Исследование процессов электро-химической, вакуумно-плазменной и электронно-лучевой обработки материалов

 

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра Технологии машиностроения

 

% /нед	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10

 

Исследование процессов электро-химической,

вакуумно-плазменной и электронно-лучевой

обработки материалов.

 

 

Пояснительная записка

к курсовой проекту по дисциплине

«Теоретические основы обработки материалов

концентрированными потоками энергии»

 

     

 

 

Группа  ВТ-448	Фамилия И.О.	Подпись	Дата	Оценка
Студент	Бурханова А.М..
Консультант	Галиев В.Э.
Принял	Галиев В.Э.

 

 

 

 

Уфа

2013 г.

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение

 

В условиях современной рыночной экономики главным двигателем внедрения новых технологий, использующие концентрированные потоки энергий и оборудования для их реализации, являются инновации в области процессов взаимодействия заряженных частиц с поверхностью твердого тела. Данные взаимодействия должны базироваться на принципиально новых научно-технических достижениях, новых физических принципах позволяющих улучшить технологические показатели обработки и поставить на производство оборудование нового поколения.

Цель выполнения курсовой работы является формирование знаний,  общих представлений и инновационных подходов в области описания процессов формообразования и изменения свойств поверхностного слоя при воздействии концентрированными потоками энергии  (КПЭ) для технологических целей.

Основной задачей выполнения курсовой работы является систематизация, закрепление, углубление и расширение знаний, умений, навыков по изучению основных закономерностей электрофизических, электрохимических методов воздействия на обрабатываемую поверхность при изучении  дисциплины: теоретические основы обработки КПЭ.

Данная курсовая работа состоит из трёх разделов:

1. Основы электрохимической обработки материалов;
2. Основы нанесения покрытий в вакууме;
3. Основы лазерной и электронно-лучевой обработки материалов.

 

 

1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА 23Х12НВФА

 

Исходные данные:

Характеристика детали:

Марка материала -  23Х12НВФА- коррозионно-стойкая, жаропрочная сталь мартенситного класса

Габаритные размеры:

длина (А) – 15 мм;

ширина (В) – 8 мм;

высота (Н) – 8 мм.

Режимы обработки:

электролит – 10%NaCl+ 10%NaNO3 ;

межэлектродный зазор (МЭЗ) – 0,1 мм;

напряжение на клеммах источника (U) – 18 В;

температура электролита – 20 °С.

Рисунок 1.1 - Эскиз обрабатываемой детали

 

Необходимо:

- рассчитать электрохимический  эквивалент обрабатываемого материала;

- из справочной литературы в  зависимости от состава, концентрации  и температуры электролита выбрать  электропроводность рабочей жидкости;

Учитывая размеры и форму обрабатываемой детали, выбранных или назначенных режимов обработки рассчитать:

- скорость анодного растворения;

- величину технологического тока, плотность тока;

- минимально необходимую скорость  течения электролита;

- необходимый перепад давления  при перемещении электролита  в зазоре;

- расход электролита;

- размеры формообразующей части  электрод-инструмента;

- площадь сечения токопровода.

 

1. Механизм анодного растворения

 

Удаление металла при размерной электрохимической обработке (ЭХО) происходит под действием электрического тока в среде электролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе процесса ЭХО лежит явление анодного растворения металлов. Анодное растворение может протекать в электролитах различного состава, в том числе в неагрессивных электролитах – водных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. Эти соли дешевы и безвредны для обслуживающего персонала.

Под действием тока в электролите материал анода растворяется и в виде продуктов обработки выносится из промежутка потоком электролита. В результате реакций образуются газообразные продукты, которые удаляются в атмосферу. Катод, который служит инструментом, не изнашивается, что является одной из положительных особенностей процесса ЭХО.

При растворении в воде молекулы, например солей, распадаются на положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы.

Молекулы воды поляризуются и располагаются в виде сферы вокруг какого-то центрального иона.

 

Если электроды погружены в электролит, то на их поверхности протекает обратимая реакция Ме↔Меn++ne, где n – валентность металла; Меn+ - ион в растворе; е – элетрон. На поверхности металла возникает положительный заряд и к нему притягиваются отрицательно заряженные ионы из раствора. На границе электролита с металлом образуется так называемый двойной электрический слой, подобный тому, какой возникает на обкладках конденсатора. Один слой представляет поверхностные заряды в металле (+), другой – ионы в растворе (-). За счет этого на электродах возникают скачки электрического потенциала. Протекание процесса ЭХО становится возможным, если приложить внешнее напряжение, превышающее разность φа – φк, где φа – скачок потенциала на аноде, а φк – скачок потенциала на катоде. При подключении электродов к источнику напряжения ионы начинают двигаться в электрическом поле через межэлектродный промежуток от электрода к электроду.[4, с. 38]

 

2. Расчет электрохимического эквивалента обрабатываемого материала

Электрохимический эквивалент сплава рассчитывается по формуле         [2, c. 28]

 

где xi – процентное содержание химического элемента в сплаве (табл. 1.1);

zi – валентность химического элемента в сплаве;

Ai – атомная масса химического элемента в сплаве;

F – число Фарадея (F=26,8 А/ч).

 

 

Элементно - химический состав стали 23Х12НВФА [1, с. 497] рассмотрим ниже в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Химический элемент	Валентность	Процентное содержание
C	IV	0,23
Si	IV	0,2
Mn	VII	0,5
S	VI	0,025
P	V	0,03
Cr	VI	12
Ni	III	0,5
Mo	VI	0,5
V	V	0,15
W	VI	0,7
Fe	III	85,165

 

По формуле (1.1) рассчитываем электрохимический эквивалент:

 

 

 

Объемный электрохимический эквивалент сплава определяется следующим образом:

 

где γ – плотность сплава, г/см3.

 

3. Электропроводность рабочей жидкости

 

Из справочной литературы в зависимости от состава, концентрации и температуры электролита выберем электропроводность:

для 10% NaNO3 χ=12,1 Ом-1·м-1 [2, с. 71];

для 10% NaCl χ=8,1 Ом-1·м-1 [2, с. 71].

Для сложных электролитов удельную электропроводность обычно определяют по компоненту, концентрация которого в растворе наибольшая    [2, с. 71]. Получаем электропроводность электролита χ=12,1 Ом-1·м-1.

4. Расчет скорости анодного растворения

 

Скорость анодного растворения определяется выражением [2, с. 23]

 

где η – выход по току материала заготовки (для стали 23Х12НВФА η=0,90) [2, с. 72];

αсплV – объемный электрохимический эквивалент сплава;

χ – удельная электропроводность электролита, Ом-1·м-1;

U – напряжение на зажимах источника тока, В;

ΔU – суммарная поляризация электродов, В (ΔU=2…5 В) [2, с. 23];

amin – минимальный межэлектродный зазор, мм.

 

5. Расчет величины технологического тока и его плотности

 

Величина технологического тока рассчитывается по формуле [3, с. 102]

 

где U – напряжение на зажимах источника тока, В;

ΔU – сумма анодного и катодного потенциалов, В;

S – площадь обрабатываемой поверхности, мм2;

 

χ – удельная электропроводность раствора, Ом-1·м-1;

a – межэлектродный зазор, мм.

 

Плотность тока определяется выражением

 

где I – величина технологического тока, А;

S – площадь обрабатываемой поверхности, мм2.

 

1.6. Расчет минимально необходимой скорости течения электролита

 

Для расчета минимально необходимой скорости течения электролита следует определить скорость электролита Vэ', которая могла бы обеспечить полный унос продуктов анодных и катодных реакций из указанного пространства, затем скорость Vэ", которая исключила бы в нем недопустимый перегрев электролита.

Vэ' рассчитаем по формуле [2, с. 110]

 

где k = 4,64 – безразмерный коэффициент;

v – кинематическая вязкость электролита в пределах диффузионного слоя (v = 1,2…1,8 мм2/с) [2, с. 20];

l – длина участка заготовки, на котором происходит анодное растворение в направлении течения электролита, мм (l = А/2 = 15/2 = 7,5 мм);

ρ – плотность продуктов обработки (она превышает плотность электролита и по экспериментальным данным может быть принята в пределах 2500…3000 кг/м3) [2, с. 20];

D – коэффициент диффузии, изменяется в зависимости от концентрации электролита и его температуры (D = 1,3·10-3 мм2/с) [2, с. 20];

cа – массовая доля продуктов обработки на аноде (изменяется в широких пределах в зависимости от режим протекания процесса ЭХО, скорости выноса продуктов обработки, cа = 0,95) [2, с. 20];

cвх – массовая доля продуктов обработки в электролите на входе в зазор (зависит от степени очистки электролита после прокачки через рабочую зону, cвх=0,05) [2, с. 20];

Vэ' – средняя по потоку скорость течения электролита (Vэ' = 5…40 м/с)

 

 

Vэ' = 7,079 м/с.

Скорость, исключающая перегрев электролита, определяется следующим образом [2, с. 20]

 

 

где ΔT – допустимый нагрев электролита, определяется точностью ЭХО.

На практике ΔT = 5 – 10 ºC. для небольших по длине поверхностей принимается меньшее значение ΔT. Примем ΔT = 5 ºС [2, с. 21];