Устройство для осаждения покрытий из парогазовой фазы

Устройство относится к области получения коррозионностойких и износостойких покрытий методом осаждения из парогазовой фазы при разложении металлоорганических соединений (МОС). Предлагаемое устройство состоит из горизонтальной цилиндрической реакционной камеры с нагревателем изделий и введенным через торцевую крышку валом, имеющим привод для вращательно-поступательного перемещения обрабатываемых изделий и с закрепленным на нем держателем изделий, испарителя для ввода исходных реагентов в верхней части камеры, связанным с системой дозирования, патрубка для отвода продуктов реакции в нижней части камеры, снабженный азотной ловушкой и сборником конденсата и связанным с системой вакуумной откачки, при этом нагреватель изделий вмонтирован по оси камеры в ее торцевой части, противоположной крышке камеры с вводом вала держателя изделий вне зоны размещения испарителя и патрубка отвода продуктов реакции. Устройство по данному техническому решению предназначено для нанесения покрытий на детали цилиндрической формы обеспечивает получение высококачественных покрытий с высокой степенью равномерности при эффективном использовании исходных материалов и энергии и имеет высокий ресурс работы. Устройство может успешно использоваться в промышленности для нанесения износостойких и коррозионностойких покрытий на детали машин и механизмов.

Полезная модель относится к области получения коррозионностойких и износостойких покрытий методом осаждения из парогазовой фазы при разложении металлоорганических соединений хрома (МОС хрома), в частности к устройствам для осаждения карбидохромового покрытия на детали двигателей, насосов, турбин, грануляционного, электролизного и другого оборудования (валы, втулки, шнеки, шпильки и т.д.). Полезная модель может найти применение в машиностроении и двигателеетроении.

Известны различные типы установок и устройств для нанесения защитных покрытий (Б.Г.Грибов, Г.А.Домрачев, и др., Осаждение пленок и покрытий разложением металлоорганических соединений. М.; Наука, 1981). Процесс проводят в вакуумированной реакционной камере путем подачи паров МОС к поверхности изделия при температуре 350-600°С при непрерывном удалении газообразных продуктов распада из зоны осаждения. Покрытия, полученные в этих установках, сочетают ценные качества: высокую твердость, коррозионную стойкость и используются для защиты деталей машин от износа, химической коррозии и снижения коэффициента трения. Недостатками данных устройств является сложность получения равномерных покрытий на длинномерных деталях или на значительном числе деталей одновременно. Этот фактор ограничивает сферу применения покрытий при массовом производстве по экономическим причинам.

Для нанесения покрытий на детали цилиндрической формы известна установка, содержащая реакционную камеру с горизонтально размещенными в ней держателем изделия, средствами ввода реагентов и отвода продуктов реакции. В состав установки входят также нагреватель обрабатываемого изделия на наружной поверхности камеры, привод поступательного перемещения держателя вдоль камеры относительно средств ввода реагентов и отвода продуктов реакции и привод вращения изделия [авт. св. СССР 1513949, МКИ С23С 16/00, 1984]. Привод поступательного движения держателя и привод вращательного движения связаны по сложной кинематической схеме. Недостатками данного устройства является низкая эффективность использования исходного МОС хрома, т.к. значительная его часть разлагается на внутренней поверхности камеры, и сложная кинематическая схема изделий в камере, обуславливающая трудности при эксплуатации.

Известно аналогичное техническое решение, согласно которому установка для осаждения покрытий из парогазовой фазы выполнена в виде горизонтальной цилиндрической реакционной камеры с нагревательными элементами на наружной поверхности, внутри которой размещен вал с держателем изделий. Камера оборудована патрубками для ввода исходного химического соединения и отвода продуктов реакции перпендикулярно валу (оси) рабочей камеры, расположенными соосно друг другу соответственно в верхней и нижней частях камеры, и приводом вращения вала, снабженным винтовой передачей для обеспечения одновременного вращательного и поступательного движения обрабатываемого изделия [авт. св. СССР 1338451, МКИ С23С 16/00, 1988]. Недостатками этой установки также является низкий коэффициент использования исходного МОС хрома и повышенный расход электроэнергии вследствие необходимости нагрева обрабатываемых изделий за счет теплоизлучения от стенок камеры. Кроме того, данная установка имеет ограниченную надежность и ресурсную емкость вследствие отсутствия высокоэффективной азотной ловушки и других устройств для улавливания продуктов распада, что приводит к засорению вакуумных насосов и преждевременному выходу их из строя.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, изложенное в патенте Российской Федерации на изобретение 2194088 от 07.12.2000, Крашенниников В.Н. и др., «Устройство для осаждения покрытий из парогазовой фазы. Данное изобретение относится к области получения коррозионностойких и износостойких покрытий методом осаждения покрытий из парогазовой фазы». Устройство, согласно данного патента, состоит из горизонтальной цилиндрической реакционной камеры с нагревателем изделий и с введенным через торцевую крышку валом с закрепленным на нем держателем, оборудованной испарителем для ввода исходных реагентов в верхней части камеры, связанным с системой дозирования, патрубком для отвода продуктов реакции в нижней части камеры, снабженным азотной ловушкой и сборником конденсата и связанным с системой вакуумной откачки. Вал с держателем имеет привод для вращательно-поступательного перемещения обрабатываемых изделий, выполненный в виде ходовой гайки, а нагреватели размещены в глухих герметичных карманах на поверхности камеры вне зоны ввода МОС хрома. В данном техническом решении устройство имеет зону нагрева изделий на периферии камеры, где располагаются карманы с нагревательными элементами, и зону осаждения покрытия в центральной части камеры, где размещен патрубок ввода МОС хрома и патрубок для отвода продуктов реакции, чем достигается повышение эффективности использования МОС хрома. Однако в такой конструкции не устраняется паразитное осаждение покрытия на стенках камеры, где расположены нагревательные элементы. Кроме того, продукты паразитного осаждения на стенках камеры поступают в зону нанесения покрытия на изделия, что снижает качество покрытия. Выбранное в данной установке расположение нагревательных элементов приводит также к избыточному расходу электроэнергии вследствие теплопередачи по стенкам камеры.

Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков, а именно:

- в повышении эффективности использования МОС (металлорганического соединения);

- в снижении затрат электроэнергии на нагрев изделий до необходимой температуры;

- в повышении качества покрытия.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для осаждения покрытий из парогазовой фазы, показанное на фиг., где:

1 - реакционная камера;

2 - держатель изделий;

3 - электронагреватель;

4 - зона осаждения покрытия, ограниченная тепловыми экранами;

5 - дозатор МОС;

6, 7 - испаритель, выполненный в виде патрубка с двойными стенками с раструбом на конце;

8 - механический вакуумный насос;

9 - паромасляный насос;

10 - азотная ловушка;

11 - охлаждаемая водой ловушка;

12, 13 - емкости для слива органических отходов,

14 - электропривод вращения вала, снабженный винтовой передачей для обеспечения одновременного вращательного и поступательного движения обрабатываемого изделия.

Устройство работает следующим образом. Изделия крепят на держателе 2. Камеру закрывают и вакуумируют. Включают привод 14 и перемещают изделия в положение над нагревателем 3. Включают нагрев и прогревают изделия до рабочей температуры. Включают электропривод 14 и, перемещая изделия из положения над нагревателем в положение в противоположном торце камеры, проводят их через зону осаждения 4 во вращательном и поступательном движении. Одновременно начинают подачу МОС из дозатора 5 в испаритель 6-7. В качестве МОС используется, например, смесь бис-аренов хрома, жидкость с торговым названием «Бархос». Пары Бархоса адсорбируются на поверхности изделий и разлагаются с образованием твердой фазы покрытия и газообразных продуктов реакции. Вакуум в камере обеспечивается с помощью вакуумных насосов 8 и 9, продукты реакции собираются в ловушках 10 и 11. Контроль вакуума в камере осуществляют с помощью вакуумметра, температура нагрева контролируется термопарным датчиком и поддерживается в заданном режиме системой управления.

Результатами данного технического решения являются:

- высокая степень использования исходного МОС хрома, поскольку в зоне осаждения находятся только изделия, а стенки реакционной камеры не нагреваются до рабочей температуры;

- низкий расход электроэнергии, так как электронагреватель размещен по центру камеры и осуществляет нагрев, практически, только изделий;

- высокая равномерность и качество покрытия, обеспечиваемые за счет оптимального расположения изделий в зоне осаждения.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для осаждения покрытий из парогазовой фазы, содержащем горизонтальную цилиндрическую реакционную камеру с нагревателем изделий и введенным через торцевую крышку валом, имеющим привод для вращательно-поступательного перемещения обрабатываемых изделий и с закрепленным на нем держателем изделий, испарителем для ввода исходных реагентов в верхней части камеры, связанным с системой дозирования, патрубком для отвода продуктов реакции в нижней части камеры, снабженным азотной ловушкой и сборником конденсата и связанным с системой вакуумной откачки для повышения эффективности использования МОС, снижения затрат электроэнергии и повышения качества покрытия нагреватель изделий вмонтирован по оси камеры в ее торцевой части, противоположной крышке камеры с вводом вала держателя изделий вне зоны размещения испарителя и патрубка отвода продуктов реакции, а зона размещения испарителя и патрубка отвода продуктов реакции (зона осаждения) оборудована тепловыми экранами, выполненными в виде металлических сегментов, закрепленных на стенках камеры.

Устройство по данному техническому решению обеспечивает эффективное использование МОС хрома, имеет низкий расход энергии на нагрев изделий, обеспечивает получение равномерных. высокачественных покрытий на обрабатываемых изделиях и имеет высокий ресурс работы.

Техническое решение иллюстрируется следующим примером. Устройство для осаждения карбидохромовых покрытий из парогазовой фазы имеет в своем составе следующие конструктивные элементы и оборудование (фиг.):

1 - реакционная камера диаметром 250 мм и длиной 750 мм выполнена из трубы со съемными фланцами. На правом фланце смонтирован электронагреватель, левый фланец предназначен для загрузки и разгрузки изделий;

2 - держатель изделий выполнен в виде съемного барабана из металлического прутка и предназначен для закрепления деталей цилиндрической формы;

3 - электронагреватель представляет собой стандартный ТЭН из нержавеющей стали длиной 200 мм, диаметром 10 мм мощностью 2 кВт;

4 - тепловые экраны изготовлены из нержавеющей стали толщиной 1 мм и закреплены на внутренней поверхности реакционной камеры на расстоянии 250 и 500 мм от торца;

5 - дозатор МОС хрома включает дозирующий жидкостный насос с производительностью 10-1000 мл/час и трубопровод из фторопласта;

6, 7 - испаритель выполнен в виде патрубка с двойными стенками с наружным диаметром 16 мм и внутренним диаметром 4 мм и с раструбом диаметром 50 мм на конце;

8 - механический вакуумный насос - марки НВЗ-20 с производительностью 20 л/с;

9 - паромасляный бустерный насос - марки 2НВБМ-160 с производительностью 880 л/с;

10 - азотная ловушка и водоохлаждаемая ловушка представляют собой кожухотрубные теплообменники, оборудованные в нижней части патрубком для подсоединения емкостей для слива отходов. Наружный диаметр ловушек - 130 мм, высота - 200 мм.

12, 13 - емкости для слива органических отходов объемом 150 мл.

14 - электропривод вращения вала снабжен винтовой передачей для обеспечения одновременного вращательного и поступательного движения обрабатываемого изделия.

Устройство в данном исполнении предназначено для нанесения карбидохромовых покрытий на поршневые кольца двигателей. Оно обеспечивает одновременное хромирование до 60 колец диаметром от 78 до 125 мм, имеет производительность до 120 колец в час. Потребляемая мощность устройства составляет не более 5 кВт, габаритные размеры, м - 1,7×0,5×2,0. Скорость нанесения покрытия составляет до 5 мкм/мин, неравномерность покрытия по диаметру кольца при толщине покрытия 15 мкм не превышает 3%. Расход МОС хрома - 60-150 мл/час.

Устройство по данному техническому решению обладает преимуществами в сравнении с техническим решением по прототипу по эффективности использования МОС хрома, расходу энергии и обеспечивает получение равномерных, высококачественных покрытий на обрабатываемых изделиях и имеет высокий ресурс работы.

Эффективность и экономичность предлагаемой конструкции свидетельствуют о ее технико-экономических преимуществах в сравнении с конструкцией по прототипу и другими известными техническими решениями. Поэтому устройство может успешно использоваться в промышленности для нанесения износостойких и коррозионностойких покрытий на детали машин и механизмов.

1. Устройство для осаждения покрытий из парогазовой фазы, содержащее горизонтальную цилиндрическую реакционную камеру с нагревателем изделий и введенным через торцевую крышку валом, привод для вращательно-поступательного перемещения обрабатываемых изделий с закрепленным на нем держателем изделий, испаритель для ввода исходных реагентов в верхней части камеры, связанный с системой дозирования, патрубок для отвода продуктов реакции в нижней части камеры, снабженный азотной ловушкой и сборником конденсата и связанный с системой вакуумной откачки, отличающееся тем, что нагреватель изделий вмонтирован по оси камеры в ее торцевой части, противоположной крышке камеры с вводом вала держателя изделий вне зоны размещения испарителя и патрубка отвода продуктов реакции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зона размещения испарителя и патрубка отвода продуктов реакции оборудована тепловыми экранами, выполненными в виде металлических сегментов, закрепленных на стенках камеры.