Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 38

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 38)

Такую проверку адекватности математическоймодели проводили на примере двух непериодических вариантов режимаВНЦ: № 1, проводящегося при температуре 940 °С по схеме: 4 цикла  (2мин [здесь и далее: нечетная стадия насыщения] + 28 мин [здесь и далее:четная диффузионная стадия]) + 4 цикла  (6 мин + 54 мин); и № 2– оптимизированного, рекомендованного для промышленного применения,проводящегося при температуре 880 °С по схеме: 6 циклов  (2 мин + 28мин) + 7 циклов  (3 мин + 57 мин) [269].Соответствующиеэкспериментальныеирасчетныеконцентрационные кривые насыщающих элементов для каждого изрежимов были сопоставлены между собой (рисунок 4.16).Обнаруживаетсявполнеудовлетворительнаяадекватностьпредложенной модели. Расхождение расчетных и экспериментальныхрезультатов по азоту не превышает 0,5 %, а по углероду – 1,0 %.

При этом,наибольшийразбросрасчетныхиэкспериментальныхзначенийприходится на приповерхностную область диффузионного слоя (впределах 0,15-0,20 мм от поверхности), которая после завершения химикотермической обработки удаляется шлифованием. Таким образом, прифинишной механической обработке полностью снимается активнаякарбонитридная зона на основе избыточной фазы цементитного типа [269].модель ВНЦ теплостойкой стали ВКС-10 по непериодическому режиму № 2 (объяснения в тексте)характеристик диффузионного слоя (результаты расчета) в ходе работы прикладной программы, реализующейРисунок 4.15 – Отображение на экране компьютера технологических факторов ХТО (исходные данные) и271272Концентрация углерода и азота, %1,41,210,80,60,40,200,10,20,30,40,50,60,70,8Расстояние от поверхности, мма)Концентрация углерода и азота, %1,41,210,80,60,40,200,10,20,30,40,50,60,70,8Расстояние от поверхности, ммб)Рисунок 4.16 – Экспериментальные (пунктирные с маркерами) и расчетные(сплошные) концентрационные кривые углерода (черные) и азота(красные), соответствующие: а) технологическому режиму ВНЦ № 1и б) режиму № 2 (объяснения в тексте)273Вэтойсвязи,разработаннуюматематическуюпрограммный продукт, ее реализующий, представляетсямодельивозможнымиспользовать в прикладных целях: для прогнозирования характеристикдиффузионногослоявзависимостиотпринимаемыхзначенийтехнологических факторов.4.6 Особенности разработки математических моделей ионно-вакуумнойцементации (нитроцементации)Разработке расчетной модели высокотемпературной ионно-вакумнойнитроцементации (цементации) посвящена работа [13], в которойдиффузионная задача рассматривалась в виде системы дифференциальныхуравнений, вытекающих из II закона Фика:CC CC    C CN   DC   DN;x x  x x (4.16)CN CC   CN   DCN   DN,x x  x x где СC и СN – концентрации углерода и азота; DС и DN – коэффициентыдиффузии углерода и азота в аустените, зависящие от температуры; DCN иDNC – коэффициенты взаимного влияния: градиента азота на диффузиюуглерода и градиента углерода на диффузию азота, соответственно.Система уравнений (4.16) была решена в граничных условияхIII рода, характеризующихскорость потокауглерода иазотаизионизированной атмосферы в металл, аналогичных выражению (3.5).Зависимости углеродного и азотного потенциала, а также коэффициентовмассопереноса углерода и азота от технологических факторов процессаопределили регрессионным путем в виде параметрических выражений[13].274Получить указанные соотношения иным путем не представилосьвозможным по следующим причинам.

Как установлено в работе [149] наоснове анализа спектров излучения плазмы тлеющего разряда газовойсреды, содержащей углеводород (C2H2), аргон и аммиак, что вовзаимодействие с насыщаемой поверхностью металла при ионнойнитроцементации (ИНЦ) участвует 13 частиц: C, CH, CN2, NH, N+, N+2, N2,Ar, Ar+, а также Fe+ и Fe (продукты катодного распыления железа).Ионизированные частицы, ускоряясь в электрическом поле, обмениваютсяэнергией и зарядом с нейтральными частицами и стимулируют ихдвижение к катоду. В результате, к поверхности металла движется какпоток ионов, так и интенсивный поток возбужденных частиц, которые, восновном, и переносят углерод и азот. В этой связи, экспериментальноопределить и разделить плотности потоков углерод- и азотсодержащихчастиц не удалось.

Плотность потоков углерода и азота, которые проходятчерез единицу площади насыщаемой поверхности, в виде зависимостейустанавливали на основе экспериментального определения диффузионногомассопереноса углерода и азота в массивных образцах.Использование граничного условия III рода при моделированиипроцесса ИНЦ стало возможным благодаря комплексу исследований,выполненных в 1990-х годах в МГТУ им.

Н.Э. Баумана К.И. Кирилловым(результатынеопубликованы,частичнов[113]).Имвпервыеэкспериментально доказано, что к термодинамически неравновеснойионизированнойатмосферевполноймере,применимопонятиеуглеродных и азотных потенциалов, уровень которых можно изменятьпосредством технологических параметров в широком диапазоне. Важнымрезультатом стало создание прибора бесконтактной диагностики [152],принцип работы которого основан на регистрации через смотровое окноспектров характеристического излучения углерод- или азотсодержащихчастиц, находящихся в катодной области тлеющего разряда вблизинасыщаемойповерхностиметалла.Принципработыприбора275бесконтактной спектральной диагностики тлеющего разряда основан нарегистрации спектров характеристического излучения углеродсодержащихчастиц, находящихся в катодной области тлеющего разряда [156, 157].Электромагнитноеэлектрическийконцентрацииизлучениесигнал.отчастицприборВыходнойсигналприборауглеродсодержащихчастицпреобразуетвпропорционаленвблизинасыщаемойповерхности и характеризует науглероживающую способность атмосферы.Спомощьюэтогоприборабылаустановленаследующаязакономерность происходящих при ионной цементации процессов.

Вначальный период весь подводимый углерод поглащается поверхностью.По мере науглероживания диффузионный отвод углерода от поверхностиснижается. При постоянном подводе углерода его атомы накапливаются наповерхности. На ней формируется сплошной адсорбированный граничныйслой, состоящий из атомов углерода, водорода и железа [149]. Граничныйслой находится в динамическом взаимодействии как с технологическойатмосферой, так и с поверхностью металла.

Подводимые тлеющимразрядом к поверхности атомы водорода, а при ИНЦ и азота, интенсивновзаимодействуют с углеродом граничного слоя с образованием радикаловCH, NH, N2C и других. В результате углерод отводится от поверхности ввиде десорбированного потока этих радикалов. Интенсивность этогопотока увеличивается во времени по мере уменьшения диффузионногоотвода углерода от поверхности.Наличие двух противоположных потоков – доставки углерода кповерхности и отвода его от поверхности (в виде двух потоков:диффузионногоидесорбционного)постепенноприводитсистемуатмосфера – граничный слой металла к некоторому стационарномусостоянию, когда на поверхности не происходит дальнейшего ростаконцентрации насыщающих элементов.Следует заметить, что разработанная в работе [13] модель внастоящее время устарела по ряду причин: во-первых, регрессионные276выражения граничных условий допускают повышенное отклонение отэкспериментальныхданныхуглеродсодержащихгазов,вобластинизкихпредставляющейвконцентрацийнастоящеевремянаибольший интерес; во-вторых, ее программная реализация осуществленана несоответствующим предъявляемым в настоящее время требованиям кинтерфейсу программного продукта.Учитывая существующий в настоящее время определенный интереск проведению ионно-вакуумных процессов цементации (нитроцементации)[3, 164, 166], проведен комплекс экспериментальных и теоретическихисследований,направленныхнаустановлениеграничныхусловийматематической модели высокотемпературной ионной цементации инитроцементации [340].Ионную ХТО осуществляли на опытно-промышленной установке[150],оснащеннойуправляющимкомпьютеромисистемамиавтоматического регулирования технологических параметров.

Насыщениепроводили при температуре 920-1020 °С и давлении 2-20 гПа в течениевремени от 2 до 120 мин в ионизированных газовых средах двух типов. Вкачестве атмосферы первого типа использовали смесь аргона, водорода(50 %) и метана (2,5 %); газовая среда второго типа состояла из аргона,аммиака (50 %) и ацетилена (0,6-5,0 %).Насыщали фольги из технического железа, а также плоские образцы103050 мм стали 16Х3НВФМБ, на которых анализировали основныехарактеристики насыщенности слоя.

Характеристики

Список файлов диссертации