РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ И
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО
МОДИФИЦИРОВАННОГО СЛОЯ
2.1 Характеристики технологического оборудования и принципы выбора оптимальных режимов плазменной обработки
Специализированное технологическое оборудование для плазменной поверхностной обработки в настоящее время промышленностью Украины серийно не выпускается. Однако установку для плазменной поверхностной обработки можно создать на базе существующих установок для плазменной сварки серии УПС, плазменной резки серии АПР, плазменного напыления и наплавки серий УПН, УПУ, "Киев-4", "Киев-7" и др. Опыт использования указанных установок в технологических процессах поверхностной модификации детально рассмотрен в монографиях [57, 58]. Схема плазменного технологического комплекса, созданного в Приазовском государственном техническом университете и использованного в данных диссертационных исследованиях, показана на рис. 2.1, а. Основным инструментом для осуществления процесса поверхностной модификации является плазмотрон косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой (рис. 2.1, б), работающий на инертном газе аргоне и имеющий оптимальные конструктивные параметры [57].
Электропитание лабораторной установки осуществляется от источника установки для плазменной сварки УПС-804. Плазмотрон рассчитан на силу тока 500А и напряжение на дуге в пределах 60...80 В. Общая мощность плазменного нагрева в диапазоне применяемых режимов обработки может регулироваться в пределах 20...40 кВт, номинальная величина мощности - порядка 30 кВт. Конструктивные характеристики плазмотрона (рис. 2.1, в): диаметр отверстия сопла - 6мм; длина канала (длина плазменной струи) - 150 мм; диаметр вольфрамового электрода (катода) - 10 мм.
а) б)
1 - плазмотрон; 2 - источник питания плазменной струи; 3 - механизм перемещения плазмотрона; 4 - система подачи плазмообразующего газа; 5 - система охлаждения плазмотрона; 6 - обрабатываемое изделие; 7 - механизм перемещения изделия; 8 - система автоматического (компьютерного) контроля и регулирования технологического процесса
Рис. 2.1. Схема плазменного технологического комплекса (а), и плазмотрона для поверхностной обработки (б)
Такие параметры обеспечивают удельную тепловую мощность плазменного нагрева порядка 105 Вт/см2, что соответствует обработке высококонцентрированными источниками энергии. Давление охлаждающей воды в системе охлаждения плазмотрона - 0,15...0,40 МПа. Расход плазмообразующего газа (аргона) - 1..3 м3/ч. Дистанция обработки - 5...10 мм.
Сущность плазменной модификации поверхностного слоя металлов заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром и концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей и теплоотводе в материал детали. Плазменный нагрев металлов осуществляется по тем же физическим закономерностям, которые присущи традиционным способам теплового воздействия на металлы. Это дает основания рассматривать распространение теплоты в металлах при плазменной обработке с классических позиций теории теплопроводности. Простыми и удобными для инженерных расчетов являются аналитические зависимости, полученные при решении дифференциальных уравнений теплопроводности в линейной постановке [33-37, 57, 58]. При этом принимается, что теплофизические свойства материала (коэффициент теплопроводности ?, объемная теплоемкость c?, коэффициент температуропроводности a), а также коэффициент теплоотдачи с поверхности не зависят от температуры.
Для случаев плазменной обработки массивных деталей из чугуна можно использовать известное решение уравнения теплопроводности при нагреве поверхности полубесконечного тела мощным быстродвижущимся нормально - круговым источником тепла [58]. Для точек, расположенных на центральной оси пятна нагрева, соответствующей центральной оси плазменной струи, уравнение изменения температуры имеет вид:
, (2.1)
где q - эффективная удельная мощность плазменного нагрева;
V - скорость обработки;
постоянная времени нагрева;
k - коэффициент сосредоточенности плазменной струи;
z0 - координата расстояния от поверхности;
t - время нагрева.
Из уравнения (2.1) следует, что для каждого типа обрабатываемого материала основными параметрами, определяющими температуру нагрева в точках закаленной зоны, является эффективная тепловая мощность плазменного нагрева q и скорость обработки V.
В соответствии с законом нормального распределения Гаусса эффективная тепловая мощность плазменного нагрева (или т.н. удельный тепловой поток) в зависимости от радиуса пятна нагрева r описывается выражением [95]:
, (2.2)
где qm - максимальная плотность потока на оси струи.
Таким образом, плазменную струю можно рассматривать как нормально -круговой источник теплоты с параметрами qm и k, связанными с эффективной тепловой мощностью соотношением:
, (2.3)
Для повышения эффективности плазменной поверхностной обработки необходимо максимально возможное увеличение коэффициента сосредоточенности плазменной струи k и максимально возможное уменьшение площади пятна нагрева, диаметр которого из условия связан с k соотношением [95]:
, (2.4)
Ранее установлено [57, 96], что диаметр пятна нагрева, в плоскости которого удельный тепловой поток с достаточной для прак