorka - T, poluprečnika faznog prelaza (topljenja) - R m i brzine promene temperature od trenutka topljenja - Prikazani su dT/dt.
Slika 2 prikazuje mikrosnimku površine bakarnog cilindričnog uzorka dužine 10 mm i prečnika 0,8 mm, obrađenog strujnim impulsom prema navedenoj metodi. Slika površine je dobijena pomoću Hitachi S-3500 skenirajućeg elektronskog mikroskopa.
Na slici 3 prikazani su mikrosnimci istog preseka površine cilindričnog uzorka nitinola (NuTi) prečnika 1,0 mm, tretiranog strujnim impulsom prema navedenoj metodi. Slika 3a prikazuje površinu uzorka u izvornom stanju. i na slici 3b - nakon obrade. Slika površine je dobijena pomoću Hitachi S-3500 skenirajućeg elektronskog mikroskopa.
Informacije koje potvrđuju mogućnost implementacije pronalaska.
Za površinsku modifikaciju metala mogu se koristiti generatori strujnih impulsa (CPG) s trajanjem nanosekunde od 20...100 ns i amplitudom struje od ˜100 kA. U pravilu se takvi generatori izrađuju na bazi jednostrukih (dvostrukih) formirajućih vodova (FL) koaksijalnog tipa, punjenih glicerolom ili deioniziranom vodom. Upotreba ovih linija u GIT dizajnu je zbog sljedećih faktora:
1. Trajanje strujnog impulsa određeno je električnom dužinom PL i može se lako promijeniti korištenjem dodatnih PL segmenata ili PL različitih električnih dužina.
2. Vrijeme porasta strujnog impulsa u generatoru značajno ovisi o induktivnosti strujnog kruga, uglavnom determinisanom iskristicom u kratkom spoju i, u velikoj mjeri, visinom ovog drugog. Ugradnjom višekanalnog odvodnika kratkog spoja sa strujom kroz svaki kanal od ˜10 kA u liniji umjesto jednokanalnog, moguće je smanjiti trajanje porasta strujnog impulsa.
3. U slučaju električnog kvara u liniji, tekući dielektrik ne gubi svojstva električne čvrstoće i može se koristiti u budućnosti.
Kao primjer implementacije dajemo rezultate proračuna obavljenih za bakarni cilindar prečnika 1 mm, početne temperature T 0 = 300 K. Parametri strujnog impulsa su odabrani tako da se osigura dubina topljenja. od ˜1÷10 μm.
Utvrđeno je da je za uzorak bakra sa amplitudom strujnog impulsa I = 240 kA i njegovim trajanjem t 0 = 40 ns, debljina fuzioniranog sloja 9 μm. Proces zagrijavanja je trajao ˜0,1 μs, proces hlađenja je trajao ˜1 μs. Maksimalno zagrevanje dostiglo je 1953 K (na temperaturama topljenja i isparavanja bakra 1356 K i 2868 K, respektivno). Maksimalna brzina hlađenja bila je T=1,8·10 11 K/s.
Rezultati proračuna su potvrđeni eksperimentalno, kao što je prikazano na slici 2 za uzorak bakra prečnika 0,8 mm i na slici 3 za uzorak najlona prečnika 1 mm, koji su obrađeni prema navedenoj metodi. Očigledno je topljenje površinskog sloja.
Dakle, na osnovu predložene metode moguće je razviti industrijske instalacije koje pružaju toplinsku obradu površine proizvoda.
Izvori informacija
1. Površinsko inženjerstvo, Euromat-99, knj. 11, ed. H.Dimigen, Willey-VCH, Njemačka (2000) 539 rub.
2. V.P.Aljehin, V.A.Khonik, Struktura i fizički obrasci deformacije amorfnih legura. M.: Metalurgija, 1992, 248 str.
3. A.I.Manokhin, B.S.Mitin, V.A.Vasiliev, A.V.Revyakin, Amorfne legure. M.: Metalurgija, 1992, 160 str.
4. E.M. Breinan, Phys.Today V.29 (1976) str. 45-51.
5. A. Inoue, Bulk Amorfne legure, praktične karakteristike i primjene, Trans.Tech.Pub., Swizerland (1999) 146 str.
7. I. R. Pashby, S. Bames i B. G. Bryden, Površinsko kaljenje čelika korištenjem diodnog lasera velike snage. Časopis za tehnologiju obrade materijala, 139 (2003) str.585-588.
8. G. W. Stachowiak i A. W. Batchelor, Površinsko očvršćavanje i nanošenje prevlaka na metale pomoću mobilnog izvora lokalnog električnog otpornog grijanja. Časopis za tehnologiju obrade materijala, 57 (1996) str.288-297.
Premazivanje vam omogućava da riješite dva tehnološka problema. Prvo sastoji se od usmjerena promjena fizičkih i kemijskih svojstava originalnih površina proizvoda, obezbeđujući određene uslove rada, sekunda- V vraćanje svojstava površina proizvoda, narušeno radnim uslovima, uključujući gubitak veličine i težine. Upotreba premaza može značajno poboljšati karakteristike performansi proizvoda: otpornost na habanje, otpornost na koroziju, otpornost na toplinu, otpornost na toplinu itd.
Trenutno se nastavlja usavršavanje i potraga za novim metodama premaza.
Proučavanje metoda premazivanja i njihovih varijanti; termodinamika procesa pri stvaranju premaza različitih vrsta na metalnim i nemetalnim površinama; struktura, struktura i performanse premaza; osnovna oprema za plinsko-termalno i elektrotermalno premazivanje metalnih proizvoda.
Proučavanje metoda za poboljšanje kvaliteta proizvoda formiranjem višeslojnih i ojačanih premaza; metrološka kontrola tehnoloških parametara formiranja i njihovih svojstava.
Uloga i mjesto premaza u savremenoj proizvodnji
Premazi- Ovo jednoslojna ili višeslojna struktura nanesena na površinu radi zaštite od vanjskih utjecaja(temperatura, pritisak, korozija, erozija i tako dalje).
Postoje spoljašnji i unutrašnji premazi.
Vanjski premazi imaju granicu između premaza i površine proizvoda. Odnosno veličina proizvoda raste s debljinom premaza, Istovremeno se povećava masa proizvoda.
U unutrašnjim premazima nema interfejsa i dimenzija a masa proizvoda ostaje nepromijenjena, dok se svojstva proizvoda mijenjaju. Unutrašnji premazi se nazivaju i modificirajući premazi.
Prilikom nanošenja premaza rješavaju se dva glavna problema
1. Promena početnih fizičkih i hemijskih svojstava površine proizvoda koji obezbeđuju određene uslove rada;
2. Vraćanje svojstava, dimenzija, mase površine proizvoda, narušenih uslovima rada.
Namjena i područja primjene premaza
Glavni razlog za nastanak i razvoj tehnologije zaštitnih premaza bio je želja za povećanjem trajnosti dijelova i sklopova raznih mehanizama i strojeva. Optimizacija sistema premaza uključuje odgovarajući izbor sastava premaza, njegovu strukturu, poroznost i adheziju, uzimajući u obzir i temperaturu premaza, dakle Radna temperatura, kompatibilnost materijala podloge i premaza, dostupnost i cijenu premaznog materijala, kao i mogućnost njegove obnove, popravke i pravilne njege tokom rada
Upotreba nedovoljno izdržljivog premaza čija se debljina značajno smanjuje tokom rada, može dovesti do smanjenja čvrstoće cijelog dijela zbog smanjenja efektivne površine njegovog ukupnog poprečnog presjeka. Mutual difuzija komponenti iz podloge u premaz i obrnuto može dovesti do iscrpljivanja ili obogaćivanja legira jedan od elemenata. Toplotni uticaj Možda promeniti mikrostrukturu supstrat i poziv pojava zaostalih naprezanja u premazu. Uzimajući u obzir sve navedeno, optimalan izbor sistema treba da obezbedi njegovu stabilnost, odnosno očuvanje svojstava kao što su čvrstoća (u različitim aspektima), duktilnost, čvrstoća na udar, zamor i otpornost na puzanje nakon bilo kakvog udara. Rad u uslovima brzog termičkog ciklusa ima najjači uticaj na mehanička svojstva, a najvažniji parametar je temperatura i vrijeme njegovog izlaganja materijalu; interakcija sa okolnim radnim okruženjem određuje prirodu i intenzitet izlaganja hemikalijama.
Mehaničke metode spajanja premaza na podlogu često ne daju potrebnu kvalitetu prianjanja. Mnogo bolji rezultati se obično postižu metodama difuzijskog spajanja. Dobar primjer uspješnog difuzijskog premaza je aluminiziranje crnih i obojenih metala.
Klasifikacija premaza i načini njihove proizvodnje
Trenutno postoji mnogo različitih premaza i metoda za njihovu proizvodnju.
U mnogim publikacijama Predložene su različite sheme za klasifikaciju anorganskih premaza prema različitim kriterijima.
Pokrivenost se može klasifikovati prema sljedećim osnovnim principima:
1. Po namjeni(antikorozivni ili zaštitni, otporni na toplinu, otporni na habanje, antifrikcioni, reflektirajući, dekorativni i drugi);
2. Po fizičkim ili hemijskim svojstvima(metalni, nemetalni, vatrostalni, hemijski otporni, reflektirajući, itd.);
3. Po prirodi elemenata(hrom, hrom-aluminijum, hrom-silicijum i drugi);
4. Po prirodi faza formiranih u površinskom sloju(aluminid, silicid, borid, karbid i dr.)
Pogledajmo najvažnije premaze, klasificirane prema namjeni.
Zaštitni premazi– glavna svrha je vezana za njihovu razne zaštitne funkcije. Premazi otporni na koroziju, toplinu i habanje postali su široko rasprostranjeni. Široko se koriste i toplinski, elektroizolacijski i reflektirajući premazi.
Strukturni premazi i filmovi– obavljati ulogu strukturni elementi u proizvodima. Takođe se posebno koriste u proizvodnji proizvoda u instrumentarstvu, elektronskoj opremi, integrisanim kolima, u turbomlaznim motorima - u obliku aktiviranih zaptivki u turbinama i kompresorima, itd.
Tehnološki premazi- namijenjeno olakšati tehnološke procese u proizvodnji proizvoda. Na primjer, primjena lemljenja prilikom lemljenja složenih struktura; proizvodnja poluproizvoda u procesu visokotemperaturne deformacije; zavarivanje različitih materijala itd.
Dekorativni premazi– imaju izuzetno široku primenu u proizvodnji proizvoda za domaćinstvo, nakita, poboljšanju estetike industrijskih instalacija i uređaja, protetici u medicinskoj opremi itd.
Restorativni premazi– dati ogromno ekonomski učinak pri obnavljanju istrošenih površina proizvoda, na primjer osovine propelera u brodogradnji; Oklopi radilice motora s unutarnjim izgaranjem; lopatice u turbinskim motorima; razni alati za rezanje i presovanje.
Optički premazi– smanjiti reflektivnost u odnosu na čvrste materijale, uglavnom zbog geometrije površine. Profiliranje pokazuje da je površina nekih premaza skup hrapavosti čija se visina kreće od 8 do 15 mikrona. Na pojedinačnim makronepravilnostima formiraju se mikroneravnine čija se visina kreće od 0,1 do 2 mikrona.. Dakle, visina nepravilnosti je srazmerna talasnoj dužini upadnog zračenja.
Refleksija svjetlosti od takve površine događa se u skladu sa Frenkelovim zakonom.
U literaturi postoje različiti principi za klasifikaciju metoda premaza. Iako Treba napomenuti da ne postoji jedinstven sistem klasifikacije metoda nanošenja premaza.
Hawking i brojni drugi istraživači su predložili tri klasifikacije metoda premazivanja:
1. Prema faznom stanju medija, od kojih se nanosi materijal za oblaganje;
2. Prema stanju primijenjenog materijala;
3. Po statusu procesa, koji definišu jednu grupu metoda premazivanja.
Detaljnije klasifikacije metoda premazivanja prikazane su u tabeli 1.1
Prednosti i nedostaci različitih metoda premazivanja predstavljeno u tabeli
Tabela 1.1
Tabela 1.2
Klasifikacija metoda premazivanja prema faznom stanju medija.
Tabela 1.3
Klasifikacija metoda premazivanja prema stanju procesa koji definišu jednu grupu metoda
Tabela 1.4
Klasifikacija metoda prema stanju primijenjenog materijala i metodama izrade
Promene fizičkih i hemijskih svojstava površina tokom nanošenja premaza
Površinski sloj (prevlaka) igra odlučujuću ulogu u formiranju operativnih i drugih svojstava proizvoda, stvarajući ga na površini čvrste tvari, gotovo uvijek mijenja fizička i kemijska svojstva u željenom smjeru. Premaz vam omogućava da vratite prethodno izgubljena svojstva tokom rada proizvoda.. Međutim, najčešće se mijenjaju svojstva originalnih površina proizvoda dobivenih prilikom njihove proizvodnje. U ovom slučaju, svojstva materijala površinskog sloja značajno se razlikuju od svojstava originalne površine. U velikoj većini, kemijski i fazni sastav novostvorene površine se mijenja, što rezultira proizvodima sa potrebnim karakteristikama performansi, na primjer, visokom otpornošću na koroziju, otpornošću na toplinu, otpornošću na habanje i mnogim drugim pokazateljima.
Promjene fizičkih i kemijskih svojstava originalnih površina proizvodi može se postići stvaranjem unutarnjih i vanjskih premaza. Moguće su i opcije kombinacije(Sl. 1.1).
Prilikom nanošenja unutarnjih premaza, dimenzije proizvoda ostaju nepromijenjene (L I = const). Neke metode također osiguravaju konstantnu masu proizvoda., drugim metodama - povećanje mase je zanemarivo i može se zanemariti. obično, nema jasne granice modifikovanog površinskog sloja(δm ≠ const).
Prilikom nanošenja vanjskih premaza povećava se veličina proizvoda (L i ≠ const) na debljinu premaza (δpc). Težina proizvoda se također povećava.
N 
U praksi postoje i kombinovani premazi. Na primjer, pri nanošenju premaza za zaštitu od topline karakterizira povećan broj diskontinuiteta u vanjskom sloju,
otpornost na toplinu je osigurana unutrašnjim neporoznim premazom.
Rice. 1.1. Šematski prikaz promjena u fizičko-hemijskim svojstvima površina ( Li – originalna veličina proizvoda; δ m – dubina unutrašnjeg sloja; δ pc – debljina premaza; σ a – čvrstoća prianjanja premaza; δ k – čvrstoća kohezije; P – diskontinuiteti (pore, itd.); O N – zaostala naprezanja)
Unutrašnji premazi
Unutrašnji premazi nastaju različitim metodama utjecaja na površinu izvornog materijala(modifikacija originalnih površina). U praksi se široko koriste sledeće metode uticaja: mehanički, termički, toplotno difuzioni i visokoenergetski sa prodornim tokovima čestica i zračenja (slika 1.2).
Upoznajte i kombinovane metode uticaja, na primjer, termomehanički, itd. U površinskom sloju se javljaju procesi koji dovode do strukturne promjene u izvornom materijalu do dubine od nanometarskog raspona do desetinki milimetra ili više. U zavisnosti od načina uticaja odvijaju se sledeći procesi:
– promjena zrnaste strukture materijala;
– izobličenje rešetke, mijenjanje njegovih parametara i tipa;
– uništavanje kristalne rešetke(amorfizacija);
– mijenjanje hemijskog sastava i sintetiziranje novih faza.
Rice. 1.2. Shema modifikacije površine raznim utjecajima ( R-pritisak; T- temperatura; WITH– difuzni element; J– energija protoka; τ – vrijeme)
Vanjski premazi
Praktična važnost vanjskih premaza je vrlo velika. Primjena vanjskih premaza omogućava ne samo rješavanje problema promjene fizičkih i kemijskih svojstava originalnih površina, već i vratite ih nakon upotrebe.
Mehanizam i kinetika formiranja prikazani su na Sl. 1.3. Vanjski premazi često djeluju kao strukturni element, na primjer, premazi - filmovi u proizvodnji integriranih kola. Do danas je razvijen veliki broj metoda za nanošenje premaza za različite namjene od mnogih neorganskih materijala.
Rice. 1.3. Sheme za formiranje premaza na čvrstoj površini
Za analizu fizičkih i hemijskih procesa vezano za premazivanje, njihov preporučljivo je sistematizirati prema uslovima formiranja. Čini se da je moguće razlikovati sljedeće grupe premaza formiranih na čvrstoj površini: čvrstofazne, tekuće faze, praškaste i atomske.
Kontrolna pitanja:
1. Definirajte pojam pokrivenost.
2. Koja su dva glavna zadatka koja se rješavaju prilikom nanošenja premaza?
3. Navedite glavnu svrhu i područja primjene premaza.
4. Navedite glavne kriterije prema kojima se premazi klasifikuju.
5. Koji se premazi nazivaju zaštitnim?
6. Navedite glavne kriterije za klasifikaciju metoda nanošenja premaza.
7. Navedite glavne grupe metoda klasificiranih prema stanju primijenjenog materijala.
8. Kako se mijenjaju fizičko-hemijska svojstva površine pri nanošenju premaza?
9. Navedite glavne razlike između unutrašnjih i vanjskih premaza.
10. Navedite primjer kombiniranih premaza.
Predavanje 2. Fizičko-hemijska svojstva čvrstih površina
UVOD
Postupci modifikacije površina provodljivih materijala se široko koriste za stvaranje posebnih svojstava različitih proizvoda u optici, elektronici, a takođe i kao završni tretman za širok spektar proizvoda za kućne i tehničke svrhe. Postojeće metode mehaničkog poliranja su radno intenzivne, složene i često dovode do nepoželjnih strukturnih promjena u površinskom sloju proizvoda i stvaranja dodatnih naprezanja, što može biti presudno za formiranje tankih filmova sa posebnim svojstvima u mikroelektronici. Široko korištene elektrohemijske metode poliranja metalnih proizvoda su skupe, uglavnom zbog upotrebe skupih kiselih elektrolita, koji također nanose veliku ekološku štetu okolišu. U tom smislu, najveći značaj pridaje se razvoju i implementaciji novih tehnoloških procesa koji omogućavaju održavanje kvaliteta i strukture površine, imaju visoku produktivnost i dobre ekološke i ekonomske performanse. Takvi procesi uključuju poliranje različitih provodljivih materijala metodom elektrolit-plazma. Za razliku od tradicionalnog elektrohemijskog poliranja u kiselinama, elektrolit-plazma tehnologija koristi ekološki prihvatljive vodene otopine soli niske koncentracije (3-6%), koje su nekoliko puta jeftinije od toksičnih kiselinskih komponenti.
Za odlaganje istrošenih elektrolita nisu potrebni posebni objekti za tretman. Vrijeme poliranja je 2-5 minuta, a vrijeme uklanjanja ivica je 5-20 sekundi. Ova metoda vam omogućava da obrađujete proizvode u četiri glavna područja:
- priprema površine prije nanošenja tankih filmova i premaza;
- poliranje složenih profilnih površina kritičnih dijelova;
- uklanjanje neravnina i zatamnjivanje oštrih ivica;
- dekorativno poliranje metalnih proizvoda;
Trenutno se elektrolitička obrada plazmom različitih čelika i legura bakra koristi u brojnim preduzećima u Bjelorusiji, Rusiji, Ukrajini, kao iu Kini i drugim zemljama. Široku upotrebu ove tehnologije ometa ograničeni raspon poliranih materijala i proizvoda, budući da elektroliti i načini poliranja za proizvode složenih oblika i metala kao što su aluminij i titan, kao i poluvodičke materijale, nisu razvijeni. Potraga za učinkovitim elektrolitima zahtijeva dublje proučavanje mehanizma uklanjanja hrapavosti i formiranja površinskog sjaja tokom djelovanja elektrolita i plazme na provodljive materijale.
FIZIČKO-HEMIJSKI PROCESI POD UTJECEM ELEKTROLITA I PLAZME
Rad elektrolitsko-plazma instalacija za preradu temelji se na principu korištenja impulsnih električnih pražnjenja koja se javljaju duž cijele površine proizvoda uronjenog u elektrolit. Kombinirani učinak kemijski aktivnog okruženja i električnih pražnjenja na površini dijela stvara učinak proizvoda za poliranje. U tehnologiji poliranja elektrolitičkom plazmom radni komad je anoda na koju se dovodi pozitivan potencijal, a negativni potencijal na radnu kupku. Nakon prekoračenja određenih kritičnih vrijednosti gustoće struje i napona, oko metalne anode formira se parno-plazma ljuska koja gura elektrolit dalje od metalne površine. Fenomeni koji se dešavaju u području blizu elektrode ne uklapaju se u okvire klasične elektrohemije, jer u blizini anode nastaje višefazni sistem metal-plazma-gas-elektrolit, u kojem joni i elektroni služe kao nosioci naelektrisanja /3/.
Poliranje metala se odvija u opsegu napona od 200–350 V i gustoći struje od 0,2–0,5 A/cm 2 /2,3/. Pri naponu većem od 200 V, oko anode se formira stabilna tanka (50–100 μm) ljuska parne plazme (VPC), koju karakteriziraju male fluktuacije struje pri U = konst. Jačina električnog polja u ljusci dostiže 10 4 –10 5 V/cm 2 . Na temperaturi od oko 100 0 C, takav napon može izazvati jonizaciju para, kao i emisiju jona i elektrona neophodnih za održavanje stacionarnog užarenog električnog pražnjenja u ljusci blizu elektrode. U blizini mikroizbočina, jakost električnog polja se značajno povećava i u tim područjima dolazi do pulsnog pražnjenja uz oslobađanje toplinske energije.
Istraživanja su utvrdila da je stabilnost i kontinuitet PPO, kao neophodan uslov za sprovođenje procesa zaglađivanja mikroneravnina, određen skupom različitih fizičko-hemijskih parametara: električnim karakteristikama kola, termičkim i strukturnim uslovima. na površini koja se obrađuje, hemijskom i faznom sastavu materijala koji se obrađuje, molekularnim svojstvima elektrolita i hidrodinamičkim parametrima tečnosti u području blizu elektrode /1–4/.
PREDNOSTI TRETMANA ELEKTROLIT-PLAZMA
U Republici Bjelorusiji, po prvi put, nova visokoučinkovita i ekološki prihvatljiva metoda elektrolitsko-plazma obrade metalnih proizvoda od nehrđajućeg čelika i legura bakra u vodenim otopinama soli našla je industrijsku primjenu. Ova metoda je u velikoj mjeri lišena nedostataka koji su svojstveni mehaničkom i elektrohemijskom poliranju, a dodatno omogućava uštedu materijalnih i financijskih sredstava. Elektrolit-plazma tehnologija ima veće tehničke karakteristike procesa, kao što su brzina obrade proizvoda, klasa čistoće njegove površine, odsustvo unošenja abrazivnih čestica i odmašćivanja površine.Proces se može potpuno automatizovati;veliki proizvodni prostori nisu potrebni za smještaj opreme (slika 1).
Slika 1. Instalacioni dijagram za poliranje provodnih proizvoda. 1 - radna kupka; 2 - električna pumpa; 3 - pripremna kupka; 4 - transformator; 5 - elektro ormar; 6 - kontrolna tabla.
Korištenje metoda visokih performansi elektrolitičkog poliranja plazme zamijenit će radno intenzivnu mehaničku i toksičnu elektrokemijsku obradu. Proces poliranja metala je ekološki prihvatljiv i zadovoljava sanitarne standarde, za čišćenje istrošenog elektrolita nisu potrebni posebni objekti za obradu.
Glavna tehnička rješenja za tehnologiju poliranja elektrolitom i plazmom za niz metala razvijena su i patentirana u Njemačkoj i Bjelorusiji. Poznati elektroliti su pogodni za obradu ograničene klase metala i ne poliraju aluminijum, titan, itd. Institut za energetske probleme Nacionalne akademije nauka Belorusije (sada Zajednički institut za energetiku i nuklearna istraživanja - Sosni Nacionalne akademije Nauka Bjelorusije) razvio je novu kompoziciju elektrolita za poliranje deformabilnih aluminijskih legura, koja ne sadrži koncentrirane kiseline, nije agresivna prema opremi, izdržljiva je i ima nisku cijenu, prijava za pronalazak podnesena je 20. maja 2002. .
EKONOMSKI POKAZATELJI ELEKTROLITSKO-PLAZMA TRETMANA
Prilikom poliranja 1 m 2 proizvoda klasičnom elektrohemijskom metodom troši se oko 2,5 kg kiselina po cijeni od 3 USD, a kod poliranja metodom elektrolit-plazma troši se oko 0,1 kg soli po cijeni od 0,02 USD. Proračuni pokazuju da se pri dvosmjenskom radu elektrolit-plazma opreme u trajanju od 200 dana ušteda finansijskih sredstava godišnje iznosi oko 30.000 USD, dakle uz trošak ugradnje od 26.000 USD. njegova otplata ne prelazi godinu dana. Osim toga, ova kalkulacija ne uzima u obzir uštede ostvarene zbog nedostatka troškova za postrojenja za tretman.
Pored činjenice da elektrolit-plazma tehnologija ima veću produktivnost i ekološki je prihvatljiva, ima bolje ekonomske performanse u odnosu na mehaničke i elektrohemijske metode obrade. Iako je potrošnja energije prilikom poliranja elektrolitičkom plazmom (radni napon je 220-320 V) znatno veća nego kod obrade tradicionalnom elektrohemijskom metodom na niskim naponima, ipak su ukupni operativni troškovi pri korištenju ove tehnologije u prosjeku šest puta niži i to ekonomski dobitak se postiže prvenstveno zamjenom skupog kiselog elektrolita jeftinim vodenim rastvorom soli. Treba napomenuti da za postizanje efekta poliranja nisu potrebni reagensi (soli) visoke kemijske čistoće, što ima vrlo značajan utjecaj na njihovu cijenu. Ekonomski pokazatelji elektrolitsko-plazma tehnologije također su značajno poboljšani pojednostavljenom shemom za reciklažu istrošenog elektrolita i odsustvom posebnih postrojenja za obradu.
Proračuni troškova pri korištenju tehnologije koja se razmatra pokazuju da s povećanjem kapaciteta ugradnje, kada se poveća maksimalna površina polirane površine po opterećenju, ukupni jedinični troškovi (po 1 m2 površine) smanjuju, uključujući smanjenje kapitala i komponente operativnih troškova odvojeno. U ovom slučaju postoji zajednička preraspodjela troškova između pojedinačnih rashodnih stavki. Navedeni podaci vrijede za kontinuirani sedmočasovni rad instalacije po smjeni dvadeset radnih dana mjesečno. Praksa korištenja predložene metode pokazuje da, ovisno o veličini, obliku, volumenu serije prerađenih proizvoda i načinu rada instalacije, treba odabrati odgovarajuću snagu instalacije koja daje najniže troškove i najkraću isplativost. period.
PERSPEKTIVE ELEKTROLITNO-PLAZME OBRADE STRUJNIH MATERIJALA
Zajednički institut za energetiku i nuklearna istraživanja - Sosny Nacionalne akademije nauka Bjelorusije (JIPNR-Sosny) provodi istraživanje o razvoju efikasnih elektrolita za poliranje širokog spektra provodljivih materijala i proizvoda, radi se na razvoju tehnologije, kreirati i implementirati opremu. Teorijske i eksperimentalne studije usmjerene su na optimizaciju procesa uzimajući u obzir termofizičke faktore, kao što je kriza ključanja, kao i fizičke parametre elektrolita (koeficijent površinske napetosti, viskoznost, kontaktni ugao) kako bi se razvili znanstveno utemeljeni pristupi traženju. za sastave elektrolita koji daju kvalitet obrade širokog spektra materijala uz minimalnu potrošnju resursa (materijala, energije, vremena, rada itd.).
JIPINR-Sosny NASB je razvio asortiman opreme EIP-I, EIP-II, EIP-III, EIP-IV za poliranje nehrđajućih čelika i legura bakra metodom elektrolit-plazma, po cijeni od 4000 USD. do 22000 USD različitih kapaciteta od 400 cm 2 do 11000 cm 2 po tovaru. Ovi proizvodi su izvozno orijentisani. Takve instalacije su isporučene mnogim bjeloruskim, ruskim i ukrajinskim preduzećima. U proizvodnji opreme za elektrolitičku plazmu koriste se materijali i komponente proizvedeni u Bjelorusiji.
U cilju dalje uštede energije, razvijen je novi ekonomični izvor napajanja i dvostepena metoda poliranja korištenjem visokih radnih napona u prvoj fazi uklanjanja hrapavosti površine i provođenja druge završne faze obrade u elektrolitu na nižim naponima. Efekt uštede energije opremanja instalacija novim izvorom napajanja i korištenjem dvostepenog načina poliranja za provodljive proizvode može iznositi od 40 do 60% potrošene električne energije u odnosu na standardne izvore napajanja koji se koriste pri konstantnom fiksnom naponu.
ZAKLJUČCI
Identifikovani su najznačajniji faktori koji utiču na tehnološki režim elektrolitsko-plazma obrade provodnih materijala. Pokazano je da nova metoda obrade u elektrolitu ima niz tehničkih i ekonomskih prednosti u odnosu na postojeće tehnologije poliranja površina širokog spektra proizvoda.
Široko usvajanje ekološki prihvatljivih metoda obrade provodnih materijala u različitim industrijama ne samo da će uštedjeti materijalne i radne resurse i dramatično povećati produktivnost rada u obradi metala, već će riješiti i značajan društveni problem značajnog poboljšanja uslova rada inženjerskog i tehničkog osoblja i stvaranja povoljnija ekološka situacija u preduzećima i regionima.
LITERATURA
- Patent br. 238074 (GDR).
- I.S.Kulikov, S.V.Vashchenko, V.I.Vasilevsky Značajke električnog impulsnog poliranja metala u plazmi elektrolita // VESCI NSA ser. fiz.-tehnika. Sci. 1995. br. 4. str. 93–98.
- B.R. Lazarenko, V.N. Duraji, Bryantsev I.V. O strukturi i otporu zone blizu elektrode pri zagrijavanju metala u plazmi elektrolita // Elektronska obrada materijala. 1980. br. 2. str. 50–55.
- Patent Republike Bjelorusije br. 984 1995.
Kulikov I.S., Vashchenko S.V., Kamenev A.Ya.