CC BY
28
Описана залежтсть властивостей поверхневих шарiв eupo6ie i3 залiзовуглеце-вих сплавiв та продуктiв гх ерозп вид потуж-Hocmi стащонарних електричних розря-дiв, використаних для розмiрног обробки, i витрати робочог ридини
Ключовi слова: електрична дуга, мжрот-
верд^ть, продукти ерози
□-□
Описана зависимость свойств поверхностных слоев изделий из железоуглеродистых сплавов и продуктов их эрозии от мощности стационарных электрических разрядов, применяемых для размерной обработки, и расхода рабочей жидкости
Ключевые слова: электрическая дуга,
микротвердость, продукты эрозии
□-□
Dependence of superficial layers properties of wares is described from iron-carbon alloys and products of their erosion from power of stationary electric discharge, applied for dimension treatment, and expense of working liquid
Keywords: voltaic arc, microhardness, products of erosion
■Q О
УДК 669.14.018.298.2
ВЛАСТИВОСТ1 ПОВЕРХОНЬ ЛИСТОВИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ РОЗМ1РН1Й ОБРОБЦ1 ЕЛЕКТРИЧНОЮ ДУГОЮ
В. I. Н осул е н ко
Доктор техшчних наук, профессор, завщувач кафедри Кафедра обробки металiв тиском Юровоградський нацюнальний техшчний ушверситет пр. Ушверситетський, 8, м. Юровоград, УкраТна, 25006 Контактный тел.: (0522) 39-04-19
О.С. Чумачен ко
Кандидат техшчних наук, доцент Кафедра лазерноТ техшки та фiзико-технiчних технолопй Нацюнальний техшчний ушверситет „КиТвський пол^ехшчний шститут" просп. Перемоги, 37, м. КиТв-56, УкраТна, 03056 Контактный тел.: (0522) 27-51-06
Вступ
Термiчне рiзання листового металу iз використан-ням перетворено'Т в тепло енергп електричного дугового розряду, зокрема плазмове, набувае все бшь-шого поширення. Спосiб розмiрноi обробки металiв електричною дугою (РОД) мае широк можливостi формоутворення, i високу економiчну ефективнiсть при виконаннi роздiлових операцш листового металу, зокрема в комбшацп iз плазмовим рiзанням. В яко-стi матерiалу для електродiв-iнструментiв в умовах РОД застосовують переважно графи, що мае високу ерозшну стiйкiсть, i чавун. Утворення продукпв ерозii i своечасне Тх видалення е важливою умовою високопродуктивного i стiйкого процесу. Для забез-печення потрiбних властивостей оброблених повер-хонь i розробки технологiчних процесiв важливим е системне дослiдження впливу основних характеристик електричного розряду, якими визначаеться режим обробки, на структуру i властивост поверхонь виробiв та продукпв ерозii iз залiзовуглецевих спла-вiв, як основних матерiалiв для отримання листових деталей. Технолопя розмiрноi обробки електричною дугою постiйного струму в поперечному потощ рiдини забезпечуе оплавлення поверхневих шарiв оброблених
матерiалiв i великi швидкостi охолодження при пере-кристалiзацii даних шарiв, що повинно приводити до суттевих змш мжроструктури, фазового складу i властивостей шарiв.
Мета роботи - вивчення впливу основних параме-трiв (робочий струм, напруга, тиск робочо'Т рiдини i речовина електрода-iнструмента) режимiв розмiрноi обробки електричною дугою постшного струму на структуру i властивост оброблюваних поверхонь та продуктiв ерозп залiзовуглецевих сплавiв iз вмiстом вуглецю до 3,5 % ваг.
Результати дослщжень
В якосп робочо'Т рщини використана технiчна вода, молекули яко'Т в зонi дп електрично'Т дуги можуть дис-оцiювати на атомарний водень i кисень, що може приводити до додаткового окислення як продукпв ерозп, так i оброблюваних поверхонь. Виходячи з цього, в робот вивчали структуру, фазовий склад i мжротвер-дiсть оброблених поверхонь i продуктiв ерозп.
У табл. 1 наведено хiмiчний склад матерiалiв, використаних як робочi електроди, в табл. 2 - параметри розмiрноi обробки.
Таблиця 1
Хiмiчний склад сталей i чавужв використаних як робочi електроди
Матер1ал електрод1в Х1м1чний склад електрод1в % вага
Fe С а Мп S Р
Сталь У8 ост. 0,78 0,26 0,30 0,015 0,012
Сталь 20 ост. 0,20 0,27 0,50 0,040 0,040
Сталь 40 ост. 0,40 0,27 0,65 0,040 0,040
Чавун 43 ост. 3,51 2,27 0,70 0,067 0,085
Чавун ост. 3,44 1,64 0,74 0,023 -
Згщно табл. 2, робочий струм змшювався вiд 125 до 500 А, напруга - вщ 13 до 45 В, тиск робочо! рщини - вiд 0,6 до 1,6 МПа. В якост електродiв використано стал^ чавуни i графiт.
Таблиця 2
Значення параметрiв режимiв розмiрноT обробки електричною дугою виробiв зi сталей i чавунiв
Режим обробки Параметри режим1в обробки Матер1ал електрод1в
I, А и, В Рст, МПа анод катод
1 125 30 0,6 Сталь У8 Сталь У8
2 460 30 0,7 Сталь У8 Сталь У8
3 145 13 1,4 Сталь У8 Сталь У8
4 125 13 1,0 Сталь У8 Граф1т
5 450 35 0,8 Сталь У8 Граф1т
6 460 35 1,0 Сталь 20 Граф1т
7 460 35 1,0 Сталь 40 Граф1т
8 170 40 1,3 Сталь 20 Граф1т
9 160 32 1,1 Чавун 43 Чавун 43
10 500 35 1,3 Чавун 43 Чавун 43
11 150 30 1,5 Чавун Чавун
Мiкроструктура i мiкротвердiсть вивчались на одних i тих же дiлянках. На рис. 1 приведена мжрострук-тура i крива розподiлу мiкротвердостi поверхневого шару сталi 20 оброблено! по режиму 6.
Структура чггко складаеться з трьох шарiв: поверх-невий монолиний шар товщиною до 0,05 мм, свилий двохфазний (2 - продукти розпаду аустешту, 3 - фе-рит) шар товщиною 0,15 - 0,20 мм i структура почат-кового стану сталi 20 (3 - ферит, 4 - перли). Причому поверхневий ,Длий шар" практично присутнш у в«х зразках, оброблених електричною дугою.
В лiтературi зустрiчаються роботи, автори яких роблять спробу дати пояснення природи виникнення „бшого шару" i визначити його фазовий склад. Так, в робоп [3] Палатник Д.С. пише, що при електрично-му рiзаннi армко-залiза мiдним електродом (катод) утворюеться ,Длий шар", який майже не травиться i „безсумшвно, мiстить цементит". Нетравимшть цього шару пiкратом натрiю (що виявляе цементит i зафар-бовуе його в чорний колiр) автор пояснюе впливом розчинених в цементит елементiв рабочого середо-вища (ашлшу, трансформаторного масла). Вiн також
вважае, що при обробщ сталей твердими сплавами типу ВК, стели) в поверхневому шарi також утворюеться карбщ, але складшший по складу, шж цементит.
12000
МПа 6000
3000
0
0 0,1 L, мм 0,3
Рис. 1. ММкроструктура i крива розподту мiкротвердостi поверхневого шару стал^ обробленоТ по режиму 6
Ляпунов М.Д. вважае, що цри обробщ загартова-них сталей 45 i У8 i жаромщно! сталi 5ХНВ ,Длий шар" складаеться з первинних дендрипв аустенiту i аустештно-перлитно! евтектики iз мiкротвердiстю НВ 512-915 кгс/мм2 [4].
У роботi [5] зазначено, що при електроконтактному шлiфуваннi дугою постшного струму в ,Длому шарi" спостерiгаеться безструктурний мартенсiт, перехщ-ний в голковий.
I нарештi, в роботi [6] повщомляеться, що при електроiмпульснiй обробщ загартованих вуглецевих сталей в "бшому шарГ' видно дуже дисперснi фази в метастабшьному станi.
Так, зпдно лiтературних даних, ,Длий шар" може складатися як з цементиту (простого i складного), так i з аустенiту i мартенсiту, чим i пояснюеться висока мiкротвердiсть даного шару.
Структура i кривi змiни мiкротвердостi (рис. 1) оброблено! поверхнi показують, що поверхневий шар товщиною 0,05 мм можна розглядати як моноли iз ви-сокою мiкротвердiстю (до 10000 МПа).
У другому шарi спостер^аються двi фази, одна з яких мае мжротвердшть близько 11000 МПа (2), а друга (3) - близько 2000 МПа. По загальному вигляду i конфиурацп фазових включень структура середнього шару вiдрiзняеться ввд початково! структури сталi 20 лише кольором окремих структурних включень, яю в середньому шарi мають дуже високу мiкротвердiсть. (11000 МПа) i свiтлий (2) вигляд, а в основному шарi темне забарвлення (4) i мiкротвердiсть близько 2500 МПа. Таку рiзницю в мжротвердост можна пояснити так. Зона початково'! структури складаеться зi свилого фериту (3) i темних включень (4) перлиу iз мжротвер-дктю 2500 МПа. Середня зона - це зона суттевого тер-мiчного впливу, де температура ще нижча за лжвщус, але вище за солщус. Це приводить до того, що зерна перлиу перетворюються на зерна аустешту евтекто!д-ного складу. Проте висока мжротвердшть даних зерен свщчить про те, що в проце« рiзкого охолодження ау-стешт частково перетворюеться на мартенсiт i ферит, i ми маемо справу iз метастабiльними продуктами його розпаду. Ферит середньо! зони практично шчим не вiдрiзняеться вiд фериту початково! сталь
Мжротвердшть поверхневого шару на 1000 МПа нижча, шж „аустешту" середнього шару. Це пов'язано з тим, що поверхневий ,Длий шар" кристалiзуеться
■Г
13 р1дкого розплаву при п1двищених швидкостях охо-лодження 1 е метастаб1льними продуктами розпаду збщненого аустешту 1з вм1стом 0,2 % ваг. вуглецю коли вм1ст його в аустент середнього шару складае 0,8% % ваг. Причому розпад збщненого аустешту проходить б1льш повно, шж збагаченого, 1 поверхневий шар краще травиться, шж зерна аустешту пром1жно-го шару.
На рис. 2 приведена мжроструктура 1 графж змши м1кротвердост1 поверхневого шару чавуну 43, оброб-леного по режиму 10 (катод).
9000
0,5
L, мм
1,5
тим, що коли бомбардування анода здшснюеться елек-тронами, то катода - позитивними юнами вуглецю. Це приводить, з одного боку, до штенсившшого нагр1ву речовини катода 1, з шшого - до збагачення речовини катода вуглецем (якщо електрод-шструмент графи або зал1зовуглецевий сплав), що обумовлюе стшюсть збагаченого аустешту 1 пониження м1кротвердост1 про-дукт1в його розпаду.
Таблиця 3
Значення мкротвердосп i товщини поверхневого шару сталей i чавунiв для рiзних режимiв обробки
Рис. 2. Мiкроструктура i крива розподiлу мiкротвердостi поверхностного шару чавуну 43, обробленого по режиму 10 (катод)
Як 1 у попередньому випадку, структура ч1тко складаеться з трьох шар1в: поверхневий св1тлий тов-щиною до 0,35 мм, середнш свилий. 1з включеннями первинного граф1ту товщиною 0,65 мм 1 темний шар початково! перл1тно! структури с1рого чавуну. Як 1 у випадку стал1 20, м1кротверд1сть поверхневого шару чавуну на 1000 МПа нижче, шж пром1жного шару. Пов'язано це з тим, що даний шар кристал1зуеться 1з рщкого стану, де весь графи розчинений, 1 при пщви-щених швидкостях охолодження аустешт розпадаеть-ся пор1вняно слабко.
Пром1жна зона утворена внаслщок нагр1ву чавуну в твердому сташ, тобто температура вища за солщус, але нижча лжвщуса. Це приводить до перетворення перлиу на аустешт евтектощного складу, який в про-цес1 охолодження розпадаеться б1льш повно 1 дае при-близно таку ж м1кротверд1сть, як 1 у випадку стал1 20.
У третш зош шяких суттевих змш структури, а отже, 1 м1кротвердост1 не спостер1гаеться.
Таким чином, можна вважати, що внаслщок впливу електрично! дуги на електроди утворюеться поверхневий змщнений шар, що складаеться з двох д1лянок: зовшшнього, утвореного шляхом гартування 1з рщко-го стану, 1 внутр1шнього, змщненого гартуванням 1з твердого стану.
Для вс1х режим1в обробки отримаш мжрострукту-ри 1 графжи розпод1лу м1кротвердост1 в поверхневих шарах. Результати представлен в табл. 3 у вигляд1 значень м1кротвердост1 1 середньо! товщини поверхневих шар1в.
Анал1з табличних даних показав, що зб1льшення потужност1 дуги вщ 1,9 до 17,5 кВт приводить до зб1ль-шення товщини змщненого шару анода вщ 0,05 до 0,22 мм 1 шару катода вщ 0,10 до 0,95 мм. Товщина змщненого шару катода у вс1х випадках в 2-4 рази б1льше товщини анодного шару. Але м1кротверд1сть змщненого шару анода завжди вища, шж катода. Пояснюеться це
Режим обробки Поляршсть електрода Потуж-шсть дуги, кВт Мжро-твердють шару, МПа Товщина поверхневого шару, мм
2 анод 13,8 10000 0,13
3 анод 1,9 9700 0,05
3 катод 1,9 6800 0,10
4 анод 1,6 11000 0,09
5 анод 15,8 9000 0,12
6 анод 16,1 11000 0,25
7 анод 16,1 8000 0,10
9 катод 5,1 8200 0,20
10 анод 17,5 10500 0,22
10 катод 17,5 8650 0,95
11 анод 4,5 7500 0,09
11 катод 4,5 7000 0,12
Фазовий анал1з оброблених поверхонь проводився на установщ УРС-50И-М в зал1зному випромшюванш. Швидюсть руху л1чильника 2 град/хв при швидкост1 руху стр1чки самописця 2400 мм/год. Осюльки по-передш дослщження поверхонь показали, що в основному в сталях спостер1гаються розмиття лшш фериту, було зроблено припущення про наявшсть мартенсиу. Для перев1рки, цього була застосована методика вияв-лення мартенсиу, запропонована в робот1 [7].
Результати фазового анал1зу приведен! в табл. 4, 1з яко! виходить, що вс1 оброблеш поверхш сталей скла-даються з: фериту 1 мартенсиу (ймов1рно, наст1льки дисперсних, що не виявляються за допомогою св1тло-во! мжроскопп) з1 заниженим вм1стом вуглецю пор1в-няно з його вм1стом в початкових структурах сталей. У чавунах поверхнев1 шари м1стять в основному розмит лшп аустешту 1 мартенситу.
Таблиця 4
Фазовий склад i вмют вуглецю в мартенситi поверхневих шарiв сталей i чавунiв
Режим обробки Поляршсть електрода Речовина електрода Фазовий склад поверхш сплаву Вмют вуглецю в мартенсит! % ваг.
3 анод ст. У8 март., ферит 0,62
4 анод ст. У8 март., ферит 0,72
5 анод ст. У8 март., ферит 0,53
7 анод ст. 20 март., ферит 0,13
8 анод ст. 40 март., ферит 0,26
0
Дослщження мжроструктур рiзних фракцiй про-дукпв ерозii сталей i чавунiв показали, що вони мало вiдрiзняються один вщ одного i подiбнi мжрострукту-рам продуктiв ерозii сталi У8, обробленоi по режиму 2 (рис. 3).
а) б) в) г)
Рис. 3. ММкроструктура продуклв ерозп сталi У8, режим 2, х70. Дiаметри часток: а — 70-10-5; б — 2-10-4; в - 4-10-4; г - 7 -10-4
Стльною закономiрнiстю для продуктiв ерозп 3Í сталей, отриманих при po3MÍpHrn обробцi електрич-ною дугою при рiзних режимах, е наступне:
1) продукти ерозп bcíx фракцiй переважно мае сфе-ричну форму;
2) значна частина продукив ерозп середньо! i крупно! фракцiй мае усадковi раковини сферично! форми;
3) велика частина продукпв ерозii на вщмшу вiд поверхневих шарiв електродiв мае внутрiшню будову, помiтну навггь при 70-кратному збiльшеннi як на дрГ6-них, так i на крупних фракщях.
Це означае, що продукти ерозп охолоджуються i3 меншою швидкiстю, нiж поверхневi шари оброблених деталей.
Мжропори всерединi середнiх i крупних фракцш часто займають 50-80% об'ему продукпв ерозii. Отже, !х не можна розглядати як просто усадковi раковини. Ймовiрно, в процеа вiдриву рiдкого розплаву вiд поверхш електрода потоком рiдини вiдбуваеться за-хоплення крапель робочо! рiдини розплавленим мета-лом i випаровування !х зi збiльшенням об'ему крапель рщкого розплаву iз подальшою кристалiзацiею тонких поверхневих шарiв рiдкого розплаву.
В умовах РОД розмiр продуктiв ерозп зб^ьшу-еться при збiльшеннi сили струму i зменшенш тиску робочо! рщини. На осцилограмах процесу кожному елементарному ерозшному акту i утворенню продук-тiв ерозп вiдповiдають коливання робочо! напруги (рис. 4), под1бно до коливань напруги зварювально! дуги при крупно- чи дрiбнокрапельному перенесенш матерiалу [8]. При збiльшеннi тиску робочо! рщини амплiтуда коливань напруги зменшуеться (рис. 4, б), що вщповщае зменшенню розмГрГв отримуваних про-дукпв ерозп i видаленню матерiалу електродiв за один ерозiйний акт меншими порщями.
Ud, в
30
в гЖ ч w
-
«f, иле 7Я.К 364.0Í 371.06 378.08 385.10 3SU2 t МЛС 406.16
а) б)
Рис. 4. Осцилограми РОД при утворенж продуючв ерозi!: а — крупно! фракцп (1,3 мм); б — середньо! фракцi! (0,6 мм)
У табл. 5 приведет значення мжротвердосп i фазового складу продукпв ерозii, отриманих при рiзних
режимах обробки. Фазовий аналiз продукив ерозп проводився на установщ ДРОН-2,0 в кобальтовому ви-промшюванш, швидюсть руху лiчильника 1 град/хв, швидюсть руху стрГчки 600 мм/год.
Таблиця 5
Значення мкротвердосп i фазового складу продуклв epo3Í! сталей i чавужв, оброблених на рiзних режимах
Режим обробки Значення мшротвердост продукпв ерозп, МПа, фракци Фазовий склад
a-Fe y-Fe оксиди
велика середня др1бна
1 4656 6470 7620 март., фер. - FEO
2 6646 7620 8082 март., фер. - FEO
3 6137 7208 7457 март., фер. - FEO
4 6178 7010 7675 март., фер. - FEO
5 8036 8571 9233 март., фер. - FEO
6 4896 5296 5693 март., фер. - FEO
7 5867 6470 6579 март., фер. - FEO
8 4415 7208 8571 март., фер. - FEO
9 6269 7377 8082 март., фер. ауст. -
10 5961 7620 7992 мартенсит ауст. -
11 7537 8571 9652 мартенсит ауст. -
Висновки
Аналiз експериментальних даних показуе, що практично для в«х сталей i чавунiв зi зменшенням розмiру фракцiй (пiдвищенням швидкостi охолоджен-ня мiкротвердiстъ порошку зростае, наближаючись до мiкротвердостi оброблених поверхонь.
Зi збiльшенням вмiсту вуглецю в сталях твердость продуктiв ерозii зростае, проте твердеть продуктiв ерозii чавунiв знаходиться мiж значеннями мжрот-вердостi ст. 40 i ст. У8, що пов'язано з усталешстю пере-сиченого аустешту.
Збiльшення робочого струму в 3 рази приводить до тдвищення мжротвердоси продуктiв ерозii сталi У8 на 1500 МПа.
За вах рiвних умов обробки замiна катода зi сталi У8 на графиовий приводить до пiдвищення мжрот-вердосп продуктiв ерозп приблизно на 1000 МПа.
З таблиц 5 видно, що продукти ерозп простих сталей складаються з фериту, мартенсиу i окислу залiза, коли продукти ерозп чавушв мiстять лише аустешт i мартенсiт.
Лiтература
1. Носуленко В. И. Электрическая дуга в поперечном по-
токе среды-диэлектрика как источник тепла для новых технологий // Электронная обработка материалов, 2005, № 2. - С. 26 - 32.
2. Носуленко В. И., Чумаченко О. С. Электроразрядная
обработка листовых деталей как новые возможности и высокоэффективная альтернатива традиционным технологиям // Электронная обработка материалов, 2005, № 3. - С. 20 - 25.
3. Палатник Л.С. Рентгенографическое исследование превращений в поверхностном слое металлов, подвергавшихся действию
электрических разрядов. - Изв. вузов АН СССР, 1951, т. 15, № 1, с. 80 - 85.
4. Ляпунов М.А. Электроимпульсная обработка высокопрочных; металлов и сплавов. - Киев; Наукова думка, 1965.
5. Витлин В.Б., Давыдов А.С. Электрофизические методы обработки в металлургическом производстве. - М.: Металлургия,
1979.
6. Лившиц А.Л., Кравец А.Т. Электроимпульсная обработка металлов. - М.: Машиностроение, 1967.
7. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронномикроскопический анализ. - М.: Металлургия
1970, C. 121 - 126.
8. Пономарев В., А.В. да Коста, Скотти А. Влияние капли електродного металла на напряжение дуги при сварке в защитных газах
// Автоматическая сварка, 2002, № 4. - С. 7 - 11.
В po6omi були розглянутi основш прин-ципи метода фотодинамЫно1 терапп з використанням напiвпровiдникових кван-moeo-po3MÏp^x структур в якостi фотосе-сибiлiзаторiв. Приведет результати дослiд-жень напiвпровiдникових квантових точок в якостi потенцшних фотосенсибiлiзаторiв Ключовi слова: фотодинамiчна тератя,
фотосенсиб^затор, квантовi точки □-□
В работе рассмотрены основные принципы метода фотодинамической терапии с использованием полупроводниковых квантово-размерных структур в качестве фотосенсибилизоров. Приведены результаты исследований полупроводниковых квантовых точек как потенциальных фотосенсибилизаторов
Ключевые слова: фотодинамическая терапия, фотосенсибилизатор, квантове точки
□-□
In this work the basic principles of photo-dynamic therapy method are considered using semiconductor quantum dimensional structures as photosensitizers. The results of investigation of semiconductor quantum dots as potential photosensitizers are present
Key words: photodynamic therapy, photose-nsitizer, quantum dots
УДК 544.032.65
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
ДЛЯ МЕТОДА ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ
ТЕРАПИИ
И.В. Березовская*
E-mail: berezovskaya.irina@gmail.com
Ю.Т. Жолудов
Старший научный сотрудник* *Кафедра «Биомедицинские приборы и устройства» Харьковский национальный университет радиоэлектроники просп. Ленша, 14, м.Хармв, УкраТна, 61166 Контактный тел.: (057) 702-03-69 E-mail: rzh@kture.kharkov.ua
1. Введение
Важное место в использовании новых технологий занимает медицина. Актуальным и перспективным в современной медицине является метод фотодинамиче-
ской терапии (ФДТ). Метод лечения онкологических заболеваний, который обладает рядом преимуществ перед традиционными методами лечения, что вызывает интерес в изучении этого метода и понимания его внутренних процессов с целью повышения его эффективности.
