CC BY
7
УДК 621.31
Радько 1ван Петрович, канд.техн.наук, доцент, Мархонь Михайло Володимирович, асистент
Нацюнальний ушверситет 6iopecypciB i природокористування Украни, м. Кшв, Украша. Вул. Геро1в Оборони, 15, м. Кшв, Украша, 03041, (067) 661-57-44
АНАЛ1З ФВИКО-ХШ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В РУХУ I НАГР1ВАННЯ ЧАСТОК В ПОТОЦ1 ПЛАЗМИ ПРИ
В1ДНОВЛЕНН1 КОНТАКТНИХ ВУЗЛ1В
В cmammi розглянуто явища, як1 мають мкце на шляху руху частки порошку eid моменту входження в контакт з плазмовим струменем до моменту Их дотику до основи. Обгрунтоваш закономiрностi i математичш залежностi процесу утворення покриттiв.
Ключовi слова: енергiя, плазма, теплообмiн, контакты матерiали, електрична дуга.
Радько Иван Петрович, канд. техн. наук, доцент Мархони Михаил Владимирович, ассистент
Национальный университет биоресурсов и природопользования, г. Киев, Украина. Ул. Героев Обороны, 15, г. Киев, Украина, 03041, (067) 661-57-44
АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ И НАГРЕВА ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ КОНТАКТНОГО УЗЛА.
В статье рассмотрены явления, которые имеют место на пути движения частицы порошка с момента вхождения в контакт с плазменной струей до момента их прикосновения к основанию. Обоснованные закономерности и математические зависимости процесса образования покрытий.
Ключевые слова: энергия, плазма, теплообмен, контактные материалы, электрическая дуга.
Radko Ivan Petrovich, Ph.D., associate Professor Marhoni Mikhail Vladimirovich, assistant
National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyev, Ukraine. Str. Heroes of Defense, 15, Kyev, Ukraine, 03041, (067) 661-57-44
THE ANALYSIS OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROCESSES OF MOTION AND HEATING OF PARTICLES IN THE PLASMA AT RESTORATION CONTACT ASSEMBLY.
The article describes the phenomena that take place in the path of the powder particles from the time of entering into contact with the plasma jet until they touch the ground. Reasonable patterns and mathematical relationships of the formation of coatings.
Keywords: energy, plasma, heat, contact materials, electrical arc.
Постанова проблеми
Визначити процеси змши х1м1чного складу напиленого матер1алу внаслщок терм1чного розкладання, взаемодп поверхш частки з елементами оточуючого середовища, а також взаемодп в об'ем1 частки у випадку напилювання генерогенних порошкових контактах матер1ал1в та морфолопчш змши у напиленому матер1ал1 внаслщок явищ шарування при плавленш, з1ткненш i руйнуванш часток в замкненому газовому потощ.
Анал1з останшх дослщжень
Цший комплекс явищ, що мають мюце на шляху руху частки порошку вщ моменту входження в контакт з плазмовим струменем до моменту ix дотику до пщкладки, може бути розбитий на наступш чотири основш групи:
а) газодинамiчнi процеси, що викликають прискорення i гальмування руху частки i визначають час ii перебування в рiзноманiтниx зонах, а також запас кшетично'1' енергл в момент зyстрiчi з пщкладкою;
б) процеси теплообмшу, що супроводжуються фазовими перетвореннями (плавлення, випаровування), в результат яких частка до моменту участ ii у формуванш покриття набувае визначений запас теплово'1' енергп;
в) процеси змши xiмiчного складу вихщного напиленого матерiалy внаслщок термiчного розкладання, взаемодп поверхш частки з елементами оточуючого середовища (киснем,
азотом тощо), а також взаемодп в об'eмi частки у випадку напилювання гетерогенних порошкових матерiалiв;
г) морфологiчнi змши в напиленому порошковому матерiалi внаслщок явищ шарування при плавленнi, з^кненш i руйнуваннi часток в запиленому газовому потоцi.
Вiдомостi про значення теплово1 i кшетично'1 енергл частки, 11 розмiри, форму i хiмiчний склад е необхiдними при аналiзi процесiв формування покриття. Для обгрунтування вибору тих чи iнших загальних закономiрностей i математичних залежностей, що отриманi в теорп двофазних потоюв, необхiдно складання характеристики плазмового струменю з точки зору умов протшання газу i його взаемоди з дисперсною складовою. Перш за все, це вщноситься до значення числа Рейнольдса (Яе). Розрахункова оцiнка показала, що для рiзноманiтних умов напилювання величина Яе знаходиться в межах 0,5-22 (ламшарний режим протiкання газу).
Що стосуеться теплофiзичних характеристик, то тут найбшьшу цiкавiсть являе критерiй Бю (Вi). Розрахунковi значення свiдчать про широкий дiапазон його можливих змш в залежностi вiд роду напиленого матерiалу i складу плазмоутворюючого газу (0,001-5,5), тобто про на^вання частки як при вщсутносп температурного градiенту, так i при суттевому перепадi температур мiж 1х поверхнею i центром.
Другим теплофiзичним критерiем, що характеризуе умови теплообмшу, е критерш Фурье. Вiн визначае час переходу процесу теплообмшу в квазютащонарний стан, вирiвнювання температури по перерiзу частки.
Виходячи з положення, що частка порошку взаемодiе з неiзотермiчним затопленим струменем плазми, яка володiе радiальним i осьовим градiентами температури i швидкостей можна оцiнити сили, що взаемодшть на не1 в цих умовах [1, 2]: > силу аеродинамiчного опору;. ^ силу, що обумовлена градiентом тиску в потощ;
^ силу прискорення часток шару газу, який прилягае до поверхш (приеднано1 маси); ^ силу, яка обумовлена нестащонаршстю процесу i залежить вщ характеру руху частки за попереднш перiод (сила Басе);
^ силу, що обумовлена iнерцiею об'ему газу, який вшиснила частка; ^ силу земного тяжшня частки;
^ силу термофорезу, що обумовлюеться наявшстю температурного градiенту в потоцi; ^ силу, яка обумовлена обертанням частки внаслщок градiенту швидкост обтiчного потоку (сила Магнуса).
Розрахункова ощнка величини цих сил показуе, що якщо перша з них складае 50x10" Н, то сили Басе i Магнуса знаходяться приблизно на рiвнi 3х10- Н i
2х 10-3 Н вiдповiдно, а шш>
10-3 - 10-5Н [3].
На^вання часток в плазмовому струменi при значенш критерiю Кнудсена Кп<1 в основному визначаеться конвективним теплообмшом i оцiнюеться за критерiем Нусельта (№). В бiльшостi випадкiв вважають, що теплопровщшсть часток i 1х розмiри такi, що тепловiдвiд з поверхш всередину частки i 1! теплообмш з газом не вiдiграе суттевого значення (Вi<0,1). Радiальний розподiл швидкостей i температури газу i часток в плазмовому струмеш може бути описаний профшями Шлiхтинга. Режим протшання газу поблизу поверхнi частки в рядi випадкiв може вiдповiдати протшанню iз ковзанням [3].
При формуванш плазмового покриття окрiм напиленого матерiалу приймае участь i безпосередньо основа (матерiал контактотримача апарата), а отже, до кшькосп факторiв, що впливають на цей процес, входять:
- склад матерiалу основи з його теплофiзичними i фiзико-хiмiчними характеристиками;
- стан поверхш основи (наявшсть рiзного роду плiвок, величина жорсткостi, на^вання тощо);
- термiчна дiя на основу газового струменю.
Таким чином, етап формування покриття являе собою складний комплекс рiзного роду явищ що впливають на отримання покриття з бажаним рiвнем властивостей.
Феноменолопчний аналiз явищ, що протiкають на стадп вiдновлення контакпв комутацiйних апара^в, дозволяе видiлити основнi iз них [4]: удар частки по поверхш; деформашю частки; термiчнi процеси в зош контакту; виникнення сил зчеплення частки з контактною поверхнею; встановлення термiчноi рiвноваги системи покриття - основа з оточуючим середовищем i формування залишково'' напруги. Вказанi явища не роздiленi в часi i загалом накладаються одне на одне [3]
Прослщкуемо за розвитком контактних процеав при ударi та затвердшш часток покриття на основi, температура яко'' послiдовно пiдвищуеться. Проведенi нами експерименти були виконаш для модельного металу - срiбла. Срiбло не дуже окислюеться пiд час проведення дослвдв i, крiм того, внаслщок високо'' пластичностi срiбла, осередки захвату мають чiтко виражений рельеф тсля вiддiлення часток вiд основи по межi контакту. Це гарно видно на рисунку де на поверхш основи тд часткою, що приварилася, а пот1м механiчно видалено'', гарно простежуеться рельеф поверхш. На початку взаемодп частки з основою в 'х контакт утворюються осередки захвату. Пюля вiдривання часток вiд основи на поверхш в осередках захвату залишаються слщи металу, який був вирваний з часток (свiтлi висту пи - осередки захвату).
Рисунок. Фрактографiя поверхш основи (матерiал СрМ-0,2) тд привареною срiбною
часткою:
а) утворення шару покриття: велика частка накрила меншу за розмiром i ввдрвала '' вiд основи; б) вид контактно'' поверхш частки, що ввдрвана вщ основи.
На металах розмiри осередкiв захвату, що спостерiгали за допомогою растрового скануючого мшроскопу, складають 200-700 нм. По мiрi розвитку реакцп кiлькiсть осередкiв збiльшуеться i при мiцностi зчеплення, що близька до максимально'', вони практично зливаються, заповнюючи всю центральну область Бх деформовано'' частки. Дiаметр плями хiмiчноi взаемодп Бх звичайно дещо бшьше дiаметра напилено'' частки Бх«Б. Рiвнiсть дiаметрiв пояснюеться тим, що на площi дiаметром штенсивно дiе тиск при ударi та деформацп частки. Ближче до краю частки тиск знижуеться i кра'' приварюються гiрше. Однак, при сильному на^ванш основи або перегрiваннi частки температура, мабуть, компенсуе недолш тиску i частки приварюються повнiстю Бх « Б по всьому дiаметру Б.
Накладаючись одна на одну, частки утворюють шар покриття. Якщо когезiя часток вища, шж ''х адгезiя, то при вiдриваннi покриття руйнування вiдбуваеться мiж основою i часткою.
Аналiз процесiв, що вщбуваються при ударi i деформацп частки, дозволив зробити принципово важливий висновок - можливють взаемного термiчного впливу часток при газоплазмовому напилюванш досить мала i iмовiрнiсть попадання ново'' розплавлено'' частки на ще не загуслу, що напилена рашше, може не братися до уваги. Це суттево полегшуе аналiз
процесу утворення покриття, зводячи його до дослгдження контактно1 взаeмодie окремих часток.
Бшьшють дослщниюв вiддають зараз перевагу riпотезi утворення сил зчеплення при напилюванш переважно за рахунок мiжатомних зв'язюв, признаючи в той же час наявнють i елементiв механiчного зачеплення i мiжмолекулярноï взаемодп, тобто взаeмодiя в цьому випадку носить комплексний характер з одночасною реалiзацieю деяких механiзмiв зчеплення покриття з основою.
Згщно сучасних положень, увесь процес взаемодп частки з напиленою поверхнею можна представити складеним з трьох стадiИ: утворення фiзичного контакту; активацГя контактних поверхонь та утворення хiмiчних мiжатомних зв'язкiв на межi роздГлу; розвиток об'емноï взаемодп (релаксацiя мГкронапруги, рекристалiзацiя, гетеродифузiя, утворення нових фаз).
Для забезпечення мехашчного зчеплення i виникнення сил типу Ван-дер-Ваальсових достатньо наявносп першо'1' стадп. Процес з'еднання на другш та третГй стадiях визначаеться трьома основними параметрами - температурою в контакт^ тривалiстю процесу i величиною прикладеного тиску.
У вах випадках важливим моментом е деформащя i розтГкання часток, що забезпечуе фiзичний контакт напилено'1' частки з поверхнею. Стушнь деформацп частки i досконалють утвореного контакту з напиленою поверхнею залежить вщ велико'1' кiлькостi факторiв: теплово'1' i кшетично'1' енергп часток, властивостей матерiалу розплаву (в'язкостГ, теплоемностi теплопровiдностi, поверхневого натягу тощо), стану напилено'1 поверхнi тощо.
Термодинамiчна iмовiрнiсть здiИснення хiмiчноï взаемодп характеризуеться зменшенням вiльноï енергп системи, а кшетика - енергетичним бар'ером, котрий необхщно подолати атомам для переходу з одного стшкого стану в шший (енергiею активацп взаемодп).
Найбшьш повГльною, на нашу думку, i, мабуть, обмежуючою стадiею при напилюванш е активацГя поверхнГ основи. СтадГя утворення фГзичного контакту в результатГ деформацп i розтГкання частки, а також наступш за активашею процеси перерозподГлення електронно! густини i викликане ними перегрупування атомГв (власне хГмГчна взаемодГя) протГкають набагато швидше.
При газоплазмовому напилюванш в стадп активацп поверхнГ основи в свою чергу видшяють три фази:
1) локальне зниження активацГйного енергетичного бар'еру поверхнГ основи пщ дГею тиску вГд удару частки внаслщок пружних викривлень решГтки i пластичнох деформацп;
2) перехщ в активований стан групи атомГв в цГй локальнГй областГ за рахунок внутрiшньоï енергп коливання атомГв в твердому тш, тобто термГчна активацГя;
3) розпад активованого комплексу, в результатГ чого в залежносп вщ напруженого стану утворюеться нове атомне угрупування (осередок взаемодп) або вихщш поверхневГ зв'язки.
В граничному випадку активований стан являе собою дисошашю або розрив зв'язюв, поверхневих атомГв, тобто процес руйнування. На цш основГ робиться висновок про едину природу руйнування i з'еднання твердих матерГалГв. Внаслщок термомехашчного характеру процесу руйнування в загальному випадку активацГя матерГалу основи також носить термомехашчний характер.
Розвиток реакцп на межГ взаемодп фаз, тобто плями контакту , можна приблизно визначити за вiдносноï мщнГстю зчеплення [5]:
Ф) = NT (1)
N0
де <г(т) - мГцнГсть, що досягаеться за час т ;
am - максимальна мщшсть, яку можна отримати при завершены процесу;
No - кшьюсть атомiв на поверхнi основи або частки, що знаходиться у фiзичному контакту Nçt) - кшьюсть атомiв Ï3 кiлькостi N0, що прореагували за час т .
Кшетика тако'' взаемодп загалом описусться виразом [5]:
= (No - N)exp(--T)exp(S:/к) (2)
ат к!к
де уо - частота власних коливань атомiв; Тк - температура в зош взаeмодГï; к - стала Больцмана;
Еа - ефективна (уявна) енерпя активацп процесу;
S - коливальна i конфшурацшна ентрошя активацп процесу в зонi хГмГчно'' взаемодп. Внаслiдок мало'' величини S:
ехр^/к) « 1.
Вираз (2) яюсно правильно вiдображаe процеси хГмГчно'' взаемодп при напилюваннi, але мае ряд суттевих недолiкiв для ïï юльюсно'' оцiнки. Основним з них е невизначенiсть ефективно'' енергп активацп Еа, [5] яка обумовлена ïï залежшстю вiд тиску, швидкостi деформацп, стану поверхш основи, часу взаемодп тощо.
Залишаеться стрним питання про роль пластично'' деформацп основи в кшетищ хГмГчно'' взаемодп матерiалiв при газоплазмового напилюванш. Вважаеться, що пластична деформацп не може бути головним мехашзмом ïï активацп при плазмовому напилюванш з швидкостями часток нижче 60 м/с. Пщтвердженням е той факт, що в лунш, яка утворена на поверхш основи шляхом ïï пластично'1' деформацп' при ударi напилено'1' частки , не всю поверхня вступае у взаемодш, а лише ïï локальш дшянки. Крiм того, розрахунковi оцiнки i експериментальш вимiри густини дислокацiй, що генероваш в поверхневому шарi матерiалу основи при напилюванш, показують, що пластична деформашя може призвести до активацп не бшьше 0,1 частини поверхш контакту.
Висновки
Аналiз сучасних думок про взаемодп напилених часток з основою дозволяе зробити наступш висновки:
1. Хiмiчна взаемодiя мiж напиленими частками i основою в значнш мiрi визначае мiцнiсть зчеплення газоплазмових покритпв. Кiнетика тако'' реакцiï лiмiтуеться стадiею активацiï поверхнi основи. Але вщсутш яснi свiдоцтва про головш механiзми активацiï в конкретних умовах напилювання, перш за все, при пвдвищених швидкостях часток i дефектах поверхш основи.
2. Iснуючi ввдомосп про мiцнiсть зчеплення газоплазмових покритпв недостатньо повно вiдображають основнi закономiрностi процесу утворення з'еднання матерiалiв при напилюванш, до реч^ дискретнiсть хiмiчноï взаемодГ', активуючий вплив попередньо'' обробки основи, роль оточуючого газового середовища тощо.
3. Не iснуе кшькюних оцГнок впливу стану поверхнi основи - дислокацшно! структури, напруги, наявносп плГвок тощо - на мщшсть зчеплення покритпв.
Поеднання поглибленого теоретичного аналiзу всГх рiзноманiтних явищ, що вщбуваються при плазмовому напилюваннi покритпв контакт-деталей, з методами регресивного аналiзу являе собою, на нашу думку, найбшьш доцГльний шлях вивчення цих процеав.
Список використаноТ лiтератури:
1. Тушинський Л. И., Плохов А. В.Исследование структуры и физико-механичных свойств покрытий. АН СССР, Сибирское отделение.- Новосибирск: Наука. Сиб. отд. 1986-1996.
2. ДСТУ 3020-95. Апарати комутацшш низьковольтнг Загальш техшчш умови.
3. Буткевич Г. В. дуговые процессы при коммутации электрических цепей. - М.: Энергия, 1973. - 172 с.
4. Радько I. П. Диффузия электроконтактных материалов при коммутации тока. Науково-виробничий журнал № 2 «Електрифшащя та автоматизащя альського господарства» НАУ. - КНАУ. 2005.
5. Электричиские контакты: труды совещания (11-14 декабря 1982 г.) Ответственный редактор Б. С. Сотсков. - М.: Энергия, 1983. - 680 с.
Referenses:
1. Tushnskiy L. I., Plohov A.V., (1986-1996) Investigation of the structure and physico-mechanical properties of the coatings. USSR Academy of Sciences, Siberian Branch, Novosibirsk: Nauka. Sib. Dep [Issldovanie strukturi i fiziko-mexanicheskix svoistv pokritii, AN SSSR, Sibirskoe otdelenie].
2. State standards of technical requirements. 3020-95. Vehicles are interconnect low-voltage. General technical requirements. [DSTU 3020-95. Aparati komutacijni niz'kovol'tni. Zagal'ni tehnichni umovi].
3. Butkevich G. V. (1973), Arc processes during switching circuits. [Dugorozriadnie procesi pri comuticii electricheskix cepei], Energia, Moscow, 172 p.
4. Rad'ko I. P. (2005) Diffusion materials in electric-current switching. [Diffusiia elektrokontaknix materialov pri komutacii toka], Scientific and Production Magazine № 2 "Electrification and Automation of Agriculture".
5. Sotskov B. S. (1983), Electrical contacts: proceedings of the meeting (11-14 December 1982) [Elektriceskie kontakti: trydi soveschiania], Energia, Moskow, 680 p.
Поступила в редакцию 25.11 2015 г.
