Плазменное поверхностное упрочнение металлов

для которого время нагрева определяется соотношением:

 t1=2r(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)

gтt1 = 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( 2r / 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

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

5

5

5

1

1

1

2,5

2,5

2,5

2,5

10

15

25

10

15

25

10

15

20

25

0,05

1,05

0,9

0,9

0,45

0,6

0,45

0,75

0,6

0,9

6000

10500

9000

6700

5900

5300

3100

4200

4900

9800

6383

10156

8702

6359

6045

5852

2961

4369

5202

8000


Табл.2.4.

Экспериментальные и расчетные значения глубины упрочнения

от hmax входных параметров

υ, м/c

g, кВт/м2

а, см2/с

hэксп, МПа

hрас, МПа

1

2

3

4

5

6

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

1,5

1,5

1,5

1,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5


10

15

20

25

30

10

15

20

25

10

15

20

25

30

0,1

0,15

0,12

0,06

0,08

0,15

0,08

0,06

0,1

0,06

0,1

0,08

0,12

0,15

600

890

920

930

1250

310

250

130

410

45

120

140

330

500

623

831

882

945

1167

335

162

173

390

53

196

150

343

529

Построение математических моделей плазменного поверхностного упрочне­ния, отражающих кинетику процесса, основано на решении не линейных краевых задач теории теплопроводности. Корректное описание теплофизических процессов взаимодействия плазменной струи (дуги) с поверхностью обрабатываемого мате­риала, возможно лишь с учетом необратимых процессов, сопровождающих поверх­ностную закалку детали, полиморфных превращений, окислительных реакций на

поверхности, энергетических потерь на плавление и испарение материала, измене­ние теплофизических свойств материала при нагреве и охлаждении. В качестве основы такой модели можно использовать «задачу Стефана» со свободной границей σ, являющейся фронтом мартенситного образования. Матема­тическая постановка такой задачи сводится к определению температурных полей в поверхностном слое детали и к расчету границ раздела при полиморфных превра­щениях. Аналитическое решение возможно только при ряде упрощений. В работе [24] представлена математическая модель плазменного поверхностного упрочнения азотирования из газовой фазы.


2.2. Фазовые и структурные превращения при плазменном нагреве металлов

Несмотря на различие физических процессов, лежащих в основе того ими иного способа поверхностного упрочнения металлов (плазменного, лазерного, электронно-лучевого и т.д.), для всех характерна общая особенность - фазовые и струк­турные превращения протекают в условиях далеких от равновесия. Рассмотрим фи­зические причины, позволяющие использовать сверхскоростной нагрев при термической обработке металлов. При использовании большинства видов термической обработки металлов с медленным нагревом для получения неравновесной структуры температура нагрева назначается выше на 30-50 ° С, критических температур Ас1 и Ас3.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать