RU194662U1

RU194662U1 - DEVICE FOR GAS-THERMAL OXIDATION OF METAL PRODUCTS

Info

Publication number: RU194662U1
Application number: RU2019124802U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Родионов; Ирина Владимировна Перинская; Любовь Евгеньевна Куц; Надежда Александровна Вавилина; Ольга Дмитриевна Тищенко; Виталий Игоревич Проскуряков
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2019-12-18

Abstract

Полезная модель относится к электротермическому оборудованию для газотермической обработки (оксидирования) металлоизделий, применяемых в машиностроении, химическом производстве, судостроении, имплантационной медицине и выполняемых из различных конструкционных металлических материалов с целью повышения прочностных характеристик и защитных свойств поверхности. Технический результат полезной модели заключается в придании поверхности металлоизделий широкого спектра функциональных свойств и эксплуатационных характеристик за счет получения термооксидных покрытий, модифицированных частицами различных порошковых материалов, а также в получении равномерного по толщине модифицированного слоя и снижении расхода порошковых материалов за счет обеспечения их дозированной подачи. Устройство для газотермического оксидирования металлических изделий, включающее камеру оксидирования с системами нагрева и охлаждения, узлы для проточной подачи через камеру окислительной газовой среды, узлы для проточной подачи защитного охлаждающего газа и закрытом с двух противоположных сторон крышками, в одну из которых вмонтированы узел для подачи окислительной газовой среды и термопара, а другая - снабжена защелкой, камера оксидирования выполнена с возможностью охлаждения оксидированных металлических изделий, при этом узел для подачи защитного охлаждающего газа вмонтирован в крышку устройства наряду с узлом для подачи окислительной газовой среды, а для отвода защитного охлаждающего газа из камеры использован узел для отвода окислительной газовой среды, узел для проточной подачи через камеру оксидирования окислительной газовой среды дополнительно содержит систему одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды. 1 ил.The utility model relates to electrothermal equipment for the thermal treatment (oxidation) of metal products used in mechanical engineering, chemical production, shipbuilding, implant medicine and made of various structural metal materials in order to increase the strength characteristics and protective properties of the surface. The technical result of the utility model is to give the surface of metal products a wide range of functional properties and operational characteristics due to the production of thermo-oxide coatings modified by particles of various powder materials, as well as to obtain a uniform thickness layer of the modified layer and to reduce the consumption of powder materials by ensuring their metered supply. A device for gas-thermal oxidation of metal products, including an oxidation chamber with heating and cooling systems, nodes for the flow supply of an oxidizing gas medium through the chamber, nodes for the flow supply of a protective cooling gas and lids closed on two opposite sides, in one of which are mounted an oxidation supply unit gas medium and a thermocouple, and the other is provided with a latch, the oxidation chamber is configured to cool oxidized metal products, while the unit for a protective cooling gas supply is mounted in the device lid along with an oxidizing gas supply unit, and for removing the protective cooling gas from the chamber, an oxidizing gas medium extraction unit is used, the node for flowing supply of an oxidizing gas medium through the oxidation chamber further comprises a system for simultaneous dosed powder supply materials and oxidizing gas environment. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к электротермическому оборудованию для газотермической обработки (оксидирования) металлоизделий, применяемых в машиностроении, химическом производстве, судостроении, имплантационной медицине и выполняемых из различных конструкционных металлических материалов с целью повышения прочностных характеристик и защитных свойств поверхности.The utility model relates to electrothermal equipment for gas thermal treatment (oxidation) of metal products used in mechanical engineering, chemical production, shipbuilding, implant medicine and made of various structural metal materials in order to increase the strength characteristics and protective properties of the surface.

Термооксидные покрытия на металлических изделиях получают с использованием газовых сред, преимущественно не содержащих воздух, что позволяет минимизировать образование в оксидном слое нежелательных металлонитридных соединений, ухудшающих качество оксидированной поверхности. Однако большинство известных устройств для газотермического оксидирования не имеют технической возможности для подачи в технологическую камеру порошковых материалов, содержащих также фракции наночастиц для дополнительного модифицирования поверхности и придания ей различных функциональных свойств и эксплуатационных характеристик.Thermal oxide coatings on metal products are obtained using gaseous media, mainly not containing air, which minimizes the formation of undesirable metal nitride compounds in the oxide layer that impair the quality of the oxidized surface. However, most of the known devices for thermal thermal oxidation do not have the technical ability to feed into the process chamber powder materials containing fractions of nanoparticles to further modify the surface and give it various functional properties and operational characteristics.

Известна конструкция устройства для оксидирования металлов и сплавов [патент РФ 2189400, МПК: С23С 8/16, С23С 8/18, опубликован 20.09.2002], включающая камеру оксидирования (паровую камеру), систему циркуляции паровоздушной смеси, емкость с жидкой средой, конденсатор пара и сборник конденсата, систему нагрева камеры оксидирования, узел для подачи газовой смеси в камеру.A known design of a device for the oxidation of metals and alloys [RF patent 2189400, IPC: C23C 8/16, C23C 8/18, published September 20, 2002], including an oxidation chamber (steam chamber), a vapor-air mixture circulation system, a container with a liquid medium, a condenser steam and a condensate collector, an oxidation chamber heating system, a unit for supplying a gas mixture to the chamber.

Недостатком данной конструкции является сложность и громоздкость конструкции. Изделия из титана и его сплавов оксидируются в данном устройстве с образованием в оксидном слое хрупких титанонитридных соединений из-за отсутствия в устройстве технической возможности для охлаждения изделий в защитном газе, а также отсутствие системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства для дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материаловThe disadvantage of this design is the complexity and bulkiness of the design. Products made of titanium and its alloys are oxidized in this device with the formation of brittle titanonitride compounds in the oxide layer due to the lack of technical ability of the device to cool the products in protective gas in the device, as well as the lack of a system for the metered supply of powder materials and an oxidizing gas medium to the device’s oxidation chamber for additional modification of the oxidized surface by particles of powder materials

Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция устройства для газотермического оксидирования изделий из титана и его сплавов [патент РФ 89528, МПК: С23С 8/16, С23С 8/18, опубликован 10.12.2009], которая включает камеру оксидирования с системами нагрева и охлаждения, узлы для проточной подачи через камеру окислительной газовой среды, узлы для проточной подачи защитного охлаждающего газа и закрытом с двух противоположных сторон крышками, в одну из которых вмонтированы узел для подачи окислительной газовой среды и термопара, а другая - снабжена защелкой, камера оксидирования выполнена с возможностью охлаждения оксидированных титановых изделий, при этом узел для подачи защитного охлаждающего газа вмонтирован в крышку устройства наряду с узлом для подачи окислительной газовой среды, а для отвода защитного охлаждающего газа из камеры использован узел для отвода окислительной газовой среды.Closest to the proposed solution is the design of a device for gas-thermal oxidation of products from titanium and its alloys [RF patent 89528, IPC: C23C 8/16, C23C 8/18, published December 10, 2009], which includes an oxidation chamber with heating and cooling systems, nodes for flowing through an oxidizing gas chamber, nodes for flowing through a protective cooling gas and closed by covers on two opposite sides, in one of which are mounted a node for supplying an oxidizing gas and a thermocouple, and the other a sleep It has a latch, the oxidation chamber is configured to cool oxidized titanium products, while the protective cooling gas supply unit is mounted in the device cover along with the oxidizing gas medium supply unit, and the oxidizing gas medium removal unit is used to remove the protective cooling gas from the chamber.

Недостатком данной конструкции является отсутствие системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства для дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошкового материала.The disadvantage of this design is the lack of a system for the dosed supply of powder materials and an oxidizing gas medium into the oxidation chamber of the device for additional modification of the oxidized surface by particles of powder material.

Задачей полезной модели является создание конструкции устройства для газотермического оксидирования с системой одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства с целью дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материалов и при экономическом использовании порошковых материалов.The objective of the utility model is to create the design of a device for gas thermal oxidation with a system for the simultaneous dosed supply of powder materials and an oxidizing gas medium into the oxidation chamber of the device with the aim of additional modification of the oxidized surface by particles of powder materials and in the economic use of powder materials.

Технический результат полезной модели заключается в придании поверхности металлоизделий широкого спектра функциональных свойств и эксплуатационных характеристик за счет получения термооксидных покрытий, модифицированных частицами различных порошковых материалов, а также в снижении расхода порошковых материалов за счет обеспечения их дозированной подачи.The technical result of the utility model is to give the surface of metal products a wide range of functional properties and operational characteristics due to the production of thermoxide coatings modified by particles of various powder materials, as well as to reduce the consumption of powder materials by ensuring their metered supply.

Поставленная задача решается следующим образом. Предложенное устройство для газотермического оксидирования металлических изделий содержит камеру оксидирования с вмонтированным газоотводящим штуцером для отвода из нее избытка окислительной газовой среды и защитного охлаждающего газа, соединенную с нагревательным элементом и системой охлаждения, газоподводящим штуцером для проточной подачи в упомянутую камеру окислительной газовой среды, штуцером для проточной подачи защитного охлаждающего газа и закрытую с двух противоположных сторон крышками, в одну из которых вмонтированы газоподводящий штуцер для подачи окислительной газовой среды, термопара и штуцер для проточной подачи защитного охлаждающего газа, при этом другая крышка снабжена защелкой, при этом камера оксидирования выполнена с возможностью охлаждения оксидированных металлических изделий. Заявленное устройство также содержит воронку для подачи порошковых материалов и камеру смешивания с дозатором для одновременной дозированной подачи в камеру оксидирования порошковых материалов и окислительной газовой среды, соединенные с камерой оксидирования через упомянутый газоподводящий штуцер для проточной подачи. The problem is solved as follows. The proposed device for thermal thermal oxidation of metal products contains an oxidation chamber with a mounted exhaust pipe for removing excess oxidizing gas and protective cooling gas from it, connected to a heating element and a cooling system, a gas supply pipe for flowing in an oxidizing gas medium into the said chamber, a fitting for flowing protective gas supply and closed by lids on two opposite sides, in one of which are mounted zopodvodyaschy nozzle for supplying an oxidizing gas environment, a thermocouple and a connection for flow of cooling gas in the shielding, while the other cover is provided with a latch, the oxidation chamber is adapted to cooling oxidised metal products. The claimed device also contains a funnel for supplying powder materials and a mixing chamber with a dispenser for simultaneous dosed supply of powder materials and an oxidizing gas medium into the oxidation chamber, connected to the oxidation chamber through said gas supply fitting for flow supply.

С применением предлагаемой системы можно обрабатывать такие металлические конструкционные материалы, как нержавеющие стали, кобальтохромовые сплавы, титан, цирконий, медь, алюминий и их сплавы, широко применяемые в машиностроении, судостроении, химической промышленности, медицинской технике. В качестве порошковых материалов могут быть использованы наноразмерные и ультрамелкодисперсные мелкодисперсные фракции карбида титана, оксида титана, оксида циркония, оксида тантала, оксида алюминия.Using the proposed system, it is possible to process such metal structural materials as stainless steels, cobalt-chrome alloys, titanium, zirconium, copper, aluminum and their alloys, which are widely used in mechanical engineering, shipbuilding, chemical industry, and medical equipment. As powder materials can be used nanoscale and ultrafine fine fractions of titanium carbide, titanium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, aluminum oxide.

Описание конструкции.Description of the design.

Предложенное устройство (фиг.) состоит из цилиндрической камеры 1, закрытой с двух сторон крышками 2 и 3, которая снабжена термопарой 4 и системой нагрева в виде расположенного на корпусе нагревательного элемента 5, соединенного с токоизолированными электрическими выводами 6 источника питания (на чертеже не показан). С внешней стороны нагревательный элемент 5 закрыт кожухом 7 с прокладками из теплоизолирующего материала. В крышку 2 вмонтирован штуцер 8 для подачи окислительной газовой среды для осуществления процесса оксидирования и штуцер 9 для подачи защитного газа для охлаждения изделий. Для отвода отработавших газов после оксидирования и охлаждения изделий в корпус камеры 1 вмонтирован газоотводящий штуцер 10. Устройство имеет систему охлаждения камеры 1 в виде охлаждающих контуров 11 со штуцерами, обеспечивающими циркуляцию жидкой среды. Охлаждающие контуры 11 расположены на корпусе камеры 1 с двух сторон нагревательного элемента 5 на равном от него расстоянии. Крышки 2 и 3 снабжены уплотнительными кольцами (на чертеже не показано), кроме этого, крышка 3 снабжена защелкой 12 для открывания и закрывания камеры 1. К камере 1 через штуцер 8 подсоединен система одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды, которая состоит из воронки 13, камеры смешивания 14, штуцера 15 для соединения с газовым баллоном и отвода 16 для соединения со штуцером 8 через переходник 17. В камере смешивания 14 имеется дозатор 18 для получения равномерного по толщине модифицированного слоя на поверхности обрабатываемых изделий, размещаемых в камере 1 (на чертеже не показаны), и для снижения расхода порошковых материалов.The proposed device (Fig.) Consists of a cylindrical chamber 1, closed on both sides by covers 2 and 3, which is equipped with a thermocouple 4 and a heating system in the form of a heating element 5 located on the housing, connected to current-insulated electrical leads 6 of a power source (not shown in the drawing ) On the outside, the heating element 5 is closed by a casing 7 with gaskets of heat insulating material. A fitting 8 for supplying an oxidizing gas medium for carrying out the oxidation process and a fitting 9 for supplying a protective gas for cooling products are mounted in the cover 2. For exhaust gas removal after oxidation and cooling of the products, a gas outlet fitting 10 is mounted in the chamber 1 body. The device has a cooling chamber 1 in the form of cooling circuits 11 with fittings for circulating a liquid medium. The cooling circuits 11 are located on the housing of the chamber 1 on both sides of the heating element 5 at an equal distance from it. Covers 2 and 3 are provided with o-rings (not shown in the drawing), in addition, the cap 3 is provided with a latch 12 for opening and closing the chamber 1. To the chamber 1 through the nozzle 8 is connected a system for the simultaneous dosed supply of powder materials and an oxidizing gas medium, which consists of funnel 13, mixing chamber 14, nozzle 15 for connecting to a gas cylinder and outlet 16 for connecting to nozzle 8 through an adapter 17. In the mixing chamber 14 there is a dispenser 18 to obtain a uniform thickness layer of the modified layer on the surface of the processed products placed in the chamber 1 (not shown in the drawing), and to reduce the consumption of powder materials.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При открытой крышке 3 производят загрузку обрабатываемых изделий в камеру 1. После закрытия крышки 3 на защелку 12, с помощью токоизолированных электрических выводов 6, соединенных с источником питания производят включение нагревательного элемента 5, закрытого кожухом 7 с прокладками из теплоизолирующего материала для обеспечения заданной температуры в камере 1, используя при этом термопару 4. Через газоподводящий штуцер 8 крышки 2 в камеру 1 проточно подают смесь порошкового материала с окислительной газовой средой и осуществляют процесс газотермической обработки изделий. Через газоотводящий штуцер 10 производят отвод избытка окислительной газовой среды из камеры 1.When the lid 3 is open, the processed products are loaded into the chamber 1. After closing the lid 3 on the latch 12, using a current-insulated electrical terminals 6 connected to a power source, the heating element 5 is closed, closed by a casing 7 with gaskets of heat-insulating material to ensure a given temperature in chamber 1, using a thermocouple 4. Through a gas supply fitting 8 of the cover 2, a mixture of powder material with an oxidizing gas medium is flowed through to chamber 1 and the process r zotermicheskoy products processing. Through the exhaust pipe 10, the excess oxidizing gas medium is removed from the chamber 1.

Порошковый материал засыпают в воронку 13, из которой он поступает в камеру смешивания 14, имеющую дозатор 18 для снижения расхода порошковых материалов. Порционно попадая на лопасти дозатора 18 порошковый материал дозируется, смешивается с окислительной газовой средой, подаваемой через штуцер 15. Увлекая за собой частицы порошкового материала, окислительная газовая среда через штуцер 16 и переходник 17 поступает в камеру 1. Нагретые в камере 1 частицы порошкового материала осаждаются и закрепляются на термоактивированной поверхности за счет протекания термодиффузионных процессов, в результате чего оксидированная поверхность дополнительно модифицируется и приобретает повышенные физико-механические характеристики и защитные свойства. После завершения процесса газотермической обработки нагревательный элемент 5 отключают от источника питания, включают прокачку охлаждающей жидкой среды через контуры 11 для охлаждения камеры 1 и через штуцер 9 подают защитный газ для охлаждения модифицированных изделий, который отводится через штуцер 10. После завершения охлаждения оксидированных изделий и камеры 1, открыв крышку 3, изделия извлекают из устройства.The powder material is poured into a funnel 13, from which it enters the mixing chamber 14, which has a dispenser 18 to reduce the consumption of powder materials. When the powder material is portioned onto the blades of the dispenser 18, the powder material is dosed, mixed with the oxidizing gas medium supplied through the nozzle 15. Carrying the particles of the powder material, the oxidizing gas medium passes through the nozzle 16 and the adapter 17 into the chamber 1. The particles of the powder material heated in the chamber 1 are deposited and are fixed on a thermally activated surface due to thermal diffusion processes, as a result of which the oxidized surface is additionally modified and acquires increased physical mechanical characteristics and protective properties. After completion of the thermal treatment process, the heating element 5 is disconnected from the power source, pumping the cooling liquid through the circuits 11 to cool the chamber 1, and through the nozzle 9 serves a protective gas for cooling the modified products, which is discharged through the nozzle 10. After the cooling of the oxidized products and the chamber 1, opening the cover 3, the product is removed from the device.

Таким образом, предложенное устройство для газотермического оксидирования металлических изделий с наличием системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования позволяет получать оксидные покрытия, не содержащие хрупкие металлонитридные соединения и низкокоррозионностойкие металлооксидные фазы, существенно снижающие прочностные характеристики и защитные свойства поверхности металлоизделий. Получаемое покрытие характеризуется равномерностью по толщине, а сам процесс газотермической обработки - высокоэффективным использованием порошковых материалов за счет обеспечения их дозированной подачи и снижения расхода.Thus, the proposed device for gas-thermal oxidation of metal products with a simultaneous dosed supply of powder materials and an oxidizing gas medium into the oxidation chamber allows to obtain oxide coatings that do not contain brittle metal nitride compounds and low corrosion-resistant metal oxide phases, which significantly reduce the strength characteristics and protective properties of the metal surface. The resulting coating is characterized by uniformity in thickness, and the thermal treatment process itself is characterized by highly efficient use of powder materials by ensuring their metered supply and reducing consumption.

Claims

A device for gas-thermal oxidation of metal products, comprising an oxidation chamber with a built-in gas outlet fitting for removing excess oxidizing gas medium and a protective cooling gas therefrom, connected to a heating element and a cooling system, a gas supply nozzle for flowing in an oxidizing gas medium into the said chamber, a fitting for flowing protective gas supply and closed on two opposite sides by lids, one of which is mounted gas supply a nipple for supplying an oxidizing gas medium, a thermocouple and a nipple for flowing supply of protective cooling gas, while the other cover is provided with a latch, while the oxidation chamber is configured to cool oxidized metal products, characterized in that it contains a funnel for supplying powder materials and a chamber mixing with a dispenser for the simultaneous dosed supply into the oxidation chamber of powder materials and an oxidizing gas medium connected to the oxidation chamber through the aforementioned th the gas supply connection for running feed.