КОНСТРУКЦИЯ РОТОРА ДЕЗИНТЕГРАТОРА Российский патент 2011 года по МПК B02C13/00 

Изобретение относится к конструктивным элементам устройств для измельчения, механической активации, поверхностного легирования и получения наноструктурированных материалов, в частности к дезинтеграторам, и может быть использовано в порошковой металлургии в области создания композиционных материалов, в том числе плакированных порошковых материалов для нанесения износостойких покрытий.

Известны роторы дезинтегратора (1. SU №1503877 А1, кл. В02С 13/22, 1989 г.; 2. Авт. св. СССР №990296, кл. В02С 13/22, 1983 г., 3. SU №1414454 А1, кл. В02С 13/22, 1988 г.), содержащие расположенные в корпусе и установленные на валах вертикально и параллельно несущие диски с закрепленными на них по концентрическим окружностям измельчающими рабочими элементами. Основной характеристикой для всех конструкционных элементов ротора, узлов и деталей дезинтегратора, контактирующих с измельчаемым материалом, является требование износостойкости к материалам, из которых они изготовлены. Поэтому все известные конструкции роторов дезинтегратора изготовлены из высокопрочной стали, твердых сплавов, высокопрочной конструкционной керамики. Например, в известном патенте [1] поставлена основная задача - это повышение износостойкости ротора, основного рабочего элемента дезинтегратора, при обработке сыпучих материалов, в том числе твердых материалов.

Указанные конструкции роторов дезинтегратора обеспечивают реализацию только одного вида механосинтеза - дезинтеграцию (дробление) исходного материала. Для получения плакированных порошков, представляющих собой, в сущности, механическую смесь различных компонентов, необходимо разрабатывать сложные технологические приемы, которые практически не поддаются системному управлению, и не удается получать порошки с регулируемым стехиометрическим составом, толщиной покрытия и заданным уровнем свойств.

В связи с этим получение плакированных порошков для напыления, частицы которых состоят из твердого ядра-основы размером от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров, окруженного плакирующим слоем второго компонента (толщина слоя 2-3 мкм), путем измельчения порошковой смеси известными роторами дезинтегратора вызывает ряд трудностей:

1. Выбор соотношения между твердой и мягкой компонентой, обеспечивающего требуемый химический и фазовый состав композита.

2. Обеспечить строго регулируемый расход поступления в рабочую зону дезинтегратора каждого из компонентов.

3. Обеспечить требуемое количество соударений частиц порошковой смеси в рабочей зоне дезинтегратора, заданную толщину покрытия плакирующего слоя, величину адгезии и когезии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции ротора дезинтегратора является ротор дезинтегратора по патенту (Авт. св. СССР №403434, Кл. В02С 13/22, 1971 г.), содержащий два вертикальных диска с закрепленными на них измельчающими органами в виде концентрично расположенных кругов. Каждый круг измельчающих органов образован пластинчатой цепью, прикрепленной при помощи стяжных валиков к одному из дисков. Кроме того, в прототипе пластинки цепи могут быть прямыми или сегментообразными и выполнены из износостойкой керамики или из твердосплавного материала.

Указанное техническое решение позволяет решать узкую технологическую задачу, связанную только с эффективностью измельчения материала. Получение плакированного порошка путем измельчения известным ротором дезинтегратора вызывает также вышеперечисленные технологические трудности.

Основные технические возможность дезинтегратора определяются, в основном, конструкцией ротора - главным рабочим измельчающим элементом. Поэтому наиболее реальной возможностью решения поставленных задач по получению плакированных порошков являются конструкторские решения, связанные прежде всего с разработкой существенно новой конструкции ротора дезинтегратора.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка конструкции комбинированного ротора дезинтегратора, позволяющей получать плакированный порошковый материал для нанесения композиционных покрытий.

Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции ротора дезинтегратора, содержащей два вертикально установленных друг против друга несущих диска, на которых по концентрическим окружностям закреплены рабочие измельчающие элементы, поверхности дисков, обращенные друг к другу, выполнены с кольцевой проточкой, в которой посредством крепежных элементов смонтированы измельчающие органы в виде сменных колец с рядами ударных элементов с рабочей поверхностью прямоугольного сечения, изготовленные из мягкого пластичного плакирующего металла. Кроме того, измельчающие органы в виде сменных колец с рядами ударных элементов являются расходуемыми в процессе обработки порошкового материала и могут быть изготовлены из алюминия, никеля, меди, титана, циркония или их сплавов.

На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого ротора дезинтегратора, поперечный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Ротор дезинтегратора состоит из внутреннего диска 1 и наружного диска 2 (фиг.1). Внутренний диск 1 имеет прорези 3 для подачи обрабатываемого материала в рабочую зону и устанавливается со стороны корпуса рабочей камеры (не показано). На поверхности дисков 1 и 2, обращенных друг к другу, выполнена кольцевая проточка 4, в которой закреплены сменные кольца 5 и 6 с рядами ударных элементов 7 (измельчающие органы). Ударные элементы (пальцы) 7 с рабочей поверхностью прямоугольного сечения консольно расположены на сменных кольцах 5 и 6, образуя концентрические ряды, а каждый ряд ударных элементов одного кольца находится между двумя рядами ударных элементов другого кольца (фиг.2). Сменные кольца 5 и 6 с рядами ударных элементов 7 закреплены на дисках ротора 1 и 2 винтами 8. Рабочие измельчающие органы ротора - сменные кольца 5 и 6 с рядами ударных элементов 7 могу быть изготовлены из мягкого пластичного металла алюминия, никеля, меди, титана, циркония или их сплавов. Предлагаемая конструкция ротора дезинтегратора является комбинированной, состоящей из конструкционного износостойкого материала дисков 1 и 2 (диски изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т) и мягкого пластичного материала измельчающих органов - колец 5 и 6 с рядами ударных элементов 7, которые являются расходуемыми в процессе обработки порошка (кольца с рядами ударных элементов изготовлены, например, из алюминия сплава Д14Т).

Конструкция ротора дезинтегратора работает следующим образом.

Запускают двигатели дезинтегратора, при этом диски ротора 1 и 2 начинают вращаться в противоположные стороны. Обрабатываемый порошковый материал (например, твердый сплав на основе кобальта - СТЕЛЛИТ) питателем равномерно подается в загрузочный канал дезинтегратора (не показано) и через прорези 3 поступает в центральную часть междискового пространства. Центробежной силой вращающихся дисков материал отбрасывается от центра и направляется в зону действия ударных элементов 7 колец 5 и 6. Частицы материала выбрасываются навстречу первому ряду ударных элементов 7 кольца 6, вращающихся в противоположном направлении, и, измельчившись до некоторой степени, частицы под действием центробежных сил, вследствие полученных ударов, выбрасываются на вращающийся навстречу второй ряд ударных элементов 7 кольца 5 и т.д. до последнего ряда ударных элементов. Измельчение происходит от внутренних рядов ударных элементов 7 колец 5 и 6 к наружным с нарастанием степени измельчения. Последним рядом ударных элементов обрабатываемый материал выбрасывается из зоны обработки и, пройдя разгрузочный канал, собирается в приемный контейнер.

Экспериментально установлено, что предлагаемая комбинированная конструкция ротора дезинтегратора, состоящая из твердого износостойкого материала и расходуемого мягкого пластичного материала измельчающих органов, обеспечивает получение плакированного порошка для напыления с требуемыми свойствами путем измельчения одного компонента, при этом достигается:

1. Получение композитного порошка требуемого химического, фазового состава и фракционного составов.

2. Необходимая толщина плакирующего слоя, высокая степень покрытия твердой основы мягким металлом.

3. Прочное сцепление частиц твердой и мягкой фазы, требуемое при нанесении композиционного покрытия.

4. Отсутствие окисления частиц основного компонента порошка при напылении, поскольку они защищены плакирующим слоем второго компонента.

Другим достоинством предлагаемой конструкции ротора дезинтегратора является ее простота, позволяющая быстро и эффективно производить замену измельчающих органов, отсутствие технологической операции по предварительному смешиванию обрабатываемого материала, что делает процесс получения плакированных порошков путем измельчения существенно более экономичным и производительным.

Практическая реализация предложенного изобретения прошла неоднократную проверку на специализированном участке ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». В качестве обрабатываемого материала для получения плакированного порошка использовался порошок марки СТЕЛЛИТ - твердый сплав на основе кобальта, фракции 100-150 мкм. Опытная партия составляла от 5-10 кг. Измельчение проводили на экспериментальном вакуумном дезинтеграторе В-15, позволяющем обрабатывать материал в воздушной среде и в среде инертного газа аргона или азота. Измельчение проводили комплектом ротора, состоящим из (фиг.1): несущих дисков 1 и 2, изготовленных из твердой нержавеющей стали 12Х18Н10Т; измельчающих органов - съемных колец 5 и 6 с рядами ударных элементов 7, изготовленных из алюминиевого сплава Д14Т.

Исследованы свойства полученного порошка. Фазовый состав определяли рентгеноструктурным анализом на рентгеновском дифрактометре типа ДРОН-4М. Исследование микроструктуры и определение геометрических характеристик частиц порошка проводили методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на сканирующем электронном микроскопе типа «Camscan-4DV». Адгезивную прочность и микротвердость определяли на атомно-силовом микроскопе (АСМ) типа «Nano Scan».

Проведенные исследования показали, что происходит плакирование основного компонента порошка - твердых частиц кобальта более пластичным металлом алюминием, подтверждено равномерное распределение алюминия на частицах порошка кобальта (толщина плакирующего слоя составляет 1,0-2,0 мкм) и прочное сцепление твердой и мягкой компонент, необходимое для нанесения покрытия. Достигнута необходимая фракция композитного порошка 50-60 мкм для газодинамического напыления.

Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таким образом, из табл.1 видно, что применение предлагаемой конструкции ротора дезинтегратора позволяет получить композиционные порошки для напыления, в том числе плакированные, с заданными свойствами и характеристиками.

Таблица 1 Сравнение основных характеристик процесса измельчения известной и предлагаемой конструкциями ротора дезинтегратора и свойств полученного порошка Конструкция ротора дезинтегратора Основные характеристики процесса измельчения и свойств полученного порошка для напыления Материал ротора Объем (вес) партии измельчаемого порошка Состав измельчаемого порошка Результат измельчения Толщина плакированного слоя   кг     мкм Предлагаемая нержавеющая сталь - алюминиевый сплав 10 кобальт (90%) плакированный порошок 1,0-2,0 Прототип нержавеющая сталь - твердосплавный материал (ВК) 10 кобальт (60%) + алюминий (40%) однородная гомогенная смесь отсутствует

Изобретение относится к конструктивным элементам устройств для измельчения, в частности к дезинтеграторам. Конструкция ротора дезинтегратора содержит два вертикально установленных друг против друга несущих диска, на которых по концентрическим окружностям закреплены рабочие измельчающие органы. Поверхности дисков, обращенные друг к другу, выполнены с кольцевой проточкой, в которой посредством крепежных элементов смонтированы измельчающие органы в виде сменных колец с рядами ударных элементов с рабочей поверхностью прямоугольного сечения, изготовленных из мягкого пластичного плакирующего металла, расходуемого в процессе обработки дисперсного порошкового материала. Обеспечивается более эффективное измельчение материала. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Конструкция ротора дезинтегратора, содержащая два вертикально установленных напротив друг друга несущих диска, на которых по концентрическим окружностям закреплены рабочие измельчающие органы, отличающаяся тем, что поверхности дисков, обращенные друг к другу, выполнены с кольцевой проточкой, в которой посредством крепежных элементов смонтированы измельчающие органы в виде сменных колец с рядами ударных элементов с рабочей поверхностью прямоугольного сечения, изготовленных из мягкого пластичного плакирующего металла, расходуемого в процессе обработки дисперсного порошкового материала.

2. Конструкция ротора дезинтегратора по п.1, отличающаяся тем, что измельчающие органы в виде сменных колец с рядами ударных элементов изготовлены из алюминия, никеля, меди, титана, циркония или их сплавов.