Плазменное напыление в автопроизводстве

Автомобилестроение входит в число наиболее инновационных отраслей промышленности. Логичным следствием чего становится активное внедрение в производство самых современных технологий.

В качестве типичного примера можно привести плазменное напыление. Технология эффективно используется как для изготовления, так и ремонта автомобилей. Рассмотрим более внимательно, как происходит плазменное напыление металла, какова его область применения, а также в чем состоят плюсы и минусы технологического процесса.

Технология плазменного напыления

Под плазменным напылением (часто используется другое название – металлизация) понимается технология нанесения специального покрытия - или защитного для нового производства, или восстанавливающего для ремонта - на поверхность детали.

Обязательным составляющей процесса выступает использование так называемого плазменного пламени, которое образуется в результате ионизации аргона или другого инертного газа из-за воздействия электрического разряда.

Это позволяет сформировать плазменное облако, высокая температура которого плавит, испаряет и направляет на основание напыляемый исходный материал. Общая схема технологического процесса предусматривает последовательное выполнение следующих этапов:

1. Создание струи плазмы.
2. Ввод металла, сплава или другого напыляемого материала в плазменное пламя с последующим нагревом и ускорением.
3. Взаимодействие частиц расплавленного вещества и струи плазмы с основанием.

Приведенное выше описание наглядно демонстрирует, почему плазменное напыление считается разновидностью газотермического. Дело в том, что технологический процесс происходит с обязательным участием инертного газа и высоких температур. Первые научные разработки в области плазменного напыления стартовали в середине прошлого века.

С течением времени происходило вполне закономерное совершенствование технологического процесса, его удешевление и расширение области практического применения. Постепенно технология стала применяться в самых разных отраслях промышленности, включая автомобилестроение.

Что на что напыляют?

Универсальность плазменного напыления покрытий заключается в возможности нанести на поверхность самые разные металлы и их оксиды. Обычно - в виде проволоки (легированной, высокоуглеродистой и т.д.) или порошка.

Важно

Основанием для металлизации с помощью плазмы также обычно становятся металлы и различные сплавы. Современные технологические возможности и специализированное оборудование позволяют задействовать в процессе очень широкий спектр металлических поверхностей.

Кроме того, использование так называемой низкотемпературной плазмы позволяет напылять специальные покрытия на самые разные материалы, включая фарфор, стекло, древесину и даже ткани.

Общий принцип плазменного напыления предполагает, что защитный или восстанавливающий слой создается из металла или сплава с более высокими характеристиками, чем у основания. Причем речь может идти о самых разных свойствах, включая:

• износостойкость;
• устойчивость к температурным воздействиям;
• стойкость к коррозии (атмосферной или при контакте с влагой);
• уровень электрической или тепловой проводимости;
• устойчивость к воздействию химически агрессивных сред и т.д.

В зависимости от характеристик, подлежащих усилению, подбирается вид и состав напыляемого металла или сплава. Как было отмечено выше, количество возможных на сегодняшний день вариантов очень велико и постоянно растет. Как и перечень доступного для использования технологии оборудования.

Область применения плазменного напыления

К числу главных достоинств рассматриваемой технологии необходимо отнести широкую сферу применения. Которая стала еще обширнее после изобретения уже упомянутой выше низкотемпературной плазмы.

В общем случае технология плазменного напыления позволяет решить одну из двух задач. Первая выражается в создании на поверхности защитного слоя, предназначенного для улучшения характеристик новой детали. Основные свойства, подлежащие совершенствованию, перечислены ранее. С их учетом подбирается подходящий материал для напыления.

Вторая состоит в образовании восстанавливающие слоя на бывшей в употреблении и изношенной детали. Что позволяет устранить дефекты и разрушения поверхности, полученные в процессе эксплуатации. В этом случае для напыления обычно используется металл или сплав, аналогичный материалу основания.

С некоторой долей условности можно выделить несколько основных сфер применения установок плазменного напыления. В их число входят детали, комплектующие и конструкции следующих отраслей промышленности:

• Авиационная, ракетная и космическая.
• Угольная, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая.
• Все виды машиностроения, включая автомобилестроение и приборостроение.
• Металлургия и энергетика.
• Транспортная.
• Ремонт (текущий, капитальный, реставрация) разнообразного оборудования и машин.

Для каких автодеталей используют напыление

Специфика и основной функционал напыляемых покрытий, который являются либо защитными, либо восстанавливающими, позволяет сделать очевидный вывод. Рассматриваемая технология наиболее эффективна в отношении тех деталей и комплектующих автопрома, которые предназначены для эксплуатации в наиболее тяжелых условиях и под интенсивной нагрузкой. Именно поэтому имеет смысл выделить два их типа.

В первом случае речь идет о плазменном напылении валов различных рабочих узлов. Их назначение предусматривает вращение на высокой скорости, что неизбежно сопровождается как повышенным износом, так и воздействием серьезных температур. Нанесение покрытия способствует как изначальному улучшению прочностных характеристик детали, так и восстановлению ее работоспособности в процессе ремонта.

Сказанное в полной мере справедливо для плазменного напыления цилиндров, представляющих собой пространство, внутри которого передвигается поршень. Перечисленные детали выступают центральным элементом двигателей внутреннего сгорания. Эксплуатация цилиндра предполагает сразу несколько серьезных механических воздействий: силы трения, температуры, давления, агрессивных химических сред и т.д.

Защитное покрытие, выполненное по технологии плазменного напыления, увеличивает срок службы детали, а также позволяет восстановить исходные характеристики при выходе из строя. Результатом становится увеличение КПД двигателя внутреннего сгорания и существенное сокращение расходов на ремонт при разумном уровне сопутствующих затрат.

Виды напыления

В настоящее время широко применяются разные виды плазменного напыления, к числу которых относятся такие:

1. Атмосферное. Вместе с порошковым выступает самым распространенным вариантом практического применения технологии. Что достигается сочетанием универсальности и относительной простоты. Используется как для металлических поверхностей, так и для оснований из пластики или керамики, которые планируется эксплуатировать в агрессивной среде. Наиболее часто для атмосферного плазменного напыления используются тугоплавкие материалы (молибден, вольфрам и другие), оксиды титана, кремния, алюминия, а также карбиды хрома и вольфрама.
2. Термобарьерное. Предусматривает создание покрытия из оксида циркония. Технология обеспечивает крайне высокий уровень защиты, но требует серьезных расходов. Поэтому используется преимущественно в авиационных двигателях и газовых турбинах, увеличение срока эксплуатации которых с лихвой компенсирует практически любые затраты.
3. Подводное. Еще один очень затратный вариант использования технологии. Применяется в сооружениях, которые размещаются глубоко под водой. Например, связанных с ядерной энергетикой.
4. В контролируемой атмосфере. Предполагает создание специальных условий внутри камеры, например, посредством заполнения инертным газом или откачивания воздуха (вакуумное плазменное напыление). Сложность технологии компенсируется высокими защитными и восстанавливающими свойствами создаваемого покрытия. Применяется в отношении наиболее ответственных и значимых комплектующих.
5. Порошковое. Распространенный вариант плазменного напыления, которые предусматривает использование специальных порошков. Обычно – из оксидов хрома, алюминия, циркония, иттрия и т.д., в том числе – в различных комбинациях с многочисленными добавками (цирконат магния, диоксиды кремния и титана, глинозем цирконий и т.п.)

Преимущества и недостатки плазменного напыления

Популярность различных вариантов плазменного напыления базируется на нескольких очень серьезных преимуществах технологии. К их числу относятся такие:

• Универсальность технологического процесса, позволяющая обрабатывать самые разные основания (металлы, керамика, стекло и т.д.) с созданием разнообразных защитных/восстанавливающих покрытий.
• Минимальный уровень термического воздействия (что особенно актуально для низкотемпературной плазмы), благодаря которому сводится к минимуму нежелательное воздействие на структуру обрабатываемых материалов.
• Отсутствие ограничений по габаритам деталей и комплектующих, подвергающихся плазменному напылению.
• Возможность создания многослойных напыляемых покрытий, в том числе – на основаниях сложной конфигурации и из разнородных материалов.
• Отработанная на практике технология практического применения, которую дополняет постоянное усовершенствование технологических процессов, включая появление нового, более производительного и эффективного оборудования.
• Высокий уровень автоматизации современных установок плазменного напыления, предусматривающий выбор подходящего из нескольких возможных рабочих режимов.
• Впечатляющие характеристики создаваемых защитных и восстановительных покрытий, точно соответствующие заданным изначально параметрам.
• Равномерное напыление с минимальными отклонения по толщине и свойствам покрытия, что обеспечивает высокий КПД детали в процессе эксплуатации.

Немаловажным дополнительным достоинством рассматриваемой технологии выступает отсутствие ярко выраженных недостатков. К числу намного менее многочисленных и впечатляющих минусов плазменного напыления (перед перечисленными выше плюсами) можно отнести такие:

• Технологическая сложность обработки мелкоразмерных деталей.
• Сравнительно низкая стойкость большей части напыляемых покрытий к ударным нагрузкам.
• Необходимость предварительной обработки и подготовки основания.
• Выделение в процессе нанесения плазменных покрытий побочных газов и напыляемых материалов.
• Достаточно высокий уровень шума, сопровождающий создание электрической дуги.

Итог

Плазменное напыление – современная технология, первые варианты которой были разработаны в середине прошлого века. Сегодня она активно используется практически во всех отраслях промышленности.

Суть технологического процесса заключается в создании на обрабатываемой поверхности защитного или восстанавливающего слоя металла или сплава, который образуется под воздействием струи плазмы. Наличие металлизированного покрытия позволяет увеличить начальные или восстановить исходные характеристики детали.

Особенно широко плазменное напыление применяется в автомобилестроении в отношении комплектующих, эксплуатация которых происходит в сложных условиях или под высокой нагрузкой. Например, валов или цилиндров двигателя.