Понимание технологии инфракрасного отверждения покрытий

Инфракрасное отверждение привлекает повышенное внимание специалистов по нанесению покрытий из-за более коротких циклов отверждения и возможности оборудования занимать меньше площади по сравнению с отверждением в конвекционной печи. 

Теория инфракрасного нагрева

Инфракрасная энергия — это форма излучения, которая находится между видимым светом и микроволнами в электромагнитном спектре.  Как и другие формы электромагнитной энергии, ИК распространяется волнами, и существует известная зависимость между длиной волны, частотой и уровнем энергии. То есть энергия (температура) увеличивается по мере уменьшения длины волны.

В отличие от конвекции, при которой воздух сначала нагревается для передачи энергии детали, ИК-энергия может поглощаться непосредственно покрытием. Инфракрасные волны также могут отражаться или передаваться на подложку.  Когда оборудование правильно подобрано, либо абсорбция (для нагрева порошка), либо передача (для нагрева детали) могут стать основным методом, используемым для достижения качественного отверждения. Поскольку энергия является волновой (в форме излучения), ИК-отверждение имеет ограничения, связанные с линией прямой видимости. То есть энергия распространяется только по прямой линии и поглощается участками детали, обращенными к источнику, подобно фонарику, освещающему участок детали.

 

Поскольку теплопроводность металлов превосходна, часть энергии может избирательно передаваться на подложку, что приводит к отверждению скрытых областей посредством механизма проводимости. Это позволяет достичь отверждения, например, внутри стальной трубы. Кроме того, в некоторых случаях ИК-излучение может обеспечить некоторую степень конвекционного нагрева, что также помогает добиться отверждения в условиях отсутствия прямой видимости. ИК-системы обычно описываются как системы высокой, средней или низкой интенсивности. Это относится к уровню энергии источника – инфракрасного нагревателя.

• Высокоэнергетический (коротковолновый) ИК нагрев характеризуется ярким видимым светом, который также излучается. Большая часть энергии передается через покрытие и поглощается подложкой. Таким образом, этот тип отверждения лучше всего подходит для деталей сложной формы (нагрев вне прямой видимости), когда он используется для нагрева подложки. Самая высокая скорость нагрева возможна при использовании коротковолнового ИК-излучения от галогенных ламп.
• ИК нагрев средней энергии (средней длины волны) наиболее широко используется для отверждения, поскольку энергия поглощается непосредственно покрытием. Тип печи с кварцевыми трубчатыми нагревателями и керамическими ик панелями лучше всего работает с простыми или симметричными деталями, и часто детали поворачиваются для равномерного экспонирования. Кроме того, конфигурация печи должна соответствовать форме детали, например, потолочные и напольные излучатели помогают освещать верх и низ цилиндрических деталей.
• Низкоэнергетическое (длинноволновое) ИК-излучение вырабатывается некоторыми керамическими инфракрасными нагревателями. Значительная часть вырабатываемой энергии переходит в  конвекционный нагрев. Длинноволновой нагрев рекомендуется применять там, где нет возможности разместить детали полностью в зоне прямой видимости лучей нагревателя, длинноволновые нагреватели нагреют закрытые детали поверхностей за счет конвекции.

 

 

Контроль

Большинство ИК-источников излучают энергию в определенном диапазоне, а не на одной длине волны или частоте. Ширина этой полосы, известная как чистота, может иметь большое влияние на отверждение, поскольку она определяет степень проникновения. Некоторые системы допускают ограниченную степень настройки для управления регулировкой напряжения.  Чтобы показывать температуру поверхности излучателя, которая увеличивается с увеличением напряжения, может быть встроен оптический пирометр. Более сложные устройства имеют контуры обратной связи через программируемые логические контроллеры.

Другой контрольной точкой является количество энергии, доступной на поверхности. Это понятие известно как плотность мощности. Если удельная мощность слишком высока, покрытие будет подгорать и разрушаться на поверхности. Этот параметр можно регулировать, уменьшая количество излучателей или увеличивая расстояние между излучателем и деталью.

Оборудование

Инфракрасное излучение может генерироваться как электрическими, так и газовыми источниками. В случае электрического инфракрасного излучения вольфрамовая нить обычно обеспечивает короткую длину волны, карбоновая спираль – среднюю, а нихромовая нить обеспечивает средний и длинноволновой диапазон. Нити обычно заключены в кварцевую трубку или в керамику.  Лампы и нити накала образуют ИК-излучатель, который обычно сопровождается каким-либо отражателем для фокусировки энергии. Стенки печи также могут служить вторичным отражателем. И все элементы системы нагрева  требуют ухода. Коротковолновые галогенные  излучатели имеют срок службы около 5000 часов при нормальных настройках напряжения, а более низкие настройки приводят к увеличению срока службы. Рефлекторы могут быть изготовлены из драгоценных металлов, таких как золото, для достижения оптимального отражения и/или чистоты ИК-излучения. Накопление пыли или грязи будет мешать работе системы.

Газовые ИК-печи используют пламя для нагрева керамического излучателя, который, в свою очередь, генерирует ИК-излучение. Также доступны «беспламенные системы», которые каталитически окисляют топливо. Газовый ИК нагрев доступен только на средних и длинных волнах, и спектр излучения обычно шире, чем у электрического ИК нагревателя, например, более низкая чистота. Газовый инфракрасный нагрев часто сочетается с газовой конвекционной печью, чтобы обеспечить более высокую скорость нагрева, чем можно было бы достичь только с помощью конвекции.

Порошковые покрытия и ИК-отверждение

Порошки, используемые в комбинированных системах ИК-конвекции или в системах только ИК низкой и средней интенсивности, аналогичны порошкам, выбранным для отверждения только конвекцией. То есть эти системы обычно предлагают сопоставимое время отверждения в диапазоне 8-20 минут. Порошки быстрого отверждения, например, 200С в течение 5 минут или меньше, являются лучшими кандидатами для систем ИК высокой или высокой и средней интенсивности. Фактическое время пребывания перед излучателями в этом случае обычно составляет от 30 до 90 секунд.

Поскольку порошки обычно хорошо реагируют на быстрый нагрев, ИК-излучение может иметь некоторые преимущества в отношении внешнего вида. Например, покрытия с высоким глянцем могут иметь еще более высокий глянец. К сожалению, системы с низким глянцем могут реагировать одинаково, что делает прогнозирование глянца немного сложным. Пробные запуски или онлайн-оценка лабораторных образцов могут преодолеть эту неопределенность. При быстром отверждении также ограничена возможность текучести, поэтому низкая вязкость расплава является важной характеристикой для преодоления «апельсиновой корки».

Цвет покрытия также может играть сравнительно небольшую роль в процессе отверждения. Черные покрытия имеют тенденцию поглощать инфракрасную энергию с большей готовностью, чем другие цвета, в то время как белые отражают. Это может означать, что для преодоления этих тенденций может потребоваться регулировка печи.

 

 

Преимущества и недостатки инфракрасного нагрева

Двумерные детали, такие как стальные заготовки и пластины выключателя света, а также симметричные трехмерные детали, такие как масляные фильтры, корпуса ручек и трубки, представляют собой некоторые из наиболее распространенных продуктов, производимых с применением ИК отверждения. В последних случаях части можно поворачивать для достижения равномерного распределения инфракрасной энергии. Другие области применения включают тяжелое литье, которое требует длительного времени нагрева или очень высоких температур в конвекционной печи. Теплочувствительные подложки, такие как пластмассы и композиты, также получают потенциальные преимущества от ИК-отверждения, поскольку можно нагреть только покрытие, а время выдержки в печи может быть достаточно коротким, чтобы предотвратить повреждение подложки.

ИК-системы не требуют больших потоков воздуха, характерных для конвекционных печей. В результате загрязнение пылью и грязью может быть сведено к минимуму. Отсутствие побочных продуктов сгорания в электрическом ИК также делает этот процесс более чистым.

Несмотря на потенциальные преимущества, многие проблемы также должны быть рассмотрены при выборе ИК-отверждения. Во-первых, сложные формы деталей трудно отверждать в ИК-печах. Излучение распространяется прямолинейно и не поворачивает за угол без помощи отражения. Скрытые внутренние поверхности не могут отверждаться без помощи теплопроводности или конвекции.

Помимо формы детали, состав и состояние подложки также нужно учитывать. Отдельные металлы по-разному поглощают ИК-энергию. Это свойство известно как коэффициент излучения. Например, золото, обладающее очень низким коэффициентом излучения, часто используется в качестве отражателя в виде напыления на трубках галогенных нагревателей из-за его низкого поглощения. В то время как обычные подложки, такие как железо, сталь и алюминий, имеют коэффициенты излучения в одном и том же общем диапазоне, полировка может превратить каждый из них из хороших поглотителей в отражатели. Поэтому для изготовления корпусов инфракрасных панелей и прочих отражателей мы используем зеркально полированную нержавеющую сталь.

Изменение массы детали также может быть проблемой. Системы, предназначенные для отверждения порошка за 60 секунд на стали 16-го калибра, могут обеспечить не очень качественное отверждение удвоенной массы и сварных швов из-за эффекта теплоотвода. 

ИК-печи можно зонировать, чтобы обеспечить большую выходную мощность для начального этапа нагрева и меньшую мощность для этапа выравнивания или «выдержки». Некоторые системы могут также позволять включать и выключать выбранные излучатели для различных типов деталей. Эти переменные элементы управления обеспечивают наибольшую степень гибкости в части микширования. Быстрое управление включением-выключением может помочь предотвратить перегрев во время остановки линии, а также обеспечивает более быстрый осмотр деталей после регулировки линии.

Наиболее гибкие системы инфракрасного нагрева предлагают степень контроля, которая значительно превосходит возможности конвекционных печей. Если печь и порошок правильно подобраны для детали, может быть доступно аналогичное «окно отверждения». Например, 120-секундное время выдержки может не вызвать проблем для покрытия, рассчитанного на 60-секундное отверждение. Это тот же 100% перегрев, который обычно используется в покрытиях с конвекционным отверждением. Настоящая проблема заключается в том, что абсолютное время в 60 секунд дает мало шансов отреагировать на проблемы. Это привело к убеждению, что ИК является менее щадящим механизмом нагрева по сравнению с конвекцией.

Инфракрасные нагреватели от компании Элемаг

ИК-отверждение может быть правильным выбором для многих сфер применения.  Компания Элемаг производит различные типы инфракрасных нагревательных элементов, многие из которых имеются в стандартном исполнении в наличии на складе в Москве, а если у нас нет того, что вам нужно, мы можем быстро изготовить индивидуальные нагреватели специально под решение вашей задачи по нагреву.

Также мы можем изготовить инфракрасные печи для сушки или отверждения с нашими нагревателями, и так как мы сами являемся производителями нагревателей, вам не придется переплачивать. Наша компания имеет огромный опыт разработки инфракрасного оборудования, а также модернизации уже готовых производственных линий для использования инфракрасного нагрева. Обращайтесь к нашим специалистам по телефону или через электронную почту для получения полной квалифицированной консультации по инфракрасному нагреву.