Устройство для индукционно-термического оксидирования малогабаритных титановых изделий

Полезная модель относится к электрооборудованию для термического оксидирования малогабаритных титановых изделий технического (конструкционного) и медицинского назначения, например, метизных изделий, ортопедических, ортодонтических и стоматологических имплантатов.
Для повышения твердости и стойкости к царапанию, а также снижения коэффициента трения скольжения титановых сплавов, на их поверхности электрохимическими и термическими методами формируют функциональные оксидные покрытия. Известные способы электрохимического оксидирования титана характеризуются значительной продолжительностью процесса или его технологической сложностью, а также токсичностью используемых веществ [Титановые сплавы в машиностроении / Чечулин Б.Б., Ушков С.С., Разуваева И.Н., Гольдфайн В.Н. // Л.: Машиностроение, 1977. - 248 с.]. В большинстве известных устройств для термического оксидирования не предусмотрена техническая возможность для нагрева изделий в окислительной атмосфере с заданными параметрами состава и давления.
Известно устройство для газотермического оксидирования изделий из титана и его сплавов, содержащее камеру оксидирования с внешним нагревательным элементом, узлы для подачи окислительной и защитной охлаждающей газовых сред, узел для отвода отработавшей газовой среды, систему охлаждения в виде жидкостных контуров и термопару [патент RU на полезную модель №89528 / И.В. Родионов, К.Г. Бутовский, А.А. Фомин // Устройство для газотермического оксидирования изделий из титана и его сплавов. - 2009.].
Недостатком конструкции данного электротермического устройства является отсутствие технической возможности, обеспечивающей ускоренный нагрев металлических имплантатов до задаваемой температуры и снижение продолжительности процесса оксидирования. Кроме того, электротермическое устройство имеет конструктивно сложные элементы, такие как контуры жидкостного охлаждения камеры, шлюзовой затвор, которые существенно усложняют эксплуатацию устройства.
Известно устройство для оксидирования имплантатов из нержавеющих сталей, включающее цилиндрическую камеру оксидирования, выполненную открытой с одной стороны для естественного поступления воздушной среды в объем камеры, и закрытой крышкой с защелкой с другой противоположной стороны для предотвращения рассеивания тепла и погрешности задаваемого температурного режима в камере [патент RU на полезную модель №89528 / И.В. Родионов // Устройство для оксидирования имплантатов из нержавеющих сталей. - 2010.].
Недостатком конструкции данного электротермического устройства является отсутствие технической возможности, обеспечивающей ускоренный нагрев металлических имплантатов до задаваемой температуры и снижение продолжительности процесса оксидирования. Кроме того, электротермическое устройство имеет конструктивно сложный элемент - контур жидкостного охлаждения камеры, который усложняет эксплуатацию устройства.
Ближайшим прототипом, по мнению авторов, является устройство для газотермического оксидирования медицинских металлических имплантатов, включающее цилиндрическую камеру оксидирования, выполненную открытой с одной стороны для поступления окислительной среды в рабочий объем камеры и закрытой с другой противоположной стороны крышкой, системы нагрева и охлаждения. Цилиндрическая камера оксидирования выполнена с открытой стороны с присоединительным элементом для подвода газовой окислительной среды, с закрытой стороны имеет присоединительную втулку с наружной резьбой и завинчивающуюся крышку с внутренней резьбой, а системы нагрева и охлаждения камеры оксидирования выполнены в виде водо-охлаждаемого спирального индукционного нагревателя, [патент RU на полезную модель №132802 / И.В. Родионов, А.А. Фомин, А.Б. Штейнгауэр // Устройство для газотермического оксидирования медицинских металлических имплантатов. - 2013.].
Недостатком конструкции данного электротермического устройства является отсутствие технической возможности, обеспечивающей эффективное заполнение камеры газовой смесью с заданными параметрами состава и давления, а также обновление окислительной среды в процессе индукционно-термического оксидирования. Кроме того, в данном устройстве отсутствуют конструктивные выполняющие роль предохранительного клапана.
Задача полезной модели заключается в разработке конструкции электротермического устройства, создающей техническую возможность для заполнения камеры газовой смесью с заданными параметрами состава и давления, обновления окислительной среды в процессе индукционно-термического оксидирования, что позволит эффективно проводить процесс термического оксидирования и контролировать его.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для индукционно-термического оксидирования малогабаритных титановых изделий, включающем цилиндрическую камеру оксидирования, присоединительный элемент для подвода газовой окислительной среды, системы нагрева и охлаждения, защитный кожух, присоединительную втулку с наружной резьбой, содержащее цилиндрическую камеру оксидирования, присоединительный элемент для подвода газовой окислительной среды в упомянутую камеру, установленные с внешней стороны цилиндрической камеры оксидирования защитный кожух, систему нагрева и охлаждения, включающую спиральный индукционный нагреватель с полостью для циркуляции воды, а также присоединительную втулку с наружной резьбой, согласно новому техническому решению, цилиндрическая камера оксидирования установлена в вертикальном положении, при этом с нижней стороны упомянутой камеры установлена керамическая опорная втулка с отверстиями, зафиксированная керамической переходной втулкой, в которой закреплен упомянутый присоединительный элемент для подвода газовой окислительной среды, на верхней части упомянутой камеры посредством неразъемного клеевого соединения закреплены присоединительная втулка с наружной резьбой и регулируемый редукционный клапан, который посредством резьбового элемента присоединен к присоединительной втулке
Технический результат полезной модели состоит в возможности проведения термического оксидирования малогабаритных титановых изделий при разном давлении и составе окислительной среды, что позволяет эффективно проводить и контролировать процесс оксидирования.
Описание конструкции.
На фиг. приведена конструкция устройства для индукционно-термического оксидирования малогабаритных титановых изделий, где позициями обозначено: 1 - цилиндрическая камера оксидирования, 2 - керамическая опорная втулка с отверстиями, 3 - керамическая переходная втулка, 4 - присоединительный элемент для подвода газовой окислительной среды, 5 - система нагрева и охлаждения, 6 - спиральный индукционный нагреватель, 7 - полость для циркуляции воды, 8 - защитный кожух, 9 - присоединительная втулка с наружной резьбой, 10 - регулируемый редукционный клапан, 11 - резьбовой элемент с внутренней резьбой, 12 - присоединительный элемент для отвода газовой окислительной среды, 13 - регулировочный винт.
В цилиндрической вертикальной камере оксидирования 1 с нижней стороны расположена керамические опорная втулка 2 с отверстиями для равномерного распределения потока газовой окислительной среды внутри камеры. Керамическая переходная втулка 3 фиксирует опорную втулку 2, а также присоединительный элемент 4 для подвода газовой окислительной среды, причем соединение данных трех элементов осуществляется с плотной посадкой. На верхней части камеры оксидирования 1 с помощью неразъемного клеевого соединения закреплены присоединительная втулка 9 с наружной резьбой и регулируемый редукционный клапан 10 посредством резьбового элемента 11 с внутренней резьбой. Редукционный клапан 10 предназначен для поддержания заданного давления окислительной газовой среды в камере оксидирования 1 в процессе оксидирования, а также для отвода газовой среды при ее обновлении в процессе оксидирования. Причем внутренняя резьба редукционного клапана 10 совпадает с наружной резьбой присоединительной втулки 9. В редукционном клапане 10 предусмотрены присоединительный элемент 12 для отвода газовой окислительной среды, а также регулировочный винт 13. С внешней стороны цилиндрической камеры оксидирования 1 располагается система нагрева и охлаждения 5, включающая спиральный индукционный нагреватель 6 с полостью для циркуляции воды 7, а также защитный кожух 8.
Устройство работает следующим образом. При снятом регулируемом редукционном клапане 10 производят загрузку обрабатываемых малогабаритных титановых изделий в цилиндрическую камеру оксидирования 1 устройства. Причем изделия устанавливаются на керамическую опорную втулку 2. После загрузки изделий закрывают цилиндрическую камеру оксидирования 1 с одной стороны, присоединяя редукционный клапан 10 с резьбовым элементом 11 к присоединительной втулке 9 посредством резьбового соединения. Такой тип присоединения редукционного клапана 10 к камере оксидирования 1 является функционально удобным и конструктивно простым в процессе эксплуатации устройства, обеспечивает техническую возможность нагнетания и обновления окислительной газовой среды при заданной величине давления. К присоединительному элементу 12 подключают газоотводящее устройство (на фиг. не обозначено).
С нижней стороны камеры оксидирования 1 через присоединительный элемент 4 и керамическую переходную втулку 3 осуществляют принудительную подачу окислительной газовой среды. Посредством регулировочного винта 13 ограничивают максимальное давление окислительной среды. Далее включают систему нагрева и охлаждения 5, что предусматривает постоянную циркуляцию воды через полость 7 спирального индукционного нагревателя 6 в виде металлической трубки, на который подают переменное напряжение от генератора (на чертеже не показан). Безопасность эксплуатации устройства обеспечивают наличием защитного кожуха 8. При включении системы нагрева и охлаждения 5, генерируемые в титановом изделии вихревые токи с помощью спирального индукционного нагревателя 6 способствуют нагреву изделия до задаваемой температуры. При эксплуатации устройства нагрев до заданной температуры оксидирования определяют по теплокинетическим зависимостям, полученным с применением бесконтактного пирометрического метода измерения температуры при снятом редукционном клапане 10. По завершению процесса термического оксидирования производят отключение системы нагрева и охлаждения 5 и прекращают подвод газовой окислительной среды через присоединительный элемент 4. При завершении процесса оксидирования производят отсоединение редукционного клапана 10 с внутренней резьбой от присоединительной втулки 9 и извлекают титановое изделие из устройства.
Предложенное устройство для термического оксидирования малогабаритных титановых изделий характеризуется простотой конструктивного исполнения и эксплуатационной надежностью, позволяющей проводить процесс при заданном давлении и составе окислительной среды, что в свою очередь существенно увеличивает эффективность процесса оксидирования и его контроля.