Plasmaverharding: apparatuur en procestechnologie

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

De efficiëntie en problemen van plasma-surfacing zijn uiterst acuut voor materiaalingenieurs. Dankzij deze technologie is het niet alleen mogelijk om de levensduur en betrouwbaarheid van zwaarbelaste onderdelen en samenstellingen aanzienlijk te verlengen, maar ook om, zo lijkt het, honderd procent versleten en vernietigde producten te herstellen.

De introductie van plasma-surfacing in het technologische proces verhoogt het concurrentievermogen van technische producten aanzienlijk. Het proces is niet fundamenteel nieuw en wordt al heel lang gebruikt. Maar het verbetert en breidt zijn technologische mogelijkheden voortdurend uit.

Algemene bepalingen

Plasma is een geïoniseerd gas. Het is met zekerheid bekend dat plasma op verschillende manieren kan worden verkregen als gevolg van elektrische, thermische of mechanische effecten op gasmoleculen. Voor de vorming ervan is het noodzakelijk om negatief geladen elektronen van positieve atomen af te scheuren.

In sommige bronnen vind jeinformatie dat plasma de vierde aggregatietoestand van materie is, samen met vast, vloeibaar en gasvormig. Geïoniseerd gas heeft een aantal nuttige eigenschappen en wordt gebruikt in vele takken van wetenschap en technologie: plasma-surfacing van metalen en legeringen om zwaarbelaste producten die cyclische belastingen ondergaan te herstellen en uit te harden, ion-plasma-nitriding in een glimontlading voor diffusieverzadiging en uitharden van oppervlakken van onderdelen, voor de uitvoering van chemische processen beitsen (gebruikt in de elektronicaproductietechnologie).

Voorbereiding op het werk

Voordat je naar de oppervlakte gaat, moet je de apparatuur instellen. In overeenstemming met de referentiegegevens, is het noodzakelijk om de juiste hellingshoek van het brandermondstuk op het oppervlak van het product te selecteren en in te stellen, de afstand van het uiteinde van de brander tot het onderdeel uit te lijnen (deze moet 5 tot 8 zijn) millimeter) en steek de draad erin (als er draadmateriaal naar boven komt).

Als het opduiken wordt uitgevoerd door fluctuaties van het mondstuk in dwarsrichtingen, dan is het noodzakelijk om de kop zo in te stellen dat de las zich precies in het midden bevindt tussen de uiterste punten van de fluctuatie-amplitudes van de hoofd. Het is ook nodig om het mechanisme aan te passen dat de frequentie en grootte van de oscillerende bewegingen van het hoofd instelt.

Plasma arc-surfacing-technologie

Het oppervlakproces is vrij eenvoudig en kan met succes worden uitgevoerd door elke ervaren lasser. Hij vereist echteruitvoerder van maximale concentratie en aandacht. Anders kunt u het werkstuk gemakkelijk verpesten.

Een krachtige boogontlading wordt gebruikt om het werkgas te ioniseren. Het losmaken van negatieve elektronen van positief geladen atomen wordt uitgevoerd vanwege het thermische effect van de elektrische boog op de straal van het werkgasmengsel. Onder een aantal omstandigheden is de stroming echter niet alleen mogelijk onder invloed van thermische ionisatie, maar ook door de invloed van een krachtig elektrisch veld.

Gas wordt geleverd onder een druk van 20-25 atmosfeer. Voor de ionisatie is een spanning van 120-160 volt nodig met een stroomsterkte van ongeveer 500 ampère. Positief geladen ionen worden opgevangen door het magnetische veld en stromen naar de kathode. De snelheid en kinetische energie van elementaire deeltjes is zo groot dat wanneer ze in botsing komen met metaal, ze in staat zijn om het een enorme temperatuur te geven - van +10 … +18.000 graden Celsius. In dit geval bewegen de ionen met een snelheid tot 15 kilometer per seconde (!). De plasma-surfacing-installatie is uitgerust met een speciaal apparaat dat een "plasmatoorts" wordt genoemd. Het is dit knooppunt dat verantwoordelijk is voor de ionisatie van het gas en het verkrijgen van een gerichte stroom van elementaire deeltjes.

De kracht van de boog moet zodanig zijn dat het smelten van het basismateriaal wordt voorkomen. Tegelijkertijd moet de producttemperatuur zo hoog mogelijk zijn om diffusieprocessen te activeren. De temperatuur zou dus de liquiduslijn op het ijzercementietdiagram moeten benaderen.

Fijn poeder met een speciale samenstelling of elektrodedraad wordt in een straal plasma van hoge temperatuur geleid, waarin het materiaalsmelt. In vloeibare toestand v alt het oppervlak op het verharde oppervlak.

Plasma spuiten

Om plasmasproeien te implementeren, is het noodzakelijk om de plasmastroomsnelheid aanzienlijk te verhogen. Dit kan worden bereikt door de spanning en stroom aan te passen. Parameters worden empirisch geselecteerd.

Materialen voor plasmaspuiten zijn vuurvaste metalen en chemische verbindingen: wolfraam, tantaal, titanium, boriden, siliciden, magnesiumoxide en aluminiumoxide.

Het onbetwistbare voordeel van spuiten ten opzichte van lassen is de mogelijkheid om de dunste lagen te verkrijgen, in de orde van grootte van enkele micrometers.

Deze technologie wordt gebruikt voor het harden van snijden, draaien en frezen van vervangbare hardmetalen wisselplaten, evenals voor tappen, boren, verzinkboren, ruimers en ander gereedschap.

Een open plasmastraal verkrijgen

In dit geval fungeert het werkstuk zelf als een anode, waarop het materiaal door plasma wordt afgezet. Het voor de hand liggende nadeel van deze verwerkingsmethode is de verwarming van het oppervlak en het gehele volume van het onderdeel, wat kan leiden tot structurele transformaties en ongewenste gevolgen: verzachting, verhoogde broosheid, enzovoort.

Gesloten plasmastraal

In dit geval fungeert de gasbrander, meer bepaald het mondstuk, als een anode. Deze methode wordt gebruikt voor het opduiken van plasmapoeder om de prestaties van onderdelen te herstellen en te verbeterenmachine knooppunten. Deze technologie is bijzonder populair geworden op het gebied van landbouwtechniek.

Voordelen van Plasma Hardfacing

Een van de belangrijkste voordelen is de concentratie van thermische energie in een klein gebied, waardoor het effect van temperatuur op de oorspronkelijke structuur van het materiaal wordt verminderd.

Het proces is goed beheersbaar. Indien gewenst, en met de juiste apparatuurinstellingen, kan de oppervlaktelaag variëren van enkele tienden van een millimeter tot twee millimeter. De mogelijkheid om een gecontroleerde laag te verkrijgen is op dit moment vooral relevant, omdat het de economische efficiëntie van de verwerking aanzienlijk kan verhogen en optimale eigenschappen (hardheid, corrosieweerstand, slijtvastheid en vele andere) van de oppervlakken van staalproducten kan verkrijgen.

Een ander niet minder belangrijk voordeel is de mogelijkheid om plasmalassen en oppervlaktebehandeling uit te voeren van een grote verscheidenheid aan materialen: koper, messing, brons, edele metalen en niet-metalen. Traditionele lasmethoden zijn lang niet altijd in staat om dit te doen.

Hardfacing apparatuur

Installatie voor plasma-poederverharding omvat een smoorspoel, oscillator, plasmatoorts en voedingen. Het moet ook zijn uitgerust met een apparaat voor het automatisch toevoeren van metaalpoederkorrels naar het werkgebied en een koelsysteem met constante watercirculatie.

Stroombronnen voor plasmahardfacing moeten aan strenge eisen voldoenstandvastigheid en betrouwbaarheid. Lastransformatoren doen het beste werk met deze rol.

Bij het opduiken van poedermaterialen op een metalen oppervlak wordt de zogenaamde gecombineerde boog gebruikt. Zowel open als gesloten plasmajets worden gelijktijdig gebruikt. Door de kracht van deze bogen aan te passen, is het mogelijk om de penetratiediepte van het werkstuk te veranderen. Onder optimale omstandigheden zal het kromtrekken van producten niet verschijnen. Dit is belangrijk bij de vervaardiging van onderdelen en samenstellingen van precisietechniek.

Materiaalinvoer

Metaalpoeder wordt gedoseerd door een speciaal apparaat en in de smeltzone gevoerd. Het werkingsmechanisme of werkingsprincipe van de feeder is als volgt: de rotorbladen duwen het poeder in de gasstroom, de deeltjes worden verwarmd en plakken aan het behandelde oppervlak. Het poeder wordt via een aparte nozzle toegevoerd. In totaal zijn er drie nozzles in de gasbrander geïnstalleerd: voor de toevoer van plasma, voor de toevoer van werkpoeder en voor het beschermgas.

Als u draad gebruikt, is het raadzaam om het standaard toevoermechanisme van een ondergedompeld booglasapparaat te gebruiken.

Oppervlaktevoorbereiding

Plasma-oppervlakken en het spuiten van materialen moeten worden voorafgegaan door een grondige reiniging van het oppervlak van vetvlekken en andere verontreinigingen. Als het tijdens conventioneel lassen is toegestaan om alleen ruwe, oppervlaktereiniging van verbindingen uit te voeren tegen roest en aanslag, dan moet bij het werken met gasplasma het oppervlak van het werkstuk ideaal (voor zover mogelijk) schoon zijn, zonder vreemde insluitsels. De dunste oxidefilm kan:de adhesieve interactie tussen de verharding en het basismetaal aanzienlijk verzwakken.

Om het oppervlak voor te bereiden op het verharden, wordt aanbevolen om een onbeduidende oppervlaktelaag van metaal te verwijderen door middel van machinale bewerking door te snijden, gevolgd door ontvetten. Als de afmetingen van het onderdeel het toelaten, wordt aanbevolen om de oppervlakken in een ultrasoonbad te wassen en te reinigen.

Belangrijke kenmerken van metalen oppervlakken

Er zijn verschillende opties en methoden voor plasma-surfacing. Het gebruik van draad als materiaal voor het verharden verhoogt de productiviteit van het proces aanzienlijk in vergelijking met poeders. Dit komt door het feit dat de elektrode (draad) werkt als een anode, wat bijdraagt aan een veel snellere verwarming van het afgezette materiaal, waardoor je de verwerkingsmodi naar boven kunt aanpassen.

De kwaliteit van de coating en hechtingseigenschappen staan echter duidelijk aan de kant van poederadditieven. Het gebruik van fijne metaaldeeltjes maakt het mogelijk om een uniforme laag van elke dikte op het oppervlak te verkrijgen.

Oppervlaktepoeder

Het gebruik van poederverharding verdient de voorkeur in termen van de kwaliteit van de resulterende oppervlakken en slijtvastheid, daarom worden in de productie steeds vaker poedermengsels gebruikt. De traditionele samenstelling van het poedermengsel is kob alt- en nikkeldeeltjes. De legering van deze metalen heeft goede mechanische eigenschappen. Na verwerking met een dergelijke samenstelling blijft het oppervlak van het onderdeel perfect glad en is mechanische afwerking en eliminatie van onregelmatigheden niet nodig. De fractie poederdeeltjes is slechts enkele micrometers.