Исследования, проведенные Новокрещеновым М.М., Рыбаковым Ю.В., Бадьяновым Б.Н., Давыдовым В.А. показали, что на коэффициент сосредоточенности аргоновой плазменной дуги оказывают влияние добавки WF6, SF6, SiCl4, CCl4 и других газов. Так небольшая добавка (0,02-0,5 %) ВР3 к аргону при одинаковых начальных условиях увеличивает эффективный КПД нагрева в среднем на 10-15 %, табл.2.2.
Влияние добавок галогенидов к плазмообразующеьу газу на коэффициент сосредоточенности и эффективный КПД нагрева.
Табл.2.2.
| Плазмообразующий газ | Эффективный КПД нагрева, % | Коэффициент сосредоточенности, см2 |
| Ar Ar + BF3 Ar + CCl4 Ar + WF6 | 11,6 14,5 13,8 15,2 |
Увеличение коэффициента сосредоточенности объясняется деионизирующим воздействием галогенов в периферийной области столба дуги, что приводит к уменьшению сечения области проводимости и к повышению температуры.
Известно положительное влияние галогенов на увеличение глубины проплавления при аргоно-дуговой сварке, что также связывается с эффектом контрагирования столба сварочной дуги. Проведенные автором эксперименты показали, что при плазменном поверхностном упрочнении в режиме дуги через слой галогенида, глубина уточненного слоя стали 45 увеличивается в 1,2-2,5 раза. Эффект увеличения глубины упрочнения тем выше, чем больше атомов галогена содержит флюсэ а также выше потенциал ионизации металла, входящего в соединение с галогеном, Галогены, увеличивающие глубину упрочненного слоя можно расположить в следующем порядке: фтор,->бром,->хлорэ->йод. Нанесение галогенов на поверхность металла связано с определенными трудностями, что ограничивает применение этого эффекта на практике.
При использовании импульсной плазменной струи старость нагрева поверхности металла при длительности теплового импульса в пределах 100 мкс, достигает 107 º С\с, а скорость охлаждения 106 º С\с. При сокращении длительности импульса до 10 мкс, скорость нагрева и охлаждения увеличивается на порядок. Распределение теплового потока импульсной струи описывается кривой нормального распределения, а коэффициент сосредоточенности имеет несколько большее значение [8]
(2.11)
По концентрации теплового потока в пятне нагрева импульсные плазменные струи приближаются к электронному лучу и намного превосходят стационарные плазменные струи. Тепловые процессы при плазменном поверхностном упрочнении наиболее просто можно вычислить по известным аналитическим выражениям [7], которые представляют собой решение дифференциальных уравнений теплопроводности в линейной постановке при линейных граничных условиях.
Уравнение процесса распространения тепла в массивном полубесконечном теле от мощного быстродвижущегося нормально-распределенного источника нагрева, каким является плазменная струя, имеет вид [7,9]
(2.12)
гдеТ - температура нагрева;
у,z - ширина и глубина пятна нагрева;
t - время;
То - температура тела;
g - эффективная мощность плазменной струи;
λ,α - коэффициенты теплопроводности,температуропроводности;
υ - скорость перемещения источников.
Мгновенная скорость охлаждения:
(2.13)
W = dT / dt
Уравнение распространения тепла для случая упрочнения плазменной дугой для точек, расположенных под центром анодного пятна, при скорости перемещения υ<3бм\ч имеет вид [10]
(2.14)
r - радиус анодного пятна;
ξ - координата (глубина).
Расчет по уравнению (2.12 – 2.14) показывает, что температура нагрева материала регулируется в интервале от начальной температуры до температуры плавления, скорость охлаждения от 104 до 106 º С\с.
При действии на поверхность полубесконечного тела теплового источника движущегося вдоль оси X, следует различать медленнодвижущийея, быстродвижу-щийся и импульсный источники тепла. Первый случай имеет место тогда, когда теплонасыщение успевает произойти раньше, чем пятно нагрева пройдет расстояние, равное радиусу пятна нагрева. При этом максимальная температура нагрева материала находится в центре пятна нагрева. По мере увеличения скорости перемещения теплового источника максимум температуры сдвигается к краю нагрева, в сторону, противоположную направлению перемещения теплового источника. Если тепловой источник движется с постоянной скоростью, то через определенный промежуток времени температурное поле вокруг движущегося источника стабилизируется. При упрочнении импульсной плазменной струей, время распространения теплового потока соизмеримо со временем воздействия плазменной струи на материал. В реальных условиях после прекращения действия теплового источника происходит выравнивание температуры. При этом в начальный момент времени, после прекращения действия происходит продвижение изотермы с фиксированной температурой в глубь материала и после достижения определенной глубины Zmax имеет место, обратное перемещению данной изотермы [1,7]. Для одномерного случая температура любой точки материала на оси теплового источника, расположенного ниже плоскости Z= 0, определяется из выражения:
(2.15)
где Z -расстояние по оси;
ierfc - функция интеграла вероятности;
τим - длительность нагрева;
r - радиус пятна нагрева;
а, λ - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности. При 0 < 1 < τим в уравнении (2.5) приводится к упрощенному виду [1,7]
(2.16)
Плотность энергии в пятне нагрева W выражается по следующей зависимости:
гдеgэф - эффективная тепловая мощность плазменной струи(дуги),
τ- длительность нагрева,
d - диаметр пятна нагрева.
С целью последующего вычисления протяженности по глубине зоны нагрева до температуры Т удобно использовать выражение для расчета температур в неявном виде, полученное при допущении τn ››√at
(2.17)
где Z - глубина нагрева до температуры T(z,t);
Из выражения (2.17) можно получить простую формулу определения протяженности по глубине зоны нагрева до заданной температуры за счет плазменного
нагрева.
(2.18)
Z ≈ 2 √a τим / π - Тλ / W
Для получения за один проход широкой упрочненной дорожки, при упрочнении применяют сканирование (магнитные или механические системы) плазменной струи (дуги) по поверхности в направление перпендикулярном поступательному перемещению. С целью упрощения модель для приближенной оценки парамет-ров сканирования можно представить в виде плоской задачи.
Известно, что в случае использования модели одновременного нагрева полу» бесконечного тела поверхностным тепловым источником с постоянной во времени интенсивностью, можно получить соотношении плотности мощности gm, требуемой для достижения на поверхности максимальной температуры Ттах
(2.19)
gт=Ттахаср √ π / 4 at
где α -температуропроводность;
ср - объемная теплоемкость;
t - времся нагрева.
Для нагрева плазменной струей (дугой)
(2.20)
t = d / υ,g = gn / S
где d - диаметр пятна нагрева в направлении движения;
υ - скорость перемещения пятна, относительно детали;
gn - полная мощность, подводимая к плазмотрону;
S - площадь, обрабатываемая плазменной струей.
В случае упрочнения без оплавления поверхности, необходимо, чтобы Ттах а поверхности! материала не превышала температуру плавления
(2.21)
Ттах ≤ Тпл
Тогда, согласно (2.19) и (2.21), должно выполняться условие
(2.22)
gт√t ≤ Тпл аср √ π / 4 a
где знак равенства соответствует максимальной глубине закалки, без оплавления поверхностности.
Рассмотрим пятно нагрева радиусом r, движущиеся по поверхности металла со скоростью υ и одновременно совершающее пилообразные колебания частотой f и амплитудой 2d перпендикулярно направлению υ, рис. 2.2.
Рис.2.2. Схемы линейного (а) и кругового (б) сканирования.
Сканирующая плазменная струя создает на обрабатываемой поверхности усредненный источник тепла, размерами 2r * 2 d, движущийся со скоростьюυ,
для которого время нагрева определяется соотношением:
t1=2r/υ (2.23)
а плотность мощности: gт = gэф / 4rd
где gэф - эффективная тепловая мощность.
Из (2.22) следует, что для максимальной глубины закалки необходимо, чтобы выполнялось условие:
(2.24)
gт√ t1 = Тпл аср√π / 4а
Кроме того, сканирующая плазменная струя создает концентрированный источник тепла диаметром 2r, скорость которого определяется из амплитуды и частоты колебаний, тогда время нагрева можно записать как:
(2.25)
t2 = 2(2 r / 4df) = r/df
Множитель 2 означает, что в крайних точках пятно нагрева находится вдвое дольше, чем в промежуточных. Тогда плотность мощности соответственно равна:
(2.26)
gт2 = gn / πr2
С целью исключения оплавления поверхности в крайних точках необходимо выполнение условия:
(2.27)
g2 √ τ2 ‹ g1 √τ1 ≤ Тпл аср√π / 4а
Амплитуда и частота сканирования должны соответствовать выражениям
(2,28)
√ d /f ‹ πr√8υ
или
Выражение (2.28) показывает, что частота сканирования должна увеличиваться с уменьшением пятна нагрева, с ростом скорости обработки и амплитуды сканирования. На тепловые процессы и размеры упрочненной зоны, помимо параметров режима работы плазмотрона (сила тока, расход газа и т.) оказывают влияние и параметры ведения технологического упрочнения, такие как скорость обработки, дистанция обработки, угол наклона плазменной струи (дуги) к обрабатываемому изделию и др.
При разработке технологических процессов на практике необходимо иметь простые 9 удобные аналитические выражения для расчета основных параметров упрочнения. В работах по плазменному упрочнению [10, 12 - 14] используются различные аналитические выражения. Так в работе [12] скорость нагрева локальной зоны определяется из выражения:
где gs - плотность мощности плазменной дуги;
α, λ- коэффициенты температуропроводности и теплопроводности;
τ - время воздействия;
h- глубина упрочнения.
Значение плотности мощности плазменной дуги достаточной для фазовыхпревращений определяют:
где Тзак - температура закалки;
В - коэффициент аккумуляции теплоты.
Глубина закаленного слоя определяется из выражения:
где Р - мощность плазменной дуги;
υ - скорость обработки;
d- диаметр пятна нагрева;
ρ - плотность материала;
Ст - удельная теплоемкость;
Q- теплота плавления;
Кв- коэффициент, учитывающий качество обрабатываемой поверхностности.
Скорость обработки определяется как:
В работе [13] используется зависимость глубины закалки от параметра
h = Р/ (dc υ )0,4
где Р - тепловая мощность источника нагрева;
d - диаметр сопла;
υ - скорость обработки.
В работах Токмакова В.П., Гречневой М.В., Петухова А.В., Скрипкина А.А., Матханова В.Н. приводятся расчетные данные, позволяющие определить температуру нагрева и скорость охлаждения металла. Построены номограммы для выбора оптимальных режимов плазменного упрочнения. Экспериментальные исследования процесса плазменного упрочнения сталей 9ХФ, 40Х, У8, Х12М,проведенные этими авторами, показали, что максимальная поверхностная твердость после упрочнения пропорциональна величине углеродного эквивалента Сэкв, а глубина упрочнениязависит от коэффициента температуропроводности. Это позволило авторам установить зависимость вида:
HWmax = f (g, υ, Сэкв);h = f2(g, υ, а)
В явном виде уравнения этих зависимостей выглядят следующим образом:
HVmax = 10-3 ﴾ -0.308271 υ2+1.23441g2+12.792a2+1.71723 υg- 1.54273 υCэкв – 1.7919 υ+ 0.36981g-18.2439Cэкв+11,223)
h max = 262.506υ2 +50.3667g2 +1466.729а2 +107.754υg + 53.1505υα - 47.1105gа -
- 938.111υ + 199.495g – 5.6734а + 686.691
Полученные результаты, по мнению авторов, свидетельствуют о хорошем совпадении экспериментальных и расчетных данных, что позволяет, не проводя экспериментов, прогнозировать максимальную твердость и глубину упрочненных поверхностей, табл.2.3., 2.4.
Табл.2.3
Экспериментальные и расчетные значения поверхностной твердости HWmax, в зависимости от входных параметров (g, υ, С экв)
| № | V, м/c | g, кВт/м2 | C,% | HVэксп, МПа | HVрас, МПа |
| 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. | 2,5 2,5 2,5 2,5 | 0,05 1,05 0,9 0,9 0,45 0,6 0,45 0,75 0,6 0,9 |
Табл.2.4.
