Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов

Устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов относится к устройствам, предназначенным для проведение диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов, проводимой с целью придания поверхностным слоям изделий особых физико-химических свойств, и может использоваться в общем машиностроении, в инструментальной промышленности и других областях. В частности, устройство предназначено для нанесения на изделия диффузионных покрытий в среде легкоплавких жидкометаллических растворов в условиях массового производства при одновременном совмещении процессов нанесения покрытий, очистки от следов расплава и термической обработки материала изделий.

Известно устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов (патент РФ на изобретение №2423546, МПК С23С 10/22 (2006.01), С23С 2/00 (2006.01), С23С 28/02 (2006.01), опубликован: 10.07.2011). Устройство содержит нагревательную камеру с внешними нагревателями, в которой располагается ванна с металлическим раствором. На одном уровне с нагревательной камерой расположена шлюзовая камера, служащая для закалки, загрузки и выгрузки изделий. Над нагревательной и шлюзовой камерами расположена манипуляционная камера, которая связывает между собой нагревательную и шлюзовую камеры. В манипуляционной камере размещено роторное устройство перемещения покрываемых изделий, загрузочно-разгрузочное устройство, на котором закреплены покрываемые изделия, теплоизолирующие экраны и уплотняющие водоохлаждаемые диски, обеспечивающие герметизацию шлюзовой камеры. Достоинством аналога является то, что нагрев осуществляется внешними электронагревателями за счет применения шахтной электропечи. Шахтная электропечь имеет хорошую теплоизоляцию, а, следовательно, высокий КПД, за счет этого сокращаются энергетические затраты и создается возможность значительно увеличить габаритные размеры нагревательной камеры и увеличить ресурс нагревателей. Однако в аналоге нагревательная камера, в которой располагается ванна с металлическим раствором, должна иметь вакуумную плотность, а, следовательно, материал, из которого она изготовлена, обязан быть металлическим, так как он должен обладать свариваемостью, иметь при этом высокую жаростойкость, жаропрочность при температурах до 1250°С и инертность к легкоплавкому жидкометаллическому расплаву. Такие высокие требования к материалу нагревательной камеры требуют применения дорогостоящих никель-хромовых сплавов. При этом невысокая жаропрочность данных сплавов в диапазоне температур проведения диффузионной металлизации значительно ограничивает объем ванны для диффузионной металлизации вследствие большой весовой нагрузки, возникающей от жидкометаллического раствора, на стенки нагревательной камеры. Это, в конечном итоге, уменьшает производительность процесса металлизации и не обеспечивает возможность наносить покрытия на детали больших размеров. Кроме того, металлические нагревательные камеры имеют малый ресурс работы.

Аналогом заявляемого устройства также является устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов (патент РФ на изобретение №2293791, МПК С23С 10/22 (2006.01) опубликован: 20.02.07). Данное устройство содержит две водоохлаждаемые камеры, в нижней нагревательной камере расположена ампула с металлическим раствором, теплозащитные экраны, нагревательное устройство, в верхней шлюзовой камере расположен подвижный шток, на котором закреплены покрываемые изделия, при этом полости камер связаны вертикальным каналом, закрытым снизу подвижным теплозащитным экраном, при этом камеры имеют вакуумную систему и систему наполнения их инертным газом, в отличие от прототипа в вертикальном канале, связывающем камеры, установлен герметичный затвор, в боковой стенке верхней шлюзовой камеры выполнен люк. Камеры имеют автономные вакуумные системы и системы наполнения их инертным газом, в верхней шлюзовой камере имеется система циркуляции и охлаждения инертного газа. Система циркуляции и охлаждения инертного газа содержит теплообменник и насос.

Технологический процесс нанесения диффузионных покрытий с применением устройства осуществляется следующим образом. В нижнюю нагревательную камеру устанавливается ванна с расплавом, в которой находится транспортный легкоплавкий сплав и растворенные в нем элементы покрытия. Через люк изделия помещаются в верхнюю шлюзовую камеру и закрепляются на загрузочном штоке. Люк закрывается и производится герметизация верхней шлюзовой камеры. Открываются запорные вентили и через вакуумные магистрали производится откачка воздуха из верхней шлюзовой и нижней нагревательной камер. После достижения заданного вакуума верхняя и нижняя камеры заполняются инертным газом. На нагреватели, находящиеся в нижней нагревательной камере, подается электрический ток и производится нагрев ванны с металлическим раствором. После достижения металлическим раствором заданной температуры процесса открываются затвор и экраны, разделяющие верхнюю шлюзовую и нижнюю нагревательную камеры, что обеспечивает объединение полостей верхней шлюзовой и нижней нагревательной камер. Через образовавшийся проход, за счет перемещения загрузочного штока вниз, изделия погружаются в ванну с расплавленным металлическим раствором, и производится выдержка изделий в металлическом растворе заданное время. По истечении времени изделия с помощью штока перемещаются в верхнюю шлюзовую камеру, закрывается затвор, за счет чего полости верхней шлюзовой и нижней нагревательной камер изолируются друг от друга, и включается насос, вызывающий циркуляцию инертного газа, находящегося в верхней шлюзовой камере, что обеспечивает термическую обработку покрытых изделий. После охлаждения изделий до заданной температуры насос отключается, открывается люк верхней шлюзовой камеры, и изделия извлекаются из нее. При этом в нижней нагревательной камере остается инертная среда, и поддерживается заданная температура процесса. Далее производится загрузка следующей партии изделий, вакуумирование и заполнение инертным газом верхней шлюзовой камеры, и цикл нанесения покрытий повторяется.

Недостатком аналога является то, что нижняя нагревательная камера выполнена водоохлождаемой, что значительно увеличивает энергозатраты на нагрев легкоплавкого раствора (насыщающей среды), так как нагрев осуществляется не в вакууме, а в инертном газе. Кроме этого, наличие нагревателей и боковых защитных экранов в нижней нагревательной камере значительно сокращает ее полезный объем. Следующим недостатком прототипа является конструктивное исполнение нижней камеры, при котором нагревательные элементы контактируют хотя и с инертной средой, но содержащей пары расплава, что приводит к значительному снижению ресурса нагревательных элементов.

Наиболее близким заявляемому устройству является устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов (патент РФ на изобретение №2553155, МПК С23С 2/04 (2006.01), С23С 10/18 (2006.01) опубликован: 10.06.15). Данное устройство содержит нагревательную камеру, в которой установлена ампула с металлическим раствором, подвижный шток, на котором закреплены покрываемые изделия, нагревательное устройство, при этом устройство содержит одну камеру, разделенную на три зоны, в нижней зоне камеры, находящейся в нагревательном устройстве, расположена ампула с легкоплавким жидкометаллическим раствором, а над ней расположен защитный противоокислительный слой, состоящий из солевого расплава, содержащего хлориды Ва, Na и К, образующий среднюю зону нагрева, представляющую собой зоны очистки от следов расплава и придания материалу покрытых изделий температуры, соответствующей заданной термической обработки, при этом толщина защитного противоокислительного слоя соответствует толщине слоя легкоплавкого жидкометаллического раствора, а верхняя зона камеры, образующая зону предварительного подогрева покрываемых изделий, выполнена полой и заполнена воздухом, сверху камера закрыта крышкой, в которой закреплен подвижный шток, выполненный с возможностью вертикального перемещения в крышке, кроме этого, нагревательное устройство выполнено внешним и расположено вокруг нижней зоны камеры, а вокруг средней зоны размещена теплоизолирующая оболочка, выполненная с возможностью вертикального перемещения, обеспечивающего регулирование температуры в этой зоне.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности регулирования и поддержания заданных температур в каждой из трех зон камеры, что, в конечном итоге, отрицательно сказывается как на качестве диффузионных покрытий, так и на результатах термической обработки материала изделия. Кроме этого, в устройстве нагреву подвергается только лишь нижняя зона камеры, находящейся в нагревательном устройстве, а нагрев остальных зон происходит за счет конвекции тепловых потоков из этой зоны, что, в конечном итоге, значительно увеличивает длительность нагрева зон камеры до заданных температур, а, следовательно, длительность технологического процесса и его энергозатратность.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего возможность регулирования и поддержания заданных температур в каждой из трех зон камеры, при одновременном снижении длительности технологического процесса и затрат электроэнергии.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении качества и стабильности свойств диффузионных покрытий и термической обработки материала изделия, снижение затрат электроэнергии и сокращение длительности проведения технологического процесса.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов, содержащее камеру, разделенную на три зоны, нижняя зона камеры нагревается внешним нагревательным устройством, и в ней находится легкоплавкий жидкометаллический раствор, а над ней в средней зоне камеры расположен слой, состоящий из расплава солей, образующий зону очистки изделия от следов расплава и имеющий температуру, заданную для термической обработки покрытого изделия, а верхняя зона камеры, образующая зону предварительного подогрева покрываемых изделий, выполнена полой, причем сверху камера закрыта крышкой, в которой закреплен подвижный шток, выполненный с возможностью вертикального перемещения в крышке. При этом камера изготовлена из искусственного графита, и на ее наружной поверхности в местах разделения зон выполнены канавки, заполненные термоизолирующим веществом, для нагрева зон камеры используют высокочастотный индукционный нагрев, при этом каждая зона оснащена собственным индуктором, имеющим самостоятельную систему регулировки температуры нагрева зоны, при этом индуктор верхней зоны, вследствие циркуляции в нем воды, также используют для охлаждения этой зоны, на верхней торцевой части камеры установлены уплотняющие элементы и на ней фиксируется крышка, герметизирующая камеру, кроме этого, в верхней зоне камеры зафиксированы патрубки с вентилями, через которые в нее подается и удаляется инертный газ, кроме этого, последний патрубок используют для вакуумирования камеры.

Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, в частности, изготовление камеры из искусственного графита и разделение зон камеры канавками, заполненными термоизолирующим веществом, а также использование раздельного индукционного нагрева каждой из зон камеры обеспечивается более точное поддержание заданной температуры в каждой из зон. Для нижней зоны поддержание заданной температуры процесса является необходимым условием для формирования покрытий с требуемым элементным и структурно-фазовым составом. Поддержание заданной температуры в средней зоне определяет свойства основного материала и покрытия, а также позволяет производить оптимизацию температуры термической обработки материала изделия с учетом его элементного состава и требуемых от него механических свойств. Кроме этого, использование для изготовления камеры искусственного графита, обладающего высокой теплопроводностью и низким электросопротивлением при использовании токов высокой частоты, наводимый ток нагревает только графитовую камеру, и не воздействует на находящийся в камере легкоплавкий жидкометаллический раствор, в результате, этого исключается вредное влияние наводимых токов на процесс селективного переноса элементов покрытия из жидкометаллического раствора на покрываемое изделие. При этом нагрев легкоплавкого жидкометаллического раствора и покрываемых изделий происходит вследствие его контакта со стенкой камеры. Аналогично производится нагрев второй и третьей зон камер. Также использование для камеры искусственного графита обеспечивают ей высокую механическую и эрозионную прочность, термостойкость, стойкость к воздействию воздушной среды, отсутствие смачивания стенок камеры расплавленными металлами. Кроме этого, высокая электротеплопроводности искусственного графита снижают затраты электроэнергии и обеспечивают сокращение длительности проведения технологического процесса. Значительное повышение качества покрытий и стабильность их свойств в партиях изделий также обеспечивает применяемая в заявляемом устройстве герметизация верхней зоны камеры, а наличие зафиксированных в ней патрубков и закрепленных на них вентилей, через которые можно вакуумировать камеру и создавать в ней инертную газовую среду, обеспечивает возможность проводить предварительный подогрев изделий перед процессом нанесения покрытий, а также подстуживание или изотермическую закалку покрытых изделий после термической обработки. Таким образом, перечисленные достоинства рассматриваемого устройства обеспечивают возможность решить поставленные технические задачи.

На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов.

Заявляемое устройство содержит камеру 1. Камера 1 имеет по высоте три зоны нагрева 2, 3, 4, которые разделены между собой выполненными на наружной поверхности камеры 1 канавками 5, 6, заполненными термоизолирующим веществом. Нижняя зона 2 - зона нагрева легкоплавкого металлического раствора 7, который находится непосредственно в нижней зоне нагрева 2. Средняя зона нагрева 3 - зона нагрева солевого расплава 8, а верхняя зона нагрева 4 - зона предварительного подогрева или подстуживания после процессов нанесения покрытий изделий 9, закрепленных на штоке 10. На верхней торцевой части камеры 1 фиксируется крышка 11, герметизирующая ее за счет уплотняющего элемента 12. Через отверстие в крышке 11 с уплотнениями 13 проходит шток 10. На камере 1 в пределах нижней зоны 2, средней зоны 3 и верхней зоны 4 размещены индукторы индукционного нагрева. Нагрев нижней зоны 2 осуществляется индуктором 14, средней зоны 3 - индуктором 15 и верхней зоны 4 индуктором 16. Вакуумирование камеры 1 и сброс в ней давления осуществляется через вмонтированный в верхней зоне 4 штуцер 17 с вентилем 18. Подача в камеру 1 инертного газа производится через также вмонтированный в верхней зоне 4 штуцер 19 с вентилем 20.

Нанесение покрытий и термическая обработка производится следующим образом. Первоначально нижняя зона 2 камеры 1 заполняется предварительно подготовленным легкоплавким металлическим раствором 7. Затем в среднюю зоны 3 камеры 1 вводят смесь солей заданного состава, содержащую BCl₂; NaCl; KCl в количестве, обеспечивающем после ее расплавления образование над поверхностью металлического раствора слоя солевого расплава 8, толщина которого соизмерима (равна или больше) с толщиной слоя легкоплавкого металлического раствора 7, размещенного в нижней зоне 2. Далее покрываемые изделия 9 закрепляются на штоке 10. После этого через отверстие с уплотнениями 13 в крышке 11, крышка 11 надевается на шток 10. Покрываемые изделия 9, закрепленные на штоке 10, помещаются в верхнюю зону камеры 1. Затем крышкой 11, имеющей возможность поступательного перемещения по штоку 10, герметизируется внутренняя полость камеры 1, например, путем ее навинчивания на корпус 1 до контакта с уплотнениями 13. Далее через патрубок 17 и вентиль 18 производится вакуумирование камеры 1, по окончанию которого вентиль 18 закрывается и через вентиль 20 и патрубок 19 производится заполнение верхней зоны 4 камеры 1 инертным газом до заданного давления в ней. После этого включается раздельный индукционный нагрев через индукторы 14, 15, 16 нижней 2, средней 3, верхней 4 зон камеры 1 и нагревают до заданных температур легкоплавкий металлический раствор 2, солевую смесь 8 и изделия, находящиеся в верхней зоне 4 камеры 1.

После нагрева легкоплавкого металлического раствора до заданной температуры процесса металлизации покрываемые изделия 9, закрепленные на штоке 10, перемещают в нижнюю зону 2 камеры 1 и выдерживают в нем заданное время (процесс металлизации). По истечении времени выдержки с помощью штока 10 изделия 9 перемещают в солевой расплав 8 (средняя зона 3), предварительно разогретый до оптимальной температуры термической обработки материала изделий, либо покрытий. Одновременно с поверхности изделий 9 происходит удаление стеканием следов легкоплавкого металлического раствора (очистка изделий). Далее изделия перемещают в верхнюю зону 4 камеры 1, в которой производится подстуживание изделия или изотермическая закалка покрытых изделий. Для устранения крупнозернистости структуры, которая может образовываться в покрываемом сплаве в процессе металлизации, покрытые изделия после охлаждения в верхней зоне 4 могут повторно быть перемещены в солевой расплав 8, выдерживаться в нем до завершения превращений и после этого подвергаться закалке или нормализации.

Таким образом, новое конструктивное решение заявляемого устройства для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов позволяет решить поставленные задачи и добиться заявленного технического результата - повышения качества и стабильности свойств диффузионных покрытий и термической обработки материала изделия, а также снижения затрат электроэнергии и сокращения длительности проведения технологического процесса.