CC BY
96
5. D. Shuvra, K. Mathias, F. Klocke, EDM simulation: finite element-based calculation of deformation, microstructure and residual stresses. Journal of Materials Processing Technology, Vol.142. 2003. P. 434-451.
Денис Владимирович Козырь, аспирант, Kozyr.D. V@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
USE OF PLASMA CHANNEL OPTICAL BREAKDOWN AS A CATHODE IN ELECTRICAL
DISCHARGE MACHINING
D. V. Kozyr
Experimental investigations of electrical discharge machining using plasma channels obtained with the optical breakdown of the air by laser radiation were describes. The scheme of the laboratory installation was given. Parameters of processed samples were performed.
Key words: pulsed plasma channel, electro-discharge machining, plasma cathode-
tool.
Denis Vladimirovich Kozyr, postgraduate, Kozyr.D. V@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University.
УДК 621.9. 047
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ПЛАКИРОВАНИЯ ПОРОШКОВ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОСФЕР В УСЛОВИЯХ КОМБИНИРОВАННОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЧАСТИЦ
М. С. Саломатников
Описаны преимущества использования металлизированных стеклянных микросфер в качестве наполнителей различных материалов. Приводится анализ современных устройств для плакирования порошков стеклянных микросфер в вакууме. Представлено описание конструкции устройства для плакирования порошков полых стеклянных микросфер в условиях комбинированного перемешивания частиц. Приведены схемы, описывающие принцип работы устройства.
Ключевые слова: устройство, плакирование, металлизация, порошки, стеклянные микросферы, вакуум, покрытие, активация, потенциал смещения, перемешивание.
Продукты порошковой металлургии, в частности, порошки полых стеклянных микросфер правильной сферической формы (рис. 1), представляющие собой легкий сыпучий порошок, размер частиц которого (П) со-
ставляет в пределах от 6 до 235 мкм, находят широкое применение в различных отраслях промышленности [1,2]. Материалом микросфер служит натриевоборосиликатное стекло. Толщина стенки микросферы (п) варьируется в пределах от 2 до 6 мкм, в зависимости от размера частицы.
Рис. 1. 3В-модель полой стеклянной микросферы
Указанные микросферы нашли применение, в качестве наполнителя, в различных основах со множеством функциональных назначений для создания композиционных материалов. На сегодняшний день полые стеклянные микросферы используются при создании: строительных материалов (цемент, краски, лаки, шпатлевки и т.д.) с теплоизоляционными свойствами, для снижения веса и повышения жесткости; фильтров агрессивных сред (кислот, щелочей); формовочных масс в медицине; экипировки водолазов и подводной аппаратуры для создания теплосберегающих конструкций с повышенной плавучестью.
Предлагается на поверхности полых стеклянных микросфер формировать металлическую оболочку (плакировать), путем нанесения покрытия, например, металлов, сплавов или соединений (оксидов, нитридов, бо-ридов и т.д.). Плакирование полых стеклянных микросфер способствует получение у них принципиально новых свойств, таких например, как коррозионностойкие, повышенные прочностные, теплосберегающие, радиоэкранирующие и другие свойства. Однако существует ряд задач в плакировании порошков полых стеклянных микросфер, связанных с высокой хрупкостью и дисперсностью частиц порошка (рис. 2), невозможностью производить металлизацию в растворах электролитов, ввиду, высокой степени плавучести микросфер.
Наибольшее распространение в области получения покрытий на порошковых материалах получили методы металлизации в вакууме или среде рабочего газа (аргон, кислород, азот и т.д.), с использованием технологий физического осаждения частиц (РКП-технологии).
В ряде работ [3-6] предлагается использовать различные устройства для плакирования порошковых материалов, однако, большинство из них
147
имеет определенные недостатки, связанные например, с наличием большого количества подвижных элементов [3,4], что требует надежную систему вакуумирования рабочей камеры и повышает стоимость оборудования. При плакировании порошковых материалов по схеме «песочные часы» указанной в работе [3] имеются критические нагрузки на поверхность частиц порошков, что может привести к разрушению полых стеклянных микросфер указанных конфигураций.
Рис. 2. Распределение по размерам частиц стеклянного порошка
Использование в устройствах [5,6] ванн на основе электромагнитов позволяет осуществлять перемешивание частиц в условиях виброожижен-ного или виброкипящего слоя, однако, в случае обработки полых стеклянных микросфер будут формироваться агломераты из-за статического притяжения стеклянных микросфер при их движении в вибрационном слое. Также ванны на основе электромагнитов ограничивают температуру металлизации порошковых материалов, что может в дальнейшем сказаться на адгезии покрытия к основе частицы порошка.
В работе устройства [6], в конструкции которого подразумевается использовать перемешивающие пружины в комбинации с неметаллической вибрационной ванной, не обеспечивается тщательное перемешивание порошка высокой дисперсности, кроме того присутствуют чрезмерные нагрузки на частицы порошка, за счет воздействия пружин, при механическом разрушении агломератов, образующихся при виброперемешивании, что может привести к разрушению полых стеклянных микросфер указанной конфигурации. Кроме того из-за наличия между частицами порошка и генератором потока частиц напыляемого материала покрытия металлической сетки и рамы с закрепленными пружинами, увеличивается время металлизации порошка.
В качестве альтернативы на кафедре «Электро- и нанотехнологии» Тульского государственного университета было разработано устройство
148
для плакирования порошков полых стеклянных микросфер на основе промышленной установки для нанесения износостойких покрытий ВУ-1Б (рис. 1).
о
Рис. 3. Устройство для плакирования порошков полых стеклянных микросфер: а - схема устройства; б - виброперемешиватель-держатель порошка;
в - вихревая форсунка
Конструктивно устройство состоит из вакуумной камеры 1, установленной на раме 2, системы откачки воздуха 3, системы подачи рабочего газа 4 (аргон, азот и другие), дугового испарителя 6, являющегося катодом (в качестве анода выступает вся внутренняя поверхность вакуумной камеры 1) и генерирующим поток напыляемых частиц 5 материала покрытия, виброперемешивателя-держателя порошка, выполненного в виде металлической чаши 7 с лопатками 8 (наличие электропроводной чаши снижает статическое взаимодействие между стеклянными частицами порошка), имеющими выступы 9 для перемешивания стеклянных микросфер. Чаша 7 с обрабатываемым порошком микросфер 11 базируется на платформе 10, установленной на стойках 12, имеющую возможность поворота на угол
0...450, относительно вертикальной оси, в зависимости от конфигураций обрабатываемого порошка. Чаша 7 кинематически связана с приводом вращения 13 с помощью токопроводящего гибкого вала 14 и зубчатой передачи 15. Частота вращения чаши 7 может варьироваться в пределах от 4 до 25 об/мин. Токопроводящий гибкий вал связан с источником опорного
напряжения для создания смещающего потенциала чаши для осуществления предварительной очистки, активации и имплантации высокоэнергетических ионов в поверхностный слой стеклянных микросфер.
В основании чаши 7 имеется зубчатое колесо 16 с зубьями 17, по которым при вращении чаши совершаются удары кулачком 19, прижатым с помощью пружин 18, тем самым создаются условия перемешивания порошка в виброожиженном слое. Было взято во внимание, что в виброожи-женном слое обрабатываемого порошка происходит агломерация частиц стеклянных микросфер, поэтому было предложено осуществлять создание виброожиженного слоя по циклической схеме, чтобы микросферы не успевали объединяться в агломераты.
Дополнительно в вакуумную камеру 1 установлен нагреватель 20 для активации поверхности частиц порошков термическим воздействием.
В вышеуказанных работах [3, 4, 6] отмечалось, что для увеличения интенсивности перемешивания порошков при плакировании использовали схемы с пересыпанием и перемешивание частиц пружинами с переменной намоткой. Для повышения качества и равномерности покрытия на порошках стеклянных микросфер в данном устройстве предлагается использовать систему перемешивания частиц порошка турбулентным потоком газа, например, аргоном, для создания дополнительного крутящего момента Му (рис. 4). Система перемешивания состоит из установленного в вакуумной камере 1 трубопровода 21 и вихревой форсунки 22, создающей поток турбулентного газа. Мощность потока устанавливается в зависимости от конфигураций обрабатываемого порошка. Трубопровод 21 с форсункой 22 подведены к лопатке 8, в зону, так называемого «полета частиц», где частицы имею крутящий момент Мх.
При ссыпании микросферы с лопатки 8 на нее действует сила со стороны других частиц Р и силы тяжести О (силы виброожиженного слоя не указаны, т.к. процесс носит вероятностный характер), которые способствуют созданию крутящего момента Мх при прохождении частица через выступ 9 для «обновления» поверхности металлизации частицы. Не исключено, что некоторой доле частиц крутящий момент Мх не задается, для этого турбулентным потоком газа задается дополнительный крутящий момент Му.
Преимуществом указанного устройства является: возможность металлизации частиц порошков различными металлами, сплавами и соединениями с предварительной активацией частиц порошков высокоэнергетическими ионами; отсутствием критических нагрузок на поверхность полых стеклянных микросфер, что исключает их разрушение при обработки; осуществление обработки в условиях комбинированного перемешивания порошков (механическое перемешивание лопатками, циклическим вибро-ожиженным слоем, турбулентным потоком рабочего газа); отсутствие сложных подвижных и вибрационных систем, что снижает себестоимость
изготовления устройства.
^ X
Рис. 4. Схема сил и моментов, действующих на полую стеклянную микросферу в зоне «полета частиц»
В настоящее время авторы устройства плакирования порошков стеклянных микросфер работают надо завершением разработки прототипа конструкции. Были проведены предварительные экспериментальные исследования по плакированию стеклянных микросфер покрытием титаном при вышеуказанных условиях перемешивания частиц, за исключения перемешивания потоком турбулентного газа. Однако, стоит отметить, что эксперименты имели успешный результат, так как удалось получить равномерное покрытие примерно на 95% частиц от объема обрабатываемого порошка, учитывая разницу в диаметре микросфер порядка 40 раз [1,2]. Разрушение стеклянных микросфер не наблюдалось.
Список литературы
1. Иванов А.В., Саломатников М.С. Получение металлических покрытий нано-толщины на мелкодисперсных стеклянных порошках // Материалы Международной заочной научной конференции «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы». Саратов, 2012. С. 45-52.
2. Саломатников М.С. Методика ионно-плазменного плакирования мелкодисперсных стеклянных порошков // Материалы докладов XI Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Тула, 2012. С. 308-312.
3. Михайлюк В.И. [и др.] Способ металлизации порошков и микросфер из газовой фазы и устройство для его осуществления. Патент Яи № 2307004: Заявл. 20.04.2007. Опубл. 27.09.2007.
4. Новиков Н. Н., Пустотина С. Р. Устройство для нанесения покрытий на порошки. Патент СССР № 1097449. От 15.06.84.
5. Селиверстов И. А. [и др.] Анализ процесса вакуумной металлизации порошковых материалов в виброкипящем слое / Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» 2009. С. 11б-123.
6. Карпов И.В. [и др] Устройство для нанесения покрытий на порошки. Патент RU №24S6990: Заявл. 19.04.2012. Опубл. 10.07.2013
Саломатников Михаил Сергеевич, аспирант, m. s. salomatniko vamail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF THE DEVICE OF CLADDING OF PO WDERS OF GLASS MICROSPHERES IN THE CONDITIONS OF THE COMBINED MIXING OF PARTICLES
M.S. Salomatnikov
The advantages of using metallic glass microspheres as fillers in various materials are described. An analysis of modern devices for cladding of powders of glass microspheres is provided in vacuum. The description of a design of the device for cladding of powders of hollow glass microspheres in the conditions of the combined mixing of particles is submitted. The schemes describing the principle of operation of the device are provided.
Key words: device, cladding, metal powders, glass microspheres, vacuum coating, activation, bias potential, mixing.
Salomatnikov Michal Sergeyevich, postgraduate, m. s. salomatniko va mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
