Устройство для получения порошка тугоплавкого материала
Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения порошков тугоплавких металлов, их сплавов, карбидов, боридов, нитридов, карбонитридов и т.д., методом термоцентробежного распыления расплава, которые могут использоваться в дальнейшем для получения порошковых твердосплавных изделий, износостойких композиционных покрытий. Устройство для получения порошка тугоплавкого материала содержит цилиндрическую камеру с крышкой, в которой по разные стороны от ее оси установлены бункер с дозатором для исходной шихты, соединенный с питателем, и плазмотрон с механизмом его перемещения. В камере установлены распылитель в виде вращающегося водоохлаждаемого цилиндрического тигля, выполненного из электропроводящего материала с теплоизоляционной вставкой из инертного к расплаву материала, размещенной на внутренней стенке и электропроводного материала, размещенного на его дне, обогреваемое средство подачи исходной шихты в тигель, соединенное под углом с питателем, и бункер для сбора порошка, соединенный с камерой в нижней ее части. Обеспечивается снижение тепловых потерь за счет уменьшения величины тока плазменного разряда, а следовательно снижение энергетических затрат, повышение производительности процесса и качества получаемого порошка за счет устранения образования затвердевшего расплава на кромке тигля, а также расширение технических возможностей за счет получения порошков широкого спектра тугоплавких материалов.
Полезная модель относится к области порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения порошков тугоплавких металлов, их сплавов, карбидов, боридов, нитридов, карбонитридов и т.д., методом термоцентробежного распыления расплава, которые могут использоваться в дальнейшем для получения порошковых твердосплавных изделий, износостойких композиционных покрытий и т.д.
Износостойкость композиционных материалов зависит от концентрации и размеров армирующих частиц, а также от свойств матрицы. При прочих равных условиях дополнительное повышение износостойкости достигается улучшением свойств армирующих частиц. Получение частиц дроблением слитка приводит к тому, что частицы имеют трещины, поры и другие дефекты, которые являются очагами разрушения под действием эксплуатационных нагрузок. Для улучшения микроструктуры частиц, и как следствие их механических свойств, был разработан метод получения порошка термоцентробежным распылением.
Известна установка для получения сферических наплавочных материалов, содержащая вакуумную камеру, внутри которой находится вращающийся графитовый тигель, крышку вакуумной камеры с вмонтированным в нее с возможностью перемещения неплавящимся трубчатым электродом, через который подают порошок. (SU 503688, опубликовано 25.02.1976)
Неплавящийся электрод в устройстве не позволяет получить оптимальные параметры электрического разряда, ток повышается, на кромке тигля образуется застывшая масса расплава, так называемая «борода», что приводит к нарушению стабильного процесса распыления и частой смене тигля, и как следствие снижению производительности установки и качества получаемого порошка.
Наиболее близким к предложенной полезной модели является устройство для получения порошка тугоплавкого материала, в частности карбида вольфрама, раскрытое в RU 2301133, опубликованное 20.06.2007.
Устройство для получения порошка карбида вольфрама содержит камеру цилиндрической формы с крышкой, в которой соосно с камерой расположен питатель для подачи исходной шихты, с днищем, имеющим приспособление для выгрузки порошка, распыляющее устройство, размещенное соосно питателю внутри камеры и выполненное в виде охлаждаемого вращающегося токопроводящего тигля, электродуговой плазмотрон, закрепленный на крышке под углом к оси вращения тигля с возможностью его изменения.
Расплавление твердого исходного материала в устройстве осуществляется плазмой непосредственно в тигле. Для прямого нагрева твердой шихты требуется значительная мощность, что приводит к увеличению затрат на проведение процесса и снижает производительность. Кроме того прямой нагрев через шихту не позволяет полностью избавиться от образования на кромке тигля застывшей массы расплава, так называемой «бороды». При образовании «бороды» процесс распыления либо значительно уменьшается, либо практически полностью прекращается. Получаемые частицы порошка имеют неоднородный состав, микроструктуру и форму, что отрицательно сказывается на качестве получаемого порошка и его механических свойствах.
Задачей полезной модели является создание установки для получения качественных порошков из тугоплавких материалов при низком энергопотреблении с высокой производительностью.
Техническим результатом полезной модели является снижение тепловых потерь за счет уменьшения величины тока плазменного разряда, а следовательно снижение энергетических затрат, повышение производительности процесса и качества получаемого порошка за счет устранения образования затвердевшего расплава на кромке тигля, а также расширение технологических возможностей за счет получения порошков широкого спектра тугоплавких материалов.
Технический результат достигается тем, что Устройство для получения порошка тугоплавкого материала, содержащее цилиндрическую камеру с крышкой, в которой по разные стороны от ее оси установлены бункер с дозатором для исходной шихты, соединенный с питателем, распылитель и плазмотрон. Отличие заявляемого плазмотрона от наиболее близкого аналога заключается в том, что средством для подачи исходной шихты в тигель, плазмотрон выполнен с механизмом его перемещения, распылитель выполнен в виде вращающегося цилиндрического тигля, установленного соосно с камерой с возможностью вращения и выполненного из электропроводящего материала с теплоизоляционной вставкой из инертного к расплаву материала, размещенной на внутренней стенке и электропроводного материала, размещенного на дне тигля, при этом средство для подачи исходной шихты в тигель выполнено обогреваемым и соединено под углом с питателем, а бункер для сбора порошка размещен вне камеры и соединен с ней в нижней ее части.
Обогреваемое средство для подачи исходной шихты в тигель может быть выполнено в виде лотка с размещенным вокруг него трубчатым обогревателем или в виде трубчатого нагревателя, выполненного из композиционного материала углерод-углерод. Угол, под которым соединен трубчатый нагреватель с питателем больше угла естественного откоса шихты. Тигель может быть выполнен из меди, вставка, размещенная на внутренней стенке - из нитрида титана, а вставка, размещенная на дне тигля - из композиционного материала углерод-углерод.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
На фиг.1 представлена схема установки для получения порошка тугоплавких материалов.
На фиг.2 представлена схема тигля установки для получения порошка тугоплавких материалов.
Устройство (фиг.1) содержит цилиндрическую камеру (13) со скошенным дном и крышкой. В крышку по разные стороны от оси камеры вмонтированы плазмотрон (5) и питатель (10). Плазмотрон (5) соединен с механизмом его перемещения (4). Питатель соединен с расположенным вне камеры бункером (8) с исходной шихтой (7), имеющим дозатор (9). В камере соосно с ней расположен тигель-распылитель (2), закрепленный на механизме вращения (1). С питателем (10) соединено обогреваемое средство подачи исходной шихты (12) в тигель (2), размещенное в камере (13). Обогреваемое средство может состоять из лотка (11) и размещенного вокруг него трубчатого нагревателя (6).
Обогреваемым средством подачи порошка в случае отсутствия лотка (11) может служить трубчатый нагреватель (6), выполненный из композиционного материала углерод-углерод. В нижней части скошенного дна камеры (13) расположен соединенный с ней бункер (14) для сбора порошка.
Водоохлаждаемый тигель-распылитель (2), представленный на фиг.2, состоит из цилиндрического каркаса (15), выполненного из электропроводящего материала, расположенной по внутренней стенке каркаса вставки (16) из материала инертного к расплаву и размещенной на дне каркаса вставки (17) из электропроводного материала.
Устройство работает следующим образом.
Исходную шихту (7) в форме крупки из бункера (8) загружают в дозатор (9). Установку герметизируют, вакуумируют и заполняют требуемым газом до атмосферного давления или до давления, необходимого для получения порошка требуемого тугоплавкого материала. С помощью механизма вращения (1) устанавливают заданную скорость вращения тигля (2). Между тиглем, который является анодом, и катодом плазмотрона (5) возбуждают плазменную дугу. Анодное пятно дуги сосредотачивают на дне тигля (2). Включают подачу порошка. Порошок из дозатора (9) через питатель (10) попадает в лоток (11), нагретый с помощью трубчатого нагревателя (6), изготовленного из материала углерод-углерод, до 3000°C. Проходя по лотку, частицы крупки нагреваются до температуры 0,4-0,8 Тпл и ссыпаются во вращающийся тигель (2), где под действием плазменной дуги расплавляются. Образующийся расплав под действием центробежных сил оттесняется на боковую поверхность тигля (2), покрытую теплоизолирующей вставкой (16). По мере поступления новых порций крупки количество расплава увеличивается, он поднимается по боковой поверхности. Анодное пятно плазменной дуги посредством механизма перемещения плазмотрона (4) поднимают вслед за расплавом и концентрируют на кромке тигля (2). Расплав, достигая кромки тигля (2), срывается с нее в виде мелких капель, которые затвердевают в полете в атмосфере камеры. Полученный порошок ссыпается в расположенный в нижней части камеры бункер (14).
Использование в устройстве средства предварительного нагрева исходной шихты перед подачей ее в тигель позволяет уменьшить величину тока плазменного разряда, необходимого для расплавления шихты, и как следствие уменьшить тепловые потери.
Размещение на дне тигля вставки из электропроводящего материала защищает тигель от прожогов. Размещение на внутренних боковых стенках теплоизоляционных вставок из материала, инертного к расплаву значительно снижает электротепловые нагрузки на тигель. В результате значительно увеличивается ресурс работы тигля и отпадает необходимость в использовании сложных и быстро выходящих из строя средств съема электрического тока, что позволяет упростить их конструкцию.
Размещение по разные стороны от оси цилиндрической камеры плазмотрона и бункера с дозатором позволяет точно и быстро перемещать по стенке тигля анодное пятно вслед за поднимающимся расплавом и устранить образование затвердевшего расплава на кромке тигля, что приводит к стабилизации свойств получаемого порошка.
Возможность изменения состава газовой атмосферы, температуры средства предварительного нагрева, величины тока плазменного разряда, скорости вращения тигля позволяет получать порошок широкого размерного диапазона из различных тугоплавких материалов: тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден; карбидов тугоплавких металлов; смеси карбидов тугоплавких металлов, например, релита (WC-W2 C); боридов, нитридов и карбонитридов, карбонитридоборидов тугоплавких металлов.
Таким образом заявленная конструкция устройства позволяет получать порошки тугоплавких материалов однородные по составу и структуре с меньшими энергозатратами.
1. Устройство для получения порошка тугоплавкого материала, содержащее цилиндрическую камеру с крышкой, в которой по разные стороны от ее оси установлены бункер с дозатором для исходной шихты, соединенный с питателем, распылитель и плазмотрон, отличающееся тем, что оно снабжено средством для подачи исходной шихты в тигель, плазмотрон выполнен с механизмом его перемещения, распылитель выполнен в виде вращающегося цилиндрического тигля, установленного соосно с камерой с возможностью вращения и выполненного из электропроводящего материала с теплоизоляционной вставкой из инертного к расплаву материала, размещенной на внутренней стенке, и электропроводного материала, размещенного на дне тигля, при этом средство для подачи исходной шихты в тигель выполнено обогреваемым и соединено под углом с питателем, а бункер для сбора порошка размещен вне камеры и соединен с ней в нижней ее части.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обогреваемое средство для подачи исходной шихты в тигель выполнено в виде лотка с размещенным вокруг него трубчатым нагревателем.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обогреваемое средство для подачи исходной шихты в тигель выполнено в виде трубчатого нагревателя из композиционного материала углерод-углерод.
4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что угол соединения обогреваемого средства для подачи исходной шихты в тигель и питателя больше угла естественного откоса шихты.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тигель выполнен из меди.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вставка, размещенная на внутренней стенке тигля, выполнена из нитрида титана.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вставка, размещенная на дне тигля, выполнена из композиционного материала углерод-углерод.
