СТАТЬЯ

Перспективным направлением развития термообработки является разработка новых и усовершенствование уже известных способов обработки с применением высококонцентрированных источников энергии. Одним из таких направлений является применение электролитной плазмы. Нагрев металлических изделий в электролите при пропускании электрического тока известен достаточно давно. Первоначально он применялся для нагрева различных металлических изделий под горячую деформацию (ковка, штамповка) затем стал применяться для нагрева при термообработке в основном при локальном воздействии. В последнее время достаточно интенсивно ведутся исследования по возможности применения процесса электролитно-плазменного нагрева при обработке различных изделий. Таким перспективным направлением является разработка применения процесса электролитно-плазменного нагрева для обработки протяженных изделий правильной формы (проволока, лента). Исследования в этом направлении ведутся и на кафедре «Физическое материаловедение».

Непосредственное направление исследования – это разработка способов термообработки катанки и проволоки при применении процесса электролитно-плазменного нагрева. Целью работы является определение температурно-временных параметров нагрева в электролитной плазме, факторов влияющих на интенсивность процесса и возможности их регулирования для управления процессом.

Для проведения опытов была сконструирована и изготовлена лабораторная экспериментальная установка для электролитно-плазменной термообработки проволоки, которая для устранения некоторых недостатков конструкции была усовершенствована. Схема технологического блока усовершенствованной установки приведена на рис. 1.

Рисунок 1 – Схема технологического блока

Конструкция установки основана на концевом способе нагрева в электролите, однако при применении экранирования можно реализовывать и другие способы нагрева. Конструкция установки позволяет перемещать и жестко фиксировать оба электрода в нужном положении. Также обрабатываемый электрод можно быстро как извлечь, так и погрузить в ванну, что позволяет реализовывать ступенчатые и циклические режимы.

Первоначальной задачей является снятие вольтамперной характеристики. Исследование проводилось на цилиндрических образцах диаметрами 2,0, 4,0 и 6,5 мм, методом концевого нагрева. В качестве электролитов использовались 5, 10 и 15 % водные растворы Na₂CO₃.

В результате исследования низковольтной области (до появления газовых разрядов), полученные вольтамперные зависимости были пересчитаны и построены графики для удельной мощности. На рис. 2 представлены графики для разных диаметров для 10% раствора Na₂CO₃.

а)- образец диаметром 2 мм, б)- образец диаметром 4 мм, в)- образец диаметром 6,5 мм

Рисунок 2 – Зависимость удельной мощности от напряжения на первой стадии

При проведении опытов было замечено, что для образцов диаметром 2 мм через парогазовую оболочку разряд начинал проходить начиная с 35 В, чему соответствует 330-430 Вт/см², для образцов диаметром 4 мм – начиная с 45 В, что соответствует 330-410 Вт/см², для образцов диаметром 6,5 мм – начиная с 55 В, что соответствует 350-410 Вт/см². Таким образом, удельная мощность, при которой начинает возникать разряд находится в пределах 330-430 Вт/см². Для растворов 5 и 15 % Na₂CO₃ удельная мощность, при которой начинает возникать разряд отличается не значительно и находится в пределах 350-450 Вт/см². С дальнейшим повышением напряжения удельная мощность продолжает расти.

Следующим этапом в исследовании низковольтной области являлось определение температурно-временных параметров. Для этого в образец диаметром 4 мм была зачеканена термопара ТХА с диаметром спая 0,5 мм. Спай термопары находился внутри образца на расстоянии 0,5 мм от поверхности образца для уменьшения градиента температур. Этот образец был использован при исследовании низковольтной области для всех трех растворов. В результате проведенного эксперимента установлено, что до появления газовых разрядов образец разогревается лишь до температуры ~100 ^OС, что соответствует температуре кипения электролита.

Также при наблюдении за процессом было замечено, что с появлением газовых разрядов жидкость вокруг образца начинает бурлить, что приводит к изменению уровня жидкости. И с дальнейшим повышением напряжения, а соответственно и интенсивности разрядов бурление возрастает, что приводит к невозможности ведения точных измерений при применении метода концевого нагрева для образцов таких размеров, поскольку сильно возрастают колебания тока.

Таким образом, в результате исследования низковольтной области процесса электролитно-плазменного нагрева установлено, что:

Удельная мощность возникновения газового разряда составляет 350-450 Вт/см²;
До появления газовых разрядов образец разогревается до температуры ~100 ^OС, что соответствует температуре кипения электролита.

В результате установлено, что возможными вариантами применения низковольтной области электролитно-плазменного нагрева при обработке протяженных изделий из черных и цветных сплавов являются: старение, снятие внутренних напряжений, стабилизация размеров и свойств, и других режимов предусматривающих нагрев до 100 ^OС.