CC BY
23
т,
J/б/т
S(x) = --, где Е - эффект вулканизации за еди-
Ео
ницу времени при постоянной температуре, для которой подсчитывается S(x). Текущий показатель степени вулканизации сравнивается с заданным Som, и при их равенстве процесс вулканизации завершается.
Список литературы
1. Баденков, П. Ф. Достижения и перспективы исследования в области вулканизации как теплового процесса /
П.Ф. Баденков, А.И. Лукомская, В.А. Ионов; под ред. П.Ф. Баденкова // Технологические проблемы повышения эффективности вулканизационных процессов и качество шин: сб. науч. трудов.-М., 1978.-С. 15 - 30.
2. Осипов, Ю.Р. К вопросу о расчете температурного поля гуммированных изделий / Ю.Р. Осипов, А.Н. Швецов, A.A. Аваев. -М, 1981. - Деп. в ЦИНТИхимнефтемаш 15.10.81, №766.
3. Осипов, Ю.Р. Моделирование и оптимизация процесса вулканизации в АСУ ТП горячего крепления эласто-мерных покрытий / Ю.Р. Осипов, В.Г. Сулоев, П.В. Буте-нин // Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП: материалы III Всесоюз. конференции. -Тула: ТПИ, 1987. - С. 119 - 120.
4. Осипов, Ю.Р. Режимы вулканизации и прогнозирование свойств гуммировочных покрытий / Ю.Р. Осипов. -Вологда, 1992.
Осипов Сергей Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента Тверского государственного технического университета, докторант Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (4822)44-33-90; 8-910-533-46-66.
Скоробогатова Анна Юрьевна - аспирантка кафедры АСУ Тверского государственного технического университета.
Осипов Юрий Романович - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Потапов Николай Васильевич - студент Вологодского государственного технического университета.
Osipov, Sergey Yurievich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Management, Tver State Technical University, Cherepovets State University Doctorate.
Tel.: 8 (4822) 44-33-90; 8-910-533-46-66.
Scorobogatova, Anna Yurievna - Postgraduate student, Department of Automatic Control Systems, Tver State Technical University.
Osipov, Yury Romanovich - Russia's Honored Scientist, Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.
Potapov, Nikolay Vasilevich - student, Vologda State Technical University.
УДК 621.793
Ю.Р. Осипов, A.A. Немировский
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМНОЙ ДУГЕ С ГОРЯЧИМ ТУГОПЛАВКИМ
ГРАФИТОВЫМ АНОДОМ
Y.R. Osipov, A.A. Nemirovskiy
THE ANALYSIS OF HEAT EXCHANGE PROCESS INFLUENCE ON THE FORMATION OF THIN-FILM METAL COVERINGS PROPERTIES IN THE VACUUM ARC WITH THE HOT REFRACTORY GRAPHITE ANODE
В статье проанализированы теплообменные процессы при изготовлении тонкоплёночных металлических покрытий в вакуумной дуге с тугоплавким графитовым анодом. Исследования проводились с использованием двумерной модели процесса
теплообмена. Результаты исследований представлены в виде решений двумерной нелинейной, нестационарной задачи теплопроводности с граничными условиями в цилиндрических координатах для разных анодных длин и токов дуги. Решения получены при помощи конечно-разностного метода с использованием специально созданной компьютерной программы на языке программирования Visual С++.
Теплообменные процессы, температурное распределение, вакуумная дуга, тонкоплёночные металлические покрытия, тепловой поток, тугоплавкий анод, ток дуги, нелинейная нестационарная задача теплопроводности.
The paper analyses heat exchange processes at manufacturing thin-film metal coverings in a vacuum arc with the refractory graphite anode. The research was conducted using two-dimensional model of heat exchange process. The results are presented in the form of solving a two-dimensional nonlinear non-stationary problem of heat conductivity with boundary conditions in cylindrical coordinates for different anode lengths and arc currents. Solutions are received by means of finite-difference method using specially created computer program in the Visual С ++ language.
Heat exchange processes, temperature distribution, vacuum arc, thin-film metal coverings, heat flow, refractory anode, arc current, nonlinear non-stationary problem of heat conductivity.
Вакуумно-плазменные технологии широко применяются в ряде отраслей народного хозяйства (в машиностроении, инструментальном производстве, декорировании изделий и др.) для получения разнообразных износостойких, антифрикционных, жаропрочных, коррозионно-стойких покрытий и напылений на поверхности различных материалов. Пристальное внимание к этим технологиям обусловлено тем, что их применение в промышленности вместо традиционных методов (термообработки в печах, закалки в кислотных и солевых растворах, гальваническом нанесении покрытий) экономит электроэнергию, повышает эффективность производства, уменьшает или исключает экологически вредные последствия производства.
В последнее время получили дальнейшее развитие технологии нанесения тонкопленочных металлических напылений при помощи вакуумно-дуговых методов (ВДМ), которые являются весьма перспективными для использования в современных производствах. Основные преимущества ВДМ осаждения покрытий и поверхностного модифицирования материалов обусловлены возможностями синтеза поверхностных слоев различного назначения, в том числе и таких, которые обладают уникальными свойствами и не могут быть получены ни одним из других известных способов.
Сущность и области применения ВДМ изложены в работах [3], [7]. За сравнительно короткое время (с середины 70-х гг.) они получили широкое признание в вышеупомянутых производствах [5]. Однако присутствие макрочастиц катодного материала в конденсируемой плазме ухудшает качество осаждаемых покрытий и модифицируемых поверхностей. Это препятствует более широкому применению БДМ, прежде всего в таких важнейших направлениях, как микроэлектроника, оптика (видимого и инфракрасного диапазонов), медицина (микрохирургический инструментарий, проте-
зирование) и точная механика. Вопросы, связанные с физикой процессов генерирования и переносом макрочастиц, с методами подавления их потоков, являются предметом многочисленных исследований, систематизированных в обзорах [6], [8].
Нужно отметить, что новые технологии нанесения покрытий эффективны только тогда, когда они малоэнергоёмки, обеспечивают максимальное энергосбережение, высокопроизводительны, а также при использовании которых получаются изделия высокого качества, с соответствующим уровнем таких важных свойств, как адгезия к поверхностной основе, пористость, зернистость, проницаемость, стойкость к эксплуатационным воздействиям, возможность регулирования скорости нанесения материала и создания покрытий любого состава от чистых металлов до сложных соединений и т.д.
Высокая экономическая эффективность ваку-умно-дуговых методов нанесения покрытий обеспечивает их малую себестоимость благодаря низким энергетическим затратам при высоком коэффициенте использования исходных материалов, простоте исполнения и воспроизводимости результатов.
Исходя из этих требований, наряду с другими методами в вакуумно-плазменных технологических процессах нанесения покрытий и осаждения тонких плёнок применяется метод вакуумной дуги с горячим тугоплавким анодом (ВДГТА). Вакуумная дуга с горячим анодом (ВДГА), во время которой некоторое количество материала выделяется из анода для поддержания её в рабочем состоянии, была исследована в [5], [12]. Механизмы действия ВДГА и обычной многоточечной катодной вакуумной дуги различны. Функционирование ВДГА происходит в диффузном режиме, поэтому она может быть использована для нанесения покрытий [11]. ВДГТА была разработана некоторое время назад [4], [15] и является разновидностью ВДГА.
Метод плазменного напыления при ВДГТА реализуется путём использования в качестве электродов тугоплавкого, термически изолированного анода и медного катода с водным охлаждением.
В начальной стадии ВДГТА работает как обычная многоточечная катодная вакуумная дуга, характерной особенностью которой является наличие на катодной поверхности быстро перемещающихся катодных пятен. Эрозия поверхности катода вакуумной дуги под воздействием катодного пятна обуславливает генерацию струй металлической плазмы: потоков ионов, нейтрального пара и макрочастиц - капель (иногда - твердых осколков) материала катода [9], [10], [13]. Доля нейтрального пара в расходе массы катода мала и не превышает 1 %. Вклад капельной фазы в полный массоперенос материала катода может достигать 90 %. Макрочастицы имеют размеры 1-100 мкм, однако встречаются более крупные и более мелкие частицы. Скорость движения капель 101 - 104 см/с [1]. Количество макрочастиц зависит от материала катода, тока дугового разряда, теплового режима и геометрии катода [14].
Таким образом, под воздействием плазменных струй одновременно происходит разогрев тугоплавкого анода и осаждение материала катода на его поверхность. Когда температура анода достаточно высока, осажденный на него катодный материал начинает повторно переиспаряться, формируя в окружающем вакууме плотное расширяющееся облако плазмы, свободное от макрочастиц. Это свойство позволяет использовать ВДГТА в качестве источника «чистой» плазмы для изготовления металлических покрытий. Самыми важными технологическими параметрами при этом являются температура анода и время перехода вакуумной дуги в режим ВДГТА. Температура поверхности тугоплавкого анода должна достигнуть определенной величины, при которой происходит полное повторное переиспарение осажденного слоя металла, нанесенного катодными потоками плазмы. При этом тепловой режим анода во время работы ВДГТА в основном определяется величинами длины анода и тока дуги.
Авторами настоящей работы предлагается двумерная модель процесса теплообмена при изготовлении металлических покрытий в вакуумной дуге с тугоплавким графитовым анодом, которая включает в себя переход вакуумной дуги из точечно-катодного режима в режим ВДГТА. При этом рассматривается двумерная нелинейная нестационарная задача теплопроводности с определенными граничными условиями в цилиндрических координатах. Результаты исследований температурного поля анодного тела представлены как решения данной задачи для различных анодных длин и токов дуги.
Модель теплообменного процесса цилиндрического графитового анода радиусом Я и длиной £ показан на рис. 1.
Катод
e(/)crs/
Рис. 1. Модель теплообменного процесса цилиндрического анода
Тело анода нагревается во времени т плазменным тепловым потоком, поступающим на его активную поверхность (фронт) со стороны катода. Распределение теплового потока в аноде описывается уравнением теплопроводности с нелинейными граничными условиями [2]. Теплофизические характеристики анодного материала изменяются в зависимости от температуры t.
В рассматриваемой модели процесса теплообмена принята цилиндрическая система координат с осевым z и радиальным г направлениями. Начало отсчета - центр тыльной поверхности анода. Тыльная поверхность анода пассивна и не взаимодействует с плазмой.
Моделирование теплообменных процессов сводится к решениям нелинейного уравнения теплопроводности с граничными и начальными условиями при помощи конечно-разностного метода с использованием специально созданной компьютерной программы, написанной на языке программирования Visual С++.
С использованием данной модели процесса теплообмена были осуществлены имитации нагрева в ВДГТА для тугоплавких графитовых анодов с длинами L = 1; 1,5; 2; 2,5; 3 см при радиусе R = = 1,6 см. С помощью них проведены вычислительные эксперименты с целью установления распределения температурных полей данных анодов.
Временные зависимости анодной температуры
для тока дуги I = 340 А в центре анода (г = 0 см), для активной (z = 3 см) и пассивной (z = 0 см) поверхностей представлены на рис. 2. На основании графиков рис. 2, сравнивая временные отрезки выхода температуры на активной поверхности анода на стационарное значение (при L = 1 см, т -25 с, t - 2400 К и при L = 3 см, т -150 с, t - 2100 К), можно сделать вывод, что время достижения стационарной температуры гораздо меньше у коротких анодов.
Аналогично изменялась во времени температура пассивной стороны анода, однако время её роста до стационарной величины было больше, чем у активной стороны (при L = 1 см, т ~ 30 с i ~ 2100 К; при Ь = Ъ см, х - 180 с t~ 1800 К).
Зависимости стационарной температуры от анодной длины на активной и тыльной его поверхностях показаны на рис. 3. Здесь видно, что при увеличении длины анода температура активной и пассивной его поверхностей уменьшается. Данная тенденция присутствует при обоих токах дуги /= 175 и 340 А. Так, например, при токе дуги I = 175 А температура тыльной поверхности с длиной анода 3 см - 1600 К) меньше той же температуры для анода с длиной в 1 см (t - 1850 К). Аналогично при 1= 340 А температура равна 1800 и 2100 К, соответственно. Таким образом, величина температуры тыльной поверхности анода уменьшается обратно пропорционально его длине. То же самое можно сказать про температуру анодного фронта.
Поэтому с разностью температур между фронтальной и тыльной поверхностями - А t =
= - L) ~~ hz = о) наблюдается обратная зависимость, т.е. увеличение Дt пропорционально анодной длине и току дуги (рис. 4). Как видно из рис. 4, данная разность для графита при / = 340 А достигает 550 К (при L ~ 3 см) и 270 К (при L = 1 см), а при / = 175 А - 340 К (при L - 3 см) и 160 К (при Z= 1 см).
Для стационарного режима на рис. 5 представлено распределение температуры в теле тугоплавкого анода из графита в зависимости от координаты (z) с длинами анодов L = 1 и 3 см при токе дуги I- 175 А и с L = 1 см при токе дуги /= 340 А.
Зависимости на рис. 5 позволяют провести анализ распределения температурных полей на фронтальной (активной) и тыльной (пассивной) поверхностях анода. На рисунке отчетливо видно, что радиальное температурное распределение достаточно равномерно, причём равномерность сильнее выражена для более длинных анодов, чем для коротких. При этом очевидно, что температура анода повышается с увеличением тока дуги. Использование двумерной модели теплообмена при изготовлении металлических покрытий в вакуумной дуге с тугоплавким графитовым анодом дало понять, что разность между температурами поверхности в центре и по бокам анода не превышает 100 К.
/, к
2500
30
60
90
120
150
180
2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250
Рис. 2. Временные зависимости температуры анода при / = 340 А на г = 0 для Ь = 1 и 3 см
Разница между вычислениями температурного распределения в аноде с использованием одномерной и двумерной моделей составила также примерно 100 К. Исследования также показали, что Джоулево тепло относительно мало и составляет всего несколько процентов от энергии входящего теплового потока к поверхности анода.
Главные результаты вычислений анодной температуры с использованием двумерной тепловой модели процесса теплообмена;
1. Значение стационарной температуры для активной поверхности анода относительно высоко
0 ~ 2400 К при / = 340 А) и слабо зависит от его длины.
2. Полное переиспарение катодного вещества с поверхности анода обеспечивается повышенной температурой дуги, которая нагревает анод, как это экспериментально наблюдалось при работе ВДГТА [4], [15].
3. Радиальный градиент температуры на активной поверхности анода мал вследствие относительно слабого влияния теплового потока, излучаемого боковой поверхностью. Следовательно, для упрощения расчётов при имитациях нагрева
I, К] 2300 '
2100:
1900 . 1700 1500 1300
^ ]
I - "
--«Г- -( )............... -
——( ------—' —--1
----- <
1
1 1,5
-♦- 2 = 3 см, / = 175 Л
-*- г = 3 см, / = 340 А
2,5 I, см
г = 0 см, 1= 175 А 2 — 0 см, /=340 А
Рис. 3. Зависимости стационарной температуры от длины анода Ь на активной и тыльной анодных поверхностях при г = 0
Рис. 4. Зависимости разности температур в центрах активной и пассивной поверхностей анода как функций его длины Ь
t, к
2200
2000
1400 1200
Ь-т»г-i с-А-i i-А--, --А-1
0-е- >—е— 1-О 1-9---С
А -J А L—л --JL-, > , О с 1-©- 1-в-ф
'-9- ¡1—а— \—%— 1—т— 1—©—— :—~i 1-Ф ; :_ ) В 8 i '........-ф-i
•
0,2 0,4
0,6
1,2
1,4 R, см
-Л- 1 = 175 А, L- 1 см, z = 1 см
- / = 175 А, L =3 см, z = 3 см
-А- / = 340 А, L = 1 см, z = 1 см
- /= 175 А, L= 1 см, z = 0см
НИ---/ = 175 А, i = 3 см. 2 = 0 см
-в- /=340 А, L = 1 см, z = 0cm
Рис. 5. Распределение температуры в тугоплавком графитовом аноде в зависимости от параметра г для стационарного режима при /= 175 А, Ь = 1 и 3 см и при /= 340 А , Ь = 1 см
анода может быть использована одномерная модель процесса теплообмена, которая будет являться достаточно точной для вычисления его температуры в заданных пределах дуговых токов и геометрических параметрах анода.
4. Разность температур между фронтальной (активной) и тыльной (пассивной) анодными поверхностями зависит в основном только от входящего теплового потока в активную поверхность и радиально-аксиальной теплопроводности анода.
5. Поскольку радиальный температурный градиент очень мал и Джоулево тепло рассеяния имеет незначительную величину, то температуры фронтальной и тыльной поверхностей анода зависят только от граничных условий на них и от свойств материала, поэтому одинаковое значение теплового потока бралось как для коротких, так и для длинных анодов. С учетом этих условий было рассчитано, что с ростом длины анода разница между стационарной температурой фронтальной и тыльной поверхностями меняется приблизительно линейно.
Анализ информации при проведении вычислительных экспериментов позволил сделать следующие выводы:
1. Время достижения анодной поверхности стационарной температуры больше у длинных анодов, чем у коротких.
2. Разность температур между активной и тыльной поверхностями уменьшается прямо про-
порционально длине анода и достигает наивысшего значения 550 К при токе дуги / = 340 А и L = = 3 см, а наименьшего значения 160 К - при токе дуги /= 175 А и L ~ 1 см.
3. Расчеты показали, что стационарная температура анодной поверхности (t ~ 2000 - 2400 К для 1= 175 - 340 А, L ~ 1 см) является основным свойством, определяющим режим работы ВДГТА при изготовлении металлических покрытий.
Таким образом, при использовании вакуумной дуги с тугоплавким графитовым анодом в качестве источника плазмы для изготовления металлических покрытий с помощью созданной модели процесса теплообмена достаточно точно могут быть определены оптимальные качественные показатели ВДГТА - температура анода, величина дуговых токов и геометрические параметры анода.
Определение оптимальных параметров ВДГТА является главным условием полного испарения или максимального уменьшения размеров определенной части капель (макрочастиц) в плазменном потоке вакуумной дуги. Эффективность испарения капельной фазы - главная проблема, которая может быть решена с помощью применения описанной модели. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых и усовершенствовании уже существующих дуговых испарителей с целью увеличения качества покрытий и эффективности метода вакуумно-дугового нанесения покрытий. Особенно перспективными представ-
ляются дальнейшие исследования в данном направлении с целью создания систем для нанесения бескапельных покрытий и тонкопленочных металлических напылений на большие плоские поверхности, в том числе на рулонные и листовые материалы.
Список литературы
1. Клярфельд, Б.Н. Разрушение металлов катодным пятном дуги в вакууме / Б.Н. Клярфельд, Н.А. Неретина, Н.Н. Дружинина // ЖТФ. - 1969. - Т. 39. - Вып. 6. -С. 1061 - 1065.
2. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. -М.: Высш. шк., 1967.
3. Anders, A. Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review / A. Anders // Surface and Coat. Tech. - 1997.-Vol. 93.-P. 158.
4. Beilis, I.I. Interelectrode plasma parameters and plasma deposition in a hot refractory anode vacuum arc / I.I. Beilis, M. Keidar, R.L. Boxman and S. Goldsmith // Phys. Plasmas. -2000. - № 7. - P. 3068 - 3076.
5. Boxman, R.L. Handbook of Vacuum Arc Science and Technology / R.L. Boxman, P.J. Martin, D.M. Sanders, Eds. -Park Ridge; N.J., 1995.
6. Boxman, R.L. Macroparticle contamination in cathodic arc coatings generation, transport and control / R.L. Boxman,
S. Goldsmith // Surf, and Coat. Tech. - 1992. - Vol. 52. -P. 39.
7. Boxman, R.L. Principles and Applications of Vacuum Arc coatings / R.L. Boxman, S. Goldsmith // EEE Trans, on Plasma Sci. - 1980. - Vol. 17.-P. 5.
8. Boxman, R.L. Vacuum Arc Deposition: Early History and Recent Developments / R.L. Boxman // Proc. of the XIX th ISDEIV. -Xi'an, China, 2000.
9. Daalder, J.E. Components of cathode erosion in vacuum arcs / J.E. Daalder // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1976. -Vol. 9.-№ 11.-P. 2379-2395.
10. Daalder, J.E. Erosion and the origin of charged and neutral species in vacuum arcs / J.E. Daalder // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1975. - Vol. 8, № 14. - C. 1647 - 1659.
11. Ehrich, H. The anodic vacuum arc and its application to coating / H. Ehrich, B. Hasse, M. Mausbach, K.G. Muller // J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films. - 1990. - № 8. -P. 2160-2164.
12. Ehrich, H. The anodic vacuum arc. II. Experimental study of arc plasma / H. Ehrich, B. Hasse, K.G. Muller, R. Schmidt // J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films. - 1988. - № 6. - P. 2499-2503.
13. Kimblin, C.W. Erosion and ionization in the cathode spot region of vacuum arcs / C.W. Kimblin. // J. Appl. Phys. -1973. - Vol. 44, № 7. - P. 3074 - 3081.
14. McClure, G.W. Plasma expansion as a cause of metal displacement in vacuum arc spots / G.W. McClure // J. Appl. Phys. - 1974. - Vol. 45, № 5. - p. 2078 - 2084.
15. Rosenthal, H. Heat fluxes during the development of a HAVA / H. Rosenthal, I. Beilis, S. Goldsmith, R.L. Boxman // J. Phys. D, Appl. Phys. - 1995. -№ 28. - P. 353 - 363.
Осипов Юрий Романович - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 72-47-17 (доб. 169); 8 (8172) 53-18-22; 8-921-121-53-78.
Немировский Андрей Александрович - аспирант кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Osipov, Yury Romanovich - Russian's Honored Scientist, Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.
Tel.: 8 (8172) 72-47-17 (доб. 169); 8 (8172) 53-18-22; 8-921-121-53-78.
Nemirovsky, Andrey Alexandrovich - Postgraduate student, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.
УДК 621.762
А. Т. Степанов, З.К. Кабаков, M.A. Васшенков
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТОГО РАСПЛАВА ВОЗДУХОМ
А. Т. Stepanov, Z.K. Kabakov, М.А. Vasilenkov INVESTIGATION OF THE AIR DISPERSION PROCESS IN IRON-CARBON MELT
В статье рассматривается процесс распыления железоуглеродистого расплава воздухом. Основное внимание уделено реакции окисления железа кислородом воздуха и реакции обезуглероживания.
