Лекция № 03 (фхомнт очень много лекций часть 1)

МГТУ им. Н.Э. Бауманакаф. ИУ4Доцент Резчикова Е.В.Физико-химические основымикро и нанотехнологийЛекция № 03Ультразвуковыеметоды поверхностнойобработки деталейОсновные технологические группыпроцессов в производстве ЭСудалениематериаловнанесениематериаловмодификацияматериаловМ А Т Х Э Мполучение заданной конфигурациитехнологических структурных элементовУльтразвук-техническое полеУльтразвук - упругие волны высокойчастоты.Технологическим ультразвуковымдиапазоном считают полосу частот от 20 000до 44 000 герц.Ультразвук распространяется в жидких,твердых и газообразных средах.Физический принциптехнологической операцииУльтразвуковая очистка поверхностейдеталей основана на явлении кавитации,возникающей в жидкой среде привозбуждении в ней упругих колебанийультразвуковых частотСвойства ультразвукаУЗ сильно поглощается газами и слабожидкостямиУЗ-волны ускоряют протекание процессовдиффузииУЗ оказывает существенное влияние нарастворимость вещества и в целом на ходхимических реакцийТехнологии, использующие форсирование спомощью УЗпрецизионная очистка и обезжириваниедегазация расплавов и модифицирование структуры отливокинтенсификация гальванических и химических процессовприготовление эмульсий и суспензийультразвуковая пропиткаультразвуковое экстрагированиесварка полимеров и металловпрошивка отверстий и размерная обработка хрупкихматериалов
Физические эффекты, возникающие вУЗ поляхЗвуковоедавлениеКавитацияпеременное избыточное давление,возникающее в упругой среде припрохождении через неё звуковойволны.

Единицаизмерения — паскаль(Па).Кавитация возникает в результате местногопонижения давления в жидкости, которое можетпроисходить либо при увеличении её скорости(гидродинамическая кавитация), либо припрохождении акустической волны большойинтенсивности во время полупериода разрежения(акустическая кавитация)АкустическоетечениеЗвукокапиллярныйэффектРадиационное давлениеаномально глубокоепроникновение жидкостив капилляры и узкиещели под действием УЗ.радиационное давление звука,давление звука) - среднее по времениизбыточное давление на препятствие,помещённое в звуковое полеИз вышеперечисленных наибольшеевлияние на процесс ультразвуковой очисткиоказывает ультразвуковая кавитация.Микроударное воздействиезахлопывающихся пузырьков способствуетразрушению окалины и загрязнений,обладающих высокой адгезией кповерхности, а пульсирующие пузырькипроникают под пленку загрязнений(окалины), отслаивая ее и ускоряя процессочистки.Акустическая кавитацияКавитацией называется явление образования вжидкости полостей заполненных газом, паром илиих смесью (кавитационные пузырьки иликаверны).Кавитационные пузырьки образуются в тех местах,где давление в жидкости становится нижекритического значения Рcr (в реальной жидкостиРcr приближенно равно давлению насыщенногопара этой жидкости при данной температуре).Кавитационные пузырьки возникают во времяполупериода разрежения на так называемыхкавитационных зародышах, которыми чаще всегоявляются газовые включения, содержащиеся в жидкостии на колеблющейся поверхности акустическогоизлучателя.• Пузырьки захлопываются во время полупериодов сжатия,создавая кратковременные (длительностью ~ 10-6 с) импульсыдавления (до тысяч Па и выше), способные разрушить дажевесьма прочные материалы.• Под интенсивностью ультразвуковых колебаний на практикепринимают мощность, приходящуюся на единицу площадиизлучателя:• 1,5-3 Вт/см2 - водные растворы,• 0,5-1 Вт/см2 - органические растворы.Ультразвуковая отмывкаОчищаемый материалЗвукоизолированнаяваннаСреда очисткиВибрационная головкаИзбыточное давлениеАкустическая кавитацияν- Скорость поступательных(трансляционных) движенийпузырьковR0 – радиус пузырьковP0 – гидростатическое давлениеPa - звуковое давлениеη - коэффициент кинематическойвязкости жидкостиσ - коэффициент поверхностногонатяженияхi - пространственная координата(i=1,2,3…)Акустическая кавитацияКоличественно момент возникновениякавитации и степень ее развитияхарактеризуют числом кавитации:χ=(P0-Ps)/Pa,где Ps - давление насыщенного пара;Pa - амплитуда звукового давления;P0 - гидростатическое давление.Количественно момент возникновения кавитации и степень ее развитияхарактеризуют числом кавитации:С=(Ро-Рs)/Рa,где Ps - давление насыщенногопара;Pa - амплитуда звуковогодавления;P0 - гидростатическоедавление (d ×g × h)Момент возникновения кавитации характеризуется критическим числомкоторому соответствует критическое значение звукового давления Рк;Ск,Схема всасываниязагрязнений измикротрещинповерхности врастущий газовыйпузырекСхема удаления загрязнений.Захлопывание пузырька сопровождаетсяобразованием мощной ударной волны(кавитацией).

Обычно кавитациявозникает на поверхности детали. Ударнаяволна измельчает загрязнения иперемещает их в моющий растворВлияние давления на процесс очистки•С повышением звукового давления до оптимальной величинывозрастает число газовых пузырьков жидкости, соответственноувеличивается объем кавитационной области.

В ультразвуковыхустановках для очистки звуковое давление на границе “излучательжидкость” лежит в пределах 0,2 -0,14 МПа.•Кавитационное разрушение достигает максимума тогда, когда времязахлопывания пузырьков равно полупериоду колебаний.•На образование и рост кавитационных пузырьков влияют вязкостьжидкости, частота колебаний, статическое давление и температура.•Кавитационный пузырек может образоваться, если его радиус меньшенекоторого критического радиуса, соответствующего определенномугидростатическому давлению.Влияние частоты на процесс очистки• Если частота колебаний низкая, то образуютсяболее крупные пузырьки с малой амплитудойпульсации.

Часть из них просто всплывает наповерхность жидкости. Ультразвук низкой частотыхуже распространяется из-за поглощения, поэтомукачественный процесс очистки идет в области,близкой к источнику. При низкой частотенедостаточно хорошо очищаются микротрещины,размеры которых меньше длины волны ультразвука.Влияние частоты на процесс очистки• Повышение частоты колебаний приводит куменьшению размеров газовых пузырьков иследовательно, к уменьшению интенсивностиударных волн при одной и той же мощностиустановки.• Для запуска кавитационного процесса сувеличенной частотой требуется большаяинтенсивность колебаний.

Рост частотыультразвуковой установки очистки приводитобычно к понижению КПД установки.Тем не менее, повышение частоты ультразвукаимеет ряд положительных сторон:❖Плотность ультразвуковой энергии увеличиваетсяпропорционально квадрату частоты, что позволяет вводить враствор большие интенсивности или при постояннойинтенсивности уменьшать амплитуду колебаний;❖ С увеличением частоты увеличивается величина поглощаемойэнергии ультразвука.❖ Вследствие поглощения энергии более высокой плотности частицымасел, жиров, флюсов и т.п. загрязнений поверхности деталинагреваясь, становятся более жидкотекучими и легкорастворяются в очищающей жидкости. Вода (как основа моющегораствора) при этом не нагревается;Влияние частоты на процесс очистки❖ С увеличением частоты уменьшается длина волны, чтоспособствует более тщательной очистке мелкихотверстий;❖ При колебаниях ультразвука достаточно высокойчастоты (40 кГц) ультразвуковая волнараспространяется с меньшим поглощением и действуетэффективно даже на большом расстоянии от источника;❖ Значительно уменьшаются габариты и массаультразвуковых генераторов и преобразователей;❖ Уменьшается опасность эрозионного разрушенияповерхности очищаемой детали.Влияние вязкости моющей среды➢ Вязкость жидкости при ультразвуковойочистке влияет на потери энергии и ударноедавление.➢ Увеличение вязкости жидкости повышаетпотери на вязкое трение, однако времязахлопывания пузырька при этомсокращается, следовательно, увеличиваетсясила ударной волны - (техническоепротиворечие).Влияние температуры на процесс очисткиТемпература оказывает неоднозначноевлияние на процесс ультразвуковой очистки.Повышение температуры активизируетмоющую среду, повышает ее растворяющуюспособность.

Но при этом уменьшаетсявязкость раствора и увеличивается давлениепарогазовой смеси, что значительно снижаетустойчивость кавитационного процесса.Влияние температуры на процессочисткиТемператураВязкостьТПЗдесь мы опятьсталкиваемся с ситуациейтехническогопротиворечия.Рекомендуемые температуры:• Щелочные растворы 40-60°С,• Трихлорэтан 38-40°С,• Водные эмульсии 21- 37°С.Среды ультразвуковой очистки:водные моющие растворители, эмульсии,кислые растворы, щелочные растворыПри этом, например, можно значительно уменьшитьтемпературу и концентрацию щелочных компонентов, акачество очистки останется высоким. При этомуменьшается травящее воздействие на деталь. В составщелочных растворов входят чаще всего каустическая сода(NaOH), кальцинированная сода (Na3CO3),тринатрийфосфат (Na3PO4·12H2O), жидкое стекло(Na2O·SiO2), анионоактивные и неионогенные ПАВ(сульфанол, тинол).Состав растворов (массовые доли) и режимы
ультразвукового травленияМатериалдеталиHClNaClHNO3HFH2SO4Конструкционныестали (Ст 3, 45)5÷64÷5Цементируемые стали (16ХГТ)21÷22Хромистые стали(2Х13, 4Х13 и др.)—————————4,5÷5—Электротехническиестали———Нержав.