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

ρэ – плотность электролита, г/см3 (ρэ = 1,06…1,13 г/см3) [2, с. 21];

cэ – теплоемкость электролита (cэ = 4,18 Дж/(г·ºС)) [2, с.21].

 

Скорость электролита Vэ = max{Vэ', Vэ"}. Поэтому, окончательно принимаем бо́льшее из двух полученных значений скорости Vэ = 66,71 м/с.

 

Находим число Рейнольдса

 

Re=17740 > 2320 –режим движения жидкости турбулентное.

 

1.7. Расчет необходимого перепада давления при перемещении электролита в зазоре

 

Необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре рассчитывается по формуле [2, c. 21]

 

где ΔP – потери пьезометрического давления, Па;

Vэ – средняя по потоку скорость течения электролита, м/с;

ρэ – плотность электролита;

l – длина межэлектродного пространства, мм;

g – ускорение (9,8 м/с2);

D – гидравлический диаметр – отношение учетверенного сечения канала Sк к его периметру П;

 

 

1.8. Расчет расхода электролита

Напор, создаваемый агрегатом прокачки электролита (например, насосом), должен компенсировать не только перепад давления в межэлектродном пространстве ΔP, но и потери давления в подводящей магистрали и на выходе из рабочей зоны (противодавление электролита).

Расход электролита определяется выражением [2, с. 21]

 

где Qэ – расход электролита, см3/с;

μ – коэффициент расхода (для плоской щели μ = 0,66…0,8) [2, с. 21].

 

1.9. Расчет размеров формообразующей части электрод-инструмента

 

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

Высота токопроводящего буртика определяется по формуле [4]

 

где at – торцевой межэлектродный зазор, aт = a = 0,1 мм.

 

Боковой зазор находится следующим образом [4]:

 

Длиновые размеры сечения электрод-инструмента рассчитываются по формуле:

 

Диаметр отверстий для подачи электролита находим из формулы:

 

Рисунок 2 – Эскиз электрод-инструмента

 

Длина рабочей части электрод-инструмента

 

где vл – относительный износ электрод-инструмента (vл = 5,6%).

 

1.10. Расчет площади сечения токопровода

Площадь сечения токопровода

 

где IТ – величина технологического тока, А;

jП – плотность тока (jП = 1 – 2 А/мм2). Принимаем jП = 1,5 А/мм2.

 

1.11. Вывод

Высокие технологические характеристики процесса ЭХО должен обеспечивать электролит, потому что выполняет ряд функций: он является средой, в которой протекают электрохимические реакции, и носителем  необходимых токопроводящих ионов, без которых невозможны эти реакции. Поток электролита  смывает  с  обрабатываемой  поверхности  продукты  анодного растворения и охлаждает электроды. Поэтому он должен иметь высокую  электропроводность, невысокую вязкость,  быть недорогим, недефицитным и безопасным. Кроме того, он должен обеспечивать протекание на катоде электрохимических реакций с выделением только газообразного вещества.

Данный двухкомпонентный электролит состава 10%NaCl+10% NaNO3 достаточно полно удовлетворяет вышеперечисленным требованиям. Он имеет достаточно высокую удельную электропроводность (χ=12,1 Ом·м), невысокую вязкость ( =1,8 мм2/с) и обеспечивает высокую скорость анодного растворения ( =1,813  мм/мин). 

Помимо электропроводности на  энергоемкость и производительность процесса оказывают такие параметры, как величина технологического тока (I=167,147А), плотность тока (i=157,3 А/см2), необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре (ΔР=Па), расход электролита (Q=см3/с), площадь сечения токоподвода (S= мм2).

 

2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ ВАКУУМНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ

 

Исходные данные.

Pгаза = 1,04·10-4 мм рт. ст.;

Uп = 150 В;

Tст = 300 К;

Tп = 450 ºС = 723 К;

Iр = 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 абразивногоматериала в  инструментальной промышленности.

 

Необходимо определить:

- ионный  ток насыщения ji max;

- толщину  двойного слоя, определяемую дебаевским  радиусом экранирования λD;

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

- энергию, выделяемую на поверхности конденсации  за единицу Δq;

- количество  газа, вступившего в реакцию с  металлом nx;

- содержание  неметалла Cx в соединении;

- пороговое  значение потенциала подложки Uпкр.

 

1. Расчет ионного тока насыщения

 

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

 

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

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

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

Rк – радиус катода, Rк = 0,04 м [6, с. 150];

Iд – 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 λD

 

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

 

где Te – температура электронов, эВ (Te = 4 эВ);

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

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

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

Подставляя значения Te и ni получаем

 

2. 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 αк – коэффициент конденсации (αк=1);

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

Рг – давление газа, Па;

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

Т – температура газа (Т300 К).

 

 

2.4. Расчет энергии Δq, выделяемой на поверхности конденсации за единицу времени

 

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

 

где  Uп – отрицательное напряжение смещения на подложке относительно плазмы, В;

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

Qк – энергия, выделяющаяся при конденсации одного иона, Дж.

 

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

Nа – число Авогадро, Nа = 6,02·1023 моль-1.

 

Тогда энергия Δq на поверхности конденсации за единицу времени будет следующей

 

 

 

2.5.  Расчёт количества газа, вступившего  в реакцию с металлом nx

 

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

 

 

где Тст – температура стенок камеры, К;

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

Тп – температура подложки, К;

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

Qp – потенциальный барьер реакции, который находится как

 

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

Na – число Авогадро, Na = 6,022·1023 моль-1.

 

Тогда количество газа, вступившего в реакцию с металлом

 

 

 

2.6. Расчет содержания  неметалла Cx в соединении ZrB

 

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

 

Подставляя числовые значения, получим

 

 

 

или

 

2.7. Расчет порогового  значения потенциала подложки  Uпкр

 

Пороговое значение потенциала подложки, при котором весь поток газа вступает в химическое соединение, однозначно связанное с давлением газа, можно найти из соотношения [5, с. 21]:

 

При подстановке числовых значений получаем

 

 

Для получения Zr2В стехиометрического состава необходимо обеспечить условие:

 

Данное условие выполняется (см. п. 3.6). Вероятность поступления реактивного газа в молекулярном или атомарном состоянии на подложку будет определяться величиной давления.

 

2.8. Вывод

 

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

– ионный ток насыщения ji=198,623 А/м2;

– потоки ионов металла молибдена и молекулярного газа азота в произвольной точке на единицу площади в единицу времени ni=63,989∙1019

ион/м2, nг=63,989∙1019 атом/м2;

– энергия, выделяемая на поверхности конденсации за единицу Δq=39802,12 Дж/м2;

– количество газа, вступившего в реакцию с металлом nx=13027,68∙1019 атом/м2;

– пороговое значение потенциала подложки Uпкр=-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

Параметры	Значения параметров
U, В	180	178	176	174	172
I, А	150	180	210	240	270
V, м/ч	6	9	12
dп, мм	5	7	9

 

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 не 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( Аcm) = 880 оС;  

Аr1 = 780 оС;  

Mn = 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 нежела-