Диссертация (1095072), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Первыйфактор – сам материал (его химический состав, используемые покрытия, добавки,фактура поверхности и т.д.). Второй, не менее важный фактор – характеристикилазера и используемые технологические режимы работы оборудования (длинаволны и интенсивность лазерного излучения, частота повторения импульсов,скорость маркировки и др.). Таким образом, путем подбора технологическихпараметровлазернойустановки,определяющихрежимымаркировочногопроцесса, можно обеспечить высокий уровень качества изображения на широкомдиапазоне материалов.57Врезультатевыполнениядиссертационнойработыдолжныбытьразработаны методика и технологические режимы маркировки серийныхпромышленных изделий с использованием лазерных маркировочных комплексовдля возможности считывания закодированной информации стандартнымисчитывающимиустройствами,которыемоглибылегковписатьсявпроизводственный процесс.Целью диссертационной работы является разработка методологическихоснов процесса нанесения маркировки на поверхности деталей машин и агрегатовиз различных материалов импульсным лазером для их учета и идентификации.Для выполнения поставленной цели работы предполагается решитьследующие задачи:- установить закономерности физико-химических процессов, происходящихна поверхности деталей машин и агрегатов из металлических и неметаллическихматериалов в процессе их лазерной обработки;- определить на основе математической модели технологические параметрыпроцесса лазерной обработки деталей с целью получения на их поверхностяхмаркировочных символов для материалов различных классов (металлические,полимерные);- разработать технологические режимы маркировки деталей машин иагрегатов для идентификации изделий из ряда металлических и полимерныхматериалов и провести их апробацию;- разработать методику маркировки изделий из различных материалов и ихидентификации и учета;- исследовать свойства, структурный и фазовый состав получаемыхмаркировочных символов, проанализировать их эксплуатационные свойства.58ГЛАВА 2.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ2.1Влияниесоставаобрабатываемойповерхностинацветовыехарактеристики получаемых изображений при маркировке импульснымлазеромПриобработкеметаллическихповерхностейлазернымизлучениемосновные особенности химических реакций, активируемых поверхностнымнагревом от лазерного воздействия, будут связаны с тем, что они протекают вусловиях переменной температуры при ограниченной продолжительностивоздействия.Если рассматривать металлические сплавы, а в частности, стали, товозможность активации химических реакций будет определяться большей илименьшей степенью вероятности.
Такие реакции могут происходить как основнымвеществом стали – железом, так и с легирующими элементами этих: хромом (Cr),титаном (Ti), марганцем (Mn), никелем (Ni), ванадием (V), молибденом (Mo),кремнием (Si) и некоторых других. Основными металлами, входящими в составцветных, сплавов являются алюминий (Al), магний (Mg), медь (Cu), цинк (Zn).
Взависимости от того, какие оксиды будут образовываться на поверхностиметаллических материалов в процессе обработки, а также от толщиныполучаемыхоксидныхпокрытий,будетзависетьмаркировкипроводитсяполученныйцветзамаркированного участка.Процесслазернойвусловияхкомнатныхтемператур в воздушной атмосфере. Поскольку воздух состоит, в основном, издиазота N2 и дикислорода O2, а сплавы являются многокомпонентной системой,то взаимодействие между простыми веществами указанных выше элементов,входящих в состав сталей и сплавов, и газами, теоретически возможно в видеобразования реакций с этими двумя веществами.
Для того, чтобы оценитьтермодинамическую возможность самопроизвольного протекания химическихреакций в процессе лазерной маркировки на поверхности материала, были59исследованы температурные зависимости стандартных энергий Гиббса этихреакций, результаты обобщения этих материалов представлены в литературе [68,69].Уравнения возможных реакций для перечисленных простых веществ, в расчетена одинаковые количества металла (1 моль), представлены в таблице 2.1 [70].Значениястандартныхэнтальпийобразованияучастниковреакцийпритемпературе 298 К– H 0f , 298 и стандартных энтропий участников реакций при 2980К – S 298возьмем из [71].Таблица 2.1 – Уравнения возможных химических реакций простых веществ,в расчете на 1 моль металла [68-70]№Уравнения химических реакций окисления1234567Cr + 0,75O2 = 0,5Cr2O3Cr + 0,5N2 = CrNCr + 0,25N2 = 0,5Cr2NTi + O2 = TiO2Ti + 0,5N2 = TiNMn + O2 = MnO2Mn + 0,75O2 = 0,5Mn2O3Температурапроцесса> 6000C> 8000C> 15000C> 6000C> 8000C< 4500C< 8000C8Mn + 7/12O2 = 0,5MnO +1/6(MnIIMn2III)O4>8000C910111213Ni + 0,5O2 = NiOV + 1,25O2 = 0,5V2O5V + O2 = VO2V + 0,5N2 = VNMo + 1,5O2 = MoO3> 5000C> 4000C> 7000C> 9000C> 6000C14Mo + O2 = MoO2> 6000C151617181920212223242526Si + O2 = SiO2Si + 2/3N2 = 1/3Si3N4Fe + 2/3O2 = 1/3 (Fe II Fe 2III)O4Fe + 0,75O2 = 0,5Fe2O3Fe + 0,5O2 = FeOCu + 0,25O2 = 0,5Cu2OCu + 0,5O2 = СuOAl + 0,75O2 = 0,5Al2O3Al + 0,5N2 = AlNMg + 0,5O2 = MgOMg + 1/3N2 = 1/3Mg3N2Zn + 0,5O2 = ZnO> 12000C> 12000C> 1500C> 2000C> 4000C> 8000C> 6000C> 7800C> 2300CЦветсоединениячерныйчерныйчерныйбелыйжелто – коричневыйкоричнево – черныйбурыйзеленовато – серый,коричнево – черныйтемно – зеленыйоранжево – красныйсине – черныйжелтыйбело – зеленыйкоричнево–фиолетовыйбелыйжелто – белыйчерныйкоричневыйчерныйкрасно – желтыйкоричнево – черныйбелыйбелыйбелыйжелто – зеленыйбелый60Из закона Гесса следует, что энтальпия химической реакции (∆Н0) равнаразности сумм энтальпий образования продуктов и реагентов, взятых с учетомстехиометрических коэффициентов, а энтропия реакции (∆S0) равна разностисумм энтропий продуктов и реагентов, взятых с учетом стехиометрическихкоэффициентов.
Тогда, согласно уравнению Гиббса–Гельмгольца, энергия Гиббсареакции находится как разность энтальпии и произведения абсолютнойтемпературы на энтропию. В первом приближении можно предположить, чтостандартные энтальпии и энтропии реакций не зависят от температуры, в этомслучае:Gi0 H i0 TSi0 ,(2.1)Где (∆Gi0) – стандартная энергия Гиббса реакции, кДж/моль; T – температура.В таблице 2.2 представлены обобщенные результаты энтальпии и энтропииобразования продуктов для рассмотренных реагентов.Таблица 2.2.
Обобщенные результаты энтальпии и энтропии и энергии Гиббса00№ (∆Н ,кДж/моль ( H f , 298 )п/пформулазначение0S 0 , кДж/мольК ( S298)–571–124–65–938–338–520–4799101112131415160,5(Cr2O3)(CrN)0,5(Cr2N)(TiO2)(TiN)(MnO2)0,5(Mn2O3)0,5(MnO)+1/6((MnIIMn2III)O4)(NiO)0,5(V2O5)(VO2)(VN)(MoO3)(MoO2)(SiO2)1/3(Si3N4)171/3((FeIIFe2III)O4)–37318190,5(Fe2O3)(FeO)–412–271формула0,5(Cr2O3)–((Cr)+0,75(O2))(CrN)–((Cr)+0,5(N2))0,5(Cr2N)–((Cr)+0,25(N2))(TiO2)–((Ti)+(O2))(TiN)–((Ti)+0,5(N2))(MnO2)–((Mn)+(O2))0,5(Mn2O3)–((Mn)+0,75(O2))1/2(MnO)+1/6((MnIIMn2III)O4)–((Mn)+(O2))(NiO)–((Ni)+0,5(O2))0,5(V2O5)–((V)+1,25(O2))(VO2)–((V)+(O2))(VN)–((V)+0,5(N2))(MoO3)–((Mo)+1,5(O2))(MoO2)–((Mo)+(O2))(SiO2)–((Si)+(O2))1/3(Si3N4)–((Si)+2/3(N2))1/3((FeIIFe2III)O4)–((Fe)+2/3(O2))0,5(Fe2O3)–((Fe)+0,75(O2))(FeO)–((Fe)+0,5(O2))200,5 (Cu2O)–85,50,5(Cu2O) – ((Cu) + 0,25(O2))12345678–423–240–775–713–217–745–590–912–248G 0 ,значение–0,140–0,067–0,047–0,186–0,097–0,184–0,180кДж/моль–571+0,140T–124+0,067T–65+0,047T–938+0,186T–338+0,097T–520+0,184T–479+0,180T–0,097–423+0,097T–0,095–0,154–0,182–0,088–0,259–0,188–0,183–0,113–240+0,095T–775+0,154T–713+0,182T–217+0,088T–745+0,259T590+0,188T–912+0,183T–248+0,113T–0,115–373+0,115T–0,137–0,068-0,0383–412+0,137T–271+0,068T–85,5 +0,0383T6100№ (∆Н ,кДж/моль ( H f , 298 )п/пформулазначение0)S 0 , кДж/мольК ( S29821222324(CuO)0,5(Al2O3)(AlN)(MgO)–156–838–318–601формула(CuO) – ((Cu) + 0,5(O2))0,5(Al2O3) – ((Al) + 0,75(O2))(AlN) – ((Al) + 0,5(N2))(MgO) – ((Mg) + 0,5(O2))251/3(Mg3N2)–1541/3(Mg3N2) – ((Mg) + 1/3(N2))26(ZnO)–351(ZnO) – ((Zn) + 0,5(O2))G 0 ,значение-0,0925–0,156–0,104–0,109кДж/моль-156+0,0925T–838+0,156T–318+0,104T–601+0,109T-0,0677–0,101–154+0,0677T–351+ 0,101TИзобразим вышеописанные зависимости для каждого из упомянутыхпростых веществ графически на рисунках 2.3 – 2.14:Рисунок 2.3 – Температурныезависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций хромаРисунок 2.4 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций титана62Рисунок 2.5 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций марганцаРисунок 2.6 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций никеляРисунок 2.7 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций ванадия63Рисунок 2.8 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций молибденаРисунок 2.9 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций кремнияРисунок 2.10 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций железа64Рисунок 2.11 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций медиРисунок 2.12 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций алюминияРисунок 2.13 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций магния65Рисунок 2.14 – Температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса реакций цинкаДля определения относительного сродства к кислороду вышеописанныхпростых веществ нанесем температурные зависимости стандартных энергийГиббса наиболее термодинамически вероятных реакций на один график.На рисунке 2.15 (а) представлены температурные зависимости стандартныхэнергий Гиббса наиболее термодинамически вероятных реакций для элементов,преимущественно входящих в состав сталей, а на рисунке 2.15 (б) -дляэлементов, входящих в состав цветных сплавов.В соответствии с представленными на рисунке 2.15 зависимостями, чемменьше энергия Гиббса, тем более термодинамически вероятно самопроизвольноепротекание реакции в закрытой системе при изобарно-изотермических условиях.Проведя изотерму (рисунок 2.15 (а)), отвечающую данной температуре,перпендикулярную горизонтальной оси, получим совокупность точек еепересечения с температурными зависимостями стандартных энергий Гиббса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
