Напыление металла: виды, технологии

СОДЕРЖАНИЕ

• Назначение напыления металла
• Вакуумное напыление металла
• Напыление в магнетронных установках
• Ионно-плазменное напыление
• Плазменное напыление металла
• Лазерное напыление металла

Назначение напыления металла

Технологии напыления металла начали активно развиваться в XX веке, став альтернативой более традиционным способам обработки металлических поверхностей. Сейчас в металлургии выделяется отдельная отрасль, называемая порошковой, которая и занимается изучением и усовершенствованием этих методов.

По сегодняшним меркам напыление является одним из самых экономичных приемов металлообработки. Например, если сравнивать его с легированием, то затраты на придание поверхностям требуемых эксплуатационных свойств оказываются существенно меньше.

Нанесение на металл защитного покрытия востребовано во многих промышленных производствах. Исходя из того, какие характеристики требуется обеспечить, подбирается подходящий состав многокомпонентного порошка.

Читайте также: «Сварочная ванна»

Правда, использование сложных составов ставит проблему, как избежать расслаивания наносимого слоя и обеспечить его однородность – технически это решается применением специальных порошков, основу которых составляет пластичная связка, соединяющая твердые частицы.

При напылении поток направляется на металлическую поверхность таким образом, что порошковые элементы деформируются, вступая в надежный контакт с изделием. Прочность сцепления определяется характером взаимодействия частиц с металлом, а также особенностями процедуры кристаллизации наносимого слоя.

Вакуумное напыление металла

Обработка металла происходит в высоком вакууме – давление в камере составляет не более 2-10 Па. При этом используются разные способы напыления – оно бывает катодное, магнетронное или ионно-плазменное.

Преимущество вакуумного метода состоит в том, что в разреженном пространстве увеличивается адгезия. Для подобных технологических линий обычно применяется многокамерное либо многопозиционное однокамерное оборудование – напыление происходит поэтапно, и детали проходят сквозь все агрегаты, объединенные в одну систему.

Многопозиционные линии предполагают наличие нескольких отдельных постов для напыления в одном объеме. Процесс вакуумного напыления металла включает в себя следующие этапы:

1. Сначала создается вакуум необходимой глубины путем откачки из камеры воздуха с помощью мощных компрессоров.
2. Далее на детали напыляется покрытие – технологически это может производиться различными способами.
3. После этого металлические изделия подвергаются дальнейшей обработке.

Читайте также: «Брызги металла при сварке»

Процесс вакуумного напыления требует сложного оборудования, и качество результата зависит от нескольких факторов:

• Температурный режим. Существует критическая точка напыления, превышение которой приводит к отражению частиц от поверхности, то есть напыление становится невозможным. Данный показатель определяется тем, какой металл подвергается обработке, а также свойствами рабочей поверхности и напыляемого вещества.
• Плотность давления. Здесь главное значение имеет верхний предел плотности – при нарушении вакуума и росте давления осадочная пленка становится более концентрированной и утрачивает способность принимать атомы металла. При этом напыление прекращается, так что требуются специальные датчики, чтобы поддерживать в камере необходимые физические параметры. Сами осадочные пленки бывают моно- или поликристаллическими, а также аморфными.

Разумеется, в промышленной сфере вакуумное напыление металла производится автоматизированным способом, и даже транспортировка деталей обычно не требует участия человека – необходимую работу выполняют манипуляторы.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Вакуумное оборудование дает возможность добиться максимального коэффициента адгезии металлов; при этом технологические процессы протекают быстро, и нанесенное покрытие обладает высокой твердостью и химической устойчивостью. К недостаткам этого метода напыления металлов можно отнести сложность и значительную энергоемкость процесса. Также вакуумное напыление снижает свою эффективность и производительность при работе с деталями, имеющими сложные профили.

Напыление в магнетронных установках

Металлизация путем магнетронного напыления основана на воздействии на расплавленный металл, который выступает в качестве мишени магнетрона. Само же ударное действие оказывают ионы рабочей газовой среды, которые формируются в плазме разряда.

Особенности напыления в магнетронных установках:

1. Главные элементы системы – это катод, анод и магнитная среда. Последняя позволяет локализовать плазменную струю у поверхности мишени.
2. Магнитная система приводит в действие магниты постоянного поля (самарий – кобальт, неодим), основанием которых являются магнитомягкие материалы.
3. На катод ионной установки подается напряжение, что вызывает распыление мишени. При этом необходимо поддерживать стабильную силу тока.
4. Основой магнетронного процесса является использование рабочей среды в виде соединения инертных и реакционных газов – их подача производится в камеру под давлением.

Магнетронное напыление отличается тем, что с его помощью можно получать очень тонкие металлические пленки. В качестве подложки используются разнообразные изделия – из алюминия, меди, золота, серебра и т. д. Также этот метод находит применение в нанесении пленки на диэлектрики и полупроводники (кремний, германий, карбид кремния, арсенид галлия и др.).

Читайте также: «Контроль сварных швов: разбираемся в методах оценки»

К достоинствам данной технологии относится: возможность обрабатывать достаточно большие по площади поверхности, получение покрытия с хорошей адгезией и равномерной кристаллической структурой. К сфере применимости этого способа относятся хромирование, никелирование, сверхскоростная наплавка меди, а также реактивное напыление оксидов, карбо- и оксинитридов и др.

Ионно-плазменное напыление

Ионное распыление было открыто еще в XIX веке, когда обнаружились свойства металлов испаряться в газоразрядных трубках при более низких температурах, чем в нормальных условиях. Данный процесс требует создания разреженного пространства, например, в вакуумной камере.

Бомбардировка металлической основы ионами приводит к эмиссии атомов с поверхности – в итоге частицы, участвовавшие в столкновениях, остаются в составе твердого тела – подложке. В современных условиях ионный способ получил широкое распространение благодаря своим преимуществам:

1. Увеличивается износоустойчивость изделия, причем исключается его спекание при эксплуатации в высокотемпературных режимах.
2. Обеспечивается коррозийная сопротивляемость агрессивным водным и химическим средам.
3. Возможно придание изделию нужных электромагнитных свойств.
4. Разнообразие конкретных форм гальванических покрытий, включая декоративное травление.

Процесс ионно-плазменного напыления проходит в создаваемой искусственным путем вакуумной среде. В простейшем варианте он предполагает наличие двух электродов. На одном из них – катоде – помещается мишень, подлежащая распылению, и на небольшом расстоянии располагается другой электрод с подложкой.

Читайте также: «Контактная сварка»

После наполнения камеры рабочим газом на электрод основы подается отрицательный заряд, а катодная мишень превращается в плазменную струю. Этот поток плазмы направляется на конденсируемую поверхность, и оседающие частицы формируют плотнокристаллическое покрытие.

Ионно-плазменное напыление возможно при температуре поджига катода до 100 °C, и таким способом получают слои толщиной до 20 мкм.

Хотя скорость рабочего процесса низкая и составляет несколько мкм в минуту, ионно-плазменное напыление позволяет наносить металлические слои на конструктивно сложные изделия, обладающие нестандартными геометрическими формами. Также плюсом является отсутствие необходимости финишного покрытия.

Плазменное напыление металла

Кроме ионно-плазменного, отдельно существует и плазменный способ металлизации. Эта технология напыления металлов позволяет защищать изделия от окислительных реакций даже в условиях агрессивной среды, а также улучшать эксплуатационные качества, прежде всего прочность и сопротивляемость механическому воздействию.

Основой технологии плазменного напыления является высокоскоростной разгон металлического порошка в потоке плазмы, в результате чего микрочастицы остаются на основе как покрывающий слой.

Особенности и преимущества данного способа обработки металла:

• Защитный слой наносится на обрабатываемую поверхность в высокотемпературном режиме (около 5000-6000 °C) за очень короткий промежуток времени.
• Регулируя газовый состав, можно комбинировать процесс насыщения металлической подложки атомами порошкового покрытия.

В состав рабочей установки для напыления металла входит несколько элементов – кроме камеры герметизации, где протекают основные процессы, понадобятся высокочастотный генератор, резервуар газовой среды, а также насосная станция. Управление системой, как правило, происходит в автоматическом режиме. При наличии оборудования плазменное напыление на металл можно производить даже в домашних условиях.

Читайте также: «Сварочный стол своими руками»

Возможности напыления низкотемпературной плазмой:

1. нанесение слоя на металлические листы, на большие по размеру конструкции, а также на изделия сложной формы;
2. использование в качестве подложки различных материалов, в том числе тех, к которым не применима термообработка в печи (дерево, ткани и т. п.);
3. обеспечение равномерного покрытия независимо от площади рабочей поверхности;
4. наращивание размеров деталей, что особенно актуально для восстановления и ремонта изношенных конструкций. Толщина наносимого слоя может достигать нескольких миллиметров;
5. легкость механизации и автоматизации технологических процессов;
6. использование разнообразных материалов для напыления – не только собственно металлы и их сплавы, но и окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы. Путем комбинирования веществ или нанесением нескольких слоев можно получать покрытие с заданными свойствами;
7. практически полное отсутствие деформации подложки;
8. высокая производительность работ при относительно малой их трудоемкости;
9. улучшенное качество покрытий, которые обладают равномерной и высокоплотной структурой. Также обеспечивается хорошее сцепление с поверхностью.

В настоящее время в качестве покрытия по плазменной технологии чаще всего используются титановые соединения – карбид титана TiC и нитрид титана TiN. Твердосплавные пластины с покрытием первого типа (TiC) появились более полувека тому назад, и сейчас они широко распространены.

Кроме титановых соединений, популярным вариантом материала для напыления является оксид алюминия Al2O3. Выбор оборудования для производства плазменного напыления велик, в том числе есть и отечественные установки марок «Булат», «УВМ», «Пуск». С их помощью можно наносить покрытие как в один, так и в несколько слоев.

Лазерное напыление металла

Лазерный метод для наплавки металла основывается на потоках света, которые генерируются оптико-квантовым оборудованием. В данный момент большие перспективы в производстве имеет создание наноструктурированных пленок, и вакуумное лазерное напыление здесь применимо. Сам рабочий процесс представляет собой распыление световым лучом мишени – ее частицы оседают на подложке.

Среди достоинств данной технологии отметим сравнительную простоту процесса металлизации, равномерное испарение элементов, а также возможность получения покрытий с определенным стехиометрическим составом. Поскольку лазерный поток имеет очень узкую и точную направленность, в нужном месте получается наплавка выбранным металлом.

Жидкокапельные фазы:

• Капли крупного размера, чей диаметр составляет от 1 до 100 мкм, получаются благодаря воздействию гидродинамического механизма на частицы расплавленной мишени.
• Средние капли размером 0,01-1 мкм образуются путем объемного парообразования.
• Мелкие капли, величина которых может варьироваться в пределах 40-60 нм, являются результатом воздействия на мишень коротких и частых импульсов лазерного луча в эрозийном факеле.

При этом допустимо одновременное использование всех трех технологических механизмов – и гидродинамика, и парообразование, и высокочастотный импульс. В этом случае свойства полученного покрытия определяются соотношением данных процедур наплавки.

Читайте также: «Организация сварочных работ»

Важным условием качественного напыления лазером является поддержание такого режима облучения, чтобы лазерные факелы на выходе включали в себя как можно меньшее количество жидкокапельных частиц.

В целом современное промышленное производство невозможно без применения технологий напыления металлов. За счет этого повышается качество изделий и увеличивается срок их эксплуатации, даже с учетом воздействия неблагоприятных вешних факторов – агрессивных сред, механических нагрузок и т. д. Кроме того, напыление находит широкое применение в ювелирном, химическом, фармацевтическом и пищевом производствах.