Устройство для формирования на поверхности полых деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы

Устройство для формирования на поверхности полых деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к комбинированным способам получения покрытий, и может быть использовано в частности для получения покрытий на деталях.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является технологический комплекс для формирования на поверхности полых деталей нанопокрытий с последующим исследованием их механических свойств, содержащий устройство для нанесения на поверхность полой детали нанопокрытия, устройство для исследования прочности детали с покрытием при линейном напряженном состоянии и устройство для исследования прочности детали с покрытием при плоском напряженном состоянии, причем устройство для нанесения покрытия содержит вакуумную камеру с узлом подачи охлаждающей жидкости, вакуумная камера состоит из полого охлаждаемого корпуса с патрубком для откачки воздуха и патрубком для подачи аргона и составной охлаждаемой крышки, полость которой соединена с корпусом, на корпусе закреплена панель для термопар и датчиков давления, а внутри установлена металлическая колба с ванной, заполненной жидкометаллическим расплавом, верхний конец металлической колбы закреплен в верхней части крышки, а вокруг нее расположены нагревательные элементы, над ванной установлена металлическая труба, закрепленная в верхней части крышки и выполненная с возможностью прикрепления к ее нижнему концу обрабатываемой полой детали с образованием замкнутой полости, при этом труба установлена с возможностью вертикального перемещения с погружением детали в ванну, верхний конец трубы, выступающий из камеры, соединен с рычагом для вертикального перемещения и содержит патрубок для отвода жидкости, а узел для подачи охлаждающей жидкости состоит из трубки, выполненной с возможностью размещения в полости трубы с деталью и патрубка для подачи охлаждающей жидкости, устройство для исследования прочности детали с покрытием при линейном напряженном состоянии состоит из рычага, соединенного со стержнем, размещенным в полости трубы с деталью, на одном плече рычага установлен индикатор для определения деформации детали, другой конец соединен с тарелкой с грузом, устройство для исследования детали с покрытием при плоском напряженном состоянии содержит оборудование для создания давления, включающее баллон со сжиженным газом, соединенный через редуктор давления с компрессором и манометром, и быстроразъемное соединение для подключения к трубе с деталью (патент РФ №2430191).

Недостатком этого технологического комплекса является невозможность задания величины наведенной деформации, термоциклирования покрытий с эффектом памяти формы. Невозможность дальнейшего повышения прочностных характеристик покрытия с эффектом памяти формы.

Задачей изобретения является получение на поверхности деталей наноструктурированного покрытия с эффектом памяти формы.

Техническим результатом является повышение функциональных, прочностных свойств и надежности покрытий деталей, таких как величина обратимой деформации, износостойкость.

Поставленный технический результат достигается предложенным устройством для формирования на поверхности полых деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы, содержащим вакуумную камеру, состоящую из полого охлаждаемого корпуса с патрубками для откачки воздуха и подачи аргона и крышки, внутри камеры установлена металлическая ванна, заполненная жидкометаллическим расплавом, вокруг ванны расположены нагревательные элементы, а между ними и корпусом - теплозащитные экраны, предохраняющие корпус вакуумной камеры от перегрева, над ванной установлена металлическая труба, проходящая сквозь крышку и закрепленная в ней с возможностью вертикального перемещения, нижний конец трубы выполнен с возможностью прикрепления к ее нижнему концу полой обрабатываемой детали с образованием замкнутой полости, верхний конец трубы, выступающий из камеры, соединен с рычагом, установленным на крышке для вертикального перемещения трубы, снаружи трубы расположен патрубок для подвода (подачи) охлаждающей среды, внутри трубы размещена полая трубка с патрубком для отвода (удаления) охлаждающей среды, дополнительно содержащим технологический модуль для ионной очистки поверхности обрабатываемой детали путем создания тлеющего разряда в вакуумной камере, источник ионной имплантации металлов, установленный на корпусе вакуумной камеры и соединенный с блоком управления, а вокруг верхнего конца трубы с деталью установлено закрепленное на крышке вакуумной камеры приспособление для поверхностно-пластического деформирования нанесенного покрытия с получением наноструктурированного слоя с эффектом памяти формы.

Приспособление для поверхностно-пластического деформирования выполнено в виде трех роликов, закрепленных в металлической обойме. В корпусе вакуумной камеры расположено смотровое окно. В качестве охлаждающей среды использована газовая среда или жидкость. К металлической обойме роликов прикладывают усилие с помощью винта. Прикладываемое усилие измеряется динамометром. Вращение роликов осуществляется с помощью электродвигателя.

Повышение величины обратимой деформации, износостойкости обеспечивается за счет применения диффузионной металлизации, ионной имплантации с последующим поверхностно-пластическим деформированием. В результате получается наноструктурированное покрытие. За счет использования технологического модуля производится ионная очистка обрабатываемой детали с покрытием, полученным при помощи диффузионной металлизации, способствующая повышению производительности и прочности сцепления покрытия, полученного с помощью ионной имплантации.

На фиг. представлено устройство для формирования на поверхности полых деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы.

Устройство состоит из полого охлаждаемого корпуса 1 вакуумной камеры, крышки 2, крышка 2 закреплена на корпусе 1 через болтовые соединения 23. Внутри корпуса 1 установлена металлическая ванна 3, заполненная жидкометаллическим расплавом 4. В корпусе 1 расположены нагревательные элементы 5. Измерение температуры нагрева металлической ванны 3 осуществляется с помощью термопары 13. Для предохранения перегрева металла корпуса от перегрева внутри камеры размещаются теплозащитные экраны 16. Над ванной 3 установлена металлическая труба 9, закрепленная через зажимной узел 7 в верхней части крышки 2 с возможностью вертикального перемещения. Нижний конец трубы 9 соединен (например, приварен) с обрабатываемой деталью 8 с образованием замкнутой полости. В верхней части труба 9 содержит патрубок 25 для ввода охлаждающей жидкости и патрубок 12 для вывода охлаждающей жидкости и соединена с рычагом 10, закрепленным на крышке 2, с помощью которого возможно осуществлять вертикальное перемещение трубы 9.

Узел для подачи охлаждающей жидкости в трубу 9 состоит из металлической трубки 26, размещаемой в полости трубы 9, с патрубком 12 для подачи охлаждающей жидкости. На крышке 2 корпуса 1 закреплено трехроликовое приспособление 11 для поверхностно-пластического деформирования нанесенного покрытия. Патрубок 14 служит для удаления воздуха из корпуса 1 и соединен с диффузионным 20 и форвакуумным 21 насосом. Патрубок 15 служит для подачи аргона из баллона 24.

На корпусе 1 вакуумной камеры расположен источник ионной имплантации 18 металлов с блоком управления 19. Для очистки покрываемой детали 8 после диффузионного насыщения в расплаве 4 используется источник питания 22, связанный при помощи высоковольтных кабелей 27 с корпусом 1 вакуумной камеры и металлической трубой 9. В корпусе 1 вакуумной установки расположено смотровое окно 17. Трехроликовое приспособление 11 выполнено в виде трех роликов, закрепленных в металлической обойме. К металлической обойме роликов прикладываем усилие с помощью винта 28. Прикладываемое усилие измеряется динамометром 29. Далее осуществляется вращение роликов с помощью электродвигателя 30, связанного с трехроликовым приспособлением 11.

Устройство работает следующим образом:

Металлическая труба 9 с приваренной к ней обрабатываемой деталью 8 закрепляется в крышке 2 с помощью зажимного узла 7. При этом труба 9 с деталью 8 образуют замкнутую полость. Далее крышка 2 закрепляется при помощи болтов 23 в корпусе 1 вакуумной камеры. С помощью патрубка 25 в трубу 9 подают охлаждающую среду (дистиллированная вода, воздух), которая далее отводится с трубы 9 при помощи трубки 26, находящейся в полости трубы 9, через патрубок 12. Из корпуса 1 вакуумной камеры откачивают воздух форвакуумным 21 и диффузионным 20 насосами через патрубок 14 до давления 6·10^-7 мм рт.ст., и камера заполняется аргоном из баллона 24 через патрубок 15. Затем включают нагревательные элементы 5, содержащие фехралевые проволоки, и доводят температуру жидкометаллического расплава в металлической ванне 3 до 1000-1100°С. Измерение температуры нагрева металлической ванны 3 осуществляется с помощью термопары 13. С помощью рычага 10 трубу 9 опускают вниз, и деталь 8 погружается в ванну 3. Температуру охлаждающей среды, подаваемой в замкнутую полость через патрубок 25, подбирают таким образом, чтобы температура детали 8, на поверхности которой формируют покрытие, составляла 700-900°С. После нанесения покрытия трубу 9 с помощью рычага 10 поднимают, тем самым, вынимая деталь 8 из ванны 3 с расплавом. Затем приступают к ионной очистке от излишков расплава полученного покрытия на детали 8. Ионную очистку проводят в тлеющем разряде.

Для получения тлеющего разряда включают источник питания 22, связанный высоковольтными кабелями 27 с трубкой 9 и корпусом 1 вакуумной камеры. После ионной очистки полученного покрытия на детали 8 осуществляют ионную имплантацию. Для этого включают источник ионной имплантации 18 металлов при помощи блока управления 19. Блок управления 19 связан с источником ионной имплантации 18 при помощи высоковольтного кабеля и высоковольтным кабелем связан с корпусом вакуумной камеры 1. После ионной имплантации трубу 9 с помощью рычага 10 поднимают, тем самым располагая деталь 8 в трехроликовом приспособлении 11, закрепленном на крышке 2 вакуумной камеры. Трехроликовое приспособление 11 выполнено в виде трех роликов, закрепленных в металлической обойме. К металлической обойме роликов прикладываем усилие с помощью винта 28. Прикладываемое усилие измеряется динамометром 29. Далее осуществляется вращение роликов с помощью электродвигателя 30, связанного с трехроликовым приспособлением 11. Контроль над процессом осуществляется с помощью смотрового окна 17, расположенного в корпусе 1 вакуумной камеры.

Пример 1.

Металлическая труба 9 с приваренной к ней обрабатываемой деталью 8 из стали 45 закрепляется в крышке 2 с помощью зажимного узла 7. При этом труба 9 с деталью 8 образуют замкнутую полость. Далее крышка 2 закрепляется при помощи болтов 23 в корпусе 1 вакуумной камеры. С помощью патрубка 25 в трубу 9 подают дистиллированную воду, которая далее отводится с трубы 9 при помощи трубки 26, находящейся в полости трубы 9, через патрубок 12. Из корпуса 1 вакуумной камеры откачивают воздух форвакуумным 21 и диффузионным 20 насосами через патрубок 14 до давления 6·10^-7 мм рт.ст., и камера заполняется аргоном из баллона 24 через патрубок 15. Затем включают нагревательные элементы 5, содержащие фехралевые проволоки, и доводят температуру расплавленного свинца с растворенным порошком Ti₅₀Ni₅₀ в металлической ванне 3 до 1000°С.

Измерение температуры нагрева металлической ванны 3 осуществляется с помощью термопары 13. С помощью рычага 10 трубу 9 опускают вниз, и деталь 8 из стали 45 погружается в ванну 3 с расплавленным свинцом с растворенным порошком Ti₅₀Ni₅₀. Температуру охлаждающей среды, подаваемой в замкнутую полость через патрубок 25, подбирают таким образом, чтобы температура детали 8 из стали 45, на поверхности которой формируют покрытие, составляла 700°С. После нанесения покрытия трубу 9 с помощью рычага 10 поднимают, тем самым вынимая деталь 8 (сталь 45) из ванны 3 с расплавленным свинцом с растворенным порошком Ti₅₀Ni₅₀. Затем приступают к ионной очистке от излишков расплава полученного покрытия на детали 8. Ионную очистку проводят в тлеющем разряде.

Для получения тлеющего разряда включают источник питания 22, связанный высоковольтными кабелями 27 с трубкой 9 и корпусом 1 вакуумной камеры. После ионной очистки полученного покрытия на детали 8 осуществляют ионную имплантацию. Для этого включают источник ионной имплантации 18 металла Zr при помощи блока управления 19. Блок управления 19 связан с источником ионной имплантации 18 металла Zr при помощи высоковольтного кабеля и высоковольтным кабелем связан с корпусом вакуумной камеры 1. После ионной имплантации металла Zr трубу 9 с помощью рычага 10 поднимают, тем самым располагая деталь 8 из стали 45 в трехроликовом приспособлении 11, закрепленном на крышке 2 вакуумной камеры. Трехроликовое приспособление 11 выполнено в виде трех роликов, закрепленных в металлической обойме. К металлической обойме роликов прикладываем усилие 1 кН с помощью винта 28. Прикладываемое усилие измеряется динамометром 29. Далее осуществляется вращение роликов с помощью электродвигателя 30, связанного с трехроликовым приспособлением 11. Контроль над процессом осуществляется с помощью смотрового окна 17, расположенного в корпусе 1 вакуумной камеры. Поверхностно-пластическое деформирование с помощью трехроликового приспособления проводим в интервале температур мартенситных превращений.

Пример 2.

Металлическая труба 9 с приваренной к ней обрабатываемой деталью 8 из стали 12Х18Н10Т закрепляется в крышке 2 с помощью зажимного узла 7. При этом труба 9 с деталью 8 образуют замкнутую полость. Далее крышка 2 закрепляется при помощи болтов 23 в корпусе 1 вакуумной камеры. С помощью патрубка 25 в трубу 9 подают дистиллированную воду, которая далее отводится с трубы 9 при помощи трубки 26, находящейся в полости трубы 9, через патрубок 12. Из корпуса 1 вакуумной камеры откачивают воздух форвакуумным 21 и диффузионным 20 насосами через патрубок 14 до давления 6·10^-7 мм рт.ст., и камера заполняется аргоном из баллона 24 через патрубок 15. Затем включают нагревательные элементы 5, содержащие фехралевые проволоки, и доводят температуру расплавленного свинца с растворенным порошком TiNiCu в металлической ванне 3 до 1100°С. Измерение температуры нагрева металлической ванны 3 осуществляется с помощью термопары 13. С помощью рычага 10 трубу 9 опускают вниз, и деталь 8 из стали 12Х18Н10Т погружается в ванну 3 с расплавленным свинцом с растворенным порошком TiNiCu. Температуру охлаждающей среды, подаваемой в замкнутую полость через патрубок 25, подбирают таким образом, чтобы температура детали 8 из стали 12Х18Н10Т, на поверхности которой формируют покрытие, составляла 800°С. После нанесения покрытия трубу 9 с помощью рычага 10 поднимают, тем самым вынимая деталь 8 (сталь 12Х18Н10Т) из ванны 3 с расплавленным свинцом с растворенным порошком TiNiCu. Затем приступают к ионной очистке от излишков расплава полученного покрытия на детали 8. Ионную очистку проводят в тлеющем разряде.

Для получения тлеющего разряда включают источник питания 22, связанный высоковольтными кабелями 27 с трубкой 9 и корпусом 1 вакуумной камеры. После ионной очистки полученного покрытия на детали 8 осуществляют ионную имплантацию. Для этого включают источник ионной имплантации 18 металла Со при помощи блока управления 19. Блок управления 19 связан с источником ионной имплантации 18 металла Со при помощи высоковольтного кабеля и высоковольтным кабелем связан с корпусом вакуумной камеры 1. После ионной имплантации металла Со трубу 9 с помощью рычага 10 поднимают, тем самым располагая деталь 8 из стали 12Х18Н10Т в трехроликовом приспособлении 11, закрепленном на крышке 2 вакуумной камеры. Трехроликовое приспособление 11 выполнено в виде трех роликов, закрепленных в металлической обойме. К металлической обойме роликов прикладываем усилие 1,2 кН с помощью винта 28. Прикладываемое усилие измеряется динамометром 29. Далее осуществляется вращение роликов с помощью электродвигателя 30, связанного с трехроликовым приспособлением 11. Контроль над процессом осуществляется с помощью смотрового окна 17, расположенного в корпусе 1 вакуумной камеры. Поверхностно-пластическое деформирование с помощью трехроликового приспособления проводим в интервале температур мартенситных превращений.

При получении покрытий на установке, взятой в качестве прототипа, величина обратимой деформации для сплава TiNi составила 1,2%; на предложенной установке величина обратимой деформации для сплава TiNi составила 4,3%, износостойкость увеличилась в 3-4 раза.

В результате работы установки получается наноструктурированное покрытие с эффектом памяти формы, с повышенной износостойкостью.

1. Устройство для формирования на поверхности полых стальных деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы, содержащее вакуумную камеру, состоящую из полого охлаждаемого корпуса с патрубками для откачки воздуха и подачи аргона и крышки, внутри камеры установлена металлическая ванна, заполненная жидкометаллическим расплавом, вокруг ванны расположены нагревательные элементы, а между ними и корпусом - теплозащитные экраны, предохраняющие корпус вакуумной камеры от перегрева, над ванной установлена металлическая труба, проходящая сквозь крышку и закрепленная в ней с возможностью вертикального перемещения, нижний конец трубы выполнен с возможностью прикрепления к ее нижнему концу полой обрабатываемой детали с образованием замкнутой полости, верхний конец трубы, выступающий из камеры, соединен с рычагом, установленным на крышке для вертикального перемещения трубы, снаружи трубы расположен патрубок для подачи охлаждающей среды, внутри трубы размещена полая трубка с патрубком для отвода охлаждающей среды, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит технологический модуль для ионной очистки поверхности обрабатываемой детали путем создания тлеющего разряда в вакуумной камере, источник ионной имплантации металлов, установленный на корпусе вакуумной камеры и соединенный с блоком управления, а вокруг верхнего конца трубы с деталью установлено закрепленное на крышке вакуумной камеры приспособление для поверхностно-пластического деформирования нанесенного покрытия с получением наноструктурированного слоя с эффектом памяти формы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приспособление для поверхностно-пластического деформирования выполнено в виде трех роликов, закрепленных в металлической обойме.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в корпусе вакуумной камеры расположено смотровое окно.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве охлаждающей среды использована газовая среда или жидкость.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что приспособление для поверхностно-пластического деформирования выполнено с возможностью приложения усилия с помощью винта к металлической обойме роликов, причем прикладываемое усилие измеряют динамометром, а вращение роликов осуществляется с помощью электродвигателя.