CC BY
102
УДК 621.785.53; 621 3.035.183
Кусманов Сергей Александрович
кандидат технических наук
Наумов Александр Рудольфович
кандидат химических наук
Смирнов Алексей Анатольевич
Костромской государственный университет имени Н.А. Некрасова sakusmanov@yandex.ru; anaumov@ksu.edu.ru
ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В БАРБОТИРУЕМОЙ КАМЕРЕ
Показано влияние скорости расхода воздуха и размеров образцов на температуру нагрева, плотность тока, скорость анодного растворения и толщину цементованного слоя при анодной электролитно-плазменной цементации малоуглеродистой стали в барботируемой ячейке.
Ключевые слова: электролитно-плазменная обработка, диффузионное насыщение, цементация, барботаж.
Анализ теплофизических особенностей электролитно-плазменной обработки (ЭПО) металлов и сплавов указывает на важную роль гидродинамических условий в рабочей камере [1]. В настоящее время для реализации процесса используют различные установки, в простейшем случае обработку проводят в непроточном электролите, то есть в условиях естественной конвекции без охлаждения электролита [2; 3]. Такие установки не обеспечивают стабильных условий и воспроизводимых результатов. Охлаждение электролита позволяет вести обработку при постоянной температуре, что достигается в камере с непроточным электролитом, которая окружена кожухом с водопроводной водой [4]. Недостатком этой методики является неравномерный нагрев детали по её высоте из-за неизбежного расширения парогазовой оболочки в вертикальном направлении. Равномерность нагрева и стабилизация температуры улучшаются в условиях контролируемой гидродинамики, при которой электролит перемешивается внутри охлаждаемой снаружи камеры [5]. Наиболее равномерный нагрев можно получить в рабочей камере с циркуляцией электролита через теплообменник [6-9], минимальный градиент температуры в цилиндрической детали достигается в условиях продольного распределенного обтекания [10].
Контур циркуляции электролита существенно усложняет установки для реализации ЭПО, где важную роль играет не всегда достаточная стабильность работы насоса. Охлаждение электролита может быть осуществлено теплообменником внутри рабочей камеры, а перемешивание электролита - потоками воздуха (барботажем). Такая возможность показана ранее [11], но режимы обработки не установлены. Целью данной работы является изучение влияния скорости расхода воздуха и размеров образцов на характеристики процесса (температуру нагрева, плотность тока, скорость анодного растворения) и толщину цементованного слоя.
Анодной ЭПО подвергались шестигранные образцы из стали 20 высотой 12, 25 и 40 мм и размером грани 4 мм. В качестве рабочего раствора ис-
пользовался водный раствор хлорида аммония (2 моль/л) и глицерина (1 моль/л) объемом 3,5 л. Цементация осуществлялась в рабочей камере, которая представляла собой диэлектрический цилиндрический сосуд диаметром 146 мм с помещенным в нее змеевиком в качестве теплообменника. Подача воздуха осуществлялась с помощью компрессора, выходное сопло которого находилось на дне рабочей камеры под обрабатываемой деталью на расстоянии 200 мм, что обеспечивало циркуляцию электролита вокруг вертикальной оси.
Значение напряжения фиксировалось с помощью вольтметра ЛМ-1 с диапазоном измерения 0300 В, классом точности 0,5 и ценой деления 2 В. Сила тока в диапазоне 0-10 А измерялась с помощью мультиметра MS8221, при более высоком токе применялся клещевой мультиметр MASTECHMS2101с диапазоном измерения 0-400 А и точностью 0,3% от измеряемой величины. Для определения температуры анода использовался мультиметр MS8221 и хромель-алюмелевая термопара М89-К1 с точностью 2% в диапазоне от 4001000 °С. Температура электролита измерялась цифровыми термометрами MS-6501 с термопарами быстрого отклика ТР-01 и составляла 20±1 °С. Скорость расхода электролита определялась с помощью поплавкового ротаметра РМФ-0,16 ЖУЗ. Скорость протока воды в теплообменнике не изменялась и составляла 3 л/мин.
Структура образцов после обработки в условиях анодной ЭПО изучалась с помощью металлографического анализа. Обработанные образцы помещались в металлическую оправу и заливались эпоксидной смолой. В дальнейшем после застывания смолы образцы шлифовались наждачной бумагой разной зернистости и полировались до зеркального блеска. Травление образцов проводилось стандартным металлографическим реактивом, представляющим собой 4%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Продолжительность травления составляла от 7 до 10 с. Изучение фазового состава осуществлялось на металлографическом микроскопе МЕТАМ РВ-21 при увеличении от 200 до 500 раз.
© Кусманов С.А., Наумов А.Р., Смирнов А.А., 2013
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2013
17
V , л/ч
Рис. 1. Зависимость температуры нагрева от скорости расхода воздуха для образцов с высотой: 1-12 мм, 2-25 мм, 3-40 мм (продолжительность обработки - 5 мин, напряжение - 240 В)
Объемная концентрация углерода в поверхностном слое определялась с помощью оптической эмиссионной спектрометрии на стационарном анализаторе металлов SPECTROMAXx. Анализу подвергался участок глубиной 75 мкм от поверхности и диаметром 1,5 мм. Предварительно с анализируемой поверхности механически удаляли оксидный слой.
Для определения влияния размеров образцов на температуру нагрева, плотность тока, скорость анодного растворения и толщину диффузионного слоя изменяли их высоту: 12, 25, 40 мм. Обнаружено, что перемешивание электролита барботажем при низкой скорости расхода воздуха значительно повышает температуру нагрева по сравнению с обработкой без барботажа (естественной конвекцией электролита) (рис. 1). По нашему мнению, это
V , л/ч
Рис. 3. Зависимость плотности тока от скорости расхода воздуха для образцов с высотой: 1-12 мм, 2-25 мм, 3-40 мм (продолжительность обработки - 5 мин, напряжение - 240 В)
V , л/ч
Рис. 2. Зависимость температуры электролита от скорости расхода воздуха для образцов с высотой: 1-40 мм, 2-25 мм, 3-12 мм (продолжительность обработки - 5 мин, напряжение - 240 В)
связано с усилением отвода тепла из прианодной области электролита, что способствует уменьшению толщины парогазовой оболочки и, соответственно, росту температуры нагрева.
При дальнейшем увеличении скорости расхода воздуха температура анода незначительно снижается для образцов высотой 12 и 25 мм, причем чем меньше размер анода, тем больше градиент падения температуры. Для образца высотой 40 мм температура анода при изменении скорости расхода воздуха практически не изменяется.
По сравнению с условиями естественной конвекции применение барботажа значительно снижает температуру электролита, причем ее величина остается почти постоянной при различных расходах воздуха (рис. 2). Установлено также, что с уве-
V , л/ч
Рис. 4. Зависимость скорости растворения от скорости расхода воздуха для образцов с высотой: 1-12 мм, 2-25 мм, 3-40 мм (продолжительность обработки - 5 мин, напряжение - 240 В)
18
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2013
V , л/ч
Рис. 5. Зависимость толщины мартенситного слоя от скорости расхода воздуха для образцов с высотой: 1-12 мм, 2-25 мм, 3-40 мм (продолжительность обработки - 5 мин, напряжение - 240 В)
личением высоты образца и, соответственно, глубины его погружения значения всех исследуемых характеристик снижаются (рис. 1-5).
Плотность тока в системе при охлаждении электролита воздухом примерно в два раза выше, чем при естественной конвекции электролита (рис. 3). При дальнейшем увеличении расхода воздуха плотность тока растет при обработке образцов высотой 12 и 25 мм и остается постоянной для образца высотой 40 мм. Данная зависимость отражает толщину парогазовой оболочки и коррелирует с температурой нагрева. Скорость растворения анода полностью соответствует наблюдаемой плотности тока в системе (рис. 4).
Зависимость толщины мартенситного слоя, образующегося после закалки в электролите, от скорости расхода воздуха определяется температурой нагрева: чем выше скорость расхода воздуха и ниже температура нагрева, тем меньше толщина мартен-ситного слоя (рис. 5).
Для образцов высотой 12 мм, обработанных при естественной конвекции электролита, а также при барботаже со скоростью расхода воздуха 25 и 90 л/ч, был проведен оптический эмиссионный спектральный анализ поверхности. В результате были получены следующие данные по содержанию углерода (объемная концентрация, %): 0,258 для V = 0 л/ч,
0,449 для V = 25 л/ч и 0,286 для V = 90 л/ч. Эти данные подтверждают ранее описанную зависимость толщины слоя от расхода воздуха.
Таким образом, изучение влияния скорости расхода воздуха и размеров образцов на характеристики процесса и толщину цементованного слоя выявило следующие закономерности:
- имеется оптимальная скорость подачи воздуха, соответствующая максимуму температуры нагрева при барботаже;
- плотность тока и скорость растворения повышаются при увеличении скорости расхода воздуха и понижаются при увеличении размера образцов;
- температура раствора электролита не изменяется от скорости расхода воздуха, но возрастает с увеличением размера образца;
- поверхностная концентрация углерода (углеродный потенциал) и толщина диффузионного слоя коррелируют с температурой нагрева.
На основе установленных закономерностей рекомендуется проводить цементацию малоуглеродистых сталей с барботажем при небольшой скорости расхода воздуха, в этом случае получается цементованный слой с наибольшей толщиной.
Библиографический список
1. Shadrin S.Yu., Belkin P.N. Analysis of models for calculation of temperature of anode plasma electrolytic heating // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2012. - V. 55. - P. 179-186.
2. Roy A., Tewari R.K., Sharma R.C., Sherhar R. Feasibility study of aqueous electrolyte plasma nitriding // Surface engineering. - 2007. - V. 23. -№ 4. - P. 243-246.
3. SenguptaS.K., Singh O.P. Contact glow discharge electrolysis: a study of its onset and location // Journal of Electroanalytical Chemistry. - 1991. - V. 301. -P. 189-197.
4. Paulmier T, Bell J.M., Fredericks P.M. Plasma electrolytic deposition of titanium dioxide nanorods and nano-particles // Journal of materials processing technology. - 2008. - V. 208. - P. 117-123.
5. Aliofkhazraei M., Rouhaghdam A. Sabour, Gupta P. Nano-Fabrication by Cathodic Plasma Electrolysis // Solid State and Materials Sciences. -2011. - V. 36. - P. 174-190.
6. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов / И.В. Су-минов, П.Н. Белкин, А.В. Эпельфельд и др. - Т. I. -М.: Техносфера, 2011. - 464 с.
7. Кусманов С.А., Дьяков И.Г., Белкин П.Н. Влияние углеродсодержащих компонентов электролита на характеристики электрохимико-термической цементации // Вопросы материаловедения. -2009. - № 4 (60). - С. 7-14.
8. Белкин П.Н., Дьяков И.Г., Жиров А.В., Кусманов С.А., Мухачева Т.Л. Влияние составов рабочих электролитов на характеристики анодной цементации // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2010. - Т. 46. - № 6. - С. 645-650.
9. Кусманов С.А., Жиров А.В., Дьяков И.Г., Белкин П.Н. Влияние оксидного слоя на характеристики анодной цементации малоуглеродистых сталей // Упрочняющие технологии и покрытия. -2011. - № 4 (76). - С. 15-21.
10. KomarovA.O., Mukhacheva T.L., DyakovI.G., Belkin P.N. Influence of Hydrodynamical Peculiarities of Electrolyte Flows on Temperature of Cylindrical
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2013
19
Workpiece by Plasma Electrolysis // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. - 2012. -V. 48. - No. 2. - P. 141-147.
11. Шадрин С.Ю. Электрохимико-термическая цементация стальных цилиндрических образцов
в барботируемой ячейке // Быстрозакаленные материалы и покрытия: тез. докл. 4-ой Всероссийс кой науч-техн. конф. - М: МАТИ - РГТУ им К.Э. Циолковского, 2005. - С. 127-131.
УДК 630*524+630*182
Махныкина Анастасия Владимировна
sunlife1408@yandex.ru
Верховец Сергей Владимирович
sverhovec@sfu-kras.ru Сибирский федеральный университет (г. Красноярск)
Кошурникова Наталья Николаевна
natank1980@mail.ru
Климченко Александр Васильевич
klimchenko@mail.ru
Институт леса им. В.Н. Сукачёва ^ РАН (г. Красноярск)
ДИНАМИКА ЗАПАСОВ УГЛЕРОДА В НАРУШЕННЫХ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЯХ СРЕДНЕЙ СИБИРИ
Одним из основных вопросов в понимании того, как изменение климата будет влиять на запасы углерода в экосистемах высоких широт в северном полушарии, является учет роли нарушений в функционировании бореаль-ных экосистем. По результатам исследования был определен период восстановления сосновых насаждений Средней Сибири после природных и антропогенных нарушений.
Ключевые слова: запасы углерода, бореальные леса, мониторинг экосистем, лесные пожары, сплошные рубки леса, изменения климата.
Лесные насаждения являются не только уникальными механизмами в глобальном цикле углерода, но также представляют собой индикаторы происходящих изменений климата. По оценкам ІРСС, изменение климата в большей степени повлияет на бореальные леса, потому что уже сейчас потепление происходит именно в высоких широтах [7].
Бореальными лесами покрыто около 14% поверхности Земли (исключая льды и полярные пустыни). Они представляют собой крупнейшую взаимосвязанную наземную экосистему и образуют зеленый пояс различной ширины по всему северному полушарию, приблизительно между 45 и 70° с.ш. Более половины площади бореальных лесов сосредоточено в России, 6% - в Скандинавии. Бореальные леса являются тем регионом, в котором чувствительность к изменениям климата и размеры делают его способным влиять на глобальную климатическую систему: (1) путем изменения глобального углеродного бюджета через изменения поглощения и высвобождение углерода; (2) путем изменения радиационного баланса через выбросы от пожаров и изменения альбедо и (3) путем изменения баланса влажности [11].
Одним из основных вопросов в понимании того, как изменение климата будет влиять на запасы углерода в экосистемах высоких широт в северном полушарии, является учет роли нарушений в функционировании бореальных экосистем [10]. Они подвергаются крупномасштабным природным на-
рушениям и в последнее время все чаще испытывают давление человека как от прямого воздействия в результате хозяйственной деятельности, так и от изменения глобальной климатической системы. При рубках леса наблюдается замедление связывания углерода, что приводит к повышенному содержанию в атмосфере диоксида углерода. Пожары также имеют непосредственное воздействие на баланс углерода бореальных лесов в результате преобразования живой биомассы и почвенного углерода в атмосферный углерода (СО2, СО, СН4) [6; 9].
В условиях повышенного внимания к углеродному бюджету лесов задача его инвентаризации, казалось бы, должна быть давно решена. Однако по отношению к лесам России этого не произошло. Опубликованные лишь в последние годы оценки стока углерода в леса России варьируют от 100 до 600 Мт С в год. Неопределенности пространственной и экосистемной привязки стоков углерода с неизбежностью сказываются на глобальных прогнозах климатических изменений. Формирование согласованной точки зрения на величины углеродного бюджета лесов России следует считать актуальной научной задачей [2]. Целью данной работы является определение возраста перехода нарушенных сосновых экосистем из источника углерода в объект его стока, используя базу данных подстилающей поверхности района исследования ZOTTO Forest (http://forest.sfu-kras.ru), посредством оценки запасов углерода в лесных насаждениях.
20
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2013 © Махныкина А.В., Верховец С.В., Кошурникова Н.Н., Климченко А.В., 2013
