Анализ температурных характеристик электролитно-плазменного разряда при струйной обработке металлического анода

Введение. Электролитно-плазменные технологии, применяемые для размерной и финишной обработки металлических поверхностей, привлекают внимание благодаря их высокой эффективности и точности. Ключевым фактором, определяющим качество обработки, является температура электролитно-плазменного разряда (ЭПР), влияющая на ионизацию электролита и свойства поверхности. Недостаток комплексных исследований температурных характеристик струйного ЭПР ограничивает оптимизацию процессов. Цель данного исследования — определить распределение температур и тепловых потоков в системе «струйный электролитический катод — металлический анод» при различных условиях обработки. Материалы и методы. Исследования проводились с использованием струи электролита диаметром 3 мм с массовой скоростью потока 0,25–3,75 г/с при напряжении 20–500 В. В качестве анода применялись стали ХВГ и 08Х18Н9Т, электролиты — водные растворы NaCl, (NH4)2SO4, C6H8O7 с концентрацией 4–50 г/л. Температура измерялась хромель-алюмелевой термопарой, инфракрасным пирометром и тепловизором. Результаты исследования. Разработано уравнение теплового баланса, описывающее распределение тепла между металлическим анодом (МА), струйным катодом, электролитом, паром и излучением. Анализ вольт-амперных характеристик (ВАХ) показал рост тока при низких расходах электролита (0,75–1,2 г/с) с последующим снижением при 300–500 В и параболическую зависимость с максимумом 2,6 А при расходе 2,37 г/с. Максимальная температура МА достигала 100 °С (NaCl, 4–35 г/л) и снижалась до 82 °С при 150 г/л, а полого катода — 158 °С при начальной температуре электролита 90 °С. Температура пара варьировалась от 67,3 (высокие расходы) до 87,5 °С (низкие расходы). Убыль электролита на испарение достигала 5,8 г при 300–340 В. Температура на периферии анода была на 15–20 % выше, чем в центре. Обсуждение и заключение. В процессе формирования электрического разряда (ЭР) в приповерхностном электролитно-плазменном слое выделяется теплота за счет множества микроразрядов, возникающих из-за высокой напряженности электрического поля на вершинах микронеровностей, границах зерен, дислокациях, отдельных атомах, а также на отрицательно заряженных поверхностях, таких как жировые отложения или окисленные участки. Основным источником теплового потока является тепло, выделяемое по закону Джоуля-Ленца. До напряжения 260 В дополнительный вклад вносит экзотермическая реакция окисления углерода в стали. Сформированное тепло неравномерно распределяется между электролитом, МА, полым катодом, паром и излучением. Наибольшее тепловыделение наблюдается в зоне формирования ЭР в виде эллипсоида, где фиксируются максимальные температуры МА (до 100 °C), полого катода (до 158 °C) и пара (до 87,5 °C). Полученные данные и уравнение теплового баланса создают основу для оптимизации струйного электролитно-плазменного полирования в машиностроении, медицине и микроэлектронике.