真空电弧处理金属表面的研究

摘要

钢材表面的氧化物或其他污染物会造成表面缺陷，严重影响产品的质量以及后续的生产加工。目前处理金属表面氧化物的技术为化学除鳞和机械除鳞，但均会造成环境污染。近年来，真空电弧清除金属表面氧化物的技术逐渐被人们关注，相比于传统除鳞方法，真空电弧技术以其功耗低、无污染的特点在金属工业领域被人们重视，并展开相关的研究。
　　真空电弧有多种产生机理，但被普遍认同的是热-场致发射原理，在真空电弧形成以后，会在阴极表面形成阴极斑点。真空电弧处理金属表面主要是应用阴极斑点的以下两个特点:第一，阴极斑点的能量密度高达1010-1014w/m2，如此高的能量密度可以迅速地使金属表面的氧化物汽化。第二，由于金属氧化物的逸出功小于金属的逸出功，相对于纯净的金属表面，阴极斑点更倾向于在氧化层上形成，以达到选择性清除的目的。
　　本文首先设计完成了真空电弧处理金属表面的实验装置。利用SolidWorks软件设计了阴极、阳极等内部零件，选取了直流电源、真空泵、真空计、高压脉冲装置等外部设备，完成了各部分之间的电气连接，并利用控制器实现了整个实验装置的自动控制。
　　本文利用ANSYS软件仿真研究了电弧位置、磁场电流以及电弧电流对磁场强度及真空电弧受力情况的影响。仿真发现当电弧位于阳极中部时，磁场强度较大，其数值基本与横向磁场强度相同;随着磁场电流的增加，磁场强度增大，电弧的受力也增大，但是电弧在切向的受力增加量明显大于轴向的受力增加量;随着电弧电流的增加，电弧在轴向的受力增加明显。
　　本文对304不锈钢棒状，304不锈钢板状，Q235不锈钢板状，合金钢棒状四种材料进行了处理，并对处理过程中的放电特性进行分析。电压和电流在处理过程中并非一条直线，而是存在波动，造成波动的原因与阴极材料、阴极形状、电弧电流以及真空度有关。
　　本文通过对比实验探究了电弧电流和磁场电流对四种材料的清除速率、表面粗糙度及处理宽度的影响。通过图像处理技术计算得出清除速率与电弧电流成正比，与理论计算基本吻合。利用粗糙度测量仪测量被处理材料的表面粗糙度，发现磁场电流与电弧电流对粗糙度的影响均不大，而是与阴极材料的逸出功有关。当磁场电流增加时，阴极材料被处理的宽度减小，当电弧电流增加时，阴极材料被处理的宽度略有增加。

目录

致谢

摘要

1．1课题背景及研究意义

1．2国内外研究现状

1．3真空电弧处理金属表面实验机理

1．4本文研究内容

2真空电弧处理金属表面实验装置的设计

2．1真空室的设计

2．1．1真空室的设计要求

2．1．2真空室材料选择

2．1．3真空室的结构设计

2．2真空室的内部设计

2．2．1电极设计

2．2．2磁场的设计

2．2．3引弧装置

2．3外部设备的确定

2．3．1真空泵的选择

2．3．2直流电源的选择

2．3．3真空计的选择

2．3．4控制器的选择

2．4本章小结

3真空电弧处理金属表面的磁场仿真

3．1 模型建立

3．2电弧电流100A时仿真分析

3．2．1磁场电流1A时磁场强度及电弧受力

3．2．2不同磁场电流下的磁场强度及电弧受力

3．3电弧电流200A时仿真分析

3．4本章小结

4真空电弧处理金属表面放电特性研究

4．1处理过程放电特性测量

4．2真空电弧放电特性

4．2．1 304不锈钢板状材料下真空电弧的放电特性

4．2．2合金钢棒状材料下真空电弧的放电特性

4．2．3 304不锈钢棒状材料下真空电弧的放电特性

4．3本章小结

5真空电弧处理金属表面实验研究

5．1清除速率

5．1．1清除速率的理论计算

5．1．2清除速率的计算方法

5．1．3四种不同材料的清除速率分析

5．2表面粗糙度

5．2．1表面粗糙度理论分析

5．2．2表面粗糙度的测量方法

5．2．3四种不同材料的表面粗糙度分析

5．3处理宽度

5．4本章小结

6总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

声明

学位论文数据集