Устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов
DEVICE FOR DIFFUSION METALLISATION IN MEDIUM OF LOW-MELTING LIQUID METAL SOLUTIONS

Устройство относится к установкам, предназначенным для диффузионной металлизации изделий с целью придания поверхностным слоям этих изделий особых физико-химических свойств, и может использоваться в общем машиностроении, в инструментальной промышленности и других областях. В частности, установка предназначена для нанесения на изделия диффузионных покрытий в среде легкоплавких жидкометаллических растворов в условиях массового производства при одновременном совмещении процессов нанесения покрытий с термической обработкой материала изделий.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является установка для диффузионной металлизации из среды легкоплавких растворов [патент 2423546 РФ, МПК С23С 10/22 (2006.01). Опубл. 10.07.2011, Бюл. №19].
Прототип представляет собой устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов, содержащее нагревательную и шлюзовую камеры, загрузочно-разгрузочное устройство для покрываемых изделий, автономные вакуумные системы, системы наполнения камер инертным газом и нагревательное устройство, в нагревательной камере располагается ванна с металлическим раствором, а шлюзовая камера имеет люк и систему закалки, включающую контур циркуляции инертного газа, теплообменник и насос, при этом камеры расположены на одном уровне, а нагревательное устройство выполнено внешним по отношению к нагревательной камере, при этом над нагревательной и шлюзовой камерами расположена манипуляционная камера, герметично связывающая их между собой, а в манипуляционной камере расположено роторное устройство перемещения покрываемых изделий и загрузочно-разгрузочное устройство, выполненное с двумя штоками, на котором закреплены покрываемые изделия, теплоотражающие экраны и уплотняющие водоохлаждаемые диски, обеспечивающие герметизацию шлюзовой камеры. Кроме этого, нагревательная камера установлена в шахтной электронагревательной печи. манипуляционная камера разделена заслонками, закрепленными на роторном устройстве, на холодную и горячую камеры, роторное устройство состоит из полого вала с продольными пазами, фиксирующими гайку загрузочно-разгрузочного устройства, при этом вал роторного устройства кинематически связан с мотор-редуктором, загрузочно-разгрузочное устройство состоит из ходового винта и гайки, к которой прикреплены кронштейны с загрузочными штоками, при этом ходовой винт кинематически связан с мотор-редуктором. Достоинствами прототипа являются: сокращение энергетических затраты, автоматизация процессов нанесения покрытий и термической обработки, повышение качества наносимых покрытий, надежность и долговечность устройства, увеличение веса и габаритов обрабатываемых изделий.
Технологический процесс нанесения диффузионных покрытий с применением устройства, являющегося прототипом, осуществляется следующим образом. Через загрузочный люк обрабатываемые изделия помещаются в шлюзовую камеру и закрепляются на штоке. Загрузочный люк закрывается, и производится вакуумирование шлюзовой камеры. После достижения заданного вакуума производится заполнение камеры инертным газом, которое завершается при выравнивании давления инертного газа в шлюзовой и манипуляционной камерах. После достижения металлическим раствором заданной температуры процесса включается мотор-редуктор, который обеспечивает подъем изделий из шлюзовой камеры в манипуляционную камеру, их разворот и погружение в ванну с жидкометаллическим раствором. После чего начинается процесс формирования диффузионных покрытий на поверхностях изделий.
После завершения цикла формирования покрытий на изделиях включают мотор-редуктор в прямом направлении, и производится перемещение покрытых изделий и подготовленных к нанесению покрытий изделий в манипуляционную камеру. После извлечения изделий из ванны с расплавом шлюзовой камеры подъем изделий прекращается путем остановки мотор-редуктора. Затем включается мотор-редуктор в реверсивном направлении, и покрытые изделия перемещаются к центру шлюзовой камеры, а новая партия непокрытых изделий - к центру нагревательной камеры.
Покрытые изделия в теплообменнике охлаждают потоком инертного газа. Шлюзовая камера герметизируется диском. После охлаждения изделий в шлюзовой камере открывается люк, изделия снимаются со штока и извлекаются из шлюзовой камеры. Затем производится загрузка новой партии изделий, и процесс повторяется.
Недостатком прототипа является то, что данное устройство не обеспечивает возможность наносить диффузионные покрытия способом диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на длинномерные изделия типа труб, шнеков и тому подобных изделий, а также термическую обработку материала этих изделий.
Технической задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности нанесения диффузионных покрытий на длинномерные изделия типа труб, шнеков и тому подобных изделий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов в условиях массового производства при одновременном совмещении процессов нанесения покрытий с термической обработкой материала изделий.
Поставленная задача решается тем, что заявляемое устройство имеет герметичный корпус, в котором размещены ванна с металлическим раствором, печь с внешними нагревателями, шлюзовая камера, устройство для перемещения покрываемого изделия внутри корпуса, а также системы вакуумирования и наполнения корпуса инертным газом. Корпус выполнен в виде замкнутой шахты, разделенной вертикальной теплоизолирующей перегородкой на две камеры - холодную и горячую, при этом к корпусу со стороны холодной камеры герметично присоединены две шлюзовые камеры накопительного типа - загрузочная и разгрузочная, между шлюзовыми камерами и корпусом установлены вакуумные затворы. В горячей камере размещены, как минимум, две печи прямоугольной формы, в первой печи установлена ванна, в которой находится легкоплавкий жидкометаллический расплав для диффузионной металлизации, во-второй печи - ванна с солевым расплавом, обеспечивающим очистку изделий от следов расплава и (или) изотермическую закалку материала изделия. В верхней части корпуса размещен подвесной замкнутый монорельсовый конвейер с каретками, на которых подвешены крышки для герметизации ванн с легкоплавким жидкометаллическим расплавом и с солевым расплавом, и негерметичные контейнеры, внутри которых размещены покрываемые изделия. Конвейер обеспечивает последовательное дискретное перемещение контейнеров с покрываемыми изделиями вдоль линии конвейера, обеспечивающее загрузку изделий в контейнеры, погружение, выдержку покрываемых изделий в ванне с легкоплавким жидкометаллическим расплавом и извлечение их из расплава, погружение, выдержку покрытых изделий в ванне с солевым расплавом и извлечение их из этой ванны, а также перемещение контейнера с изделием в зону разгрузочной камеры. Загрузка и разгрузка изделий из контейнера осуществляется путем продольного раскрытия и закрытия контейнера. Кроме этого, количество ванн с легкоплавким расплавом и солевых ванн может быть увеличено, что определяется этапами технологического процесса диффузионной металлизации и видом термической обработки материала покрываемого изделия.
Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, в частности, вследствие принципиально нового конструктивного решения устройства обеспечивается возможность нанесения диффузионных покрытий в среде легкоплавких жидкометаллических растворов на длинномерные изделия типа труб, шнеков и тому подобных изделий, в условиях массового производства при одновременном совмещении процессов нанесения покрытий с термической обработкой материала изделий. Это объясняется тем, что в предлагаемом устройстве используется герметичный корпус, в котором последовательно размещены прямоугольной печи и ванны, а также специализированный подвесной конвейер, обеспечивающий не только перемещение длинномерных обрабатываемых изделий по замкнутой конвейерной линии от одного операционно-технологического участка к другому, но и полную автоматизацию процессов загрузки изделий, погружения, выдержки, извлечения обрабатываемых изделий из ванн с легкоплавким жидкометаллическим расплавом, солевым расплавом и их разгрузку. При этом шлюзовые камеры, герметичный корпус устройства, разделенный вертикальной теплоизолирующей перегородкой на две камеры - холодную и горячую, обеспечивают значительное сокращение энергетических потерь и длительности технологического цикла вследствие временного совмещения процессов загрузки изделий, нанесения диффузионных покрытий, очистки изделий от следов расплава, термической обработки материала изделия, его охлаждения и разгрузки обработанных изделий, а также исключают контакт человека с технологической средой. Кроме этого использование конвейера, последовательное расположение технологических ванн в зависимости от стадийности технологического процесса диффузионной металлизации и вида термической обработки материала покрываемого изделия позволяют увеличивать количество ванн с легкоплавким расплавом и солевых ванн, что обеспечивает возможность формировать на поверхности изделий многокомпонентные, многослойные покрытия и проводить термическую обработку материала изделий, обеспечивающую ему максимальную конструкционную прочность.
На фиг. 1 и 2 схематично представлен вариант выполнения заявляемого устройства.
Заявляемое устройство содержит корпус 1, который разделен вертикальной теплоизолирующей перегородкой на две камеры холодную А и горячую Б. К корпусу 1 со стороны холодной камеры А герметично присоединены две шлюзовые камеры накопительного типа - загрузочная 2 и разгрузочная 3. В загрузочную камеру 2 через загрузочный люк 4 загружаются изделия 5, которые будут подвергаться обработке - диффузионной металлизации, а в разгрузочной камере 3 накапливаются обработанные изделия 6, после накопления заданной партии обработанных изделий они извлекаются через разгрузочный люк 7. Между шлюзовыми камерами 2, 3 и корпусом 1 установлены вакуумные затворы 8 и 9. В верхней части корпуса 1 размещен подвесной замкнутый монорельсовый конвейер 10, с цепным приводом 11 тянущего типа, который через горизонтальную звездочку 12 приводится в движение электроприводом 13. Каретки 14, 15, 16, 17 конвейера 10 выполнены одноосными, к которым, в свою очередь, прикреплены загрузочные контейнеры, соответственно, 18, 19, 20, 21, в которых размещены обрабатываемые изделия 5. Загрузка изделий в контейнеры и выгрузка изделий из них осуществляется путем продольного раскрытия и закрытия контейнера. В нижней части корпуса 1 размещены печи 22, 23. При этом в печи 22 установлена ванна 24, в которой находится легкоплавкий жидкометаллический расплав для диффузионной металлизации 25, в печи 23 установлена ванна 26, в которой размещен солевой расплав для очистки изделий от следов расплава и (или) изотермической закалки материала изделия 27. На загрузочных контейнерах 18, 19, 20, 21 размещены крышки 28, 29, 30, 31 для герметизации ванн 24 и 26. Рельс конвейера 10 имеет вогнутые вниз участки I и II, на которых при перемещении кареток 14, 15, 16, 17 на этих участках происходит поочередное погружение контейнеров 18, 19, 20, 21 с обрабатываемыми изделиями 5 в ванны 24, 26 и их извлечения из этих ванн.
Устройство имеет вакуумную систему 32, служащую для удаления воздуха из корпуса 1, шлюзовых камер 2, 3, а также систему наполнения инертным газом 33 корпуса 1 и шлюзовых камер 2, 3.
Устройство работает следующим образом. Исходно обрабатываемые изделия 5, предварительно очищенные от ржавчины и масляных загрязнений, загружаются в шлюзовую камеру 2 через загрузочный люк 4, который после загрузки герметично закрывается. Разгрузочной люк 7 шлюзовой камеры 3 герметично закрыт, при этом вакуумные затворы 8 и 9 загрузочной и разгрузочной шлюзовых камер открыты. Далее с помощью вакуумной системы 32 одновременно производится откачка воздуха из внутренней полости корпуса 1, загрузочной 2 и разгрузочной 3 шлюзовых камер. После достижения заданной глубины вакуума, вакуумная система 32 отключается и вакуумированные объемы корпуса 1, загрузочной 2 и разгрузочной 3 шлюзовых камер с помощью системы наполнения инертным газом 33 наполняются им. После достижения требуемого давления инертного газа в корпусе 1 и камерах 2, 3 включаются печь 22, обеспечивающая нагрев находящейся в ней ванны 24 с легкоплавким жидкометаллическим расплавом для диффузионной металлизации 25, и печь 23, нагревающая находящуюся в ней ванну 26 с солевым расплавом 27. В течение разогрева расплавов производится загрузка покрываемых изделий 5 из загрузочной шлюзовой камеры 2 в загрузочный контейнер 18, закрепленный на каретки 14. При достижении расплавами 25 и 27 заданных температур конвейер 10 включается, что приводит к перемещению каретки 14 и контейнера 18 с покрываемыми изделиями 5 к ванне 24 и погружение контейнера 18 с покрываемыми изделиями 5 в расплав для диффузионной металлизации 25, ванна 24 закрывается крышкой 28. После погружения контейнера 18 с покрываемыми изделиями 5 в легкоплавкий жидкометаллический расплав 25 конвейер 10 останавливается и производится выдержка покрываемых изделий 5 в расплаве 25 заданное время, обеспечивающее формирование в поверхностных слоях изделий 5 диффузионных покрытий требуемого состава и толщины. Одновременно производится загрузка изделий 5 в контейнер 21, закрепленный на каретки 17.
По истечению заданного времени выдержки изделия 5 в легкоплавком жидкометаллическом расплаве 25 конвейер 10 включается, при этом контейнер 18, закрепленный на каретки 14, перемещается к ванне 26 и погружается с уже покрытыми изделиями 5 в солевой расплав 27, находящийся в ванне 26, которая закрывается крышкой 28. Одновременно контейнер 21, закрепленный на каретки 17, погружается с покрываемыми изделиями 5 в ванну 24 с легкоплавким жидкометаллическим расплавом 25, ванна 24 закрывается крышкой 31. Конвейер 10 останавливается и производится выдержка покрытых изделий 5 в солевом расплаве 27 заданное время. В солевом расплаве 27 производится очистка покрытых изделий от следов легкоплавкого жидкометаллического расплава 25 и при необходимости их изотермическая закалка. Время выдержки изделий 5 в солевом расплаве и покрываемых изделия 5, находящихся в контейнере 21, в легкоплавком жидкометаллическом расплаве 25, синхронизируется. В это же время производится загрузка изделий 5 в контейнер 20, закрепленный на каретки 16.
По истечению заданного времени выдержки изделия 5 в солевом расплаве 27 конвейер 10 включается, при этом контейнер 18 закрепленный на каретки 14, перемещается в разгрузочную камеру 3, где производится извлечение и складирование обработанных изделий 6. Одновременно контейнер 21, закрепленный на каретки 17, погружается с покрытыми изделиями 5 в солевой расплав 27, находящийся в ванне 26, которая закрывается крышкой 31, а контейнер 20, закрепленный на каретки 16, погружается с покрываемыми изделиями 5 в ванну с легкоплавким жидкометаллическим расплавом 25, находящийся в ванне 24, которая закрывается крышкой 30. Конвейер 10 останавливается на заданное время и производится выдержка покрытых изделий 5, находящихся в контейнере 21, в солевом расплаве 27, а покрываемых изделий 5, находящихся в контейнере 20, в легкоплавком жидкометаллическом расплаве 25.
На следующем этапе по окончании извлечения и складирования обработанных изделий 6 в разгрузочной камере 3 и выдержки покрытых изделий 5, находящихся в контейнере 21 в солевом расплаве 27, и покрываемых изделий 5, находящихся в контейнере 20 в легкоплавком жидкометаллическом расплаве 25, конвейер 10 включается и контейнер 18, закрепленный на каретки 14, поступает в загрузочную шлюзовую камеру 2, где вновь производится загрузка новой партии покрываемых изделий 5, и цикл повторяется.
После нанесения покрытий на все изделия, находящиеся в загрузочной шлюзовой камере 2, конвейер 10 останавливается, закрываются вакуумные затворы 8 и 9, открывается разгрузочный люк 7 шлюзовой камеры 3 и из шлюзовой камеры 3 извлекаются обработанные изделия 6. После извлечения обработанных изделий 6 разгрузочный люк 7 шлюзовой камеры 3 герметично закрывается. Далее открывают загрузочный люк 4 шлюзовой камеры 2, и через него производят загрузку шлюзовой камеры 2 подготовленными к нанесению покрытий изделиями 5. После загрузки загрузочный люк 4 шлюзовой камеры 2 герметично закрывается и производится с помощью вакуумной системы 32 откачка воздуха из шлюзовых камер 2 и 3. После вакуумирования шлюзовые камеры 2 и 3 заполняются инертным газом включением системы наполнения инертным газом 30 до выравнивания давления инертного газа в шлюзовых камерах 2, 3 и корпусе 1. Затем открываются вакуумные затворы 8 и 9. Работа устройства для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов продолжается.
Количество ванн с легкоплавким расплавом и соленных ванн может быть увеличено, что обеспечивает возможность нанесения на обрабатываемые изделия многокомпонентных покрытий и проведения различных видов термических обработок - нормализации, закалки, отпуска, старения и др.
Таким образом, новое конструктивное решение предлагаемого устройства для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов позволяет решить поставленные задачи обеспечения возможности нанесения диффузионных покрытий на длинномерные изделия типа труб, шнеков и тому подобных изделий в среде легкоплавких жидкометаллических растворов в условиях массового производства при одновременном совмещении процессов нанесения покрытий с термической обработкой материала изделий на новом техническом уровне.