Устройство для газотермического оксидирования металлических изделий

Полезная модель относится к электротермическому оборудованию для газотермической обработки (оксидирования) металлоизделий, применяемых в машиностроении, химическом производстве, судостроении, имплантационной медицине и выполняемых из различных конструкционных металлических материалов с целью повышения прочностных характеристик и защитных свойств поверхности.
Термооксидные покрытия на металлических изделиях получают с использованием газовых сред, преимущественно не содержащих воздух, что позволяет минимизировать образование в оксидном слое нежелательных металлонитридных соединений, ухудшающих качество оксидированной поверхности. Однако большинство известных устройств для газотермического оксидирования не имеют технической возможности для подачи в технологическую камеру порошковых материалов, содержащих также фракции наночастиц для дополнительного модифицирования поверхности и придания ей различных функциональных свойств и эксплуатационных характеристик.
Известна конструкция устройства для оксидирования металлов и сплавов [патент РФ 2189400, МПК: С23С 8/16, С23С 8/18, опубликован 20.09.2002], включающая камеру оксидирования (паровую камеру), систему циркуляции паровоздушной смеси, емкость с жидкой средой, конденсатор пара и сборник конденсата, систему нагрева камеры оксидирования, узел для подачи газовой смеси в камеру.
Недостатком данной конструкции является сложность и громоздкость конструкции. Изделия из титана и его сплавов оксидируются в данном устройстве с образованием в оксидном слое хрупких титанонитридных соединений из-за отсутствия в устройстве технической возможности для охлаждения изделий в защитном газе, а также отсутствие системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства для дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материалов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция устройства для газотермического оксидирования изделий из титана и его сплавов [патент РФ 89528, МПК: С23С 8/16, С23С 8/18, опубликован 10.12.2009], которая включает камеру оксидирования с системами нагрева и охлаждения, узлы для проточной подачи через камеру окислительной газовой среды, узлы для проточной подачи защитного охлаждающего газа и закрытом с двух противоположных сторон крышками, в одну из которых вмонтированы узел для подачи окислительной газовой среды и термопара, а другая - снабжена защелкой, камера оксидирования выполнена с возможностью охлаждения оксидированных титановых изделий, при этом узел для подачи защитного охлаждающего газа вмонтирован в крышку устройства наряду с узлом для подачи окислительной газовой среды, а для отвода защитного охлаждающего газа из камеры использован узел для отвода окислительной газовой среды.
Недостатком данной конструкции является отсутствие системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства для дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материалов.
Задачей полезной модели является создание конструкции устройства для газотермического оксидирования с системой одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства с целью дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материалов, при предотвращении процесса их коагуляции и обеспечения экономичности использования.
Технический результат полезной модели заключается в придании поверхности металлоизделий широкого спектра функциональных свойств и эксплуатационных характеристик за счет получения термооксидных покрытий, модифицированных частицами различных порошковых материалов, а также обеспечивает равномерность подачи порошка в камеру оксидирования устройства при снижении его расхода.
Поставленная задача решается следующим образом. Заявленное устройство для газотермического оксидирования металлических изделий содержит камеру оксидирования с вмонтированным газоотводящим штуцером, соединенную с элементом нагрева и системой охлаждения, газоподводящим штуцером для проточной подачи через упомянутую камеру окислительной газовой среды, штуцером для проточной подачи защитного охлаждающего газа и закрытую с двух противоположных сторон крышками, в одну из которых вмонтированы газоподводящий штуцер для подачи окислительной газовой среды, термопара и штуцер для подачи защитного охлаждающего газа, при этом другая крышка снабжена защелкой. Предложенное устройство также содержит воронку для подачи порошковых материалов, оснащенную вибратором для предотвращения коагуляции частиц порошковых материалов, и камеру смешивания с дозатором для обеспечения одновременной равномерной подачи в камеру оксидирования порошковых материалов и окислительной газовой среды, соединенные через упомянутый газоподводящий штуцер для проточной подачи с камерой оксидирования.
С применением предлагаемой системы можно обрабатывать такие металлические конструкционные материалы, как нержавеющие стали, кобальтохромовые сплавы, титан, цирконий, медь, алюминий и их сплавы, широко применяемые в машиностроении, судостроении, химической промышленности, медицинской технике. В качестве порошковых материалов могут быть использованы наноразмерные и ультрамелкодисперсные мелкодисперсные фракции карбида титана, оксида титана, оксида циркония, оксида тантала, оксида алюминия.
Описание конструкции.
Предложенное устройство (фиг.) состоит из цилиндрической камеры 1, закрытой с двух сторон крышками 2 и 3, которая снабжена термопарой 4 и системой нагрева в виде расположенного на корпусе нагревательного элемента 5, соединенного с токоизолированными электрическими выводами 6 источника питания (на чертеже не показан). С внешней стороны нагревательный элемент 5 закрыт кожухом 7 с прокладками из теплоизолирующего материала. В крышку 2 вмонтирован штуцер 8 для подачи окислительной газовой среды для осуществления процесса оксидирования и штуцер 9 для подачи защитного газа для охлаждения изделий. Для отвода отработавших газов после оксидирования и охлаждения изделий в корпус камеры 1 вмонтирован газоотводящий штуцер 10. Устройство имеет систему охлаждения камеры 1 в виде охлаждающих контуров 11 со штуцерами, обеспечивающими циркуляцию жидкой среды. Охлаждающие контуры 11 расположены на корпусе камеры 1 с двух сторон нагревательного элемента 5 на равном от него расстоянии. Крышки 2 и 3 снабжены уплотнительными кольцами (на чертеже не показано), кроме этого, крышка 3 снабжена защелкой 12 для открывания и закрывания камеры 1. К камере 1 через штуцер 8 подсоединена система одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды, которая состоит из воронки 13, камеры смешивания 14, штуцера 15 для соединения с газовым баллоном и отвода 16 для соединения со штуцером 8 через переходник 17. В камере смешивания 14 имеется дозатор 18 для получения равномерного по толщине модифицированного слоя на поверхности обрабатываемых изделий, размещаемых в камере 1 (на чертеже не показано), и для снижения расхода порошковых материалов. Воронка 13 оснащена вибратором 19 для предотвращения коагуляции частиц порошковых материалов и обеспечении их равномерной подачи.
Устройство работает следующим образом.
При открытой крышке 3 производят загрузку обрабатываемых изделий в камеру 1. После закрытия крышки 3 на защелку 12, с помощью токоизолированных электрических выводов 6, соединенных с источником питания производят включение нагревательного элемента 5, закрытого кожухом 7 с прокладками из теплоизолирующего материала для обеспечения заданной температуры в камере 1, используя при этом термопару 4. Через газоподводящий штуцер 8 крышки 2 в камеру 1 проточно подают смесь порошкового материала с окислительной газовой средой и осуществляют процесс газотермической обработки изделий. Через газоподводящий и газоотводящий штуцер 8 в камеру 1 проточно подают порошковый материал и окислительную газовую среду, не содержащую воздух, и осуществляют процесс газотермического оксидирования изделий. Через газоотводящий штуцер 10 производят отвод избытка окислительной газовой среды из камеры 1 и поверхности обрабатываемых изделий.
Порошковый материал засыпают в воронку 13, оснащенную вибратором 19 для предотвращения коагуляции частиц порошковых материалов. Из воронки 13 порошковый материал поступает в камеру смешивания 14, имеющую дозатор 18. Порционно попадая на лопасти дозатора 18, порошковый материал дозируется, смешивается с окислительной газовой средой, подаваемой через штуцер 15. Увлекая за собой частицы порошкового материала, окислительная газовая среда через штуцер 16 и переходник 17 поступает в камеру 1. Нагретые в камере 1 частицы порошкового материала осаждаются и закрепляются на термоактивированной поверхности за счет протекания термодиффузионных процессов, в результате чего оксидированная поверхность дополнительно модифицируется и приобретает повышенные физико-механические характеристики и защитные свойства. После завершения процесса газотермической обработки нагревательный элемент 5 отключают от источника питания, включают прокачку охлаждающей жидкой среды через контуры 11 для охлаждения камеры 1 и через штуцер 9 подают защитный газ для охлаждения модифицированных изделий, который отводится через штуцер 10. После завершения охлаждения оксидированных изделий и камеры 1, открыв крышку 3, изделия извлекают из устройства.
Таким образом, предложенное устройство для газотермического оксидирования металлических изделий с наличием системы одновременной дозированной подачи окислительной газовой среды и порошковых материалов в камеру оксидирования позволяет получать оксидные покрытия, не содержащие хрупкие металлонитридные соединения и низкокоррозионностойкие металлооксидные фазы, существенно снижающие прочностные характеристики и защитные свойства поверхности металлоизделий. Система одновременной дозированной подачи окислительной газовой среды и порошковых материалов в камеру оксидирования, оснащенная вибратором и дозатором, позволяет предотвратить процесс коагуляции мелкодисперсных частиц порошка, обеспечить высокую равномерность подачи порошкового материала в камеру оксидирования и повысить экономичность использования порошков за счет снижения их расхода в процессе обработки.