Спосіб нанесення поверхневого шару на вироби з металів та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам нанесения покрытий на изделия из железоуглеродистых сплавов и может быть использовано в машиностроении. Известны различные технологии нанесения покрытий на изделия из чугуна и на основе железа с целью придания им заданных свойств. Так известен, способ нанесения защитных покрытий на изделия из чугуна [1]. Способ заключается в том, что на изделие из чугуна методом плазменного напыления наносят основной и защитный слои. В состав такого покрытия входят наряду с нитридами тугоплавких элементов и окислы железа. Деталь обрабатывают в парогазовой атмосфере при температуре 550 6000°C. В течение. 15 - 25мин., после чего охлаждают. Обеспечивается оптимальное содержание химических элементов на поверхности, а именно углерода, кислорода, азота, серы, титана, железа. Такое покрытие значительно увеличивает износостойкость покрытия. Свойства поверхностного слоя определяются только типом оксидов железа, формирующи хся на поверхности. Известен способ химико-термической обработки (ХТО) изделий на основе железа [2], который предусматривает модифицирование поверхности готовых изделий и включает парооксидирование при температуре 450 - 650°C в среде содержащей пар, сероводород и аммиак в равных объемных количествах в течение 20 60мин. при избыточном давлении 0,12 - 0,14МПа. В результате на изделии образуется поверхностный слой состоящий из окислов, сульфидов и нитридов. Свойства поверхностного слоя позволяют повысить стойкость режущего инструмента в 2 - 5 раз. Известен состав для ХТО металлических изделий [3]. Он используется для нанесения на металлические изделия поверхностного слоя для улучшения его прирабатываемости и антифрикционных свойств. Способ нанесения покрытия на металлические изделия с использованием указанного состава заключается в следующем. Водный раствор любой соли металла заливают в емкость, из которой он по змеевику перегревателю поступает в рабочее пространство шахтной печи. Там, в среде пара указанного водного раствора, изделия нагревают при температуре 550 - 600°C и выдерживают 40мин. с последующим охлаждением. Этот способ нанесения покрытий является наиболее близким по технической сути к заявляемому и принят в качестве прототипа. Известным способом нанесения покрытий на изделия из металла, описанным в качестве как аналогов, так и прототипа, свойственны следующие недостатки: свойства и составы получаемого покрытия предопределены только составом насыщающей среды; отсутствует возможность управления физикохимическими процессами, происходящими между ингредиентами насыщающей среды и поверхностью изделия; описанным способом также невозможно получать диэлектрические покрытия, тем более различных химсоставов. Конкретный пример нанесения поверхностного слоя на изделие по прототипу. Насыщающая среда: перегретый пар водного раствора CuSO4(CuSO4 + H2O). Образец из металла помещают в насыщающую среду на 40мин. при температуре 550 - 600°C. Поверхностный слой состоит из оксидов железа и шпинели железа. Получаем металлическое покрытие с повышенной износостойкостью и прирабатываемостью. В основу изобретения поставлена задача путем управления физико-химическим процессом, происходящим между элементами насыщающей среды и металлическим изделием, получить в составе поверхностного слоя положительно или отрицательно заряженные ионы и молекулы ингредиентов насыщающей среды и таким образом получить диэлектрическое покрытие различных химсоставов. Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе нанесения поверхностного слоя на изделия из металла включающем воздействие на него насыщающей среды в виде перегретого пара водного раствора солей металла при t° = 550 - 600 согласно изобретению процесс ведут в электрическом поле. В зависимости от знака потенциала, подаваемого на изделие, происходит перераспределение ионов и молекул в насыщающей среде: при подаче на изделие отрицательного потенциала к его поверхности устремляются положительно заряженные ионы, которые вместе с молекулами насыщающей среды формируют поверхностный слой изделия. При изменении полярности потенциала, поданного на изделие, перераспределение частиц происходит в обратном направлении и тогда перекрытие формируется отрицательно заряженными ионами и молекулами. Таким образом, процесс управляем по совершенно новым параметрам. Рассмотрим процесс на конкретном примере. Возьмем тот же состав насыщающей среды, что и в прототипе. Медный купорос CuSO4 + H2O (Cu(OH)2; CuSO4; H2SO4; H2OS+) - водный раствор насыщающей среды. Ионный его состав Cu2 + 2OH-; Cu2+ + SO42 ; 2H2++ SO4 2-. Согласно изобретению процесс ведут под напряжением. Образец имеет знак "плюс" и тогда к нему устремляются ионы и молекулы: 2OH; SO42-, H2O. Происходит химическое взаимодействие с fe изделия и образуется поверхностный слой, состоящий из оксидов, сульфатов, оксисульфатов железа со свойствами диэлектрика. При том же составе насыщающей среды поменяем на изделии заряд на минус. К изделию устремятся ионы и молекулы: Cu2; 2H+; H2O+. При взаимодействии образца в поверхностном слое образуются оксиды железа, оксиды меди, чистая медь, медные шпинели и соединение меди и железа. Таким образом, из одного и того же состава насыщающей среды только заменой знака заряда получаем поверхностный слой другого химсостава со свойствами диэлектрика. Новый признак способа нанесения покрытия на изделия из металла, заключающийся в том, что процесс ведут в электрическом поле, т.е. изделие имеет положительный или отрицательный заряд в сочетании с известными - изделие находится в среде перегретого пара водного раствора соли металла при t°C = 550 - 600 (в течение 35 - 40мин находятся в причинно-следственной связи с техническим результатом так как только это сочетание признаков позволяет управлять ионами и молекулами состава насыщающей среды, формировать поверхностный слой различного химического состава из одного насыщающей среды и получать диэлектрическое покрытие. Устранив подачу электрического тока на изделие получим металлическое покрытие по прототипу. Для реализации этого способа предлагается печь. Известна шахтная печь для химикотермической обработки металлических изделий [1], содержащая футерованную нагревательную камеру с крышкой и вентилятором, управляемой механизмом подъема и поворота. В корпусе на подставке расположена реторта, под ретортой между подставкой и футеровкой установлен парообразователь с паропроводом, соединенный с рассекателями. Печь предназначена для оксидирования чугунных и стальных деталей. Конструкция печи обеспечивает нанесение на изделие поверхностного слоя, в состав которого входят химические элементы, содержащиеся в насыщающей среде. В такой печи процесс идет самопроизвольно. Наиболее близкой по технической сути является "Печь для ХТО изделий в атмосфере перегретого пара водного раствора солей [2], принятая авторами за прототип. Печь содержит футерованную камеру с крышкой и установленные в ней нагревательные элементы и реторту, змеевидный паропровод и рассекатель пара. Перегретый пар из емкости через рассекатель поступает в реторту, где происходит насыщение поверхности изделий химическими элементами. Состав полученного покрытия зависит только от концентрации и состава перегретого пара. Ни по каким другим параметрам процесс не управляем, а именно, в данной печи невозможно избирательно осаждать ионы и молекулы, находящиеся в рабочей среде, регулируя направление их движения. В основу изобретения поставлена задача путем воздействия электрическим полем на изделие и насыщающую среду, управлять физикохимическими процессами, происходящими между ингредиентами насыщающей среды и поверхностью металлических изделий при формировании поверхностного слоя и получат таким образом в составе последнего отрицательно заряженные ионы и молекулы, или положительно заряженные ионы и молекулы из насыщающей среды. Это обеспечивает регулирование состава и строение поверхностного слоя, что позволяет получать заранее заданные свойства в изделиях, в том числе диэлектрическое покрытие. Поставленная задача достигается тем, что в известной печи для химико-термической обработки, включающей футерованную камеру с крышкой и размещенными внутри ее нагревательными элементами и реторту, установленную на подставке с помещенными внутри термопарой, паропроводом и распылителем пара и магистраль его отвода. Согласно изобретению, например, в крышке камеры установлен изолированный от нее электрод, одним концом электрически связанный через измерительные приборы с источником электрического напряжения, а другим с проводником внутри реторты, на котором крепится изделие. На чертеже (фиг.) представлена схема печи для ХТО металлических изделий, где: камера 1 с размещенными в ней нагревательными элементами 2, реторта 3, установленная в камере 1 на подставке 4, термопара 5, помещенная в реторту 3, парообразователь 6, который посредством Г-образной трубки 7 соединен с распылителем пара 8. Подвод раствора производится из емкости 9 через реле давления 10, соединенной с воздушной магистралью 11, реторта 3 соединена с трубопроводом выхода пара 12, на котором установлено реле давления 13 и манометр 14. В крышке 15 камеры 1 реторты 3 выполнено отверстие, в которое впрессовано диэлектрическое изоляционное кольцо 16, в котором закреплен металлический электрод 17, с проводником 18 внутри реторты 3 (к которому крепится изделие). Электрод 17 включен в электрическую цепь от источника напряжения 19 на корпус реторты 3 через амперметр 20, вольтметр 21, потенциометр 22 и выключатель 23. Печь работает следующим образом. Печь нагревают до температуры 550 - 600°C с помощью нагревательных элементов 2, затем из емкости 9 соединенной с магистралью 11, через реле давления 10 подают приготовленный раствор требуемого состава в парообразователь 6 в количестве, необходимом для получения пара рабочих параметров. Перегретый пар через рассекатель 8 поступает в реторту 3. Температура в печи контролируется термопарой 5. Одновременно с подачей приготовленного раствора в парообразователе 6 при помощи выключателя 23 замыкают электрическую цель содержащую источник напряжения 19 и потенциометр 22. Потенциометром устанавливают напряжение контролируемое вольтметром 21, а сила тока, проходящего через перегретый пар в реторте контролируется амперметром 20. Один из потенциалов электрического источника напряжения (например отрицательный) через металлический электрод подан на изделие 24, второй потенциал источника напряжения (например положительный) приложен к реторте 3. В результате источник напряжения создает внутри реторты электрическое поле, величина второго пропорциональна напряжению, приложенному к изделию и реторте. Перегретый пар в реторте содержит молекулы, а также положительные и отрицательные ионы солей. В электрическом поле на ионы солей действует сила Кулона [3]. Под воздействием силы Кулона отрицательные ионы удаляются от поверхности изделия, положительные ионы наоборот приближаются к поверхности изделия. В результате воздействия электрического поля на перегретый пар водных растворов солей происходит перераспределение ингредиентов насыщающей среды вблизи поверхности металлического изделия, а следовательно электрическое поле управляет химическим составом поверхностного слоя. В зависимости от знака потенциала поданного на изделие, происходит перераспределение частиц в насыщающей среде: когда на изделие подают отрицательный потенциал, к поверхности изделия устремляются положительно заряженные ионы, которые вместе с молекулами насыщающей среды формируют поверхность покрытия. При изменении полярности потенциала, поданного на изделие, перераспределение частиц происходит в обратном направлении и тогда формирование покрытия обеспечивается отрицательно заряженными ионами и молекулами. Таким образом, введение в конструкцию печи новых конструктивных признаков, позволило вести образование поверхностного слоя на металлическом изделии в электрическом поле, что дает возможность управлять физико-химическими процессами, происходящими в рабочей среде и получить те хнический результат, являющийся прямым следствием новизны конструкции. В этом и состоит причинно-следственная связь между совокупностью признаков изобретения и техническим результатом.