Технические науки/ 8.Обработка материалов в машиностроении

Веремейчик А.И.¹, д.т.н. Сазонов М.И.¹,

к.т.н. Хвисевич В.М.¹, д.ф. Якушевич С.²

Брестский государственный технический университет, г. Брест, Беларусь

Белостокский технический университет, г. Белосток, Польша

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ

Плазменные потоки используются в различных практических приложениях: для изучения движения тел при входе в плотные слои атмосферы Земли и других планет, для промышленного получения водорода, чистого кремния, озона и различных новых веществ, которые трудно либо вообще невозможно получить; при сварке, резке и упрочнении металлов, нанесении износостойких тонких пленок на детали машин, в металлургии, химической промышленности и многих других процессах [1, 2]. Одним из промышленных способов получения плазмы является применение плазмотронов постоянного тока, в которых горит электрическая дуга в потоке рабочего газа. С целью определения исходных данных для расчета и разработки плазмотронов проведены исследования напряженности электрического поля дуги, горящей в потоке аргона. Величины напряженности электрического поля вдоль дуги определены методами изменения длины дуги и измерения потенциалов изолированных друг от друга секций разрядной камеры плазмотрона. Напряженность электрического поля дуги определялась по наклону кривой распределения потенциала вдоль оси [3].

Установлено, что в исследованном диапазоне параметров, указанных в таблице 1, зависимость напряженности электрического поля от тока была линейно восходящей, а вдоль дуги величина Е возрастает. На рис. 1 изображена типичная зависимость напряженности электрического поля аргоновой дуги от тока I.

Таблица 1. Диапазон изменения параметров при исследовании дуги в аргоне

d, мм	10	20	30
а, мм	154	252	358
I, A	100-180	30-180	30-180
G, г/с	0,5-4	0,5-4	0,5-4

Рис. 1. Напряженность электрического поля дуги, горящей в потоке аргона при см, г/с

На основе теории подобия разработана методика расчета плазмотронов. Учитывая особенности горения дуги в аргоне, обобщенную зависимость напряженности электрического поля E от определяющих критериев будем искать в виде:

. (1)

Экспериментальные данные обобщаются следующей критериальной формулой:

, (2)

где G – расход аргона, d – диаметр разрядной камеры.

На основе разработанной методики с использованием критериальной формулы для сконструирован и создан плазмотрон, который рекомендуется для промышленного использования [3]. Принципиальная схема плазмотрона, его электропитания и поджига приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема плазмотрона и электропитания 1 – катод 2 - поджигающий электрод 3 – сопло 4 и 5 – изоляторы 6 – дуга 7– анод

Проведены исследования энергетических характеристик плазмотрона. Одновременно с исследованием вольт-амперных характеристик дуги проводились измерения тепловых потоков в элементы плазмотрона: катод, анод и поджигающий электрод. Это позволило вычислить тепловой к.п.д. плазмотрона, энтальпию и среднемассовую температуру газа в зависимости от величины тока дуги и длины анода при различных расходах аргона. Установлено, что тепловой к.п.д. равен 0,68 - 0,74, а рассчитанная температура на выходе плазмотрона равна Т = 3700 - 7200 К. Тепловые потери в катод почти не зависят от диаметра вольфрамового стержня. Экспериментальные исследования показали, что при токах 7-28 А и скоростях перемещения плазмотрона 8-11 мм/с микротвердость закаленного участка детали составляет 400-560 HB.

Выполнен микроструктурный анализ сталей при термообработке образцов. На рис. 3 показана микроструктура поверхностного слоя стали 45. Металлографический анализ упрочненной стали с использованием оптической и электронной микроскопии показал, что зона влияния плазменной струи имеет форму сегмента (рис. 3а) и по своему строению аналогична зоне влияния при термообработке стали лазером и электронным лучом.

а) б)

Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя стали 45

а) зона влияния плазменной струи; ´ 45,

б) микроструктура зоны нагрева; ´ 600.

Основной физической характеристикой поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева является температурное поле. По данной характеристике возможно определить температуру материала в любой точке зоны термического воздействия (ЗТВ) в разные периоды времени, скорость нагрева и охлаждение, длительность пребывания разогретого металла в ЗТВ в заданном интервале температур в зависимости от параметров режима обработки и теплофизических характеристик обрабатываемого материала.

В процессе многочисленных исследований было установлено, что скорость охлаждения поверхностного слоя металла, свойства и структура упрочненной зоны в первую очередь определяются степенью локализации ввода тепла в обрабатываемое изделие (в пятно нагрева). От этого зависят важные факторы, как величина остаточных напряжений и деформаций, производительность обработки, технико-экономические показатели. В общем случае порядок величины скорости охлаждения () практически соответствует порядку величины концентрации тепловой мощности () источника.

Проведено численное исследование температурных полей и термонапряжений при воздействии движущегося источника нагрева. Конечно-элементное решение с использованием вычислительного комплекса ANSYS заключается в получении значений узловых температур, на основе которых вычисляются остальные термические величины.

При решении нестационарной температурной задачи использовался восьмиузловой термический элемент PLANE77, который имеет одну степень свободы (температура в каждой точке). В соответствии со скоростью движения плазменной струи к узлам дискретной модели резца пошагово последовательно прикладывалась температурная нагрузка в виде линейной функции зависимости температуры от времени. Максимальная температура пятна составляет 1200 °С (начальная температура 20 °С), скорость движения пятна направлена вдоль ребра пластинки и составляет 9,5 мм/с, материал изделия – сталь. На всех поверхностях модели задавалась конвекция: на поверхности по которой движется плазменная струя коэффициент конвекции составлял 100 Вт/(К×м²), на всех остальных - 1000 Вт/(К×м²). Теплопроводность стали принималась равной 39 Вт/(К×м). После каждого шага нагружения проводился расчет температурных полей, возникающих в расчетной модели, результаты которого записывались в LS-файлы. В результате проведения расчета определены поля температур в различные промежутки времени.

Литература:

1. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. – Новосибирск: Наука СО АН, 1975. - 299 с.

2. Сазонов М.И., Хвисевич В.М, Кузмич В.А., Пекун А.И., Каролинский В.Г. Цыганов Д.Л. Использование CVD-метода на установке ВПУ-2 для увеличения износостойкости твердосплавных пластин // Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения: сб. научн. трудов Междунар. конф. – Новополоцк, 2001. - С. 696-699.

3. Даутов Г.Ю., Сазонов М.И. Напряженность электрического поля в стабилизированной вихрем дуге. // ПМТФ, 1967. - №4. - С. 127-131.