автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разряд с жидким катодом в процессах обработки поверхностей

На правах рукописи

ГИЗАТУЛЛИНА Флера Абдулловна

РАЗРЯД С ЖИДКИМ КАТОДОМ В ПРОЦЕССАХ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.09.10 - электротермические процессы

и установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наул

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Казанской государственной технической университете им.А.Н.Туполева

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Абдуллин Ильдар Шаукатович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Дресвин Сергей Вячеславович, кандидат технических наук, Гафаров Ильдар Гарифович

Ведущая организация:

Московский физико-технический институт (МФТИ)

Защита состоится_1995г. в_час на

заседании специализированного диссертационного совета СПбГТУ Ш Д 063.38.25 по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 29, корпус_ауд._

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан_мая 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

А.Н.Кривцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Современное состояние модификации, поверхностных слоев изделий машиностроения характеризуется . поисками наиболее перспективных путей улучшения эксплуатационных характеристик выпускаемых изделий.

Известные традиционные методы -модификации поверхностных слоев - механические, термические, химические, химико-термические, электрохимические, не позволяют комплексно улучшить характеристики поверхности. Как правило, изменение в заданную сторону одного параметра сопровождается , ухудшением других свойств поверхностного слоя. Целый ряд основных свойств рабочих поверхностей, определяющих долговечность изделий и зависящих от усталостной прочности, остаточных напряжений, степени дефектности поверхностного слоя и других характеристик, эти процессы, в принципе, улучшить не могут.

Путь к решению этой проблемы лежит'через создание и внедрение процессов и электротермических установок (ЭТУ) с одним жидким электродом в промышленность. Для применения данного разряда в процессах обработки поверхностей твердых -тел необходимо комплексное исследование характеристик разряда с жидким катодом.

Однако в настоящее время мало изучены физические процессы, протекающие в разряде с жидким катодом, отсутствуют систематические исследования взаимодействия разряда с материалом. Работа направлена на решение актуальных проблем машиностроения - повышение качества,- долговечности и надежности изделий путем направленного изменения свойств поверхностных слоев разрядом с гсидким катодом.

Целью работы является установление закономерностей процесса модификации' поверхности твердых тел разрядом с жидким катодом и определение параметров обработки на основе системного изучения характеристик данного разряда, что обеспечит регулируемое изменение свойств изделий машиностроения. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач':

1. Комплексное экспериментальное исследование параметра разряда с жидким катодом при взаимодействии его с поверхностями металлических изделий и построение качественной физической модели разряда с жидким катодом.

2. Разработка качественной модели разряда с жидким катодом с поверхностями твердых тел.

3. Установление закономерностей изменений эксплуатационных характеристик изделий в зависимости от режимов плазменной обработки.

4. Разработка технологических процессов плазменной модификаций поверхностей металлических изделий и внедрение их в промышленность.

Методы исследований основаны на использовании разных методов и сравнении их результатов, сопоставлении с известными теоретическими данными других авторов.

Основные экспериментальные результаты сформулированы на основе данных, полученных с помощью современных методов исследований: зондовых измерений; металлографических, рент-геноструктурных и масс-спектрографических анализов; комплекса физико-химических испытаний (износостойкость, коррозионная стойкость, пределы усталостной прочности и долговечности).

Научная новизна работы. I. Впервые установлено, что при атмосферном давлении в диапазоне токов I = 50 250 мА, t = 1,5 t 10 мм для медных, стальных, графитовых анодов и катодов

из технической, очищенной воды, солевых растворов -разряд с жидким катодом всегда является многоканальным. При этом изучены вольт-амперные характеристики разряда, распределения потенциала и напряженности электрического поля, энергетические и спектральные характеристики.

2. Установлен механизм поддержания разряда с жидким катодом.

3. Впервые показано, что при использовании одного и того же электролита при различных временных промежутках горения разряда он имеет существенно отличные друг от друга характеристики. С' целью стабилизации характеристик разряда введено понятие "разработки" электролита.

4. Установлено, что степень модификации поверхности металлов разрядом с жидким катодом определяют следующие параметры: а) тепловой поток, падающий на поверхность; б) длительность обработки; в) межэлектродное расстояние.

5. Показано, что основной вклад в модификацию поверх-йости вносят % процесса: рекомбинация отрицательных ионов на поверхности и передача энергии, приобретенной ими и электронами в анодной области. Обнаружены захороненные слои азота на глубине до 200 мкм, при этом скорость диффузии вглубь материала в 2 раза превышает скорость ионного газонасыцения.

6. Установлено, что данный вид обработки позволяет очищать поверхностный слой, уменьшать шероховатость поверхности с ликвидацией примесных дефектов и одновременно активизировать поверхность, повышать коррозионную стойкость, наводить сжимающие остаточные напряне-ния, повышать усталостную прочность.

Практическая ценность работы заключается в следующем: I,. На основе проведенных экспериментальных исследований характеристик разряда с жидким катодом установлен диапазон входных параметров,наиболее приемлемый для • проведения модификации поверхностей твердых тел.

2. Данные о физике процессов, протекающих в разряде,позволили определить состав электролита, который необходим для обработки металлических изделий.

3. Установлены параметры плазменной обработки, с помощью которых можно эффективно изменять свойства поверхнос-

* . тного слоя.

4. ' Процессы, позволяющие проводить очистку, полировку с

одновременным удалением дефектных слоев, упрочнения (срок службы изделий и износостойкость увеличиваются в 1,5 * 2 раза), повышения усталостной прочности на 20% с перераспределением остаточных напряжений, увеличения микротвердости в 2 * 4 раза и повышением коррозионной стойкости, разработаны на базе проведенных экспериментальных исследований взаимодействия разряда с жидким катодом.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты использованы в медико-инструментальной промышленности и переданы Государственному научно-производственному предприятию "Мединструмент" в виде описания технологических процессов обработки поверхности медицинских инструментов, электротермической установки и отчетов.

На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:

I. Теоретические и экспериментальные исследования пробоя, позволяющие определить входные параметры электротермических установок, необходимые для проектирования таких устройств, используемых для модификации

поверхностей. ■ ■

2. Результаты исследования приэлектродных к объемных процессов стационарного разряда с жидким катодом, устанавливающие параметры обработки. Ими являются тепловой поток, поступающий на анод, длительность обработки и межэлектродное расстояние.

3. Физическая модель разряда с жидким катодом, построенная на основе полученной обобщенной падающей характеристики, обнаруженного электронного облака вблизи катода с концентрацией до 10^ см~^,распре-

' деления потенциала в электролите, пространственного распределения потенциала в разряде, распределения напряженности электрического поля.

4. Разряд с жидким катодом во всем исследованном диапазоне является многоканальным.

5. Установленные закономерности и явления, протекающие

в разряде с жидким катодом, могут быть получены только при разработке электролитов и тренировке анода в течении, определенного промежутка времени.,

6. Физическая модель процесса модификации поверхностного слоя металла с помощью разряда с жидким катодом.

?. Результаты исследования взаимодействия разряда с

кидким катодом с поверхностями металлов и их сплавов. Основы рациональной технологии плазменной модификации рабочих поверхностей изделий машиностроения, технологические процессы очистки, полировки с одновременным удалением дефектных слоев и активации поверхностей, упрочнения, повышения усталостной прочности, коррозионной стойкости

Апробация работы. Основные 'результаты работы докладывались на Всесоюзных семинарах и конференциях: У1 Всесоюзная

конференция по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград,

1983), I Всесоюзный семинар по атомной спектроскопии (Ростов -

Великий, 1990), Ш Всесоюзный семинар.по атомной спектроскопии (Черноголовка Моск. обл., 1992), У1 конференция по фи-фике газового разряда (Казань, 1992), Отраслевой научно-технический семинар "Технология нанесения износостойких покрытий на режущие части хирургических инструментов" (Казань, 1991) и на кафедрах общей физики Казанского государственного технического университета и электротехники и электротехнологии Санкт-Петербургского'государственного технического университета (1994, 1995 г.г,).

.Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных статей, тезисы 5 докладов, получены 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 248 страницах, содержит 56 рисунков и 2 таблицы. Список использованной литературы составляет 193 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1-ая глава "Обзор исследований электрических разрядов в газе между жидким катодом и твердым анодом" содержит обзор известных-теоретических и экспериментальных исследований разрядов между жидким и твердым электродами, особенностей характеристик разряда с жидким катодом и их некоторых практических применений.

Результаты, полученные на основе приведенного анализа особенностей разряда с жидким катодом, его теоретических исследований и применений, позволили сделать следующие выводы: I. В настоящее время отсутствуют систематические экспериментальные исследования разряда с жидким катодом

при атмосферном давлении для различных видов твердых анодов в том диапазоне параметров, при которых данные разряды используются в промышленности. Особенно это касается электротермических процессов.

2. Мало изучены физические процессы, протекающие в данном разряде, что является основной причиной отсутствия даже качественной физической модели разряда с жидким катодом. Ряд авторов' относят данный вид разряда к тлеющему, другие-к дуговому. Таким образом, нет единого мнения о природе этого разряда.

3. Недостаточно изучены процессы пробоя такого вида разряда.

4. Несмотря на шмрокое применение разрядов с жидким катодом в электронике, плазмохимии, металлургии, машиностроении, практически отсутствуют данные по моди-, фикации поверхностей металлических изделий с помощью разряда с жидким катодом.

Ео 2-ой главе "Феноменологическое описание разряда с жидким катодом и его характеристики" приведено описание экспериментальной электротермической установки. В качестве жидкого катода использовались очищенная и техническая вода, а также 0,5 - 1,0%-яе растворы МйС£ . Координатные устройства использовались как для перемещения электродов, так и для проведения зондовых измерений. Визуальные и зондовые исследования в атмосферном воздухе проводились с помощью отс-четного микроскопа типа СП-52. Для определения потенциала использовались статические вольтметры и цилиндрический зонд, который изготавливался из вольфрамовой проволоки. Для исключения утечки тока в измерительной цепи определялся плавающий потенциал зонда электростатическим вольтметром относительно заземленного катода. Спектроскопические исследования излучения столба плазмы производились с помощью спектрографов ИСП-30 и ДФС-8-2. Исследования при пониженных давлениях про-

водились на установке, которая помещалась в вакуумный шкаф, где обеспечивалось давление 0,13 - 1,33 кПа. Тепловой баланс определялся калориметрическим способом, используя проточную электролитическую ячейку.

Проводилось исследование пробоя с учетом особенностей, определяемых действием электрического поля на электролит, влияниями поверхностного натяжения и силой тяжести жидкости. Сравнение результатов исследований пробоя воздуха между двумя металлическими электродами типа Роговского и полученных в нашем случае между жидким катодом и твердым анодом, показывает их значительное расхождение. Этот факт можно объяснить неустойчивостью поверхности электролита в сильном электрическом поле. Также выявлено, что при больших значениях диаметра твердого электрода (более 4 10"^ м; напряжение пробоя от диаметра практически не зависит.

Изучение внешнего вида разряда, в условиях атмосферного давления для медных, стальных, графитовых анодов в форме штыря, электрода ^говского, пластин с жидким катодом из технической, очищенной воды и солевого раствора в

паровоздушной среде межэлектродного пространства имеет место разряд, состоящий из множества микроканалов. Причем, как показывают результаты спектральных исследований, концентрация электронов в прикатодной области характерна для дуговых разрядов.

Обработка экспериментальных данных для электрического разряда при атмосферном давлении дала возможность получить обобщенную вольт-амперную характеристику открытых электрических разрядов при отсутствии вынужденной конвекции. Получены вольт-амперные характеристики для различных межэлект- -родных расстояний, жидкого катода и твердого анода из перечисленных выше электролитов и материалов, различных форм' . твердого анода. Все вольт-амперные характеристики падающие, что характерно для тлеющего разряда. Таким образом, данный вид разряда нельзя отвести ни к одному из них. Это есть са-

мостоятельная разновидность - многоканальный разряд.

Исследования энергетических характеристик позволили определить к.п.д. плазменного технологического процесса обработки изделий в разряде с жидким катодом. По приведенным в работе табличным данным построены графики от I , из которых можно сделать-вывод, что наиболее эффективно процесс обработки происходит с уменьшением межэлектродного расстояния для токов 50 - 100 мА. '

Зависимость распределения потенциала от величины изменения межэлектродного расстояния носит линейный характер. По нему определялись значения катодного LLK и анодного Ца падений потенциала методом линейной экстраполяции до поверхностей анода и катода. Значение Ик при I = 90 мА и £ = 5,6 см составило 540 В, U.a= 150 В., Экспериментально найденные значения пространственного распределения плавающего потенциала позволили построить двумерное распределение потенциала в виде эквипотенциальных линий. В области плазменного столба потенциал с жидким катодом из технической воды меняется почти по линейному закону, в случае же 0,5^-го раствора К/aCI однородность этой области заметно нарушается. В приэлектродных областях распределение потенциала существенно неоднородное» Получены также распределения напряженности электрического поля вдоль оси разряда. С удалением от катода напряженность резко уменьшается, достигает минимума, затем медленно возрастает в направлении к аноду.

Для повышения стабильности и точности получаемых результатов проведены исследования рН электролита. Полученная зависимость рН жидкого катода из очищенной воды от времени горения разряда показывает, что в течение первых пяти минут наблюдается резкое уменьшение рН с 6,2 до 3,0, то есть среда становится кислотной. При работе установки с технической водой в качестве жидкого катода, среда, наоборот, защелачи-вается. После работы установки в течение первых пяти минут наступает стабилизация разряда. Данное полученное значение

\

времени играет большую роль во всех .проводимых экспериментах по исследованию-этого разряда, а так же при проведении работ по обработке деталей. Значение времени, в течение которого идет процесс установления постоянных режимов горения разряда, подтверждается и результатами исследования распределения потенциала в электролите. Можно сделать вывод, что в процессе проводимых исследований по получению электрических характеристик разряда определено время, в течение которого необходимо проводить тренировку твердого анода и вместе с ним "разрабатывать" электролит.

Проводились эксперименты по определению распределения потенциала 1Ц от ¡t в электролите ( 2. - ось, направленная от поверхности анода к катоду). Для катодов из очищенной и технической воды характер зависимостей идентичен и отличается тем, что в экспериментах с очищенной водой падение нап-ряления на катоде значительно превышает это же значение в экспериментах с технической водой. Падение напряжения на электролите , Це проводилось закже путем опускания а;нода до соприкосновения с жидкостью после каждого снятия показаний

Ц. от I , при этом определялось значение U.e от I Сравнение данных, полученных из распределения 1Ц в электролите с измеренными Це путем соприкосновения анода с жидкостью показало, что оба метода дают одни и те же результаты.

В результате проведенных спектроскопических исследований плазмы разряда с жидким катодом получена фотография спектра плазмы. Наиболее интенсивная линия bia. 583,9 нм попадает в разряд из электролита, в качестве которого был использован 1%-ый раствор К1о.С£. . Хорошо проявились линии и полосы С* , , 0+ , blj* , 0 » ' линки

бальмеровской серии водорода и ОН • Также получена фотография линии атома водорода Н^ и профили линии . По уширению этой спектральной линии, вызванному линейным Итарк-зффектом можно определить концентрации электроноБ для прика-тодной области разряда и области, расположенной на расстоя-

нии 3 мм. Они оказались соответственно равными 3,5 Ю^5 и 1,2 Ю14 см"3.

На основе полученных вольт-амперных характеристик и результатов спектральных исследований построена качественная физическая модель разряда с жидким катодом. Механизм поддержания этого разряда определяется следующими физическими процессами:

1. Диссоциация молекулы воды на К+ и ОН";

2. Миграция ионов водорода в направлении токоподвода и их рекомбинация на нем;

3. Поддержание тока в электролите ионами ОН";

4. Наличке электронного облака в прикатодной области с концентрацией существенно превышающей ее значение в плазменном столбе;

5. Распад разряда на множество каналов в прикатодной области за счет давления при интенсивном испарении электролита.

В 3-ей главе "Исследование влияния плазмы разряда с жидким катодом на параметры поверхности металлических твердых тел" описаны комплексы методик исследований, модифицированных поверхностей: для измерения твердости, микротвердости, шероховатости. Исследовались рельеф и микрорельеф поверхности, определялись остаточные напряжения. Для изучения структуры поверхностного слоя использовались металлографический к рентгеноструктурный анализы. Проводился спектральный анализ поверхности. Данные по фазовому анализу и растворенным газам проверялись с помощью оже-спектрографячеекого анализа. Коррозионная стойкость проверялась в средах, имитирующих среду живого организма. Изделия, обработанные плазмой разряда с жидким катодом,подвергались клиническим и техническим испытаниям с целью оптимизации технологических режимов плазменного воздействия.

С целью установления закономерностей взаимодействия плазмы данного разряда с поверхностью металлических тел использовалась установка, описанная в главе 2. Обработка проводилась при варьировании входных параметров в следующих' пределах: расстояние от обрабатываемой детали,которая во всех экспериментах являлась анодом, изменялось от I до 2,5 мм, потребляемая-мощность от 18 до 1,2 Ю3 Вт, ток разряда от 20 до 800 мА, напряжение разряда от 800 до 1700 В. В качестве катода использовались техническая Еода и вода, полученная путем однократной дистилляции. Эксперименты по обработке проводились при атмосферном давлении. Режим электротермической установки регулировался изменением межэлектродного расстояния и поступающих на поверхность тепловых потоков.

Получены зависимости шероховатости образцов от расстояния до обрабатываемой детали, длительности обработки, теплового потока, марки материала. Параметр характеризующий изменение шероховатости изделия, определялся по формуле:

Но; Ка • 100% .

п-ао

Полученные зависимости с уменьшением шероховатости на I -1,5 класса аналогичны для стали, меди и титана. Однако режимы плазменной обработки для каждого материала свои. С целью достижения максимального уменьшения шероховатости, для меди марки М1 теплоьой поток составил 6,7 Ю3 Вт м , для стали 7,4 Ю3 Вт для титана 8,2 Ю3 Вт м-2.

Основным процессом при плазменной полировке является бомбардировка поверхности отрицательными ионами плазмы ц электронами. Результаты плазменной полировки со снятием трещиноватого и рельефного слоев показали, что поверхность становится более однородной, уменьшается высота микронеровностей, удаляются с поверхности примесные дефекты. Наиболее

эффективно применять плазменную полировку при исходной no- t верхности не менее 8-9 класса шероховатости. При этом за -30-40 мин плазменного воздействия достигается Rq.= 0,250,2 мкм.

Продолжительность обработки с целью достижения наибольшего повышения износостойкости (на 25 - 30%) составляет 25 минут. На основании металлографических исследований установлено, что глубина модифицированного слоя составляет 0,02 - 0,03 мм. Результаты измерения микротвердости образцов металлов с различной предварительной обработкой поверхности (после шлифовки, полировки, поверхностного пластического деформирования) показывают увеличение ее в 1,5 - 2 раза. С увеличением продолжительности плазменного воздействия микротвердость повышается. Максимальное значение получено при X = 40 мин. дальнейшее увеличение времени обработки к изменению твердости и микротвердости не приводит. После упрочнения плазмой данного разряда в поверхностном слое образуются сжимающие остаточные напряжения ;от'50 до 650 МПа. На поверхности, в основном, происходит локальное оплавление микровыступов, приводящее к залечиванию микропор и микротрещин и удаление примесных дефектов. Это подтверждается фотографиями поверхности, полученными на электронном микроскопе и результатами оуе-спектроскопии. Кроме goro, в этих слоях обнаружены внедренные на глубину до ICO А атомы азота, что способствует искажению кристаллической решетки и .создает наклеп в поверхностном слое. При этом дефекты, например, дислокации распространяются вглубь твердого тела за счет передачи энергии атомами и ионами плазмообразующего газа поверхностному слою. Такие процессы продолжаются перераспределением остаточных напряжений на значительной глубине и созданием в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений. Усталостная прочность, за счет наведения на глубине до 200 мкм сжимающих напряжений, возрастает на 25 -3535.

При обработке плазмой разряда с-жидким катодом коррозионная стойкость повышается. Исследования азотирования в плазме разряда проведены.на сталях 20X13 и 30X13. Установлено, что после обработки на поверхности стали образуется слой, отличающийся по структуре и твердости. С увеличением времени обработки Т до 40 - 60 мин твердость поверхностного слоя возрастает в среднем до 5000 МПа.

Зффект упрочнения при плазменном азотировании достигается при = Э 10^ Вт м-2 и Т = 120 мин. Электрохимические испытания коррозионной стойкости показали, что стационарный потенциал стали после азотирования смещается в более положительную область, что позволяет сделать вывод о повышении коррозионной стойкости. Проведенный комплекс исследований выявил режим, который можно реализовать для технологических целей, позволяющий получить на поверхности стали £0X13 слои: а) о твердостью 11000 ЫЛа толщиной 40 мкм (Т = 500°С, X 90 мин), б) с, твердостью 7200 МПа, толщиной до 100 мкм (.Т = 610°С, X - 100 мин). Таким образом, можно сделать вывод , что такая обработка -значительно ускоряет диффузионные процессы. Б результате этого существенно ускоряются процессы химико-термической обработки, в частности, азотирование сталей. По сравнению с классическим процессом} данный ускоряет процесс азотирования в 5 раз.

Качественная физическая модель взаимодействия разряда с жидкий катодом с поверхностями металлических изделий представляется следующим образом: около изделии, которое является анодом, как показали спектральные исследования, в основном находятся отрицательные ионы, возбужденные атомы и электроны.. Они бомбардируют поверхность с энергией, не меньией энергии релаксации (1,5 - 6 эБ). Этой энергии вполне достаточно, чтобы удалить примесные дефекты с поверхности, произвести ее очистку и уменьшить шероховатость поверхности на Q,b - L,b класса. Ори добавлении реакционноспособных газов эти процессы стимулируют газонасышение, что и позволяет

проводить, например, процесс азотирования. При вышеуказанных значениях энергий частиц происходят не только процессы распыления, но и внедрения частиц в поверхность на незначительную глубину, что подтверждено проведенными исследованиями с помощью магнитного масс-спектрометра. Внедрение частиц приводит к образованию дефектов в поверхностном слое. При незначительном слое внедренных частиц (не более 100 А), глубина модифицированной поверхности достигает 100-200 мкм. Бомбардировка твердых тел.частицами и их релаксация на поверхности - это один из основных процессов при обработке. Вторым процессом, ответственным за изменение параметров поверхностного слоя, является термообработка, которая всегда имеет место при плазменных процессах. В зависимости от свой материала она может играть значительную роль и полностью компенсировать достигаемый эффект.

Таким образом, при взаимодействии металлических изделий с разрядом с жидким катодом существует два основных процесса. Первый процесс - низкоэнергегическая. бомбардировка частицами поверхности анода, совместно с процессами релаксации,- позволяет производить очистку, полировку, упрочнение и, при добавлении реакционноспособных газов,- газонасыщение.

Второй процесс - термическая обработка, приводящая к процессам отпуска, обжига, оплавлению и рекристаллизации. Варьирование режимами в интервале (6,5 - 8,5) 10® Вт позволяет реализовать первый процесс.

В 4-ой главе "Технологические процессы модификации' поверхности изделий плазмой разряда с жидким катодом" дано описание типовых представителей изделий, подвергаемых обработке плазмой разряда с жидким катодом. Для исследования выбирались изделия медико-инструментальной промышленности: микрохирургические иглы, иглодержатели, микрохирургические инструменты, медицинские зажимы и ручки скальпелей со съемными лезвиями, которые можно упрочнить только плазменными

методами. Как известно, основные требования, предъявляемые к медицинским инструментам, это - долговечность, коррозионная стойкость, износостойкость.

Разработаны следующие технологические процессы модификации поверхности металлических изделий:

1. Очистка плазмой разряда с жидким катодом.

В результате происходит очистка поверхности с удалением как органических, так и неорганических загрязнений. Данному процессу подвергались'иглодержатели и микрохирургические инструменты, на которые затем ионно-плазменным методом наносились покрытия Tibi .В отличие от ионной очистки в данном процессе не происходит перегрева изделия.

2. Полировка разрядом с жидким катодом.

Данный процесс применялся для полировки коробчатого замка зажима, иглодержателя, микрохирургических игл и ультразвуковых инструментов. В процессе плазменной полировки удаляются Острые микровыступы и закругляются края металлических выступов. Измерения шероховатости поверхности из сплава ВТ6 показали, что параметр Ra снизился с 0,32 мкм до 0,22 ыкм за 40.минут обработки. Технологический процесс полировки поверхностей изделий из стали типа Х20 осуществлялся со снижением параметра Ца с 0,32 мкм до 0,2 мкм.

3. Упрочнение плазмой разряда с жидким катодом.

В результате этой обработки достигается повьшение усталостной прочности поверхности изделия. Плазменному уптач-некию подвергалась короочаяке замкк зажимов, ультразвуковые хирургические и стоматологические инструменты. Усталостная прочность коробчатого замка зажимов в результате плазменного упрочнения повышается на Z0%, ультразвуковых хирургических инструментов на 30%, ультразвуковых стоматологических инструментов на 30%, срок службы возрос в 1,5 - 2 раза,снизилась шероховатость поверхности, улучшился внешний вид,повысилась коррозионная стойкость.

4. Газонасыщение металлов с помощью разряда с жидким катодом.

Разработан технологический процесс азотирования титановых сплавов и коррозионностойких сталей (ручки скальпелей со съемными лезвиями из сталей 08Х18Т1 и 12Х18НЮТ) в плазме разряда с жидким катодом с целы) повышения микротвердости и износостойкости. В результате износостойкость, рабочих элементов возрастает в 2 раза. При' токсикологических исследованиях отрицательного влияния обработки в разряде с жидким катодом на организм не выявлено.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1, Выполненный обзор позволил определить современное состояние исследования электрического разряда в газе с жидким катодом. Установлены основные проблемы, которые необходимо решать для внедрения технологических процессов с использованием разрядов с жидким катодом в машиностроении.

2. Созданная экспериментальная .электротермическая установка для получения разряда при варьировании входных параметров = I - 65 мм, 1=0- 450 мА позволила установить следующие закономерности. При пробое за счет электро -статических сил происходит поднятие уровня жидкости, что приводит к резкому снижению величины Ц.пр . При 2. > 4

и„р ке зависит от диаметра верхнего электрода. К.п.д. электротермической установки максимально при межэлектродных расстояниях 1,5 - 2,5 мм. При этом тепловые потоки, поступающие на анод, варьируются ъ диапазоне от = 7,3 10® до 9-10® Вт при изменении тока от 20 мА до 300 мА. Исследовано пространственное распределение плавающего потенциала. Бо всем исследованном диапазоне параметров обобщенная вольт --амперная характеристика является падающей, характерной для тлеющего разряда. Спектральные исследования впервые позволили установить, что в прикатодной области на расстоянии до

З.мм от поверхности наблюдаются высокие значения Пе = = 3,5 Ю15 до 1,2 1014г си"3, характерные для дуговых разрядов. Концентрация электронов в прикатодной области существенно превышает значение, в плазменной столбе.

3. Установлено, что при атмосферном давлении для медных, стальных, графиоювых анодов в форме штыря, электрода Роговского, пластин, при исследуемых параметрах горения разряда в зависимости от природы электролита, в паровоздушной среде межэлзктродного пространства имеет место разряд, состоящий . из множества микроканалов, называемый многоканальным. Этот вид разряда нельзя отнести ни к тлеющему, ни к дуговому, с то есть самостоятельная разновидность - многоканальный разряд. При больших межэлектродных расстояниях (более 20 ¿м) с ростом тока происходит ступенчатое понижение.-напряжгния разряда. Распределение потенциала, в; столбе линейное, анодное падение в.зависимости от тока практически остаетс.1 без изменения, катодное меняется незначительно.

4. Впервые обнаружено существенное влияние электролита при установлении закономерностей разряда с жидким катодом. Показано, что разработка электролита также важна, как и тренировка твердого анода при определении вольт-амперных характеристик разряда. Для всех используемых электролитов происходит изменение их водородного показателя. При этом для очищенной воды после разработки рН = 2,8 * 3, _ а для технической воды рН = 8 * 9. На основе анализа экспериментальных исследований приэлектродккх и объемных физичес -ких процессов и характеристик разряда построена физическая модель разряда с жидким катодом.

5. Впервые экспериментально установлено, что при обработке плазмой разряда с жидким катодом в твердое тело

внедряются атомы азота на глубину 200 мкм. При таком виде плазменной обработки-происходит повышение усталостной прочности у металлов на В0-30% с одновременным уменьшением ше -роховатости на 0,5-1 класса. Процесс газонасыщения протекает в 1,5-Е раза быстрее, чем ионное. Микротвердость при этом возрастает в 3-5 раза.

6. Основными процессами, ответственными за модификацию поверхностного слоя являются г екомбинация отрицательных ионов на поверхности, а также &i бомбардировка ионами и электронами, ускоренными в приэлек?родном слое около обрабатываемого тела. Основными параметрами, позволяющими, регулировать характеристики поверхностного слоя являются тепловой поток, время воздействия и межэле.-стродное расстояние. *

7. На основе полученных экспериментальных закономерностей ззаимодейстзия разряда с жидкий катодом с металлами и их сплавами разработаны технологические процессы очистки, полировки с одновременным'Снятием дефектных поверхностных слоев, упрочнения, повышения усталостной прочности с перераспределением остаточных напряжений, повышении коррозионной стойкости медицинских ин ;трументов, при этом срок их службы увеличивается в 1,5 раз?.

ПУБЛИКАЦИИ ПС) ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Исследование электрических и тепловых характеристик самостоятельного разряда с жидким катодом. Деп. в ВИНИТИ 4.03.83. М15Л-83.

2. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Даутов Г.Ю. Характеристики самостоятельного тлеющего разряда в воздухе при атмосферном давлении. // Тез.докл.Всесоюзн.конф. по физике низкотемпературной плазмы. Сентябрь,1983. -Л., 1983. -С.33-35.

3. Гизатуллина Ф.А., Гайсин Ф.М. Тепловые и электрические характеристики разряда между электролитом и медным анодом. // Тепло- л массообмен в химической технологии. -Казань, Межвузов.сб., 1983. -С.55-58.

4. Гизатуллина Ф.А., Гайсин Ф.М. Исследование электрического пробоя воздуха между электролитом и металлическим электродом. // Низкотемпературная плазма. -Казань, Межвузов.сб., 7.983. -С.43-51.

5. A.C. I088Q86 СССР. Устройство для получения тлеющего разряда при атмосферном давлении. // Гиаатуллина

Ф.А.,.Гайсин Ф.М., Дауто! Г.Ю. Заявл. 25.01.83.

6. Гайсин, Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Энергетические характеристики разряда в атмосфере между электролитом и медным анодсм. // Физика и химия обработки материалов, 1985. №4. -С.58-64.

7. A.C. 1367769 СССР. Устройство для получения стабилизированного разряда при атмсоферном давлении. // Гизатуллина Ф.А., Гайсин Ф.М., даутов Г.Ю., Ыухамедзя-нов Р.Ф., Басыров F.Iii. Заявл. 15.09.87.

8. Гизатуллина ф.А., Залялов К.Г. Спектроскопическое исследование плазмы высоковольтного разряда с жидким катодом. // Тез.докл.Всесоюзн.семинара по атомной спектроскопии. 22-26 октября 1990. -Ростов Великий, 1990. -С.86.

9. Абдуллин И.Ь., Гизатуллина Ф.А., Залялов Н.Г. Спектроскопические исследования плазмы с жндкт катодом. // Тез. И семинара по атомной спектроскопии. -Черноголовка Моск.обл., декабрь 1392. -С.87.

10. Абдуллин И.111., Гизатуллина Ф.А., Залялов Н.Г. и др. Спектроскопические исследования высоковольтного разряда с жидким катодом. // Тез. У1 конф.по физике газового разряда. 23-25 июня 1992. -Казань, 1992.

- С.233-234.

11. Абдуллин K.1L., Гизатуллина Ф.А., Бедретдинов З.М., Залялов Н.Г. Применение разряда с жидким катодом для поверхностной обработки металлов. // Тезисы отраслевого научно-технич.семинара "Технология нанесения износостойких покрытий на режущие части кольцеватого и хирургического инструментов" НПО "Мединст-румент". -Казань, 9-II октября 1991. -С.43.

12. Абдуллин И.И., Гизатуллина 4-.А.., Залялов Н.Г, Феноменологическое описание разряда с жидким катодом и его характеристики. Деп. в ВИНИТИ 4.II.93, №2762-В93. -34с.

Формат 60x84 1/16. Бумага ос,кет над Печать ойсетная. Печ.л. 1,5. Усл.печ.л. 1,39. Уся.кр.-отт. 1,39. Уч.-изд.л.I, Е6. йграж 100. Заказ 383/Р

Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева.

Ротапринт Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева 420111, Казань, К.Маркса, 10.