Содержание к диссертации
Введение
1. Конструкции плазменных генераторов, используемые при модифи кации поверхности материалов 11
Выводы по главе 1 22
Литература к главе 1 23
2. Движение электрической дуги под воздействием внешних магнит ных полей 25
2.1. Анализ различных схем взаимодействия магнитных полей с электрической дугой плазменных генераторов 25
2.2. Вынесенная электрическая дуга постоянного тока с односторонней стабилизацией в переменном магнитном поле 37
Выводы по главе 2 53
Литература к главе 2 54
3. Теплообмен в процессах модификации поверхностей различных ма териалов 56
3.1. Методы экспериментального исследования тепловых потоков с помощью датчиков тепловых потоков нестационарного типа . 58
3.2. Стационарные методы измерения тепловых потоков 70
3.3. Измерение циклических высокоинтенсивных тепловых потоков . 71
3.4. Тепловые потоки, создаваемые различными ПГ на поверхности материала 77
3.5. Теплообмен электрической дуги с дисперсным материалом 79
Выводы по главе 3 92
Литература к главе 3 93
4. Расчет термических процессов модификации поверхности 98
4.1. Нагрев материалов при модификации поверхности без плавления 100
4.2. Нагрев материала с плавлением поверхности 107
4.3. Плавление материалов периодическим тепловым потоком 111
4.4. Использование безразмерных переменных при исследовании 122
процессов модификации поверхности
4.5. Расчет скорости охлаждения расплавов 131
Выводы по главе 4 135
Литература к главе 4 137
5. Плазменные процессы модификации силикатных материалов при получении защитно-декоративных покрытий 143
5.1. Анализ термических технологий получения защитно-декоративных покрытий на строительных материалах 144
5.2. Технология получения защитно-декоративных покрытий на си ликатном кирпиче 150
5.3. Эксплуатационные характеристики и архитектурные свойства покрытий на силикатном кирпиче 154
5.4. Технология получения защитно-декоративных покрытий на бетоне 158
5.5. Прочность бетона с оплавленными покрытиями 159
5.6. Эксплуатационные характеристики оплавленных покрытий 167
5.7. Получение защитно-декоративных покрытий на строительных материалах методом наплавки 174
5.8. Архитектурные свойства плазменных защитно-декоративных покрытий на бетонах 184
5.9. Реализация в производственных условиях технологии получения защитно-декоративных покрытий на строительных материалах 186
Выводы по главе 5 191
Литература к главе 5 192
6. Модификация поверхности стальных изделий плазменным способом 198
6.1. Теоретические предпосылки поверхностной закалки сталей 198
6.2. Экспериментальные исследования поверхностного упрочнения сталей 212
6.3. Упрочнение сталей вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями 218
6.3.1. Закалка локомотивных и вагонных колес вынесенной электрической дугой 219
6.3.2. Плазменное упрочнение рельсов и деталей вагонной тележки 228
6.4. Практическая реализация плазменной закалки железнодорож
ных колес вынесенной электрической дугой 236
Выводы по главе 6 240
Литература к главе 6
- Вынесенная электрическая дуга постоянного тока с односторонней стабилизацией в переменном магнитном поле
- Измерение циклических высокоинтенсивных тепловых потоков
- Нагрев материала с плавлением поверхности
- Технология получения защитно-декоративных покрытий на си ликатном кирпиче
Введение к работе
Широкое применение в современном производстве находят процессы модификация поверхности материалов. Проводя физико-химические превращения в приповерхностном слое с использованием высокоинтенсивных источников нагрева (плазменные, лазерные, электронно-лучевые и др.) возможно за малые времена с высокой производительностью получать слои на различных изделиях и конструкциях со специальными свойствами при сохранении исходных свойств в массе материала.
Изучение процессов, происходящих в приповерхностных слоях, разработка методов их расчета, создание аппаратов и технологий плазменной модификации поверхностей различных материалов направлены на решение актуальных проблем современной промышленности. В химической промышленности.
Защита конструкций химических аппаратов от агрессивного воздействия различных сред путем создания гидроизоляционных и антикоррозионных слоев на диэлектрических материалах химических аппаратов, печей химических производств и др.
Интенсификация химических процессов путем получения модифицированных слоев с каталитическими свойствами на конструкционных материалах химических аппаратов.
Снижение интенсивности износа металлических элементов химических аппаратов (мешалки, элементы конструкции барабанных печей, сушилок, аппаратов измельчения, диспергирования различных материалов и др.) путем создания упрочняющих слоев на поверхности изделия.
В стройиндустрии, в т.ч. в специальном строительстве.
Защита строительных конструкций от воздействия различных агрессивных веществ и влаги путем создания модифицированных слоев
гидроизоляционных, антикоррозионных, защитно-декоративных, металлизированных и др.
В атомной промышленности и других отраслях производства, связанных с захоронением радиоактивных отходов.
Защита окружающей среды от твердых и жидких радиоактивных отходов
путем создания гидроизоляционных и антикоррозионных покрытий.
В машиностроении, на железнодорожном и в городском транспорте.
Снижение интенсивности износа различных деталей из стали (штампы, валки прокатных станов и др.) путем упрочнения быстроизнашивающихся поверхностей.
Снижение интенсивности износа железнодорожных колес, рабочих поверхностей рельсов, элементов стрелочного перевода, деталей вагонной, локомотивной тележек и др. путем упрочнения изнашивающихся поверхностей.
Для решения ряда вышеперечисленных проблем по модификации поверхностей диэлектрических (силикатных) и металлических (стальных) материалов плазменным способом необходимо.
Создать аппараты на основе плазменного источника нагрева, которые обеспечивали бы требуемые параметры нагрева поверхности этих материалов, дозирование, нагрев дополнительного материала, подаваемого на поверхность, ввод его в зону обработки, а также перемещение плазменного генератора относительно поверхности. Изучить теплообмен этих аппаратов с поверхностью изделия и дисперсным материалом, который подается на поверхность.
Разработать методы расчета процессов в приповерхностных слоях материала и в первую очередь термических условий с учетом особенностей их нагрева разработанной конструкцией плазменного генератора.
Разработать технологии модификации поверхности диэлектрических-силикатных и стальных материалов.
Изучить влияние режимных параметров на механические, физико-химические и др. характеристики модифицированных слоев. Определить значения параметров для реализации процессов наилучшим образом.
Исследовать эксплуатационные характеристики полученных модифицированных слоев, в т.ч. в натурных условиях.
Внедрить в производство разработанное оборудование и технологии.
Одним из условий эффективного проведение процесса модификации поверхностей материалов является создание источника высокоинтенсивного нагрева поверхности-плазменного генератора.
Современные конструкции плазменных генераторов в ряде случаев не позволяют эффективно проводить процессы модификации поверхностей материалов вследствие низких и неравномерных по ширине обработки тепловых потоков, узкой ширины зоны обработки и др. Для ряда конструкций, например, при использовании дуги прямого действия невозможно обрабатывать как диэлектрические, так и металлические материалы.
В настоящей работе модификация поверхностей материалов, осуществлялись с использованием специально разработанных аппаратов, включающих: плазменный генератор с вынесенной электрической дугой; систему магнитного управления электрической дугой; специальную конструкцию многопоточного дозатора с системой ввода порошка в зону обработки и различных систем перемещения плазменного генератора относительно поверхности обработки, которые были выполнены в виде конвейера, либо автоматизированной системы с ЧПУ портального типа (при обработке крупногабаритных изделий), а также специальных систем вращения (при обработке стальных изделий).
Для расчета процессов, происходящих в приповерхностных слоях, при разработке технологий плазменной модификации необходимо изучение теплообмена энергоносителя (плазменной струи, электрической дуги) с поверхностью материалов, которое учитывает конструктивные особенности плазменного генератора.
Изучение теплообмена вынесенной электрической дуги, управляемой
магнитными полями, при величине теплового потока в материал 10-10 Вт/м при периодическом импульсном тепловом воздействии представляет
сложную задачу, решение которой возможно экспериментальными методами. В настоящей работе это исследование проводилось путем создания специальных датчиков с привлечением методов скоростной съемки движения электрической дуги под воздействием внешних магнитных полей. Исследование интенсивности нагрева дисперсного материала, подаваемого на модифицируемую поверхность, при его взаимодействии с осциллирующей электрической дугой также проводилось при помощи специально разработанных методик и калориметра.
Методами СКС съемки исследовалось движение вынесенной электрической дуги под воздействием внешних магнитных полей, создаваемых системой магнитного управления плазменного генератора, необходимое: для изучения теплообмена с поверхностью, разработки методов расчета процесса и реализации технологий модификации поверхностей материалов наилучшим образом.
При создании модифицированных слоев на поверхности материалов с наилучшими характеристиками (геометрические, физико-механические, структура слоя, эксплуатационные показатели) необходимо изучение термических условий их формирования. Исследованию нагрева поверхности материалов высокоинтенсивными источниками посвящено значительное количество работ, в том числе и с учетом процессов плавления, испарения материала как аналитическими, так и численными методами. К исследованиям, которые учитывали бы как плавление, так и остывание (кристаллизацию) материала, в том числе и при периодическом тепловом воздействии необходимо отнести работы академика Углова А.А. с сотрудниками. В этих работах преимущественно использовались численные методы анализа. Однако отсутствие данных по теплофизическим характеристикам материалов, например по композиционным, не позволяют эффективно использовать численные методы. С другой стороны аналитические методы дают возможность выявить значимость параметров при их влияние на процесс, а также получить в предельных случаях простые зависимости для расчета характеристик источника
нагрева. По этой причине в настоящей работе предпочтение отдавалось аналитическим методам анализа термических условий в приповерхностных слоях материала.
Учитывая особенности нагрева поверхности плазменным генератором с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями, теоретические исследования процесса проводились при периодическом импульсном воздействия теплового потока на материал (с плавлением и без плавления поверхности). Полученные в работе результаты возможно применять при изучении аналогичных процессов в других областях техники. Использование безразмерных переменных позволяет комплексно определить влияние параметров на процесс модификации материалов, а также получить простые зависимости для расчета характеристик источника нагрева при создании модифицированных слоев с заданными свойствами.
Модификация поверхности диэлектрических (силикатных) материалов предполагает создание специальных свойств в приповерхностном слое. К таким свойствам относятся антикоррозионные, гидроизоляционные, защитно-декоративные, металлизация поверхности и др. Разработка технологии модификации силикатных материалов осуществлялась применительно к процессу получения защитно-декоративных покрытий на строительных изделиях и конструкциях. При этом проводилась отработка режимных параметров процесса, разработка специальных составов фактурных слоев и материалов наплавляемых на поверхность, изучались физико-механические характеристики модифицированных слоев, исследовались эксплуатационные показатели покрытий. Аппараты и технологии получения защитно-декоративных покрытий на силикатных материалах были реализованы в условиях производства и экспонировались на Международных выставках «Стройиндустрия-91 и 93», а также на выставке «Одноэтажная Россия» в 1991 году.
Актуальность проблемы снижения интенсивности износа металлических (стальных) поверхностей была определена выше. В работе разрабатывался процесс и его аппаратурное оформление для упрочнения поверхностей
изделий из углеродистой стали. Существующие разработки по модификации поверхностей металлических изделий и их аппаратурное оформление не позволяют создавать упрочненные слои, особенно которые работают в условиях значительных контактно-усталостных нагрузок, например, при взаимодействии колеса и рельса, с оптимальными характеристиками.
Для создания модифицированных слоев на металлических (стальных) поверхностях с наилучшими характеристиками необходимо: провести теоретические исследования процесса с использованием разработанных аналитических методов расчета термических условий; разработать технологии модификации металлических поверхностей различных изделий и конструкций; исследовать физико-химические превращения в приповерхностном слое и другие характеристики упрочненного слоя, а также провести эксплуатационные испытания работоспособности этих слоев, в т.ч. в натурных условиях. Разработка процесса модификации стальных изделий в настоящей работе проводилась применительно к изделиям и конструкциям, которые используются на железнодорожном и в городском транспорте. Результаты этих разработок внедрены на предприятиях ОАО "Российские железные дороги".
Целью настоящей работы являлась разработка процессов, методов их расчета, создание аппаратов, технологий и их внедрение в производство для плазменной модификации поверхностей диэлектрических (силикатных) и металлических (стальных) материалов, которые направлены на решение вышеперечисленных актуальных для различных отраслей промышленности проблем и задач. Полученные в настоящей работе результаты могут быть использованы для решения других проблем и задач, связанных с модификацией поверхностей различных материалов и конструкций.
Автор выражает благодарность и признательность специалистам, с которыми проводились совместные работы: из Института физики АН БССР-В.Д.Шимановичу, Н.Н.Науменко; из Научно-исследовательского института строительных материалов (г.Минск)- Б.К.Демидовичу, Э.Д. Подлозному; из 26-го научно-исследовательского института Министерства обороны СССР-
А.С.Морозову, из Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта МПС России-В.Н.Лозинскому, Н.В.Павлову; из Московского Государсвенного университета инженерной экологии-А.Л.Сурису, В.Э. Маслову.
Вынесенная электрическая дуга постоянного тока с односторонней стабилизацией в переменном магнитном поле
Нами были проведены исследования, описывающие движения при-анодной области ЭД электродугового генератора постоянного тока с односторонней стабилизацией (рис. 2.1 г) в переменном магнитном поле. При этом движение прианодной области ЭД осуществлялось в плоскости, расположенной под углом а к горизонтальной поверхности [17].
Для проведения экспериментов использовался ПГ состоящий из раздельно установленных анода, катода и соленоида с сердечником (рис. 2.4 а).
Анодом служит графитный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси и расположенный параллельно обрабатываемой поверхности с зазором к ней, а катодом вольфрамовый стержень, обдуваемый стабилизирующим газом-азотом. Ось катода была расположена под углом к обрабатываемой поверхности и направлена в нее по касательной к цилиндрической поверхности анода. Соленоид с сердечником был расположен между катодом и анодом над осью катода.
Электрическая дуга в исследуемой конструкции ПГ стабилизировалась в прикатодной области, а в прианодной перемещалась возвратно-поступательно по поверхности обрабатываемого материала под действием переменного магнитного поля, создаваемого соленоидом с сердечником.
Скорость движения прианодной области электрической дуги определялась путем расшифровки СКС-грамм, полученных с помощью кинокамеры СКС - 1 м, при оплавлении силикатных кирпичей. Киносъемка производилась со стороны катодного узла (рис. 2.4 а) с частотой 3500 кадров в секунду.
Параметры переменного магнитного поля варьировались путем изменения переменного синусоидального напряжения промышленной частоты, подаваемого на соленоид.
Магнитное поле определялось в отсутствии электрической дуги путем измерения вертикальной Вх и горизонтальной Ву составляющих магнитной индукции датчиком Холла с воспринимающей магнитный поток площадкой 2,8 х 2,8 мм измерителем магнитной индукции Е П-3. При измерении магнитной индукции центр датчика Холла устанавливали на разных расстояниях от оси соленоида в условной плоскости перемещения электрической дуги в экспериментах, т.е. в плоскости перпендикулярной оси соленоида. При этом ось катода принадлежала этой плоскости. При измерении Вх или Ву датчик Холла ориентировали соответственно перпендикулярно или параллельно оси соленоида, а через соленоид пропускали постоянный ток от источника питания Б 5-47, равный максимальному значению переменного тока при скоростной киносъемке электрической дуги.
Ток и напряжение электрической дуги в экспериментах составляли 400 А и 130 В соответственно. В качестве стабилизирующего газа использовался азот.
На рис. 2.5 представлены значения вертикальной Вх и горизонтальной Ву составляющих магнитной индукции в условной плоскости перемещения электрической дуги в зависимости от расстояния до точки пересечения оси соленоида с осью катода. Из рис. 2.5 видно, что неоднородность магнитного поля вблизи оси соленоида возрастает с увеличением тока, протекающего через него, при этом величина В " сильно зависит от координаты.
На рис. 2.4 б, в, г приведены фотографии электрической дуги в различные моменты времени в течение одного периода.
Анализ положения прианодной области электрической дуги при различных параметрах переменного магнитного поля показал, что ее движение можно условно разделить на две фазы, а именно: фазу движения прианодной области электрической дуги по поверхности обрабатываемого материала (рис. 2.6) и фазу, когда прианодная область в течение некоторого промежутка времени неподвижна на поверхности материала (рис. 2.6, в) либо начинает перемещаться по аноду от материала (рис. 2.6, г). Вторая фаза воздействия прианодной области на материал является негативной, т.к. при этом происходит перегрев (переплав) обрабатываемого материала по сравнению с центральной областью, либо оплавления не происходит вследствие удаления прианодной области дуги от материала.
На рис. 2.6 приведены зависимости перемещения прианодной области электрической дуги от времени при различных значениях максимальной магнитной индукции В "0 (в точке пересечения осей катода и соленоида). Увеличение В" 0 до 46,5-Ю 4 Т приводит к возрастанию ширины обработки. Изменяя параметры переменного магнитного поля В "0 с 10 3 до 46,5-1О 4 Т можно увеличивать амплитуду отклонения прианодной области электрической дуги от центрального положения от 0 до 42 мм, что позволяет гибко варьировать шириной обработки в широких пределах, а соответственно и величиной удельного теплового потока в материал.
С возрастанием максимальной магнитной индукции увеличивается длительность первой фазы (перемещение прианодной области дуги по мате риалу) с 2-Ю с до 8,2-10 с (рис. 2.6 а - г). При дальнейшем увеличении В" 0 до 74-10 4 Т прианодная область электрической дуги начинает отрываться от поверхности материала и перемещаться вверх по аноду, при этом амплитуда отклонения электрической дуги от центрального положения уменьшается до 30 мм.
Измерение циклических высокоинтенсивных тепловых потоков
Наиболее сложными для измерения являются тепловые потоки нестационарного типа с циклическим их изменением, например, при сканировании с помощью переменных магнитных полей электрической дуги по поверхности изделия (рис. 2.1е) или над его поверхностью (рис.2.1 г) при одновременном поступательном движении ее относительно поверхности материала.
Использование нестационарных методов даже с высокочувствительными пленочными термопарами в таких процессах затруднено вследствие быстрой скорости нарастания и падения температуры, т.к. описанные выше методы ОЗТ не смогут обеспечить точности при восстановлении теплового потока. Кроме того, при значительной величине в импульсе теплового потока температура поверхности датчика превысит температуру плавления материала (меди) при нескольких тепловых воздействиях этих импульсов и сама методика в этом случае будет не корректна.
На рис. 3.6 представлена зависимость изменения температуры от времени при импульсах теплового потока прямоугольной формы, полученной при решении задачи нагрева полупространства [19]. На графиках представлена средняя температура поверхности датчика (плавная линия) и амплитуда колебания температуры.
При мощных тепловых потоках-5-І0 Вт/м температура поверхности достигает температуры плавления меди (1083С) за время -0,4с (рис.3.6а). В этой связи возникают сложности, связанные с вводом и выводом датчика из зоны воздействия электрической дуги за короткий промежуток времени. На рис. (3.6 г, д) приведены температурные зависимости при различных тепловых потоках и длительностях теплового воздействия, но при одинаковой энергии теплового воздействия за период Q=105 Дж-м"2. На расстоянии 1мм от торца амплитуда колебания температуры составляет 10К, а средняя температура для различных длительностей теплового импульса практически равна и совпадает с температурой при постоянном тепловом потоке. Учитывая это целесообразно, по-видимому, измерять температуру в теле датчика, например, на расстоянии 10"3м, сглаживая ее пульсации более инерционной, чем пленочные, термопарой и по этой температуре вычислять тепловой поток, считая его постоянным во времени. После чего по энергии теплового воздействия за период для этого потока и по времени воздействия электрической дуги на датчик определять величину импульсного теплового потока, полагая импульс прямоугольной или другой формы. Время воздействия электрической дуги на датчик можно рассчитывать по ее диаметру и скорости перемещения над датчиком, которую возможно измерить, например, путем скоростной киносъемки.
Точное измерение температуры в датчике при циклическом воздействии высокоинтенсивного теплового потока с частотой, например, 50 Гц с помощью автоматизированного комплекса, описанного в работе [20], и пленочной термопары затруднено вследствие недостаточного для таких измерений быстродействия (1000 измерений в секунду). Из рис. 3.7а видно, что при таком быстродействии на участке интенсивного увеличения температуры х0 = 10"3с возможно провести только одно-два измерения, что приведет к большим ошибкам при вычислении теплового потока. Кроме того, при мощных тепловых потоках -5-Ю8 Вт-м 2 температура поверхности датчика во время воздействия теплового импульса отличается от температуры на расстоянии -ЮОмкм от торца на -100К (рис. 3.76), т.е. необходимо учитывать толщину пленки.
При обработке диэлектрических материалов электрической дугой температура их поверхности достигает -2500...3000 К [21], что в 2,5...3 раза превышает температуру тепловоспринимающей поверхности стационарных и нестационарных типов датчиков. Соответственно будут отличными и тепловые потоки в датчик и в обрабатываемый материал, поскольку при измерении тепловых потоков имеют место меньшие потери тепла излучением и отсутствует унос массы материала с поверхности датчика.
На основании проведенного анализа методов измерения тепловых потоков можно сделать следующие выводы.
Для измерения высокоинтенсивных тепловых потоков при циклическом, с частотой в несколько десятков Гц, воздействии дуги нет необходимости точно определять форму импульсного теплового потока. Целесообразно, по-видимому, рассчитывать средний тепловой поток за период с помощью датчика стационарного типа, если позволяет величина теплового потока, и если средний за период тепловой поток постоянен во времени. Величину же импульсного теплового потока, возможно, определять по времени воздействия электрической дуги на датчик.
В наших исследованиях [22] измерение тепловых потоков от электрической дуги проводилось с помощью датчика стационарного типа, схема которого приведена на рис. 3.8.
Конструкция датчика представляет собой охлаждаемый водой калориметр с тепловоспринимающим торцом диаметром 4 мм. Калориметр вставляется в водоохлаждаемый экран, который имеет контакт с боковой поверхностью датчика только по окружности. Температура воды на входе и выходе из калориметра регистрировалась термопарами типа ХК и записывалась автоматически потенциометром типа КПС-4. Для устранения возможных перетоков тепла от экрана к калориметру температура воды на выходе из экрана поддерживалась близкой к температуре воды на выходе из калориметра путем изменения ее расхода. Перепад температуры в калориметре поддерживался 10К. Датчик был установлен в отверстии пластины из теплозащитного материала на основе графита. Измерения проводились после достижения системой стационарного режима 1 мин. Путем перемещения датчика вдоль осей X и Z (рис. 3.8) определялось поле тепловых потоков, которое создавалось перемещающейся возвратно-поступательно электрической дугой при различных режимных параметрах.
Нагрев материала с плавлением поверхности
При решении используется вариационный параметр q2(r) и разложение функций в ряд с отбрасыванием членов ряда. Очевидно, что эти приемы не обеспечивают получение точных решений задачи, кроме того, такая аппроксимация, по-видимому, не приемлема при решении задач с быстро изменяющимся во времени тепловым потоком, который воздействует на поверхность материала, например, при циклическом воздействии. Плавление материалов постоянным высокоинтенсивным источником нагрева, например, лазером рассматривалась и в работе [23]. При ее решении также используются приближенные методы, и решение ищется путем метода последовательных приближений, при этом температурное поле после начала плавления представляется с использованием функции теплового источника в виде интегро 109 дифференциального уравнения. Очевидно, что и в этом случае такой метод решения также трудно применим к решению задач с нестационарным тепловым потоком на поверхности.
Более близкое к реальному тепловому воздействию в процессе обработки материалов, а именно изменяющимся во времени (например, импульсном) тепловом воздействии, осуществляется при решении задачи плавления и затвердевания в работе [36]. Для упрощения задачи теплофизические характеристики жидкой и твердой фаз считаются одинаковыми.
При решении используется функция источника, а толщина слоя расплава представляется в первом приближении в виде S(t ) = S{t\t I )/(1-1,) (4.25) При этом ошибка в таком приближении не превышает 4%. Решение получается также методом приближений.
По-видимому, такой подход также не дает возможности решения задач при циклическом тепловом воздействии на поверхность.
Как подтверждение в работе [20] задача плавления материалов при воздействии переменных потоков тепла во времени в виде функций: (линейная зависимость q(z) = q0(l + кг), экспоненциальная q{r) = q0[1 -ехр(-кг)], гармоническая q(z) = qn(l + sinki)) решается численным методом, при этом задача упрощается процессом удаления жидкой фазы с поверхности материала сразу после ее образования. На рис 4.4 представлены результаты численного расчета движения фронта плавления во времени. На графиках используются безразмерные переменные Fo = —, Ki(fo) = ±±-L) М- , 1 ХТт cTm х Т S Х = —, 0п =—, R = — , где а - коэффициент температуропроводности; I - толщина пластины; S - координата фронта плавления; Т0 и Т„, - температуры начальная и плавления материала; х - координата; г- время; L, с - теп лота фазового перехода и удельная теплоемкость материала; Я - коэффициент теплопроводности.
Из рисунка видно, что скорость движения фронта расплава при периодическом воздействии теплового потока представляет собой периодическую функцию, что создает дополнительные, технологические возможности в процессах модификации поверхности.
Применительно к процессу импульсного лазерного воздействия численный анализ движения фронта плавления при импульсах теплового потока прямоугольной формы дан в работе [21]. Из рис. 4.5 видно, что движение границы расплава имеет форму автоколебательного.
В наших теоретических исследованиях задачи плавления материала периодическим тепловым потоком рассматривались в одномерной постановке, поскольку в реальных процессах модификации движущимся источником нагрева, как диэлектрических, так и металлических материалов, выполнялось условие (о /Y" 1, которое определяет границу применения одномерной \а J модели распространения тепла (в глубь материала) [26], где: и - скорость движения источника нагрева, / - его протяженность в направлении движения, а - температуропроводность материала.
Постановка и решение задачи нагрева материала периодическим импульсным тепловым потоком.
где Ті (х, т), Т2 (х, т) - соответственно температуры расплава и материала; aj и «2 - коэффициенты температуропроводности расплава и материала; Я/ и Д2 - коэффициенты теплопроводности расплава и материала; т - текущее время; ki - коэффициент, определяющий начальное распределение температуры в материале; Тп - температура плавления материала; q (т) - тепловой поток, воздействующий на поверхность расплава; L - теплота плавления; - координата фронта расплава; х - текущая координата (рис. 4.6).
Начальное распределение температуры в оплавляемом материале (4.28) достаточно хорошо аппроксимирует распределение температуры в нем при воздействии на поверхность теплового потока, приведенное в [2], т.е. моделирует предварительный прогрев материала до его плавления.
При решении уравнения (4.27) с соответствующими краевыми условиями, применяя преобразование Лапласа, используя соответствующие соотношения интегральных преобразований и таблицы перехода от изображений к оригиналам, например [2,3], получим решение для температуры в материале Т2 (х, т):
Технология получения защитно-декоративных покрытий на си ликатном кирпиче
При отработке технологии получения защитно-декоративных покрытий на строительных материалах в наших исследованиях использовался плазменный генератор с вынесенной электрической дугой (рис. 1.8).
При этом прианодная область ЭД совершала возвратно-поступательные движения по поверхности материала под воздействием переменного магнитного поля, а ПГ перемещался относительно материала в направлении перпендикулярном оси вращения анода.
Выбор оптимальных характеристик пространственно-временного теплового воздействия на поверхность материала осуществлялся путем варьирования следующими основными режимными параметрами процесса: - скорость обработки, V; - ток электрической дуги, J; - расстояние от анода до обрабатываемой поверхности, L.
Одной из важных характеристик защитно-декоративных покрытий является адгезионная прочность сцепления покрытия с основой.
Адгезионная прочность покрытий определялась по клеевой методике [33], при которой определялось усилие отрыва бобышки приклеенной эпоксидным клеем к поверхности покрытия (сг = Р/Р), где Р - усилие отрыва, Р- поверхность бобышки.
На рис. 5.1. приведено влияние скорости обработки и тока электрической дуги на адтезионную прочность покрытий на силикатном кирпиче Люберецкого завода. Разброс точек определяется несовершенством методики определения адтезионной прочности.
Однако из графика можно видеть, что прочность сцепления оплавленного слоя снижается по сравнению с исходным материалов вследствие деструкции кристаллогидратов в переходном слое покрытие - основа. При этом величина тока в пределах 300-650 А не оказывает существенного влияния на прочность покрытия.
Не оказывает существенного влияния на адтезионную прочность и величина зазора между вращающимся анодом и поверхностью материала (рис. 5.2), т.е. не требуется точно выдерживать этот технологический параметр в процессе обработки. Этот факт объясняется тем, что электрическую дугу ориентируют таким образом, чтобы она сначала взаимодействовала с поверхностью материала, затем ток проходил бы по электропроводной пленке расплава, после чего осуществляется «привязка» анодного пятна к поверхности электрода. Такой технологический прием позволяет наиболее эффективно осуществлять перенос тепла к поверхности материала.
Проведенные исследования позволили определить оптимальные режимы получения защитно-декоративных покрытий на силикатном кирпиче. Ток электрической дуги - 420 А. Скорость обработки - 13-15 см/с.
Как показали наши исследования на.снижение адтезионной прочности оказывают влияние прочностные характеристик исходного материала. В таблице 5.1 приведены данные по адтезионной прочности кирпича Люберецкого и более прочного кирпича Кореневского заводов. Тем не менее, снижение адтезионной прочности при оплавлении обеспечивает выполнение требований ГОСТа (более 0,6 МПа).
Одной из важных характеристик, определяющих эксплуатационные свойства покрытий, является скорость водонасыщения образца через оплавленную поверхность, которое характеризует гидроизоляционные свойства остеклованной пленки.
Для того, чтобы не происходило разрушение (отрыва) покрытия при температурах близких к О С вследствие замерзания влаги в приповерхностном слое необходимо чтобы покрытие существенно не препятствовало миграции влаги из массы материала в окружающую атмосферу, т.е. покрытие должно быть пористым. Разрушение покрытий из керамической плитки на стеновых панелях из бетона происходит благодаря этому эффекту.
На рис. 5.3 приведены данные по изменению скорости водонасыщения через оплавленную поверхность силикатного кирпича в зависимости от различных режимов обработки (остальные грани кирпича гидроизолирова-лись), из которых видно, что пленка покрытия не оказывает существенного влияния на гидроизоляционные свойства покрытия, т.е. она пористая. Повышенные скорости водонасыщения в начальный период обусловлено потерей в процессе оплавления влаги (кристаллогидратной и физически сорбируемой) из приповерхностных слоев кирпича. После 10 часов скорости водонасыщения у оплавленных и образцов без оплавления практически одинаковые. Морозостойкость плазменных покрытий на силикатном кирпиче и адгезионная прочность снижаются на 1,5-35 % по сравнению с морозостойкостью образцов без оплавления вследствие термической деструкции приповерхностных слоев материала.
