Устройство для загрузки деталей в расплав на основе легкоплавкого жидкометаллического раствора для нанесения покрытия

Полезная модель предназначена для проведения диффузионной металлизации деталей с целью придания поверхностным слоям этих деталей особых физико-химических свойств и может использоваться в общем машиностроении, в инструментальной промышленности и других областях. В частности, устройство предназначено для одновременного нанесения на партию деталей диффузионных покрытий в среде легкоплавких жидкометаллических растворов в условиях серийного и массового производства.
Известен контейнерный способ нанесения диффузионных покрытий в среде жидкометаллических растворов [Шатинский В.Ф., Збожная О.М., Максимович Г.Г. Получение диффузионных покрытий в среде легкоплавких металлов. - Киев: Наукова думка, 1976. - 282 с.], при котором процесс диффузионной металлизации проводится пооперационно с применением нескольких установок. На первом этапе в барокамере в среде инертного газа деталь помещают в ампулу, заливают жидкометаллическим раствором, содержащим элемент, на базе которого формируется покрытие. После этого в той же барокамере ампула помещается в контейнер, который герметизируется с помощью сварки. Процесс диффузионной металлизации осуществляется при нагреве и выдержке заданное время контейнера с ампулой в электропечи открытого типа. После завершения процесса контейнер вскрывается, и деталь извлекается из ампулы, его очищают от расплава и подвергают термической обработке. Достоинством этого способа является возможность использования для нанесения покрытий простых электропечей, однако многооперационность, длительность и трудоемкость процесса делают его рентабельным только при проведении экспериментальных исследований и в единичном производстве.
Известны способ и устройства нанесения диффузионных покрытий в среде жидкометаллических растворов [Бобылёв Э.Э.Повышение эксплуатационных свойств режущего твердосплавного инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических расплавов: Дис. Канд. техн. наук: 05.01.02. – Новочеркасск, 2019. – 182 с.], в котором диффузионная металлизации осуществляется путем погружения партии деталей в жидкометаллический раствор с использованием сетчатого контейнера. Использование сетчатого контейнера позволяет наносить покрытия на наружные и внутренние поверхности деталей, исключить образование в точках контакта покрываемых деталей с оснасткой непокрытых или покрытых с нарушением структурно-фазового состава участков, то есть обеспечивает равномерность покрытий.
Недостатком прототипа является то, что его конструктивное исполнение не позволяет дополнительно использовать его для корректировки элементного состава расплава и устранения в нем зональной ликвации.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего возможность при диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов одновременно наносить на партии деталей равномерные покрытия на их наружные и внутренние поверхности, а также проводить корректировку элементного состава расплава и устранять в нем зональную ликвацию.
Технический результат – повышение качества покрытий, формирующихся в среде легкоплавких жидкометаллических растворов, рост производительности и снижение производственных затрат.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для загрузки деталей в расплав на основе легкоплавкого жидкометаллического раствора для нанесения покрытия содержит сетчатый контейнер, при этом сетчатый контейнер имеет крышку с закреплённым на ней загрузочным кронштейном, крышка выполнена сплошной и зафиксирована на крепежных штырях сетчатого контейнера, в нижней части сетчатого контейнера выполнена камера для химических элементов, на основе которых формируется покрытие, а часть сетчатого контейнера между камерой для упомянутых химических элементов и крышкой сетчатого контейнера выполнена в виде загрузочной камеры для размещения покрываемых деталей. Кроме этого, верхняя и нижняя перегородки камеры для упомянутых химических элементов выполнены из листовой стали в виде сферических сегментов, причем верхняя перегородка закреплена на внутренних стенках сетчатого контейнера на заданном расстоянии от нижней кромки сетчатого контейнера. При этом в верхней перегородке по её центру выполнено дроссельное отверстие, а нижняя перегородка имеет перфорацию и зафиксирована в нижней части сетчатого контейнера с возможностью её снятия.
Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемое устройство для загрузки деталей в расплав при нанесении покрытий в среде легкоплавких жидкометаллических растворов обеспечивает возможность расширения его функций. Так размещение в нижней части сетчатого контейнера камеры для химических элементов, в которой в компактном виде находятся химические элементы, на базе которых на обрабатываемых изделиях формируются покрытия, обеспечивает возможность проведения непрерывной корректировки элементного состава расплава, который является легкоплавким жидкометаллическим раствором химических элементов диффузионных покрытий в транспортной среде, за счет компенсационного растворения этих элементов, поддерживающего заданный элементный состав легкоплавкого раствора. При этом непрерывная корректировка элементного состава жидкометаллического раствора обеспечивает формирование равномерных и стабильных по элементному и структурно-фазовому составу покрытий на больших партиях деталей без остановки технологического процесса, что обеспечивает рост производительности и снижение производственных затрат. Кроме этого, повышению равномерности и стабильности формирующихся покрытий также способствует и заявляемая форма камеры для химических элементов. Такая камера для химических элементов, у которой верхняя и нижняя перегородки камеры выполнены из листовой стали в виде сферических сегментов, при этом верхняя перегородка выполнена сплошной и имеет по центру дроссельное отверстие, а нижняя перегородка имеет перфорацию,  обеспечивает при проведении возвратно-поступательного перемещения заявляемого устройства в жидкометаллическом растворе его интенсивное перемешивание, то есть способствует устранению в нем зональной ликвации химических элементов, на базе которых формируются покрытия. Также повышению качества и стабильности состава покрытий способствует отсутствие перфорации на верхней перегородке камеры для химических элементов и на крышке сетчатого контейнера. Сферическая форма верхней поверхности камеры и отсутствие в ней перфорации обеспечивают интенсивное стекание жидкометаллического раствора из внутренней полости заявляемого устройства при извлечении его из расплава, а также отсутствие непосредственного контакта покрываемых деталей с химическими элементами, находящимися в камере для химических элементов. Повышению равномерности и стабильности свойств покрытий также способствует отсутствие перфорации на крышке сетчатого контейнера, которое устраняет налипание шлака при извлечении устройства из расплава.
На фиг.1 схематично изображен вариант осуществления заявляемого устройства.
Заявляемое устройство содержит сетчатый контейнер 1, в его верхней части закреплены крепёжные штыри 2, на которых фиксируется крышка 3 сетчатого контейнера 1, на которой, в свою очередь, закреплен загрузочный кронштейн 4, в нижней части сетчатого контейнера 1 размещена камера для химических элементов 5, в которой в компактном виде размещены химические элементы 6, на базе которых формируются покрытия на обрабатываемых деталях 7. При этом в сетчатом контейнере 1 между камерой для химических элементов 5 и крышкой сетчатого контейнера 3 находится загрузочная камера 8, в которой размещаются покрываемые детали 7. Камера для химических элементов 5 состоит из верхней перегородки 9 и нижней перегородки 10, выполненных из листовой стали в виде сферических сегментов, при этом верхняя перегородка 9 закрепляется на внутренних стенках сетчатого контейнера 1 на заданном расстоянии от нижней кромки сетчатого контейнера 1, кроме этого, в верхней перегородке 9 по её центру выполнено дроссельное отверстие 11, а нижняя перегородка 10 имеет перфорацию и фиксируется в нижней части сетчатого контейнера с возможностью её снятия. Например, фиксация нижней перегородки 10 может быть выполнена с помощью пластинчатых накладок 12 с резьбовыми отверстиями, которые прикреплены к нижней перегородке 10 и фиксируются болтами 13 через отверстия, выполненные в нижней части сетчатого контейнера 1.
Устройство используется следующим образом.
Исходно в камере 5 после выкручивания болтов 13 из резьбовых отверстий пластинчатых накладок 12 снимается нижняя перегородка 10, и в образовавшуюся полость загружаются химические элементы 6, на базе которых на покрываемых деталях 7 формируются диффузионные покрытия. Далее нижняя перегородка 10 ставится в своё исходное положение и фиксируется болтами 13 в нижней части сетчатого контейнера 1. После этого с сетчатого контейнера 1 снимается крышка 3, и в загрузочную камеру 8 производится загрузка покрываемых деталей 7. Затем крышка 3 сетчатого контейнера 1 устанавливается в исходное положение и фиксируется на крепёжных штырях 2 сетчатого контейнера 1. После проведенных загрузок химических элементов 6 и обрабатываемых деталей 7 собранное заявляемое устройство с помощью кронштейна 4 закрепляется на загрузочном штоке 14 установки диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов. После выхода данной установки на заданный температурный режим за счет поступательного движения штока 14, заявляемое устройство погружается в ванну с расплавом на базе легкоплавкого жидкометаллического раствора. Далее загрузочный шток 14 установки диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов переходит в режим возвратно-поступательного движения, которое передается заявляемому устройству. В результате возвратно-поступательного движения заявляемого устройства, имеющего в днище сферическую форму, образованную нижней перегородкой 10 сферической формы, и наличия в ней перфорации происходит интенсивное перемешивание легкоплавкого жидкометаллического раствора, а также растворение химических элементов 6, на базе которых формируются покрытия на покрываемых деталях 7. По окончании процесса нанесения покрытий заявляемое устройство извлекается из ванны с легкоплавким жидкометаллическим раствором, перемещается в зону термической обработки, охлаждается, и из него, после снятия крышки 3 сетчатого контейнера 1, извлекаются покрытые детали 7. Далее в загрузочную камеру 8 производится загрузка новой партии деталей, и процесс повторяется.
Кроме этого, необходимо отметить, что загрузка химических элементов 6, на базе которых на покрываемых деталях 7 формируются диффузионные покрытия, производится периодически по мере их расходования.
Таким образом, за счет нового конструктивного исполнения заявляемого устройства, при котором обеспечивается интенсивное перемешивание легкоплавкого жидкометаллического раствора, а также за счет наличия в нем дополнительной камеры с химическими элементами, на базе которых формируются покрытия, достигается возможность решения поставленной технической задачи создания устройства, обеспечивающего возможность при диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов одновременно наносить на партии деталей равномерные, бездефектные покрытия на все наружные и внутренние поверхности, независимо от  конфигурации деталей, рост производительности и снижение производственных затрат.