Способ вакуумного нанесения металлического покрытия на частицы порошка абразивного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ВАКУУМНОГО НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ЧАСТИЦЫ ПОРОШКА АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ вакуумного нанесения металлического покрытия на частицы порошка абразивного материала, включающий загрузку порошка в контейнер с перемешивающими лопастями, вращение контейнера с частотой вращения от 30 до 60 об/мин вокруг оси,установленной под углом к вертикали, испарение материала покрытия и его последующую конденсацию на непрерывно перемешиваемые частицы порошка, при этом используют контейнер, в котором перемешивающие лопасти установлены по спирали, а расстояние между его геометрической осью и осью вращения составляет от 1 до 5 мм. 15058 1 2011.12.30 Заявляемое изобретение относится к области вакуумной техники и может быть использовано для получения металлических покрытий на порошках абразивных материалов. Известен способ вакуумного нанесения металлического покрытия на порошок абразивного материала, включающий загрузку порошка в контейнер, испарение материала катода и его последующую конденсацию на порошок, непрерывно перемешиваемый путем вибрации контейнера 1. Недостатком данного способа является значительная неравномерность толщины 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 способ вакуумного нанесения металлического покрытия на порошок абразивного материала, включающий загрузку порошка в контейнер с перемешивающими лопастями, испарение материала наносимого покрытия и его последующую конденсацию на порошок, который непрерывно перемешивают путем вращения контейнера вокруг оси под углом к вертикали 2. Перемешивающие лопасти, закрепленные, как видно из описания прототипа, на стенках вращающегося контейнера так, что лежат в одной плоскости с осью вращения, повышают интенсивность перемешивания порошка. Рассматриваемый способ позволяет несколько повысить равномерность толщины нанесения покрытия, однако она остается недостаточно высокой. Это обусловлено низкой интенсивностью перемешивания порошка в донной части контейнера, внутренняя поверхность которого, как видно из описания прототипа, по форме близка к параболической. Перемешивающие лопасти совершают круговое движение одновременно с вращением контейнера. Порошок из нижней части общей массы 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. Преимущественное движение частиц осуществляется по кругу и по вертикали. 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. За один оборот контейнера вокруг оси практически все частицы перекатываются из верхней точки в нижнюю и наоборот. Однако в донной части контейнера ввиду более полного его заполнения перекатывание частиц осуществляется на значительно меньшее расстояние, поскольку диаметр контейнера в этой части значительно меньше, хотя угол поворота тот же. Здесь только незначительная доля частиц меняется местами, что обусловлено большей высотой массы порошка. Перемешивание частиц порошка в этой части контейнера осуществляется преимущественно внутри общей массы, не подвергаемой воздействию потока распыляемого материала. Число степеней свободы частиц порошка, находящегося на дне контейнера в глубине общей массы, близко к нулю. Вероятность перемещения частиц на поверхность общей массы для формирования покрытия значительно падает как из-за большего заполнения этой части контейнера, так и из-за меньшей интенсивности перемешивания. Порошок в этой части контейнера 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 интенсив 2 15058 1 2011.12.30 ному сращиванию частиц между собой и образованию агрегатов, что снижает эксплуатационные показатели получаемого абразивного инструмента, т.к. приводит к возникновению рисок и царапин на обрабатываемой поверхности. Задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности толщины покрытия порошка абразивного материала. Поставленная задача решается тем, что способ вакуумного нанесения металлического покрытия на частицы порошка абразивного материала включает загрузку порошка в контейнер с перемешивающими лопастями, вращение контейнера с частотой вращения от 30 до 60 об/мин вокруг оси, установленной под углом к вертикали, испарение материала покрытия и его последующую конденсацию на непрерывно перемешиваемые частицы порошка, при этом используют контейнер, в котором перемешивающие лопасти установлены по спирали, а расстояние между его геометрической осью и осью вращения составляет от 1 до 5 мм. Сущность заявляемого технического решения заключается в увеличении числа степеней свободы перемещения частиц порошка в процессе конденсации покрытия. Увеличение числа степеней свободы алмазных зерен достигается за счет того, что частицам алмазного порошка придают новые направления перемещения. С одной стороны,перемешивание порошка осуществляется за счет кругового перемещения при его захвате лопастями в нижней точке при вращении контейнера, установленного под углом к вертикали, подъема на некоторую высоту, освобождения из лопастей и перекатывания на поверхность общей массы порошка. По мере поворота контейнера на поверхность перекатываются все новые частицы, пока те частицы, которые были на поверхности ранее,не окажутся на дне контейнера. Далее этот цикл повторяется. Перемещение частиц порошка происходит при этом аналогично прототипу по кругу и вертикали. Использование винтового движения перемешивающих лопастей позволяет в процессе поворота контейнера дополнительно перемещать частицы в горизонтальном направлении,у них появляется новое направление перемещения. Частицы захватываются лопастями,поднимаются на некоторую высоту и перекатываются по их винтовой поверхности на некоторое расстояние вдоль контейнера за счет наклона лопастей. Винтовое движение перемешивающих лопастей постоянно выталкивает частицы порошка из донной части контейнера. Смещение оси вращения контейнера по отношению к его геометрической оси позволяет интенсифицировать перемещение частиц порошка в горизонтальном направлении за счет постоянного встряхивания всей массы порошка в горизонтальном направлении. Интенсивность такого встряхивания зависит от расстояния между осями. Экспериментально установлено, что оптимальным расстоянием между осью вращения и геометрической осью контейнера является 1-5 мм. При меньших значениях, например 0,5 мм, встряхивание несущественно, а при больших, например 10 мм, оно приводит к просыпанию порошка из контейнера. При скорости вращения контейнера менее 30 об/мин эффективность встряхивания контейнера резко снижается, неравномерность толщины покрытия возрастает, а при скорости вращения более 60 об/мин встряхивание и перемещение порошка винтовым движением перемешивающих лопастей приводит к его выбросу из контейнера. В результате такого перемешивания вся поверхность всех частиц равновероятно подвергается воздействию распыляемого материала покрытия, что значительно повышает равномерность нанесения покрытия. Интенсивное перемешивание порошка в процессе формирования покрытия исключает агрегатирование, комкование и соединение частиц между собой. Заявляемое изобретение поясняется фигурой, где показана схема процесса нанесения покрытия. Порошок 1 абразивного материала, например алмазный порошок, порошок эльбора или их смесь, помещают в контейнер 2, в котором по спирали расположены пере 3 15058 1 2011.12.30 мешивающие лопасти 3. Контейнеру задают вращение с требуемой частотой вокруг наклонно расположенной оси, что приводит перемешивающие лопасти в винтовое движение. Смещениеоси вращенияпо отношению к геометрической оси 11 контейнера задают с помощью регулировочного приспособления 4. Процесс осаждения покрытия на частицы порошка осуществляется за счет распыления материала катода 5. Вращение контейнера с заданной скоростью приводит в движение находящийся в нем порошок. Частицы порошка захватываются лопастями контейнера, поднимаются на некоторую высоту, перекатываются по их поверхности за счет винтовой формы и падают на поверхность порошковой массы со смещением относительно плоскости вращения. Винтовые лопасти на поверхности контейнера работают как шнек и постоянно выталкивают порошок из его донной части к верхней, откуда они под действием силы тяжести снова перекатываются вглубь контейнера. Постоянное встряхивание общей массы порошка за счет смещения оси вращения по отношению к геометрической оси интенсифицирует перемешивание. Частицы из донной части контейнера непрерывно поднимаются на поверхность и перемещаются в сторону верхней части контейнера, где перемешивание происходит еще более интенсивно. Увеличение числа степеней свободы перемещения частиц по отношению к прототипу достигается обеспечением возможности их интенсивного движения в горизонтальном направлении за счет винтового движения перемешивающих лопастей. Материал распыляемого катода конденсируется на постоянно возобновляемой поверхности порошковой массы, что обеспечивает высокую равномерность наносимого покрытия. Нанесение покрытия согласно заявляемому способу осуществляли следующим образом. В первой серии опытов сравнивали равномерность толщины покрытия, полученного заявляемым способом и способом-прототипом. Алмазный порошок марки 20 зернистостью 125/100 в количестве 200 карат загружали в контейнер, установленный в вакуумной камере установки ионно-плазменного напыления ВУ-1 Б и приводимый во вращение с помощью электродвигателя. На стенках контейнера были закреплены 3 перемешивающие лопасти, каждая из которых образовывала по 2 витка спирали. При формировании покрытия по способу-прототипу перемешивающие лопасти закрепляли в одной плоскости с осью вращения контейнера, т.е. перпендикулярно его краю. Угол наклона оси вращения контейнера составлял 455. Смещение оси вращения по отношению к геометрической оси контейнера осуществляли с помощью винтов регулировочного устройства. Контейнеру задавали вращение со скоростью 50 об/мин. В качестве катода использовали никель марки 0. Напыление 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, измеренная на тестовом образце,составила 0,3-0,4 мкм. Качество полученного покрытия сравнивали с характеристиками покрытия, полученного согласно способу-прототипу. Равномерность толщины покрытия определяли при его последовательном многоэтапном травлении в травителе для никеля 3 по факту вскрытия поверхности абразивных зерен. 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. Полученные результаты приведены в табл. 1. Из приведенных данных видно, что после 30 мин травления покрытия, нанесенного согласно заявляемому способу, не обнаружено вскрытия поверхности алмазных зерен. За это же время травления при использовании прототипа сплошное покрытие сохранили 4 15058 1 2011.12.30 только 75-82 зерен. После 50 мин травления сплошное покрытие присутствует на 7585 зерен, обработанных с помощью заявляемого способа, против 30-42 зерен, напыленных с использованием прототипа. Соответственно после 60 мин травления - 35-45 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 с использованием прототипа. Таблица 1 Количество зерен с покрытием,этапа Заявляемый способ Прототип 1 100 100 2 100 95-98 3 100 75-82 4 92-99 35-47 5 75-85 30-42 6 35-45 14-20 7 5-10 9-15 8 1-5 Во второй серии опытов исследовали влияние заявляемых режимов нанесения 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 Смещение оси Скорость вращения контейДвижение пере- Количество вращенияп/п нера по отношению мешивающих ло- зерен с поПримечание контейнера,к геометрической пастей крытием,об/мин оси, мм 1 0,5 50 винтовое 55-64 2 1 50 винтовое 75-85 3 3 50 винтовое 75-85 4 5 50 винтовое 75-85 просыпание 5 10 50 винтовое 75-85 зерен 6 3 10 винтовое 50-59 7 3 30 винтовое 75-85 8 3 50 винтовое 75-85 9 3 60 винтовое 75-85 просыпание 10 3 90 винтовое 75-85 зерен круговое, в плос 11 3 50 кости с осью 45-53 вращения наличие агреПрототип 30-42 гатов Из анализа приведенных данных видно, что заявляемый способ нанесения покрытий на порошки абразивных материалов в совокупности отличительных признаков обеспечи 5 15058 1 2011.12.30 вает достижение положительного эффекта, который заключается в повышении равномерности толщины покрытия. Источники информации 1. Патент РФ 2082554, МПК 22 1/02, 9/06,23 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.