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 дугойсистему магнитного управления электрической дугойспециальную 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 условийразработать технологии модификации металлических поверхностей различных изделий и конструкцийисследовать 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. Науменкоиз Научно-исследовательского института строительных материалов (г.Минск) — Б. К. Демидовичу, Э. Д. Подлозномуиз 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. Павловуиз 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.
