ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 6, с. 63-71
УДК 537.52
ВЛИЯНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КАТОДНЫХ ПЯТЕН ВАКУУМНОЙ ДУГИ НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ © 2014 г. В. Н. Арустамов, Х. Б. Ашуров, Х. Х. Кадыров, И. Х. Худайкулов
Институт ионно-плазменных и лазерных технологий АН РУз, Ташкент, Узбекистан
E-mail: arustamov@aie.uz Поступила в редакцию 29.10.2013 г.
Применение вакуумно-дугового разряда дает большие потенциальные возможности для очистки металлической поверхности и создания изделий с необходимыми функциональными поверхностными свойствами. Было изучено влияние вакуумно-дуговой обработки на шероховатость поверхности, ее механические свойства, структуру и состав приповерхностного слоя. Обработка, очистка поверхности образцов стали катодными пятнами вакуумного дугового разряда формирует слой с измененной структурой толщиной до 10 мкм с микротвердостью, в 1.4—1.5 раза превышающей исходную. При нанесении на обрабатываемую стальную поверхность 20% раствора щелочей KOH и NaOH (веществ, снижающих работу выхода электронов с поверхности окалины) удельные энергозатраты на вакуумно-дуговую очистку снижаются в 1.5—2.4 раза. Обеднение поверхностного слоя низкосортных сталей примесными элементами улучшает ее антикоррозионные свойства.
DOI: 10.7868/S0207352814060043
ВВЕДЕНИЕ
Технологии вакуумно-дуговой очистки поверхности металлов, являясь новым направлением в области металлообработки, находят все более широкое применение и востребованы для очистки прокатных и штучных изделий: шпинделей, дисков, лопаток турбин и других. Вопросы оптимизации параметров вакуумно-дугового разряда при очистке различных изделий, касающиеся их геометрии, состава приповерхностных слоев и самой основы материала металлопроката, требуют дальнейшего изучения. Особое значение имеет снижение энергетических затрат при обработке и изменение приповерхностных свойств основы. При температуре катодного пятна (КП) 4000— 5000 К за время его существования 10- 4 с в нем происходит комплекс процессов, формирующих среду для функционирования вакуумного дугового разряда, которые сопровождаются интенсивным воздействием участвующих в этом процессе частиц и образований на поверхностный и приповерхностные слои катода [1, 2]. Управление быстро перемещающимися катодными пятнами (104 м/с), возникающими преимущественно на участках с различными образованиями на поверхности катода-изделия, позволяет осуществлять технологическое воздействие вакуумно-ду-гового разряда — очистку, обработку металлической поверхности, дает большие потенциальные возможности для создания изделий с программируемыми функциональными поверхностными
свойствами. Поэтому необходимо изучение влияния вакуумно-дуговой обработки на шероховатость поверхности, ее механические свойства, структуру и состав приповерхностного слоя, что и является целью настоящей работы.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, МАТЕРИАЛЫ
Изучение воздействия вакуумного дугового разряда на поверхность образцов прокатных изделий осуществлялось в вакуумной установке, представленной на рис. 1. Основой установки является вакуумная цилиндрическая камера, изготовленная из нержавеющей стали, диаметром 620 мм и длиной
Рис. 1. Лабораторная установка вакуумно-дуговой очистки.
Рис. 2. Блок-схема вакуумной установки для электродуговой очистки полосовой стали в вакууме: 1 — вакуумная камера; 2 — каретка; 3 — электрод-анод; 4 — электрод-катод; 5 — электродвигатель; 6 — механический насос для получения низкого вакуума; 7 — паромасляный насос для получения высокого вакуума.
О
\
ж
I " *
;а(+)
2
2400 мм, позволяющая вести обработку образцов длиной до 800 мм и шириной до 200 мм. На рис. 2 представлена электродная система очистки образцов-полос, состоящая из каретки, на которой размещен образец очищаемой полосы, являющийся катодом, и анодного блока. Перемещение каретки осуществляется электромеханическим приводом с регулируемой скоростью. Каретка с образцом-полосой, обрабатываемая сторона которого обращена к анодному блоку, помещается в вакуумную камеру. Процесс очистки стального изделия вакуумным дуговым разрядом осуществляется при давлении остаточной среды в вакуумной камере не более 6—7 Па. Подается напряжение на электроды от источника питания ВДУ-504, и включается электропривод, который через винтовой механизм приводит в движение каретку с образцом. Срабатывает система поджигающих электродов, инициируя дуговой разряд. При перемещении образца над анодным блоком в процессе горения вакуумного дугового разряда перемещающиеся катодные пятна по поверхности образца-катода производят ее очистку. Для изучения вакуумно-дуговой обработки стальной ленты, а также прокатных изделий цилиндрической формы — пруток, проволока — разработана электродная система, основой которой является цилиндрическая коаксиальная группа электродов, включающая трубчатый экран, в котором коакси-ально располагаются анодный блок, и система с размещенным образцом. Обрабатываемое стальное изделие-катод перемещается через зону обработки, формируемую анодной системой.
Скорость перемещения рабочего участка стального изделия через зону обработки дуговым разрядом, с одной стороны, определяется технической рациональностью, с другой стороны, определяет оптимальный ток разряда, обеспечивающий пол-
ное покрытие обрабатываемого участка изделия катодными пятнами дугового разряда, т.е. его очистку. При этом в процессе дугового воздействия температура обрабатываемого участка должна оставаться в пределах, не превышающих определенное значение, при котором происходит генерация быстро перемещающихся катодных пятен. Величина разрядного тока определяет количество катодных пятен (ток на одно катодное пятно в пределах 5 А) и скорость обработки металлической поверхности.
Производимые металлопрокат, лента, катанка, проволока, трубы и другие изделия имеют на поверхности прокатную окалину, ржавчину и другие загрязнения. Их толщина, состав и структура оказывают основное влияние на процесс и энергетику электродуговой очистки в вакууме. Разнообразие состава окалины, ее электрофизических характеристик приводит к существенным различиям протекающих в катодном пятне процессов в области взаимодействия плазмы с поверхностью катода и, в целом, параметров вакуумного дугового разряда. Это обусловливает необходимость определения оптимальных параметров разряда, изучения характера воздействия дуги на поверхность и изменения ее свойств для различных прокатных изделий и, прежде всего, горячекатаных и холоднокатаных изделий (состав приповерхностного слоя горячекатаных изделий отличается от состава холоднокатаных).
Объектами исследования для оптимизации параметров дугового разряда в процессе очистки прокатной поверхности служили образцы горячекатаной полосы стали марки II КП сечением 4.5 х х 40 мм и полосы из стали 10 сечением 5 х 40 мм, образцы горячекатаной ленты из стали марки Х18Н10Т сечением 0.8 х 40 мм и холоднокатаной ленты стали 30 сечением 0.8 х 18 мм, а также об-
разцы катанки из стали марок 65Г, 12XI8HI0T, Р6М5 диаметром 6—8 мм. Скорость очистки поверхности образца определялась как отношение площади очищенной поверхности ко времени процесса очистки. Выбор указанных образцов для исследования обусловлен широким спектром применения этих материалов в машиностроении, других отраслях экономики и необходимостью предпо-требительской очистки поверхности от ржавчины, оксидов, смазки и других загрязнений на их поверхности. Качество очистки поверхности (снятия окалины) оценивали визуально. Изучение процесса вакуумно-дуговой очистки поверхности прокатных изделий проводилось в диапазоне тока разряда 100—500 А. Толщину окалины определяли в результате непосредственного измерения толщины образца микрометром. В ряде экспериментов осуществлялось предварительное механическое рыхление (взламывание) окалины. Для изучения влияния характера воздействия катодных пятен на металлическую поверхность в присутствии на ней веществ, способствующих более эффективному генерированию плазмы в катодном пятне, были выбраны вещества KOH, NaOH, характеризующиеся низкой работой выхода металла (2.22 и 2.35 эВ), с близкой энергией испарения (1.4 и 1.48 эВ) и температурой кипения (1570 и 1660 K). Водный раствор этих веществ предварительно наносили на обрабатываемую поверхность образца. Шероховатость поверхности образца измеряли профилометром Mitutoyo Surftest 401 в направлении нормального сечения профиля на базовой длине 0.8 мм. Измерение микротвердости проводилось микротвердомером ПМТ-3 при общем увеличении микроскопа 487х при стандартной нагрузке 1.96 Н четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136°, также при необходимости при нагрузке 0.049, 0.098, 0.196, 0.49, 0.98 Н. Элементный состав приповерхностного слоя образцов определяли методом оже-спектрометрии. Чувствительность обнаружения примесных атомов образца данным оже-спектро-метром равна ~0.03 ат. %. Энергия пучка электронов варьировалась от 1.3 до 3 кэВ, что позволяло получать информацию о содержании элементов на глубине от 20 до 30 атомных слоев.
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ОЧИСТКИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ
Очистка поверхности проводящих материалов реализуется вакуумным дуговым разрядом с быстро перемещающимися катодными пятнами. На рис. 3 приведена фотография участка поверхности очищаемого образца горячекатаной ленты шириной 50 мм из стали марки XI8HI0T (область 1 — исходная поверхность очищаемого образца). На поверхности, подверженной действию дугового
Рис. 3. Фотография фронтального участка поверхности очищаемого рулона горячекатаной ленты шириной 50 мм из стали марки Х18Н10Т: 1 — исходная поверхность очищаемого образца; 2 — поверхность, подверженная действию дугового разряда; 3 — следы катодных пятен, перемещающихся в направлении не очищенного от окалины участка.
разряда (область 2), полностью отсутствуют следы окалины. На фронте дугового воздействия (область 3 — область очистки) видны следы катодных пятен, перемещающихся в направлении не очищенного от окалины участка. Катодные пятна вакуумной дуги появляются преимуществен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.