Плазменное поверхностное упрочнение металлов

главная страница Рефераты Курсовые работы текст файлы добавьте реферат (спасибо :)Продать работу

поиск рефератов

Монография на тему Плазменное поверхностное упрочнение металлов

скачать
похожие рефераты
подобные качественные рефераты
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 монографию в свой блог или сайт
Удобная ссылка:

Скачать монографию бесплатно
подобрать список литературы


вверх страницы


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