Исследование процессов электрохимической, вакуумно-плазменной и электронно-лучевой обработки материалов

Для обеспечения постоянной формы сечения межэлектродного пространства рабочая часть электрода-инструмента имеет только токопроводящий буртик высотой h, остальная часть покрыта электроизоляционным слоем.

Высота токопроводящего буртика определяется по формуле [4]

где a_t - торцевой межэлектродный зазор, a_т = a = 0,1 мм.

Боковой зазор находится следующим образом [4]:

Длиновые размеры сечения электрода-инструмента рассчитываются по формуле:

Диаметр отверстий для подачи электролита находим из формулы:

Рисунок 2 - Эскиз электрода-инструмента

Длина рабочей части электрода-инструмента

где v_л - относительный износ электрода-инструмента (v_л = 5,6%).

1.10 Расчет площади сечения токопровода

Исходные данные

P_газа = 1,04·10^-4 мм рт. ст.;

U_п = 150 В;

T_ст = 300 К;

T_п = 450 єС = 723 К;

I_р = 160 А.

Соединение ZrB.

Порошок борида циркония применяют в качестве компонентов жаропрочных сплавов типа боролитов, для изготовления огнеупорных материалов, нагревателей, высокотемпературных термопар, деталей и арматуры печей черной и цветной металлургии, тиглей для прецизионной металлургии, труб для перекачки расплавленных металлов, в качестве присадки к управляющим стержням ядерных реакторов и абразивного материала в инструментальной промышленности.

Необходимо определить:

- ионный ток насыщения j_{i max};

- толщину двойного слоя, определяемую дебаевским радиусом экранирования л_D;

- потоки ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени n_i, n_г;

- энергию, выделяемую на поверхности конденсации за единицу Дq;

- количество газа, вступившего в реакцию с металлом n_x;

- содержание неметалла C_x в соединении;

- пороговое значение потенциала подложки U_пкр.

2.1 Расчет ионного тока насыщения

При подаче на обрабатываемую поверхность, находящуюся в плазме достаточно высокого отрицательного потенциала, поступает ионный ток насыщения, величина плотности которого в неравновесной плазме дается формулой [5, c. 18]

где м_р - коэффициент эрозии катода, м_р = 79·10^-9 кг/Кл [6, с. 152];

- среднее зарядовое число ионов, =1,94 [6, с. 152];

m_i - масса конденсирующегося иона, m_i = 151,398·10^-27 кг [6, с. 151];

R_к - радиус катода, R_к = 0,04 м [6, с. 150];

I_д - ток дуги, А;

l - расстояние от торца катода до обрабатываемой поверхности, l=0,2 м [6, с. 149].

2.2. Расчет толщины двойного слоя, определяемого дебаевским радиусом экранирования лD

Поверхность в плазме оказывается окруженной слоем из положительных ионов двойного слоя. Толщина двойного слоя определяется дебаевским радиусом экранирования [5, с. 19]

где T_e - температура электронов, эВ (T_e = 4 эВ);

k - постоянная Больцмана, (k = 1,38·10^-23 Дж/К);

е - заряд электрона, (е = 1,6·10^-19 Кл);

n_i - поток ионов металла [5, стр. 19]:

Подставляя значения T_e и n_i получаем

2.3 Расчет потоков ионов металла ni и молекулярного газа nг в произвольной точке на единицу площади в единицу времени

Молекулы газа, адсорбированные на поверхности конденсации, приводят к образованию соединений за счет диссоциативной хемосорбции путем возникновения двух ковалентных связей металл - газ.

Поток ионов металла Zr в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяется соотношением [5, c. 19]:

Поток ионов газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяется соотношением [5, c. 19]:

где б_к - коэффициент конденсации (б_к=1);

k - постоянная Больцмана (k= 1,38·10^-23 Дж/К);

Р_г - давление газа, Па;

m - масса молекулы (для молекулярного газа) или атома (для атомарного газа), кг; m_B=10,811г/моль=10,811 · 1,67 · 10^-27= 18,05 ·10^-27 кг;

Т - температура газа (Т300 К).

2.4 Расчет энергии Дq, выделяемой на поверхности конденсации за единицу времени

На поверхности конденсации за единицу времени выделится энергия, определяемая соотношением [5, с. 20]

где U_п - отрицательное напряжение смещения на подложке относительно плазмы, В;

- средняя энергия ионов, = 147·10^-19 Дж [3, с. 57];

Q_к - энергия, выделяющаяся при конденсации одного иона, Дж.

где Q_и - теплота испарения металла, Дж/моль (для Zr Q_и=567 кДж/моль);

N_а - число Авогадро, N_а = 6,02·10²³ моль^-1.

Тогда энергия Дq на поверхности конденсации за единицу времени будет следующей

2.5 Расчёт количества газа, вступившего в реакцию с металлом n_x

Количество газа, вступившего в реакцию с металлом Zr, рассчитывается по формуле [5, с. 21]

где Т_ст - температура стенок камеры, К;

е_r - интегральный коэффициент излучения наносимого материала, (е_r=0,3) [6, с. 151];

Т_п - температура подложки, К;

у - постоянная Стефана-Больцмана (у =5,67·10^-8 Дж/(с·м²·К⁴));

Q_p - потенциальный барьер реакции, который находится как

где c - теплота образования, Дж/моль (для ZrВ с = 50241,6 Дж/моль [7, с. 380]).

N_a - число Авогадро, N_a = 6,022·10²³ моль^-1.

Тогда количество газа, вступившего в реакцию с металлом

2.6 Расчет содержания неметалла Cx в соединении ZrB

Если энергия Дq, подводимая к поверхности, достаточна для того, чтобы весь падающий на поверхность подложки поток газа образовал химическое соединение, то содержание неметалла С_x не зависит от энергии ионов и будет определяться только потоком n_г, т.е давлением газа, тогда [5, с. 21]

Подставляя числовые значения, получим

или

2.7 Расчет порогового значения потенциала подложки Uпкр

При решении данной задачи были рассчитаны основные технологические параметры процесса вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытия ZrB.:

- ионный ток насыщения j_i=198,623 А/м²;

- потоки ионов металла молибдена и молекулярного газа азота в произвольной точке на единицу площади в единицу времени n_i=63,989•10¹⁹ион/м², n_г=63,989•10¹⁹ атом/м²;

- энергия, выделяемая на поверхности конденсации за единицу Дq=39802,12 Дж/м²;

- количество газа, вступившего в реакцию с металлом n_x=13027,68•10¹⁹ атом/м²;

- пороговое значение потенциала подложки U_пкр=-27,684 В

3. Исследование характеристик температурных полей при наплавке покрытия плазменно-дуговым методом

Задание

На поверхность заготовки из различных материалов наплавляют валик покрытия плазменно-дуговым методом, при котором плазматрон перемещается с постоянной скоростью вдоль обрабатываемой поверхности.

Ниже в табл. 3.1 приведены значения параметров напряжения, силы тока, скорости движения плазматрона и диаметров наплавляемого валика для сплава 40Х13.

Таблица 3.1

1. Выбрать марку обрабатываемого материала в зависимости от порядкового номера студента в списке группы.

2. Рассчитать и построить зависимости температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров наплавки.

3. Определить зависимости термического цикла в точках, удаленных на различное расстояние от оси наплавляемого валика, от параметров обработки.

4. Определить зависимости времени пребывания выше температуры закалки в точках, удаленных на различное расстояние от оси наплавляемого валика, от параметров обработки.

5. Определить зависимости изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска материала заготовки в зависимости от параметров обработки.

3.1 Теоретическая часть

3.1.1 Краткая характеристика обрабатываемого материала

Сплав 40Х13 применяется для изготовления режущего, мерительного инструмента, пружин, предметов домашнего обихода, подшипников, деталей компрессоров и других изделий, работающих до температур 400-450 °С и в слабоагрессивных средах. Сталь 40Х13 трудно сваривается.

Сталь выплавляют в открытых электродуговых или индукционных печах.

Теплофизические свойства обрабатываемого материала:

Температура плавления - 1400 ^оС;

Температура закалки - 1050 ^оС;

Температура отпуска - 600 ^оС

Температура критических точек:

Ас₁ = 820 ^оС;

Ас₃(Аc_m) = 880 ^оС;

Аr₁ = 780 ^оС;

M_n = 270 ^оС;

Плотность - 7,65 г/см³;

Удельная теплоемкость - 0,236 кал/г•град;

Коэффициент теплопроводности - 0,069 кал/см•с•град [8, c.20].

3.1.2 Понятие наплавки и ее виды

Наплавка - нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Основные схемы плазменной наплавки представлены на рис. 3.1.

В различных случаях при наплавке необходимо комплексно решать ряд сложных вопросов:

- выбор материала, обеспечивающего соответствующие условиям эксплуатации свойства;

- возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл детали или подбор материала для наплавки подслоя;

- выбор способа и режима наплавки, формы и методов изготовления наплавочных материалов;

- выбор термического режима для выполнения наплавки (сопутствующего подогрева для исключения получения хрупких подкаленных зон в металле детали или в хрупком наплавленном слое;

- интенсификации охлаждения наплавляемой детали, когда для металла нежелательно длительное пребывание при высоких температурах);

- установление необходимости последующей термической (общей или местной) обработки (для получения необходимых эксплуатационных характеристик или возможности промежуточной механической обработки).

При возможности получения желаемых результатов путем использования нескольких способов наплавки (если необходимо и последующей механической обработки) важны и технико-экономические показатели сопоставляемых способов [10].

Рисунок 3.1 - Схемы плазменной наплавки:

а) плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б) плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой; в) комбинированный (двойной) дугой одной проволокой; г) то же, с двумя проволоками; д) горячими проволоками; е) плавящимся электродом; ж) с внутренней подачей порошка в дугу; з) с внешней подачей порошка в дугу; 1 - защитное сопло; 2 - сопло плазмотрона; 3 - защитный газ; 4 - плазмообразующий газ; 5 - электрод; 6 - присадочная проволока; 7- изделие; 8 - источник питания косвенной дуги; 9 - источник питания дуги прямого действия; 10 - трансформатор; 11 - источник питания дуги плавящегося электрода; 12 - порошок; 13 - порошок твердого сплава.

3.2 Расчет параметров обработки

Рисунок 3.2 - Схема модели движущегося точечного источника тепла по поверхности полупространства

Определим распространение тепла в зоне соизмеримой с размерами наплавляемого валика

t - время экспозиции, или нахождения тепла под зоной обработки;

где d(в) - диаметр валика;

V - скорость перемещения плазматрона.

V_т - V, т. е. скорость распространения тепла примерно соответствует скорости передвижения плазматрона (табл. 3.1). Поэтому для решения данной тепловой задачи используется модель движущегося источника тепла по поверхности полупространства.

Тогда для расчета температуры используется следующая формула [11, стр.82; ]:

где x - абсцисса точки A в подвижной системе координат;

a = л_т/(cг) - коэффициент температуропроводности;

R - постоянный радиус-вектор в подвижной системе координат, т. е. расстояние рассматриваемой точки A от начала координат 0 подвижной системы координат;

q - тепловая мощность.

где I, U - соответственно ток и напряжение, при которых происходит обработка;

з - КПД процесса наплавки.

где з₁ - КПД плазматрона;

з₂ - КПД, связанный с передачей энергии от струи на подложку.

Примем з = 50%. [11, стр.53-54]

3.3 Построение зависимости температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров обработки

электрохимический вакуумный плазменный дуговой

С помощью программного пакета MathCad были получены кривые термического цикла, представленные на рис. 3.2 - 3.8.

1) V₁ = 6 м/с = 0,166 см/с - скорость перемещения плазматрона;

q₁ = зI₁U₁ = 0,5·180·150 = 13500 Вт 3230 кал/с - тепловая мощность.

В MathCad задаем соответствующие параметры, при которых происходит обработка, и формулу:

Далее по полученным кривым находим T_m, t_m, w_охл, t_р.з..

T_m - это есть максимальная температура, соответствующая экстремуму каждой кривой, находим по графику.

Рисунок 3.2 - Кривые термического цикла при q₁ и V₁

Для нахождения t_m воспользуемся формулой

где t_m - время достижения максимальной температуры;

- координата максимальной температуры (находим по графику);

V - скорость передвижения источника тепла.

Получаем,

при y = 0, t_m = 0, так как T_m = ;

при y = 1,268: c;

при y = 1,481: с;

при y = 1,989: с;

Скорость охлаждения металла детали найдем по формуле

Получаем,

Скорость роста зерна найдем по формуле

где x'_зак. - это координата пересечения кривой с температурой закалки при нагревании (в том случае если кривая не пересекает температуру плавления);

x_пл. - это координата пересечения кривой с температурой плавления при остывании (в том случае если кривая пересекает температуру плавления);

x_зак. - это координата пересечения кривой с температурой закалки при остывании.

Получаем,

для у =1,481см скорость роста зерна будет равен нулю, а при у =1,989 см скорость роста зерна отсутствует, так как образование зерна в принципе не происходит.

Результаты, полученные в ходе решения занести в таблицу 3.2

Таблица 3.2

2) V₁ = 0,166 см/с; q₂ = зI₂U₂ = 0,5·178·180 = 16020 Вт 3832,5 кал/с.

Таблица 3.3

Рисунок 3.3 - Кривые термического цикла при q₂ и V₁

3) V₁ = 0,166 см/с;

q₃ = зI₃U₃ = 0,5·176·210 = 18480 Вт 4421 кал/с.

Рисунок 3.4 - Кривые термического цикла при q₃ и V₁

Таблица 3.4

4) V₁ = 0,166 см/с;

q₄ = зI₄U₄ = 0,5·174·240 = 20880 Вт 4995 кал/с.

Рисунок 3.5 - Кривые термического цикла при q₄ и V₁

Таблица 3.5

5) V1 = 0,166 см/с;

q₅ = зI₅U₅ = 0,5·172·270 = 23220 Вт 5555 кал/с.

Рисунок 3.6 - Кривые термического цикла при q₅ и V₁

Таблица 3.6

6) V₂ = 9 м/с = 0,25 см/с;

q₅ = 5555 кал/с.

Рисунок 3.7 - Кривые термического цикла при q₅ и V₂

Таблица 3.7

7) V₃ = 12 м/с = 0,333 см/с;

q₅ = 5555 кал/с.

Рисунок 3.8 - Кривые термического цикла при q₅ и V₃

Таблица 3.8

3.4 Расчет зависимости времени пребывания выше температуры закалки от параметров обработки

На основании построенных кривых термического цикла была получена зависимость времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника тепла (рис. 3.9).

Рис. 3.9 - Зависимость времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника при скорости движения источника тепла 0,167 см/с;

Рис.3.10 - зависимость времени пребывания выше температуры закалки от скорости движения источника тепла при тепловой мощности q=5555 кал/с

Из графика видно, что при увеличении тепловой мощности увеличивается время пребывания выше температуры закалки. Это объясняется тем, что с увеличением энергии теплового источника увеличивается мощность излучения, а, следовательно, повышается температура обрабатываемой поверхности и материал дольше находится выше температуры закалки.

3.5 Построение зависимостей изменения глубины зон проплавления, закалки и отпуска в зависимости от параметров обработки

На основании построенных кривых термического цикла (рис. 3.2 - 3.8) была получена зависимость изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска от величины тепловой мощности источника тепла (рис. 3.10 -3.12).

Рисунок 3.11 - Зависимость изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска от величины тепловой мощности источника тепла: ¦ - глубина зоны проплавления; ¦ - глубина зоны закалки; ^ - глубина зоны отпуска.

Рисунок 3.12 - Зависимость изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска от величины скорости движения источника тепла: ¦ - глубина зоны проплавления; ¦ - глубина зоны закалки; ^ - глубина зоны отпуска.

3.6 Вывод

По полученным графикам видно, что с увеличением мощности излучения источника нагрева, увеличивается глубина зоны проплавления, закалки и отпуска. А при увеличении скорости перемещения источника тепла ширина зон проплавления, закалки и отпуска уменьшается, так как источник нагрева при движении не успевает передать достаточного тепла обрабатываемой поверхности, и чем больше скорость движения источника нагрева, тем меньше ширина зон проплавления, закалки и отпуска. Таким образом, глубина зон закалки, отпуска и проплавления уменьшается настолько быстрее, насколько быстрее увеличивается скорость движения источника нагрева.

Заключение

В зависимости от параметров плазменного потока в процессе синтеза покрытий методом вакуумной ионно-плазменной обработки рассчитаны характер и эффективность плазмохимических реакций. Было обеспечено условие получения соединения ZrВ стехиометрического состава. Результаты расчётов при вакуумной ионно-плазменной обработке приведены в приложении 2.

По полученным графикам при наплавке плазменно-дуговым методом видно, при увеличении тепловой мощности увеличивается время пребывания выше температуры закалки. С увеличением тепловой мощности источника при постоянной скорости, также увеличивается глубина зоны проплавления, закалки и отпуска. Это происходит, поскольку при увеличении энергии теплового источника увеличивается мощность излучения источника нагрева, что способствует повышению температур и увеличению глубины закалки, отпуска и проплавления соответственно. Но глубина зоны проплавления, закалки и отпуска уменьшается при увеличении скорости перемещения плазматрона при постоянной тепловой мощности вследствие того, что источник нагрева при движении не успевает передать достаточного тепла обрабатываемой поверхности.

Список литературы

1. М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др. Марочник сталей и сплавов/под общей ред. А.С. Зубченко. ? М.: Машиностроение, 2001. 672 с.: ил.

2. Филимошин В.Г., Шулепов А.П. Проектирование технологических процессов электрохимического и комбинированных методов обработки поверхностей деталей двигателей летательных аппаратов. Учеб. пособие. ? Куйбышев, 1985.

3. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учебное пособие (в 2-х томах). Обработка материалов с применением инструмента / под ред. В.П. Смоленцева - М.: Высш. шк., 1983 г.

4. Амирханова Н.А., Зайцев А.Н., Зарипов Р.А. Электрохимическая размерная обработка материалов в машиностроении: Учебное пособие / Н.А. Амирханова, А.Н. Зайцев, Р.А. Зарипов; Уфимск. гос. авиац. ун-т. - Уфа, 2004.- 258 с.

5. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теоретические основы обработки концентрированными потоками энергии» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост: Р.М. Киреев - Уфа, 2008. - 57 с.

6. В.В. Будилов, Р.М. Киреев, С.Р. Шехтман. Технология вакуумной ионно-плазменной обработки. Учеб. пособие. ? М., 2007.

7. Самсонов Г.В., Марковский Л.Я., Жигач А.Ф., Валяшко М.Г. Бор, его соединения и сплавы. ? К.: Изд-во АН УССР, 1960

8. Шлямнев А.П. и др. Издательство: Интермет Инжиниринг, 2000.

9. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. ? М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

10. Наплавка и напыление. www.svarkainfo.ru/rus/technology/naplavka/

11. Попилов Д.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: Справочник - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. - 400 с., ил. (Серия справочников для рабочих)

12. Волонченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы. Справочник в 3-х томах. Том 2. Технология и оборудование / Под ред. В.М. Ямпольского - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. - 574 с., ил.

Приложение 1

Результаты расчётов при электрохимической обработке

Приложение 2

Результаты расчётов при вакуумной ионно-плазменной обработке

Размещено на Allbest.ru