автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Расчет процессов и разработка аппаратов для плазменной модификации поверхности материалов

На правах рукописи

Лыков Алексей Михайлович

*

РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА АППАРАТОВ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

05.17.08 — Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии и Малом научно-производственном внедренческом предприятии "МАТТЕХ"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Деревич Игорь Владимирович

Ведущая организация Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) Российской академии наук

Защита состоится 19 октября 2006 года в 14.00 в аудитории Л 207 па заседании диссертационного Совета Д 212.145.01 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, телефон (495) 267-0701, факс. (495)261-4961

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

доктор технических наук, профессор Пузряков Анатолий Филиппович

доктор технических наук, профессор Ильясов Сафо Гарифуллович

Автореферат разослан

О 6. СЕН

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Широкое распространение в современных технологиях находят процессы модификации поверхности различных материалов с использованием высокоинтенсивных источников нагрева (плазменные, лазерные, электроннолучевые и др.). За малые времена, с высокой производительностью возможно получать слои на различных изделиях и. конструкциях со . специальными свойствами при сохранении исходных свойств в массе материала. Создание модифицированных слоев на различных материалах направлено на решение актуальных проблем химической промышленности и других отраслей современного производства.

В химической промышленности: защита конструкций аппаратов, печей химических производств от воздействия различных агрессивных сред путем создания гидроизоляционных и антикоррозионных слоев; проведение физико-химических превращений, в т.ч. селективное, в поверхностных слоях материалов; интенсификация химических процессов путем получения модифицированных слоев, с каталитическими свойствами на элементах конструкций химических аппаратов; снижение интенсивности износа металлических элементов аппаратов химических и других производств (мешалки, элементы конструкции барабанных печей, сушилок, аппараты измельчения, валки прокатных станов и др.) путем создания износостойких слоев на поверхности изделия.

В стройиндустрии: защита строительных конструкций от воздействия различных агрессивных веществ и влаги путем, получения покрытий гидроизоляционных, антикоррозионных, декоративных, в т.ч. и в специальном строительстве.

Защита окружающей среды от твердых и жидких радиоактивных отходов в отраслях производства, связанных с их захоронением, путем создания гидроизоляционных и антикоррозионных покрытий на поверхности хранилищ.

В машиностроении, на железнодорожном и в городском транспорте: снижение интенсивности износа различных узлов и деталей из стали путем упрочнения быстроизнашивающихся поверхностей железнодорожных колес, рабочих поверхностей рельсов, элементов стрелочного перевода, деталей вагонной, локомотивной тележек, поверхностей штампов и др. Цель работы. Разработка процессов, методов их расчета, аппаратов; и технологий плазменной модификации поверхностей силикатных и стальных материалов, которые направлены на решение ряда вышеперечисленных проблем. Внедрение разработок в производство. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий комплекс проблем и задач. 1. Создать аппараты, включающие: плазменный источник нагрева (плазменный генератор), который обеспечивает требуемые параметры проведения процесса; систему дозирования дисперсного материала, подаваемого на

поверхность, и ввода его в зону обработки; системы перемещение плазменного генератора относительно поверхности материала.

2. Изучить теплообмен плазменного генератора с поверхностью и дисперсным материалом, подаваемым на поверхность изделия. •

3. Разработать методы и провести расчеты процессов (в первую очередь

■ термических условий) в поверхностных слоях силикатных ' и стальных

. материалов с учетом особенностей их нагрева разработанной конструкцией

плазменного генератора.

4. Разработать технологии модификации поверхности силикатных и стальных

. материалов, в т.ч. изучить влияние режимных параметров процесса на

физико-химические характеристики модифицированных слоев;

5. Определить эксплуатационные характеристики модифицированных слоев.

6. Внедрить в производство разработанное оборудование и технологии.

Научная новизна.

1. Установлено влияние параметров внешних магнитных полей на'характер движения прианодной области вынесенной электрической дуги, определяющий

. ее взаимодействие с поверхностью материала. Определены параметры магнитного поля, необходимые для реализации процесса модификации наилучшим образом. Выявлен дискретный характер движения анодных пятен под воздействием переменного магнитного поля. ' ' •

2. Получены данные по теплообмену : вынесенной электрической' дуги с поверхностью материалов в зависимости от режимных параметров, которые служат основой для расчета процессов модификации 'и их реализации наилучшим образом.

3. Получены данные по теплообмену дисперсного материала с осциллирующей прианодной ' областью вынесенной электрической : дуги в зависимости от режимных параметров (ток" электрической дуги, ширина сканирования прианодной области, расход дисперсного материала), которые служат основой для расчета процессов модификации с подачей дополнительного материала на поверхность. : Установлена высокая интенсивность переноса тепла от электрической дуги к дисперсному материалу (тепловой поток ~109 Вт/м2).

4. Получены аналитические зависимости и проведены расчеты движения фронта расплава и температурных полей в материалах при воздействии периодических импульсных тепловых потоков. При воздействии периодического импульсного

' теплового потока на поверхность силикатного материала впервые установлены следующие зоны движения фронта расплава: колебание фронта на начальной

. стадии, монотонное движение во второй стадии, появление автоколебаний фронта расплава на третьей стадии с частотой действия тепловых импульсов.

5. Предложенные безразмерные переменные, описывающие движение фронта расплава во времени при периодическом импульсном тепловом потоке,

■ позволяют сократить число параметров процесса' в два раза, а также выявить комплексный характер их влияния на процесс плавления. Полученные

зависимости в виде безразмерных переменных применимы. цпя расчета процессов модификации широкого спектра материалов. Предложен энтальпийный критерий, который определяет способность материала плавиться под воздействием теплового потока. Получены зависимости для инженерных расчетов, которые позволяют определять глубину оплавления материала в зависимости от параметров источника нагрева. Расчеты по этим зависимостям согласуются с экспериментальными данными.

6. Получены аналитические зависимости в безразмерном виде для расчета скорости закалки в массе расплава. При приближении фронта расплава к поверхности материала получена простая зависимость для расчета параметров процесса закалки. Результаты расчетов по этой зависимости согласуются с результатами расчетов других авторов.

7. Проведен теоретический анализ с использованием безразмерных переменных процесса плазменного упрочнения стальной поверхности (без плавления материала). Результаты анализа согласуются с экспериментальными данными.

Практическая значимость.. .

1. Разработаны аппараты для модификации поверхностей различных материалов, которые состоят из: плазменного генератора с вынесенной электрической дугой; системы магнитного управления электрической дугой; системы многопоточного дозирования и подачи дисперсного материала в зону обработки; различных систем перемещения плазменного генератора относительно поверхности материала. Конструкция плазменного генератора защищена патентами РФ (№ 2121514 и 2092580) и авторскими свидетельствами СССР (№№ 1503669, 236687, 237522). .

2. Созданы технологии модификации поверхности силикатных материалов на базе разработанных аппаратов (авторские свидетельства СССР №№ 1448747, 1571005,1496298,1726991):

• технология модификации поверхности на примере создания защитно-декоративного слоя на силикатном кирпиче. Результаты исследований физико-механических характеристик оплавленного слоя;

• технология модификации поверхности диэлектрических композиционных силикатных материалов на примере получения защитно-декоративных покрытий на бетоне методом оплавления поверхности. Результаты экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик модифицированных слоев;

• технология получения модифицированных наплавленных (защитно-декоративных) слоев на силикатных материалах (кирпич, газосиликат);

3. Создана технология плазменной модификации поверхности стальных изделий на базе разработанных аппаратов (патенты РФ №№2121514 и 2092580):

• .технология упрочнения железнодорожных колес (гребней, поверхности катания);.

• технология упрочнения рабочей поверхности рельсов (железнодорожных и трамвайных); , ' , - ,

• технология упрочнения поверхностей изделий из низкоуглеродистой стали; 4. Получены эксплуатационные показатели упрочненного слоя за восемь лет (интенсивность износа, отсутствие дефектов). Определена экономическая эффективность процесса закалки гребней локомотивных колес вынесенной электрической дугой в условиях Дальневосточной железной дороги. Практическая реализация результатов работы.

1. Созданы аппараты для получения модифицированных слоев на крупногабаритных изделиях и конструкциях из силикатных материалов (автоматизированные комплексы портального типа), которые внедрены на предприятиях отрасли (КПСО «Домостроитель» в г. Душанбе, ДЗЖБК в г. Джамбул и Минский НИИСМ - опытно-промышленная установка).

2. Создана промышленная установка для получения модифицированных слоев (защитно-декоративных покрытий) на малогабаритных изделиях (кирпиче, блоке), которая внедрена в Филиале ЗАО «Центр-Экоммаш» (станица Ленинградская Краснодарского края).

3. Созданы аппараты для модификации поверхностей стальных изделий. Три установки по упрочнению гребней локомотивных колес внедрены на Дальневосточной железной дороге (депо Смоляниново, Тында, Вяземская). Установки эксплуатируются с 1998 года по настоящее время.

4. Выпущены нормативные документы (технические условия «Бандажные колеса с плазменным упрочнением гребня» ТУ 0943-147-01124328-2002, технологическая инструкция "Упрочнение гребней колесных пар электро- и дизель-поездов вынесенной плазменной дугой, управляемой магнитным полем" ТИ-05-01/2005 ПГ); утвержденные и согласованные с ОАО "Российские железные дороги" и МПС России.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы и главные положения диссертации были доложены на: X Всесоюзной конференции "Генераторы низкотемпературной плазмы" (Минск, 1986г.); научно-технической конференции "Вклад молодых специалистов в решение актуальных проблем совершенствования производства изделий из стекла и стеклокристаллических материалов" (г.Москва, 1986г.); Минских международных форумах по тепло- и массообмсну "Тепломассобмен-ММФ-1988, 1992, 1996, 2000" (г.Минск, 1988, 1992, 1996, 2000г.г.); XI Всесоюзной конференции "Теория и практика газотермического нанесения покрытий" (г. Севастополь, 1988г.); V Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" (г.Москва, 1988г.); международной конференции "Физика и техника плазмы" (г.Минск, 1994г.); международной конференции "Физйка плазмы и плазменные технологии" ФППТ- 4 (г.Минск, 2003г.); 14 th International symposium on plasma chemistry (Praga, 1999); 15th International symposium on plasma chemistry (Orleans, France 2001); 17 International symposium on plasma chemistry (Toronto, Canada, 2005); XV международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях". (г.Тамбов, 2002г.); международной

практической конференции-выставке "Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций" (г.Санкт-Петербург, 2005г.); научно-нрактической конференции "Инновационные проекты, новые технологии и изобретения" (Московская область, г.Щербинка, 2005г.); High Technology Plasma Processes HTPP9 (St-Petersburg, 2006).

Публикации. По результатам работы опубликовано 38 научных работ в различных изданиях России, Беларуси, Чехии, Франции, в том числе получено 7 авторских свидетельств СССР и 2 патента Российской Федерации, 10 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК России для публикаций по докторским диссертациям.

Структура и объемы диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и основных выводов, приложения. Всего содержит 281 страницу, 107 рисунков, 13 таблиц. Список литературы, включает в главе 1-19 , в главе 2-17 в главе 3-38, в главе 4-54, в главе 5-57, в главе 6-24 (всего 209) наименований списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе проведен анализ различных конструкций плазменных генераторов (ПГ), которые применяются для модификации поверхностей различных материалов, и представлена конструкция ПГ с вынесенной электрической дугой, которая разработана в настоящей работе. Плазменный генератор является одним из основных агрегатов в аппаратах по модификации поверхностей и должен обеспечивать требуемые параметры проведения процесса.

Существующие конструкции ПГ имеют ряд недостатков, которые не позволяют эффективно проводить процессы модификации поверхности материалов. К недостаткам относится: неравномерность распределения теплового потока по ширине обработки; сильное динамическое воздействие газовой струи на пленку расплава, узкая. ширина зоны обработки, высокий уровень шума при истечении плазменной струи, образование значительного количества окислов азота при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа (ПГ струйного типа); низкие тепловые потоки в материал, громоздкость всей системы (высокочастотный ПГ); возможность обрабатывать изделия ограниченных габаритов с размером кирпича (ПГ с открытой электрической дугой); отсутствие прижима электрической дуги к поверхности изделия, соответственно невысокие тепловые потоки в материал, плохая приэлектродная стабилизация электрической дуги, невозможность обработки изделий сложной конфигурации (конструкция ПГ Краснодарского политехнического института); дискретное движение анодного пятна тю поверхности материала с ее оплавлением (для ряда технологических процессов недопустимо), возможность обрабатывать только электропроводные материалы (ПГ с дугой прямого действия).

Учитывая недостатки вышеперечисленных конструкций, в настоящей работе разработана конструкция ПГ с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями. : Электрическая дуга формируется между катодом, направленным под углом к поверхности обработки, и вращающимся анодом. Требуемое пространственно-временное распределение теплового потока в материал создается системой магнитных полей, которые воздействуют на электрическую дугу между катодом и анодом (рис. 1). .

Основными преимуществами данной конструкции являются:. высокий уровень тепловых потоков (~108 Вт/м2), которые создаются на поверхности изделия; возможность плавного регулирования теплового потока в материал в широком диапазоне, за счет изменения ширины обработки, • тока ЭД, степени приближения прианодной области ЭД к поверхности материала; большая ширина обработки (до 100 мм); возможность обрабатывать поверхности как диэлектрических, так и металлических материалов; возможность обрабатывать поверхности : сложной конфигурации за счет магнитного управления ЭД; возможность использования различных плазмообразующих газов (азот, воздух, аргон и др.); высокий ресурс работы электродов за счет газовой стабилизации катода и возвратно-поступательного перемещения анодных пятен по поверхности вращающегося анода; простота в эксплуатации; возможность модифицировать поверхность путем дополнительной подачи материала с его предварительным подогревом электрической дугой; возможность создания различных тепловых потоков по ширине обработки за счет питания отклоняющей магнитной системы токами различной частоты и формы. Применение различных материалов анода позволяет получать температуру на его поверхности от нескольких сотен (медный анод) до 1500-2000°С (графитовый , анод), что обеспечивает «шоковое» или относительно плавное тепловое воздействие на материал. . .

Во второй главе представлены результаты исследований движения электрической дуги под воздействием внешних магнитных полей.

Осуществляя воздействие на ЭД магнитными полями, на поверхности формируются тепловые потоки, необходимые для реализации процесса модификации наилучшим образом. Анализ исследований движения электрической дуги в ПГ линейной, коаксиальной схем и при движении электрической дуги в зазоре, проведенных новосибирскими, минскими и другими специалистами показал, что для каждой схемы взаимодействия электрической дуги и магнитного поля необходимо проводить самостоятельное изучение ее движения с привлечением экспериментальных методов. При движении ЭД в зазоре при воздействии однородного магнитного поля O.K. Броном с А.К. Сушковым установлены для различных материалов электродов области дискретного (латунь, скорость< 40 м/с) и непрерывного движения электрической дуги для различных токов и величины зазора.

В настоящей работе представлены исследования движения вынесенной ЭД под воздействием переменного магнитного поля, которое осуществлялось в промежутке между катодом и вращающимся анодом. Изучение движения прианодной области ЭД проводили путем СКС съемки. Параметры магнитного поля (вертикальная и горизонтальная составляющие магнитной индукции), действующего на ЭД определялись датчиком Холла. Изменение характеристик магнитного поля производилось' варьированием величины переменного тока, которым питался соленоид отклоняющей магнитной системы.

Установлен дискретный характер движения анодных пятен по поверхности электрода, как и при движении ЭД в зазоре. При этом на поверхности анода могут одновременно существовать несколько токопроводящих каналов электрической дуги. Это обстоятельство необходимо учитывать при реализации процессов модификации стальных поверхностей, т.к. в местах "привязки" анодного пятна на практике наблюдается оплавление поверхности.

Анализ движения электрической дуги под воздействием'неоднородного переменного магнитного поля показал, что имеются • три фазы движения прианодной области: поступательное перемещение с приблизительно постоянной скоростью; неподвижное положение на аноде; неподвижное положение на поверхности материала (рис.2). При поступательном перемещении осуществляется импульсное тепловое воздействие: с практически постоянным временем воздействия на поверхность. При неподвижном положении прианодной области электрической дуги происходит "пережег" или "недожег" поверхности, что необходимо учитывать при реализации процессов модификации. Существуют наилучшие параметры магнитного поля (максимальное значение магнитной индукции равно 46,5-10"4 Т при токе электрической дуги 400А), когда отношение времени движения прианодной области ■ электрической дуги к периоду максимально и составляет 90% (ширина обработки-85мм). При изменении максимального значения магнитной ■ индукции с 8-Ю"4 до 50-10"4 Т скорость движения прианодной области электрической дуги возрастает с 4 до 12м/с. Используя скорость движения прианодной области электрической дуги и ее диаметр (6мм при токе 400А) возможно определять время воздействия теплового импульса в процессе модификации.

В . третьей главе рассматривается теплообмен электрической душ в процессах модификации при нестационарном высокоинтенсивном тепловом воздействии на поверхность. Качественное проведение процесса модификации поверхностей как диэлектрических, так и металлических материалов в -значительной степени определяется пространственно-временным распределением теплового потока на поверхности. Изучение этого распределения важно с научной точки зрения и необходимо в качестве граничного условия при расчете термических условий в поверхностном слое. Проведенный в работе анализ различных нестационарных методов измерения высокоинтенсивных нестационарных тепловых потоков, в

т.ч. и с использованием датчиков пленочного типа (с временным разрешением 1 кГц) показал, что эти методы трудно применить при измерении тепловых потоков 100-500 МВт/м2, воздействующих на поверхность с частотой 50-100 Гц и длительностью теплового импульса ~10"3с вследствие: малого времени, отпущенного для измерения (менее 1с, т.к. перестает работать модель полуограниченного тела при достижении поверхности датчика температуры плавления); необходимости учета толщины пленки на тепловоспринимающей поверхности из металла, отличного от металла датчика и трудности восстановления теплового потока по существующим методикам. По этой причине в наших исследованиях использовались медные датчики стационарного типа с пространственным разрешением 4мм, в которых тепловой поток, поступающий к тепловоспринимающей поверхности датчика, определялся путем калориметрирования воды, протекающей через датчик. Для определения импульсного теплового потока движение электрической дуги в процессе измерения регистрировалось методом скоростной киносъемки. Пространственное распределение тепловых потоков определялось путем сканирования датчика в области теплового воздействия вынесенной электрической дуги для токов 200-400А.

: На рис.3 представлено распределение тепловых потоков на поверхности материала при токе электрической дуги 400А. Ширина теплового воздействия составляет 100мм, протяженность в направлении . движения ПГ 50мм. Распределение теплового потока по ширине обработки достаточно равномерное, средний тепловой поток 10-15МВт/м2. Следует отметить, что распределение среднего теплового потока, создаваемого вынесенной электрической дугой, положительным образом отличается от распределения при тепловом воздействии ПГ других типов, например, ПГ струйного типа (более равномерное по ширине обработки). При варьировании частотой переменного синусоидального магнитного поля с 22 до 78 Гц амплитуда отклонения прианодной области ЭД уменьшается в 2,8 раза, соответственно средний тепловой поток увеличивается в 2,8 раза. При этом величина импульсного теплового потока, которая определялась <1=-0Т\>1/2с1 ( где 2-средний тепловой поток, 7-период, у</-скорость движения электрической дуги, ¿/-ее диаметр, -время воздействия дуги на материал)

остается практически постоянной и равной 13 кВт/см2, т.е. изменение скорости движения электрической дуги в 2,8 раза не оказывает влияния на теплообмен с поверхностью в момент прохождения электрической дуги (рис 4). ■ ,

При расчете плазменных процессов модификации с подачей дополнительного материала на поверхность изделия, например, в дисперсном состоянии, и для их реализации наилучшим образом необходимо знать эффективность нагрева этого материала энергоносителем. Значительное количество теоретических и экспериментальных работ посвящено исследованиям теплообмена дисперсного материала с электрической дугой в сопле ПГ и с высокоэнтальпийным газовым потоком.

В наших исследованиях в отличие от этих работ изучался теплообмен дисперсного материала с осциллирующей прианодной областью вынесенной электрической дуги, когда угол между векторами скорости частицы материала (стеклянные сферы диаметром 1мм) и плотности тока электрической дуги составляет ~90°. Дозатором порошок подавался для нагрева прианодной областью электрической дуги, после чего поступал в калориметр специальной конструкции. Изменяя величину тока отклоняющей магнитной системы с 0,2 до ОДА увеличивалась ширина сканирования прианодной области электрической дуги с 25 до 55мм (определялась фотографическим методом). С увеличением ширины сканирования снижается мощность, передаваемая порошку, с 0,4 до 0,3 кВт и средний тепловой поток с 1,б-108 до 1,1410®'Вт/м вследствие уменьшения времени взаимодействия дисперсных частиц с электрической дугой.. При. этом значение импульсного теплового потока увеличивается с 0,8-10® до 1,2-10* Вт/м2 (рис.5). Следует отметить высокую интенсивность теплообмена осциллирующей прианодной области электрической дуги с дисперсным материалом с возрастанием скорости электрической дуги (с 2,5 до 5,5 м/с), которая, по-видимому, обусловлена: более глубоким проникновением частицы в наиболее горячую приосевую область ЭД; отсутствием сформировавшихся тепло- и массообменных пограничных слоев и протеканием электрического тока по расплаву поверхности частицы. Увеличение массового расхода порошка с 0,55 до 1,1 г/с ведет к возрастанию мощности, передаваемой дисперсному материалу, со 180 до 560Вт, т.е. в 3,1 раза, вследствие увеличения числа частиц, находящихся в зоне взаимодействия с электрической дугой. Полученные данные по теплообмену вынесенной электрической дуги с дисперсным материалом важны для расчета как процессов модификации поверхности, так и термических условий в частице при ее взаимодействии с электрической дугой.

В четвертой главе представлены методы расчета процессов модификации поверхности материалов при. высокоинтенсивном периодическом импульсном тепловом воздействии. Плазменные процессы модификации поверхности протекают в условиях высоких температур (несколько тысяч градусов) за короткие времена (от долей до нескольких секунд) в тонком поверхностном слое (от десятков микрон до нескольких миллиметров), при больших градиентах температуры (тысячи градусов на миллиметр), при значительных скоростях изменения температуры во времени (тысячи градусов в секунду). Изучение термических условий, физико-химических превращений в поверхностном слое при плазменной модификации с использованием инструментальных методов

Рис. 1. Схема плазменного генератора с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями. 1 - графитовый анод, 2 -корпус анода, 3 - обрабатываемый материал, 4 -электрическая дуга, 5 - сердечник, 6 -отклоняющая магнитная система. 7 - корпус, отклоняющей магнитной системы, 8 - катодный узел.

84 72 60

48 36 : 24 12

ч

ей

«в

£ #

•Л Г

а -к*1-" Я*

2 4 6 8 Т

Рис.2 Перемещение прианодной области электрической дуги в зависимости от времени.

В" - 46,5-Ю"4 Т. Т=0,02с, х,, мм, х,,мс.

1

г"* г 1

—1— ■■■■■.....|1

—г~ - >1

Рис. 3. Распределение теплового потока на поверхности материала. В» = ¡О'2 Т; V = 50 Гц; О, = 0,9 нм'/час; ./=400 А;0, кВт/см2; мм; х,,, мм.

30

«

я

Рис.4. Теплообмен осциллирующей с различной частотой электрической дуги с материалом. 3 = 400А; В" = 50 -10~* Т; б, = 0,9 нм3 /ч; С, кВт/ем2; д, кВт/см2; А, мм; V, Гц.

затруднено. По этой причине актуальными являются теоретические методы исследования этих процессов с использованием экспериментальных данных по теплообмену плазменного источника нагрева с поверхностью в качестве граничного условия. Распространение получили численные методы расчета термических условий в материале при высокоинтенсивном тепловом воздействии, в которых учитываются, например, изменения теплофизических характеристик материала от температуры. Однако в связи с ограниченностью базы данных для этих величин преимущества численных методов нивелируются. Применение аналитических методов дает возможность выявить роль отдельных параметров в процессе, а запись решения в' безразмерном виде позволяет сократить число переменных, описывающих процесс и определить их комплексное влияние, что необходимо для разработки наилучшей технологии его реализации. Кроме того, в предельных случаях получаются простые зависимости для инженерных расчетов параметров процесса. При решении задач нагрева материала высокоинтенсивным движущимся источником нагрева для диэлектрических и для металлических материалов использовалась одномерная модель распространения тепла, т.к.

выполнялось соотношение, предложенное А.А.Угловым

—]

> 1 ( «»-скорость

движения источника нагрева, /-его протяженность в направлении движения, а-

коэффициент температуропроводности материала). В рассматриваемых процессах

модификации удовлетворялось это условие.

■■"•■' '■' 8Т(х,т) д2Т(х,т) '

Решение уравнения . теплопроводности ——~-а-!—-—- ■ при

ст дх

периодическом импульсном нагреве поверхности тепловым потоком с начальными и граничными условиями:

Т(х,0) = Т0; ^ =

дх ... дх

ц0 при 0 <т<т0 т >0

д'0 при т„<т <Т 0^х<да ^^

(^о-тепловой поток от ПГ; ц'0 - тепловой поток, действующий между циклами воздействия электрической дуги, например, излучение анода; аД- коэффициенты температуропроводности и теплопроводности материала; г - текущее время; г„ -время воздействия теплового потока; Г-период) для температуры в материале Т(х,т) без его плавления, полученное операционным методом, имеет вид:

ТМ-Т0 = .¡^пГЛ(т - (п - 1)Т)- л(т - пТ)] + (* + >М' - кТ)- А{0)] 1 + - {п - 1)Т-Ч)-

> ы* ■ из

- - «г - т0); + (/+])[л(т ~1т - Т0)~ а{о)1 }- (2)

2 (п - 1)[А(т -(п -/)Г- А(т - пТ))] + .»-г

+ к[А{х-кт)-А(0)] |

ГДе А(т - 0) = 2/^в ■

\24о{х-в)] \к-1 при т<кТ + т„

' к при т>кТ+та

Решение использовалось при анализе возможности применения датчиков нестационарного типа для измерения высокоинтенсивных периодических тепловых потоков. Использование одиночного теплового импульса моделирует процесс модификации при нагреве и остывании материала.

Плавление материала при действии постоянного теплового потока рассматривалось многими исследователями. При этом применялись различные допущения (аппроксимация температур расплава и материала, скорости движения расплава различными функциями и др.), которые не позволяли получить точного решения.

В настоящей работе при исследовании плавления материала периодическим импульсным тепловым потоком с использованием интегрального преобразования Лапласа были получены решения уравнений теплопроводности 8Т,{х, т) д%(х,т) дТ2(х, г) д%(х,т)

—9— —а,-—и —~— - 2— для температуры расплава (1) и

от дх . от дх

материала (2) с начальными и граничными условиями: Т2(х,0)= Тпе~к'х;

дГ,(оо,т)_^ дгДо.т) _ ^^ (величина

ч-____________ периодического импульсного

. дх дх "■■' •• ■

теплового потока задается как в задаче без плавления материала); Г;(£1-)=Г3(^г)=Гл; Т,(х,0)=Т„; 0<х«х>, т>0, к,>0, £ =0 при т = 0.

Уравнение движения фронта расплава решалось численным методом Ньютона

Зг

«/•(¿г)=_¡¿^¿(-/Г' Г-йЛ-уг) _ е-я.[,-(/-/г ]]+ & Рп

Й*

&С

а*

а*

--».(,^г-)

} '

8х X, ^ ■■ 1

¡., М,

(-¡Г

I Рп .«+/1

ОХ Л, ,,2

«'! И,

г-О-'У

}

-1)-к.е ^'егГ^к,^)

(3)

к:

х

~г

, Ык-1 для т <кТ' +т0,1 = к для т>кТ'+т„, В„

Расчет процесса плавления силикатного материала периодическим импульсным тепловым потоком установил существование автоколебаний фронта расплава. Движение фронта расплава имеет три области (рис.6). На начальной стадии происходит несколько колебаний фронта расплава с частотой действия теплового импульса, на следующей стадии наблюдается монотонный характер его движения, на 3-ей стадии возникают автоколебания фронта расплава. Причем сначала автоколебания носят хаотичный порядок, а затем (при времени 0,5 с) форма колебаний фронта расплава становится близкой к прямоугольной с частотой действия теплового импульса. Средняя скорость движения фронта расплава при импульсном тепловом воздействии практически равна скорости движения при эквивалентном в тепловом отношении постоянном тепловом воздействии.

Решение уравнения движения фронта расплава с использованием безразмерных переменных позволяет сократить число переменных и параметров процесса в два раза и применимо для широкого спектра материалов. Для процесса

сг

0,4 02

ч <Г

■10

>

1,4

1,4 •

1Р

•1Р

ог

0,4

0,6 /,А

Рис. 5. Влияние тока отклоняющей магнитной системы на: мощность, передаваемую порошку Q', кВт (1); средний тепловой поток д-10*р.)\ импульсный тепловой поток д У = 320 А; А/=0,77-Ю"3 кг/с.

10*9(3).

Рис. б. Движение фронта расплава силикатного материала в зависимости от времени при различных тепловых потоках qo: 1 -1,59 ■ 108; 2 - 0,5 • 10*; 3 - 5 • 10* Вт/м2. Т=10"2с; т0 = 0,679 • 10"3с.

>., МПа

8 10 12 V СМ-С

Рис. 7. Влия[ше скорости обработки бетона на адгезионную прочность . покрытия.

Дисперсные компоненты композиционного материала: гранитный песок, дробленое стекло, шамотный песок, керамзитовый и перлитовый песок, шамотный и керамзитовый песок. Зачерненные точки соответствуют 2х кратному оплавлению.

2 4 6 В 10 12 Рис. 8. Влияние скорости обработки на толщину оплавленного слоя.

плавления и кристаллизации (при использовании одиночного теплового импульса) оно имеет вид (4). В настоящей работе в отличие от других исследователей в безразмерных переменных "Кирпичев" и "Фурье" в качестве характерного размера используется координата фронта расплава £

К/= Ж = Го2^ЕО„ ГО?^

х,т, . -

аI

Л,

« / Л»*' -¿я'а'ро.—!-

Ч'

ю[ 1-2У*——хе '

73 Р.

С,

ч 1

+ ) 4лЮИ е 1 ' V /

_ [а'1 , V «л (¡{к'Ю'Ро,)

■ а&'Я'г, -К = \Х>Р>с< -1= 1 12Х ' К А, Нра' Рг,с>Т.

(4)

Энтальпийный критерий = Д/0/./„, предложенный в работе, который характеризует отношение внесенной энтальпии через поверхность материала за время действия теплового импульса к значению энтальпии расплава при температуре плавления материала, определяет способность материала плавиться. ■ Для оценки максимальной глубины оплавления для широкого спектра материалов можно применять простые соотношения.

М.

Ш^Ро]^ = = 0,67; Го,

J.

■ 0,35

(5)

Используя решение для температуры расплава, получена зависимость в безразмерном виде для расчета скорости закалки в массе расплава в различные моменты времени. Эта зависимость может использоваться для выбора параметров источника1 высокоинтенсивного нагрева, в т.ч. плазменного при получении модифицированных слоев металлических материалов с аморфными структурами (металлических стекол). Такие материалы обладают отличными от исходного кристаллического состояния свойствами (механические, упругие, магнитные и др.). Для реализации этих процессов требуются высокие скорости закалки расплавов ~ 10б К/с. При приближении фронта расплава к поверхности на стадии

кристаллизации , скорость закалки определяется простым выражением 40Т

Л =--. .V. , где г - время достижения фронта расплава поверхности. Для

значения г = 2,04-Ю"3 с, что соответствует т0 =0,8 мс при Q = 109 Вт/м2 скорость закалки, рассчитанная для № по формуле равна 4,25-106 К/с. При численном расчете при тех же параметрах процесса у минских специалистов значение скорости закалки составляет 4-106 К/с. Соответствие этих значений можно считать удовлетворительным.

В пятой главе представлены результаты по разработке процесса модификации поверхностей силикатных материалов плазменным способом на примере получения защитно-декоративных покрытий на строительных изделиях и конструкциях.

В 70-80-е годы прошлого века в СССР и за рубежом интенсивно разрабатывались технологии и оборудование для получения защитно-декоративных покрытий на строительных материалах термическими методами. Проведенный в работе анализ показал, что основными недостатками этих разработок являются: узкая ширина обработки одного ПГ (разработки венгерских специалистов); низкий уровень тепловых потоков в материал (ЛЕНЗНИЭП и ВНИИТВЧ им. Вологдина); повышенный расход электродов и невысокие декоративные свойства покрытий (Челябинское отделение МИФИ с УРАЛПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТом); ограничения по габаритам обрабатываемых изделий (ИФ АН БССР и Минский НИИСМ); ограниченные возможности систем перемещения плазменных генераторов относительно изделия и др.

Полученные результаты по разработке конструкции плазменного генератора с вынесенной электрической дугой, исследованию его характеристик использовались в реализации процесса создания защитно-декоративных покрытий (ЗДП). Создание модифицированных слоев на силикатных материалах осуществлялось путем оплавления поверхности и наплавки порошкового материала.

Важной характеристикой модифицированного слоя, определяющей его физико-механические свойства и эксплуатационные показатели, является адгезионная прочность его сцепления с основой. Для получения покрытий с наилучшими характеристиками проведение процесса модификации силикатных материалов необходимо осуществлять обеспечивая минимальные структурные изменения в переходном слое (покрытие-основной материал), что достигается минимальным временем теплового воздействия.

Данные по адгезионной прочности оплавленных покрытий на силикатном кирпиче при лучших режимах обработки представлены в таблице 1. Более высокие результаты по прочности покрытия соответствуют более прочному исходному материалу. Оплавленный слой Люберецкого и Кореневского заводов

удовлетворяет требованиям ГОСТа (более 0,6 МПа). Водонасыщение как оплавленных, так и не оплавленных кирпичей отличается незначительно, т.е. оплавленный слой имеет пористость. Это положительно влияет на эксплуатационные характеристики покрытия особенно при колебаниях температуры около 0° С.

Таблица 1.

Адгезионная прочность покрытий, полученных при наилучшем режиме оплавления (ток электрической дуги 420А, скорость обработки 13 см/с)__

Материал Марка, кгс/см2 Адгезионная прочность, кгс/см2 Снижение адгезионной прочности, %

по ГОСТ До оплавления После оплавления

Силикатный кирпич Люберецкого завода 75 более 6,0 20,3 13,5 33,0

Силикатный кирпич Кореневского завода 150 более 6,0 29,0 24,0 17,0

С целью расширения цветовых характеристик оплавленных покрытий на поверхность кирпичей до оплавления наносились водные растворы солей металлов (Сг, Со, Си и др.) с концентрацией 1,5-20 % и расходом около 0,15 кг/м2.

При создании ЗДП на бетонных изделиях (блоки, стеновые панели) предварительно было исследовано более 50 составов фактурных слоев, которые наносились на поверхность перед обработкой. Прочностные свойства и эксплуатационные характеристики оплавленного слоя зависят от химического и дисперсного состава заполнителя. В качестве хрупкой матрицы этого композиционного материала служит цемент (в первую очередь белый для обеспечения архитектурной выразительности). Установлено, что наилучшие физико-механические, эксплуатационные и декоративные свойства имеют фактурные слои с дисперсными компонентами, которые приведены на рис.7. Увеличение скорости обработки положительно влияет на адгезионную прочность покрытия. Введение шамота в качестве заполнителя увеличивает адгезионную прочность оплавленного слоя в 2 раза. Использование модифицированной адгезионной прочности <у2-< которая учитывает поверхность дисперсных частиц, попадающих в поверхность отрыва, обеспечивает наименьший разброс точек по сравнению с измеренной адгезионной прочностью а, и адгезионной прочностью, в которой исключается поверхность таких частице^. Это говорит О хорошем сцеплении частиц с матрицей и соответственно незначительных структурных изменениях в переходном слое (покрытие-основной материал) после теплового

воздействия. Влияние скорости обработки на адгезионную прочность оплавленного слоя . при токе электрической дуги равном 400А описывается следующими зависимостями: ■

,52, <?!-=0.29{у-7,27) +3,06, ог =0,11{у-7,27)+1,21, МПа (шамОТНЫЙ заполнитель не учитывался).

Исследования структуры оплавленного слоя, выполненные с помощью микроскопа в поперечных шлифах, показали, что. дисперсные компоненты (гранит, стекло, шамот, керамзит) на поверхности оплавлены, а со стороны матрицы имеют свою первоначальную форму с хорошим сцеплением с матрицей. При этом во всех случаях в оплавленном слое присутствуют поры с размером 0,03-0,6 мм. Эти поры закрытого типа являются «замороженными» газообразными компонентами, выделяющимися из массы материала, например, пары воды в кристаллизующейся пленке расплава. Влияние скорости обработки на толщину оплавленного слоя композиционного материала приведено на рис.8. Из графика видно, что при скоростях менее 4 см/с толщина оплавленного слоя быстро возрастает до 2,0-2,2 мм, а более 4 см/с для всех заполнителей она составляет 0,20,6 - мм. Ток электрической дуги в этих экспериментах составлял 400 А. Экспериментальные данные хорошо согласуются со значениями глубины оплавленного слоя, которые получены теоретически с использованием формулы (5) при тепловом потоке равном 1,08-Ю7 Вт/м2 (сплошная линия).

Эксплуатационные показатели полученных оплавленных покрытий на бетоне определялись по соответствующим методикам ГОСТов. __■

В, д/мг

■

<7, МПа

4.0 3.0 2,0

1 я|

2

О 0 0

о з 70 » ■ го гз зд

п, год

Рис. 9. Водопроницаемость покрытий I зависимости от срока эксплуатации.

3,5 "о о о о

3,0 - V ■ ▼ э -

2.3 * А 0 А А Ф

о ■ н О .

г. о - «

О

15 1 » » 1

О Л? 70О /Л?

П. цикл

Рис.10. Адгезионная прочность покрытий в . зависимости от числа циклов попеременного , замораживания - оттаивания. Дисперсные компоненты: Д - гранитный песок; О- дробленое стекло; о- шамотный песок; п - керамзитовый и перлитовый песок; У-шамотиый и керамзитовый песок.. .

Водопроницаемость при 30 условных годах эксплуатации увеличивается в 1,5 раза вследствие образования микротрещин в оплавленном слое (рис.9). При испытании оплавленного слоя на морозостойкость адгезионная прочность увеличивается приблизительно на 20 % с увеличением числа циклов «замораживание-оттаивание» (рис.10). Увеличение адгезионной прочности связано с временным набором прочности цемента и возможно обратными процессами гидратации кристаллогидратов в переходной зоне покрытие -основной материал. Шамот в качестве заполнителя положительно влияет на эксплуатационные характеристики покрытия, снижая на 40-50% водопроницаемость и на 60-70 % увеличивая адгезионную прочность. Изменение оптических характеристик всех покрытий за'30 условных лет эксплуатации не превышает 30% (для степени потемнения). Все полученные покрытия удовлетворяют требованиям соответствующих ГОСТов для наружной отделки.

Создание наплавленных модифицированных слоев на исходных материалах упрощает технологию и снижает себестоимость защитно-декоратвных и др. покрытий по сравнению с технологией оплавления фактурного слоя. Для реализации процесса были разработаны технология и дополнительное оборудование, в виде системы многопоточного дозирования и подачи дисперсного материала в зону обработки (авторские ■ свидетельства СССР №№ 1448747, 1726991). Учитывая высокую эффективность нагрева дисперсного материала осциллирующей электрической дугой, дисперсный наплавляемый материал вводился между катодным и анодным узлами ПГ через 4 канала.

Подбор шихты для наплавки защитно-декоративных покрытий в условиях печного (модельного) нагрева образцов показал, что лучшим смачиванием поверхности тяжелого бетона и пенобетона обладают стекла на основе боя конусов кинескопа (отходов производства) с добавлением красителей СоО и У205 (поверхностно-активные вещества) в количестве до 0,1% (массовых).

При наплавке стеклянного порошка с красителями при токе электрической дуги 450А при скорости обработки 6-9 см/с при расходе порошка 100-300 г/мин на газосиликате получаются покрытия с различными цветовыми характеристиками с адгезионной прочностью, близкой к прочности исходного материала 0,63 МПа и удовлетворяющей требованиям ГОСТа.

При создании ЗДП на строительных изделиях и конструкциях разнообразие архитектурных свойств достигается: путем нанесения по трафарету различных фактурных слоев; путем нанесения различных красителей на поверхность обработки; путем частичного оплавления поверхности и др.

Для практической реализации процессов модификации силикатных материалов были созданы аппараты. для получения защитно-декоративных покрытий на строительных изделиях и конструкциях. Для обработки малогабаритных изделий (кирпич, стеновой блок) установка с конвейерной подачей изделий в зону обработки. Для обработки крупногабаритных изделий (стеновых панелей) автоматизированные комплексы на базе портальных машин

термической резки металлов "Комета" и ППлф 2,5-6, которые были внедрены на предприятиях стройиндустрии (на опытном заводе Минского НИИСМа, на КПСО "Домостроитель" в г. Душанбе и ДЗЖБК в г. Джамбул, рис.11). Технические характеристики автоматизированного комплекса приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Технические характеристики автоматизированного комплекса для получения

Параметр Размерность Значение

Потребляемая мощность кВт 140

Производительность иЧч 20...30

Используемые реагенты и их расход: газообразный азот нм3/ч вода на охлаждение м3/ч 1,0 2,0

Энергозатраты на получение покрытия кВт-ч/м2 4,6-7,0

Режим работы автоматический

Обслуживающий персонал чел. 2

В шестой главе представлены результаты по разработке процесса модификации стальных материалов плазменным способом. Процесс модификации заключается в интенсивном нагреве поверхности с последующим отводом тепла в массу материала и окружающую среду. Варьируя пространственно-временным распределением теплового потока, можно изменять термические условия проведения физико-химических превращений в поверхностном слое стали, а соответственно и получать упрочненный слой с различными характеристиками.

Анализ теоретических исследований процесса модификации сталей, проведенных другими авторами, показал, что полученные результаты не позволяют определить значения тепловых потоков, которые необходимы для создания оптимальных характеристик упрочненного слоя. В экспериментальных исследованиях с использованием различных конструкций ПГ модифицированные слои получаются, с высокой твердостью (850HV), со 100%-ным мартенситом в упрочненном слое, с оплавлением поверхности (например, при использовании дуги прямого действия), что для ряда технологий недопустимо.

Теоретический анализ процесса упрочнения углеродистых сталей в настоящей работе проводился на основе решения, полученного для нагрева поверхности периодическим импульсным тепловым потоком (2). Термические условия в массе материала при воздействии одиночного теплового импульса (процесс нагрев-остывание без плавления материала) с использованием безразмерных переменных описываются следующими уравнениями: т — -— ( ТГ ' /7 ^

Т„ I VF

S(T/Tn)____' дт _ 4q2a д(Т/Т„)

8V ~ 24V ' дт~хХ% 8V ' W

где: 7/Г,,-безразмерная температура; д(7/Т„)/дК-безразмерная скорость закалки; ЗГ/Зг-истшшая скорость закалки.

U —L U v = ~Ki2Fo. Ki = , = (9)

* хт, х1

Время действия теплового импульса То в этих уравнениях определяется условием достижения поверхностью температуры плавления металла Т,„ т.е. рассматривается протяженный в направлении движения источник нагрева. Время аустенизации на поверхности та, являющееся важным параметром процесса закалки металла, которое определяется временем возврата изотермы начала аустенитного превращения к поверхности за вычетом времени нагрева до этой температура поверхности металла, можно вычислить по формуле (10). Для стали 45 при тепловом потоке 107 Вт/мг оно равно 3,3с, что практически совпадает с расчетами В.А.Короткова по другим формулам.

= (10) 4q a 4q а

На рис.12 представлено влияние теплового потока, действующего на поверхность,

на глубину упрочненного слоя, на которой обеспечивается скорость закалки -150

К/с. При тепловых потоках -8,9- 106Вт/м2 эта глубина максимальна и составляет

3,5мм. Скорость закалки -150 К/с реализуется на верхней температурной границе

мартенситного превращения (заштрихованная область тепловых потоков). При

тепловых потоках 107 Вт/м2 на этой границе скорость закалки составляет 25 К/с,

что предполагает образование более "мягких" закалочных структур, чем 100%-

ный мартенсит.

Реализация процесса модификации проводилась на примере упрочнения поверхности из углеродистой стали (железнодорожных колес и рельсов). Обработка ПГ с вынесенной электрической дугой показала, что при упрочнении железнодорожных колес (содержание углерода 0,6%) существует диапазон токов 250-320 А (при скоростях обработки 0,7-1,7 см/с), при котором происходит процесс упрочнения колесной стали. При меньших этого диапазона токах происходит процесс отпуска, а при больших токах наблюдается оплавление поверхности. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к стабильности параметров ПГ. При наилучших режимах обработки (ток электрической дуги 275А, скорость упрочнения 1 см/с) получается упрочненный слой со следующими характеристиками: глубина слоя 3,5мм (согласуется с данными теоретического анализа); ширина 25-30мм (на всю ширину гребня локомотивного колеса); твердость у поверхности 483 HV (рис.13). Микроструктура у поверхности представлена троостомартенситом и отпущенным мартенситом и далее по глубине слоя троостосорбитом, сорбитом различной

степени дисперсности с переходом к основному металлу. Такая структура металла положительным образом отличается - от структур, полученных по другим технологиям тем, что в поверхностном слое присутствует пластичная составляющая-троостит, наличие которой благоприятно сказывается при работе слоя в условиях контактно-усталостных нагрузок при взаимодействии, например, с поверхностью рельса. При закалке поверхности катания колес грузовых вагонов увеличение ширины зоны обработки до 45мм при скорости упрочнения 1 см/с потребовало увеличения тока электрической дуги до.400А. При таких режимах получается упрочненный слой со следующими характеристиками: глубина 2,5мм; твердость 500 НУ. Микроструктура слоя у поверхности состоит, из троостомартенсита и отпущенного мартенсита (глубиной до 0,3 мм с твердостью 516-497НУ). В средней и нижней областях закаленной зоны микроструктура меняется от троостомартенсита и троостосорбита (с твердостью 480-463 НУ) до сорбита разной степени дисперсностй. При упрочнении поверхности катания в поверхностном слое, р как и при упрочнении гребней локомотивных колес, присутствует троостит.

При модификации рабочей поверхности железнодорожных рельсов (содержание углерода 0,8%) применялась дополнительная отклоняющая магнитная система, которая обеспечивала г-образную траекторию движения прианодной области электрической дуги по ступенчатому электроду для обработки горизонтальной и вертикальной поверхности рельсов. При ¡лучших режимных параметрах (ток электрической дуги 270А, скорость обработки 1 см/с) получен упрочненный слой без 100%-ого мартенсита с глубиной 3-4мм, шириной 23мм. Слой состоял в поверхностной зоне из троостомартенсита и отпущенного мартенсита (с твердостью 615-592НУ), в средней части из троостомартенсита и троостосорбита (с твердостью 554-464НУ), которые переходят в сорбит (с твердостью 429-339НУ, твердость основного металла 322 НУ).

Модификацию поверхностей низкоуглеродистых сталей (~0,2% углерода), которые применяются, например, в производстве деталей вагонных тележек необходимо осуществлять с принудительной подачей воды (струями) на поверхность после нагрева ПГ. При режимах упрочнения колесной стали на сталях 20 ХГНФТЛ и 20Гл получены модифицированные слои с глубиной до 5мм, шириной до 34мм. При этом твердость основного металла увеличивалась с • 205 до 430 НУ со структурой в поверхностном слое, и далее в глубину металла: мелкодисперсный сорбит и феррит; сорбит различной степени дисперсности; сорбит, сорбитообразный перлит с ферритом.

Эксплуатационные испытания модифицированных слоев в тяжелых: условиях Дальневосточной железной дороги (филиал ОАО "Российские железные дороги"). при упрочнении гребней более 5000 локомотивных колесных пар показали, что дефекты слоя, после упрочнения и в процессе эксплуатации

Рис. 11. Автоматизированный комплекс на базе машины плазменной резки «Комета» для получения защитно-декорагивных покрытий на стеновых панелях

Ю

4-10"7ВТ/М2

Рис. 12. Влияние теплового потока на глубину упрочненного слоя (1) и отношение глубины упрочненного слоя к глубине аустенитного превращения (2).

! |

1 1

........ 1Г5|1ч

" "1........

!

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

. Глубина, мм

Рис. 13. Макроструктура упрочненного слоя и распределение твердости по его глубине.

Рис. 14. Плазменный генератор установки для упрочнения гребней бандажей локомотивных колес без выкатки колесной пары. ,

отсутствовали. При эксплуатационных испытаниях модифицированных слоев на колесах грузовых вагонов с упрочненной поверхностью катания в условиях экспериментального кольца ФГУП ВНИИЖТ с нагрузкой 24т на ось, при пробеге 104 тыс. километров дефекты слоя отсутствовали. При закалке гребней и поверхности катания железнодорожных колес по другим технологиям (электрической дугой прямого действия, струйным ПГ) после упрочнения и в процессе эксплуатации имели место случаи образования трещин и выщербин, т.к. в поверхностном слое присутствовал 100%-ный мартенсит, который является хрупкой фазой. Присутствие мартенсита приводит к дополнительным остаточным напряжениям в зоне упрочненного слоя, например, в локомотивном бандаже. Этот факт подтверждает необходимость упрочнения изделий, которые подвергаются интенсивным контактно-усталостным нагрузкам, в т.ч. железнодорожные колеса, рельсы и др., на умеренную твердость с получением в упрочненном слое структур, содержащих пластичную составляющую-троостит. Это обеспечит безопасную эксплуатацию изделий с упрочненным слоем.

Практическая реализация разработанных аппаратов, включающих: плазменный генератор; систему магнитного управления электрической дугой; систему вращения колесной пары и системы водо- и газообеспечения, и технологии упрочнения гребней локомотивных колес вынесенной электрической дугой осуществлена в трех депо Дальневосточной железной дороги при упрочнении как под локомотивом (рис.14), так и на выкаченной колесной паре. Технические характеристики установки приведены в таблице 4.

Таблица 4

Параметр Размерность Значение

Потребляемая электрическая мощность кВт 30

Расход плазмообразующего газа нм3/час 0,35

Расход воды на охлаждение плазменного генератора кг/час 500

Скорость обработки м/с 0,01

Время обработки одного колеса мин. 5

Масса плазменного генератора с системой магнитного управления электрической дугой кг 15

Эксплуатационные испытания, которые проводились с 1998 года (более 5000 колесных пар), показали снижение интенсивности износа гребней упрочненных колесных пар локомотивов по сравнению с не упрочненными колесными парами в 1,2-1,6 раза.

Экономическая эффективность упрочнения гребней локомотивных колес составляет 2500 рублей на одну колесную пару.

ОСНОВНЫЕ выводы

1. Разработаны аппараты для проведения процессов модификации поверхности силикатных и металлических материалов, включающие: специальную конструкцию плазменного генератора с вынесенной электрической дугой; систему магнитного управления электрической дугой; систему многопоточного дозирования и ввода дисперсного материала в зону обработки; системы перемещения плазменного генератора относительно поверхности материала. Проведенный анализ конструктивных и технологических особенностей различных плазменных генераторов, применяемых в процессах модификации поверхностей материалов, определил основные преимущества плазменного генератора с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями: большая площадь зоны обработки; высокий уровень тепловых потоков, создаваемых на поверхности материала; возможность гибкого регулирования тепловыми потоками в материал; низкий уровень шума; высокий ресурс работы электродов и др. Конструкция плазменного генератора защищена авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

2. Изучено движение вынесенной электрической дуги под воздействием внешних переменных магнитных полей. Установлен дискретный характер перемещения анодных пятен осциллирующей дуги по поверхности электрода. Определены параметрь1 магнитного поля, которые обеспечивают максимальное время воздействия на материал при постоянной скорости движения прианодной области электрической дуги. Проведен анализ других исследований по взаимодействию электрических дуг с внешними магнитными полями.

3. Изучен теплообмен вынесенной электрической дуги с поверхностью и с дисперсным материалом в зависимости от режимных параметров. Разработаны методы и устройства для измерения переноса тепла к поверхности и дисперсному материалу при высокоинтенсивном периодическом импульсном тепловом воздействии осциллирующей электрической дуги. Сравнительный анализ полей высокоинтенсивных тепловых потоков, которые создаются различными конструкциями плазменных генераторов в процессах модификации поверхностей, и методов их измерения показал, что использование вынесенной электрической дуги, управляемой магнитными полями, позволяет получать на большей поверхности более равномерное распределение тепловых потоков в материал. Полученные результаты по теплообмену необходимы для расчета процессов модификации поверхности и для их практической реализации наилучшим образом.

4. Создан теоретический метод расчета процесса модификации поверхностей различных материалов (температуры, характера движение фронта расплава, скорости закалки, физико-химических превращений в поверхностном слое) при периодическом импульсном тепловом воздействии (с плавлением и без плавления материала), в том числе с использованием безразмерных

переменных. Получены соотношения для инженерных расчетов этих параметров. В проведенном расчете процесса модификации силикатных материалов при импульсном периодическом тепловом воздействии на поверхность впервые установлено существование режима автоколебаний : фронта расплава. В виде безразмерных переменных проведен теоретический анализ процесса упрочнения металлических материалов, определены параметры, необходимые для формирования наилучших характеристик закаленного слоя.

5, На базе разработанных аппаратов создана плазменная технология' получения модифицированных слоев на силикатных материалах на примере получения защитно-декоративных покрытий на строительных изделиях и конструкциях (составы композиционных материалов фактурных , слоев, технология. их нанесения, составы наплавляемого материала, режимные параметры процесса, и'др.). Определены наилучшие режимы обработки кирпичей и бетонов, при • которых адгезионная прочность удовлетворяет требованиям ГОСТов. Предложены эмпирические зависимости' для расчета адгезионной прочности покрытий в зависимости от скорости обработки для различных составов фактурных слоев бетонов." Изучены характеристики оплавленного слоя (морфолбгия, глубина оплавления) в зависимости от , режимов обработки, которые согласуются с рассчитанными значениями. Определены эксплуатационные показатели защитно-декоративных покрытий на кирпиче, бетоне (для лучших режимов,' составов фактурных слоев), .которые удовлетворяют требованиям ГОСТов. Технология и оборудование модификации поверхностей силикатных материалов защищены авторскими свидетельствами СССР.

6. На базе разработанных аппаратов создана плазменная технология получения модифицированных слоев на стальных поверхностях на примере упрочнения изделий, применяемых на железнодорожном транспорте (железнодорожные колеса, элементы верхнего строения пути-рельсы, детали локомотивных и вагонных тележек). Изучены физико-механические, геометрические характеристики и структура слоя в зависимости от режимов упрочнения, которые согласуются с расчетными значениями. Установлены режимы для получения слоя с характеристиками, которые обеспечивают безопасную эксплуатацию изделий с упрочненным слоем. Эксплуатационные испытания при контактно-усталостных нагрузках упрочненных слоев из углеродистой стали на гребнях локомотивных колес (в течении восьми лет на более 5000 колесных пар) и на поверхности катания колес грузовых вагонов показали снижение интенсивности износа по сравнению с не упрочненными в 1,2-1,6 раза и отсутствие дефектов в виде трещин и выщербин. Технология и оборудование для модификации стальных поверхностей защищены патентами РФ.

7. Аппараты для получения модифицированных слоев на силикатных материалах внедрены на предприятиях отрасли: опытно-промышленная плазменная установка и два автоматизированных комплекса с ЧПУ для получения

• защитно-декоративных покрытий на крупногабаритных изделиях (бетонных стеновых панелях); установка для получения защитно-декоративных покрытий на малогабаритных изделиях (кирпиче, блоке).

8. Аппараты для получения модифицированных слоев на стальных изделиях внедрены в трех локомотивных депо Дальневосточной железной дороги (филиал ОАО "Российские железные дороги") в процессе упрочнения гребней бандажей локомотивных колес. Экономическая эффективность упрочнения 2500 рублей на одну колесную пару. Разработаны нормативные документы на локомотивные колеса, колеса электропоездов с упрочненным слоем и процесс упрочнения вынесенной электрической дугой (технические условия и технологическая инструкция), согласованные и утвержденные в ОАО «Российские железные дороги» (МПС России) и ФГУП ВНИИЖТ.

: Список условных обозначений

Q - средний тепловой поток в материал; q,qo,q* - импульсный тепловой поток в материал; д(т)- тепловой поток; г - текущее время; та - время действия теплового импульса; v а - скорость движения прианодной области электрической дуги; V - скорость движения источника нагрева; Т,Т* - период; »"-частота; Т(хт)-температура; Т„ - температура плавления материала; координата фронта плавления; L- теплота плавления материала; X - коэффициент теплопроводности; а-коэффициент температуропроводности; Kj- энтальпийный критерий; , а - адгезионная прочность покрытия; та -время аустенизации; J-ток электрической дуги; B"'IO- максимальная магнитная индукция на оси соленоида; x,xa,z - координаты; Gr - расход плазмообразующего газа; А - амплитуда отклонения прианодной области электрической дуги; М- массовый расход порошка; kj - коэфициент, определяющий начальное распределение температуры в материале; ск- отношение теплового потока в материал, действующего при т<т0 к тепловому потоку, действующему при т>т„; А - скорость закалки расплава при приближении фронта плавления к поверхности материала; / - глубина оплавленного слоя; Xj- глубина упрочненного слоя; х*-глубина аустенитного превращения.

Список опубликованных научных трудов по теме диссертации

1. Лыков A.M., Морозов A.C. Плазменная технология нанесения специальных покрытий.//Военно-строительный бюллетень.-1982.-№2.-С.35-36.

2. Лыков A.M., Самсонов В.А., Науменко H.H. Движение электрической дуги электродугового генератора постоянного тока в переменном магнитном поле.

//Тезисы докладов X Всесоюзной конференции «Генераторы низкотемпературной плазмы». - Минск, 1986.-Ч. 1.-С.52-53.

3. Лыков A.M., Самсонов В.А., Морозов A.C. Получение оплавленных покрытий на силикатном, кирпиче. //Тезисы докладов и , рекомендации научно-технических конференций «Вклад молодых специалистов в решение актуальных проблем совершенствования производства изделий из стекла и стеклокристаллических материалов». -М.,1986.-Серия 6 «МАТЕРИАЛЫ». -Выпуск 1 (228). -С. 26.

4. Лыков А.М, Самсонов B.Ä., Науменко H.H. Теплообмен движущейся в переменном магнитном поле электрической дуги с материалом. //Тезисы докладов Минского международного форума «Тепломассообмен - ММФ». -Минск, 1988.- Секция 11. -С.88-90.

5. Лыков A.M., Самсонов В.А., Науменко H.H., Шиманович В.Д. Электродуговой генератор для нанесения покрытий на диэлектрические материалы. //Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции "Теория и практика газотермического нанесения покрытий". -Севастополь, 1988.-Т.2. -С.28-32.

6. Лыков A.M.,Самсонов В.А., Аненков А.П., Козлов Г.А. К вопросу об измерении мощных нестационарных тепловых потоков. //Депонировано ВИНИТИ 03.02.1988.-№ 930-В88.-14 страниц.

7. Лыков A.M.,Науменко H.H., Самсонов В.А., Шиманович В.Д. Нанесение покрытий плазменным генератором с вынесенной электрической дугой. //Тезисы докладов V Всесоюзного совещания. «Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов». - М., 1988. -Ч.1.-С. 58.

8. Лыков A.M., Ченышенко О.И. Плавление силикатных материалов периодическим импульсным тепловым потоком. //Тезисы докладов II Минского международного форума по тепло- и массообмену «Тепломассообмен ММФ-92».-Минск, 1992.-Т11.-С.119-122.

9. Лыков A.M., Науменко H.H., Шиманович В.Д. Управляемая магнитным полем дуга в генераторах для обработки строительных материалов. //Материалы конференции «Физика и техника плазмы», -Минск, 1994. -Т. 2. -С. 339-342.

Ю.Лыков A.M. Движение фронта плавления при периодическом тепловом потоке. //Физика и химия обработки материалов. -1995. -№ 2. -C.3Ö-36.

11.Лыков A.M., Науменко H.H. Плавление материалов периодическим тепловым потоком. //Физика и химия обработки материалов, -1995.-№ 2. -С.107-115.

12.Васильев Д.В., Лыков A.M., Сурис А.Л. Нагрев дисперсного материала электрической дугой. //Физика и химия обработки материалов.-1996.-№6.-С.99-105. '

13.Лыков A.M., Науменко H.H. Расчет скорости охлаждения расплавов. //Тезисы докладов III Минского международного форума по тепло- и массообмену «Тепломассообмен ММФ-96». -Минск, 1996. -Секция 11. -С. 10-16.

14.Лыков A.M., Науменко H.H. Плазменные покрытия на композиционных материалах. //Физика и химия обработки материалов. -1996.-№ 6. С. 66-71.

15.Лыков A.M., Почепаев В.Г., Редькин Ю.Г. Плазменное термоупрочнение сталей.// Физика и химия обработки материалов. -1997.-№ 3. С. 27 — 32.

16.Lykov A.M., Naumenko N.N. Plasma covers on composite materials 14 th International symposium on PLASMA CHEMISTRY.-Praga,1999.-Vol. 1.-P.2069-2074.

17.Лыков A.M., Науменко H.H. Плазменный генератор с вынесенной электрической дугой в различных технологических процессах обработки поверхности. //Тезисы докладов IV Минского международного форума по тепло-и массообмену «Тепломассообмен ММФ-2000».-Минск, 2000.-Секция11. -С.. 19-21.

18.Лкков A.M., Маслов В.Э., Демин П.В., Глибииа Л.А. Плазменная закалка гребней. //Локомотив. -2000.-Х°9.-С.29-30.

19.Лыков А.М., Редькин Ю.Г., Глибина Л.А. Плазменное упрочнение гребней колес. Различные методы плазменной закалки. //Локомотив.-2000.-№1.-С.27-28.

20.Lykov A.M., Maslov V.E., Lobov O.I. Plasma treatment of metaliume materials. //15th International symposium on plasma chemistry. -Orleans, France, 2001. -P. 1941 -1946.

21.Маслов В.Э., Лыков A.M. Нагрев материалов высокоинтенсивным движущимся источником нагрева. //Сборник трудов XV Международной научной конференции. «Математические методы в технике и технологиях». -Тамбов,

2002.-Т.8.-С.109-111.

22.Лыков A.M., Маслов В.Э. Плазменная закалка железнодорожных колес. //Сборник научных статей «Высокотемпературные аппараты», -М., МГУИЭ,

2003. -С.95-103.

23.Lykov A., Maslov V., Naumenko N. Updating of surfaces of items from steel by plasma method. //Материалы конференции «Физика плазмы и плазменные технологии. ФППТ-4». -Минск, 2003. -Т.2.- С. 831 -834.

24.Лыков A.M., Маслов В.Э., Глибина Л.А. Плазменное упрочнение колес. //Железнодорожный транспорт. —2004.-№11 .-С.78.

25.Лыков А.М., Маслов В.Э., Глибина Л .А. Плазменное упрочнение гребней локомотивных и вагонных колес. //Вестник ВНИИЖТ. ~2005.-№1.-С.31-33.

26.Киселев С.Н., Киселев А.С., Саврухин А.В., Неклюдов А.Н., Лыков A.M. Определение остаточных напряжений в упрочненных и наплавленных слоях. //Технология машиностроения. - 2005.-№1.-С.45-49.

27.Берзин М.М., Павлов Н.В., Глибина Л.А., Лыков A.M., Маслов В.Э. Плазменное упрочнение железнодорожных колес и элементов верхнего строения пути. //Сборник докладов научно-практической конференции «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения». -М. 2005. -С.141-143.

28.Maslov V., Lykov A. Updating of surfaces of items from steel by plasma method. //17th International symposium on plasma chemistry. -Toronto, Canada, 2005. -ISPC-287.

29.Лыков A.M., Маслов В.Э. Плазменное упрочнение гребней железнодорожных колес. //Материалы международной практической конференции-выставки «Технологии ремонта, восстановления,. упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций». -Санкт-Петербург, 2005. -Т05-08.

30.Шиманович В.Д., Науменко H.H., Золотовский А.И., Лесковец A.C., Шашков С.А., Лыков A.M., Морозов A.C., Самсонов В.А.' Плазменное устройство для оплавления поверхностей обрабатываемых деталей. //Авторское свидетельство СССР № 1503669: Приоритет от 26.12.83.

31.Лыков A.M., Самсонов В.А., Селезнев Н.А; //Авторское свидетельство СССР №209588: Приоритет от 26.12.83.

32.Науменко H.H., Шиманович В.Д., Лесковец A.C., Лыков A.M., Самсонов В.А., Морозов A.C. //Авторское свидетельство СССР № 236687: Приоритет от

, 04.02.85. . /

33.Лыков A.M., Самсонов В.А., Морозов A.C., Сурис А.Л., Шиманович В.Д., Науменко H.H., Лесковец Ä.C.' Способ нанесения покрытий на .материал. //Авторское свидетельство СССР № 1448747: Приоритет от 01.07.85.

34.Науменко H.H., Лыков A.M., Самсонов В.А., Сурис А.Л., Шиманович В.Д., Дремина Л.Б. Способ плазменного оплавления поверхностей материалов. //Авторское свидетельство СССР №1496298: Приоритет от 13.11.86.

35.Лыков A.M., Самсонов В.А., Науменко H.H., Шиманович В.Д., Дремина Л.Б., Солинов Е.Ф., Дьяконова В.И., Захарова В.Н. Способ полировки стеклоизделий, //Авторское свидетельство'СССР № 1571005: Приоритет от 11.09.87.

36.Жарова Л.К., Лыков A.M., Самсонов В.А, Сильченков А.И. Устройство для подачи сыпучих материалов. //Авторское свидетельство СССР № 1726991: Приоритет от 13.01.89.

37.Лыков А.М., Почепаев В.Г., Редькин Ю.Г. Способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его "осуществления. //Патент РФ № 2092580: Приоритет от 29.03.96.

38.Лыков A.M., Матвеев Ю.И. Способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления. //Патент РФ № 2121514: Приоритет от 07.10.97.

Подписано в печать 13.07.2006 г. Формат 60x90 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 60 экз. Зак. № 2049.

Отпечатано в типографии «Информпресс-94» 107066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4. Тел.: 267-68-33

Введение.

1. Конструкции плазменных генераторов, используемые при модификации поверхности материалов.

Выводы по главе 1.

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

7 8 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 A.A. 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.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1:

На основании проведенного анализа различных схем плазменных генераторов установлено, что ПГ с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями, является наиболее предпочтительным для использования в процессах модификации поверхности материалов и соответственно нашел широкое практическое применение, как будет показано ниже, в различных технологиях.

1. Ермолаев М.Е., Полянский В.К., Воронин М.П. Получение защитно-декоративных покрытий с помощью плазмотрона. «Строительные материалы». 1976. № 7. с. 21-25.

2. Иванов П.П., Исакаев Э.Х., Изотов В.И., Филиппов Г.А., Тюфтяев A.C. Эффективный способ поверхностного упрочнения железнодорожных колес. Сталь. 2000. № 1. с. 63 66.

3. Зайцева Г.М. Индустриальная отделка бетонных изделий плазменной обработкой. На стройках России. 1984. № 7. с. 42 46.

4. Шипай А.К., Золотовский А.И., Московский В.Г., Науменко H.H., Шиманович В.Д., Кисилевский Л.И. Патент Франции № 2469387 от 13.11.79.

5. Дедюхин P.O., Волокитин Г.Г., Чебиков В.К., Шиманович В.Д., Филиппов В.Ф. Плазменный генератор для обработки строительных материалов. Авторское свидетельство 890567 от 22.10.79.

6. Резников А.Н., Шатерин М.А., Кунин B.C., Резников Л.А. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом. М. «Машиностроение». 1986. с. 231.

7. Авторское свидетельство 856717.

8. Ю.Марков Д.П. Закалка гребней колес подвижного состава на высокую твердость для снижения бокового износа. Вестник ВНИИЖТ. № 1. 1997. с. 36-42.

9. П.Богданов В.М., Марков Д.П., Пенькова Г.И. Оптимизация трибо-технических характеристик гребней колес подвижного состава. Вестник ВНИИЖТ. № 4. 1998. с. 3 9.

10. Шиманович В.Д., Киселевский Л.И., Шипай А.К., Золотовский А.И., Московский В.Г., Науменко H.H. Авторское свидетельство № 880768 от 01.06.78.

11. Патент США № 4301352 от 17.11.81.

12. Лыков A.M., Матвеев Ю.И. Патент РФ № 2121514 от 07.10.97.

13. Лыков A.M., Почепаев В.Г., Редькин Ю.Г. Патент РФ № 2092580 от 29.03.96.

14. Лыков A.M., Самсонов В.А., Науменко H.H., Шиманович В.Д., Дремина Л.Б., Солинов Е.Ф., Дьяконова В.И., Захарова В.Н. Способ полировки стеклоизделий. Авторское свидетельство № 1571005 от 11.09.87.

15. Лыков A.M. Самсонов В.А., Морозов A.C., Сурис А.Л., Шиманович В.Д., Науменко H.H., Лесковец A.C. Способ нанесения покрытий на материал. Авторское свидетельство № 1448747 от 01.07.85.

16. Лыков A.M. Самсонов В.А., Морозов A.C., Сурис А.Л., Шиманович В.Д., Науменко H.H., Лесковец A.C. Авторское свидетельство №237522 от 01.07.85.

17. Шиманович В.Д., Науменко H.H., Золотовский А.И., Лесковец A.C., Шашков С.А. Лыков A.M., Морозов A.C., Самсонов В.А. Плазменное устройство для оплавления поверхностей обрабатываемых материалов. Авторское свидетельство № 1503669 от 26.12.83.

18. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.

19. Взаимодействию электрической дуги с магнитными полями и газовым потоком в плазменных генераторах посвящено достаточное количество работ.

20. Анализ различных схем взаимодействия магнитиых полей с электрической дугой плазменных генераторов.

21. На рис. 2.1. представлен ряд схем взаимодействия ЭД, магнитного поля и газового потока.

22. На рис. 2.1 в представлена сбалансированная электрическая дуга в поперечных газодинамическом и однородном магнитном полях.

23. Более простая эмпирическая зависимость, связывающая электрические, магнитные и газодинамические параметры электрической дуги, представленной на рис. 2.1, в приведена в работе 2.