Kde se používá plazmové stříkání?

Technologie vakuového nanášení našla své uplatnění téměř ve všech průmyslových odvětvích. Každý podnik, který vyrábí produkty, které se plánují používat po dlouhou dobu, je vybaven zařízením pro vakuovou depozici.

Obecný popis technologie

Vakuové stříkání jde o vytvoření usměrněného toku částic stříkané látky (atomů, molekul nebo shluků) ve vakuovém prostředí ve formě kondenzátu a jeho následné usazování na upravovaném povrchu.

Rozprašování vzniká fyzikálním (PVD) nebo chemickou (CVD) metodou. Fyzikální metoda srážení kondenzátu probíhá bez chemických reakcí. Existuje několik metod:

katodové naprašování;
odporové tepelné odpařování;
magnetronové naprašování;
iontová plazma;
vypařování elektronového paprsku a další.

V rámci každé techniky mohou procesy probíhat v prostředí reakčního plynu, s další ionizací, předpětím nebo bez výše uvedených podmínek. Materiály pro nástřik jsou kovy (titan, hliník, měď, nikl, chrom atd.), jejich slitiny (NiCr, CrNiSi, Ti02, Al203 atd.), chemické sloučeniny (oxidy, karbidy atd.), cermety, kompozitní sklo.

Proces probíhá ve vakuové komoře a je rozdělen do několika fází:

Změna kondenzované fáze látky na fázi plynnou.
Vytváření toku částic hmoty směrem k povrchu předmětu.
Usazování částic na povrchu.
Tvorba tenkého filmového povlaku.

Vlastnosti metody magnetronového naprašování

Hlavním rysem procesu magnetronového naprašování je vysoký tlak plynu v komoře ve srovnání s metodami odpařování. Vysokoenergetické částice pohybující se v plazmatu se srážejí a oddělují atomy od povrchu cílového materiálu, které pak kondenzují do filmu na substrátu.

Vysoká přilnavost filmového povlaku.
Složení filmového povlaku je svým složením identické s cílovým materiálem.
Vysoká rychlost stříkání

Odporová metoda tepelného odpařování

Technika je založena na použití elektrické energie k ohřevu cílového materiálu na teplotní úroveň, při které se atomy látky vypařují z povrchu. Jeho zvláštností je, že proces probíhá ve vysokém vakuu (až 10-8 Pa), což zaručuje krátkou volnou dráhu atomů a ve výsledku čistší film.

Široká škála aplikovaných materiálů, včetně organických a anorganických polymerů, kovů.
Odolný a čistý film.
Vysoká účinnost.

Metoda vypařování elektronovým paprskem

Technika je založena na práci s elektronovým paprskem, který předčí všechny zdroje energie, pokud jde o energetický výkon, snadné ovládání a lokální ohřev, s výjimkou pouze laserového paprsku. Navíc ve srovnání s laserovým paprskem může mít elektronový paprsek jakýkoli tvar.

Proces probíhá následovně: volné elektrony jsou odděleny od katody a shromážděny do paprsku pod vlivem magnetických a elektrostatických polí. Paprsek elektronů je přiveden čočkami do kelímku s terčovým materiálem, bombarduje povrch, zahřívá jej a způsobuje odpařování materiálu. Poté se odpařená látka nanese na substrát.

Možnost aplikace žáruvzdorných materiálů nebo dielektrik.
Vysoká rychlost růstu filmu a velká tloušťka filmu.
Vysoká čistota a jednotnost filmu.

Vlastnosti iontového plazmového naprašování

Vakuové iontově-plazmové naprašování se používá především k vytváření ochranných a vodivých povlaků. Substrátem může být kov, včetně slitin, polymer nebo kompozitní materiály. Jako materiál pro fólii se používá jakýkoli vodivý materiál, který lze zahřát vakuovým obloukem a je odolný vůči sublimaci ve vakuu, včetně slitin, pevných roztoků, intermetalických sloučenin atd.

Přečtěte si více

Jak otevřít konzervu foie gras?

Metalizace Metoda vakuového iontově-plazmového naprašování je založena na zahřátí materiálu terče na bod varu a následném uložení jeho částic na substrát. V komoře vzniká nízký tlak, do katody je přiváděn proud, katoda se zahřívá a vzniká termionická emise. Poté do komory vstoupí inertní plyn, který způsobí, že mezi anodou a katodou vznikne napětí a podle toho se vytvoří plazmový náboj. Ionty emitující z katody odpařují materiál z terče, který se pak ukládá na substrát.

Jednotné pokrytí.
Vysoká přilnavost.
Možnost tvorby fólií ze žáruvzdorných i netavitelných materiálů.
Vysoká čistota povlaku.

Litografie bez masky
Instalace nanolitografie NanoFrazor
Kontaktní fotolitografie
Aplikace, vývoj a sušení fotorezistu
Plazmové leptání (RIE, RIE-ICP, DRIE)
Plazmatická depozice (PECVD, ICPECVD)
Depozice atomové vrstvy – ALD
Plazmové čištění
Vakuová depozice (PVD)
Zařízení pro LPCVD nanášení grafenu a CNT
Nanášení sprejemCVD, MOCVD, LPCVD
Rychlé tepelné procesy – RTP
Difuzní pece
Broušení, leštění a ředění destiček G&N
Planarizace a CMP
Čistící desky a fotomasky (mokré zpracování a mokré zpracování)
Kotoučové řezání desek (Dicing SAW)
Montáž fólie, deskové laminátory, UV vytvrzování, strečink
Krystalové montážní instalace

Plazmový nástřik povlaky je jedním z typů plyno-tepelného povlakování nástřikem (GOST 28076-89), používaným v technologii kalení a obnovy pracovních ploch strojních součástí, mechanismů, přístrojů, nástrojů atd.

Plazmový nástřik patří do oboru svařování a řezání. Pro plazmové stříkání se používají především práškové materiály, dále dráty, tyče a pruty.

Další stránky přímo k tématu

Plazmový nástřik

Instalace plazmového stříkání.
Práškové materiály pro plazmové nástřiky nátěrů.
Dávkovač prášku

Technické plazma je ionizovaný plyn, ve kterém jsou objemové hustoty kladných a záporných elektrických nábojů tvořících plazma nabitých částic prakticky stejné (podmínka kvazineutrality) a podíl těchto částic je poměrně velký. V tomto případě je Debyeův poloměr stínění D mnohem menší než charakteristická lineární velikost L:

kde e je náboj částice; n_i — obsah i-tého typu částic; k je Boltzmannova konstanta; T je teplota i-tého typu částic.

Metoda plazmového nástřiku povlaků na součásti výrobků se v průmyslovém měřítku začala používat v 50. letech XNUMX. století. První domácí vývoj plazmových instalací byl proveden v Ústavu metalurgie pojmenovaný po. A. A. Baykové pod vedením akademiky.

N.I. Rykalin a Dr. Tech. vědy I. D. Kulagina. Do roku 1961 VNIIavtogenmash společně s IMET vyvinul domácí zařízení pro plazmové stříkání povlaků.

Rýže. 1. Zobecněné schéma procesu plazmového nástřiku povlaků (j – úhel divergence paprsku): 1 – tryska-anoda; 2 — jádro plazmového paprsku; 3 – hlavní sekce plazmového paprsku; 4 – stříkaný nátěr.

Technické plazma vzniká při elektrických výbojích v plynech, které se zahřívají na vysokou teplotu, zajišťující intenzivní tepelnou ionizaci. Plazma je sbírka neutrálních částic, kladných iontů, elektronového plynu a světelných kvant, které vzájemně a s vnějším prostředím interagují složitým způsobem.

Podle stupně ionizace se rozlišuje n-poměr koncentrace nabitých částic k celkové koncentraci částic – slabě ionizované (n – zlomky procenta) plazma; středně ionizované (několik procent) a zcela ionizované (asi 100 %).

Přečtěte si více

Musím dát film pod potěr?

Technické plazma aktivně reaguje na vnější elektrická a magnetická pole, což je dáno jeho velmi vysokou elektrickou vodivostí.

Plazma je považováno za „čtvrtý“ zvláštní stav hmoty po pevném, kapalném a plynném stavu. Když jsou teploty iontů a elektronů stejné, plazma se nazývá izotermické. Plazma se obvykle nazývá „studené“, pokud je jeho teplota přibližně 10 5 K (nízkoteplotní plazma) a „horké“, pokud je jeho teplota přibližně 10 6 -10 7 K (plazma o vysoké teplotě).

Studená plazma se používá k nástřiku nátěrů.

Pro realizaci technologie kalení a obnovy pracovní plochy dílů plazmovým nástřikem v podmínkách průmyslové výroby je zapotřebí pracoviště vybavené speciální sadou technologických zařízení.

Výrobní prostor pro plazmové nástřiky nátěrů.

Plazmové nástřiky povlaků na pracovní plochu dílů výrobku při jejich zpevňování a obnově provádí obsluha převážně ručně, zejména při složité geometrii stříkané plochy a vysokých požadavcích na kvalitu povlaků.

Pro zajištění garantovaného vysoce kvalitního plazmového lakování dílů je důležité, aby byl výrobní prostor vhodně vybaven a vybaven.

Hlavní technické, ekonomické, sanitární, hygienické, ekologické a estetické požadavky na místo výroby plazmových nátěrů:

místo musí být umístěno v přízemí v blízkosti vnějších stěn průmyslové budovy s povinným umístěním v samostatné místnosti nebo v izolovaném prostoru dílny, přičemž volná plocha, kterou nezabírá zařízení, musí být alespoň 10 m 2 na pracovníka;
podlahy staveniště musí být ohnivzdorné, vyrobené z elektroizolačního materiálu a mají nízkou tepelnou vodivost;
na místě by měl být umístěn komplex technologického zařízení v souladu s instalačním schématem energetických, vodních a plynových komunikací, včetně plazmové instalace, plazmové stříkací komory, komory pro suchou tryskovou abrazivní úpravu povrchu dílů, autonomní systém vodního chlazení, systém zásobování plynem s plynovými lahvemi, komorové odmašťování dílů s lokálním odsáváním škodlivých výparů, systém stlačeného vzduchu, elektrická trouba, sušicí skříň, vibrační síto pro prosévání prášků apod.;
všechny kovové konstrukce na staveništi musí být uzemněny podél zemní smyčky měděným lankovým drátem o průřezu nejméně 6 mm 2;
přítomnost mechanického přívodu a odvodu generálního větrání, jehož instalace se provádí v souladu s požadavky současných „Sanitárních norem“, přičemž přívodní jednotky musí být kombinovány s ohřevem vzduchu při přívodu vzduchu v kompaktních tryskách do horní části místnosti nebo difuzní trysky do pracovního prostoru obsluhy a odstranění znečištěného vzduchu z horní zóny s povinným čištěním;
plazmová stříkací komora musí být vybavena autonomní výkonnou odsávací ventilací zajišťující sběr prášku v systému typu „Cyclone“, přičemž účinnost odsávání musí být minimálně 90 % a rychlost pohybu nasávaného vzduchu v zóně uvolňování škodlivých látek musí být minimálně 1,5 m/s;
přítomnost síťového vodovodu pitné vody s přetlakem v systému minimálně 0,4 MPa a průtokem vody minimálně 48 l/min;
dostupnost síťového přívodu stlačeného vzduchu s přetlakem v systému 0,6 MPa;
přítomnost síťového elektrického napájení o výkonu nejméně 120 kV•A třífázový proud s průmyslovou frekvencí 50 Hz;
Osvětlení pracoviště operátora musí být minimálně 1000 luxů, u celkové osvětlovací soustavy minimálně 300 luxů;
interiér prostoru, jeho stěny, strop a vnitřní konstrukce jednotlivých místností musí mít zvukově pohltivé obklady, natřené v šedých, žlutých, modrých tónech, pohlcující ultrafialové paprsky, zajišťující difúzní odraz světla s ohledem na nejnižší koeficient odrazu;
stanoviště musí být vybaveno protipožárním stanovištěm se standardním vybavením a hasicími prostředky;
přítomnost hořlavých a hořlavých látek a kapalných a pevných materiálů skladovaných otevřeně v rozporu se stanovenými pravidly požární bezpečnosti je nepřijatelná;
lahve s plyny (dusík, argon atd.) musí být instalovány ve vzdálenosti ne blíže než 5 m od pracoviště obsluhy ve svislé poloze s povinným upevněním plyny musí být vyvedeny pouze přes reduktor pro příslušný účel;
Vodíkové lahve by měly být instalovány pouze na vnější straně budovy ve speciální kleci, s vyloučením přístupu neoprávněných osob;
Hromadění prachu jakéhokoli původu je na místě přísně nepřípustné; mokré čištění by mělo být prováděno pravidelně, při dodržení bezpečnostních opatření.

Přečtěte si více

K čemu je maximální výkon?

Parametry plazmové trysky

Plazmový paprsek je v podstatě pracovní nástroj, který vytváří povlak na povrchu součásti výrobku. Vyznačuje se řadou termofyzikálních a dalších parametrů, z nichž hlavní zahrnují:

rychlost (hmotnostní průměr) výstupu plazmového paprsku na výstupu z plazmatronové trysky, řízená rychlostí proudění plazmotvorného plynu a určená z rovnice kontinuity proudění a rovnice stavu plynu,

kde v_např. — rychlost toku studeného plynu tvořícího plazmu z trysky plazmatronu; t_např., T_p.s —teplota studeného plynu tvořícího plazmu a plazmového paprsku.

Pro plazmatrony s elektrickým obloukem vp.s = 1000÷1500 m/s;

entalpie (hmotnostní průměr) plazmového paprsku na výstupu z plazmatronové trysky

kde W_р — napájení plazmatronu; η_t.r. — tepelná účinnost plazmatronu; G_např. — spotřeba plazmotvorného plynu; K je podíl plynu účastnícího se tvorby plazmy;

množství tepla přijatého rozstřikovanou částicí během jejího letu v plazmovém paprsku,

kde α je součinitel prostupu tepla;

průměrné hmotnostní složení plynu podél osy plazmového paprsku na výstupu z trysky – převažuje plazmotvorný plyn;
délka vysokoteplotního úseku plazmového paprsku (podmíněná délka plazmového paprsku);
úhel divergence plazmového paprsku.

Komora pro suchou tryskovou abrazivní úpravu povrchu dílů.

Předběžné čištění povrchu dílů od chemisorpčních nečistot předchází speciální úprava tohoto povrchu pro plazmový nástřik povlaku – vytvoření regulované drsnosti a zároveň aktivace povrchové vrstvy stříkaného povrchu jejím nasycením různými dislokacemi a destrukcí mezimolekulových/ meziatomové vazby.

K této operaci se používá suché abrazivní tryskání stříkaného povrchu. Foukání se provádí vzducho-abrazivní směsí ve speciálních komorách pomocí ejekční pistole (obr. 2). Proces se provádí jak ručně, tak pomocí mechanizace. Jako abrazivní prostředky se používá elektrokorund, karbid křemíku, litinové nebo ocelové broky atd. Stlačený vzduch musí být suchý a zbavený nečistot.

Obrázek 2. Komora pro suchou tryskovou abrazivní úpravu povrchu dílů (a) a ejekční vzduchová pistole pro ruční ofukování abrazivní drtí (b).

Mezi hlavní parametry SSAOPD patří:

brusný prostředek zrnitost 0,3-1,5 mm;
tlak stlačeného vzduchu 0,4-0,7 MPa;
vzdálenost foukání 0,08–0,15 m;
úhel náběhu abrazivního paprsku s ošetřovaným povrchem je 60-90°;
spotřeba brusiva 300-500 kg/h;
doba foukání v místě je 25-30 s;
Doba výdrže dílu po ošetření před nástřikem je 2-5 hodin.

Na Obr. Na obrázku 2 je schéma provedení komory pro SSAOPD a vyhazovací vzduchové pistole pro ruční ofukování brusnými třískami.

Opracování povrchu součásti tryskovým abrazivem přináší významné změny do povrchové vrstvy: nasytí se strukturálními defekty.

Při vysokých kinetických energiích se některé abrazivní částice v okamžiku dopadu na povrch s vysokou rychlostí mohou deformovat a tavit a šířit se po povrchu rychlostí

kde c je rychlost zvuku v materiálu abrazivních částic; proti_ч — rychlost abrazivní částice v okamžiku dopadu na povrch.

Napětí na povrchu obrobku způsobené šířením abrazivních částic se odhaduje jako napětí v mezní vrstvě toku kapaliny:

kde μ je koeficient dynamické viskozity roztaveného materiálu brusné částice; proti_л — rychlost šíření laminární vrstvy; 5_л — tloušťka laminární vrstvy.

Přečtěte si více

Proč potřebujete elektrický kotel?

Při tryskovém abrazivním zpracování se zvětšuje plocha interakce plazmového nátěrového materiálu s podkladem, což má pozitivní vliv na přilnavost povlaku k podkladu.

Komora pro plazmové stříkání povlaků.

Ve výrobních podmínkách se zpevnění a obnova pracovního povrchu dílů výrobku pomocí plazmového nástřiku provádí na místě, obvykle ve vzdušné atmosféře (str._а ≈ 0,1 MPa) ve speciální komoře vyrobené a vybavené v souladu s technickými specifikacemi podniku.

Hlavní technické vlastnosti a parametry povlakovací plazmové stříkací komory:

pracovní objem vnitřní dutiny a její tvar jsou určeny v závislosti na geometrických vlastnostech rozsahu stříkaných dílů;
výkon a výkon místní odsávací ventilace;
mechanismy a zařízení pro zajištění, otáčení, pohyblivé části při plazmovém stříkání;
zařízení pro zajištění plazmového hořáku;
rozměry;
hmotnost.

Parametry režimu plazmového nástřiku povlaků.

Tvorba plazmového povlaku na pracovní ploše dílů je důsledkem vlivu mnoha parametrů procesu stříkání, z nichž mezi hlavní patří stříkací vzdálenost, proud, napětí oblouku, spotřeba práškového materiálu, plazmotvorné a transportní plyny, rychlost pohybu stříkacího bodu po povrchu dílu atd. Parametry režimu jsou přímo regulovány operátorem

Bezpečnostní opatření a ekologie v technologii plazmového lakování.

Při provádění prací na nástřiku plazmového nátěru za účelem zpevnění a obnovy pracovního povrchu součástí výrobku musí být obsluha chráněna před škodlivými a nebezpečnými vlivy (viz Nebezpečné a škodlivé výrobní faktory), mezi které patří především:

hluk, včetně jeho vysokofrekvenční složky, ultrazvuku;
ionizace vzduchu;
elektromagnetické záření (ultrafialové, viditelné, infračervené);
chemické faktory (ozon, oxidy dusíku);
pevná fáze aerosolu (kovy, jejich oxidy, karbidy, boridy, silicidy);
psychofyzický stres (fyzický, emocionální);
elektrický proud atd.

Obsluha a personál údržby (když plazmové stříkání vyžaduje přítomnost alespoň dvou operátorů) musí být chráněni před škodlivými a nebezpečnými vlivy jak individuálními prostředky, tak souborem vhodných opatření.

Kontrola, opravy, čištění a seřizování zařízení umístěného v prostoru plazmového nástřiku se provádí až po úplném odpojení napájení. Spolehlivost uzamykacích systémů by měla být pravidelně kontrolována. Plazmovou instalaci spusťte v režimu „Provoz“ až po kontrole v režimu „Nastavení“.

Je nutné systematicky kontrolovat stav všech komunikací (elektrické vodiče, přívodní hadice vody a plynu atd.). Mechanické poškození elektrických komunikací a vysoké teploty jsou nepřijatelné.

Soubor všech opatření k zajištění bezpečnosti práce v místě plazmového nástřiku musí být promítnut do speciálních technologických pokynů vypracovaných příslušnou službou podniku.

1. Plazmové stříkání se široce používá k vytvrzení a obnově pracovních povrchů částí výrobku. Mezi významné technické a ekonomické výhody technologie patří:

vysoká produktivita procesu;
získání vysoce kvalitního nátěru, zejména v podmínkách obecné ochrany;
přítomnost velkého počtu technologických faktorů, jejichž variace poskytuje flexibilní řízení procesu stříkání;
vysoká míra využití práškového materiálu;
široká dostupnost metody v základní i opravárenské výrobě;
ziskovost;
nízké náklady na jednoduché vybavení;
možnost komplexní mechanizace a automatizace procesu;
prodloužení životnosti drahých dílů (klikové hřídele, kluzná ložiska, pístové dráhy atd.);
jedinečná příležitost získat pracovní povrchy dílů se specifikovanými výkonnostními vlastnostmi;
všestrannost v použití práškových materiálů, včetně těch s vysokým bodem tání.

Přečtěte si více

Jak porozumět velikosti mixéru?

2. Způsob plazmového nástřiku povlaků má i řadu nevýhod, které jsou v podstatě rezervou ve zdokonalování technologie, a to:

nízký faktor využití energie, pro prášky 0,001-0,020;
přítomnost diskontinuity (pórovitosti) povlaku (2-15 %), v některých případech pórovitost pomáhá zadržovat mazivo v povlaku, což účinně ovlivňuje provoz dílů za podmínek souvisejícího tření;
nízká přilnavost povlaku k podkladu a v samotném povlaku – 80-100 MPa;
vysoká hladina hluku – 60-120 dB (viz Zařízení na ochranu proti hluku);
nutnost používání osobních ochranných prostředků před škodlivými a nebezpečnými vlivy při procesu stříkání.

3. Široké používání plazmového nástřiku povlaků, zejména pro zpevnění a obnovu pracovních ploch dílů široké škály výrobků, vyžaduje zvýšení úrovně používaných zařízení a materiálů, včetně:

zvýšení spolehlivosti a životnosti elektrických obloukových plazmových hořáků, dávkovačů prášku, komor pro stříkání a abrazivní zpracování;
zvýšení spolehlivosti a účinnosti systémů zásobování vodou a plynem pro plazmové instalace;
zdokonalování technologie plazmového nástřiku povlaků při rozšiřování sortimentu stříkaných dílů;
zvýšení rozsahu používaných práškových materiálů za účelem rozšíření výkonnostních vlastností plazmového povlaku;
zvýšení úrovně opatření k ochraně obsluhujícího personálu před škodlivými a nebezpečnými vlivy vznikajícími při procesu plazmového nástřiku apod.

Další stránky k tématu Plazmový nástřik: