Введение к работе
Актуальность темы.Современное состояние модификации, поверхностных слоев изделий машиностроения характеризуется . поисками наиболее перспективных путей улучшения эксплуатационных характеристик выпускаемых изделий.
Известные традиционные методы -модификации поверхност
ных слоев - механические, термические, химические, химико--
термические, электрохимические, не позволяют комплексно
улучшить характеристики поверхности. Как правило, измене
ние в заданную сторону одного параметра сопровождается ,
ухудшением других свойств поверхностного слоя. Целый ряд
основных свойств рабочих поверхностей, определяющих долго
вечность изделий и зависящих от усталостной прочности, ос
таточных напряжений, степени дефектности поверхностного
слоя и других характеристик, эти процессы, в принципе,
улучшить не могуї.
Путь к решению этой проблемы лежит'через создание и внедрение процессов и электротермических установок (ЭТУ) с одним жидким электродом в промышленность. Для применения данного разряда в процессах обработки поверхностей твердых -тел необходимо комплексное исследование характеристик разряда с жидким катодом.
Однако в настоящее время мало изучены физические процессы, протекающие в разряде с жидким катодом, отсутствуют систематические исследования взаимодействия разряда с материалом. Работа направлена на решение актуальных проблем машиностроения - повышение качества,- долговечности и надежности изделий путем направленного изменения свойств поверхностных слоев разрядом с кидким катодом.
Целью работы является установление закономерностей процесса модификации' поверхности твердых тел разрядом с жидким катодом и определение параметров обработки на основе системного изучения характеристик данного разряда, что обеспечит регулируемое изменение свойств изделий машиностроения. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач':
-
Комплексное экспериментальное исследование параметра разряда с жидким катодом при взаимодействии его с поверхностями металлических изделий и построение качественной физической модели разряда с жидким катодом.
-
Разработка качественной модели разряда с жидким катодом с поверхностями твердых тел.
-
Установление закономерностей изменений эксплуатационных характеристик изделий в зависимости от режимов плазменной обработки.
-
Разработка технологических процессов плазменной модификаций поверхностей металлических изделий и внедрение их в промышленность.
Методы исследований основаны на использовании разных методов и сравнении их результатов, сопоставлении с известными теоретическими данными других авторов.
Основные экспериментальные результаты сформулированы на основе данных, полученных с помощью современных методов исследований: зондовых измерений; металлографических, рент-геноструктурных и масс-спектрографических анализов; комплекса физико-химических испытаний (износостойкость, коррозионная стойкость, пределы усталостной прочности и долговечности).
Научная новизна работы.
I. Впервые установлено, что при атмосфьрном давлении в
диапазоне токов I = 50 * 250 мА, t = 1,5 t 10 мм для медных, стальных, графитовых анодов и катодов
из технической, очищенной воды, солевых растворов -разряд с жидким катодом всегда является многоканальным. При этом изучены вольт-амперные характеристики разряда, распределения потенциала и напряженности электрического поля, энергетические и спектральные характеристики.
Установлен механизм поддержания разряда с жидким катодом.
Впервые показано, что при использовании одного и того же электролита при различных временных промежутках горения разряда он имеет существенно отличные друг от друга характеристики. С' целью стабилизации характеристик разряда введено понятие "разработки" электролита.
Установлено, что степень модификации поверхности металлов разрядом с жидким катодом определяют следующие параметры: а) тепловой поток, падающий на поверхность; б) длительность обработки; в) межэлектродное расстояние.
Показано, что основной вклад в модификацию поверхности вносят 2 процесса: рекомбинация отрицательных ионов на поверхности и передача энергии, приобретенной ими и электронами в анодной области. Обнаружены захороненные слои азота на глубине до 200 мки, при этом скорость диффузии вглубь материала в 2 раза превышает скорость ионного газонасыцения. Установлено, что данный вид обработки позволяет очищать поверхностный слой, уменьшать шероховатость поверхности с ликвидацией примесных дефектов и одновременно активизировать поверхность, повышать коррозионную стойкость, наводить сжимающие остаточные напряне-ния, повышать усталостную прочность.
Практическая ценность работы заключается в следующем: I,. На основе проведенных экспериментальных исследований характеристик разряда с жидким катодом установлен диапазон входных параметров,наиболее приемлемый для проведения модификации поверхностей твердых тел.
-
Данные о физике процессов, протекающих в разряде,позволили определить состав электролита, который необходим для обработки металлических изделий.
-
Установлены параметры плазменной обработки, с помощью которых можно эффективно изменять свойства поверхнос-
" . тного слоя.
4. ' Процессы, позволяющие проводить очистку, полировку с
одновременным удалением дефектных слоев, упрочнения (срок службы изделий и износостойкость увеличиваются в 1,5 * 2 раза), повышения усталостной прочности на 20% с перераспределением остаточных напряжений, увеличения микротвердости в 2 * 4 раза и повышением коррозионной стойкости, разработаны на базе проведенных экспериментальных исследований взаимодействия разряда с жидким катодом.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты использованы в медико-инструментальной промышленности и переданы Государственному научно-производственному предприятию "Мединструмент" в виде описания технологических процессов обработки поверхности медицинских инструментов, электротермической установки и отчетов.
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
I. Теоретические и экспериментальные исследования пробоя, позволяющие определить входные параметры электротермических установок, необходимые для проектирования таких устройств, используемых для модификации
поверхностей. -
-
Результаты исследования приэлектродных к объемных процессов стационарного разряда с жидким катодом, устанавливающие параметры обработки. Ими являются тепловой поток, поступающий на анод, длительность обработки и межэлектродное расстояние.
-
Физическая модель разряда с жидким катодом, построенная на основе полученной обобщенной падающей характеристики, обнаруженного электронного облака вблизи катода с концентрацией до 10 см ,распре-
' деления потенциала в электролите, пространственного распределения потенциала в разряде, распределения напряженности электрического поля.
-
Разряд с жидким катодом во всем исследованном диапазоне является многоканальным.
-
Установленные закономерности и явления, протекающие
в разряде с жидким катодом, могут быть получены только при разработке электролитов и тренировке анода в течении, определенного промежутка времени.,
6. Физическая модель процесса модификации поверхностно
го слоя металла с помощью разряда с жидким катодом.
?. Результаты исследования взаимодействия разряда с
кидким катодом с поверхностями металлов и их сплавов. Основы рациональной технологии плазменной модификации рабочих поверхностей изделий машиностроения, технологические процессы очистки, полировки с одновременным удалением дефектных слоев и активации поверхностей, упрочнения, повышения усталостной прочности, коррозионной стойкости
Апробация работы. Основные 'результаты работы докладывались на Всесоюзных семинарах и конференциях: УІ Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983), I Всесоюзный семинар по атомной спектроскопии (Ростов -
Великий, 1990), Hi Всесоюзный семинар.по атомной спектроскопии (Черноголовка Моск. обл., 1992), УІ конференция по фи-фике газового разряда (Казань, IS9S), Отраслевой научно-технический семинар "Технология нанесения износостойких покрытий на режущие части хирургических инструментов" (Казань, 1991) и на кафедрах общей физики Казанского государственного технического университета и электротехники и электротехнологии Санкт-Петербургского'государственного технического университета (IS94, 1995 г.г.).
. Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных статей, тезисы 5 докладов, получены 2 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объеи работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 248 страницах, содержит 56 рисунков и 2 таблицы. Список использованной литературы составляет 193 наименования.