Дипломная работа: Плазменное поверхностное упрочнение металлов
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:
(2.15)
где Z -расстояние по оси;
ierfc - функция интеграла вероятности;
τим - длительность нагрева;
r - радиус пятна нагрева;
а, λ - коэффициенты температуропроводности
и теплопроводности. При0 < 1 < τим в уравнении (2.5)
приводится к упрощенному виду [1,7]
(2.16)
Плотность энергии в пятне нагрева W выражается по следующей
зависимости:
гдеgэф - эффективная тепловая мощность плазменной
струи(дуги),
τ- длительность нагрева,
d - диаметр пятна нагрева.
С целью последующего вычисления протяженности по
глубине зоны нагрева до температуры Т удобно использовать выражение
для расчета температур в неявном виде, полученное при допущении τn ››√at
(2.17)
где Z - глубина нагрева до температурыT(z,t);
Из выражения (2.17) можно получить простую
формулу определения протяженности по глубине зоны нагрева до заданной
температуры за счет плазменного
нагрева.
(2.18)
Z ≈ 2√aτим / π - Тλ /W
Для получения за один проход широкой упрочненной
дорожки, при упрочнении применяют сканирование (магнитные или механические
системы) плазменной струи (дуги) по поверхности в направление перпендикулярном
поступательному перемещению. С целью упрощения модель для приближенной оценки
парамет-ров сканирования можно представить в виде плоской задачи.
Известно, что в случае использования модели
одновременного нагрева полу» бесконечного тела поверхностным тепловым
источником с постоянной во времени интенсивностью, можно получить соотношении
плотности мощностиgm , требуемой для достижения
на поверхности максимальной температурыТтах
(2.19)
gт=Ттахаср√ π /4 at
где α -температуропроводность;
ср - объемная теплоемкость;
t - времся нагрева.
Для нагрева плазменной струей (дугой)
(2.20)
t = d / υ,g = gn / S
где d - диаметр пятна нагрева в направлении движения;
υ - скорость перемещения пятна, относительно
детали;
gn - полная мощность,
подводимая к плазмотрону;
S - площадь, обрабатываемая плазменной струей.
В случае упрочнения без оплавления поверхности,
необходимо, чтобы Ттах а поверхности! материала не превышала
температуру плавления
(2.21)
Ттах≤Тпл
Тогда, согласно (2.19) и (2.21), должно
выполняться условие
(2.22)
gт√t ≤ Тпл
аср√ π /4 a
где знак равенства соответствует максимальной
глубине закалки, без оплавления поверхностности.
Рассмотрим пятно нагрева радиусом r, движущиеся по
поверхности металла со скоростью υ и одновременно
совершающее пилообразные колебания частотой f и амплитудой 2d перпендикулярно
направлению υ, рис. 2.2.
Рис.2.2. Схемы линейного (а) и кругового (б) сканирования.
Сканирующая плазменная струя создает на
обрабатываемой поверхности усредненный источник тепла, размерами 2r * 2 d , движущийся со скоростьюυ,
для которого время нагрева определяется
соотношением:
t1=2r/υ (2.23)
а плотность мощности: gт = gэф / 4rd
где gэф - эффективная тепловая мощность.
Из (2.22) следует, что для максимальной глубины
закалки необходимо, чтобы выполнялось условие:
(2.24)
gт√ t1 = Тпл аср√π
/ 4а
Кроме того, сканирующая плазменная струя создает
концентрированный источник тепла диаметром 2r , скорость которого
определяется из амплитуды и частоты колебаний, тогда время нагрева можно
записать как:
(2.25)
t2 = 2( 2r / 4df ) = r/df
Множитель 2 означает, что в крайних точках пятно
нагрева находится вдвое дольше, чем в промежуточных. Тогда плотность мощности
соответственно равна:
( 2.26)
gт2 = gn / πr2
С целью исключения оплавления поверхности в
крайних точках необходимо выполнение условия:
(2.27)
g2 √ τ2 ‹
g1 √τ1
≤ Тпл аср√π / 4а
Амплитуда и частота сканирования должны
соответствовать выражениям
(2,28)
√ d /f ‹ πr√8υ
или
Выражение (2.28) показывает, что частота
сканирования должна увеличиваться с уменьшением пятна нагрева, с ростом
скорости обработки и амплитуды сканирования. На тепловые процессы и размеры
упрочненной зоны, помимо параметров режима работы плазмотрона (сила тока,
расход газа и т.) оказывают влияние и параметры ведения технологического
упрочнения, такие как скорость обработки, дистанция обработки, угол наклона
плазменной струи (дуги) к обрабатываемому изделию и др.
При разработке технологических процессов на
практике необходимо иметь простые 9 удобные аналитические выражения
для расчета основных параметров упрочнения. В работах по плазменному
упрочнению [10, 12 - 14] используются различные аналитические выражения. Так в
работе [12] скорость нагрева локальной зоны определяется из выражения:
где gs - плотность мощности
плазменной дуги;
α, λ- коэффициенты
температуропроводности и теплопроводности;
τ - время воздействия;
h- глубина упрочнения.
Значение плотности мощности плазменной дуги
достаточной для фазовыхпревращений определяют:
где Тзак - температура закалки;
В - коэффициент аккумуляции теплоты.
Глубина закаленного слоя определяется из
выражения:
где Р - мощность плазменной дуги;
υ - скорость обработки;
d- диаметр пятна нагрева;
ρ - плотность материала;
Ст - удельная теплоемкость;
Q- теплота плавления;
Кв- коэффициент, учитывающий качество
обрабатываемой поверхностности.
Скорость обработки определяется как:
В работе [13] используется зависимость глубины
закалки от параметра
h = Р/ (dc υ)0,4
где Р - тепловая мощность источника нагрева;
d - диаметр сопла;
υ - скорость обработки.
В работах Токмакова В.П., Гречневой М.В., Петухова
А.В., Скрипкина А.А., Матханова В.Н. приводятся расчетные данные,
позволяющие определить температуру нагрева и скорость охлаждения металла.
Построены номограммы для выбора оптимальных режимов плазменного упрочнения.
Экспериментальные исследования процесса плазменного упрочнения сталей 9ХФ, 40Х,
У8, Х12М,проведенные этими авторами , показали, что максимальная поверхностная
твердость после упрочнения пропорциональна величине углеродного эквивалента Сэкв
, а глубина упрочнениязависит от коэффициента температуропроводности. Это
позволило авторам установить зависимость вида:
HWmax=f (g, υ, Сэкв);h = f2(g, υ, а)
В явном виде уравнения этих зависимостей выглядят
следующим образом:
HVmax = 10-3 ﴾-0.308271 υ2+1.23441g2+12.792a2+1.71723 υg- 1.54273 υCэкв – 1.7919 υ+ 0.36981g-18.2439Cэкв+11,223)
h max = 262.506υ2
+50.3667g2 +1466.729а2 +107.754υg + 53.1505υα -
47.1105gа
-
- 938.111υ + 199.495g – 5.6734а + 686.691
Полученные результаты, по мнению авторов,
свидетельствуют о хорошем совпадении экспериментальных и расчетных данных, что
позволяет, не проводя экспериментов,
прогнозировать максимальную твердость и глубину упрочненных поверхностей,
табл.2.3., 2.4.
Табл.2.3
Экспериментальные и расчетные значения поверхностной
твердости HWmax, в зависимости от входных параметров (g, υ , С экв)
№ |
V,
м/c |
g,
кВт/м2
|
C,% |
HVэксп, МПа
|
HVрас, МПа
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
|
5
5
5
1
1
1
2,5
2,5
2,5
2,5
|
10
15
25
10
15
25
10
15
20
25
|
0,05
1,05
0,9
0,9
0,45
0,6
0,45
0,75
0,6
0,9
|
6000
10500
9000
6700
5900
5300
3100
4200
4900
9800
|
6383
10156
8702
6359
6045
5852
2961
4369
5202
8000
|
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
|