Устройство для формирования износостойкого покрытия из карбида хрома на восстанавливаемой внутренней поверхности корпуса распылителя форсунки

Полезная модель относится к сельскохозяйственному машиностроению и автомобильной промышленности и может быть использована 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, С23С 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 его парами. 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. В результате этого реактив имеет низкий коэффициент использования, обусловленный разложением исходных соединений на стенках барабана и в его объеме, а получаемое покрытие имеет низкую плотность из-за наличия встречных диффузионных потоков, которые образуются при химической реакции, идущих от паров карбонила к подложке и продуктов реакции от подложки.
Известно также устройство (Патент РФ №2456373, МПК С23С 16/06, 2011), содержащее реактор с нагревателем оснащенных с 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 с последующей его фиксацией. Крышки обращены друг к другу, имеющими общую ось симметрии, и выполнены с отверстием по оси симметрии с одной стороны для подвода вовнутрь реактора реакционной газовой среды и с другой стороны отверстием по оси симметрии для отвода продуктов реакции. Крышки выполнены с возможностью установки на внутренней поверхности каждой из них графитового разделительного кольца. На каждом разделительном кольце установлен подшипник скольжения с обеспечением их чередования для образования на внутренних цилиндрических поверхностях 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.
Недостатки известного устройства следующие: отсутствует возможность восстановления разнотипных внутренних поверхностей; реактор имеет сложную конструкцию и состоит из множества последовательно соединяющихся деталей, тем самым, увеличивая риск развакуумизации при эксплуатации реактора на высоком вакууме; высокая трудоемкость сборки реактора.
Наиболее близким, к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков относится устройство для нанесения износостойких покрытий на металлические изделия, в частности карбидохромового покрытия на внутреннюю поверхность корпуса распылителя форсунки (RU 98193 U1, 10.10.2010), состоящее из диэлектрической реакционной камеры для закрепления в ней на диэлектрических опорах обрабатываемого металлического изделия, индуктора, генератора тока высоких частот, отличающееся тем, что оно снабжено системой подачи в реакционную камеру жидкого металлоорганического соединения и инертного газа, включающей емкость с жидким металлорганическим соединением (МОС), баллон с инертным газом, вентили, трубопроводы и диэлектрические распылители МОС.
Основной недостаток известного устройства - невозможность поддержания стабильной температуры подложки при низкотемпературном осаждении карбидохромового покрытия до 350…400°С.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности формирования покрытия из карбидов хрома.
Для получения заявленного технического результата в устройстве для формирования износостойкого покрытия из карбида хрома на восстанавливаемой внутренней поверхности корпуса распылителя форсунки, включающем реактор, который выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с возможностью подвода внутрь него реакционной газовой смеси, состоящей из паров гексакарбонила хрома и инертного газа, и отвода продуктов реакции, при этом в реакторе на нижней стенке установлен монтажный стол, имеющий установочную площадку и газоотвод, сопрягаемый с газоотводом упомянутого реактора, при этом на упомянутой установочной площадке монтажного стола установлен индуктор, изготовленный с возможностью размещения в нем корпуса распылителя форсунки и состоящего из нагревателя, содержащего втулку, и термопары, установленной в отверстии корпуса втулки, при этом в верхней стенке реактора установлена телескопическая трубка с возможностью центровки относительно восстанавливаемой внутренней поверхности корпуса распылителя форсунки для подвода внутрь него упомянутой реакционной газовой смеси.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами:
фиг. 1 - схема реактора для восстановления внутренней поверхности корпуса распылителя;
фиг. 2 - схема установки для восстановления внутренней поверхности корпуса распылителя.
Реактор (фиг. 1.) 1 состоит из муфты 2, стола 3, газоотвода 4, стеклотекстолитовой пластины 5, клеммы 6, нагревателя 8, втулки 9, термопары 10, телескопической трубки 11, втулки 12, заглушки 13 и устанавливаемой детали (корпус распылителя) 7.
Технологическая схема восстановления корпуса распылителя 7, в которую входят следующие элементы (фиг. 2.): сублиматор МОС 14; краны (вентили) 15; расходомеры 16; реакционная камера 17; индуктор 18; кран откачки воздуха 19; контрольно-измерительная станция 20; печь дожига 21; охладитель 22; фильтр 23; вакуумный насос 24; установочная площадка 25; баллон с инертным газом 26; датчики давления (вакуумметры) 27.
Реактор 1 имеет форму прямоугольного параллелепипеда, выполнен из нержавеющей стали, и оборудован муфтами (технологическими отверстиями) 2, которые предназначены, соответственно, слева на право по фиг. 1, для подачи инертного газа в реактор 1 и его откачки с полным формированием высокого вакуума. Газоотвод 4 в реакторе 1 предназначен для удаления продуктов химической реакции. Загрузка деталей 7 осуществляется через дверку, которая плотно прилегает к запирающей плоскости реактора 1, и она оснащается прижимным затвором для предотвращения развакуумизации во время эксплуатации.
В реактор 1 устанавливается монтажный стол 3, который имеет газоотвод 4 для удаления продуктов разложения, возникающих при нанесении износостойких покрытий. Газоотвод 4 выполнен из двух взаимоперпендикулярных отверстий, центр пересечения которых находится на оси детали 7, выполненных в монтажном столе 3, и сопрягается с газоотводом 4 реактора 1 через муфту трубопровода по схеме фиг. 2. В монтажном столе 3 предусмотрена установочная площадка 25 с устанавливаемой в него стеклотекстолитовой пластиной 5 под индуктор 18, которые предназначаются, соответственно, для удобства установки и выверки индуктора 18 с газоотводом 4 выполненном в монтажном столе 3 и для снижения теплопередачи, идущей от индуктора 18 к монтажному столу 3, при эксплуатации. Индуктор 18 состоит из нагревателя 8, втулки 9 и термопары 10.
Нагреватель 8 состоит из стальной втулки 9, на которую намотана нихромовая нить в бусах. Втулка 9 изготавливается из бронзы или латуни, устанавливается в нагреватель 8 и имеет наружную форму в виде гильзы, а внутреннюю в виде наружной формы восстанавливаемой детали 7, например, корпус распылителя. Данная форма необходима для обеспечения равномерного нагрева и фиксации детали 7 в индукторе 18.
Втулка 9 быстросъемная, в случае восстановления разнотипных внутренних поверхностей может изменять свою форму, путем изготовления аналогичной втулки 9, по с внутренней формой, повторяющей внешнюю форму восстанавливаемой детали 7, например, втулки ТНВД. В корпусе втулки 9 просверливается отверстие, в которое после устанавливается термопара 10. Термопара 10 предназначена для определения температуры нагрева восстанавливаемой детали 7. В индуктор 18 помещается деталь 7, например, корпус распылителя 7 фиг. 1. После этого укомплектованный индуктор 18 устанавливается на монтажный стол 3 реактора 1.
Подключение нагревателя 8 индуктора 18 к электроцепи осуществляется через быстроразъемные жаростойкие клеммы 6, монтируемые на монтажном столе 3, что позволяет оперативно установить и подключить индуктор 18 в реакторе 1.
К детали (корпусу распылителя) 7 подводится телескопическая трубка 11, по которой в процессе формирования износостойкого покрытия транспортируются пары металл органических соединений. Телескопическая трубка 11 выполнена из жаростойкого полимера, центрируется с деталью (корпусом распылителя) 7 через переходную втулку 12, обеспечивая достаточную плотность прилегания втулки 12 к восстанавливаемой детали 7, что определяет равномерную подачу потока паров МОС на внутреннюю восстанавливаемую поверхность. Заглушка 13 устанавливается в топливопровод корпуса распылителя и выполняет функцию защиты от нерационального использования реактива.
В рабочем режиме индуктор 18 нагревается. Нагреватель 8 и втулка 9 за счет коэффициента теплового расширения металлов увеличиваются в размерах и жестко фиксируются в установочной площадке 25 монтажного стола 3 и между собой фиг. 1. Благодаря этому свойству металла в реакторе 1 возможно соблюсти технологию формирования износостойкого покрытия и исключить нерациональный расход реагента с образованием гарнисажа на внутренних стенках реактора 1.
6
Работает устройство следующим образом. В сублиматор 14 загружается порошковый реактив гексакарбонила хрома Cr(СО). Открываются все вентили 15 в системе фиг. 2, кроме крана баллона 26 с инертным газом (аргоном). Вентили 15 в системе фиг. 2, оснащаются расходомерами 16 для задачи режима формирования износостойких покрытий.
Управление режимом осуществляется с помощью: изменения потока реактива МОС, проходящий через расходомер 16 А на входе в реакционную камеру 17 и его выходе из реакционной камеры 17 через расходомер 16 Б; продолжительности и температуры химических реакций, происходящих в реакционной камере 17, которые обеспечиваются зазором дросселирующей щели вентилей 15 расходомера 16 Б, и зависят от скорости формирования износостойкого покрытия. Расход инертного газа, содержащегося в баллоне 26, контролируется расходомером 16 В.
Включается вакуумный насос 24 для создания и поддержания высокого вакуума в системе фиг. 2. После этого на установке фиг. 2 перекрываются вентили 15, идущие после реактора 1 по схеме. Открывается кран 15 баллона 26 с инертным газом (аргоном). Газ подается во внутрь реактора 1 и сублиматора 14. Перекрывается кран 15 баллона 26 с инертным газом. Открывается кран 19, идущий из реактора 1, который служит для удаления из системы воздуха, оставшихся его молекул, а также и инертного газа.
Перекрывается кран сублиматора 14. Включается сублиматор 14 и разогревает реактив МОС до перехода из твердого состояния в газовое. Происходит сублимация. Параллельно в реактор 1 включается индуктор 18 путем подачи тока на нихромовую нить до температур, установленных CVD-методом. Температура поддерживается в течение всего технологического процесса. Контроль за нагревом осуществляется с помощью термопары 10 и поддерживается в течение всего технологического цикла нанесения износостойкого покрытия на внутреннюю поверхность восстанавливаемых деталей 7 с помощью запрограммированной контрольно-измерительной станции 20. Она в свою очередь осуществляет контроль и управление за всем процессом формирования износостойкого покрытия.
6
6
Открывается кран 15 сублиматора 14. Пары гексакарбонила хрома Cr(СО) по трубопроводу через расходомер 16 А подводятся в реактор 1 за счет действия вакуумного насоса 24. В реакционной камере 17 в месте соприкосновения паров Cr(СО) с нагретой поверхностью металла корпуса распылителя 7 образуется износостойкое покрытие, состоящее из карбидов хрома. Реакция протекает по давно известным уравнениям.
2
Побочным продуктом химической реакции разложения МОС является угарный газ СО. Он удаляется из реактора 1, проходя через расходомер 16 Б, и самой установки фиг. 2, с помощью вакуумного насоса 24. Проходит через печь дожига 21 и разлагается, образуя углекислый газ CO. Далее углекислый газ охлаждается, проходя через охладитель 22, фильтруется от сопутствующих продуктов распада в фильтре 23 и выбрасывается в атмосферу или собирается в баллонах с помощью компрессора для дальнейшего использования.
По завершению формирования покрытия выключается сублиматор 14 и перекрывается его кран 15 подачи МОС. Выжидается выравнивание давления в реактор 1. Контроль осуществляется с помощью датчика давления 27 (вакуумметра), который расположен по схеме за реактором 1. Выравнивание давления в системе свидетельствует о завершении реакции разложения в реакционной камере 17. Далее перекрывается кран 15, идущий по схеме перед печью дожига 21. Выключается установка фиг. 2. Шероховатость поверхностного слоя покрытия обеспечивается технологическими режимами металлизации с последующей полировкой восстановленной или упрочненной внутренней поверхности детали 7.
Установка фиг. 2 оснащена дополнительными сублиматорами 14, подключение которых осуществляется аналогично схеме фиг. 2.