Устройство для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения cvd-методом металлоорганических соединений
Владельцы патента RU 2456373:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГОУ ВПО "Тверская государственная сельскохозяйственная академия") (RU)
Изобретение относится к устройствам для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения методом химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении и автомобильной промышленности. Устройство содержит реактор с нагревателем и возможностью подвода вовнутрь него реакционной газовой среды и отвода продуктов реакции. Реактор образован двумя одинаковыми крышками, соединенными между собой с возможностью изменения между ними расстояния и последующей его фиксации и обращенными друг к другу, имеющими общую ось симметрии и выполненными с отверстием по оси симметрии для подвода вовнутрь реактора реакционной газовой среды в одной из них и отверстием по оси симметрии для отвода продуктов реакции в другой и выполненными с возможностью установки на внутренней поверхности каждой из них графитового разделительного кольца. На каждом разделительном кольце установлен подшипник скольжения с обеспечением их чередования и образованием их внутренними цилиндрическими поверхностями герметичной зоны металлизации. Оси симметрии каждого подшипника скольжения и каждого графитового разделительного кольца совпадают и расположены на оси симметрии крышек. Устройство позволяет снизить нерациональное расходование реагентов, повысить выход металла в покрытие и исключить нарастание гарнисажа на внутренней поверхности горячей зоны реактора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий путем термического осаждения из газовой фазы твердых продуктов разложения металлоорганических соединений и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении и автомобильной промышленности для упрочнения и восстановления деталей, к которым предъявляются требования высокой надежности и долговечности.
Известно устройство для металлизации порошков из газовой среды (А.с. СССР №494223, Кл. B22F 1/00, C23C 11/02, 1974), которое может быть использовано для металлизации малогабаритных изделий. Устройство состоит из полого барабана-реактора со съемной крышкой для загрузки и выгрузки порошка. Внутренняя поверхность барабана выполнена в виде двух усеченных конусов или эллипсов, сопрягаемых основаниями. Внутренняя поверхность крышки представляет собой сегмент. По оси барабана расположена трубка, снабженная охлаждающей рубашкой. На нижней части трубки имеются отверстия для ввода паров карбонила или несущего газа с парами карбонила. Кроме того, трубка по длине разделена перегородкой на две части и снабжена патрубком для отвода продуктов реакции, а также карманом для термопары. Барабан укреплен на трубке с помощью подшипников качения. Концы трубки укреплены на неподвижных стойках. Корпус барабана смонтирован внутри разъемной электрической печи, имеющей отдельную стойку. Вращение барабана осуществляется с помощью электродвигателя и редуктора.
Вследствие интенсивного перемешивания металлизируемых частиц при вращении барабана образуется равномерное покрытие на всех доступных газу поверхностях. Однако наличие встречных диффузионных потоков: паров карбонила к подложке и продуктов реакции от подложки, определяет низкую плотность получаемых покрытий и низкий коэффициент использования исходных соединений, обусловленный разложением соединений на стенках барабана и в его объеме.
Известно устройство для нанесения защитных покрытий на малогабаритные изделия, содержащее реактор с крышкой, патрубки подвода газа и отвода продуктов реакции, нагреватель и жидкостный холодильник (Пат. РФ №2072180, Кл. C23C 16/16, 1995). Реактор выполнен в виде цилиндра с расположенной на его дне вдоль образующей рифленой линейкой. Нагреватель и жидкостный холодильник, выполненный в виде термостатирующего кожуха, и патрубки расположены на противоположных концах цилиндра. Цилиндр имеет возможность качания в вертикальной плоскости.
Особенностью данного устройства является направленное перемещение металлизируемых изделий из холодной зоны реактора, где на металлизируемой поверхности сорбируется карбонил, в горячую зону. В горячей зоне предварительно сорбированный карбонил разлагается только на подложке с образованием плотного покрытия. Недостатком данного устройства является возможность прорыва паров карбонила вдоль верхней образующей при пересыпании слоя изделий в процессе качания реактора. Результатом этого является не только пониженный выход металла в изделие, но и опасность металлизации на внутренней поверхности горячей зоны реактора.
Известно устройство для нанесения защитных покрытий на малогабаритные изделия (Пат. РФ №2192504, Кл. C23C 16/16, 2001, прототип). Реактор устройства выполнен в виде двух вертикально расположенных параллельных корпусов разного диаметра, соединенных в верхней и нижних частях переходниками. Корпус в верхней части имеет нагреватель. Нижней частью он соединен с переходником через усеченный конус, обращенный вершиной вниз, и имеет холодильник, выполненный жидкостным. Корпус меньшего диаметра выполнен в виде цилиндра и расположен вне габаритов нагревателя и холодильника. Механизм перемещения деталей выполнен в виде кольцевой цепи, расположенной по осям параллельных корпусов. На ней закреплены горизонтальные тарелочки. Система привода цепи обеспечивает ее перемещение вверх в корпусе большего диаметра и возвратное перемещение вниз в корпусе меньшего диаметра. Патрубки ввода реакционной газовой среды и отвода продуктов реакции расположены в нижнем и верхнем переходниках. Приспособления для загрузки и выгрузки деталей расположены над верхним срезом нагревателя и в нижней части усеченного конуса. Такое выполнение устройства позволяет несколько снизить нерациональное расходование реагентов, повысить выход металла в покрытие, но коэффициент использования исходных соединений по-прежнему остается невысоким, существует опасность нарастания гарнисажа на внутренней поверхности горячей зоны реактора. Кроме того, данное устройство, как и вышеописанные известные устройства, предназначено для нанесения защитных покрытий на изделие в целом. Необходимость нанесения защитного покрытия, например, только на внутреннюю поверхность изделия не исключает одновременного нанесения покрытия и на внешнюю его поверхность, что приводит к нерациональному расходованию реагентов.
Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего снизить нерациональное расходование реагентов, повысить выход металла в покрытие и исключить нарастание гарнисажа на внутренней поверхности горячей зоны реактора.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в снижении себестоимости и повышении качества покрытия изделий, что повышает срок их службы.
Поставленная в изобретении задача решена тем, что в устройстве для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения CVD-методом металлоорганических соединений, включающем реактор с нагревателем и возможностью подвода вовнутрь него реакционной газовой среды и отвода продуктов реакции, реактор образован двумя, соединенными между собой с возможностью изменения расстояния между ними и последующей его фиксацией и обращенными друг к другу, имеющими общую ось симметрии одинаковыми крышками с отверстием по оси симметрии для подвода вовнутрь реактора реакционной газовой среды в одной из них и отверстием по оси симметрии для отвода продуктов реакции в другой и выполненными с возможностью установки на внутренней поверхности каждой из них графитового разделительного кольца с последующей установкой на каждом разделительном кольце подшипника скольжения, при этом каждый раз при установке подшипника скольжения его чередуют с графитовым разделительным кольцом, а внутренние цилиндрические поверхности каждого подшипника скольжения и каждого графитового разделительного кольца образуют герметичную зону металлизации, причем оси симметрии каждого подшипника скольжения и каждого графитового разделительного кольца совпадают и расположены на оси симметрии крышек. Крышки снабжены установленными по их периметру в отверстиях с керамическими втулками, по крайней мере, двумя шпильками с резьбой на концах, которые посредством гаек закреплены на крышках.
Конструкция реактора полностью исключает нарастание гарнисажа на внутренней поверхности горячей зоны реактора, поскольку зона металлизации ограничена поверхностью обрабатываемых изделий. Нерациональное расходование реагентов сведено до минимума, а коэффициент использования исходных соединений и выход металла в изделие приближены к 1. Конструкция реактора отличается простотой.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения CVD-методом металлоорганических соединений; на фиг.2 - реактор устройства для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения CVD-методом металлоорганических соединений.
Устройство для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения CVD-методом металлоорганических соединений включает реактор I с нагревателем II и системой III подвода вовнутрь него реакционной газовой среды и отвода продуктов реакции.
Реактор I образован двумя соединенными между собой с возможностью изменения расстояния между ними и последующей его фиксацией и обращенными друг к другу, имеющими общую ось симметрии одинаковыми крышками 1 и 2. По оси симметрии одной 1 из них имеется отверстие 3 для подвода внутрь реактора реакционной газовой среды, по оси симметрии другой 2 - отверстие 4 для отвода продуктов реакции. Конструкция крышек 1 и 2 такова, что позволяет установить на внутренней поверхности каждой из них графитовое разделительное кольцо 5, служащее в электрической цепи активным сопротивлением, с последующей установкой на каждом разделительном кольце 5 подшипника скольжения 6. Каждый раз при установке подшипника скольжения 6 его чередуют с графитовым разделительным кольцом 5, при этом внутренние цилиндрические поверхности 7 и 8 каждого подшипника скольжения 6 и каждого графитового разделительного кольца 5 образуют герметичную зону металлизации 9. Оси симметрии каждого подшипника скольжения 6 и каждого графитового разделительного кольца 5 совпадают и расположены на оси симметрии крышек 1 и 2. В зависимости от количества подшипников скольжения 6 (в данном случае их 4) расстояние между крышками 1 и 2 изменяется. Чтобы его зафиксировать и придать жесткость конструкции образованного чередующимися между собой обрабатываемыми подшипниками скольжения и графитовыми разделительными кольцами реактора, в крышках 1 и 2 установлены по их периметру в отверстиях 10 и 11 с керамическими (для электроизоляции) втулками 12 и 13, по крайней мере, две шпильки 14 и 15 с резьбой на концах, которые посредством гаек 16 закреплены на крышках 1 и 2. Клеммы 17 для крепления электрических проводов и арматуры расположены по торцам реактора на внешней поверхности крышек 1 и 2.
Заявленное устройство работает следующим образом.
После сборки реактора он устанавливается в устройство для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения CVD-методом металлоорганических соединений с присоединением газовой системы к крышкам 1 и 2 и подключением электрооборудования к клеммам 17. В результате металлизации на внутренних поверхностях подшипников скольжения осаждается слой требуемого материала необходимой толщины. Шероховатость поверхностного слоя покрытия обеспечивается механической обработкой восстанавливаемой или упрочняемой поверхности детали и технологическими режимами металлизации.
Заявленное устройство промышленно применимо. Оно использовано для металлизации внутренних поверхностей подшипников скольжения шестеренных насосов НШ-50УА, изготовленных из алюминиевого сплава АК9М2 ГОСТ 1583-93. В устройство монтировались четыре подшипника скольжения. После чего подключалась арматура, подводящая пары металлоорганического соединения (МОС) - дициклопентадиенила никеля Ni(C5H5)2 и отводящая продукты реакций его термической диссоциации. Включался вакуум-насос. При достижении в системе остаточного давления 200 Па через устройство пропускали электрический ток. После восстановления в системе теплового баланса и установки температуры деталей 475±3°C в устройство подавались пары дициклопентадиенила никеля со скоростью 60 л/час. Металлизация длилась 30…60 мин в зависимости от необходимой толщины осаждаемого покрытия. После чего подача паров МОС прекращалась. Полученное никелевое покрытие внутренних поверхностей подшипников скольжения имеет толщину 20…30 мкм, шероховатость поверхностного слоя 0,32 мкм. Адгезия покрытия с материалом подложки обеспечивается качеством разложения дициклопентадиенила никеля при температуре от 400°C и снижением вероятности образования оксидов в составе покрытия за счет использования в конструкции нагревателя (реактора) графитовых разделительных колец.
Применение заявленного устройства для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения CVD-методом металлоорганических соединений позволяет сократить расход реагента в 4,7…5,3 раза в зависимости от конструкции серийного подшипника за счет исключения образования покрытия на внутренних стенках реактора и наружных поверхностях деталей. Необходимые физико-механические свойства и толщина получаемых покрытий обеспечиваются оптимальной скоростью подачи паров исходных МОС в зону металлизации.
1. Устройство для нанесения металлических покрытий на внутренние поверхности подшипников скольжения методом химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений, содержащее реактор с нагревателем и возможностью подвода вовнутрь него реакционной газовой среды и отвода продуктов реакции, отличающееся тем, что реактор образован двумя одинаковыми крышками, соединенными между собой с возможностью изменения между ними расстояния и последующей его фиксации и обращенными друг к другу, имеющими общую ось симметрии и выполненными с отверстием по оси симметрии для подвода вовнутрь реактора реакционной газовой среды в одной из них и отверстием по оси симметрии для отвода продуктов реакции в другой и выполненными с возможностью установки на внутренней поверхности каждой из них графитового разделительного кольца с последующей установкой на каждом разделительном кольце подшипника скольжения с обеспечением чередования подшипника скольжения и графитового разделительного кольца и образованием их внутренними цилиндрическими поверхностями герметичной зоны металлизации, причем оси симметрии каждого подшипника скольжения и каждого графитового разделительного кольца совпадают и расположены на оси симметрии крышек.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крышки снабжены установленными по их периметру в отверстиях с керамическими втулками, по крайней мере, двумя шпильками с резьбой на концах, которые посредством гаек закреплены на крышках.
