Содержание к диссертации
Введение
2 Аналитический обзор
2.1 Обзор и анализ существующих технологий и технологических процессов сульфидирования режущего инструмента
2.1.1 Способы проведения процесса сульфидирования
2.2 Анализ состояния процесса борирования
2.3 Теоретические аспекты интенсификации химико-термической обработки
3 Кризис кипения при теплоотдачи в сильных электрических полях и возможность возникновения электропитно-плазмениого разряда
3.1 Закономерности микропереноса энергии и массы применительно к кризису теплоотдачи
3.2 Влияние различных параметров на возникновение элсктролитпо-плазменного разряда
3.3 Образование зародышей и динамика роста пузырей
3.4 Образования зародышей в чистой жидкости
3.5 Исследование электролитно-плазменного процесса
4 Разработка источника питания для установки электролитно-плазменной обработки
5 Разработка технологий электролитно-плазменной обработки режущего инструмента
5.1 Очистка режущего инструмента в электролитной плазме
5.2 Химико-термическая обработка в плазме
Основные результаты и выводы
Список литературы
ПриложениеA 106
- Способы проведения процесса сульфидирования
- Теоретические аспекты интенсификации химико-термической обработки
- Образование зародышей и динамика роста пузырей
- Химико-термическая обработка в плазме
Введение к работе
Из мировой практики известно, что режущие инструменты, прежде
всего, должны быть износостойкими, прочными, обладать высокой
теплостойкостыо и коррозионной стойкостью. Данных свойств можно
добиться, применяя лишь поверхностную химико-термическую обработку
металлов, и наиболее приемлемыми и обеспечивающими данные
требования являются процессы борирования, азотирования и
сульфидировапия. Но, несмотря на некоторые достигнутые успехи в
области практической реализации этих процессов, до сих пор остаются
нерешенными такие вопросы как: токсичность газов образующихся при
проведении процесса и нейтрализация отходов. Сами по себе данные
технологии способны увеличить срок службы режущего инструмента в
несколько раз, и обладая необходимыми экологическими показателями и
высокой мобильностью, могут размещаться непосредственно на
производственных участках, обеспечивая максимальную эффективность восстановление вышедшего из строя режущего инструмента. В соответствии с вышеизложенным, задача разработки технологии поверхностной химико-термической обработки режущего инструмента, обеспечивающая высокие эксплуатационные характеристики, является актуальной и своевременной.
Цель работы. Разработка технологии поверхностной химико-термической обработки режущего инструмента с помощью электролитной плазмы, с учетом требуемых эксплуатационных характеристик качества поверхности.
Методы исследования. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы исследования базируются на основных положениях теории подобия, теории резания и физики твердого тела. На основе результатов полученных с помощью экспериментальных исследований была создана физическая модель процесса, которая способствовала решению поставленной задачи.
Научная новизна.
Установлена возможность реализации электролитно-плазменного разряда в технологических процессах.
Установлено, что при химико-термической обработке режущего инструмента в электролитной плазме скорость диффузии легирующих элементов выше, чем при традиционных методах обработки, что дало возможность разработать новые эффективные технологии с многократным сокращением времени обработки.
Практическая ценность
Разработанная нами технология обладает высокими экологическими показателями.
Решен вопрос утилизации отходов, которые после технологического процесса можно использовать вновь по прямому назначению.
Разработаны конструкции установок для поверхностной химико-термической обработки режущего инструмента с помощью электролитной плазмы, которые могут применяться для нескольких типов химико-термической обработки.
4. Установки для разработанной нами технологии обладают высокой мобильностью и могут размещаться непосредственно на заточном участке.
Реализация результатов работы. Установки по химико-термической обработке деталей, сульфидированию режущего инструмента в электролитной плазме внедрены на ОАО «Алттрак», Рубцовском машиностроительном заводе (г. Рубцовск) Еманжелинском механическом заводе (г. Еманжелинск), Чебоксарском заводе промышленных тракторов и др. с суммарным экономическим долевым эффектом 700 тыс. рублей.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на: Научно-технической конференции студентов и аспирантов (РИМ, Рубцовск) в 1998 году, отражены в материалах 5-й Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Омск 1999 г.), 6-й Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Тюмень 2000 г.), 7-й Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Барнаул 2001 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ.
2 Аналитический обзор
Способы проведения процесса сульфидирования
В зависимости от характера среды, в которой проводится процесс, различают твердое, жидкостное или газовое сульфидирование. 1. Наиболее ярким примером твердого сульфидирования является сульфидирование в порошках. При сульфидировании в порошках используются соединения сульфида железа, желтой кровяной соли и графита. Процесс ведется при Т„=560-900()С в течение 3-6 часов. 2. Жидкое сульфидирование проводится, как правило, в расплавах солей. Сульфидирование в расплавах солей - сульфидов с добавками цианидов и роданидов щелочных металлов проводится при Тн - 1 80-600, время обработки 1-6 часов. После предварительной активации обрабатываемой поверхности возможно проведение процесса насыщения в расплаве серы при Ти= 120-400 в течении 2-Ю часов. Сульфидирование в осерненной масляной среде проводится при Тн=170-2200} в течении 3-5 часов. Разработан способ обработки, сочетающий в себе нитроцемептацию при Т„ = 840-860 с последующей закалкой в масляной ванне с содержанием серы в количестве 2-10 % при Т„ = 150-5000 в течение 0,5-2 часов. объемном расходе V = 0,03 л/с и при Т„ = 150-2000 С и выдержкой в течении 1-5 часов. При изготовлении металлокерамических изделий, работающих в условиях трения добавка в шихту до 1 % серы или выдержка изделий с пористостью до 2 % в расплаве серы при Т„ = 130-1400 С и последующим отжигом при Т„ = 650-700 С, позволяет значительно улучшить износостойкость поверхности изготовленной детали. При разработке процесса электролитного нагрева металла И.З. Ясногородским в начале 50-х годов прошлого века была установлена возможность проведения скоростного диффузионного насыщения, в частности сульфидирования деталей, помещенных в электролит, содержащий в своем составе ионы вводимого элемента [23].
Большая скорость диффузии и простота технологического процесса открывает широкие перспективы его применения в промышленности. Исходя из вышеизложенного следует, что серонасыщение поверхности не просто улучшает эксплуатационные характеристики изделия, а по существу создает новый композитный материал, обладающий иными, весьма ценными физико-механическими свойствами, которые не придают сталям все остальные известные способы химической и термической обработки. Критерием оценки эффективности каждого из способов обработки может служить время проведения процесса, из анализа которого можно сделать вывод, что общие закономерности ускорения процесса сульфидирования показаны в подавляющем большинстве работ в основном для режущих инструментов , работающих при малых и средних нагрузках и металлокерамических изделий. Наибольшее распространение процесс получил для увеличения стойкости режущего инструмента, и то весьма ограниченное. Промышленное внедрение данною метода тормозится необходимостью применения сложного оборудования, отсутствием простых и эффективных составов для проведения процесса насыщения, хотя в настоящее время известно свыше ста составов для сульфидирования, а количество применяемых соединений около пятидесяти. Температура процесса колеблется от 50 до 600 С в порошках - до 900 С. Время процесса - от нескольких минут до 10 часов. Система контроля, отбора и утилизации отходов и отработанных продуктов являются также нерешенными задачами. Определенные затруднения вызывает то обстоятельство, что коэффициент диффузии серы в десятки раз меньше коэффициента диффузии углерода и азота. Повышение температуры нагрева для увеличения коэффициента диффузии ухудшает структуру изделия, полученного предшествующей термообработкой, деформирует изделие. Процесс сульфидирования с нагревом в электролите обладает ценными преимуществами по сравнению с перечисленными выше и при решении ряда теоретических и практических вопросов должен найти широкое применение в промышленности. Борирование деталей применяется для повышения твердости, износостойкости, тепло- и коррозионной стойкости поверхности, которые обеспечиваются высокой твердостью боридов железа, их химической стойкостью и напряжениями сжатия, достигающими в боридном слое значений 21-39 10 кг/м [30] из-за увеличения объема формирующихся структур. При рассмотрении процесса образования боридов высокая твердость, сохраняющаяся до высоких температур, и износостойкость объясняется высокими энергиями межатомного взаимодействия, что в свою очередь обеспечивается участием в образовании химической связи, не только наружных но и внутренних слоев.
Формирование стабилизированных электронных конфигураций и увеличение процентного содержания их приводит к увеличению твердости, сопровождаемой повышенной хрупкостью слоя [31]. Доказательством может служить тот факт, что легирование стали элементами, вызывающими меньший захват электронов (Си, Zn, Al, Сг, Ni) позволяет уменьшить хрупкость боридного слоя [32]. Комплекс ценных свойств боридов позволяет эффективно применять процесс борироваиия для деталей, работающих в условиях сухого и абразивного трения. Наибольшее распространение процесс получил для обработки штампового инструмента с целью увеличения его износостойкости в 2-10 раз [66-69]. Перспективно направление по замене дорогостоящих сложнолегированных сталей углеродистыми, подвергнутыми борированию [32]. В начале прошлого века П.П. Чижевским и др. была установлена возможность диффузионного насыщения стали бором из порошков, содержащих в своем составе бор при Т„ = 800 - 1200 С. Простота технологии позволяет занимать данному процессу определенное место и в настоящее время. В качестве насыщающих сред используется бор, карбид бора, ферробор и др., засыпаемые в контейнер с деталями, подлежащими обработке. Но низкая теплопроводность порошка и малая активность выделяемого бора не обеспечивают высокой производительности процесса. Дальнейшие исследования [33-36], направленные на поиск составов с повышенной активностью среды позволили увеличить скорость насыщения до 6,6 10"9-7,510"9 м/сек. Механизм образования активного
Теоретические аспекты интенсификации химико-термической обработки
Проведение ХТО включает в себя три группы процессов, последовательно протекающих в рабочей среде, на поверхности и в определенном объеме обрабатываемого металла. Из наиболее важных процессов можно выделить следующие: 1.Перевод диффундирующего элемента в активное состояние и транспортировка его к поверхности металла. 2. Химическое взаимодействие с металлом (хемосорбция) 3. Диффузия атомов насыщаемого элемента в металл. Скорость процесса ХТО, как и в любой многостадийной химической реакции соответствует скорости протекания самой медленной стадии [76]. 13 настоящее время разработано множество методов интенсификации процессов, способных оказывать влияние на одну или несколько стадий процесса, но применение большинства из них носит ограниченный характер. Например, наиболее действенным фактором ускорения процесса ХТО является повышение температуры среды, т.к. константа скорости реакции (к) и коэффициент диффузии (D) связаны с ней экспоненциальной зависимостью: где A, D0 - предэкспоненциальные множители Е - энергия активации R- универсальная газовая постоянная Т - температура, К. Но увеличение температуры выше 1000 С вызывает рост зерна стали, коробление, снижение механических свойств.
Кроме этого, адсорбционная способность поверхности (п) уменьшается в соответствии: где к - постоянная Q - теплота адсорбции. Анализ других методов интенсификации также показывает их ограниченность. Так, например, есть предел изменения давления, интенсивности ультразвукового, электромагнитного или электронного воздействия, напряженности электрического поля и других факторов. Превышение этого предела оказывает отрицательное действие или неприемлемо в реальных условиях проведения процесса. Существующие способы химико-термической обработки включают в себя определенный набор методов интенсификации, воздействующих на одну или несколько стадий процесса и определяющих его возможность. Так, например, при химико-термической обработке в порошках и расплавах количество активных атомов, образовавшихся при термическом разложении исходного продукта и достигших в активном состоянии поверхности детали, полностью определяют скорость насыщения. О низкой активности среды, ограничивающей скорость процесса, говорит тот факт, что насыщение возможно из состава, полностью состоящего из одного компонента. При химико-термической обработке в более активных средах (электролизное, газовое) определяющим фактором является скорость диффузии, вследствие чего разработан ряд способов, искусственно снижающих активность среды (разбавление газа, снижение плотности тока и т.д.) во избежание покрытия поверхности изделия не успевшими продиффундировать атомами вещества и пассивации поверхности. В соответствии с вышеизложенным можно считать, что проблема формирования активных атомов и доставка их к поверхности детали решена и легко осуществима, и, поскольку фактором, ограничивающим процесс является скорость диффузии, то самыми перспективными будут являться те способы обработки, которые способны воздействовать на процессы, идущие в поверхностных и глубинных слоях обрабатываемого материала.
Так, например, способ нагрева ТВЧ позволяет привести аустенит к температуре насыщения в мелкодисперсном состоянии, что увеличивает фронт диффузии и обеспечивает ускорение процесса. Наибольшую скорость насыщения обеспечивает процесс химико-термической обработки при электролитном нагреве. Сущность проведения процесса заключается в том, что при приложении разности потенциалов порядка 100-300 В на электроды, погруженные в раствор соли или другого диссоциирующего соединения, на одном из них, площадь которого в два или более раза меньше другого возникает плазменная оболочка, падение напряжения в которой достигает 80-95 В [78]. Под действием электрических разрядов электрод-деталь разогревается до температуры, зависящей от приложенного напряжения. При введении в электролит соединений, содержащих азот, углерод, бор, серу и др. образующиеся ионы вовлекаются в зону разряда, адсорбируются на поверхности и диффундируют вглубь разогретого металла. Посколысу нагрев до высоких температур, образование активных частиц и подвод их к поверхности обрабатываемой детали осуществимы и при других способах обработки, ускорение процесса при электролитном нагреве можно объяснить специфическими действиями разряда образовавшейся электролитной плазмы, основные из которых: 1. Высокая скорость нагрева 2.
Механическое очищение поверхности под действием электрических разрядов. 3. Электрохимическое воздействие - восстановление оксидных пленок. 4. Увеличение плотности дислокаций в решетке поверхностных слоев. 5. Образование сверхравновесной концентрации ионов [79] высоких энергий, активно взаимодействующих с поверхностью металла. Для взаимодействия с поверхностью ион должен иметь энергию 1,39-10"20 Дж (по Максвеловскому распределению). В разряде образуются ионы с 1 7 энергией 3,84-10" Дж, т.е. в 3000 раз большей [80]. 6. Непосредственное проникновение диффундирующего элемента в металл под действием искрового разряда и созданию неравновесной структуры. 7. Увеличение градиента концентрации по глубине и, как следствие, ускорение диффузии. По Замятину М.М.: Q = а(Спрсд - Cx,x)F-x, где Q- количество продиффундировавшего вещества; а - коэффициент, характеризующий интенсивность взаимодействия поверхности с окружающей средой; Спрсд , Сх.т - концентрация элемента предельная и в точке х через время т. F - площадь поперечного сечения; т - время обработки.
Образование зародышей и динамика роста пузырей
Можно представить, что за время существования одиночного пузыря он проходил следующие фазы развития: возникновение зародыша; - начальный рост; - промежуточный рост; - асимптотический рост; - возможное разрушение; Возникновение зародыша (в молекулярном масштабе) это процесс, при котором образуется пузырек (ядро), размер которого несколько превышает размер, определяемый условиями термодинамического равновесия. Начальный рост от зародышевого размера определяется влиянием сил инерции и поверхностного натяжения. Скорость роста вначале невелика, но с увеличением пузыря она возрастает, поскольку ослабевает влияние сил поверхностного натяжения. На промежуточной стадии ускоренного роста пузырька теплообмен становится все более важным фактором в противоположность силам инерции. Когда процесс роста достигает асимптотической стадии, он всецело определяется скоростью переноса тепла от окружающей пузырь жидкости, способствующего его испарению с поверхности пузыря. Если пузырь во время роста окружен недогретой жидкостью, он может лопнуть. Процесс разрушсиия пузырей определяется почти той же совокупностью факторов, что и их рост, только действуют они в обратном порядке. Образование и существование зародышей возможно только в перегретой жидкости. Существуют два вида зародышей. Один из них возникает в чистой жидкости; это может быть группа молекул, обладающих высокой энергией, которая образовалась в результате тепловой флуктуации молекул жидкости. Другой вид зародышей образуется на чужеродных телах; это может быть либополость на поверхности нагрева, либо взвешенные частицы чужеродного материала с несмачиваемой поверхпостыо.
В таблице 3.2 проанализировано влияние параметров системы на кипение потока. где n - количество зародышей; Діло - работа перемещения глубинных молекул жидкости к поверхности раздела, фут-фунт; С - коэффициент пропорциональности, при n«N, С « N, где N=N+N2- общее количество молекул жидкости N, и пара N2; К - постоянная Больцмана; Т - температура, R; Шо - работа образования свободной поверхности зародыша фут-фунт, которая может быть определена как: Чтобы из зародыша в дальнейшем мог вырасти пузырь, размер зародыша должен превышать размер, удовлетворяющий условиям термодинамического равновесия фаз. Условие термодинамического равновесия на границе раздела пар-жидкость в чистом веществе можно записать в виде где R и R2- главные радиусы кривизны поверхности раздела. Для сферического зародыша радиуса R уравнение (3.2) примет вид Нами была поставлена цель разработки технологии поверхностной химико-термической обработки режущего инструмента с помощью электролитной плазмы, с учетом требуемых эксплуатационных характеристик качества поверхности. Учитывая специфику электролитно-плазменного разряда основное внимание уделено энергетическим характеристикам процесса. Наибольшее значение в работе уделяется изучению вольт-амперных, вольт-температурных и вольт-секундных характеристик процесса. Это обусловлено рядом объективных причин: - малые размеры области электролитно-плазменного разряда; - различное состояние обрабатываемой поверхности; - невоспроизводимость результатов. Наиболее наглядно природа электролитно-плазменного разряда видна при построении вольт-амперных характеристик процесса. При выполнении работы нами был выполнен анализ литературных данных и проведена серия экспериментов.
Экспериментальная установка представляла собой электрическую ванну из винипласта объемом 3 л, в которую заливался электролит и помещались электроды. Внешний электрод выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром 10 и высотой 2 см из стали 12Х18Н9Т. Боковая и внешняя поверхность цилиндра экранирована с помощью винилпластовой обоймы, так, что при погружении в ванну ток протекал только через внутреннюю поверхность. Активный центральный электродщредставляющий собой модель режущего инструмента, был изготовлен из нержавеющей стали диаметром 0,5 и длиной 5 см имел по оси отверстие диаметром 0,3 и глубиной 4,8 см, в которое устанавливалась хромель-алюмелевая термопара для измерения температуры электрода.
Химико-термическая обработка в плазме
Образование сернистых соединений железа связано с выделением большого количества тепла и уменьшением свободной энергии, что доказывает, что сера в железе и сталях находится в связанном состоянии. Как указывалось, сернистые соединения нарушают сплошность основного металла, ослабляют действие молекулярных сил сцепления, но образуясь при сульфидировании только на поверхности металла, препятствуют "схватыванию" металлических поверхностей. Кроме того являясь полупроводниками, сульфиды железа при сжатии поляризуются, адсорбируют на себе смазку и способны обеспечить "несвариваемость" рабочих поверхностей при повышенных температурах возникающих при трении. Наличие в серонасыщенном слое двусернистого железа-пирита может не только определять качество серонасыщения, но также и дать объяснение явлению длительного восстановления активных свойств сульфидированных поверхностей. Явление продолжающейся диффузии серы вглубь металла по мере изнашивания поверхностных слоев носит название регенерации и объясняется тем, что при трении в микрообъемах сульфидированных поверхностей развивается достаточная температура для продолжения процесса химического воздействия активных сернистых соединений, сохранившихся по впадинам микрорельефа и не прореагировавших ранее, с железом.
При этом частично имеет место процесс так называемой "щелевой диффузии" сернистых соединений в микротрещины по границам зерен. Известные способы интенсификации химико-термической обработки, широко применяемые в производстве для ускорения диффузии азота, углерода и др. при сульфидировании практически не применяются. По литературным данным известно, что для осуществления процесса сульфидирования применяется несколько десятков серосодержащих соединений. Проведенный анализ литературных данных показал, что сульфидирование поверхностей трения деталей машин и инструмента значительно увеличивает их износостойкость. Но длительность процесса, применение токсичных соединений, необходимость проведения операций подготовки поверхности перед сульфидированием и последующей ее очистки ограничивают применение разработанных технологий в промышленности. Разработка прогрессивных способов осуществления процесса должна способствовать более широкому внедрению сульфидирования в производство. Разработанная нами технология электролитно-плазменной обработки является новым, прогрессивным способом поверхностной обработки, которая обладает рядом существенных особенностей, такими как: 1. Возможность зонной обработки только рабочих поверхностей инструмента, погружением в электролит на определенную глубину. 2. Отсутствием операций предварительной подготовки поверхности и последующей очистки. 3. Применением водных растворов нетоксичных соединений. 4. Возможностью проведения процесса без нагрева основной массы обрабатываемого металла, что позволит подвергать сульфидированию окончательно термообработанный и заточенный инструмент многократно - после каждой переточки с целью постоянного возобновления сульфидного слоя. 5. Сокращением времени обработки до нескольких минут за счет интенсификации диффузии электролитно-плазмепным разрядом. 6.
Малогабаритностыо оборудования и простотой технологического цикла, что позволит проводить обработку непосредственно в заточных отделениях механообрабатывающих цехов. Явление нагрева металлических электродов до высоких температур (вплоть до плавления) при пропускании электрического тока повышенной плотности через электролиты обнаружено еще в прошлом веке. Плавное увеличение напряжения на ванне сверх некоторого критического значения приводит сначала к бурному паро- и газовыделению на электроде меньшей площади, что сопровождается снижением средней силы тока. При дальнейшем повышении напряжения вокруг этого "активного" электрода образуется сплошная газовая оболочка, через которую течет стационарный электрический ток, т.е. происходит газовый разряд. Существование этого режима объяснено пленочным кипением жидкости. При увеличении напряжения до 100-130 В сила тока уменьшается в несколько раз. Наблюдается образование сплошной оболочки, изолирующей активный электрод от электролита. Это четвертая стадия процесса. Однако нагрев активного электрода начинается не в точке стабилизации разряда, а при дальнейшем увеличении напряжения на 10-50 В. Характерной особенностью этой стадии процесса является падение силы тока в несколько раз и нелинейное изменение его при дальнейшем увеличении напряжения, регулируя которое можно нагревать активный электрод до требуемых температур или поддерживать плазменную оболочку без нагрева основной массы металла. Традиционные способы сульфидирования из-за длительности процесса, необходимости нагрева инструмента до Тн = 500-560 С, высокой токсичности, требующей изолированных помещений, оборудованных мощной системой защиты обслуживающего персонала предполагаютоднократную обработку инструмента. Но поскольку сульфидный слой при эксплуатации инструмента, а в большей мере - при
