Плазменное поверхностное упрочнение металлов


головна сторінка Реферати Курсові роботи текст файли додати матеріалПродать работу

пошук рефератів

Монографія на тему Плазменное поверхностное упрочнение металлов

завантажити
Знайти інші подібні реферати.
подібні якісні роботи

Розмір: 1.3 мб.
Мова: російська
Розмістив (ла): Балановский А.Е.
07.06.2010
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10    
Глава 2. Физико-химические процессы при воздействии плазменной струи (дуги)
При воздействии плазменной струи (дуги) на поверхности обрабатываемого материала протекают различные физико-химические процессы. Характер их протекания определяется температурой, скоростью и временем нагрева, скоростью охлаждения плазмотрона, свойств обрабатываемого материала и т.д.
В основе плазменного поверхностного упрочнения металлов лежит способность плазменной струи (дуги) создавать на небольшом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испаре­ния практически любого металла. Основной физической характеристикой плазменного упрочнения является температурное поле, значение которого дает возможность оценить температуру в разных точках зоны термического воздействия (в разные моменты времени), скорость нагрева и охлаждения, а в конечном итоге структурное состояние и фазовый состав поверхностного слоя материала.
2.1. Тепловые процессы и материалы при плазменном нагреве
Процессы поверхностного упрочнения требуют применения концентрированного источника нагрева с плотностью теплового потока на поверхности материала 103 - 106 Вт/см2 . Основным фактором, отличающим плазменный нагрев от лазерного нагрева, является механизм взаимодействия источника энергии с материалом. При лазерном нагреве световой поток излучения, направленный на поверх­ность материала, частично отражается от нее, а частично проходит в глубь материа­ла излучение. Излучение, проникающее в глубь материала, практически полностью поглоща­ется свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1 - 1 мкм [1]. Поглощение приводит к повышению энергии электронов, и вследст­вие этого, к интенсификации их столкновений между собой и передаче энергии кристаллической решеткой металла. Тепловое состояние металла характеризующееся двумя температурами: электронной Те и решеточной Тi , причем Те» Тi. С тече­нием времени (начиная со времени релаксации tР 10-9с) разность температур Те- Тi становится минимальной и тепловое состояние материала можно охарактеризовать общей температурой Тм. Дальнейшее распределение энергии вглубь материала осуществляется путем теплопроводности.
Нагрев поверхности материала плазменной струей осуществляется за счет вынужденного конвективного и лучистого теплообмена:
(2.1.)
 q = qk+qл
 Для приближенных расчетов тепловых потоков в поверхности используется модель лучистого и конвективного теплообмена основанная на теории погранично­го слоя [2], Плотность конвективного теплового потока определяется из выражения:
 (2.2.)
 
 где λ – коэффициент теплопроводности,
Н - энтальпия единицы массы,
Кт - термодиффузионный коэффициент,
у - координата, нормальная к обрабатываемой поверхности.
В общем виде конвективный нагрев поверхности обусловлен переносом энергии плазменной струи под действием теплопроводности, диффузии. На практике используют более простое выражение:
(2.3.)

где α–коэффициент теплопроводности
 Тплаз - температура плазменной струи на внешней границе
пограничного слоя,
Тпов - температура поверхности.
Связь между α и параметрами плазменной струи выражается через критериальные зависимости (число Нуссельта, Прандля, Рейнольдса и т.д.) выбор для различных случаев взаимодействия плазмы с поверхностью приведен в работах. [2].
Согласно данных работ [3] доля лучистого переноса энергии от плазменной струи к поверхности металла составляет 2-8% от общего баланса энергии. В случае использования импульсной плазменной струи доля лучистого теплообмена возрастает до 20-30%. Лучистый поток к единице площади поверхности в нормальном направлении определяется следующим образом [4]
 (2.4.)
  
где ξ1- интегральная поглощательная способность поверхности,
 ξ2 -степень черноты плазмы
 σс- постоянная Стефана-Больцмана
 Т -температура плазмы
Учитывая, что теплообмен между струей и поверхностью в основном определяется конвективной составляющей теплового потока, то пренебрегая лучистым теплообменом (за исключением импульсной плазменной струи)
можно рассчитать тепловой поток по выражению Фея-Риддела [5]
(2.5.)
 
 или
 (2.6)
 
 где Рг - усредненное число Прандля,
 (ρµ)ω, (ρµ)s - плотность и коэффициент динамической вязкости плазмы при
 температурах, соответственно, поверхности тела и внешней границы
 пограничного слоя,
 Lе - число Льгоса - Семенова,
 Ld - энергия диссоциации, умноженная на весовую долю атомов,
 со­ответствующую температуре струи,
  - градиент скорости в критической точке, равный ~ U плазм / d сопла
 hs- полная энтальпия плазменной струи.
При нагреве поверхности металла плазменной дугой (плазмотрон прямого действия), эффективность нагрева возрастает за счет электронного тока q е
 (2.7.)
q = qk + qл + qе
 Дополнительная тепловая мощность за счет электронного тока рассчитыва­ется из выражения:
(2.8.)
 
 Эффективный КПД плазменно-дугового нагрева на 10-30 % выше, чем при использовании плазменной струи и может достигать 70=85 % [3,6]. Энергетический баланс плазменного нагрева при атмосферном давлении выглядит следующим образом: 70 % - конвективный теплообмен;
 20 % - электронный ток;
 10 % - лучистый теплообмен.
 При использовании плазменной струи (дуги), как источника тепловой энер­гии, наибольший интерес представляет распределение теплового потока по пятну нагрева. Распределение удельного теплового потока q2в пятне нагрева приближен-но описывается законом нормального распределения Гаусса [7]
 qz = q2m exp (-Kr2) (2.9.)
 где К - коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения, а следовательно концентрацию энергии в пятне нагре­ва,
 q2m - максимальный тепловой поток.
 Коэффициент сосредоточенности играет большое значениев процессах плазменного упрочнения, т.к. - регулирует скорость нагрева поверхностного слоя металла. Максимальная плотность теплового потока в центре пятна нагрева связана коэффициентом сосредоточенности выражением [7]
 (2.10.)
 
Теплообмен между плазменной струей и упрочняемой поверхностью происходит в области пятна нагрева, условный диаметр которого равен:
 
На границе этого пятна нагрева удельный тепловой поток составляет 0.05 % от максимального g [7].
Параметры режима работы плазмотрона оказывают сильное влияние на коэффициент сосредоточенности. С увеличением силы тока К возрастает. Уменьшение диаметра сопла (d!с≤5) увеличивает К. С увеличением расхода плазмообразующего газа коэффициент сосредоточенности имеет максимум, рис.2.
 
На коэффициент сосредоточенности оказывает большое влияние способ подачи газа, геометрия сопла и электрода. В таблице 2.1. приведены экспериментальные и расчетные величины эффективного КПД нагрева, коэффициента сосредоточенности, тепловой плазменной дуги в зависимости от способа подачи плазмообразующего газа, геометрии сопла и катода. Видно, что переход от максиальной к тангенциальной подаче газа в сопло (при постоянном расходе) увеличивает коэффициент сосредоточенности на 15-40 % при одновременном увеличении эффективного КПД нагрева. Параболическая форма сопла формирует хорошо направленный плазменный поток, по сравнению с другими формами, однако степень сжатия дуги при этом снижается.
 Использование кольцевого катода предпочтительнее при тангенциальной подаче газа, т.к. в случае аксиальной подачи нарушается однородность столба дуги
Диаметр
сопла, мм
Длина канала сопла(мм)
 U,B
I,A
 Способ подачи
 газа в сопло
 Геометрия
Эффективный КПД нагрева, %
Коэффициент сосредоточенности дуги, см.
 сопла
катода
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2
4,4
35
100
тангенциальный
цилиндр
стержень
68
13,2
2
4,4
35
100
------/------
парабола
------/------
60
10,1
2
4,4
35
100
------/------
раструб
------/------
49
 6,5
2
4,4
35
200
------/------
цилиндр
------/------
70
15,1
2
4,4
25
200
------/------
парабола
------/------
63
11,8
2
4,4
25
200
------/------
раструб
------/------
51
 6,9
3
3
3
3
4,4
3,0
3,0
3,0
25
200
аксиальный
цилиндр
стержень
58
10,8
25
200
------/------
цилиндр
------/------
50
7,2
25
200
------/------
цилиндр
------/------
39
4,8
25
200
Аксиально-тангенциальный
цилиндр
------/------
61
11,2
4
5,0
23,5
300
аксиальный
цилиндр
стержень
63
11,5
4
5,0
23,5
300
аксиальный
парабола
------/------
54
8,1
4
5,0
23,5
300
аксиальный
раструб
------/------
50
5,1
4
5,0
23,5
300
 Аксиально-тангенциальный
цилиндр
------/------
70
15,2
5
6,2
23
150
тангенциальный
цилиндр
кольцо
50
5,9
56,8
24
200
------/------
------/------
------/------
55
6,2
5 6,9
26
300
------/------
------/------
 ------/------
60
6,8
2 4
35
150
тангенциальный
цилиндр
стержень
65
17,8
33,5
24
300
------/------
------/------
 ------/------
60
16,8
4 6,2
28
300
 ------/------
------/------
------/------
64
17,1
 Табл. 2.1.
Влияние способа подачи газа (аргона) в сопло, геометрия сопла и катода на эффективный КПД нагрева и коэффициент сосредоточенности плазменной дуги
 
 Геометрия сопла

по сечению сопла. При использовании сопла с фокусирующим газом коэффициент сосредоточенности увеличивается. От степени обжатия столба дуги зависят энергетические характеристики плаз­мотронов (напряжение дуги, эффективная тепловая мощность, концентрации тепло­вого потока и др.), [26,27]Так сжатие дуги, горящей в аргоне при силе тока 150-200Д-А (за счет изменения диаметра сопла и его положения по длине вольфрамового катод а), привело к увеличению напряжения дуги и напряженности электрического поля в столбе дуги, рис,2.2.
 
Рис.2.2. Распределение теплового потока дуги g( r) по радиусу пятна нагрева малоамперной дуги в зависимости от степени сжатия [ 26]. 1-свободно горящая электрическая дуга;
2- незначительно сжатая электрическая дуга; 3- сжатая электрическая дуга
Исследования, проведенные Новокрещеновым М.М., Рыбаковым Ю.В., Бадьяновым Б.Н., Давыдовым В.А. показали, что на коэффициент сосредоточенности аргоновой плазменной дуги оказывают влияние добавки WF6, SF6, SiCl4, CCl4 и дру­гих газов. Так небольшая добавка (0,02-0,5 %) ВР3 к аргону при одинаковых на­чальных условиях увеличивает эффективный КПД нагрева в среднем на 10-15 %, табл.2.2.
 
Влияние добавок галогенидов к плазмообразующеьу газу на коэффициент сосредоточенности и эффективный КПД нагрева.
 Табл.2.2.
Плазмообразующий газ
Эффективный КПД нагрева, %
Коэффициент сосредоточенности, см2
Ar
Ar + BF3
Ar + CCl4
Ar + WF6
60
68
66
70
11,6
14,5
13,8
15,2
Увеличение коэффициента сосредоточенности объясняется деионизирующим воздействием галогенов в периферийной области столба дуги, что приводит к уменьшению сечения области проводимости и к повышению температуры.
Известно положительное влияние галогенов на увеличение глубины проплавления при аргоно-дуговой сварке, что также связывается с эффектом контрагирования столба сварочной дуги. Проведенные автором эксперименты показали, что при плазменном поверхностном упрочнении в режиме дуги через слой галогенида, глубина уточненного слоя стали 45 увеличивается в 1,2-2,5 раза. Эффект увеличения глубины упрочнения тем выше, чем больше атомов галогена содержит флюсэ а также выше потенциал ионизации металла, входящего в соединение с галогеном, Галогены, увеличивающие глубину упрочненного слоя можно расположить в сле­дующем порядке: фтор,->бром,->хлорэ->йод. Нанесение галогенов на поверхность металла связано с определенными трудностями, что ограничивает применение этого эффекта на практике.
При использовании импульсной плазменной струи старость нагрева поверхности металла при длительности теплового импульса в пределах 100 мкс, достигает 107 ºС\с, а скорость охлаждения 106 º С\с. При сокращении длительности импульса до 10 мкс, скорость нагрева и охлаждения увеличивается на порядок. Распределение теплового потока импульсной струи описывается кривой нормального распределения , а коэффициент сосредоточенности имеет несколько большее значение [8]
 (2.11)
 
По концентрации теплового потока в пятне нагрева импульсные плазменные струи приближаются к электронному лучу и намного превосходят стационарные плазменные струи. Тепловые процессы при плазменном поверхностном упрочнении наиболее просто можно вычислить по известным аналитическим выражениям [7], которые представляют собой решение дифференциальных уравнений теплопроводности в линейной постановке при линейных граничных условиях.
Уравнение процесса распространения тепла в массивном полубесконечном теле от мощного быстродвижущегося нормально-распределенного источника нагрева, каким является плазменная струя, имеет вид [7,9]
 (2.12)
  
 
гдеТ - температура нагрева;
у,z - ширина и глубина пятна нагрева;
 t - время;
То - температура тела;
 g - эффективная мощность плазменной струи;
 λ,α - коэффициенты теплопроводности,температуропроводности;
 υ - скорость перемещения источников.
Мгновенная скорость охлаждения:
 (2.13)
W = dT / dt
Уравнение распространения тепла для случая упрочнения плазменной дугой для точек, расположенных под центром анодного пятна, при скорости перемещения υ<3бм\ч имеет вид [10]
(2.14)

 
r - радиус анодного пятна;
ξ - координата (глубина).
 Расчет по уравнению (2.12 – 2.14) показывает, что температура нагрева материала регулируется в интервале от начальной температуры до температуры плавления, скорость охлаждения от 104 до 106 º С\с.
При действии на поверхность полубесконечного тела теплового источника движущегося вдоль оси X, следует различать медленнодвижущийея, быстродвижу-щийся и импульсный источники тепла. Первый случай имеет место тогда, когда теплонасыщение успевает произойти раньше, чем пятно нагрева пройдет расстояние, равное радиусу пятна нагрева. При этом максимальная температура нагрева материала находится в центре пятна нагрева. По мере увеличения скорости перемеще­ния теплового источника максимум температуры сдвигается к краю нагрева, в сторону, противоположную направлению перемещения теплового источника. Если теп­ловой источник движется с постоянной скоростью, то через определенный проме­жуток времени температурное поле вокруг движущегося источника стабилизирует­ся. При упрочнении импульсной плазменной струей, время распространения теплового потока соизмеримо со временем воздействия плазменной струи на материал. В реальных условиях после прекращения действия теплового источника происходит выравнивание температуры. При этом в начальный момент времени, после прекращения действия происходит продвижение изотермы с фиксированной температурой в глубь материала и после достижения определенной глубины Zmax имеет место, об­ратное перемещению данной изотермы [1,7]. Для одномерного случая температура любой точки материала на оси теплового источника, расположенного ниже плоскости Z= 0, определяется из выражения:
    продолжение
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10    

Добавить монографію в свой блог или сайт
Удобная ссылка:

Завантажити монографію безкоштовно
подобрать список литературы


Плазменное поверхностное упрочнение металлов


Постійний url цієї сторінки:
Монографія Плазменное поверхностное упрочнение металлов


Разместите кнопку на своём сайте:
Рефераты
вгору сторінки


© coolreferat.com | написать письмо | правообладателям | читателям
При копировании материалов укажите ссылку.