5.4. Основные операции плазменной обработки материалов

Плазменный нагрев. Чаще всего используется для плазменно-механической обработки жаропрочных сталей и сплавов на основе молибдена, вольфрама и других материалов, при обработке которых при обычной температуре образуются микротрещины. Производится нагрев обрабатываемой детали с помощью плазмотрона, устанавливаемого непосредственно перед резцом. При нагреве детали ее пластичность увеличивается, а прочность снижается. Это позволяет также увеличить в несколько раз скорость обработки детали и уменьшить износ резцов.

Плавление вещества. Широко используется в промышленности из-за простоты и высокой стабильности процесса. Наиболее распространенной является плавка в водоохлаждаемый кристаллизатор. Таким образом получают сложнолегированные сплавы (например, инструментальные сплавы). Соответствующий подбор плазмообразующего газа позволяет получать небольшое содержание в сплаве оксидов и кислорода, что увеличивает пластичность металла и улучшает его механические свойства. Применение разбрызгивания расплавленного металла и его быстрого охлаждения позволяет получать малоразмерные капли, которые в дальнейшем используются в порошковой металлургии, для наплавки и т.д.

Сварка. Применение плазмотронов для сварки позволяет получить большую глубину проплавления и меньшую ширину шва, чем при использовании обычной свободно горящей дуги. Качество сварного шва получается выше, а технологический процесс идет с большой скоростью. Для тонколистовых материалов (фольга, сильфонно-мембранные узлы) и радиодеталей широко используется микроплазменная сварка при небольших токах (0,1-10)А.

Плазменная наплавка. Применяется для нанесения на поверхность деталей материалов с особыми свойствами (высокой твердостью, износостойкостью, термостойкостью). Для защиты обрабатываемой поверхности от воздействия атмосферных газов в качестве плазмообразующих газов обычно применяют аргон и водород. Наплавку производят плазмотронами косвенного действия (плазменной струей), позволяющими регулировать глубину проплавления основного металла посредством изменения расстояния между плазмотроном и обрабатываемой деталью. Плазменная наплавка применяется для изготовления режущих инструментов из обычных углеродистых сталей с наплавкой режущих кромок из инструментальных сталей. Так как теплопроводность углеродистых сталей выше, чем у инструментальных, то и отвод тепла с наплавленного резца остается выше, что повышает стойкость инструмента.

Плазменное напыление. При плазменном напылении наносимый материал нагревается внутри плазмотрона, а затем осаждается на подложку, образуя на ней слой мкм. Для улучшения сцепления напыляемых частиц с подложкой, проводится ее предварительный подогрев и создаются промежуточные химически активные покрытия. Напыление производится с целью улучшения коррозионной стойкости (для напыления применяется никель, кобальт), жаростойкости (оксиды алюминия и циркония), в качестве защитных покрытий часто применяются вольфрам, молибден, ниобий. Прочные поверхностные покрытия получают, используя ионную технологию покрытий с помощью плазменных ускорителей. В этом случае напыляемый материал ионизуют в электрическом разряде внутри плазмотрона, превращая его в плазму, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется до значительных энергий по направлению к обрабатываемой поверхности. Добавляя в ионные потоки металла кислород, ацетилен или азот, получают покрытия сложного химического состава – оксиды, карбиды или нитриды. Такие покрытия используются для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов.

Плазменная резка. При плазменной резке происходит локальное расплавление металла в зоне реза и его удаление потоком плазмы. После обработки на поверхности реза остается слой оплавленного металла, толщиной в несколько десятых долей миллиметра. В качестве плазмообразующих газов при резке используют аргон, азот, водород или воздух. Экономически более целесообразно применение воздуха, однако наличие в нем кислорода приводит к разрушению вольфрамового электрода плазмотрона. В воздушных плазмотронах в качестве электродов используются специальные термохимические катоды, содержащие вставку из циркония или гафния. При плазменной резке отсутствует силовой контакт с заготовкой, возможно разрезать заготовки практически из любого материала и получать резы сложной конфигурации. Толщина разрезаемых материалов не превышает 25–30 см. При плазменной резке чаще используют плазмотроны прямого действия (больший коэффициент полезного действия). Режим плазменной струи используется для неэлектропроводных материалов и тонких (1–2 мм) заготовок.