THE FORMATION OF GASES IN THE PROCESSING OF METALS

Беляков В. Н.¹, Никуленков О. В.²,Плужников А. А.³, Швецов И. В.⁴, Швецова О.И.⁵

^1,2Кандидат технических наук, доцент, ³Аспирант, ⁴Доктор технических наук, профессор, ⁵Студентка, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

ФОРМИРОВАНИЕ ГАЗОВ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Аннотация

Методы контроля в сочетании с электронными измерительными приборами позволяют решить обширный круг задач по определению состава и свойств газовой среды. Способ бесконтактного определения температуры показывает, что в качестве информационной среды используют газы, измерение концентрации которых позволяет определить температуру газовоздушной среды.

Ключевые слова: устройство, газовоздушная среда, температура.

Belyakov V.N.¹, Nikulenkow O.V.², Pluzhnikov A.A.³, Shvetsov I.V.⁴, Shvetsova O.I.⁵

^1,2Candidate of technical Sciences, associate Professor, ³Graduate student, ⁴Doctor of technical Sciences, Professor, ⁵Student, Yaroslav-the-Wise Novgorod State University

THE FORMATION OF GASES IN THE PROCESSING OF METALS

Abstract

Quality monitoring in a combination to electronic measuring devices allows to solve an extensive circle of problems by definition of structure and properties of the gas environment. The way of contactless definition of temperature shows that as the information environment use the gases which measurement of concentration allows to define temperature of the air-gas environment.

Keywords: the device, air-gas environment, temperature.

Подход к изучению физических явлений, сопровождающих процесс резания при внешнем воздействии, отличается от подхода при изучении деформирования твердого тела, высокоскоростного сжатия материала и последеформационных процессов высокоскоростного нагружения, при которых происходят релаксационные процессы. Недостаточно исследованы процессы распада пересыщенных твердых растворов, упорядочение и разупорядочение сплавов, диффузия, самодиффузия и массоперенос вещества, исследования по выбору и рекристаллизации деформируемых макро - и микрообъектов металла.

Из всех газообразующих элементов, определяемых как “газы в металлах”, особое место занимают азот, водород, кислород и углерод [1]. Причем первые три, находящиеся в сталях и чугунах в состоянии поставки практически не оказывают влияния на формирование газовоздушной среды в области резания в связи с их малой концентрацией. Например, в стали 45 концентрация кислорода составляет около 0,1 мг/м³, азота - 0,2 мг/м³, водорода - 0,006 мг/м³. Регистрируемая концентрация при проведении газового анализа оксидов серы, углерода и азота на расстоянии 5¼20 мм от зоны резания составляет 0,2¼10 мг/м³ и более, что значительно превышает количество вышеуказанных газов, находящихся в обрабатываемом изделии. Исходя из этого, результатом формирования различных газов в области резания является химическое взаимодействие углерода и серы металла с атмосферным воздухом, состоящим в среднем из 78% азота, 20,9% кислорода и 1% водорода, а также атмосферного азота с кислородом.

Создаваемый фон в атмосфере воздуха образованными летучими соединениями, которые представлены в таблице, может, как превышать ПДК, так и быть значительно меньше. Образованные в зоне обработки летучие соединения увеличивают фон не только у станка, но и в помещениях механических участков, превышающие предельно-допустимые концентрации [2].

 

Таблица 1 – Содержание предельно – допустимых концентраций (ПДК)

Наименование газа	ПДКсс (среднесуточная), мг/м3	ПДК м.р. (max разовая), мг/м3
1	2	3
NO	0,03	0,6
NO2	0,04	0,085
SO2	0,05	0,5
CO	0,05%	0,05%
CO2	3,0	5,0

 

Наиболее интенсивным является процесс миграции примесей в начальный момент формирования стружки, т.е. момента контакта ее с поверхностью режущего инструмента, когда вокруг пятна контакта температура наибольшая. Особое внимание при исследовании миграционных процессов уделяется углероду (меньше сере), содержащемуся в сталях и чугунах, и участвующего в формировании газообразных соединений в зоне обработки при резании, взаимодействуя с атмосферным кислородом путем физической адсорбации и образуя стойкие летучие соединения.

Обособленное рассмотрение методов исследования образования газов в зоне обработки и контроля оксидов углерода оправдано тем, что в отличие от серы, он образует в металлических соединениях растворы внедрения, избыточные фазы (конденсированные или газообразные), скопления вокруг дислокаций или сорбционные слои во внутренних объемах. При нормальных условиях соединение СО образуется при температуре от 30 до 198⁰С, СО₂ - от 0 до 600⁰С. Сера, выделенная с приповерхностных слоев в виде паров, окисляется до стойкого газообразного соединения SO₂ при температуре около 540⁰С.

При стабильных условиях коэффициент диффузии предполагается постоянным и изменяется в зависимости от температуры:

D = D₀exp(-A/RT),     (1) где D₀ - постоянная диффузии; А - энергия активации; R = 8,314 Дж/моль × К - газовая постоянная; Т = q + 273,16 ⁰С - температура по абсолютной шкале Кельвина.

Зависимость коэффициента диффузии D от температуры Т приводит к нелинейным дифференциальным уравнениям и достаточно усложняет получение решения аналитическими методами. Для технических целей точность решения может быть достаточной, если выбирается среднее значение D₀ и А в некотором диапазоне температур, характерном для рассматриваемого процесса. При стужкообразовании под действием внешних сил на диффузию накладывается лавинообразный массоперенос, уменьшающий энергию активации А. При выгорании примесей из стружки, образовании ими газообразных соединений при взаимодействии с атмосферным воздухом приводит к диффузии летучих газов в окружающей атмосфере. Этот процесс, описываемый диффузию, в котором энергия активации А представляется как энергия активации соединений в воздухе, а коэффициент D₀ как для диффузии углерода, серы и их оксидов в атмосфере.

Определение коэффициентов диффузии при воздействии градиента напряжений при резании в микрообъемах стружки связано с большими экспериментальными трудностями, так как время процесса чрезвычайно мало (менее 0,01 с). Кроме этого достаточно трудно выделить воздействие сжимающих напряжений в “чистом виде”, так как при внешнем воздействии при механической обработке происходит неравномерное повышение температуры, изменение дефектности структуры и т.п. в каждом конкретном случае [3].

Как показывают экспериментальные исследования [4], концентрация точечных дефектов в металлах в условиях импульсного нагружения, которое по своей сущности достаточно близко подходит к процессам механической обработки с высокими скоростями, выше, чем после эквивалентного квазистатического деформированная. Исследования концентрации точечных дефектов ударно-нагруженным клише показали, что после ударной и квазистатической деформации число междоузельных атомов на единицу длины дислокации примерно одинаково. При этом вакансий образуется в несколько раз больше, чем междоузельных атомов. При наличии внешнего воздействия в условиях механической обработки вероятность переноса точечных дефектов в направлении действия градиента силы возрастает до тех пор, пока DЕ < А , (где DЕ - энергия, приобретаемая точечными дефектами под действием внешних сил), перемещение будет носить термоактивируемый характер [5]. В результате пластического деформирования и разрушения материала в уравнении диффузии знак в предэкспоненциальной зависимости меняется на противоположный.

В случае импульсных, ударных и подобных им, нагрузок выполнеяется условие, когда DЕ > А, а, следовательно, дефект будет двигаться “безактивационно” по решетке кристалла. При этом потенциальный рельеф решетки, обусловленный межатомным взаимодействием, будет тормозить движущийся объем (вакансию или междоузельный атом) [5]. В соответствии с теорией ползучести и разрушений Эйринга, а также описанием массопереноса металла при разрушении Сайбелом и Лингом, вероятность разрушения В_р определяется выражением

В_р = В₀ exp ( A_р / R T ) ,     (2) где В₀ - постоянный коэффициент диффузии; А_р - энергия активации при разрушении.

Данное выражение (2) показывает, что при разрушении активизируются миграционные процессы, а значение предэкспоненциального множителя положительно, что увеличивает на несколько порядков вероятность разрушения.

В настоящее время более доступно поддаются формализации процессы, проходящие при механической обработке, и описываемые с достаточной достоверностью детерминированными моделями. При формализованном описании ряда процессов исследователи испытывают значительные трудности, так как большинство факторов, определяющих динамику явлений и полученные результаты, являются случайными величинами, переменными во времени и пространстве. Создание общей модели, проходящих при механической обработке процессов, является сложным и громоздким, что возможно целесообразно. Поэтому возникает необходимость объединить часть связанных между собой явлений, которые имеют место при обработке металлов. Особенно это наглядно отражается при исследовании процессов лезвийной обработки, где присутствует пластическое деформирование, разрушение материала, перераспределение тепла в условиях стружкообразования, диффузия, самодиффузия, массоперенос как внутри микро - и макрообъемов, так и по границам раздела фаз [6,7].

Литература

1. Вассерман А. М., Кунин Л. Л., Суровой Ю. Н. Определение газов в металлах. Метод восстановительного плавления в атмосфере газа – носителя. –М.: Наука, 1976. С 228 – 229.
2. Жуков В.И. Служба техники безопасности на химическом заводе. – М.: Химия, 1978. – 335 с.
3. Дифффузия газовоздушного потока при повышении температуры. Беляков В.Н., Плужников А.А., Швецов И.В. Теоретические и прикладные аспекты современной науки. 2014. № 4-1. С. 87-88.
4. Газоаналитическое отображение аномальных участков при изготовлении крупногабаритных изделий. Белов А.А., Попсуй С.П., Никуленков О.В., Швецов И.В. Металлообработка. 2013. № 3 (75). С. 2-4.
5. Эпштейн Г. Н. Строение металлов, деформированных взрывом. Металлургия, 1988. – 290 с.
6. Диффузия газовоздушного потока через материал для повышения температуры. Белов А.А., Дараселия Н.В., Попсуй С.П., Швецов И.В. Современные проблемы науки и образования. 2013. №5. С. 95.
7. Энергосберегающие системы для повышения температуры теплоносителей на основе повышающих температуру устройств. Белов А.А., Швецов И.В. Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2013. № 4. С. 70-71.

References

1. Vasserman A. M., Kunin L. L., Surovoj Ju. N. Opredelenie gazov v metallah. Metod vosstanovitel'nogo plavlenija v atmosfere gaza – nositelja. –M.: Nauka, 1976. S 228 – 229.
2. Zhukov V.I. Sluzhba tehniki bezopasnosti na himicheskom zavode. – M.: Himija, 1978. – 335 s.
3. Difffuzija gazovozdushnogo potoka pri povyshenii temperatury. Beljakov V.N., Pluzhnikov A.A., Shvecov I.V. Teoreticheskie i prikladnye aspekty sovremennoj nauki. 2014. № 4-1. S. 87-88.
4. Gazoanaliticheskoe otobrazhenie anomal'nyh uchastkov pri izgotovlenii krupnogabaritnyh izdelij. Belov A.A., Popsuj S.P., Nikulenkov O.V., Shvecov I.V. Metalloobrabotka. 2013. № 3 (75). S. 2-4.
5. Jepshtejn G. N. Stroenie metallov, deformirovannyh vzryvom. Metallurgija, 1988. – 290 s.
6. Diffuzija gazovozdushnogo potoka cherez material dlja povyshenija temperatury. Belov A.A., Daraselija N.V., Popsuj S.P., Shvecov I.V. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2013. № 5. S. 95.
7. Jenergosberegajushhie sistemy dlja povyshenija temperatury teplonositelej na osnove povyshajushhih temperaturu ustrojstv. Belov A.A., Shvecov I.V. Sovremennaja nauka: aktual'nye problemy i puti ih reshenija. 2013. № 4. S. 70-71.