Ушаков_ТПЭВМ (562163), страница 14
Текст из файла (страница 14)
9.5. Обработка при помощи плазмы
Плазмой называют ионизированный газ, перешедший в это состояние в результате нагрева до очень высокой температуры или вследствие столкновения частиц газа с быстрыми электронами (в газовом разряде). При этом молекулы распадаются на атомы,! от которых отрываются электроны и возникают ионы. Последние ионизируют газ и делают его электропроводным. Однако не всякий ионизированный газ можно назвать плазмой. Необходимым условием существования плазмы является ее электрическая квазинейтральность, т. е. она должна содержать в единице объема примерно равное количество электронов и положительно заряженных ионов. Наряду с ними в плазме может находиться некоторое количество неионизированных атомов или молекул.
На плазму могут воздействовать магнитные и электрические поля.
Внешнее магнитное поле позволяет сжимать струю плазмы, а также управлять ею (отклонять, фокусировать).
Большая степень ионизации обусловливает высокую температуру газоразрядной плазмы, которая может достигать 50 000°С и выше. Свойства плазмы можно изменять путем применения различных газов (азота, аргона, водорода, гелия и др.).Основным методом получения плазмы для технологических целей является пропускание струи сжатого газа через пламя электрической дуги.
Современные плазменные горелки делят на горелки прямого действия (с внешней дугой) и косвенного действия (с внутренней дугой).Горелки прямого действия (рис. 9.9, а) применяют для обработки электропроводящих материалов. Дуга
в
озбуждается между обрабатываемым изделием 4, являющимся анодом, и вольфрамовым электродом / (катодом). Поток газа поступает в охлаждаемую водой 2 медную оболочку 3. Дуга, выходя из сопла, направляется вместе с потоком газа к изделию.
В качестве рабочего газа наиболее часто используют аргон, который ионизируется. Напряжение зажигания и рабочее напряжение при этом небольшие и электрическая дуга получается стабильной и инертной.
При использовании в качестве рабочего газа гелия скорость истечения струи при /=10000 ... 15000°С приблизительно равна звуковой. Плазменная горелка рассматриваемого типа потребляет мощность 50 кВт и создает концентрацию мощности плотностью 3 мВт/дм2.
Горелки косвенного действия можно применять для обработки токопроводящих материалов и диэлектриков.
В горелках косвенного действия (рис. 9.9, б) дуга образуется между вольфрамовым катодом / и стенками медного сопла 3. Поток газа, охлаждаемого водой 2, поступает в медную оболочку и, проходя через дугу, ионизируется. Дуга под действием струи-газа выходит за пределы сопла, а плазма в виде факела направляется на обрабатываемое изделие 4, которое изолировано от Дуги.
Практическое осуществление плазменных горелок оказалось возможным благодаря способности плазмы сжиматься в узкий пучок. Защитой сопла от разрушения служит оболочка газа, которая образует прослойку между факелом и стенками сопла.
Наиболее целесообразно плазменный нагрев использовать для напыления тугоплавких неметаллических материалов, которые вводятся в плазму в виде порошка. Этим методом можно получать многослойные покрытия из одного или нескольких порошков.
Качество покрытий зависит от подготовки поверхности, вида применяемого порошка и материала основания. Подготовка поверхности заключается в очистке и обезжиривании.
При помощи плазменной горелки можно обрабатывать материалы любой твердости и любого химического состава.
Весьма эффективно применение плазмы при резке нержавеющих сталей и других металлов. Поверхность среза при этом получается гладкой, а глубина зоны влияния — незначительной.
ГЛАВА 10 ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
10.1. Виды защитных покрытий
Назначение покрытий — защита от коррозии, придание красивого внешнего вида и некоторых свойств поверхностному слою, отличных от основного металла (твердости, электропроводности и др.).
Процесс коррозии заключается в окислении металла и превращении его в соответствующие химические соединения. Коррозия металлов причиняет огромный ущерб народному хозяйству. Ежегодно вследствие коррозии разрушается много тысяч готовых изделий. Особенно интенсивно корродируют черные металлы. Разрушающее действие коррозии сказывается не только на внешнем виде изделия, но и на его механических качествах, прочности и надежности в эксплуатации. Коррозия, например, может нарушить электрический контакт. Оксиды металла, образующиеся под действием влаги, могут распространяться по поверхности изоляционных материалов и тем самым создавать утечки или замыкания в схеме.
Виды покрытий. Вид защитно-декоративных покрытий определяется способом их получения, материалом и толщиной покрытия и его последующей обработкой. Различают покрытия на неорганической основе — металлические и химические (оксидные) и покрытия на органической основе — лакокрасочные, полимерные и пластмассовые.
Условия эксплуатации. При выборе вида покрытия необходимо учитывать условия эксплуатации: легкие (Л), средние (С), жесткие (Ж) и очень жесткие.
Легкие условия эксплуатации изделия характерны для закрытых, отапливаемых и вентилируемых помещений с незагрязненной атмосферой, при относительной влажности 65% и температуре +25°С; средние условия эксплуатации характерны для изделий, эксплуатируемых в атмосфере, загрязненной небольшим количеством промышленных газов и пылью при отсутствии непосредственного воздействия атмосферных осадков и прямой солнечной радиации. Относительная влажность среды 95% при температуре +30°С. В жестких условиях эксплуатируются детали негерметизированной аппаратуры при непосредственном воздействии атмосферных осадков, сернистых газов в атмосфере, загрязненной промышленными и топочными газами.
Особые условия эксплуатации (очень жесткие) определяются в каждом конкретном случае.
10.2. Металлические покрытия
М
еталлические покрытия представляют собой тонкий слой металла, нанесенного на поверхность. В зависимости от характера защиты изделий от коррозии металлические покрытия разделяют на анодные и катодные.
Анодными защитными покрытиями называют такие, электрохимический потенциал металла которых в данной среде более электроотрицателен, чем электрохимический потенциал основного металла; катодными— покрытия с обратным соотношением потенциалов.
На рис. 10.1 показана схема коррозии луженого и оцинкованного железа. При повреждении оловянного покрытия (рис. 10.1, а) и соприкосновении его с влагой образуется гальванический элемент. Так как электрохимический потенциал железа (—0,44 В) электроотрицательнее олова (—0,14 В), то железо будет растворяться, а на олове будут разряжаться ионы водорода Н+, образуя газообразный водород. При повреждении цинкового покрытия (рис. 10.1, 5) в образовавшемся гальваническом элементе будет растворяться цинк (—0,76 В), а железо, имеющее менее электроотрицательный потенциал, разрушаться не будет. Таким образом, цинк будет электрохимически предохранять железо от коррозии.
С точки зрения защиты от коррозии более целесообразно иметь анодное покрытие. Вследствие большой химической активности анодное покрытие быстро разрушается и непригодно в тех случаях, когда требуется хороший вид (декоративное покрытие).
Основные требования, предъявляемые к металлическим покрытиям,— прочное сцепление с основным металлом; мелкокристаллическая структура, обеспечивающая наилучшие механические свойства; минимальная пористость; равномерная толщина покрытия. В ряде случаев предъявляются и дополнительные требования (высокая твердость, износоустойчивость и др.), которые при определенных условиях эксплуатации могут стать и основными.
Технологический процесс нанесения покрытий включает в себя следующие основные этапы: подготовку поверхности, нанесение покрытий, промывку и сушку детали.
Подготовка поверхности. Этап включает в себя операции механической обработки, обезжиривания и декапирования (травления).
Механическую обработку производят с целью повышения чистоты поверхности, удаления неровностей, забоин, продуктов коррозии. Для этого в гальванических цехах применяют полирование, крацовку, гидроабразивную обработку.
Обезжиривание поверхности осуществляют путем промывки в органических растворителях (бензине, керосине), обезжиривания известью, обработки в горячих щелочных растворителях (химическим или электрохимическим способом).
Декапирование (легкое травление) является заключительной операцией подготовки поверхности под покрытие. Осуществляют его путем погружения изделия на 1 ... 2 мин в 5 ... 10%-ный раствор серной или соляной кислоты. Назначение этой операции — удаление с поверхности изделия тонких оксидных пленок и выявление структуры основного металла, что способствует лучшему сцеплению основного металла с металлом покрытия. После декапирования изделия промываются проточной водой.
Нанесение покрытий. Металлические покрытия могут быть нанесены электролитическим (гальваническим), химическим и другими способами.
Гальванический (электролитический) способ является наиболее распространенным. Он заключается в осаждении металлов при электролизе водных растворов соответствующих солей. Покрываемая деталь является отрицательным полюсом (катодом), а металл покрытия — положительным полюсом (анодом).
Количество вещества, выделившегося на катоде, можно определить на основании законов Фарадея по формуле
m = a I t, (10.1)
где I— сила тока, A; t — время электролиза, ч; I— электрохимический эквивалент, г/(А-ч);
a=A/(nF) (10.2)
где А — атомный вес; п — валентность; F — число Фарадея.
Основным показателем, характеризующим процесс электролиза, является плотность тока на катоде, представляющая собой отношение силы тока к площади электрода. На катоде, как правило, кроме металла выделяется водород. Вследствие этого количество металла, отлагающегося на катоде, всегда меньше расчетного. Выход по току есть коэффициент, показывающий, какую часть металла можно действительно выделить на катоде. Значение коэффициента выхода по току зависит от состава электролита и условий электролиза.
Нанесение покрытий производится в гальванических ваннах (рис. 10.2). Детали помещают на подвесках или в сетчатых корзинках. Большинство электролитов требует подогрева и перемешивания. В этих случаях применяют ванны с качающимися штангами (рис. 10,2, а). Они позволяют перемешивать электролит, не взмучивая шлам со дна ванны. Качание или встряхивание способствуют удалению с поверхности изделия выделяющихся при электролизе пузырьков водорода.
Покрытие мелких деталей целесообразно выполнять во вращающихся ваннах колокольного типа (рис. 10.2, б). Более равномерное покрытие получается в ваннах, имеющих форму двух усеченных конусов (рис. 10.2, в).
В массовом производстве используются автоматизированные агрегаты с программным управлением. Они представляют собой установки из ряда ванн, в которых выполняются все операции, начиная с обезжиривания и кончая сушкой. Подвески с деталями перемещаются в соответствии с заданным ритмом.
Структура покрытий и равномерность отложения металла зависят от состава электролита, его температуры и чистоты, плотности тока и др.
Положительное влияние на структуру покрытия оказывает ток переменной полярности. Осадки металла получаются более мелкозернистые и плотные, чем при> постоянном токе. Толщина гальванического осадка не бывает равномерной по всей его поверхности. Способность электролитической ванны давать равномерный по толщине осадок называется рассеивающей способностью ванны.
Прочность сцепления металла покрытия с основным металлом зависит главным образом от состояния покрываемой поверхности. Присутствие в электролите посторонних примесей не позволяет получить беспористые осадки.
Гальванический способ дает возможность получать покрытия высокого качества и строго определенной толщины. К числу недостатков относятся пористость и невозможность получения равномерного осадка на всех участках поверхности детали сложной формы. При выборе металла покрытия необходимо учитывать назначение покрытия, условия эксплуатации, материал детали и др. Нельзя допускать образования гальванических пор, вызывающих коррозию металла. Минимальная толщина покрытия должна обеспечивать требуемую защитную способность. Характеристики некоторых гальванических покрытий даны в табл. 10.1.
Химический способ получения металлических покрытий осуществляется с помощью специальных растворов при отсутствии электрического тока. Он основан на восстановлении ионов осаждаемого металла в результате взаимодействия с восстановителем. Последний, окисляясь, отдает свои электроны, а находящиеся в растворе ионы металла, присоединяя электроны, превращаются в атомы и осаждаются в виде металлической пленки. Реакция восстановления протекает лишь на металлической поверхности, являющейся каталитической для данного процесса. Наиболее широко применяют химическое никелирование и меднение. Химическое никелирование дает возможность покрывать детали сложной формы и внутренние поверхности, которые недоступны для покрытия гальваническим способом. Оно состоит в восстановлении никеля из водных растворов. Химическое меднение используется для металлизации пластмасс при изготовлении печатных плат.
10.3. Химические и электрохимические покрытия
Химические покрытия представляют собой тонкий слой оксида металла детали, образующийся на ее поверхности под действием тех или иных реагентов. Наиболее широкое применение из оксидных покрытий получили оксидирование и фосфатирование.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
