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( 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)

Табл.2.4.

Экспериментальные и расчетные значения глубины упрочнения

от hmax входных параметров

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