Способ нанесения металлического покрытия

 

Изобретение относится к технологии нанесения металлических покрытий и может быть использовано в машиностроении. Сущность изобретения: заготовку наносимого материала 1 располагают перпендикулярно плоскостям токовводящих электродов 2 и 3 и закрепляют на расстоянии от их концов равном 1/3 - 1/2 расстояния переноса материала, а отражатель 4, включенный в цепь установки к положительному полюсу источника тока 5, выполнен в виде параболообразного в сечении плоскостью параллельной токовводящим электродам отражателя, в вогнутой части которого перпендикулярно оси его симметрии закрепляют заготовку 1 на минимальном расстоянии от его стенок, определяемом условием отсутствия пробоя между ними при рабочем напряжении на выходе источника питания. 2 ил.

Изобретение относится к технологии нанесения металлических покрытий на твердые металлические поверхности и может быть использовано в машиностроении для упрочнения рабочих поверхностей деталей при изготовлении машин или для восстановления изношенных поверхностей деталей при ремонте машин.

Известен способ нанесения металлического покрытия путем расплавления твердой заготовки наносимого материала, при котором заготовку располагают над покрываемой поверхностью и зажимают между концами двух малоиндуктивных электродов, через которые пропускают импульсный ток килоамперного диапазона от источника питания [1] Недостатком этого способа является низкое качество нанесенного покрытия, получаемое из-за отсутствия возможности расплавления всей заготовки наносимого материала (по сечению заготовки) и задания направления движения паров материала к покрываемому участку.

Наиболее близким к предлагаемому является способ нанесения металлического покрытия путем расплавления твердой заготовки наносимого материала, расположенной вблизи покрываемой поверхности и сжатой между концами двух электродов, через которые пропускают импульсный ток килоамперного диапазона от источников тока, при этом электроды располагают параллельно друг другу и направлению переноса материала покрытия на минимальном расстоянии, определяемом из условия отсутствия пробоя между ними при рабочем напряжении на выходе источника питания [2] Однако и при реализации такого способа остается ряд недостатков.

Заготовка после поступления импульса тока не превращается в перегретый направленный поток частиц из-за ограниченного времени поступления энергии в ее, даже если заготовка была предварительно подогрета. Заготовка после выталкивания ее из электродов представляет собой полуоплавленный, исходный материал, который неспособен формировать качественного покрытия. Как известно качество покрытия (прочность сцепления, сплошность) тем выше, чем больше скорость соударения напыляемых частиц с основой и температура их перегрева (нагрев выше температуры плавления).

Способ не является высоко производительным, так как для получения более качественных покрытий (как полагают авторы) производится предварительный подогрев заготовки током меньшей величины длительного режима от дополнительного источника тока.

Как известно из теории и практики нанесения и формирования покрытий напылением, оптимальным углом соударения частиц с напыляемой поверхностью является угол 90^о, а при реализации данного способа для нанесения покрытий на внутренние поверхности деталей это условие не реализуется.

Цель изобретения повышение производительности нанесения и качества покрытия за счет создания направленного переноса наносимого материала, имеющего более высокую скорость движения, температуру и мелкодисперсность паро-капельного потока частиц.

Цель достигается тем, что согласно способу нанесения металлического покрытия путем расплавления твердой заготовки наносимого материала, при котором заготовку располагают вблизи покрываемой поверхности и зажимают между концами двух электродов, расположенных параллельно друг другу и направлению переноса металла покрытия, и пропускают через электроды ток килоамперного диапазона от источника питания. Заготовку располагают перпендикулярно плоскостям электродов и закрепляют на расстоянии от их концов равном 1/3-1/2 расстояния переноса материала, а электрод, подключенный к положительному полюсу источника тока, выполнен в виде параболообразного в сечении плоскостью параллельной токовводящим электродам отражателя, в вогнутой части которого перпендикулярно оси его симметрии закрепляют заготовку материала на минимальном расстоянии от его стенок, определяемом условием отсутствия пробоя.

Новыми существенными признаками изобретения являются: заготовку располагают перпендикулярно плоскостям токовводящих электродов; заготовку закрепляют на расстоянии от концов электродов равном 1/3-1/2 расстояния переноса материала; электрод, подключенный к положительному полюсу источника тока, выполнен в виде параболообразного в сечении плоскостью параллельной токовводящим электродам отражателя; в вогнутой части отражателя перпендикулярно оси его симметрии закрепляют заготовку материала на минимальном расстоянии от его стенок, определяемом условием отсутствия пробоя.

Перечисленные новые существенные признаки обладают существенностью отличий, так как в патентной и научно-технической литературе технических решений с подобными признаками авторы не обнаружили.

При реализации способа нанесения покрытия выявленные отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают получение положительного эффекта, заключающегося в повышении качества и производительности нанесения покрытия.

Крепление заготовки на расстоянии от концов электродов равном 1/3-1/2 расстояния переноса материала позволяет ввести в заготовку больше энергии (больше разогреть и ускорить), так как при получении импульса заготовка начинает двигаться в сторону основы (изделия) из-за действия силы F в направлении выпуклости линии тока при изменении направления тока в переходе от электродов к заготовке, и еще некоторое время находится между электродами, от которых продолжает поступать энергия. Время сдвига заготовки и время максимальной силы тока необязательно совпадает заготовка начинает движение тогда, когда сила выталкивания ее из электродов становится больше силы удерживания ее между электродами. Если же поступление энергии прекратилось сразу после начала движения заготовки (реализация прототипа), а так как этот момент зависит от силы зажима заготовки, чистоты электродов и т.д. в заготовки поступило бы разное количество энергии, а следовательно, образуется покрытие неравномерных свойств. Удлинение электродов на 1/3 расстояния переноса материала делает время нахождения заготовки между электродами достаточным для ввода практически всей энергии источника тока конденсаторных батарей. Удлинение электродов больше 1/2 расстояния напыления является нецелесообразным как с экономической точки зрения, так и с технической для осуществления нормального процесса напыления нежелательно образование у напыляемой поверхности избыточного давления газов, предшествующих прохождению мелких частиц до основы, а длинные электроды этому способствуют. Кроме того создается интенсивное обтекание изделия, в следствие чего увеличивается потеря напыляемого материала.

Выталкивание заготовки из промежутка электродов осуществляется генерируемой в ней импульсной силой F, направленной в сторону выпуклости линии тока.

Электрод, подключенный к положительному полюсу источника тока, выполнен в виде парообразного, в сечении плоскостью параллельном токовводящим электродам, отражателя способствует использованию самоотталкивания продуктов (пара) нагреваемой заготовки от стенок отражателя и придает дополнительный импульс материалу (частицам) заготовки. Заготовка располагается в вогнутой части параболического отражателя на оси симметрии у вершины на минимально возможном расстоянии от его стенок, определяемом из условия отсутствия пробоя. Наилучшей формой отражателя является парабола, потому что параболический отражатель с таким расположением источника волн-заготовки способствует симметрическому отражению ударных волн и фронта пара, возникающего вокруг металлической заготовки при поступлении в ее мощного импульса тока, и возвращению отраженных волн в линию ось симметрии параболы, вследствие чего дополнительно ускоряется материал заготовки.

Так как заготовка расположена вблизи отражателя, через который пропускается импульс тока, на заготовку действует дополнительная сила сила самоотталкивания двух проводников, в которых течет встречный ток. Это тоже способствует ускорению распыляемой заготовки. Кроме того нанесение покрытия осуществляется импульсом тока на один-два порядка больше килоамперного диапазона, который значительно интенсивнее ускоряет, интенсивнее разогревает в начальный момент движения заготовку и превращает в перегретую паро-капельную смесь (поток), к тому же интенсивно отталкивающуюся от отражателя. Как известно, например, при плазменном напылении перегрев материала способствует более прочному сцеплению покрытия с основой (Кудинов В.В. и др. Нанесение покрытий плазмой, M. Наука, 1990, с. 258-259).

На фиг.1 показано устройство реализации способа нанесения металлического покрытия; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Устройство для реализации способа содержит заготовку 1 наносимого материала, токовводящие части электродов 2 и 3, отражатель 4, источник импульсного тока 5. При необходимости рабочая (вогнутая) часть отражателя 4 может быть покрыта огнеупорным, электронепроводящим материалом 6 или отражатель может быть изготовлен составным только центральная часть может служить токопроводом, а остальные части изготовлены из диэлектрических материалов. Покрытие наносится на изделие 7. Заготовка 1 напыляемого материала крепится между токовводящими электродами 2 и 3 перпендикулярно оси симметрии отражателя 4 на минимальном расстоянии от центра отражателя (в случае покрытия рабочей поверхности отражателя диэлектрическим слоем, заготовка может соприкасаться с отражателем), определяемом из условия отсутствия пробоя между ними при рабочем напряжении на выходе источника питания.

Способ нанесения металлического покрытия реализуется следующим образом.

Заготовка 1 наносимого материала крепится перпендикулярно токовводящим плоскостям электродов 2 и 3, перпендикулярно оси симметрии отражателя 4 в вогнутой части на минимальном расстоянии от стенки. Противоположные концы электродов подключены к источнику 5 импульсного тока к конденсаторной батарее. Электроды 2 и 3, отражатель 4 и заготовка 1 образуют электрическую цепь малой индуктивности. Через электроды 2 и 3, а также заготовку 1 и отражатель 4 пропускают встречный ток при помощи разряда конденсаторных батарей источника тока 5 (на фиг.1 линии тока изображены стрелками). На участке заготовки 1 импульсный ток меняет свое направление на противоположное, и линии тока сильно искривлены. При этих условиях в заготовке генерируется импульсная сила F, направленная в сторону выпуклости линии тока. Ток расплавляет и нагревает до температуры кипения заготовку, которая под действием силы F перемещается в направлении от электродов к покрываемой поверхности, что обеспечивается соответствующим расположением электродов по отношению к изделию.

Одновременно при протекании тока через заготовку 1 и отражатель 4 создается дополнительная отталкивающая сила F', как сила самоотталкивания проводников, в которых течет ток противоположного направления. Направление силы F' совпадает с направлением движения заготовки от силы F, т.е. перемещает заготовку к подложке (изделию) 7 две силы электромагнитного происхождения одновременно. Удлиненные токовводящие части электродов 2 и 3 позволяют ввести в заготовку больше энергии (больше нагреть) по сравнению с прототипом из-за дополнительного ввода энергии при движении заготовки внутри электродов и к тому же увеличивает продолжительность действия сил F и F', выталкивающих заготовку из электродов 2 и 3, т.е. заготовка ускоряется больше и интенсивнее. Так как для осуществления процесса нанесения покрытия используется импульсный ток, в заготовке он распределяется согласно поверхностному эффекту на поверхности заготовки плотность тока наибольшая, в следствие чего часть материала испаряется. Так как заготовка предварительно помещается в параболообразный отражатель, происходит отталкивание заготовки от отражателя паром собственного материала, что также увеличивает скорость движения заготовки (паро-капельного потока), вследствие получаемое покрытие является более качественным сплошным, прочно сцепленным с основой и др.

Применение тока для осуществления процесса нанесения покрытия на один-два порядка больше килоамперного диапазона позволяет больше нагреть и перегреть материал заготовки (нагрев прямо пропорционален величине тока), интенсивнее и больше ускорить заготовку (силы F и F' электромагнитного происхождения прямо пропорциональный величине тока), больше ускоряется продукты заготовки, так как количество образующегося пара (который способствует ускорению) при вводе тока в заготовку зависит от величины тока.

По сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет повысить производительность нанесения и качество покрытия. Способ не требует предварительного подогрева заготовки. Использование параболообразного отражателя позволяет повысить скорость движения продуктов разогретой заготовки и как следствие повышение прочности сцепления с основой, снижение пористости.

При предлагаемом способе угол удара продуктов разогретой заготовки равен 90^о, что является наилучшим вариантом работы.

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ путем расплавления твердой заготовки наносимого материала, при котором заготовку располагают вблизи покрываемой поверхности и зажимают между концами двух электродов, расположенных параллельно друг другу и направлению переноса металла покрытия, и пропускают через электроды ток килоамперного диапазона от источника питания, отличающийся тем, что заготовку располагают ее продольной осью симметрии перпендикулярно плоскостям токовводящих электродов и закрепляют на расстоянии от их концов, равным 1/3 1/2 расстояния переноса материала, при этом электрод-отражатель подключают к положительному источнику тока и размещают в его вогнутой части перпендикулярно оси его симметрии заготовку наносимого материала на минимальном расстоянии от его стенок, определяемом условием отсутствия пробоя между ними при рабочем напряжении на выходе источника питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2