Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6601
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
C 23C 14/00
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАКУУМНОГО НАНЕСЕНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОРОШОК
АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА
(21) Номер заявки: u 20100126
(22) 2010.02.10
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Гордиенко Анатолий Иллари-
онович; Смоляк Василий Васильевич;
Зеленин Виктор Алексеевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техниче-
ский институт Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство для вакуумного нанесения металлического покрытия на порошок абразив-
ного материала, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены анод, распыляемый
катод и вращающийся контейнер для абразивного порошка, ось вращения которого уста-
новлена под углом к вертикали, отличающееся тем, что контейнер выполнен в виде
плоского диска с наружным буртиком, в котором к плоской внутренней поверхности дис-
ка и к буртику со стороны катода закреплены захватывающие лопасти, причем частота
вращения контейнера составляет 1-10 об/мин, а ось вращения контейнера наклонена под
углом 40-50° к вертикали.
Фиг. 1
BY6601U2010.10.30

2. BY 6601 U 2010.10.30
2
(56)
1. Патент РФ 2082554 C1, МПК 6
B 22F 1/02, 9/06, C 23C 28/00.
2. Патент РБ 9418 C2, МПК C 23C 14/00, 2007 (прототип).
3.. Способы металлографического травления: Справочник. - М.: Металлургия, 1988.
Заявляемая полезная модель относится к области вакуумной техники и может быть
использована для нанесения металлических покрытий на порошки абразивных материа-
лов.
Известно устройство для вакуумного нанесения металлических покрытий на порошки
абразивных материалов, включающее вакуумную камеру с размещенными в ней анодом,
распыляемым катодом и вибрирующим контейнером [1]. Катод испаряется в электриче-
ской дуге, и материал катода конденсируется на порошок абразивного материала. Вибра-
ция контейнера позволяет постоянно перемешивать порошок, обеспечивая тем самым
формирование покрытия на всех зернах.
Недостатком данного устройства является значительная неравномерность напыляемо-
го покрытия, обусловленная различной интенсивностью перемешивания слоев порошка на
поверхности и на дне контейнера. Под воздействием колебательных движений контейнера
происходит перемешивание частиц на поверхности порошковой массы и в слоях, непо-
средственно прилегающих к поверхности. Амплитуда колебаний порошка на дне контей-
нера является незначительной. Поверхностные слои оказывают на расположенные под
ними слои порошка экранирующее действие, вследствие чего нанесение покрытия на по-
рошок, находящийся в нижней части контейнера, практически не происходит. На порошке
создаются зоны, закрытые другими частицами порошка, которые препятствуют нанесе-
нию равномерного покрытия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, ее про-
тотипом, является устройство для вакуумного нанесения металлических покрытий на
порошок абразивного материала, включающее вакуумную камеру с размещенными в ней
анодом, распыляемым катодом и контейнером для порошка, выполненным в виде вра-
щающегося барабана с перемешивающими лопатками [2]. Материал катода испаряется в
электрической дуге и конденсируется на порошок абразивного материала, перемешива-
емый путем вращения контейнера, установленного под углом к вертикали. Перемеши-
вающие лопатки, закрепленные на стенках вращающегося барабана, повышают
интенсивность перемешивания порошка и, следовательно, равномерность толщины
наносимого покрытия.
Данное устройство позволяет повысить равномерность нанесения покрытия, однако
она остается недостаточно высокой. Это обусловлено низкой интенсивностью перемеши-
вания порошка в нижней части контейнера. При вращении контейнера порошок захваты-
вается лопастями, поднимается на некоторую высоту, и высыпается на поверхность. С
каждым оборотом захватываются все новые порции порошка, за счет чего и осуществля-
ется его перемешивание. В верхней части контейнера, где его диаметр максимальный, а
заполнение порошком (высота слоя порошка от стенки контейнера до поверхности слоя
по вертикали, учитывая наклон контейнера) минимальное, перемешивание происходит
достаточно интенсивно. Однако в донной части контейнера ввиду более полного его за-
полнения порошком перекатывание частиц осуществляется на значительно меньшее рас-
стояние, поскольку диаметр контейнера в этой части значительно меньше, хотя угол
поворота тот же. Перемешивание частиц порошка в этой части контейнера осуществляет-
ся преимущественно внутри общей массы. Вероятность перемещения частиц на поверх-
ность для воздействия потоку распыляемого катода значительно падает как из-за
большего заполнения этой части контейнера, так и из-за меньшей интенсивности переме-
шивания. Порошок скапливается на дне контейнера и экранируется верхними перемеши-

3. BY 6601 U 2010.10.30
3
ваемыми слоями, что не позволяет обеспечить выход его наверх и произвести на него
конденсацию покрытия. Устранение этого положения за счет увеличения угла наклона
контейнера приводит к высыпанию порошка из контейнера и к потерям порошка. В ре-
зультате частицы порошка в верхней и нижней части контейнера имеют разную толщину
покрытия.
Задачей полезной модели является повышение равномерности покрытия, наносимого
на поверхность абразивных зерен, за счет повышения интенсивности перемешивания.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для вакуумного нанесения метал-
лического покрытия на порошок абразивного материала, содержащем вакуумную камеру,
в которой размещены анод, распыляемый катод и вращающийся контейнер для абразив-
ного порошка, ось вращения которого установлена под углом к вертикали, контейнер вы-
полнен в виде плоского диска с наружным буртиком, в котором к плоской внутренней
поверхности диска и к буртику со стороны катода закреплены захватывающие лопасти,
причем частота вращения контейнера составляет 1-10 об/мин, а ось вращения контейнера
наклонена под углом 40-50° к вертикали.
Сущность заявляемого технического решения заключается в увеличении интенсивно-
сти перемешивания частиц порошка в процессе конденсации покрытия за счет непрерыв-
ного пересыпания всего алмазного порошка из верхней части плоской поверхности диска
в нижнюю его часть и повышения числа степеней свободы движущегося порошка.
При вращении контейнера вся порошковая масса равномерно распределяется между
захватывающими лопастями путем пересыпания порошка из верхней части диска в ниж-
нюю. При вращении диска, например, по часовой стрелке алмазный порошок захватыва-
ется лопастями в нижней части диска и поднимается в верхнюю его часть. Лопасти при
вращении поворачиваются и постепенно высыпают весь алмазный порошок на плоскую
поверхность диска. Высыпанный порошок под действием силы тяжести совершает дви-
жение вниз по наклонной плоскости. При этом все частицы порошка совершают при пе-
ремещении вниз преимущественно движение вращения или вращения со скольжением, за
счет чего все стороны частиц равновероятно подвергаются воздействию напыляемого по-
тока покрытия.
Указанное перемещение всех слоев порошка обеспечивает его равномерное переме-
шивание. В результате на поверхности массы алмазного порошка, подвергаемого напыле-
нию, оказываются все новые частицы порошка, совершающие сложное перемещение
относительно факела напыления. Это обеспечивает нанесение покрытия по всей поверх-
ности порошка с равномерной толщиной.
По сравнению с прототипом каждая частица порошка имеет повышенное количество
степеней свободы. С одной стороны, перемешивание частиц порошка происходит за счет
вращения контейнера, подъема частиц из донной части контейнера на некоторую высоту и
высыпания порошка на поверхность общей массы. С другой стороны, в процессе высыпа-
ния частиц порошка, они перекатываются по плоской поверхности контейнера и начинают
вращаться вокруг своей оси. За счет этого все стороны одной и той же частицы равнове-
роятно подвергаются воздействию напыляемого потока покрытия. Увеличение числа сте-
пеней свободы перемещения частиц в процессе напыления достигается за счет их
вращения при пересыпании по плоской поверхности контейнера. Вращательное перенос-
ное движение по окружности каждая частица получает совместно с вращением плоской
поверхности диска за счет сил трения между частицей и поверхностью диска. В то же
время, находясь на наклонной плоской поверхности диска, частица под действием силы
тяжести совершает вращательное движение вокруг своей оси симметрии. При сложении
движения по окружности и собственного вращения вокруг своей оси, частица совершает
сложное спиралеобразное перемещение, меняя свое положение по отношению к факелу
напыления. Равномерно распределяясь на плоской поверхности диска, все частицы при-

4. BY 6601 U 2010.10.30
4
нимают участие в указанном сложном движении, что обеспечивает равномерность нане-
сения покрытия.
При скорости вращения контейнера менее 1 об/мин порошок движется плотной мас-
сой, поэтому часть зерен закрывается и покрытие наносится неравномерно. При увели-
ченном числе оборотов более 10 об/мин возрастают силы инерции вращающегося
порошка, он переносится на край плоской поверхности контейнера и также движется
плотным слоем. Покрытие наносится неравномерно на порошок. При углах установки оси
вращения контейнера менее 40° порошок медленно перемещается вниз или останавлива-
ется на плоской поверхности контейнера. При угле установки оси вращения более 50°
происходит срыв порошка с плоской поверхности контейнера и быстрое его падение в
нижнюю часть контейнера. При углах установки оси вращения менее 40° и более 50° по
указанным выше причинам покрытие наносится неравномерно.
Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 показан общий
вид устройства с расположением захватывающих лопастей и положение оси вращения
контейнера в процессе нанесения покрытия на алмазные порошки, а на фиг. 2 показано
движение захватывающих лопастей и перемещение алмазного порошка по плоской по-
верхности контейнера при его вращении.
Устройство состоит из вакуумной камеры 1 с расположенным в ней контейнером 2. К
плоской поверхности 3 контейнера и буртику 4 закреплены неподвижно захватывающие
лопасти 5. В вакуумной камере 1 устройства закреплен со стороны лопастей распыляемый
катод 6. Алмазный порошок 7, движущийся по плоской поверхности 3 контейнера вниз,
подвергается непрерывному нанесению покрытия.
Устройство работает следующим образом. Вращение контейнера 2 с заданной скоро-
стью 1-10 об/мин приводит в движение алмазный порошок 7, предварительно загружен-
ный в контейнер 2. Порошок переносится захватывающими лопастями 5 контейнера 2 в
верхнюю часть плоской поверхности диска. При этом захватывающие лопасти 5 посте-
пенно переворачиваются, освобождая порошок 7. В верхней части плоской поверхности
контейнера 2 порошок 7 постепенно высыпается из захватывающих лопастей 5 и далее
перемещается вниз под действием силы тяжести (фиг. 2). Постепенное высыпание порош-
ка из захватывающих лопастей обеспечивает его равномерное распределение на плоской
поверхности контейнера. Угол установки оси вращения контейнера выбирают в пределах
40-50°. Участвуя одновременно в двух движениях, абразивный порошок непрерывно из-
меняет свое положение в пространстве. Это обеспечивает нанесение равномерного по
толщине и по всей поверхности зерна покрытия. Наносимое никелевое покрытие испаря-
ется из катода 4 и конденсируется на абразивном порошке.
Заявляемое устройство испытывали следующим образом. Устройство было изготовле-
но на базе установки ионно-плазменного напыления ВУ-1Б, в вакуумной камере которой
был установлен контейнер, приводимый во вращение от вращающегося стола вакуумной
камеры. Угол наклона оси вращения контейнера составлял 40-50°. Материал катода - ни-
кель Н0. Алмазный порошок марки AC6 зернистостью 63/50 в количестве 26 карат поме-
щали в контейнер 2 заявляемого устройства. Контейнеру задавали вращение со скоростью
1-10 об/мин. Напыление никелевого покрытия проводили путем испарения катода 6. Ре-
жимы нанесения покрытия выбирали следующими: ток разряда 0,75A; напряжение разря-
да 600 B; давление аргона - 5,6-6,5⋅10-2
Па. Время нанесения покрытия 40-50 мин.
Толщина полученного покрытия составила 0,4-0,5 мкм.
Равномерность толщины покрытия на поверхности алмазных зерен определяли путем
циклического стравливания нанесенного слоя. Порошок с нанесенным покрытием много-
кратно травили в травителе № 11 [3]. Продолжительность каждого цикла травления со-
ставляла 10 мин. Процесс продолжали до полного удаления материала покрытия. После
каждого цикла порошок промывали и сушили. Наличие остатков покрытия определяли на
металлографическом комплексе МГК-1, созданном на основе микроскопа МКИ-2 и пер-

5. BY 6601 U 2010.10.30
5
сонального компьютера при увеличении x500, x1000. В каждой серии опытов проводили 5
оценок наличия остатков покрытия. Среднеарифметические значения полученных резуль-
татов приведены в табл. 1.
Таблица 1
№ опыта
Количество зерен с покрытием, %
Заявляемое устройство Прототип
1 100 100
2 100 94-96
3 100 72-80
4 98-99 35-42
5 80-86 30-40
6 34-40 14-20
7 9-12 7-9
Покрытие на зерне удаляется быстрее там, где его толщина меньше. Из анализа пред-
ставленных данных следует, что после 30 мин травления покрытия, нанесенного с исполь-
зованием заявляемого устройства, не обнаружено вскрытия поверхности алмазных зерен.
За это же время травления при использовании прототипа сплошное покрытием сохранили
только 72-80 % зерен. После 50 мин травления сплошное покрытие сохранили 80-86 %
зерен, обработанных с использованием заявляемого устройства, и только 30-40 % зерен
сохранили покрытие, нанесенное с использованием прототипа. Так как алмазные зерна
находились в равных условиях при стравливании покрытия, то это свидетельствует о пер-
воочередном стравливании покрытий меньшей толщины и о меньшей равномерности по-
крытия по прототипу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить равномерность
нанесения покрытия на алмазный порошок. Это достигается увеличением количества сте-
пеней свободы движения частиц порошка при его перемешивании в процессе формирова-
ния покрытия.
Влияние конструктивных особенностей заявляемого устройства на равномерность
нанесения покрытия приведено в табл. 2. Время травления покрытия составляло 50 мин.
Таблица 2
№ п/п
Скорость вращения кон-
тейнера, об/мин
Угол наклона оси вра-
щения контейнера, град
Равномерность нанесе-
ния покрытия, %
1 0,5 45 45
2 1,0 45 75-80
3 5,0 45 75-80
4 10,0 45 75-80
5 15,0 45 40-45
6 5,0 30 28-30
7 5,0 40 75-80
8 5,0 50 75-80
9 5,0 60 28-30
10 прототип 27-30
Из анализа представленных в табл. 2 данных следует, что заявляемые конструкция
контейнера, угол установки оси вращения и частота вращения контейнера обеспечивают
достижение положительного эффекта, который заключается в повышении равномерности
нанесения покрытия на абразивный порошок.

6. BY 6601 U 2010.10.30
6
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.