автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Характеристики плазменной электротермической установки с жидкими электродами

Р Г Б

О о

ОД

На правах рукописи

Г АЛИМОВА РУФИНА КАМИЛЕВНА

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ЖИДКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ( ЭЛЕКТРОЛИТЫ С ДОБАВЛЕНИЕМ НЕОРГАНИЧЕСКИХ И ОРГАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ)

05.09.10 - электротехнология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1997

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Гайсин Фивзат Миннебаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Клубникин Валерий Степанович,

кандидат технических наук, доцент Тазмеев Харис Каюмович

Ведущая организация: АО «ВАКУУММАШ»

Защита состоится «г?/?» в часов

на заседании диссертационного/совета СПбГТУ К063.38.25 по присуждению ученой стэпени кандидата технических наук по адресу: 195251. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29. корпус Г^^У/Й^аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ЩЛ(/ А.Н.Кривцов

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современная техника требует развития методов создания материалов с заданными свойствами и оптимальной для целей их применения структурой. Перспективным направлением в решении этих вопросов является применение в технологических процессах низкотемпературной плазмы (Та<105К).В последние годы, благодаря широким возможностям применения, особый интерес представляют нетрадиционные источники плазмы, в которых одним из электродов является электролит-плазменные электротермические установки с жидкими электродами (ПЭТУ).ПЭТУ позволяют оптимально применять парогазовый разряд между твердым металлическим электродом и жидким неметаллическим электродом (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) при модификации токопроводящих и токонепроводящих материалов с любыми физико-механическими свойствами с целью улучшения их эксплуатационных свойств ( прочностные, антикоррозионные и т.д. ). Однако, несмотря на обширные возможности применения парогазовых разрядов с жидкими электродами, физика протекавщих в чих процессов только начинает развиваться. Все это определяет актуальность накопления экспериментальной информации по исследовании характеристик и расширения понимания физики разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) электродами, создания и внедрения в промышленность плазменных электротермических установок, разработки технологий с использованием парогазовых разрядов с жидкими электродами.

Цель работы.Установление закономерностей поддержания парогазового разряда между твердым металлическим электродом и жидким неметаллическим электродом (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей).разработка и создание плазменной электротермической установки для очистки и полировки поверхностей металлических изделий с последующим использованием результатов обработки в производстве, определение технологических параметров обработки поверхностей твердых тел, поиск оптимального диапазона изменения характеристик парогазового разряда при очистке и полировке поверхностей твердых тел. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать экспериментальный комплекс для исследования характеристик парогазового разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) в диапазоне Р=665-105 Па, тока разряда 1Р от 0,1 до 6 А и 1= 1-100 мм.

2. Экспериментально исследовать особенности парогазового разряда с жидкими электродами (электролиты с добавлением неорганичес-шх и органических примесей), вольт-амперные характеристики (ВАХ)

парогазового разряда, анодное и катодное падение потенциала, плотности тока на электродах.распределение потенциала в объеме электролита, распределения напряженности электрического поля и плотности тока на поверхности электролита.

3. Критериально обобщить результаты исследований электрических характеристик разряда для расчета ПЗТУ с жидкими электродами.

4. Провести ЯМР-радиоспектрометрические исследования воздействия парогазового разряда на жидкость.

5. На основе экспериментальных исследований предложить качественную физико-химическую модель парогазового разряда с жидким неметаллическим катодом и физическую модель процесса обработки поверхностей твердых тел парогазовым разрядом.

6. Разработать и создать опытно-промышленную ПЗТУ с жидким электродом (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) для обработки поверхностей изделий при атмосферном давлении.

7. Создать диагностический комплекс, позволяющий получать информацию о параметрах технологического процесса и характеристиках разряда при очистке я полировке поверхностей металлических изделий.

8. Определить параметры обработки поверхностей металлических изделий.

Научная новизна. Впервые в критериальной форме обобщены электрические характеристики парогазового разряда с жидким катодом из водных растворов с добавлением органических примесей. На основе экспериментальных измерений распределения потенциала на поверхности электролита рассчитаны распределения компонент напряженности электрического поля и плотности тока на поверхности электролита. Проведены ЯМР-радиоспектрометрические исследования воздействия плазмы парогазового разряда с жидким катодом на обрабатываемую жидкость. Разработана и создана опытно-промышленная плазменная электротермическая установка с жидким неметаллическим электродом ( электролиты с добавлением неорганических и органических примесей ) для обработки материалов при атмосферном давлении. Созданы и апробированы способы очистки и полировки поверхностей деталей.Установлены оптимальные режимы установки,при которых шероховатость снижается на 0,5 - 1 класс. Предложены качественная физико-химическая модель поддержания парогазового разряда с жидким катодом и физическая модель процесса обработки поверхностей металлических изделий.

Практическая ценность. Новые данные, полученные в результате экспериментальных исследований, дополняют уже имеющуюся информацию о парогазовых разрядах с нетрадиционными электродами, расширяют

представления о физике этих разрядов, способствуют дальнейшему систематическому изучении таких систем с точки зрения технологического применения. Результаты данных исследований могут быть использованы при разработке и расчете плазменных электротермических установок.

Работа выполнялась по госбюджетной тематике в соответствии с межвузовской научно-технической программой " Фундаментальные исследования в области прикладной физики и математики в технических ВУЗах России (Физмат) " (Раздел:"Взаимодействие интенсивных потоков энергии с веществом"), программой "Университеты России", по единому заказ-наряду § 3 "Исследование взаимодействия парогазового разряда с поверхностью твердых тел".

На защиту выносятся.1. Результаты экспериментальных исследований парогазового разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) в диапазоне Р=665 -105 Па, 1р от 0,1 до 6 /V, 1= 1-100 мм:закономерности зажигания и горения,структура и вид разряда, его ВАХ, анодное и катодное падения потенциала, плотности тока на электродах,распределение потенциала в объеме электролита,распределение компонент напряженности электрического поля и плотности тока на поверхности электролита, результаты критериального обобщения электрических характеристик разряда, позволяющие рассчитывать параметры электротермических установок.

2. Результаты ЯМР^Н исследования жидкости, обработанной парогазовым разрядом с жидким катодом.

3. Способ очистки и полировки поверхности твердого металлического анода парогазовым разрядом с жидким катодом.

4. Способ очистки и полировки поверхности металлического изделия. погруженного в электролит, парогазовым разрядом с жидким катодом.

5. Результаты исследований параметров обработки поверхностей металлических изделий.

6. Разработанная и созданная опытно-промышленная плазменная электротермическая установка с жидкими электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей).

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы по очистке и полировке металлических изделий использованы в цехе радиовещания и звукозаписи Гостелерадиовещательной компании "Татарстан".

Соответствующие акты об использовании результатов работы приложены к диссертации.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на республиканской научной и научно-технической конференциях С г. Ка-зань-1994 г.,1996 г. ), на Всероссийских научно-технических конференциях ( г. Саранск-1993 г.,г.Самара-1994 г. ), на международных научно-технических конференциях и семинаре ( г.Минск-1994 г.,г.Ка-зань-1996 г.,г.Наб. Челны-1997 г.,г.Севастополь-1997 г. ).

Публикации. По результатам работы опубликовано 3 статьи в центральной периодической печати, 2 статьи в сборнике " Вестник КГТУ " и тезисы 10 докладов, получено положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 96110439/02 " Способ очистки поверхности изделия, его вариант " ( приоритет от 23.05.96 ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы.Полный объем диссертации-202 страницы, основного текста-115 страниц, рисунков-63, 7 таблиц.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность, сформулированы основные цели, кратко изложено содержание диссертации, описаны выносимые на защиту положения.

В первой главе приведен краткий обзор известных теоретических и экспериментальных исследований разряда в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. Рассмотрены некоторые области применения такого разряда. Поставлены задачи диссертации.

На основании анализа литературных данных можно сделать вывод о том, что в настоящее время известны пять основных модификаций системы "парогазовый разряд - жидкий неметаллический электрод":

1. Разряды в парогазовой среде между твердым и жидким электродами (Лазаренко Б.P., Hickling A., Sternberg Z.W., Onaka Н., Гайсин Ф.М. и др.);

2. Разряды в парогазовой среде между жидкими электродами (Лазаренко Б.Р.,Баринов Ю.И..Гайсин Ф.М.,Хакимов Р.Г. и др.);

3. Разряды в парогазовой оболочке вокруг твердого электрода. Погруженного в электролит С Hickling A.. Ingram M.D.,Crabarz-Olivi-ег J.,Лазаренко Б.Р. и др.);

: 4. Микроразряды на погруженном в электролит аноде, покрытом слоем диэлектрика ( Слугинов Н.П., Иконописов С., Снежко Л.A., Vijh А.К., Одынец Л.А..Бугаенко Л.Т.,Поляков О.В. и др.);

5. Разряды между струей электролита и твердым электродом (Гайсин Ф.М., Хакимов Р.Г. и др.).

. ш

Интерес к таким разрядам для использования в технологических целях связан с рядом достоинств. Режимами горения разряда можно легко управлять изменением концентрации и состава электролита.Обработка изделий с помощью плазмы разряда между твердым и жидким электродами возможна,когда другие методы более трудоемки.более дорогостоящи или их невозможно применять по другим причинам (например, экологическим). Однако,несмотря на обширные возможности технологического применения парогазовых разрядов с жидкими электродами,физика протекающих в них процессов только начинает развиваться. Очень мало экспериментальных данных о характеристиках таких разрядов с жидкими электродами из различных электролитов. В большинстве работ в качестве электролитов использовались растворы неорганических соединений. Мало данных о парогазовых разрядах между вынесенным из электролита металлическим электродом и жидким неметаллическим электродом с органическими примесями.

Во второй главе содержится описание комплекса для получения и исследования парогазового разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами при Р = 665-105 Па. Функциональная схема комплекса представлена на рис. 1: 1 - система электрического питания экспериментального комплекса; 2 - распределительный щит; 3 - пульт уп-I равления и контроля; 4 - высоко, вольтное выпрямительное устройство; 5 - блок балластных резисторов^ - контрольно-измерительная аппаратура; 7 - устройство для перемещения твердого электрода; 8-устройство для проведения зондовых измерений; Э -контроль изменения температуры и влажности; 10 - контроль изменения плотности и рН жидкости; 11 - вакуумная система; 12 - электролитическая ячейка.

Трехфазный электрический ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц через распределительный щит подается на вход высоковольтного выпрямительного устройства. Высоковольтное выпрямительное устройство состоит из трехфазного регулировочного трансформатора, повышающего трансформатора, высоковольтного выпрямителя и обеспечивает выходное напряжение до 8300 В при токе нагрузки-3 А.Конструкция блока

балластных резисторов для обеспечения устойчивости разряда позволяет осуществлять подбор необходимого номинала в диапазоне 2-236 кОм. Контроль общего тока осуществляется амперметром типа МЗЗО со шкалой на 5 А класса точности 1,5,напряжение-вольтметром типа М340 со шкалой на 9000 В класса точности 2,5. Измерение величины пульсаций выпрямленного стабилизированного напряжения проводились осциллографи-ческим методом (осциллограф С1-49,снабженный тарированным делителем напряжения). Погрешность измерений амплитуды не превышает 10 %. Для исследований парогазового разряда с жидкими электродами при пониженных и средних давлениях используется вакуумная система, которая включает вакуумную камеру,насос водокольцевой системы ВВН-12, ротационный масляный насос РВН-204. Через вакуумные фланцы вакуумная система подключается к системе измерения и регулирования давления. Давление в вакуумной камере при работе с пониженными давлениями измерялось с помощью U-образных ртутных манометров открытого типа с ценой деления 133 Па,образцовых вакуумметров типа ВО класса точности 0,4. Температура жидкости в ходе эксперимента измерялась термоэлектрическим методом с помощью самопишущего потенциометра КСП4. Плотность раствора до и после эксперимента контролировалась ареометром, рН раствора - рН-метром-милливольтметром типа рН-673М класса точности 0,5. Относительная влажность воздуха измерялась психрометром типа ПБН-1М.Температура среды контролировалась с помощью термометра с ценой деления 0, 5°С.

Вольт-амперные характеристики парогазового разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами измерялись с помощью электростатических вольтметров С-50 класса точности 1 со шкалой 300 В и 1000 В, цифровым измерительным прибором типа В7-16, амперметром 3514 класса точности 0,5 со шкалой 2,5 А и 5 А. Относительные погрешности измерений напряжения и тока не превышали 1,5 %. Для каждого набора значений давления, межэлектродного расстояния, состава и концентрации электролита регистрация ВАХ разряда проводилась не менее 5-6 раз. Осредненная плотность тока на металлических электродах определялась как отношение тока разряда к площади катодного (анодного) пятна.На основании экспериментальных измерений распределения потенциала на поверхности электролита и исходя из уравнений

divT^_0. ( 1 )

Т= б-Е, где ( 2 )

б - удельная электропроводность электролита,

Г = - grad ц> ( 3 )

рассчитывались значения плотности тока на поверхности жидкого электрода.Экспериментальное определение электропроводности электролита осуществлялось с использованием четырехэлектродных ячеек на

переменном токе. Для расчета распределения потенциала в объеме электролита было использовано уравнение

1 э Эф, а / Эф^

-•—■ бг — + —• б— = 0, где ( 4 )

г Зг Зг az az

г - расстояние от центра электролитической ячейки круглого сечения, г - расстояние от поверхности металлического токоподвода на дне электролитической ячейки до поверхности электролита. Уравнение ( 4 ) решается в цилиндрической системе координат при соответствующих граничных условиях методом переменных направлений на разностной сетке шагом 30><20.Измерения распределения потенциала на поверхности электролита проводились с помощью одиночного зонда, нерабочая часть которого изолировалась кварцевым капилляром, частично находящимся в керамической трубке. Для измерений распределения потенциала использовались электростатические вольтметры. Вольт-амперные характеристики строились с учетом падения потенциала на поверхности жидкого электрода. Спектральные характеристики жидкостей,обработанных плазмой разряда с жидким катодом, записывались на радиоспектрометре высокого разрешения фирмы "Varian" на 60 МГц.

Для исследования параметров обработки металлических поверхностей использовался микроинтерферометр Линника МИИ-4. Состояния поверхностей металлических изделий, обработанных с помоир.» плазменной электротермической установки с жидкими электродами,исследовались на рентгенодифрактометрах ДРОН-2,0 и ДРОН-ЗМ в FeK^-излучении с 6-фильтром. Послойный анализ фазового состава поверхностных слоев образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т осуществлялся оригинальным методом дифракции рентгеновского излучения с использованием геометрии параллельных скользящих лучей.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований разряда постоянного тока в газе между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей).

Разряд между жидким неметаллическим катодом и твердым металлическим анодом в диапазоне Р=665-10ь Па имеет форму усеченного конуса. Большее основание на поверхности жидкого катода служит катодным пятном. Меньшее основание на поверхности металлического анода-анод-ным пятном. При пониженных давлениях на поверхности жидкого катода образуются пятна сложной формы.При атмосферном давлении разряд имеет форму усеченного конуса с резко очерченными границами, в объеме которого хаотически перемещаются нитевидные линии.С ростом межэлектродного расстояния эти линии распадаются на отдельные, ярко очерченные каналы.В случае использования в качестве жидких катодов водных растворов МН4С1 различных концентраций, а в качестве твердого

анода-стального электрода,катодное пятно имеет фиолетовый цвет.Внутри пятна быстро хаотически перемещаются нитевидные розовые пятна.

В диапазоне Р = 665 - 1300 Па разряд между жидким неметаллическим анодом и твердым металлическим катодом также имеет форму усеченного конуса.С ростом межэлектродного расстояния диаметр анодного пятна на поверхности жидкого анода уменьшается, а на металлическом катоде площадь пятна увеличивается.При атмосферном давлении и 1 > 2 мм разряд между жидким неметаллическим анодом и твердым катодом имеет такой же вид.При 1 < 2 мм между металлическим катодом и жидким анодом зажигается множество микроразрядов шарообразной формы. Нагревание твердого электрода приводит к тому, что шарообразные микроразряды сливаются в единый шар белого цвета, окруженный ореолом. Цвет ореола зависит от состава и концентрации электролита. Установлено, что состав и концентрация электролита существенно влияет на напряжение зажигания разряда. С увеличением концентрации примесей в электролите напряжение зажигания разряда уменьшается. Разряд зажигается легче и горит при меньших напряжениях в случае использования растворов, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации. Устойчивость горения разряда зависит от предела растворимости вещества в растворителе. Полярные органические соединения (например, муравьиная кислота, глицерин) существенно повышают устойчивость горения разряда. При атмосферном давлении в исследованном диапазоне токов, напряжений и межэлектродных расстояний 1= 0-8 мм вольт-амперные характеристики парогазового разряда с жидкими электродами ( электролиты с добавлением неорганических и органических примесей ) имеют возрастающий характер.

Экспериментальное измерение распределения потенциала на поверхности электролита позволило рассчитать распределение компонент напряженности электрического поля и плотности тока на поверхности жидких электродов. Плотность тока на жидком катоде (аноде) существенно зависит от состава, концентрации электролита и межэлекгродно-го расстояния. Характерные зависимости компоненты плотности тока на жидком катоде от тока разряда имеют возрастающий характер.Плотность тока на жидком аноде с ростом тока уменьшается, достигает минимума, а затем увеличивается. С увеличением расстояния от центра разряда вдоль поверхности электролита плотность тока на поверхности жидкого электрода уменьшается.Увеличение межэлектродного расстояния приводит к уменьшению катодного (анодного) пятна и к снижению плотности тока на поверхности жидкого электрода. При атмосферном давлении и 1р=0,9 А значение компоненты плотности тока в случае разряда с жидким анодом (водные растворы с добавлением СаС1г, Ш4С1, глицерина, спиртового раствора муравьиной кислоты) в 1,5 раза превышает значение компоненты плотности тока на жидком катоде. Напряженность элек-

трического поля уменьшается с удалением от центра разряда вдоль поверхности электролита. Расчетное значение компоненты напряженности электрического поля на поверхности жидкого катода (в центре катодного пятна) в 2,5 раза превышает расчетное значение компоненты напряженности электрического поля на поверхности жидкого анода (в центре анодного пятна) при одинаковых условиях проведения эксперимента.

С целью изучения изменений в жидкости, обработанной парогазовым разрядом с жидким катодом, были сняты ЯМР-1Н спектры трихлорме-тана. Обработка осуществлялась в режиме U=600 В, 1р=125 мА. Расчет химических сдвигов сигналов позволил идентифицировать различные группы соединений в жидкости до и после обработки ее парогазовым разрядом с жидким катодом. По интенсивностям сигналов определены процентные соотношения содержащихся в обрабатываемой среде веществ до и после обработки. На рис. 2 ( а, б ) представлены спектры три-хлорметана до и после обработки соответственно ( TMS, внешний стандарт ).В спектрах видны различия, которые связаны с реакциями, происходящими в жидкой среде.В результате обработки в жидкости изменились соотношения примесей, содержащих группы ОН, СН, СН2, СН3, СН2 С12, СНС13. Эксперимент доказывает факт протекания химических реакций в жидкости под действием парогазового разряда с образованием активных радикалов. Эти химически активные центры участвуют в химических реакциях всего объема жидкого катода. Происходит изменение состава и содержания среды, что в свою очередь влияет на состояние обрабатываемых поверхностей, находящихся в жидкости.

На основании закона подобия Пашена, получены расчетные формулы для обобщения электрических характеристик парогазового разряда с жидкими электродами, позволяющие определить характеристики ПЭТУ при их проектировании.Упрощенная структура критериального уравнения для обобщения характеристик разряда при атмосферном давлении имеет вид

Un 1

О , 5

= С-

I

I

О ,75

а

( 5 )

Упрощенная структура критериального уравнения для обобщения характеристик разряда при различных давлениях имеет вид

Un 1

ü , 5

I

I а

С- PI

]ü , 7S

В

( 6 )

Для парогазового разряда с жидким катодом из 2,5 % раствора глицерина в дистиллированной воде при атмосферном давлении в диапазоне параметров 1р=0,1-0,8 А. и=710-1111 В. 1=3 мм; 6 мм; 8 мм формула, обобщающая его характеристики имеет вид

а )

б )

Рис. 2 ( а, б ). а) Исходный ЯМР-'н спектр жидкости СН3С1 + TMS ( внешний стандарт ). Расчет химических сдвигов 6. Идентификация сигналов по 6-сдвнгам. б) Спектр жидкости, обработанной парогазовым разрядом с жидким катодом.

I >-0,63

, где С = 1150 А"0-37 -В-м0'03. ( 7 )

1150'

0,75

Выведены формулы для расчета обобщенных характеристик разряда для различных составов жидких электродов. Максимальное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от расчетных значений,полученных по данным формулам составляет 10-20%.

На основании полученных экспериментальных данных предложена качественная физико-химическая модель'; которая предполагает в качестве процессов,обусловливающих поддержание парогазового разряда с жидким катодом слабую вторичную эмиссию валентно-несвязанных электронов с поверхности жидкого неметаллического катода; возбуждение и ионизацию компонентов электролита, перешедших из жидкой в газовую фазу;возникновение в электролите зон с распределенными параметрами.

В четвертой главе приведено описание опытно-промышленной установки, разработанной на основе результатов исследований парогазового разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами ( электролиты с добавлением неорганических и органических примесей ).В основу принципа работы плазменной электротермической установки заложена возможность использования электротермических процессов.происходящих в парогазовом разряде при атмосферном давлении. Установка включает высоковольтный источник питания,систему стабилизации и защиты,систему контроля параметров технологических процессов, электролитическую ванну с токоподводом,систему подачи и очистки электролита. Для обработки поверхностей изделий используется разряд,напряжение которого регулируется до 1,5 кВ.Ток разряда варьируется в пределах 0,1 - 5 А.Устройство питается от трехфазной сети 220/380В, 50Гц. Мощность установки не превышает 7,5кВт.Установка позволяет обрабатывать поверхности изделий в режиме с жидким катодом и жидким анодом.В качестве электролитов применяются водные растворы с добавлением неорганических и органических примесей.

Разработаны и апробированы способы очистки и полировки поверхностей изделий парогазовым разрядом с жидким катодом в различных вариантах: изделие-твердый металлический анод; металлическое изделие, погруженное в электролит. Предложенный способ очистки и полировки твердого металлического анода парогазовым разрядом с жидким катодом позволяет вести обработку изделий при токе разряда от 0,1 до 7 А, напряжений разряда от 20-500 В. Очистка поверхности изде-лия-твердого электропроводящего тела производится при атмосферном давлении в течение 30-240 с.Способ позволяет обрабатывать как внешний, так и внутренний поверхность металлических изделий без использования сложного технологического оборудования. Данным способом были обработаны вольфрамовые стержни диаметрами до 3 мм в режиме

1Р=0,125А.Качественное сравнение фрагментов дифрактограмм до и после обработки разрядом с жидким катодом (0.28% раствор СаС12 в дистиллированной воде) показывает отсутствие после обработки дифракционных пиков, соответствующих слою окислов и увеличение интенсивнос-тей дифракционных пиков чистого вольфрама (рис. 3 ). Предложенный способ был использован также в целях очистки и полировки дефектных слоев поверхностей контактов реле, эксплуатируемых в профессиональных студийных магнитофонах типа БТИ-бОО/бЮ. В процессе обработки происходит удаление дефектного слоя поверхности, образующегося в процессе эксплуатации и снижение шероховатости на 50-60%. Обработка контактов реле в режиме 1р = 0,5 А позволила снизить параметр и, соответственно, улучшить чистоту поверхностей изделий на 1 класс.

Разработан и апробирован способ очистки и полировки поверхности металлического изделия погруженного в электролит. Обработке подвергались плоские образцы из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Были проведены рентгенодифрактометрические исследования поверхностных слоев образцов. Качественный анализ дифрактограмм показал, что способ обработки не меняет фазового состава образцов. С целью улучшения качества поверхностей была проведена работа по выбору оптимальных режимов обработки деталей лентопротяжного механизма профессиональных студийных магнитофонов ИЭЗ-102, МЭЗ-109, БТМ-бОО/бЮ (внешней поверхности цилиндрических насадок тракта движения ферромагнитной ленты и внутренней поверхности элементов электромагнитов). Получены зависимости процента улучшения чистоты поверхности от состава электролита и времени обработки деталей. Улучшение механических характеристик изношенных поверхностей узлов тракта движения звуконосителя позволило получить технически заданные характеристики профессиональных студийных магнитофонов. Установлена связь параметров установки и характеристик разряда, позволяющих повысить микротвердость образцов в 1,5 раза и чистоту поверхностей на 0,5 - 1 класс. При этом происходит снятие образующегося в процессе эксплуатации дефектного поверхностного слоя. Предложена физическая модель процесса обработки поверхностей металлических изделий.

Основные результаты работы.

1. На основе проведенного анализа литературных источников выявлено современное состояние электрического разряда в газе между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами, показана перспективность его технологического применения, определены пути решения вопросов, связанных с разработкой и оптимизацией технологических процессов, сформулированы задачи диссертации.

2. Создана экспериментальная плазменная электротермическая установка с жидкими электродами (электролиты с добавлением неоргани-

ю.

У А

щ ЧА

ЧпОг,

^ 1

| \ 1 1 1

и/ [ I

1 1 ¡^ 1 ч "Л1

> !

¿6 ¿ё '30

<0

12 1</ <6 £9.

— 1 1 . 1 ч/ 1

-

•V 4 »А

4« ' <6 4Я '

а )

зо м ' гч 'зб ' ' 'т»' '«о ' ' 1 ' ' ' ' '»о ' 1 'га б )

Рис. 3 ( а, б ). Фрагменты рентгенодифрактограмм поверхности вольфрама а) до обработки парогазовым разрядом с жидким катодом, б) после обработки парогазовым разрядом с жидким катодом.

60

го

га

о

с

о

ческих соединений - НаС1, СиБ04, СаС12, НН4 С1 и органических примесей - глицерина,спиртовых растворов муравьиной кислоты, салициловой кислоты) для исследования характеристик парогазового разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами в широком диапазоне параметров: Р=665-10ь Па, тока разряда от 0,1 до 6 А, 1 = 0-100 мм и диаметров металлических электродов 0,1-10 мм. Создан диагностический комплекс для измерений параметров разряда и контроля технологического процесса

3. Исследованы особенности, геометрия и структура парогазового разряда между твердым металлическим и жидким неметаллическим электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей), анодное и катодное падение потенциала, распределение потенциала в объеме электролита, распределение компонент плотности тока и напряженности электрического поля на поверхности жидкого электрода.Установлено, что при атмосферном давлении в исследованном диапазоне токов, напряжений и межэлектродных расстояний 1 = 0-8 мм вольт-амперные характеристики парогазового разряда с жидкими электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) имеют возрастающий характер.Показано, что при атмосферном давлении расчетное значение компоненты плотности тока на жидком аноде в 1,5-2 раза превышает расчетное значение компоненты плотности тока на жидком катоде.Расчетное значение компоненты напряженности электрического поля на поверхности жидкого катода (в центре катодного пятна) в 2,25 раза превышает расчетное значение компоненты напряженности электрического поля на поверхности жидкого анода (в центре анодного пятна).

4. Обобщены результаты исследований электрических характеристик с жидкими электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) при пониженных и атмосферном давлениях. Получены формулы, позволяющие рассчитать напряжение разряда. Максимальное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от расчетных значений, полученных по данным формулам составляет 10-2055, поэтому их можно рекомендовать для расчета плазменных электротермических установок с жидкими электродами.

5. Впервые методом ЯМР-радиоспектрометрии исследовано воздействие парогазового разряда с жидким катодом на обрабатываемую жидкость (трихлорметан). Экспериментально доказано, что плазма разряда с жидкими электродами изменяет состав обрабатываемой среды, что в свою очередь влияет на состояние обрабатываемой поверхности, находящейся в жидкости. Сравнение результатов исследований рН электролитов, обработанных плазмой разряда с жидким катодом и разрядом с жидким анодом показали, что в первом случае происходит увеличение кислотности, а во втором - защелачивание электролита.

6. Анализ и обобщение результатов исследований объемных при-электродных процессов в парогазовом разряде с жидкими электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей) позволили предложить качественную физико-химическую модель поддержания парогазового разряда с жидким катодом. Выявлены физические процессы, ответственные за поддержание разряда.

7. Разработан и апробирован электротермический способ очистки и полировки поверхностей металлических изделий ( анод ) парогазовым разрядом с жидким катодом. Способ позволяет без использования сложного технологического оборудования очищать поверхность детали-анода с одновременным улучшением чистоты поверхности на 1 класс.

8. Разработан и апробирован электротермический способ очистки поверхностей металлических изделий сложной конфигурации, находящихся в электролите. Чистота поверхности при этом улучшается до 1 класса без изменения фазового состава поверхностных слоев. Предложена физическая модель процесса обработки поверхностей металлических изделий.

9. Разработана и создана опытно-промышленная плазменная электротермическая установка с жидкими электродами ( электролиты с добавлением неорганических и органических примесей ) для очистки и полировки поверхностей металлических изделий при атмосферном давлении. Определены характеристики установки.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Гайсин Ф.М., Галимова Р.К., Хакимов Р.Г. Многоканальный разряд в процессах нанесения тонких пленок металла / Тезисы докладов. Саранск, 1993. С. 40.

2. Галимова Р.К., Хакимов Р.Г., Гайсин Ф.М. Обобщенные характеристики электрического разряда с жидким неметаллическим анодом /Тезисы докладов научно-технической конференции по итогам работы за 1992 - 1993г.г. НИЧ-50 лет. Казань,1994 г. С. 138.

3. Гайсин Ф.М., Галимова Р.К., Хакимов Р.Г. Электрический разряд, горящий между струей электролита и твердым электродом в технологически х процессах /Тезисы докладов VII научно-технической конференции по физике газового разряда.Самара,1994 г.Часть II.С.247-248.

4. Гайсин Ф.М., Галимова Р.К.Приэлектродные процессы в парогазовых разрядах с нетрадиционными электродами ( электролиты ) / Тезисы докладов международной научно-технической конференции по физике и технике плазмы. Минск, Беларусь, 1994 г. Том 1. С. 147 - 150.

5. Гайсин Ф.М., Галимова Р.К., Хакимов Р.Г. Парогазовый разряд с нетрадиционными электродами // Электронная обработка материалов. Кишинев. 1994 г. № 5 ( 179 ). С. 27 - 29.

6. Гайсин Ф.М., Гайсин А.Ф., Галимова Р.К., Даутов Г.Ю., Хаки-мов Р.Г., Шакиров Ю.И. Обобщенные характеристики парогазового разряда с жидкими электродами // Электронная обработка материалов. Кишинев, 1995 Г. № 1 С 181 ). С. 63 - 65.

7. Gaisin F.M., Galimova R.K., Khakimov R.G.Gas-vapor discharge between liquid non-metallic elektrodes // Joint proceedings on aeronautics & astronautics. Kasan, 1995. S. 69-72.

8. Гайсин Ф.Н.,Галимова P.К., Хазиев P.M.,Амирханооа С.В., Савельев В.А.Исследование характеристик парогазового разряда с нетрадиционными электродами / Тезисы международной научно-технической конференции " Состояние и перспективы развития вакуумной техники" . " Вакуум - 96 ". Казань. 1996. С. 30.

9. Галимова Р.К., Гайсин Ф.М., Хазиев P.M.Электротермическая установка в процессах обработки металлических поверхностей / Тезисы докладов международной научно-технической конференции " Состояние и перспективы развития вакуумной техники "," Вакуум - 96 ". Казань, 1996 г. С. 78.

10. Галимова Р.К. и др.Плазменная электротермическая установка в технологии обработки металлических изделий / Тезисы докладов II республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов. Казань, 1996 г. С. 43.

11. Галимова Р.К., Гайсин Ф.Н. и др. Исследование взаимодействия многоканального разряда с веществом и разработка новых технологических процессов модификации поверхности изделия / Тезисы докладов международного научно-технического семинара "Новые техноло-гии-96". Казань, 1996. С. 49-50.

12. Галимова Р.К. и др. Рентгенографические измерения поверхностей элементов электротехнических устройств после обработки парогазовым разрядом с жидкими электродами // Тезисы международной научно-технической конференции " Прогрессивные технологии машиностроения и современность ". Донецк, Севастополь, 1997 г. С. 266.

13. Галимова Р.К. и др. Контроль фазового состава изделий машиностроения, обработанных парогазовым разрядом с жидкими электродами // Тезисы международной научно-технической конференции " Механика машиностроения ". Набережные Челны, 1997 г. С.127.

14. Морозова Н.К. .Галимова Р.К..Гайсин Ф.Н.,Хазиев Р.М.ЯМР-ис-следование жидкостей, обработанных парогазовым разрядом // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. Казань. 1997, № 1. С. 224 - 228.

15. Гайсин Ф.М., Галимова Р.К. и др.Парогазовый разряд с жидким катодом //Вестник КГТУ им.А.Н.Туполева.Казань.1997.№ 1.С.212 - 223.

16. Гайсин Ф.М., Галимова Р.К. Способ очистки поверхности изделия, его вариант. Положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ по заявке № 96110439/02. Приоритет от 25.05.96.