WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Первой стадии процесса на рис.2 соответствует линейный участок (1). Величина силы тока быстро убывает, а напряжение растет. Следующий участок (2) соответствует этапу образования и нарастания пористого слоя оксидного покрытия. Тогда, рассчитав сопротивление в точке излома, где происходит изменение угла наклона зависимостей I(t) и U(t), получим величину Rбс. Пористый слой имеет сопротивление Rпс. Для простоты рассмотрения предположим, что все поры одинаковы. Сопротивление одной поры Rп. Если общее количество пор равно N, то

Rпс = Rп / N. (1)

На этой стадии должны происходить некоторый спад напряжения и рост тока. На вольт-амперных характеристиках реальных процессов МДО, действительно, отмечается такая область. При установившемся режиме МДО наблюдается медленный рост напряжения U(t) и столь же медленное уменьшение тока I(t) (участки 4,5). Это связано с незначительным изменением сопротивления микродуги при увеличении ее длины.

Согласно предложенной модели ток, протекающий через исследуемый образец, можно представить следующими выражениями:

На стадии образования барьерного слоя

I = U / Rбс. (2)

На стадии формирования пористого слоя

I = U/(Rбс + Rпс). (3)

На стадии МДО по первому правилу Кирхгофа

I = Iоп+ Iмр (4)

или U/R = U/Rоп + U/Rмр, (5)

где Iоп – величина тока, протекающего через АОП; Rоп– сопротивление АОП с заполненными электролитом порами.

Величину U, I, Rоп можно измерить. Тогда величины Iмр, Iоп, Rмр легко рассчитать.

Но в приведенных выражениях не нашел отражения тот факт, что ток при процессе микродугового оксидирования может протекать не только через активное сопротивление. Речь идет о включенном в цепь емкостном элементе, а именно о емкости двойного электрического слоя. Выражение для силы тока в этом случае будет иметь вид: I = Iоп+ Iмр + Iс или U/R = U/Rоп + U/Rмр + UwC, где Iс = UwC – ток, протекающий при перезарядке емкости двойного электрического слоя. Из выражения для Iс следует, что чем больше емкость двойного слоя или чем выше частота переменного тока, тем большая величина силы тока тратится на перезарядку этого емкостного элемента и, соответственно, отвлекается от участия в формировании массы покрытия. Следует отметить, что с физической точки зрения максимальное значение емкость двойного электрического слоя будет иметь на поверхности металла без покрытия. С появлением покрытия и ростом его толщины величина емкости двойного слоя будет уменьшаться. Следовательно, потери на перезарядку емкости двойного электрического слоя по мере роста покрытия должны уменьшаться. Сделаем оценку величины тока перезарядки. Из литературы известно, что величина емкости двойного электрического слоя на межфазной границе Mg / MgO при площади поверхности электрода 9 см2 не превышает (0,82±0,005).10-4 мкФ. Наиболее привлекательными с точки зрения практического применения являются покрытия, получаемые в результате МДО в анодно-катодном режиме. При величине напряжения процесса микродугового оксидирования 360 В и частоте 50 Гц можно сделать оценку, приведенную к 1 дм2, величины тока потерь Iп.С = 0,91. 10 -2 мкФ, w = 2pf = 6,28. 50 Гц = 314. Получаем, что Iп = 1,1. 10-3 А. Таким образом, при наличии покрытия на магниевом сплаве величина тока потерь на перезарядку двойного электрического слоя составляет около 1 мA/дм2.

В момент начала процесса, когда покрытия на детали из алюминиевого сплава еще нет, емкость двойного электрического слоя составляет 5 мкФ при площади образца 0,4 см2. Сделаем аналогичную оценку величины тока потерь. В этом случае С = 1250 мкФ, w = 314. Тогда Iп =14,13 А. Получили, что изначальная величина тока потерь при МДО детали из алюминиевого сплава без покрытия соизмерима с величиной тока микродугового оксидирования, то есть тока, формирующего покрытие. На практике в момент начала процесса МДО действительно наблюдается весьма значительный скачок тока, который может привести даже к аварийному отключению источника тока и требует применения более мощных автоматических выключателей, что недопустимо с точки зрения техники безопасности. Благодаря проведенным расчетам становится понятно, почему так происходит.

Таким образом, из приведенных расчетов следует, что в момент начала процесса МДО величина потерь технологического тока, связанная с перезарядкой двойного электрического слоя, весьма велика. С образованием оксидного покрытия величина этих потерь резко уменьшается. Для минимализации потерь электроэнергии и снижения величины скачка тока, связанного с перезарядкой двойного электрического слоя, можно рекомендовать применять комбинированный электрический режим процесса МДО, а именно: начало процесса МДО вести на постоянном анодном режиме. Примерно через 5 минут, когда произошло образование оксидного слоя, производить переключение источника технологического тока на анодно-катодный режим и далее проводить процесс МДО в анодно-катодном режиме. Другим способом избежать скачка тока может послужить предварительное анодирование поверхности детали перед МДО. Проведенные расчет и анализ изменения емкости двойного электрического слоя в процессе МДО позволяют оценить и учесть его влияние на ход процесса микродугового оксидирования, а также найти технологические решения для нейтрализации нежелательных моментов.

По току анодирования можно рассчитать массу покрытия, полученную в результате процесса анодирования. Вычтя ее из массы покрытия, образовавшейся в процессе МДО, определим массу покрытия, образовавшуюся в плазмохимических реакциях. Оценив количество электричества, необходимое для образования данной массы оксида, и вычтя его из общего количества электричества, задействованного в плазменных процессах, получим соотношение для оценки эффективности плазменных процессов.

В общем виде реакция образования фазового оксида на вентильных металлах может быть представлена в следующем виде:

n Me + m H2O ® MenOm + 2mH+ +2me-. (6)

Но для того, чтобы получить расчетные формулы необходимо помнить, что ток, протекающий в электролитической ячейке при анодировании – не что иное, как перемещение ионов. Зависимость плотности тока в электролите от напряженности Е электрического поля имеет вид:

j = еZ+ nо+ (u+ + u- )E, (7)

где е – элементарный заряд; Z+ - валентность положительных ионов в растворе; no+ - концентрация положительных ионов в электролите; u+ и u- - подвижности соответственно положительного и отрицательного ионов, то есть средние скорости направленного движения этих ионов под действием электрического поля, напряженность которого равна единице.

Встреча ионов металла с диффундирующими к аноду ионами окислителя приводит к образованию оксидов. Для алюминия вероятные уравнения будут иметь следующий вид:

2Al3+ + 3O2- = Al2O3 (8)

или 2Al3+ + 6О- = Al2O3 + 1,5О2 (9)

или 2Al3+ + 6 ОН- = Al2O3 + 3Н2О. (10)

Согласно закону Фарадея, количество вещества М, выделившееся на аноде

М = kIt = Itm/Fz, (11)

где I – величина силы тока; t - время прохождения тока; m - молярная масса иона; z – валентность иона; F – постоянная Фарадея.

В силу того, что нас интересуют процессы на аноде, а именно процессы образования оксидного покрытия, суммарные заряды положительных и отрицательных ионов в электролите равны и с учетом того, что в образовании покрытия будут участвовать только отрицательные ионы электролита, в выражении для силы тока должен появиться множитель 1/2.

Приведенный расчет массы образовавшегося покрытия не учитывает того факта, что часть тока пошла на перезарядку «конденсатора» двойного слоя. Для более корректного решения необходимо оценить величину силы тока перезарядки.

Как уже отмечалось, величина тока перезарядки емкости двойного электрического слоя уменьшается в ходе процесса от 14 А/дм2 до 1.10-3 А/дм2. Причем это уменьшение происходит в течение первых 2-5 минут процесса МДО. Учитывая, что плотность тока в процессе МДО находится, как правило, в пределах 5-50 А/дм2, потерями тока на перезарядку двойного электрического слоя в ходе процесса МДО можно пренебречь.

Распределение микроразрядов по поверхности обрабатываемой детали

Микродуговые разряды возникают на поверхности детали спонтанно и хаотично и, на первый взгляд, распределены равномерно. Однако при более внимательном наблюдении можно заметить, что первые микроразряды возникают на острых кромках. Кроме того, на острых кромках деталей наблюдаются наиболее крупные микроразряды, покрытие на кромках образуется быстрее и процесс выхода на микродуговой режим и переход с микродуговых разрядов на дуговые происходят также сначала на острых кромках. Как известно, даже при равномерном распределении заряда по поверхности детали максимальная напряженность электрического поля будет существовать на острых выступах. То есть, изначально микропробои и микроразряды возникают в местах с максимальной напряженностью электрического поля, каковыми и являются выступы и острые кромки на поверхности обрабатываемой детали.

Возможно, образование микроразряда в конкретном месте в тот или иной момент времени связано с локальными флуктуациями объемного заряда квазикатода. Именно они приводят к пробою покрытия в тот или иной момент времени в месте дефекта покрытия. Объективно наличие таких флуктуаций обусловлено дискретностью электрических зарядов. Различие в плотности зарядов приводит к кратковременной флуктуации напряженности электрического поля. Естественно предположить, что пробой покрытия и образование микроразряда будет происходить в области максимального значения напряженности электрического поля. Задавая эти флуктуации, можно управлять распределением микроразрядов по поверхности детали.

Наиболее простой способ модулирования флуктуаций – наложение ультразвуковых колебаний. При распространении ультразвука в электролите будут возникать области разряжения и сжатия. Вблизи обрабатываемой детали это должно привести к пространственному перераспределению заряда квазикатода. Другим способом модуляции может стать наложение электромагнитного поля.

Свойства и характеристики МДО покрытий зависят от многих факторов – от состава электролита, от состава анодируемого металла, от режима обработки и т.д. Кроме того, в значительной степени свойства покрытий определяются параметрами микроразрядов (длительностью, силой тока, температурой). Решение задачи изменения параметров микроплазменных процессов дает мощный механизм регулирования изменения свойств и характеристик МДО покрытий.

Для выбора воздействующих на микроразряд факторов необходимо вспомнить, что электрический разряд – это плазменный проводник. Плазма – ионизированный газ. В нашем случае этот ионизированный газ находится в канале разряда, проходящем через покрытие, и, частично, выходит в электролит. Изменять параметры газового пузыря в жидкости можно, прикладывая к нему внешнее давление. Создать такое давление возможно при помощи ультразвука. На проводник с током оказывает воздействие электромагнитное поле. То есть воздействующими факторами как на квазикатод, так и на микроразряд будут электромагнитное поле и ультразвук.

Качественное рассмотрение процессов, возникающих в электролитической ванне в результате внешних воздействий

При включении ультразвукового излучателя в электролите начнут распространяться ультразвуковые волны. В результате отражения ультразвуковых волн от стенок ванны, от детали и т.д. в объеме электролита возникнет сложная интерференционная картина. В объеме электролита появятся области различного давления. Из-за перепада давлений будут образовываться разнонаправленные и разномасштабные течения, то есть наложение ультразвука вызовет перемешивание электролита. Кроме того, уплотнения и разряжения в электролите, возникающие в результате распространения ультразвуковых волн, приведут к неравномерному распределению ионов в объеме электролита, что, в свою очередь, вызовет возникновение электрического поля и появление разности потенциалов в электролите.

При пропускании через катушку-соленоид переменного тока возникает переменное магнитное поле. Это переменное поле будет вызывать в электролите и материале детали-анода возникновение ЭДС индукции. Сопротивление массивных проводников мало, поэтому возбуждаемая в них ЭДС способна создавать вихревые токи большой силы (токи Фуко). Нагревание детали-анода вихревыми токами накладывает ограничение на использование магнитного поля высокой частоты.

Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Внутри катушки-соленоида магнитное поле однородное, линии магнитной индукции направлены параллельно оси катушки. Возникающее в результате изменения магнитного поля электрическое поле будет иметь силовые линии в виде концентрических окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции.

Воздействие переменного магнитного поля на микродуговой разряд во многом будет зависеть от их взаимного расположения. В случае, когда канал микроразряда параллелен линиям магнитной индукции, магнитное поле на заряды, движущиеся в микродуге, не действует. Когда канал микроразряда перпендикулярен линиям магнитной индукции, сила воздействия на дугу микроразряда максимальна.

Выбор и обоснование параметров внешних физических воздействий

Согласно известным данным о параметрах микроразрядов, их длительность составляет 10-70 мкс. Это соответствует частотам 1,4х104-105 Гц, то есть частота ультразвукового воздействия должна находиться в пределах 14-100 кГц. С физической точки зрения, ультразвук начинается с частот > 19 кГц. Поэтому представляется интересным исследовать воздействие УЗК в диапазоне от 19 до 100 кГц. Что касается амплитуды УЗК, то верхний предел выбирается по моменту появления кавитации.

Микроразряд – это область плазмы, в которой протекает электрический ток, то есть направленный поток заряженных частиц. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила: F = quB, где q - заряд частицы; u - скорость частицы; В - величина составляющей магнитной индукции, перпендикулярной к скорости. Постоянное магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы. Но если магнитное поле переменное, то оно действует и на неподвижные заряды. Особенно заметным это действие будет в области квазикатода. В этой области наибольшая концентрация ионов. Под действием переменного магнитного поля в электролите будут возбуждаться индукционные токи. Кроме того, на микроразряды будет действовать дополнительная ЭДС. Таким образом, наибольшее воздействие на микроразряды и плазменные образования должно оказывать переменное магнитное поле. Самый простой способ получения переменного поля – пропускание через катушку тока частотой 50 Гц. Выражение для индукции магнитного поля внутри катушки имеет вид:

B = 2pКn I / l, (12)

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»