Методика применения ультразвука в плазменно-электролитном процессе

Методика применения ультразвука в плазменно-электролитном процессе

111 2 И.Х.А. Аль Умари , Н.Ф. Кашапов , Р.Н. Кашапов , В.Г. Саиткулов ,

В.П. Иванов

1 Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань 2Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева- КАИ, Казань 3ФГУП Государственный институт прикладной оптики Казань

Аннотация: В настоящей статье рассмотрен комбинированный метод плазменно-электролитной обработки и последующей ультразвуковой визуализации медицинских игл, созданных из стали марки 12Х18Н9Т. Представлена функциональная схема установки для плазменно-электролитной обработки медицинских игл. Описано устройство, предназначенное для ультразвуковой диагностики микрорельефа в полученном материале. Ключевые слова: ультразвук, плазма, электролит, визуализация, микрорельеф, игла, лунка

Введение

В течение последних 20 лет известно множество способов упрочения поверхностного слоя материала. Однако каждый из них обладает определенными ограничениями, связанными с различными способностями материалов к упрочению. В то же время развиваются комбинированные методы обработки, совмещающие тепловые и механические процессы. Определенный интерес представляют схемы, совмещающие быстрый электролитно-плазменный нагрев и последующее ультразвуковое исследование материала с заданными свойствами [1].

К основным недостаткам известных устройств [2,3] относится сложность, состоящая в контроле горения разряда на катоде, что могло привести к возникновению дефектов обрабатываемых материалов и дальнейшей неравномерности обработки материалов. Задачей исследований явилось обеспечение возможности исследования потенциала в межэлектродном промежутке посредством контроля за анодными микроразрядами в низкотемпературной плазме.

Исследование электролитно-плазменной обработки металлов

Эксперимент, исследующий характеристики электролитно-плазменного разряда, был выполнен в интервале напряжений^ = 0 ^ 250 В,

токов I = 0 + 50 А, температур ^ = 0 ^ 110 ° С и рН = 1 + 12 . Это позволило рассмотреть широкий спектр параметров низкотемпературного плазменного процесса с целью выбора оптимальных данных для поверхностной обработки материалов, предназначенных для производства медицинских игл.

Установка, содержащая источник питания 1, электродную систему 2, электролитическую ванну 3, добавочное сопротивление 4, осциллограф 5, вольтметр 6 и амперметр 7, представлена в виде функциональной схемы на рис. 1. Подача регулируемого постоянного напряжения на систему электродов осуществлялась источником тока. Электродная система предназначена для контроля погружения электролитов в раствор. Измерение формы подаваемого тока и напряжения осуществлялось с помощью осциллографа. Амперметр и вольтметр снимали показания тока разряда и напряжения.

электролит М-

а

б

Рис. 1. - Экспериментальная установка, фиксирующая анодные микроразряды: а - вид

спереди, б - вид сбоку

Изначально анод представлял собой прямоугольную пластину 5 х 8 х 1 мм2, медный катод был выполнен в форме кольца диаметром 8 мм и толщиной 1 мм. В ходе экспериментов было установлено, что протекание плазменно-электролитного процесса обусловлено

1

пятикратным и более превышением площади катода по отношению к площади анода £К > 5 £ А. Было установлено, что при меньшем соотношении начинаются процессы гашения разряда на аноде, а при равенстве площадей происходит горение разряда на катоде. Сигналы с датчиков (напряжение, сила тока, температура) оцифровывались, и далее происходила их фильтрация от помех. Совокупность данных передавалась на компьютер, где осуществлялась их окончательная обработка. Средняя скорость съема металла, где т1 - взвешиваемый образец до начала эксперимента и т2 -после, определялась по формуле:

Ат

и =

р • £ А • А'

где Ат = т1 - т2, р -плотность стали 12Х18Н9Т, £А -площадь анодной

поверхности, А1 - время процесса разряда. Результаты по скорости

протекания плазменно-электролитного процесса согласуются с данными, полученными ранее [2].

Рис. 2. ВАХ электролитно-плазменной обработки Установление параметров площади анода, времени разряда и скорости съема металла позволило провести исследование плазменно-электролитной

1

обработки стали марки 12Х18Н9Т с применением анодного электролита. Вольтамперные характеристики (ВАХ) анодного разряда в зависимости от концентрации электролита представлены на рис. 2.

Область электролиза (анодное растворение) связана с ростом тока от напряжения. Горение анодных микроразрядов расположено вблизи максимума. Наконец, в области возникновения плазменного образования вокруг анода, связанной с горением разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом, ВАХ практически не зависят от концентрации электролита. Смещение максимума в область меньших напряжений обусловлено ростом концентрации раствора. Это связано с тем, что возрастает величина удельной электропроводности, определяемой только концентрацией электролита и температурой. В ходе экспериментов было установлено, что при концентрации КаС1, равной 1%, оптимальная температура составляет 75 °С, а при концентрации 3-5% не превышает 88%.

В ходе плазменно-электролитного процесса обработки материала, имитирующего медицинские иглы, было выявлено, что распределение температуры Т вдоль оси г, перпендикулярной поверхности электрода, определяется известным уравнением теплопроводности с учетом стационарности теплового источника и характеристик анодного раствора, не зависящих от температуры:

дТ

д СТ Рэл дг 2 СТ Рэл

где сТ -удельная теплоемкость, рэл- плотность вещества электролита, XТ -коэффициент теплопроводности электролита, д А - удельная мощность.

В результате глубина лунки на конце иглы определяется процессом плавления поверхностного слоя анода, что требует равномерного в течение единицы времени ввода теплоты. Это позволяет получить требуемую

глубину лунки при условии, что источник теплоты и граница расплава перемещаются синхронно. Глубина лунки определяется формулой:

h =_ЗАТразр_

Л pjcv(-г0)+еИсП+о,5и2] где тразр - время протекания реакции, Qисп -теплота фазового превращения,

Тпл- температура плавления, Т0- исходная температура, ир- скорость разлета

частиц расплава. При неизменном тепловом потоке в расчете на единицу поверхности (q Атразр = const) глубина лунки оказывается наибольшей (рис.

3).

h

Рис.3. - Зависимость глубины лунки от времени горения разряда

Устройство электролитно-плазменной обработки медицинских игл

Четкая визуализация края медицинской иглы обусловлена частотой ультразвукового датчика и глубиной образуемой лунки. В ходе испытаний глубина изменялась от 10 до 1000 мкм, а частота - от 1 до 10 МГц. Так как ультразвуковая волна падает на рабочий конец иглы под углами от 0 до 180°, то оптимум ее рассеяния достигается в случае нормального падения относительно оси иглы. Следовательно, в случае производства лунок под разными углами врач избавлен от необходимости держать сканирующий инструмент под каким-то определенным углом, и, таким образом, эффективность медицинского исследования повышается.

При сопоставлении глубины лунки hЛ и длины падающей волны X необходимо выбрать оптимум, гарантирующий рассеяние ультразвукового излучения в разные стороны. В случаеhЛ > X преобладает геометрическая оптика, т.е. качественный прием отраженной волны осуществляется под прямым или близкими к нему углами относительно оси иглы. Когдаhn ~ X, отражение происходит под разными углами, и

контрастность иглы возрастает. Таким образом, требуется нанесение шероховатостей (лунок) размером 10^1000 мкм под разными углами относительно оси трубки с наконечником. На рис. 4 и на рис. 5 представлены осциллограммы, соответствующие случаям hn > X и hn ~ X . Сигнал был реализован в виде произведения единичной функции, экспоненты и синусоиды:

t

f (t) = g(t) • e T  sin fflt причем коэффициент затухания экспоненциальной составляющей твыбирался таким образом, чтобы уровень шума от зондирующего сигнала во время прихода отраженных импульсов от лунок на крае иглы был минимальным.

AUTO СН1VDC STOP Pos: 40.7Э.Ш CHI

CH1 50m V- CH2 20mV- 10jjs -

CHI: +2.000mV TRG:+0,162V

Рис. 4. - Осциллограмма зондирующего сигнала на конце иглы

в случае кя > X

AUTO СН1 f DC STOP Pos: 40.79jus

СН1

;

:

Л

\> Д/

;

;

:

Display

Coupling

* Probe

fB

Position Set to OV

CHI

CH2: -83.20mV

CH2 20mV- 1 Ojjs

TRG: +0.400V

Рис. 5. - Осциллограмма зондирующего сигнала на конце иглы

в случае кЛ ~ X

На основе проведенных экспериментов было создано устройство «КЛЁН-1», принципиальная схема которого представлена на рис.6.Прибор выполнен по ГОСТ 15150(Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды) и ГОСТ 17516 (Изделия электротехнические. Условия эксплуатации в части воздействия механических факторов внешней среды.). В устройство входят четыре основных блока: источник питания 1, блок управления и контроля 2, системы фильтрации и прокачки жидкости с электролитом 3, устройства обработки 4. Последние включают компьютер и осциллограф для качественной обработки микроплазменной обработки медицинских игл и их проверки ультразвуком. Устройство позволяет выполнять обработку до 100 игл одновременно.

Рис. 6. - Принципиальная схема устройства «КЛЁН-1»

Заключение

Получены данные, подтверждающие соотношение размерности поверхностей электродов с целью создания установки, фиксирующей анодные микроразряды. Это позволило получить вольтамперные характеристики плазменно-электролитной обработки материалов для нанесения лунок на край медицинских игл. На основе физики ультразвуковых волн подобрано соответствие между глубиной обработанного конца иглы и длиной волны. Создан прибор «КЛЁН-1», выполняющий обработку материала и его контроль посредством ультразвукового излучения.

Литература

1. Рахимянов Х.М., Еремина А.С. Установка для химико-термической обработки в электролитной плазме // Сборник научных трудов НГТУ. - 2006.

- № 3. - С. 141-144.

2. Словецкий Д.И., Терентьев С. Д., Плеханов В.Г. Механизм пламенно-электролитного нагрева металлов // Теплофизика высоких температур - 1986.

- Том 24, № 2. - С. 353- 363.

3. Кашапов Р.Н. Плазменно-электролитная обработка медицинских игл. // Материалы конференции «Индустрия наносистем и материалы», МИЭТ, Москва - 2005 - С. 82-86.

4. Кутепов А.М., Захаров А.Г., Максимов А.И. и др. Физико-химические и технологические проблемы исследования плазменно-растворных систем. // Химия высоких энергий - 2003. - Т.37, №5. - С. 362 -366.

5. Хлюстова, А.В., Максимов А.И., Титов В.А. Излучение тлеющего разряда с электролитным катодом и процессы переноса нейтральных и заряженных частиц из раствора в плазму // Химия высоких энергий - 2004. -Т.38, №3. - С. 227 - 230.

6. Harada K., Iwasaki T. Syntheses of amino acids from aliphatic carboxylic acid by glow - discharge electrolysis. // Nature - 1974. - vol. 250. - pp. 426-428.

7. Davies R. A., Hickling A. Glow - discharge electrolysis. Part I. The Anodic formation of hydrogen peroxide in inert electrolysis. // Journal chemical society - 1952. - pp. 3595 - 3602.

8. Гайсин А.Ф., Сон Э.Е. Об особенностях многоканального разряда с твердым и электролитическим электродами при атмосферном давлении. // Теплофизика высоких температур - 2007. - Т. 45. № 2. - С. 316-317.

9. Щербаков И.Н., Дерлугян Ф.П. Обоснование процесса получения композиционных антифрикционных самосмазывающихся материалов с заданными техническими характеристиками методом химического наноконструирования // Инженерный вестник Дона, 2010, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/287

10.Коваленко Д.А., Петров В.В. Разработка сенсоров на основе сегнетоэлектрических пленок для гибридных сенсорных систем //Инженерный вестник Дона, 2012, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n4p2y2012/1357

References

1. Rakhimyanov H.M., Eryomina A.S. Ustanovka dlya khimiko-termicheskoy obrabotki v elektrolitnoy plazme. Sbornik nauchnyh trudov NGTU [Elecrolyte plasma termochemical treatment production plant. NSTU collection of studies].2006. № 3.pp. 141-144.

2. Slovetsky D.I., Terentyev S.D., Plekhanov V.G. Teplofizika vysokikh temperatur.1986. Vol. 24. № 2.pp. 353- 363.

3. Kashapov R.N. Plazmenno-elektrolitnaya obrabotka meditsinskikh igl. Materialy konferentsii «Industriya nanosistem i materialy» [Medical needle plasma-electrolyte fabrication. "Nanosystems industry and materials" conference proc.], MIET, Moscow. 2005. pp. 82-86.

4. Kutepov A.M., Zakharov A.G., Maximov A.I. High Energy Chemistry,

2003. Vol. 37, No. 5. pp. 362 - 366.

5. Khlyustova A.V., Maksimov A.I., Titov V.A. High Energy Chemistry,

2004. V. 38, №3. pp. 227-230.

6. Harada K., Iwasaki T. Nature, 1974.Vol. 250. pp. 426-428.

7. Davies R. A. Hickling A. Journal chemical society, 1952.pp. 3595 - 3602

8. Gaisin A.F., Son E.E. Thermophysics of High Temperatures, 2007. Vol. 45. No. 2. pp. 316-317.

9. Shcherbakov I.N., Derlugyan F.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/287

10. Kovalenko D.A., Petrov V.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1357