Антикоррозионные цинковые покрытия (катодные) являются эффективным способом защиты металлоконструкций от коррозии в пресной и морской воде и в высокоагрессивных средах. Нанесение осуществляется методом металлизации.

Впервые металлизационное напыление цинком (катодные покрытия) начали использовать около 70 лет назад. За время своего существования они успели доказать свою состоятельность в полной мере. Так, по результатам испытаний, проводимых министерством транспорта США, среди 47 различных защитных покрытий, нанесенных на мост, проходящий через морской пролив, только они смогли сохранить свои свойства по истечении двадцатилетнего срока эксплуатации и предотвратить коррозию.

Данный метод защиты эффективен также в техническом и экономическом планах, благодаря тому, что простои оборудования на ремонт и техническое обслуживание значительно сокращаются. Как следствие, уменьшаются издержки, и увеличивается прибыль предприятия.

Плазменный распылитель (Плазмотрон) был разработан в 1956 г. фирмами Gianini Corp. и UC на основе работ Смита (пат. 2157498, 1939 г.), предложившего устройство для нанесения покрытий, содержащее катод в форме стержня и анод в форме сопла.

Рис. 1.
Схема плазменного распылителя:
1 - катодный узел;
2 - анодный узел;
3 - катод;
4 - анод;
5 - анодное пятно.

Плазменный распылитель (рис. 1) состоит из катодного 1 и анодного 2 узлов. Между катодом 3 и анодом 4 возбуждается электрическая дуга 5. Дуга в сопле анода отжимается газовым потоком от стенок охлаждаемого сопла, что увеличивает плотность ее энергии и повышает температуру столба дуги (рис. 2).

Рис. 2.
Зависимость энтальпии газов от температуры

Рис. 3.
Плазменные распылители:
а - с самоустанавливающейся дугой;
б - с фиксированной дугой.

Плазмотроны постоянного тока бывают с самоустанавливающейся (рис. 3, а) и фиксированной длиной дуги, когда дуга удлиняется за счет последовательного переключения на аноды, разделенные между собой электрически нейтральными межэлектродными вставками (рис. 3, б).

При использовании аргона в качестве плазмообразующего газа на плазмотроне с самоустанавливающейся дугой падение напряжения составляет 30 В, а с фиксированной дугой - 100 В и более. На рис. 4 представлены схемы пруткового и проволочного плазменных распылителей. Радиальная подача материала (см. рис. 4, а) используется и для подачи порошковых материалов для нанесения покрытий.

Рис. 4.
Схемы плазменных распылителей:
а - пруткового;
б - проволочного ("проволока - анод")

Схема проволочного распыления "проволока - анод" была разработана В.В. Кудиновым в конце 50-х годов. Тогда удалось получить невиданную производительность - 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт. Порошковые распылители (рис. 5) в зависимости от свойств и размеров частиц создавались с подачей в плазменную струю 1, под углом навстречу потоку 2, в сопло в заанодную зону дуги 3 или в доанодную зону, как в плазмотроне М8-27 конструкции В.М. Иванова (рис. 6).

Рис. 5.
Схемы подачи порошка в плазмотрон:
1, 2 - в плазменную струю;
3 - в сопло.

Рис. 6.
Распылитель М8-27:
1 - подача охлаждающей воды;
2 - подача плазмообразующего газа;
3 - подача порошка;
4 - слив воды;
5 - анодный узел;
6 - анод;
7 - изолятор;
8 - катодный узел;
9 - катод.

В настоящее время плазмотроны большой мощности спроектированы с подачей порошка в плазменную струю 1 (рис. 6). Такая схема не влияет на дугу. Плазмотроны имеют завышенную мощность, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Следует отметить, что подача порошка в доанодную зону была выгоднейшей с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами из-за высоких требований к равномерности подачи порошка. Рассредоточенность подачи порошка в плазмотроне М8-27 обеспечивала устойчивую работу плазмотрона, который эксплуатируется уже 40 лет.

Тенденции развития плазменных распылителей - увеличение эффективности процесса. Разработаны установки мощностью до 160:200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в воде. Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15:20 А при мощности до 2 кВт.

Увеличение ресурса соплового аппарата (катод - анод) плазменного распылителя повышенной мощности (50:80 кВт) тормозилось из-за низкой эрозионной стойкости медного сопла в зоне анодного пятна. С целью увеличения стойкости сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Наиболее удачной была конструкция плазмотрона типа F-4, разработанного фирмой Plasma-Technik AG (рис. 7), работающего длительное время на токе до 800 А при мощности 55 кВт.

Рис. 7.
Распылитель F-4

Современная автоматическая установка плазменного напыления ТСЗП-MF-P-1000 работает на смеси газов аргона, азота, водорода при расходе аргона до 100 л/мин, азота - до 50 л/мин, водорода - до 20 л/мин, транспортирующего газа - до 30 л/мин.

Производительность напыления по металлическим сплавам - до 5 кг/ч.

Плотность порошковых покрытий - 92 - 99%, прочность сцепления - 30:80 МПа.

Установка комплектуется плазмотронами F-4 мощностью 55 кВт или F-1, для нанесения покрытий на внутренние поверхности диаметром от 90 мм при мощности 25 кВт, плазмотроном SG-100 мощностью 80 кВт и комплектуется роботом KUKA KR-16 грузоподъемностью на руке 16 кг, роботом KUKA KR-6 грузоподъемностью на руке 6 кг.

Установка разработана и поставляется ООО "Технологические Системы Защитных Покрытий" (Россия).