Устройство для нанесения покрытий на порошки

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройству для нанесения покрытий на порошки. Может применяться в металлургии при производстве композиционных материалов, содержащих мелкодисперсные и нанопорошки. Устройство содержит вакуумную камеру с системой откачки, расположенный в ней генератор потока частиц напыляемого материала покрытия, направленного сверху вниз, и установленный под ним виброперемешиватель-держатель порошка, кинематически связанный с виброприводом, обеспечивающим возвратно-поступательные перемещения виброперемешивателя-держателя порошка вдоль вертикальной оси. Виброперемешиватель-держатель порошка выполнен в виде цилиндрической чаши с плоским дном, параллельно которому установлены пересекающиеся в их середине цилиндрические пружины, концы которых закреплены на рамке. Рамка с цилиндрическими пружинами посредством элементов крепления, изготовленных из диэлектрического материала, закреплена на токопроводящем гибком валу, кинематически связанном с приводом вращения. Токопроводящий гибкий вал, на котором закреплена металлическая сетка на расстоянии 80÷110 мм от цилиндрической чаши, соединен с источником опорного напряжения. Обеспечивается нанесение равномерного покрытия за счет предварительной очистки и активации высокоэнергетическими ионами. 2 ил.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройству для нанесения покрытия на порошки, и может найти применение в металлургии при производстве композиционных материалов, содержащих мелкодисперсные и нанопорошки.

В качестве аналога был выбран способ вакуумно-плазменного нанесения покрытий [Патент RU №2145362, МПК C23C 14/34, опубл. 10.02.2000], включающий осаждение покрытия в инертном газе с помощью системы, состоящей из обрабатываемой детали и экрана в виде сетки, при этом осаждение ведут в сочетании с ионной бомбардировкой подложки при давлении инертного газа 10^-2÷10^-1 Па. Устройство для реализации данного способа содержит источник, в вакуумной камере находятся катод из напыляемого материала, анод, обрабатываемая деталь с экраном, установленным на определенном расстоянии от детали, находятся под отрицательным потенциалом источника. Изобретение позволяет получать покрытия с нанокристаллической структурой.

К недостатку аналога можно отнести невозможность получения покрытия на полимерных порошках.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для нанесения покрытий на порошки [Патент RU №2344902, МПК B22F 1/02, C23C 14/34, B02C 17/20, опубл. 27.01.2009. Бюл. №3], содержащее вакуумную камеру, снабженную системой откачки, с расположенным в ней генератором потока частиц напыляемого материала покрытия, направленного сверху вниз, и установленным под ним виброперемешивателем-держателем порошка, кинематически связанным с виброприводом, обеспечивающим возвратно-поступательные перемещения виброперемешивателя-держателя порошка вдоль вертикальной оси. Второй привод, кинематически связанный с виброперемешивателем-держателем порошка, обеспечивает его постоянное или импульсное вращение вокруг вертикальной оси. Виброперемешиватель-держатель порошка выполнен в виде цилиндрической чаши с плоским дном, параллельно которому установлены цилиндрические пружины, пересекающиеся в их середине, концы которых закреплены на рамке, установленной на неподвижном держателе. Пружины выполнены с попеременно противоположной навивкой и закреплены на рамке на равном расстоянии друг от друга. Рамка может быть установлена на держателе с возможностью перемещения по вертикали.

Основным недостатком известного устройства является то, что используемый в конструкции прототипа генератор потока ионов - магнетрон работает в узком диапазоне давлений 10²÷10^-1 Па, что не позволяет в комплексном технологическом процессе нанесения покрытий на порошковые полимерные материалы проводить очистку и активацию высокоэнергетическими ионами.

Задачей изобретения является создание конструкции устройства для нанесения равномерного покрытия на полимерные порошки, включая их предварительную ионную обработку.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является возможность нанесения равномерного покрытия на полимерные порошковые материалы за счет проведения предварительной очистки и активации высокоэнергетическими ионами, а также механического разрушения образующихся при виброперемешивании агломератов.

Задача изобретения решается тем, что в устройстве для нанесения покрытий на порошки, содержащем вакуумную камеру с системой откачки, расположенный в ней генератор потока частиц напыляемого материала покрытия, направленного сверху вниз, и установленный под ним виброперемешиватель-держатель порошка, кинематически связанный с виброприводом, обеспечивающим возвратно-поступательные перемещения виброперемешивателя-держателя порошка вдоль вертикальной оси, при этом виброперемешиватель-держатель порошка выполнен в виде цилиндрической чаши с плоским дном, параллельно которому установлены пересекающиеся в их середине цилиндрические пружины, концы которых закреплены на рамке под углом 90°, причем пружины выполнены с попеременно противоположной навивкой, согласно изобретению рамка с цилиндрическими пружинами посредством элементов крепления, изготовленных из диэлектрического материала, закреплена на токопроводящем гибком валу, кинематически связанном с приводом вращения, причем токопроводящий гибкий вал, на котором закреплена металлическая сетка на расстоянии r, равном 80÷110 мм, от цилиндрической чаши, соединен с источником опорного напряжения.

За счет того что рамка, на которой закреплены концы цилиндрических пружин, посредством токопроводящего гибкого вала кинематически связана с приводом вращения, обеспечивается устранение агрегации частиц порошка путем механического разрушения образующихся при виброперемешивании агломератов, в которых частицы порошка слабо связаны между собой.

Для того чтобы изолировать рамку с цилиндрическими пружинами и цилиндрическую чашу от потенциала смещения, подаваемого на сетку с помощью токопроводящего гибкого вала, рамка с цилиндрическими пружинами посредством элементов крепления, изготовленных из диэлектрического материала, закреплена на токопроводящем гибком валу.

За счет того что токопроводящий гибкий вал, на котором закреплена металлическая сетка, служащая для ускорения потока ионов, соединен с источником опорного напряжения, реализован режим ионной активации. При реализации режима ионной активации происходит бомбардировка высокоэнергетическими ионами напыляемого материала поверхности частиц полимерного порошка. При этом на очищенной поверхности частиц полимерного порошка образуется ионно-синтезированный слой, который способствует улучшению адгезионных свойств полимеров к тонким слоям напыляемого металла.

Как правило, улучшение адгезионных свойств полимеров под воздействием плазмы связано не только с очисткой поверхности от различного рода загрязнений, но и с образованием гидрофильных групп различной химической природы, обеспечивающих высокие адгезионные свойства модифицированных поверхностей. Состав, структура и свойства таких полярных групп зависят как от природы полимера, так и от свойств плазмы и природы плазмообразующего газа. Варьирование составом плазмы и плазмообразующего газа позволяет в очень широких пределах изменять поверхностные свойства исходного полимера. Наиболее важной особенностью процесса плазмохимической модификации полимерных материалов, определяющей особый интерес к этому методу, является то, что изменениям подвергается только обрабатываемая поверхность материала и очень тонкий приповерхностный слой. Основная же масса полимера не изменяется, сохраняя механические, физико-химические и электрофизические свойства модифицируемого материала.

Для обеспечения необходимого ускорения высокоэнергетических ионов напыляемого материала металлическая сетка закреплена на токопроводящем гибком валуна расстоянии r, равном 80÷110 мм, от цилиндрической чаши.

На фиг.1 показана общая схема устройства, на фиг.2 - виброперемешиватель-держатель порошка.

Устройство для нанесения покрытия на порошки (см. фиг.1) содержит вакуумную камеру 1, установленную на раме 2. Вакуумная камера 1 снабжена системой откачки 3 и системой подачи рабочего газа 4, например аргона. В вакуумной камере 1 смонтирован генератор потока частиц напыляемого материала покрытия 5, направленного сверху вниз, выполненный, например, в виде дугового испарителя 6. Под дуговым испарителем 6 расположен виброперемешиватель-держатель порошка, выполненный в виде цилиндрической чаши 7 с плоским дном и вертикальными стенками.

Как показано на фиг.2, параллельно плоскому дну цилиндрической чаши 7 установлены пересекающиеся в их середине цилиндрические пружины 9, концы которых закреплены на рамке 10 под углом 90°. Цилиндрические пружины 9, навитые в противоположных направлениях, погружены в покрываемый порошок 8. Пружины 9 крепятся к рамке 10 при помощи скоб 11. Рамка 10 посредством шайб 12, изготовленных из диэлектрического материала, закреплена на гибком токопроводящем валу 13.

Пружины 9 выполняют из тонкой немагнитной проволоки с пружинными свойствами, диаметром от 0,3 до 0,5 мм; диаметр витков пружин от 10 до 12 мм. Количество пружин - две пружины, расположенные под углом 90° относительно друг друга. Для того чтобы пружины находились на одинаковом расстоянии от дна чаши, они должны быть ввернуты друг в друга в середине каждой из них. Размеры пружин выбирают в зависимости от размеров чаши, количества и характеристик загружаемого в нее порошка. Немагнитный материал для пружин, рамки, а также и чаши нужен при работе с порошками, обладающими ферромагнитными свойствами.

Цилиндрическая чаша 7 установлена на виброприводе 14, предназначенном для передачи на чашу возвратно-поступательного движения - вибрации. Под рамой 2 установлен привод вращения 15, который посредством токопроводящего гибкого вала 13 кинематически связан с рамкой 10. Токопроводящий гибкий вал 13, на котором закреплена металлическая сетка 16, на расстоянии r, равном 80-110 мм, от цилиндрической чаши 7, соединен с источником опорного напряжения (не показан). Источник опорного напряжения подключается к клеммам 17, контактирующим с токопроводящим гибким валом 13.

Вибропривод 14 работает от электромагнита, питаемого от импульсного источника, позволяющего регулировать частоту и амплитуду вибраций, а привод вращения рамки - от двигателя постоянного тока, позволяющего плавно менять частоту вращения. Привод вращения рамки 15, снабженный муфтой 18, кинематически связан с токопроводящим гибким валом 13 посредством конической передачи 19. Вал привода вращения вводится в камеру 1 через вакуумное уплотнение.

Устройство работает следующим образом.

В вакуумной камере 1 устанавливают дуговой испаритель 6 с катодом. В качестве анода выступает вся внутренняя поверхность вакуумной камеры 1. В цилиндрическую чашу 7, размещенную между катодом и анодом, помещают полимерный порошок 8.

Включают вибропривод 14 и привод вращения рамки 15, который посредством токопроводящего гибкого вала 13 передает крутящий момент на рамку 10 и сетку 16. При равномерном вращении рамки 10 внутри цилиндрической чаши 7, подвергаемой динамическому воздействию вибрации, полимерный порошок 8 перемешивается и периодически проходит через проволочные витки цилиндрических пружин 9, при столкновении с которыми разрушаются образовавшиеся в промежутках между этими столкновениями агломераты частиц порошка. Плоское дно и вертикальные стенки цилиндрической чаши 7 сводят к минимуму «катящиеся» перемещения частиц порошка. Разрушение агломератов происходит также за счет вертикальных перемещений цилиндрических пружин 9 относительно цилиндрической чаши 7 при ее вибрации.

Скорость вращения рамки 10 может быть порядка 5÷20 об/мин. Частота вибраций может быть от долей до десятков герц, амплитуда - от долей до нескольких миллиметров.

Посредством системы откачки 3 в вакуумной камере 1 создают вакуум 10^-3 Па. Дуговой испаритель 6 работает в условиях глубокого вакуума. Между катодом и анодом зажигают дугу, горящую в парах испаряемого материала катода. Для осуществления очистки и активации поверхности напыляемого полимерного порошка 8 реализуется режим ионного ускорения. Для этого на вращающуюся сетку 16, выполняющую роль ускорителя ионов, от источника опорного напряжения по токопроводящему гибкому валу 13 подается потенциал смещения величиной 5000 В. Благодаря этому высокоэнергетические ионы материала покрытия, получаемые вследствие того, что камера 1 находится под глубоким вакуумом, и ионы, летящие от дугового испарителя 6, не сталкиваются на своем пути с остаточными молекулами и ионами в камере 1, ускоряются до энергий 500 эВ и проникают вглубь обрабатываемого материала. Этим достигается более сильная, по сравнению с обычными методами, адгезия материала покрытия к напыляемым полимерным порошкам.

Далее в вакуумную камеру 1 с помощью системы подачи рабочего газа 4 подают аргон, и осаждение потока частиц 5 напыляемого материала на полимерный порошок 8, перемешиваемый в цилиндрической чаше 7, осуществляют в атмосфере аргона при давлении 10^-1 Па. Таким образом, после завершения процесса получают полимерный порошок с равномерно нанесенным на него покрытием, состоящим из частиц с нанокристаллической структурой.

Устройство для нанесения покрытий на порошки, содержащее вакуумную камеру с системой откачки, расположенный в ней генератор потока частиц напыляемого материала покрытия, направленного сверху вниз, и установленный под ним виброперемешиватель-держатель порошка, кинематически связанный с виброприводом, обеспечивающим возвратно-поступательные перемещения виброперемешивателя-держателя порошка вдоль вертикальной оси, при этом виброперемешиватель-держатель порошка выполнен в виде цилиндрической чаши с плоским дном, параллельно которому установлены пересекающиеся в их середине цилиндрические пружины, концы которых закреплены на рамке под углом 90°, причем пружины выполнены с попеременно противоположной навивкой, отличающееся тем, что рамка с цилиндрическими пружинами посредством элементов крепления, изготовленных из диэлектрического материала, закреплена на токопроводящем гибком валу, кинематически связанном с приводом вращения, причем на токопроводящем гибком валу на расстоянии r от цилиндрической чаши, равном 80÷110 мм, закреплена металлическая сетка, а вал соединен с источником опорного напряжения.