Устройство для вакуумного нанесения металлического покрытия на частицы порошка абразивного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАКУУМНОГО НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ЧАСТИЦЫ ПОРОШКА АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Устинович Дмитрий Федорович Лях Анатолий Александрович Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для вакуумного нанесения металлического покрытия на частицы порошка абразивного материала, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены анод, распыляемый катод и контейнер для порошка абразивного материала, отличающееся тем,что контейнер установлен под углом к вертикали с возможностью вращения с частотой от 10 до 20 об/мин, при этом в контейнер помещены тела качения в количестве от 6 до 15 от его рабочего объема, выполненные из материала, плотность которого составляет от 1,8 до 2,6, где- плотность абразивного материала, а диаметр каждого тела качения составляет от 5 до 12 мм. 15057 1 2011.12.30 Заявляемое изобретение относится к области вакуумной техники и может быть использовано для получения металлических покрытий на порошках абразивных материалов. Известно устройство для вакуумного нанесения металлических покрытий на порошок абразивного материала, включающее вакуумную камеру с размещенными в ней анодом,распыляемым катодом и вибрирующим контейнером 1. Катод испаряется в электрической дуге, и материал катода конденсируется на порошок абразивного материала. Вибрация контейнера позволяет постоянно перемешивать порошок, обеспечивая тем самым формирование покрытия на всех зернах. Недостатком данного устройства является значительная неравномерность напыляемого покрытия, обусловленная различной интенсивностью перемешивания слоев порошка на поверхности и на дне контейнера. Под воздействием колебательных движений контейнера происходит перемешивание частиц на поверхности порошковой массы и в слоях, непосредственно прилегающих к поверхности. Амплитуда колебаний порошка на дне контейнера является незначительной. Поверхностные слои оказывают на расположенные под ними слои порошка экранирующее действие, вследствие чего нанесение покрытия на порошок, находящийся в нижней части контейнера, практически не происходит. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, его прототипом является устройство для вакуумного нанесения металлических покрытий на порошок абразивного материала, включающее вакуумную камеру с размещенными в ней анодом, распыляемым катодом и контейнером для порошка, выполненным в виде вращающегося барабана с перемешивающими лопатками 2. Материал катода испаряется в электрической дуге и конденсируется на порошок абразивного материала, перемешиваемый путем вращения контейнера, установленного под углом к вертикали. Перемешивающие лопатки, закрепленные на стенках вращающегося барабана, повышают интенсивность перемешивания порошка и, следовательно, равномерность толщины наносимого покрытия. Данное устройство позволяет несколько повысить равномерность нанесения покрытия, однако она остается недостаточно высокой. Это обусловлено низкой интенсивностью перемешивания порошка в нижней части контейнера. При вращении контейнера порошок захватывается лопастями, поднимается на некоторую высоту и высыпается на поверхность. С каждым оборотом захватываются все новые порции порошка, за счет чего и осуществляется его перемешивание. В верхней части контейнера, где его диаметр максимальный, а заполнение порошком (высота слоя порошка от стенки контейнера до поверхности слоя по вертикали, учитывая наклон контейнера) минимальное, перемешивание происходит достаточно интенсивно. Однако в донной части контейнера ввиду более полного его заполнения порошком перекатывание частиц осуществляется на значительно меньшее расстояние, поскольку диаметр контейнера в этой части значительно меньше,хотя угол поворота тот же. Перемешивание частиц порошка в этой части контейнера осуществляется преимущественно внутри общей массы. Вероятность перемещения частиц на поверхность для воздействия потока распыляемого катода значительно падает как из-за большего заполнения этой части контейнера, так и из-за меньшей интенсивности перемешивания. Порошок скапливается на дне контейнера и экранируется верхними перемешиваемыми слоями, что не позволяет обеспечить выход его наверх и произвести на него конденсацию покрытия. Устранение этого положения за счет увеличения угла наклона контейнера приводит к высыпанию порошка из контейнера и к потерям порошка. В результате частицы порошка в верхней и нижней части контейнера имеют разную толщину покрытия. Кроме этого, низкая интенсивность перемешивания порошковой массы способствует интенсивному сращиванию частиц между собой и образованию агрегатов, что снижает эксплуатационные показатели получаемых абразивных композитов. 15057 1 2011.12.30 Задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности покрытия порошков абразивных материалов. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для вакуумного нанесения металлического покрытия на частицы порошка абразивного материала, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены анод, распыляемый катод и контейнер для порошка абразивного материала, контейнер установлен под углом к вертикали с возможностью вращения с частотой от 10 до 20 об/мин, при этом в контейнер помещены тела качения в количестве от 6 до 15 от его рабочего объема, выполненные из материала, плотность которого составляет от 1,8 до 2,6 , где- плотность абразивного материала, а диаметр каждого тела качения составляет от 5 до 12 мм. Сущность заявляемого технического решения заключается в увеличении интенсивности перемешивания частиц порошка в процессе конденсации покрытия за счет преимущественного движения тел качения в нижней части контейнера. При вращении контейнера порошковая масса с телами качения под действием сил трения между ней и стенками контейнера перемещается вверх. Затем верхние и приповерхностные слои порошковой массы под действием силы тяжести начинают движение вниз, обнажая нижележащие слои порошка. По мере поворота контейнера нижние слои порошка перемещаются наверх и далее снова пересыпаются вниз под действием силы тяжести. При этом частицы на поверхности порошковой массы совершают преимущественно движение качения, периодически - скольжения с качением. Совершающие сложное перемещение тела качения интенсифицируют указанные явления. Указанные перемещения слоев порошка совместно с телами качения обеспечивают равномерное перемешивание всего объема порошковой массы в контейнере. Перемещаясь в порошковой массе, тела качения дополнительно перемешивают и переориентируют его частицы, взаимодействуют с порошком в нижней части контейнера и направляют его в зоны перемешивания. В результате на поверхности порошковой массы, подвергаемой напылению, оказываются все новые частицы порошка, совершающие при этом сложные перемещения относительно факела напыления, что обеспечивает нанесение покрытия,толщина которого достаточно равномерна по всей поверхности зерна. Силовое воздействие тел качения на порошковую массу в процессе формирования покрытия исключает агрегатирование, комкование и соединение частиц между собой. Выбор плотности материала тел качения менее 1,8, где- плотность абразивного материала, сопровождается преимущественным перекатыванием их по поверхности абразивной массы, что приводит к уменьшению силового воздействия тел и снижению интенсивности перемешивания порошка. В результате возрастает количество агрегатов в готовом продукте и уменьшается равномерность покрытия. Выбор плотности материала тел качения более 2,6 сопровождается возрастанием ударного действия тел качения на поверхность частиц порошка как непосредственно, так и через слои порошка, что приводит к повреждению наносимого покрытия острыми кромками частиц и нарушению его сплошности. Кроме этого, увеличивается выброс частиц порошка из контейнера. Выбор частоты вращения контейнера менее 10 об/мин не приводит к существенному возрастанию интенсивности перемешивания верхних слоев порошка с нижними и проявлению положительного воздействия тел качения, что вызывает неравномерность покрытия и агрегатирование частиц порошка. Увеличение частоты вращения контейнера свыше 20 об/мин приводит к уплотнению порошковой массы под действием инерционных сил, к повреждению покрытия острыми кромками частиц, нарушению сплошности покрытия и к выбросу частиц порошка из контейнера вследствие ударного действия тел качения. Выбор количества тел качения менее 6 рабочего объема (объема контейнера, занимаемого порошком) не сопровождается существенным увеличением равномерности наносимого покрытия и уменьшением количества агрегатов, что обусловлено низкой интенсивностью перемешивания порошка в контейнере незначительным суммарным си 3 15057 1 2011.12.30 ловым воздействием тел качения. Выбор количества тел качения более 15 рабочего объема сопровождается увеличением общего количества и интенсивности ударных взаимодействий тел качения с частицами порошка, что приводит к повреждению покрытия острыми кромками абразивных зерен и нарушению сплошности покрытия. Кроме этого,наблюдается дробление и измельчение абразивных зерен. Выбор размеров тел качения менее 5 мм не сопровождается существенным увеличением равномерности наносимого покрытия и уменьшением количества агрегатов вследствие незначительного силового воздействия тел качения на порошковую массу. Выбор размеров тел качения свыше 12 мм приводит к возрастанию силового воздействия на порошковую массу со стороны тел качения, что сопровождается нарушением сплошности покрытия, дроблением абразивных зерен и выбросом их из контейнера. Предлагаемое изобретение поясняется фигурой, где показана схема заявляемого устройства. Устройство состоит из вакуумной камеры 1 с расположенными в ней распыляемым катодом 2 и вращающимся контейнером 3, служащим одновременно анодом. В контейнер помещают тела качения 4 и абразивный порошок 5. Устройство работает следующим образом. Вращение контейнера с заданной скоростью приводит в движение находящиеся в нем тела качения и порошковую массу. Поскольку тела качения имеют больший вес по сравнению с частицами порошка, при вращении контейнера они скатываются с его внутренней поверхности при меньшем угле поворота, чем частицы порошка, удерживаемые друг с другом силами трения. Поскольку тела качения вследствие своего большего веса и большей плотности в процессе напыления покрытия совершают движение преимущественно в нижней части контейнера, это приводит к интенсивному подъему порошка из нижней части контейнера в верхнюю и его перемешиванию. Материал распыляемого катода конденсируется на постоянно возобновляемой поверхности порошковой массы, что обеспечивает высокую равномерность наносимого покрытия. Заявляемое устройство было изготовлено на базе установки ионно-плазменного напыления ВУ-1 Б, в вакуумной камере которой был установлен чашеобразный контейнер, приводимый во вращение с помощью электродвигателя. Угол наклона оси вращения контейнера составлял 452. В контейнер помещали тела вращения в форме шаров диаметром 8 мм из стали плотностью 7,8 г/см 3 в количестве 10 шт. Материал катода - никель 0. Устройство испытывали следующим образом. В первой серии опытов определяли равномерность полученного покрытия по сравнению с прототипом. Алмазный порошок марки 20 зернистостью 125/100 и плотностью 3,51 г/см 3 в количестве 200 карат помещали в контейнер заявляемого устройства. Контейнеру задавали вращение со скоростью 15 об/мин. Напыление никелевого покрытия проводили методом катодного испарения. Режимы нанесения покрытия выбирали следующими ток электрической дуги - 120 , давление остаточных газов - 810-3 Па, время напыления - 30 мин. Толщина нанесенного покрытия находилась в диапазоне 0,3-0,4 мкм. Качество полученного покрытия сравнивали с характеристиками покрытия, полученного на устройстве-прототипе. Равномерность толщины покрытия определяли при его последовательном многоэтапном травлении по факту вскрытия поверхности абразивных зерен 3. Продолжительность каждого этапа травления составляла 10 мин. Процесс осуществляли до полного удаления материала покрытия. Наличие остатков покрытия определяли на металлографическом комплексе МГК-1, созданном на основе микроскопа МКИ-2 и персонального компьютера,при увеличении 500, 1000. В каждой серии опытов проводили 5 оценок наличия остатков покрытия на порции порошка в 20 карат после его перемешивания. Среднеарифметические значения полученных результатов приведены в табл. 1. Количество зерен с покрытием,Заявляемое устройство Прототип 100 100 100 95-98 100 75-82 97-99 35-47 82-85 30-42 35-42 14-20 6-9 9-15 Из анализа представленных данных следует, что после 30 мин травления покрытия,нанесенного с использованием заявляемого устройства, не обнаружено вскрытия поверхности алмазных зерен. За это же время травления при использовании прототипа сплошное покрытие сохранили только 75-82 зерен. После 50 мин травления сплошное покрытие присутствует на 82-85 зерен, обработанных с помощью заявляемого устройства, против 30-42 зерен, напыленных с использованием прототипа. Соответственно после 60 мин травления - 35-42 и 14-20 . Так как зерна находились в равных условиях и подвергались одинаковому воздействию со стороны реактива, то это свидетельствует о первоочередном стравливании покрытий меньшей толщины и о меньшей равномерности покрытия,нанесенного на устройстве-прототипе. Во второй серии опытов исследовали влияние заявляемых параметров предлагаемого устройства на равномерность формируемого покрытия. В каждом опыте исследовалась порция порошка в количестве 50 карат, которая затем подвергалась травлению в течение 50 мин. Покрытия формировались при различных значениях заявляемых параметров. В качестве абразивного материала использовали порошки алмаза и эльбора. Полученные результаты приведены в табл. 2. Таблица 2 Количество Частота Количество Плотность Размер тел качения вращения материала тел качезерен с поПримечание в рабочем контейнера,крытием,тел качения ния, мм об/мин объеме,1 3 2,2 8 15 48-54 2 6 2,2 8 15 75-83 3 10 2,2 8 15 82-85 4 15 2,2 8 15 81-88 Дробление зе 5 18 2,2 8 15 59-66 рен Наличие агре 6 10 1,3 8 15 52-59 гатов 7 10 1,8 8 15 79-84 8 10 2,6 8 15 80-83 9 10 3,2 8 15 54-60 Выброс зерен Наличие агре 10 10 2,2 3 15 44-51 гатов 11 10 2,2 5 15 80-87 12 10 2,2 12 15 80-84 Дробление зе 13 10 2,2 15 15 63-68 рен 5 Частота Количество Плотность Размер Количество вращения тел качения материала тел качезерен с пов рабочем контейнера,тел качения ния, мм крытием,объеме,об/мин- плотность абразивного материала. Из анализа представленных данных следует, что только заявляемые интервалы размеров тел качения, их плотности, количества и частоты вращения контейнера обеспечивают достижение положительного эффекта, который заключается в повышении равномерности покрытия порошка. Источники информации 1. Патент РФ 2082554, МПК 22 1/02, 9/06, С 23 С 28/00. 2. Патент РБ 9418, МПК 23 14/00, 2007 (прототип). 3. Смитлз К. Дж. Металлы. Справ. изд. Пер. с англ. - М. Металлургия, 1980. - С. 447. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6