Анализ особенностей плазменного упрочнения поверхности металлоизделий

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Общие понятия о плазме

Одной из наиболее перспективных обработок поверхности металла является плазменная технология. Использование низкотемпературной плазмы эффективно не только для переплава металлов и сплавов; напыления износостойких, жаропрочных и коррозионностойких покрытий, резки и сварки различных материалов, но и для поверхностного упрочнения различных изделий.

При пропускании электрического тока большой плотности через газовую среду, находящуюся под повышенным давлением, газ ионизируется. Наряду с положительно и отрицательно заряженными ионами в ионизированном газе содержатся электроны и нейтральные атомы. Такое состояние вещества называется плазмой. Это название было предложено в 1923 году американскими физиками Ленгмюром и Тонксом. Плазма обладает высокой электрической проводимостью и образует вокруг себя магнитное поле, которое заставляет частицы плазмы сжиматься и двигаться узким пучком. Плазменная струя служит интенсивным источником тепла; температура ее достигает 10 000- 15 000С.

Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Любая плазма характеризуется степенью ионизации - отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от величины говорят о слабо (составляет доли процента), умеренно (несколько процентов) и полностью (близко к 100 %) ионизированной плазме.

При электрическом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока являются электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа. Сам процесс ионизации неразрывно связан с прохождением тока. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, и степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Будь то молния, электрическая дуга, разряд в люминесцентной лампе дневного света - во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме. Между тем между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества вместе с сосудом, в котором оно находиться, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является в термическом отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счёт энергии, выделяющейся за счёт прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа.

Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма термически не равновесна ещё в одном отношении. Она состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых. Одной из этих компонент являются электроны, другой - положительные ионы и третьей - нейтральные атомы. Они так же равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в атмосфере. Однако в противоположность обычной газовой смеси, все частицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Электроны, как правило, обладают гораздо более высокими энергиями, чем ионы, а кинетическая энергия ионов может превышать энергию нейтральных атомов и молекул. Поэтому можно сказать, что плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами.

2. Физико-химические процессы при воздействии плазменной струи (дуги)

При воздействии плазменной струи (дуги) на поверхности обрабатываемого материала протекают различные физико-химические процессы. Характер их протекания определяется температурой, скоростью и временем нагрева, скоростью охлаждения плазмотрона, свойств обрабатываемого материала и т.д.

В основе плазменного поверхностного упрочнения металлов лежит способность плазменной струи (дуги) создавать на небольшом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого металла. Основной физической характеристикой плазменного упрочнения является температурное поле, значение которого дает возможность оценить температуру в разных точках зоны термического воздействия (в разные моменты времени), скорость нагрева и охлаждения, а в конечном итоге структурное состояние и фазовый состав поверхностного слоя материала.

3. Тепловые процессы при плазменном нагреве

Процессы поверхностного упрочнения требуют применения концентрированного источника нагрева с плотностью теплового потока на поверхности материала 103 - 106 Вт/см2. Основным фактором, отличающим плазменный нагрев от лазерного нагрева, является механизм взаимодействия источника энергии с материалом. При лазерном нагреве световой поток излучения, направленный на поверхность материала, частично отражается от нее, а частично проходит вглубь материала излучение. Излучение, проникающее вглубь материала, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1 - 1 мкм. Поглощение приводит к повышению энергии электронов, и вследствие этого, к интенсификации их столкновений между собой и передаче энергии кристаллической решеткой металла. Тепловое состояние металла характеризующееся двумя температурами: электронной Те и решеточной Тi , причем Те» Тi. С течением времени (начиная со времени релаксации tР ~ 10-9с) разность температур Те - Тi становится минимальной и тепловое состояние материала можно охарактеризовать общей температурой Тм. Дальнейшее распределение энергии вглубь материала осуществляется путем теплопроводности.

Нагрев поверхности материала плазменной струей осуществляется за счет вынужденного конвективного и лучистого теплообмена. Величина теплового потока определяется по формуле 1:

q = qk + qл (1)

Для приближенных расчетов тепловых потоков в поверхности используется модель лучистого и конвективного теплообмена основанная на теории пограничного слоя. Плотность конвективного теплового потока определяется из выражения 2:

, (2)

где л - коэффициент теплопроводности,

Н - энтальпия единицы массы,

Т - температура (термодинамическая),

Кт - термодиффузионный коэффициент,

у - координата, нормальная к обрабатываемой поверхности.

В общем виде конвективный нагрев поверхности обусловлен переносом энергии плазменной струи под действием теплопроводности, диффузии. На практике используют более простое выражение 3:

, (3)

где б - коэффициент теплоотдачи; Тплаз - температура плазменной струи на внешней границе пограничного слоя; Тпов - температура поверхности.

Связь между б и параметрами плазменной струи выражается через критериальные зависимости (число Нуссельта, Прандля, Рейнольдса и т.д.).

Учитывая, что теплообмен между струей и поверхностью в основном определяется конвективной составляющей теплового потока, то пренебрегая лучистым теплообменом (за исключением импульсной плазменной струи) можно рассчитать тепловой поток по выражению Рея- Риддела:

,

или:

,

где Рг - усредненное число Прандля, (сµ)щ, (сµ)s - плотность и коэффициент динамической вязкости плазмы при температурах, соответственно, поверхности тела и внешней границы пограничного слоя, Lе - число Льгоса-Семенова; Ld - энергия диссоциации, умноженная на весовую долю атомов, соответствующую температуре струи; hs- полная энтальпия плазменной струи.

При нагреве поверхности металла плазменной дугой (плазмотрон прямого действия), эффективность нагрева возрастает за счет электронного тока q е:

q = qk + qл + qе.

4. Преимущества плазменной термообработки

плазменный конвективный теплообмен металлический

1. Высокая плотность мощности позволяет достичь высоких скоростей нагрева и охлаждения;

2. Высокая производительность (длительность упрочнения плазмой на 1-2 порядка меньше по сравнению с объемной термообработкой и ХТО;

3. Отсутствие дополнительных охлаждающих сред, токсичных отходов, вредных выбросов;

4. Возможность легкого управления глубиной и твердостью упрочненного слоя с помощью изменения режимов обработки;

5. Возможность частичной и полной автоматизации технологических процессов плазменного упрочнения;

6. Возможность получения на поверхности металла слоя с заданными свойствами путем введения легирующих элементов;

7. Благодаря высокой производительности и большим размерам упрочненной зоны плазменная обработка эффективна для массивных изделий с протяженной поверхностью.

Размещено на Allbest.ru