RU2426623C1 - Device to apply coats on diamond powders - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to device intended for applying coats on diamond powders. Proposed device comprises loading rotary powder dispenser, magnetron, anode to spray coat material and driven powder mixer that doubles as holder. The latter is made up of conical drum consisting of conical segments partially overlapping each other in one direction with clearance arranged between them to produce difference between surfaces of said segments to intensify powder mixing in one rotational direction of said drum and discharging metalised powder in changing said direction. ^ EFFECT: uniform and homogeneous coat. ^ 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройству для нанесения покрытий на абразивные зерна, порошки, и может найти применение в инструментальном производстве при изготовлении алмазных абразивных инструментов.The invention relates to powder metallurgy, in particular to a device for coating abrasive grains, powders, and may find application in tool production in the manufacture of diamond abrasive tools.

Известно изобретение по патенту RU 2344902 С1, МПК С23С 14/34. Согласно описанию, устройство состоит из вакуумной камеры, снабженной системой откачки, с расположенным в ней генератором потока частиц напыляемого материала покрытия, направленного сверху вниз, и установленным под ним виброперемешивателем-держателем порошка, кинематически связанным с вибропроводом, обеспечивающим возвратно-поступательные перемещения виброперемешивателя-держателя порошка вдоль вертикальной оси. Второй привод, кинематически связанный с виброперемешивателем-держателем порошка, обеспечивает его постоянное или импульсное вращение вокруг вертикальной оси. Виброперемешиватель-держатель порошка выполнен в виде цилиндрической чаши с плоским дном, параллельно которому установлены цилиндрические пружины, пересекающиеся в их середине, концы которых закреплены на рамке на равном расстоянии друг от друга. Рамка может быть установлена на держателе с возможностью перемещения по вертикали.The invention is known by patent RU 2344902 C1, IPC C23C 14/34. According to the description, the device consists of a vacuum chamber equipped with a pumping system, with a particle flow generator of the sprayed coating material directed from top to bottom located therein and a vibro-mixer of powder holder mounted under it kinematically connected to a vibro-conductor providing reciprocating movements of the vibro-mixer-holder powder along the vertical axis. The second drive, kinematically connected with the powder stirrer-holder, ensures its constant or impulse rotation around the vertical axis. The powder stirrer-holder is made in the form of a cylindrical bowl with a flat bottom, in parallel with which there are cylindrical springs intersecting in their middle, the ends of which are fixed on the frame at an equal distance from each other. The frame can be mounted on the holder with the ability to move vertically.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- Невозможность сохранения равномерности размещения порошкового материала на поверхности плоского дна чашки в процессе металлизации, так как из-за температурных деформации узлов и деталей виброперемешивателя - держателя нарушается горизонтальность расположения дна чашки. Смещение массы порошкового материала при его вибрации осложняет условия поддержания его в псевдокипящем состоянии, а следовательно, и возможность получения равномерности покрытия на частицах порошка.- The inability to maintain uniform distribution of the powder material on the surface of the flat bottom of the cup during metallization, as the horizontal position of the bottom of the cup is violated due to thermal deformation of the nodes and parts of the vibro-mixer. The displacement of the mass of the powder material during its vibration complicates the conditions for maintaining it in a pseudo-boiling state, and hence the possibility of obtaining uniformity of coating on the powder particles.

- Невозможность обеспечения также равномерности покрытия на разных гранях абразивных зерен одним возвратно-поступательным перемещением виброперемешивателя-держателя порошка вдоль вертикальной оси. Необходимо сообщение частицам дополнительных импульсов, интенсифицирующих их вращение в парах осаждаемого покрытия.- The inability to ensure uniformity of coating on different faces of abrasive grains with one reciprocating movement of the vibro-mixer-powder holder along the vertical axis. It is necessary to communicate additional impulses to the particles, intensifying their rotation in the vapor of the deposited coating.

- Сложность механизации выгрузки обработанного порошка без разгерметизации вакуумной камеры.- The complexity of the mechanization of unloading the treated powder without depressurization of the vacuum chamber.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для нанесения покрытий на порошки методом напыления в вакууме, в котором в качестве держателя-перемешивателя порошкового материала используется вращающийся конусообразный барабан (Ройх Н.Л., Новиков Н.Н. Нанесение металлических покрытий на порошки методом напыления в вакууме. // Порошковая металлургия, 1975, №8, С.1…9). Движение частиц, под действием центробежных сил, происходит по стенкам конусообразного барабана в направлении распространения пара, получаемого испарением материала покрытия.Closest to the proposed one is a device for coating powders by vacuum deposition, in which a rotating cone-shaped drum is used as a holder-mixer of powder material (Roich N.L., Novikov N.N. Metal coating on powders by vacuum spraying . // Powder metallurgy, 1975, No. 8, C.1 ... 9). The movement of particles, under the action of centrifugal forces, occurs along the walls of a cone-shaped drum in the direction of vapor distribution obtained by evaporation of the coating material.

Недостатком является получение неравномерных покрытий на зернах алмазного порошка. Это связано с тем, что из известных материалов алмаз имеет самый низкий коэффициент трения, и поэтому существенно снижается интенсивность вращения алмазных зерен при движении их по стенкам барабана под действием центробежных сил.The disadvantage is the receipt of uneven coatings on the grains of diamond powder. This is due to the fact that of the known materials, diamond has the lowest coefficient of friction, and therefore, the intensity of rotation of diamond grains decreases when they move along the walls of the drum under the action of centrifugal forces.

Кроме того, на алмазные порошки наносят в вакууме покрытия из тугоплавких карбидообразующих металлов с использованием диодных, триодных, магнетронных или электронно-лучевых систем распыления материала. Скорость распыления материала покрытия данными системами во много раз меньше, чем испарением, что затрудняет возможность достижения необходимой толщины покрытия на зернах обрабатываемого порошка за один цикл обработки на данном устройстве. Периодическое возвращение частиц в держатель-перемешиватель для повторной металлизации сопровождается загрязнением формирующегося покрытия примесями остаточной среды и атомами используемого инертного газа при нахождении порошка вне зоны нанесения покрытий.In addition, refractory carbide-forming metals are vacuum-coated on diamond powders using diode, triode, magnetron or electron beam systems for spraying the material. The spraying speed of the coating material by these systems is many times lower than by evaporation, which makes it difficult to achieve the required coating thickness on the grains of the processed powder in one processing cycle on this device. The periodic return of particles to the stirring holder for re-metallization is accompanied by contamination of the formed coating with impurities of the residual medium and atoms of the inert gas used when the powder is outside the coating zone.

Задачей изобретения является повышение стойкости алмазных инструментов за счет улучшения равномерности и однородности покрытия на алмазных зернах путем интенсификации процесса перемешивания порошка в зоне нанесения покрытий, а также упрощение системы его выгрузки.The objective of the invention is to increase the durability of diamond tools by improving the uniformity and uniformity of the coating on diamond grains by intensifying the process of mixing the powder in the coating zone, as well as simplifying the system of its unloading.

Устройство содержит рабочую камеру 1 с системой откачки. В камере размещены роторный загрузочный дозатор 2, источник распыления материала покрытия, состоящий из магнетрона 3 с распыляемым материалом и анода 4. Под распыляемым материалом выставлен держатель-перемешиватель порошка 5, собранный из дугообразных конических сегментов в виде конусного барабана. Сегменты частично перекрывают друг друга в одном направлении. В местах перекрытия между сегментами созданы зазоры. Конические сегменты толщиной порядка 1 мм изготовлены из материала покрытия. Под конусным барабаном выставлен сборник 6.The device comprises a working chamber 1 with a pumping system. A rotary loading batcher 2, a source of spraying of the coating material, consisting of a magnetron 3 with the sprayed material and the anode 4, is placed under the sprayed material. A powder mixer-holder 5, assembled from arched conical segments in the form of a conical drum, is exposed. Segments partially overlap each other in one direction. In places of overlap between the segments created gaps. Conical segments with a thickness of about 1 mm are made of coating material. Under the cone drum, a collection of 6 is exhibited.

Устройство работает следующим образом. В ячейки роторного дозатора 2 загружают дозированные порции алмазного порошка и в камере 1 создают вакуум 5·10^-4 Па. Затем напуском аргона через игольчатый натекатель устанавливают рабочий вакуум 0,01 Па и поддерживают его постоянным.The device operates as follows. Dosed portions of diamond powder are loaded into the cells of the rotary dispenser 2 and a vacuum of 5 · 10 ^-4 Pa is created in chamber 1. Then, by pouring argon through a needle leakage, a working vacuum of 0.01 Pa is established and kept constant.

Включают вращение конусного барабана 5 на малые обороты и в него подают первую партию порошка. При выводе одной из ячеек роторного дозатора на позицию выгрузки ролик кронштейна наезжает на дно ячейки, преодолевает усилие прижимной пластинчатой пружины, в результате чего раскрывается ячейка и порошок поступает в держатель-перемешиватель. Наблюдая за процессом перемешивания через смотровое окно, устанавливают оптимальную частоту вращения барабана.Turn on the rotation of the cone drum 5 at low speed and it serves the first batch of powder. When one of the cells of the rotary batcher is brought to the unloading position, the bracket roller runs to the bottom of the cell, overcomes the force of the clamping leaf spring, as a result of which the cell opens and the powder enters the stirring holder. Observing the mixing process through the viewing window, establish the optimal frequency of rotation of the drum.

Процесс перемешивания порошка происходит в нижней (горизонтальной) части конического барабана и интенсифицируется перепадами между рабочими поверхностями сегментов. При ссыпании порошка с одного сегмента на другой наблюдается подбрасывание алмазных зерен за счет соударения их с поверхностью следующего сегмента.The process of mixing the powder occurs in the lower (horizontal) part of the conical drum and is intensified by the differences between the working surfaces of the segments. When pouring powder from one segment to another, there is a tossing of diamond grains due to their collision with the surface of the next segment.

Для дополнительной интенсификации процесса перемешивания порошкового материала дугообразные конические сегменты закреплены относительно центральной оси под различными углами. В результате данного технического решения при вращении барабана прямая образующая линия поверхности различных конических сегментов составляет с горизонтальной плоскостью поочередно различные углы: +α; 0°; -α; 0°. Такое закрепление сегментов способствует дополнительному периодическому возвратно-поступательному перемещению порошка вдоль сегментов, что способствует не только интенсификации процесса перемешивания, но и многократному прохождению всеми частицами порошка всех зон осаждения паров металла с различной интенсивностью распыления.To further intensify the process of mixing the powder material, the arcuate conical segments are fixed relative to the central axis at different angles. As a result of this technical solution, when the drum rotates, the straight generatrix of the surface of the various conical segments makes alternately different angles with the horizontal plane: + α; 0 °; -α; 0 °. Such fixing of the segments contributes to an additional periodic reciprocating movement of the powder along the segments, which contributes not only to the intensification of the mixing process, but also to the multiple passage by all powder particles of all the zones of vapor deposition of the metal with different spraying intensities.

При обработке алмазных порошков зернистостью 1800/1630 оптимальное значение угла а лежит в пределах 5°…7°, а для порошков зернистостью 500/400 - 12°…15°.When processing diamond powders with a grain size of 1800/1630, the optimal value of the angle a lies within 5 ° ... 7 °, and for powders with a grain size of 500/400 - 12 ° ... 15 °.

Интенсивный процесс перемешивания порошка в предлагаемом устройстве держателя-перемешивателя осуществляется сочетанием различных способов воздействия на его частицы: вращением барабана, ссыпанием с определенной высоты, периодическим возвратно-поступательным перемещением по наклонным плоскостям.The intensive process of mixing the powder in the proposed device of the holder-mixer is carried out by a combination of various methods of influencing its particles: by rotating the drum, pouring from a certain height, periodic reciprocating movement on inclined planes.

После установления оптимального режима вращения барабана включается питание магнетронного распылителя и осуществляется процесс металлизации порошка при напряжении разряда (0,8…1) кВ и токе разряда (2…3) А.After establishing the optimal mode of rotation of the drum, the power of the magnetron atomizer is turned on and the process of metallization of the powder is carried out at a discharge voltage (0.8 ... 1) kV and a discharge current (2 ... 3) A.

По окончании процесса металлизации с магнетрона 3 снимается напряжение, включается обратное вращение барабана 5 и металлизированный порошок высыпается через зазоры между сегментами конического барабана в сборник 6. После выгрузки обработанного порошка снова меняется направление вращения конического барабана и при малых частотах его вращения дозатором подается следующая партия порошка, и процесс металлизации повторяется.At the end of the metallization process, the voltage is removed from the magnetron 3, the reverse rotation of the drum 5 is turned on, and the metallized powder is poured through the gaps between the segments of the conical drum into the collector 6. After the treated powder is unloaded, the direction of rotation of the conical drum again changes and at low frequencies of its rotation the next batch of powder is fed , and the metallization process is repeated.

На фиг.1 изображен общий вид устройства в разрезе.Figure 1 shows a General view of the device in section.

На фиг.2 - конусный барабан (вид А), собранный из дугообразных конических сегментов, частично перекрывающих друг друга в одном направлении. В местах перекрытия между сегментами созданы зазоры, размер Δ которых превышает размер частиц обрабатываемого порошка не менее чем в пять раз.Figure 2 - conical drum (type A), assembled from arched conical segments, partially overlapping each other in one direction. In the places of overlap between the segments, gaps were created, the size Δ of which exceeds the particle size of the processed powder by at least five times.

На фиг.3 показано, что прямая образующая линия поверхности одного из сегментов при вращении конического барабана располагается относительно горизонтальной плоскости под углом α.Figure 3 shows that the straight generatrix of the surface of one of the segments during rotation of the conical drum is located relative to the horizontal plane at an angle α.

На фиг.4 - прямая образующая линия поверхности следующего сегмента располагается параллельно горизонтальной плоскости.Figure 4 - a direct generatrix of the surface line of the next segment is parallel to the horizontal plane.

На фиг.5 - прямая образующая линия поверхности третьего сегмента располагается относительно горизонтальной плоскости под отрицательным углом α.Figure 5 - a straight generatrix of the surface of the third segment is located relative to the horizontal plane at a negative angle α.

На фиг.6 - прямая образующая линия поверхности четвертого сегмента располагается, как и второго, параллельно горизонтальной плоскости.In Fig.6 - a direct generatrix of the surface line of the fourth segment is located, like the second, parallel to the horizontal plane.

Использование предлагаемого держателя-перемешивателя порошка способствует улучшению равномерности и однородности по составу покрытий на алмазных зернах, повышению степени заполнения покрытием пор и трещин на поверхности технических алмазов. Равномерное и однородное покрытие из адгезионно-активных металлов влияет на условия формирования переходной зоны между алмазом и матрицей при высокотемпературном процессе пропитки и спекании алмазоносной части инструментов, изготавливаемых методом порошковой металлургии. Во-первых, вступление покрытия в химическое взаимодействие с графитизирующейся частью алмаза существенно снижает возможность обогащения переходной зоны углеродом (графитом) и, следовательно, способствует повышению прочности при контактной области матрицы. Во-вторых, происходит наиболее плотное нарастание карбидной фазы на дефектных участках, так как они обладают повышенной поверхностной энергией и реакция карбидообразования в этих местах облегчена. Заполнение дефектных углублений карбидной фазой материала покрытия не только повышает прочностные характеристики зерен алмаза, но и создает дополнительные связи его с матрицей, обусловленные когезией металла. Это способствует повышению прочности алмазно-металлического контакта.The use of the proposed holder-mixer powder helps to improve the uniformity and uniformity in the composition of coatings on diamond grains, increase the degree of filling of pores and cracks on the surface of industrial diamonds. A uniform and uniform coating of adhesive-active metals affects the conditions for the formation of the transition zone between the diamond and the matrix during the high-temperature process of impregnation and sintering of the diamond-bearing part of tools manufactured by powder metallurgy. Firstly, the introduction of the coating into chemical interaction with the graphitized part of diamond significantly reduces the possibility of enriching the transition zone with carbon (graphite) and, therefore, increases the strength in the contact region of the matrix. Secondly, the most dense increase in the carbide phase occurs in the defective areas, since they have increased surface energy and the carbide formation reaction in these places is facilitated. Filling defective depressions with the carbide phase of the coating material not only increases the strength characteristics of diamond grains, but also creates additional bonds with the matrix due to the cohesion of the metal. This helps to increase the strength of the diamond-metal contact.

При высотемпературном режиме изготовления инструментов покрытие оказывает два вида воздействия на алмазы, противоречащие друг другу. Первое - повышение смачиваемости металлическим расплавом поверхности кристалла и его упрочнение за счет заполнения пор и трещин. Второе - расклинивающее (разрушающее) воздействие адгезионно-активных металлов на алмазные зерна при высоких температурах (эффект Ребиндера). Процессами конкуренций «повреждения» и «упрочнения» можно управлять оптимизацией толщины покрытия. По нашим данным, толщина покрытия не должна превышать 100 нм, чтобы превалировал процесс упрочняющего воздействия на кристаллы.In the high-temperature mode of manufacturing tools, the coating has two types of effects on diamonds that contradict each other. The first is an increase in the wettability of the crystal surface by metal melt and its hardening due to the filling of pores and cracks. The second is the proppant (destructive) effect of adhesive-active metals on diamond grains at high temperatures (the Rebinder effect). The “damage” and “hardening” competition processes can be controlled by optimizing the coating thickness. According to our data, the coating thickness should not exceed 100 nm, so that the process of hardening effect on crystals prevailed.

Испытания правящих алмазных карандашей, оснащенных металлизированными поликристаллическими синтетическими алмазами марки АРС4, зернистости 1800/1600, показали повышение их стойкости (удельной производительности) на 38%.Tests of ruling diamond pencils equipped with metallized polycrystalline synthetic diamonds of the APC4 brand, grit 1800/1600, showed an increase in their resistance (specific productivity) by 38%.

Claims (2)

1. Устройство для нанесения покрытий на алмазные порошки, содержащее загрузочный роторный дозатор порошка, магнетрон и анод для распыления материала покрытия и размещенный под ними держатель-перемешиватель порошка в виде конического барабана с приводом вращения, отличающееся тем, что держатель-перемешиватель в виде конического барабана собран из дугообразных конических сегментов, частично перекрывающих друг друга в одном направлении с выдержкой между ними зазора, создающего перепады между поверхностями сегментов для интенсификации процесса перемешивания порошка при вращении барабана в одном направлении и обеспечивающего выгрузку полученного металлизированного порошка при изменении направления вращения.1. A device for coating diamond powders containing a loading rotary powder dispenser, a magnetron and an anode for spraying the coating material and a powder mixer-holder in the form of a conical drum with a rotation drive located under them, characterized in that the mixer-holder is in the form of a conical drum assembled from arched conical segments, partially overlapping each other in the same direction with the exposure between them of a gap that creates differences between the surfaces of the segments for intensification Processes mixing powder while rotating the drum in one direction and providing the obtained metallized powder discharging when the direction of rotation. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прямая образующая линия поверхности различных конических сегментов при вращении барабана составляет с горизонтальной плоскостью поочередно различные углы: +α°; 0°; -α°; 0°, для сообщения порошку периодического возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющих сегмента. 2. The device according to claim 1, characterized in that the straight generatrix of the surface of various conical segments during rotation of the drum makes alternately different angles with a horizontal plane: + α °; 0 °; -α °; 0 °, for the powder to report periodic reciprocating movement along the guides of the segment.

Images