УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ МАЛОГАБАРИТНЫХ И КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Область применения
Устройство относится к реакторам для формирования защитных металлических покрытий из газовой фазы на деталях и изделиях сложной формы при термическом разложении металлосодержащего реагента и может быть использовано в любых отраслях промышленности, в которых используются металлопокрытия в целях защиты деталей и изделий от коррозии - металлургии, машиностроении, автомобилестроении, авиа- и кораблестроении, инструментальной промышленности, медицине и т.д.
Уровень техники
Известно устройство для нанесения защитных покрытий на малогабаритные изделия, содержащее двухзонный реактор, снабженный нагревателем и холодильником, а также патрубками ввода реакционного газа и отвода продуктов реакции [1]. Реактор выполнен в виде цилиндра с расположенной на его дне, вдоль образующей, рифленой линейкой. Нагреватель и жидкостной 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 в горячую зону. Недостатком данного устройства является возможность металлизации только малогабаритных изделий, свободно пересыпающихся в объеме реактора. Кроме того, перемещение деталей в подвижном слое чревато опасностью их разрушения (хрупкие, например, керамические детали).
Наиболее близким аналогом заявленного устройства является устройство для металлизации ткани и бумаги в реакторе с инфракрасным обогревом, описанное в литературе [2], которое состоит из герметичной камеры, обогревателей, подвижного стола для размещения ткани или бумаги, а также патрубков ввода и вывода реагентов. Данное устройство по совокупности сходных признаков: герметичная камера наличие устройства для направленного перемещения деталей, обогреватели, патрубки для
подвода реакционного газа и отвода продуктов реакции, - принято за прототип. Нагрев металлизируемой ткани или бумаги осуществляют либо с помощью специальных инфракрасных облучателей, расположенных со стороны верхнего и нижнего основания камеры, создающих изотермические условия в камере, что позволяет формирование равномерного покрытия на плоских объектах с большой площадью металлизируемой поверхности и хорошо подходит для металлизации тканей или бумаги, но неприменимо при металлизации сильно различающихся по массе и форме изделий, поскольку не обеспечивает равномерный прогрев детали и затрудняет контроль температуры (наиболее важного параметра). Таким образом, преимуществом такого устройства является возможность управления температурным режимом на поверхности изделия, оптимизация соотношения температуры и концентрации реагента, позволяющая получать сплошные, плотные покрытия на поверхности ткани или бумаги. Недостатками такого устройства являются невозможность металлизации крупных, массивных, с высокой теплоемкостью и сложной формы изделий в силу сложности поддержания оптимального температурного режима и концентрации реагента в различных частях изделия и наличие теневого эффекта, заключающегося в неравномерном осаждении металла на поверхность из-за невозможности достижения направленным потоком реагента труднодоступных поверхностей изделий сложной формы.
Целью данной полезной модели является создание устройства, обеспечивающего перемещение металлизируемых изделий из холодной зоны в горячую зону, исключающего наличие ударных и истирающих нагрузок на изделия в процессе их транспортировки при сохранении возможности управления температурным режимом на поверхности изделия и оптимизации соотношения температуры и концентрации реагента, а также обеспечивающего металлизацию крупногабаритных изделий сложной формы
Техническим результатом данной полезной модели является повышение качества защитных металлических покрытий и изделий с таким покрытием, расширение номенклатуры деталей, подвергаемых обработке, увеличение плотности покрытия и адгезии его к подложке.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана схема установки для металлизации крупногабаритных изделий
сложной формы, в котором зажим для изделий выполнен в виде крыльчатки (а - вид сбоку (по линии А-А), 6 - вид сверху), где 1 - корпус цилиндрической камеры, 2 -подвижный предметный стол, 3 - ребра крыльчатки, 4 - вал вращения цилиндрической камеры вдоль поперечной оси, 5 - холодильник, 6 - нагреватель, 7 - сальниковые устройства, 8 - патрубок ввода реагентов, 9 - патрубок отвода продуктов реакции, 10 -крышка камеры с окном, 11 - фланцевое соединение, 12 - вентили. На Фиг.2 показана схема установки для металлизации малогабаритных изделий сложной формы, в которой покрываемые изделия размещаются в специальном цилиндрическом барабане (а - вид сбоку (по линии А-А), б - вид сверху), где 1 - корпус цилиндрической камеры, 2 - предметный стол, 3 - цилиндрический барабан, 4 - вал вращения цилиндрической камеры вдоль поперечной оси, 5 - холодильник, 6 - нагреватель, 7 -сальниковые устройства, 8 - патрубок ввода реагентов, 9 - патрубок отвода продуктов реакции, 10 - крышка камеры с окном, 11 - фланцевое соединение, 12 - вентили.
Сущность устройства
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для нанесения защитных покрытий на изделия сложной формы, включающее камеру металлизации поверхности изделия с предметным столом для размещения покрываемого изделия, патрубками ввода реагента и отвода продуктов реакции, устройство для обогрева и охлаждения различных частей камеры, привод для вращения предметного стола с сальниковым уплотнением в районе ввода привода во внутреннее пространство камеры, систему контроля за температурой различных частей камеры, отличающееся тем, что камера выполнена в виде плоского цилиндра, в основании которого размещен вращающийся предметный стол, на одной из поверхностей имеется загрузочное окно с герметично закрывающейся крышкой, а боковые поверхности цилиндра снабжены обогревателями и холодильниками, патрубки ввода реагента и отвода продуктов реакции размещены в охлаждаемых зонах камеры.
Предметный стол может быть выполнен в виде крыльчатки, причем ребра крыльчатки установлены перпендикулярно поверхности стола, выполнены съемными, имеют переменную высоту и выполнены с возможностью перемещения в радиальной плоскости. Ребра крыльчатки могут быть выполнены в виде нескольких пластинок: одна жестко закреплена на вращающемся столе, а другие выполнены с возможностью перемещения вдоль первой.
Камера может быть снабжена приводом перемещения подвижных ребер крыльчатки. На предметном столе может быть размещен секционированный барабан в виде полого цилиндра.
Ребра крыльчатки или барабан могут иметь отверстия или щели для проникновения газообразного реагента и отвода газообразных продуктов реакции. Цилиндрическая камера вдоль поперечной оси в центре ее тяжести может быть закреплена в стойках с возможностью качания или вращения в вертикальной плоскости через вал вращения.
Ребра крыльчатки или барабан могут быть выполнены из алюминия или алюминиевого сплава.
Устройство для нанесения защитных покрытий на изделия сложной формы выполнено в виде герметичной цилиндрической камеры для металлизации (1), в нижнем основании которой расположен предметный стол (2) для размещения покрываемого крупногабаритного изделия, закрепляемого подвижными ребрами крыльчатки (3 - на Фиг.1) или специального секционированного барабана (3 - на Фиг.2), в котором располагаются малогабаритные покрываемые изделия. Под малогабаритными изделиями понимаются изделия, характеристические размеры которых не превышают 5-10 см, под крупногабаритными - изделия с характеристическими размерами более 5-10 см. Камера оборудована устройствами для обогрева (6) и охлаждения (5) различных частей камеры, расположенными со стороны боковой поверхности цилиндра; патрубками ввода реагента (8) и отвода продуктов реакции (9), расположенными в охлаждаемых зонах камеры; на одной из поверхностей камеры имеется загрузочное окно с герметично закрывающейся крышкой (10), закрепляемой к цилиндрической обечайке реактора с помощью фланцевого соединения (11). При этом цилиндрическая камера вдоль поперечной оси в центре его тяжести может быть закреплена в стойках с возможностью качания в вертикальной плоскости через вал вращения (4) для пересыпания изделий внутри секций барабана и для изменения режима движения газообразного потока внутри камеры реактора. Предметный стол оборудован приводом для его вращения с сальниковым уплотнением (7) в районе ввода привода во внутреннее пространство камеры и служит в качестве механизма для перемещения изделий внутри камеры. Ребра крыльчатки (см. Фиг.1) выполняются таким образом, чтобы обеспечить надежное крепление крупногабаритного изделия внутри реактора. Для этого ребра крыльчатки могут быть выполнены в виде нескольких раздвижных пластин различной формы, причем
каждое ребро может состоять также из нескольких скрепленных параллельных друг другу пластинок. Ребра выполняются съемными и подвижными в радиальных плоскостях (как в радиальном направлении, так и вдоль оси главной оси цилиндрической камеры). Форма ребер и количество пластинок подбираются в зависимости от формы и размеров покрываемых изделий таким образом, чтобы обеспечить максимальное прилегание поверхности изделия с поверхностью ребер, сохранив при этом, однако, зазоры для прохождения газообразного потока реагента. Такие зазоры могут быть в виде сделаны в виде зазоров между ребром и крышкой реактора, между периферийной частью ребра и цилиндрической стенкой камеры, между поверхностью покрываемого изделия и волнистой поверхностью ребер. Кроме этого, ребра крыльчатки могут содержать некоторое количество отверстий для проникновения газообразного реагента. Барабан для размещения малогабаритных изделий (см. Фиг.2) также выполняется съемным и секционирован. Количество и размер секций определяются как размерами покрываемых изделий, так и требованиями температурного градиента внутри реактора и режима движения газообразного потока. Доступ газообразного реагента обеспечивается, как и в предыдущем случае, с помощью зазоров. При этом в корпусе барабана, в котором располагаются покрываемые изделия, также могут быть сделаны отверстия или щели для более равномерного поступления реагента. Между корпусом барабана и цилиндрической стенкой камеры могут быть размещены ребра-перегородки для секционирования пространства (на рисунках не показаны). Барабан выполняется полым в центре для того, чтобы покрываемые изделия находились только в периферийной части барабана для оптимизации температурного режима.
Загрузка и выгрузка деталей или барабана с изделиями, снятие и установка ребер или барабана может осуществляться через съемную крышку (10).
В качестве нагревателей могут быть использованы любые устройства, обеспечивающие нагрев до температуры разложения реагентов - инфракрасные нагреватели, жидкостные нагреватели (на Фиг.1 и 2 показан такой тип нагревателей с регулирующими и запорными вентилями для подачи теплоносителя (12)) и т.д. В качестве охлаждающих устройств могут быть использованы любые устройства, обеспечивающие охлаждение до температуры сорбции реагента без его разложения, в том числе охлаждающие кессоны, жидкостные холодильники (на Фиг.1 и 2 показан такой тип холодильников с регулирующими и запорными вентилями для подачи охлаждающе жидкости (12)). Для оценки температур по периметру камеры на ее поверхностях устанавливаются температурные датчики или
(на рисунках не показаны). Устройство работает следующим образом.
Через съемную крышку 10 металлизируемые детали закрепляются ребрами (3) или размещаются в секциях барабана (3), после чего крышка закрывается и реактор герметизируется. Приводом предметного стола (2) обеспечивается круговое движение стола с изделием или барабаном. Через патрубок 8 реактор заполняется инертным газом или несущим газом. С помощью нагревателя (5) в горячей зоне камеры (1) устанавливается температура выше температуры разложения металлосодержащего реагента, а в холодной зоне реактора с помощью холодильника (6) - температура сорбции металлосодержащего реагента. При движении предметного стола (2) детали, размещенные в барабане (3) или зажатые ребрами крыльчатки (3), попеременно перемещаются из одной зоны в другую. После стабилизации температурного режима в реакторе через патрубок (8) подается реакционная смесь паров металлосодержащего реагента и несущего газа. Подаваемый реагент сорбируется на поверхности охлажденных деталей и, в процессе их транспортировки горячую зону камеры (1), перераспределяется по поверхности. Детали с сорбированным на их поверхности реагентом, попадая в горячую зону камеры (2), нагреваются до температуры разложения реагента. Сорбированный реагент разлагается на металлизируемой поверхности с образованием плотного металлического покрытия. Отвод продуктов реакции происходит через выпускной патрубок (9). После горячей зоны детали, продолжая двигаться в том же направлении, вновь попадают в охлаждаемую зону камеры (1), где охлаждаются до температуры сорбции реагента. Цикл повторяется. Таким образом, осуществляется термоциклирование подложки от температуры сорбции реагента до его разложения только на металлизируемой поверхности, а не в приповерхностном слое. Это обеспечивает образование плотного покрытия, не только полностью воспроизводящего рельеф подложки, но и проникающего в ее макродефекты (трещины и открытые поры), что увеличивает адгезию покрытия к подложке до 25 МПа.
Технический результат достигается за счет того (см. Фиг.1, 2), что размещение изделия на волнистых ребрах или ребрах с отверстиями определяет доступ реагента ко всем поверхностям изделия. Ввод реагента в охлаждаемую часть камеры определяет возможность его равномерного распределения по объему сектора. Сектор создается соседними ребрами крыльчатки на предметном столе. По мере перемещения сектора из охлаждаемой зоны в обогреваемую зону камеры понижается концентрация реагента
вследствие его частичного расходования и повышается температура подложки. Это определяет формирование равномерного покрытия и повышает эффективность использования реагента, так как выход металла в покрытие увеличивается.
Наличие подвижных ребер позволяет как оптимизировать изоляцию газового пространства внутри сектора, так и перемещать изделие относительно центра камеры для оптимизации температурного режима.
Крепление деталей с помощью ребер или за счет размещения в секциях барабана исключает (в случае крепления крупногабаритного изделия ребрами) или снижает (в случае использования секционированного барабана) механические нагрузки при транспортировке деталей между зонами. Кроме того, это позволяет металлизировать детали сложной конфигурации, имеющие многочисленные выступы и ниши (например, типа радиаторов для транзисторов), которые в подвижном слое прототипа могут образовывать конгломераты и, тем самым, блокировать перемещение слоя. Такое выполнение устройства, используемое в качестве реактора для металлизации, позволяет повысить качество готовой продукции за счет увеличения плотности покрытия и адгезии его к подложке и расширить номенклатуру, подвергаемых обработке деталей.
Источники информации:
1. Патент РФ №2072180, опубликован 20.01.1997 / Ермилов А.Г., Рупасов С.И.. Нестеров Н.В.
2. В.Г.Сыркин, «Газофазная металлизация через карбонилы», М.: Металлургия, - 1984, с.57