1.5 Плазменная электродуговая технология модификации металлических поверхностей

Первой проблемой при обработке деталей в агроинженерном сервисе является очистка по­верхности от оксидов и других загрязнений перед каждой последующей тех­нологической операцией.

К поверхности чистого металла непосредственно при­мыкает слой оксида FeO (вюстит), следующий за ним слой состоит из Fe3O4 (магнетит) и, наконец, наружный слой окалины состоит из Fe2O3 (гематит). В легированных сталях состав окалины значительно сложнее, чем в углеро­дистых: она содержит также оксиды хрома, никеля и т.п., в зависимости от химического состава стали. Кроме оксидов, на поверхности металлоизделий могут находиться защитная консервирующая и технологическая смазка, ор­ганические красители, пластик и другие загрязнения.

Поступающий к потребителям металлопрокат, катанка, проволока, трубы и т.п. имеют на поверхности прокатную окалину, ржавчину и другие загрязнения. Для их удаления используются тра­диционные, но уже устаревшие методы - кислотно-щелочное травление, пескоструйная и дробеструйная (дробеметная) очистка, а также механическая очистка абразивным, щеточным и иглофрезерным инструментом.

Все перечисленные способы нельзя признать экологически чистыми, универ­сальными, дешевыми и отвечающими современным требованиям к качеству очистки. Кроме того, недостатком всех перечисленных методов очистки яв­ляется то, что изделия после очистки вскоре начинают опять интенсивно корродировать в атмосфере влажного воздуха.

Основная задача, требующая незамедлительного решения в условиях жестких ограничений экономического характера, заключается в разработке и внедрении в производство дешевых по стоимости и в эксплуатации универсальных, экологически чистых, не использующих дорогостоящие расходные материалы технологий очистки. Актуальной также является задача обеспечения высокой адгезионной способности и коррозионной стойкости очищенной поверхности.

Одним из приоритетных направлений решения указанных задач является разработка плазменной электродуговой технологии модификации металлических по­верхностей.

Впервые этот способ обработки металлической поверхности был реализован для удаления оксидов и любых других загрязнений с поверхности алюминия и некоторых его сплавов при разработке аргоно-дуговой сварки конструкций из этих металлов.

Очистка поверхности металлов происходит в катодных пятнах электрической дуги, которые хаотически «перемещаются» по очищаемой поверхности. В катодных пятнах из-за большой плотности тока взрывной электронной эмис­сии (1011-1012 А/м2), возникающей у микровыступов на поверхности, где достаточно велика напряженность электрического поля и снижена работа выхода электронов из-за эффекта Шоттки, происходит быстрый разогрев, плавление, взрывное испарение микроучастков поверхности изделия, иони­зация паров материала катода и всех поверхностных загрязнений и возникно­вение почти полностью ионизованной плазмы. При этом, очищаемой поверх­ности передается энергия с плотностью порядка 1011 Вт/м2, температура в катодном пятне достигает (5-10) 103 К, адавление пара оксидов и металла - 107-108 Па.

В плазме электродугового разряда молекулы оксидов и любых других загрязнений на поверхности изделий диссоциируют. Низкоэнергетичные ионы металлов из оксидов возвращаются обратно на поверхность, а другие атомы образуют молекулы углекислого газа и воды, которые и являются отходами плазменно-дуговой очистки.

Исследования показали, что скорость перемещения катодных пятен при плотности тока порядка 1010 А/м2 зависит от толщины оксидного слоя (печ­ная, прокатная окалина, ржавчина и другие загрязнения), давления насыщен­ного пара материала изделия и загрязняющих веществ на поверхности, теплопроводности, температуры очищаемого изделия, конфигурации и рельефа поверхности, давления и химического состава окружающей среды.

Наибольшая производительность и высокое качество плазменной электроду­говой очистки достигается при понижении давления в камере обработки до 1,33 – 1,33*102 Па. Энергозатраты на очистку 1 м2 в зависимости от степени загрязненности составляют 0,2-3,0 кВт*ч.

Очищенная поверхность в результате модификации и активации ее плазмой приобретает высокую адгезионную способность ко всем существующим на сегодня защитным покрытиям (металлическим и полимерным) и ко всем ви­дам технологических смазок (например, к мылу при волочении проволоки). Эксперименты показали, что адгезия к защитным покрытиям возрастает в четыре и более раз по сравнению со всеми существующими способами очистки и подготовки поверхности, а это гарантия на десятки лет, что защитное покрытие не будет отслаиваться, а изделие не будет разрушаться под действием коррозии.

Осажденные обратно на очищенную поверхность из оксидов атомы металлов образуют тонкие, в несколько атомных слоев, пленки. В случае очистки стали это пленки чистого железа, которые после обработки изделия в даль­нейшем на годы защищают его поверхность от коррозии в атмосфере влажного воздуха, а в отдельных случаях и в воде.

Преимущества плазменной электродуговой технологии модификации металлических поверхностей:

• Многофункциональность;

• Использование для любых металлов и сплавов;

• Использование для изделий практически любых габаритов. На сегодня нет технологических ограничений для создания плазменного оборудования для обработки стальных полос шириной до 2-х метров, при этом их длина и тол­щина может быть не ограничена;

• Использование в любых условиях -производственных, а также «полевых», - вне зави­симости от сезона;

• Возможность одновременно провести термообработку изделия и обезгажи­вание поверхностного слоя;

• Возможность одновременно модифицировать и активировать поверхность;

• Возможность одновременно наносить металлическое покрытие.

• Экономичность;

• Не требуются существенные расходные материалы;

• Установки занимают мало производственной площади;

• Для оборудования не требуются фундаменты;

• Высокое качество очистки (на атомарном уровне);

• Отсутствует внедрение посторонних материалов и химических соединений в основной очищаемый материал (шаржирование);

• В процессе обработки выявляются все трещины и другие дефекты;

• После обработки поверхность приобретает высокую адгезионную способность (это важно для последующего нанесения покрытий, волочения и про­катки);

• Устраняется межкристаллитная коррозия материала;

• После обработки коррозионная стойкость сохраняется в течение длительного времени;

• Вы получаете максимально.

• Экологичность

• Отходами обработки металлических поверхностей с помощью данной техно­логии являются безвредные газообразные соединения - молекулы углеки­слого газа и воды.