Установки подразделяются на два типа — для напыления легкоплавких материалов (с температурой плавления не выше 800 °С) — цинка, пластмассы и др. и тугоплавких (с температурой плавления ниже 2000 °С). В первом случае используется газовоздушное пламя, во втором — газокислородное. Техническая характеристика установок газопламенного напыления представлена в табл. Установки УГПЛ- применяются для ручного газопламенного напыления, УГПУ — как для ручного, так и для механизированного, УГМ-1 — для механизированного.
Из установок газопламенного напыления зарубежных фирм следует выделить оборудование, выпускаемое фирмами Кастолин и Эутек-тик (Швейцария), Метко (США), СНМИ (Франция). Установка “Сибер-Джет” фирмы СНМИ снабжена системой автоматического пуска и выключения установки, программируемого установления режима напыления в зависимости от материала проволоки (или гибкого шнура) и ее диаметра.
К новому поколению оборудования для газопламенного напыления относятся установки сверхзвукового напыления процессом “Джет Коут”. Скорость истечения струи достигает 1500…2000 м/с. Схемы газопламенных горелок со сверхзвуковым истечением струи представлены на рис. Существует две основных разновидности таких горелок — с камерой предварительного сжигания и без нее . В первом случае процесс горения начинается в камере сгорания, размещенной в корпусе горелки, с окончательным дожиганием топлива газовой смеси после истечения струи в атмосферу. В бескамерных горелках происходит только смешение компонентов газовой смеси. Варианты, показанные на рис., в, отличаются расположением точки зажигания топливокислород-ной смеси.
К горелкам сверхзвукового напыления камерного типа относятся “Джет Коут” фирмы Стеллайт (Германия) и ДжК23 фирмы МТС (Австрия). Установки сверхзвукового газопламенного напыления с горелками бескамерного типа выпускают фирмы Плазма-Техник АГ (Швейцария), Метко, ОСУ (Германия). Данное оборудование отличается высокими расходами рабочих газов. Так, установка “Джет Коут
П” имеет расход кислорода 28…40 м3/ч, водорода 0,14 м3/ч и горючего газа 7… 10 м3/ч.
При электродуговой металлизации в распылительной головке через два токо-подвода непрерывно подают два находящихся под напряжением электрода. Свойства метал-лизационных покрытий во многом определяются конструктивными особенностями распылительных головок. В настоящее время наиболее широко применяют два типа головок: закрытую и открытую. Закрытая сопловая система обеспечивает более мелкое распыление напыляемого материала (при напылении алюминия средний размер частиц 40…80 мкм) и высокую плотность получаемых покрытий. Такая система используется преимущественно для нанесения анти- коррозионных и других типов покрытий, для успешной эксплуатации которых необходима высокая плотность.
Открытая сопловая система позволяет получать компактную металловоз-душную струю и покрытия с более высокой прочностью сцепления. Однако размер частиц в этом случае несколько больше (в случае напыления алюминия 50… 100 мкм) и покрытия, как правило, имеют меньшую плотность. Открытые системы успешно применяются, например, при нанесении износостойких покрытий. Серийно выпускаемые электродуговые металлизаторы ЭМ-17 могут комплектоваться как открытой, так и закрытой распылительными головками.
Производительность процесса практически линейно зависит от тока и в первую очередь определяется мощностью источника питания. В настоящее время наиболее мощные установки (на силу тока менее 1200 А) созданы фирмой ОСУ (Германия) для нанесения анти- коррозионных покрытий из цинка и алюминия в условиях автоматизированных и механизированных производств.
Для нанесения покрытий других типов, как правило, применяют установки на силу тока 200…500 А, так как именно в этом диапазоне производительности можно получить покрытия с наиболее высокими эксплуатационными показателями. На силу тока менее 400 А серийно выпускались ручные электродуговые металлизаторы ЭМ-14М, стационарные ЭМ-17 и комплект для электродуговой металлизации КДМ-3. Данные фирмы Металлистшен лимитед (Великобритания) по удельной производительности и расходу напыляемого материала при нанесении покрытия толщиной 100 мкм на поверхность площадью 1 м2 приведены в табл.
Оборудование для плазменного напыления покрытий. Плазменным напылением наносят износостойкие, жаростойкие, коррозионно-стойкие и другие типы покрытий. Оборудование для плазменного напыления подразделяют следующим образом:
установки для ручного плазменного напыления; установки для механизированного плазменного напыления;
полуавтоматические установки плазменного напыления со средствами механизации перемещения плазмотрона и детали;
автоматические установки плазменного напыления с микропроцессорным управлением, в том числе с использованием роботов;
комплексы плазменного напыления, включающие оборудование для подготовки поверхности деталей и механической обработки намыленного слоя;
лийни плазменного напыления, оснащенные межоперационным транспортом, в том числе снабженные центральной системой управления.
По составу среды, в которой осуществляется плазменное напыление, установки предназначены для напыления: в атмосфере; в вакууме (или в динамическом вакууме); в защитной среде; под водой.
Оборудование для плазменного напыления может быть также классифицировано по типу применяемого рабочего плазмообра-зующего газа: инертные газы (аргон, азот) и их смесь с водородом (или гелием); воздух и его смесь с углеводородными газами; смесь углекислого газа с углеводородами; вода.
Установки для плазменного напыления включают следующие основные элементы: инструмент для плазменного напыления (плазмотрон); источник энергоснабжения; систему газоснабжения; систему водяного охлаждения, систему регулирования параметров рабочего режима; систему подачи напыляемого материала (порошка или проволоки). Кроме того, они могут включать рабочую камеру с системой вентиляции и пылеулавливания, средства механизации перемещения плазмотрона и детали.
Основным типом плазмотронов, используемых для напыления покрытия, являются дуговые, хотя в последнее время получило распространение напыление с помощью высокочастотных плазмотронов. Среди дуговых плазмотронов наибольшее применение получили струйные с самоустанавливающейся длиной дуги и межэлектродными вставками. По скорости истечения струи плазмотроны для напыления покрытий подразделяются на дозвуковые и сверхзвуковые.
К особому типу плазмотронов относятся плазмотроны для напыления покрытий на внутренние полости. Они позволяют наносить покрытие на внутренние поверхности труб диаметром 25 мм и более. Техническая характеристика современных отечественных установок для плазменного напыления приведена в табл. Они предназначены для получения покрытий с использованием порошка или проволоки методом плазменно-дугового напыления и могут использоваться как в составе полуавтоматов, так в составе имеющихся средств механизации, обеспечивающих надежную защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от шума, аэрозолей и др. Эти установки служат для повышения износостойкости поверхностей изготовляемых деталей и восстановления изношенных поверхностей деталей в условиях мелкосерийного производства и ремонтного производства.
Полуавтоматы камерного типа состоят из камеры напыления, плазменной установки в сборе, аспирационного устройства. В камере напыления расположены плазмотрон, передняя и задняя бабки для крепления детали, на которую наносится покрытие. Механизмы перемещения плазмотрона и вращения детали вынесены за пределы камеры, что обеспечивает удобство обслуживания и эксплуатации оборудования.
Роботы при плазменном нанесении покрытий применяются в основном при нанесении покрытий на детали сложной формы или при работе в изолированном объеме (например, камеры сгорания газотурбинных двигателей, их лопатки). Используют как специализированные роботы (АР-1, АР-2 фирмы Метко), так и промышленные с необходимыми характеристиками по нагрузке и скоростям перемещения. Примером полуавтомата для плазменного напыления может служить установка 15-ВБ, которая комплектуется плазменной установкой “Киев-7″. Технологические возможности полуавтомата определяются по параметрам комплектующей плазменной установки, приведенным ниже.
Стволы детонационных установок различаются формой и размерами камеры сгорания, местом ввода горючей смеси и порошка, способом и местом инициирования горения горючей смеси, конструктивными особенностями системы охлаждения. Обычно применяют стволы с цилиндрической камерой сгорания диаметром 20…30 мм, длиной 1…2 м. Более перспективны конструкции стволов с переменным по длине сечением камеры сгорания.
Порошковые дозаторы установок для детонационного напыления делятся на две группы: с пневматическим и механическим дозированием. Известны конструкции, в которых для приготовления дозы порошка и даже впрыскивания его в ствол используют импульсы давления, возникающие при сгорании горючей смеси в стволе.
Газораспределительные механизмы обычно построены по системе электромагнитных или механических клапанов, обеспечивающих циклическую подачу газов через смесители в ствол. Используется также непрерывная бесклапанная подача газов. С целью обеспечения стабильной надежной работы детонационных установок и безопасности условий труда необходимо локализовать горение в камере сгорания и стволе при выполнении каждого рабочего цикла напыления. Для этого служат герме- тичные механические клапаны с подачей флегматизирующего газа (азота) в смесительную камеру, огнепреградители (буферные емкости между смесителем газов и стволом, заполняемые перед поджигом горючей смеси флегматизирующим газом).
Пульт управления позволяет осуществлять дистанционное управление исполнительными механизмами детонационной установки, автоматический режим которой может быть обеспечен следующими техническими средствами: механическим или электромеханическим приводом; релейно-контактными устройствами, электронными приборами.
Газораспределительный пульт служит для подачи и контроля расхода компонентов детонационной газовой смеси. Независимо от конструкции пульт включает контрольно-измерительные приборы (ротаметры, манометры) и регулирующие устройства (редукторы, вентили, регуляторы перепада давления). Техническая характеристика газораспределительного пульта АДК “Прометей” приведена ниже. Кроме рассмотренных находит применение следующее оборудование детонационных покрытий.
Детонационный комплекс “Азов”, специализированный для упрочнения и восстановления коренных и шатунных шеек коленчатых валов, использует в качестве рабочих газов пропан-бутан, кислород, сжатый воздух. Техническая характеристика комплекса “Азов”Автоматическая детонационная установка “Обь” обеспечивает высокую степень повторяемости всего процесса благодаря системе стабилизации давления и температуры рабочих газов. Управление циклограммой процесса напыления осуществляется микроЭВМ.
Детонационная установка “Перун-С” — высокопроизводительная стационарная установка, промышленное использование которой особенно эффективно при массовом или крупносерийном производстве изделий с покрытиями. Техническая характеристика установки “Перун-С” приведена ниже. Для размещения установки необходимо наличие звукоизолированного помещения
(бокса) с принудительной вентиляцией площадью 15 м2.
Установка “Перун-Р” — модифицированная установка, промышленная эксплуатация которой не требует специализированного помещения. Наличие звукоизолированных камер позволяет включать ее в любую технологическую линию в условиях цеха машиностроительного производства.
Малогабаритная детонационная установка “Перун-М” имеет повышенную автономность. В ее корпусе вобраны воедино устройство для абразивной оОработки и нанесения покрытий,
В линиях для одно- и двухстороннего нанесения покрытий на движущуюся стальную полосу шириной 600 мм со скоростью перемещения до 5 м/с толщина покрытия регулируется в пределах 0,05…5 мкм изменением скорости перемотки ленты.
Для нанесения на сварочные материалы (проволоку, ленту) специальных легирующих, модифицирующих, инокулирующих или активирующих покрытий применяется электронно-лучевая установка УЭ-202, разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона.
В установке применены стандартные плосколучевые электронные пушки с поперечным отклонением луча и прямоканальным катодом. Нагрев проволоки или ленты перед нанесением покрытия осуществляется электронной пушкой через вольфрамовый термоблок. Система отклонения электронных лучей — электромагнитная. Ниже приведена техническая характеристика установки УЭ-202. Электронно-лучевая установка УЭ-193 нового поколения для плавки и испарения материалов в вакууме предназначена для переплава металлов и получения из них слитков (цилиндрических и плоских), получения композиционных материалов испарением с последующей конденсацией металлов и неметаллов, осаждения покрытий различного функционального назначения путем испарения и последующей конденсации парового потока на изделия с плоской и цилиндрической поверхностью.
В отличие от специализированных установок для плавки и испарения материалов установка УЭ-193 обладает рядом конструкционных особенностей, которые позволяют легко перестраивать оборудование для осуществления технологических процессов.
Технологическая вакуумная камера выполнена в виде восьмигранника с люками на каждой грани. На двух боковых гранях установлены камеры 2 с электронными пушками. Технологическая камера и две камеры с электронными пушками имеют индивидуальные системы вакуумной откачки. На передней грани установлена откатная крышка со смотровыми системами. На верхней, нижней и двух боковых гранях технологической камеры в зависимости от функционального назначения устанавливаются механизмы 3 подачи переплавляемого или испаряемого материала, кристаллизаторы и тигли для выплавки слитков и испарения материалов 4, механизмы 5 перемещения заготовок, поверхностей конденсации изделий.
Установка имеет шесть электронных пушек конструкции ИЭС им. Е. О. Патона. Пушки двухэлектродные с линейным прямо-канальным термокатодом, система управления электронным лучом — электромагнитная. Силовой полупроводниковый источник питания электронных пушек мощностью 250 кВт имеет тиристорное управление, ускоряющее напряжение 20…25 кВ.
Система управления установкой включает автоматическую стабилизацию тока электронных пучков и ускоряющего напряжения пушек, стабилизацию уровня ванны кристаллизирующегося слитка и испаряемого материала, датчики контроля температуры поверхности конденсации и др. Техническая характеристика установки УЭ-193 приведена ниже.
Оборудование для ионно-плазменного нанесения покрытий. Система оборудования для ионно-плазменных покрытий связана с источником плазмы, выбранным для осуществления технологического процесса. В систему входят: распылительное (испарительное) устройство, предназначенное для создания ионизированного потока пара материала покрытия. В случае применения тлеющего (или дугового) разряда испарение происходит из твердой фазы, при этом распыляется катод (мишень). Для термического испарения из жидкой фазы используется дуговой разряд. При этом испаряется анод, который выполнен в виде тигля, заполненного материалом покрытия. Однако если этот материал при заданном режиме испарения может сублимировать, то испарение происходит из твердой фазы;
рабочая камера, предназначенная для монтажа всех систем, поддержания требуемого давления в ходе технологического процесса;
система управления натеканием плазмо-образующего газа, предназначенная для создания газоразрядной плазмы определенного химического состава и плотности;т система охлаждения газоразрядного устройства и термостатирования рабочей камеры, предназначенная для охлаждения мишени и анода в распылительном устройстве, деталей испарительного устройства при термическом испарении;
источник питания вспомогательного разряда, предназначенный для создания несамостоятельного разряда;
дуговое газоразрядное устройство, предназначенное для создания потока ионизированного пара;
устройство подпитки тигля, служащее для пополнения тигля материала и обеспечивающее требуемую технологическим процессом температуру и уровень расплавленного металла в тигле;
устройство перемещения и ориентации покрываемых деталей, предназначенное для повышения равномерности распределения конденсата на детали;
откачной пост, предназначенный для создания вакуума в рабочей камере и поддержания определенного давления в процессе нанесения покрытия;
система управления технологическим процессом, настраиваемая на определенный технологический цикл нанесения покрытия.
Ниже рассматривается оборудование для особых способов ионно-плазменного нанесения покрытий.
Оборудование для катодного распыления представлено типичной установкой УВН-75П-1 , которая предназначена для нанесения покрытий на гибридные интегральные схемы. Техническая характеристика установки приведена ниже. Оборудование для магнетронного нанесения покрытий подразделяется на установки периодического и непрерывного действия . Различные сочетания взаимного расположения мишени, магнитной системы и подложки (напыляемой основы) позволяют создавать многообразные типы установок магнетронного нанесения покрытий (магнетронного распылива-ния) . Для изготовления интегральных схем используют установки серии “Оратория”, автоматические линии “Магна”. Для нанесения нитридных износостойких покрытий на режущий инструмент применяют установки “Мир” с двумя магнетронами производительностью 200 тыс. изделий в год.
Другими примерами оборудования магнетронного распыливания являются установки непрерывного действия УН-101 для металлизации заготовок печатных плат и УВ-84 для алюминирования стекла в зеркальном производстве.
Зарубежные фирмы Бальцерс (Лихтенштейн), Лейбольд (Германия), Ульвак (Япония), Алкатель (Франция) выпускают автоматизированные установки магнетронного распыления со стабилизацией тока и мощности разряда, парциальных давлений рабочего и реактивного газа. Оборудование для термического испарения сжатой дугой низкого давления представлено установкой У-304, предназначенной для металлизации элементов керамических конденсаторов . Оборудование для ионного распыления в плазме дуги с термокатодом имеет схему, аналогичную рассмотренной выше . Примером являются установки У. Установка У предназначена для металлизации полосковых плат, а установка УРМЗ — для металлизации гибридных интегральных микросхем.
Оборудование для термоионного нанесения покрытий представлено автоматической установкой УВН-ЭИП с групповой обработкой подложек, используемой при изготовлении полупроводниковых схем, СВЧ-транзи-сторов . В качестве покрытий напыляют алюминий, медь, титан, кремний. Техническая характеристика приведена ниже.
