CN209886684U - 一种摆动式喷射沉积雾化器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种摆动式喷射沉积雾化器，通过改进现有喷射沉积雾化器，使雾化器支撑板以及雾化器支撑板上中间包可在3～5°的角度内转动，以改善传统喷射沉积高速钢扫描周期长、高速钢沉积层结合强度低的问题为目标，提高喷射沉积高速钢锭坯的强度以及喷射沉积效率，改善所制备高速钢微观结构，消除宏观偏析，细化均分碳化物，得到性能优异的高速钢。采用本实用新型的摆动式雾化器喷射沉积技术，制备出的高速钢锭坯比常规喷射沉积制备的组织更为均一、碳化物细小均匀分布，具有较高的力学性能。

Description

一种摆动式喷射沉积雾化器

技术领域

本实用新型涉及一种摆动式喷射沉积雾化器，特别是一种大尺寸坯件的铸造过程中防止合金元素偏析及扫描单道次沉积层之间出现溅射界面的摆动式喷射沉积雾化器，属于金属熔体喷射沉积技术领域。

背景技术

高速钢因其具有高的硬度、耐磨性及红硬性被广泛用于机床切削刀具、工模器具以及航空航天用轴承零部件等。

采用传统的铸造法制备高速钢锭坯，由于坯件冷却速度缓慢，合金元素的偏析严重，产生粗大的碳化物以及晶粒，对高速钢的性能、尤其是塑韧性有着巨大的影响，即便是通过后续锻造也难以消除。近些年来，粉末冶金高速钢的发展消除了高速钢元素偏析现象，但其工艺繁杂，制备成本较高，且在制备大尺寸的高速钢锭坯方面存在技术局限性。

中国专利CN104878301A公开了一种喷射成形高速钢，通过该方法制备出的高速钢显微组织均一、碳化物细小且分布均匀，抑制了元素的宏观偏析。专利CN101185971公开了一种提高喷射成形高速钢柱状沉积坯密度的工艺方法，该方法主要是通过减少沉积层至喷嘴的高度来获得强度较高、塑性良好且具有较好加工性能的高速钢锭坯。上述方法的共同特点是喷射雾化器固定不动，由于喷射液滴流溅射面积有限，在制备大尺寸坯件时遇到困难，同时雾化的液滴尺寸一般沿雾化椎呈高斯分布，有碍于沉积坯组织的均匀性。中国专利ZL01114421.1提供了一种移动坩埚喷射沉积装置，使得喷射液滴流在沉积坯上扫描来解决固定雾化器喷射液滴流沉积面积有限的问题，用来制备大尺寸坯件。但由于扫描速度有限，在较长距离扫描时，单道次沉积层之间容易出现溅射界面，甚至分层。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服背景技术中提到的喷射沉积制备大尺寸高速钢坯件中的局限性，提供一种设备简单的摆动式喷射沉积雾化器。喷射沉积大尺寸高速钢锭坯沉积层之间界面结合强度高，结合情况好，所述喷射沉积大尺寸高速钢锭坯碳化物颗粒细小且均匀分布，所述喷射沉积大尺寸高速钢锭坯晶粒细小、内部结构少量或无宏观偏析。

为了实现上述目的，本发明提出一种摆动式喷射沉积雾化器，所述摆动式喷射沉积雾化器包含有：雾化室、沉积室和控制系统，所述雾化室中设有中间包装置、支撑板装置、波纹管摆动装置，所述中间包装置由浇包和中间包组成，所述浇包底部通过导液管与所述中间包相连通，将所述浇包中的金属熔体连续均匀导流入所述中间包中，所述支撑板装置由支撑板、凸轮、定位轴、滑板组成，所述支撑板两端下面与所述凸轮相连接，中间部位支撑于所述波纹管摆动装置中的波纹管上，所述波纹管摆动装置由波纹管及设置在波纹管内的雾化器组成，所述雾化器的上部固定在所述基板下面，所述中间包底部通过导液管与所述雾化器相连通，将所述中间包中的金属熔体送入雾化器，并在雾化器中雾化，所述凸轮转动带动所述基板两端绕所述波纹管摆动，从而带动固定在支撑板下面的雾化器摆动，形成摆动的金属雾；所述沉积室中设有基板、基板支柱和转动器，所述基板固定连接在所述基板支柱的上端，所述基板下端连接在所述转动器上，所述转动器一方面带动所述基板支柱转动，一方面带动所述基板支柱上下运动；所述控制系统由中央控制器、数据收集器、升降控制器、滑板控制器、数显激光器组成，所述中央控制器将各数据收集器的数据进行处理并向升降控制器、滑板控制器发布指令，分别控制所述滑板滑动和所述基板支柱上下运动，所述数据收集器将数显激光器采集到的信息收集并传输给中央控制器，所述数显激光器用于采集被监测部件的各设定信息；

所述中间包与所述雾化器之间的所述导液管摆动角度范围为3～5°；

进一步地，所述凸轮设计成带动雾化器支撑板、中间包及波纹管在喷射所需的角度范围内做摆动的其它机械结构形式；

优选的，所述浇包及中间包外壁设置保温装置，使高速钢熔体流经中间包或浇包时处熔融状态。

其中所述的可摆动的雾化器支撑板装置是指：凸轮或转轴等此类可转动装置与传统喷射沉积雾化器支撑板结合一起，在凸轮或转轴等此类可转动装置下，带动雾化器支撑板、中间包及波纹管在喷射所需的角度范围内做摆动。

上述浇包装置及中间包装置中，可在浇包及中间包外壁设置保温装置，使高速钢熔体流经中间包或浇包时处熔融状态，防止因温度过低使高速钢熔体凝固或半凝固导致导液管或水口堵塞而阻碍喷射的顺利进行。

上述浇包装置及中间包装置，优选的，喷射过程中，中间包内的高速钢喷射熔体浸没上部的浇包水口，以防止浇包摆动过程中，浇包内的熔体不因中间包导液管源源不断喷出的熔体而产生飞溅。

与现有的喷射沉积雾化器相比，本实用新型的有益贡献在于：

1、本实用新型通过改进现有喷射沉积装置，使雾化器支撑板以及雾化器支撑板上中间包可在3～5°的角度内转动，以改善传统喷射沉积高速钢扫描周期长、高速钢沉积层结合强度低的问题为目标，提高喷射沉积高速钢锭坯的强度以及喷射沉积效率，改善所制备高速钢微观结构，消除宏观偏析，细化均分碳化物，得到性能优异的高速钢；

2、本实用新型中所用到的喷射沉积装置结构简单、操作方便、适用范围广，可广泛应用于喷射沉积各种钢材的制备。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型摆动式喷射沉积装置示意图；

图2为本实用新型摆动式喷射沉积摆动部分结构示意图（平行状态）；

图3为本实用新型摆动式喷射沉积摆动部分一种状态结构示意图（上凸轮达顶点）；

图4为本实用新型摆动式喷射沉积摆动部分另一种状态结构示意图（下凸轮达顶点）。

附图中，1、中央控制器；2、第一数据收集器；3、升降控制器；4、基板支柱；5、转动器；6、排气孔；7、除尘器；8、沉积室；9、滑板；10、输气管；11、雾化室；12、抽真空口；13、观察口；14、进料口；15、熔炼炉；16、浇包；17、中间包；18、定位轴；19、雾化器支撑板；20、凸轮；21、波纹管；22、基板；23、滑板控制器；24、第二数据收集器；25、数显激光器。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本实用新型的保护范围。

除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本设计的装置如附图1、2、3、4所示，雾化室11中设有中间包装置、支撑板装置、波纹管摆动装置，中间包装置由浇包16和中间包17组成，浇包16底部通过导液管与中间包17相连通，浇包17中的金属熔体连续均匀导流入中间包17中，支撑板装置由支撑板19、凸轮20、定位轴18、滑板9组成，支撑板19两端下面与凸轮20相连接，中间部位支撑于波纹管摆动装置中的波纹管21上，波纹管摆动装置由波纹管21及设置在波纹管21内的雾化器组成，雾化器的上部固定在基板22下面，中间包17底部通过导液管与雾化器相连通，中间包17中的金属熔体送入雾化器，并在雾化器中雾化，凸轮20带动基板22两端绕波纹管21摆动，从而带动固定在支撑板19下面的雾化器摆动，形成摆动的金属雾；沉积室11中设有基板22、基板支柱4和转动器5，基板22固定连接在基板支柱4的上端，基板22下端连接在转动器5上，转动器5一方面带动基板支柱4转动，一方面带动基板支柱4上下运动；控制系统由中央控制器1、第一数据收集器2和第二数据收集器24、升降控制器3、滑板控制器23、数显激光器25组成，中央控制器1将第一数据收集器2和第二数据收集器24采集的数据进行处理并向升降控制器3、滑板控制器23发布指令，分别控制滑板9滑动和基板支柱4上下运动，第一数据收集器2和第二数据收集器24将数显激光器25采集到的信息收集并传输给中央控制器1。排气孔6将沉积室内的气体排出，除尘器7对排气孔6中排出的气体除尘；观察口13可以实时观察雾化室11内的状况。

本实用新型摆动喷射沉积制坯时：

（1）选择一种高速钢材料或中间合金，其中所述高速钢材料或中间合金可为粉末状或块状；

（2）将步骤（1）所述高速钢材料或中间合金放入熔炼炉内加热至高于合金熔点，并在熔炼炉内保温至使熔融高速钢熔体各部分成分及温度达到均匀状态，得到成分及温度均匀的高速钢熔体；

（3）将步骤（2）所得的成分及温度均匀的高速钢熔体倒入预热的浇包中，浇包置于喷射板上的中间包上方；

（4）步骤（3）中从浇包流出的高速钢熔体流至预热的中间包中内，在高速钢熔体流出中间包导液管的瞬间，以高速N2流通过导液管将流出的熔体破碎，并转动上下凸轮，使雾化器支撑板及中间包随着凸轮的转动及波纹管摆动，破碎后的高速钢液滴流随雾化器摆动扫描溅射在沉积室内转动的基板上，喷射过程中转动的基板不断下降，以控制不断累积的沉积层与中间包导液管的高度保持不变，直至喷射完成；

（5）待喷射完毕后制备的高速钢锭坯冷却，通过锻造或轧制等手段将高速钢锭坯致密化处理。

实施例一

（1）选择一种小块状W18高速钢材料

（2）将步骤（1）所述W18高速钢材料从进料口14放入熔炼炉15内加热至1500℃，并在熔炼炉15内保温60min，使熔融高速钢熔体各部分成分及温度达到均匀状态，得到成分及温度均匀的W18高速钢熔体。

（3）开启滑板控制器23控制滑板9的滑动速度及方向，通过滑板9调控中间包17的喷嘴、基板22与观察口13三者处同一直线上，目的是使沉积坯沉积于基板22中心，同时通过抽真空口12对雾化室11抽真空。

（4）开启中央控制器1和第二数据收集器24，将步骤（2）所得的成分及温度均匀的W18高速钢熔体经熔炼炉15以5Kg/min的速度匀速倒入预热的的浇包16中，浇包16的水口直径为10mm，控制倒入与流出浇包16水口的高速钢熔体速度不变，始终使浇包熔体液面高度保证稳定。浇包16的水口置于雾化器支撑板19上的中间包17导液管上方50mm处，浇包16的预热温度为800℃，浇包16温度通过第二数据收集器24加以监控。

（5）步骤（3）中从浇包16水口中流出的高速钢熔体流入预热温度为1000℃的中间包17中，中间包17内的熔体浸没浇包16水口，以防熔体溅出，中间包16导液管直径6mm，在高速钢熔体流出中间包导液管的瞬间，以纯度＞99.9wt.%，压力为1.5MPa的高速N2经输气管10将流出的熔体破碎，并启动凸轮20以30r/min转速转动，使雾化器支撑板19及中间包17在波纹管21和凸轮20的作用下呈3°范围内来回摆动，破碎后的高速钢液滴溅射在沉积室8内转动的预热基板22上，通过数显激光器25检测沉积坯的温度，并反馈至第一数据收集器2上、同时调控升降控制器3以及转动器5，控制基板22和基板支撑柱4以速度为30r/min转动并下降，以保证累积的沉积层与中间包喷嘴的高度在100mm保持不变，基板22预热温度为450℃，同时开启除尘器7，打开排气孔6，以使沉积室8内的气体排出，保证沉积坯的质量，直至喷射完成。

（6）待喷射完毕后制备的高速钢锭坯冷却，通过锻造或轧制等手段将高速钢锭坯致密化处理。

实施例二

（1）选择一种小块状M2高速钢材料

（2）将步骤（1）所述M2高速钢材料放入熔炼炉15内加热至1460℃，并在熔炼炉15内保温80min，使熔融高速钢熔体各部分成分及温度达到均匀状态，得到成分及温度均匀的M2高速钢熔体。

（3）开启滑板控制器23控制滑板9的滑动速度及方向，通过滑板9调控中间包17的喷嘴、基板22与观察口13三者处同一直线上，目的是使沉积坯沉积于基板22中心，同时通过抽真空口12对雾化室11抽真空。

（4）开启中央控制器1和数据收集器24，将步骤（2）所得的成分及温度均匀的M2高速钢熔体经熔炼炉15以6Kg/min的速度匀速倒入预热的浇包16中，浇包16的水口直径为12mm，控制倒入与流出浇包16水口的高速钢熔体速度不变，始终使浇包熔体液面高度保证稳定。浇包16的水口置于雾化器支撑板19上的中间包17导液管上方50mm处，浇包16的预热温度为900℃，浇包16温度通过第二数据收集器24加以监控。

（5）步骤（3）中从浇包16水口中流出的高速钢熔体流入预热温度为1100℃的中间包17中，中间包17内的熔体浸没浇包16水口，以防熔体溅出，中间包16导液管直径10mm，在高速钢熔体流出中间包导液管的瞬间，以纯度＞99.9wt.%，压力为2MPa的高速N2经输气管10将流出的熔体破碎，并启动凸轮20以50r/min转速转动，使雾化器支撑板19及中间包17在波纹管21和凸轮20的作用下呈3°范围内来回摆动，破碎后的高速钢液滴溅射在沉积室8内转动的预热基板22上，通过数显激光器25检测沉积坯的温度，并反馈至第一数据收集器2上、同时调控升降控制器3以及转动器5，控制基板22和基板支撑柱4以速度为60r/min转动并下降，以保证累积的沉积层与中间包喷嘴的高度在150mm保持不变，基板22预热温度为450℃，同时开启除尘器7，打开排气孔6，以使沉积室8内的气体排出，保证沉积坯的质量，直至喷射完成。

（6）待喷射完毕后制备的高速钢锭坯冷却，通过锻造或轧制等手段将高速钢锭坯致密化处理。

Claims (4)

1.一种摆动式喷射沉积雾化器，所述摆动式雾化器包含有：雾化室、沉积室和控制系统，所述雾化室中设有中间包装置、支撑板装置、波纹管摆动装置；所述沉积室中设有基板、基板支柱和转动器，其特征在于：所述中间包装置由浇包和中间包组成，所述浇包底部通过导液管与所述中间包相连通，将所述浇包中的金属熔体连续均匀导流入所述中间包中；所述支撑板装置由支撑板、凸轮、定位轴、滑板组成，所述支撑板两端下面与所述凸轮相连接，中间部位支撑于所述波纹管摆动装置中的波纹管上，所述波纹管摆动装置由波纹管及设置在波纹管内的雾化器组成，所述雾化器的上部固定在所述基板下面，所述中间包底部通过导液管与所述雾化器相连通，将所述中间包中的金属熔体送入雾化器，并在雾化器中雾化，所述凸轮转动带动所述基板两端绕所述波纹管摆动，从而带动固定在支撑板下面的雾化器摆动，形成摆动的金属雾；所述基板固定连接在所述基板支柱的上端，所述基板下端连接在所述转动器上，所述转动器一方面带动所述基板支柱转动，一方面带动所述基板支柱上下运动；所述控制系统由中央控制器、数据收集器、升降控制器、滑板控制器、数显激光器组成，所述中央控制器将各数据收集器的数据进行处理并向升降控制器、滑板控制器发布指令，分别控制所述滑板滑动和所述基板支柱上下运动，所述数据收集器将数显激光器采集到的信息收集并传输给中央控制器，所述数显激光器用于采集被监测部件的各设定信息。

2.根据权利要求1所述的一种摆动式喷射沉积雾化器，其特征在于：所述中间包与所述雾化器之间的所述导液管摆动角度范围在3～5°。

3.根据权利要求1所述的一种摆动式喷射沉积雾化器，其特征在于：所述凸轮设计成带动雾化器支撑板、中间包及波纹管在喷射所需的角度范围内做摆动的机械结构形式。

4.根据权利要求1所述的一种摆动式喷射沉积雾化器，其特征在于：所述浇包及中间包外壁设置保温装置，使高速钢熔体流经中间包或浇包时处熔融状态。

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