Твердого тела в воде [4]: τ0 - продолжительность скрытого воз-действия кавитации

Рис. 15. Относительное изменение мик­ротвердости материала в зависимости от продолжительности кавитационного воз­действия при амплитуде колебаний ξ =ЗОмкм: 1 — алюминий; 2 — медь; 3 — сталь

вами жидкости. Этот период изменяется в очень широких диапазонах. На­пример, для сталей в зависимости от интенсивности кавитации этот период может растянуться до десятков минут и даже часов. При тех же условиях на поверхности свинца разрушения наблюдаются уже через 2—3 с.

В процессе любого нагружения, в том числе и кавитационного воздей­ствия, свойства материала изменяются, т.е. они не стабильны во времени. .У металлов в результате кавитационных микроударных нагрузок наблю­дается пластическое деформирование, и, соответственно, деформационное упрочнение поверхности. С повышением степени деформации изменяются физико-механические свойства металлов, в частности прочность, твер­дость, пластичность и т.д.

Постоянная изменчивость свойств металлов является одной из основ­ных причин, из-за которых в настоящее время не установлены точные кор-реляционные связи между исходными механическими свойствами и сопротивлением материала кавитационному разрушению. При разработке технологического процесса выбор акустических режимов очистки должен обеспечивать процесс разрушения и удаления поверхностных пленок и загрязнений за время меньшее, чем продолжительность инкубационного периода, характерного для материала очищаемой поверхности. Более того, в ряде случаев могут быть недопустимы некоторые необратимые измене­ния, происходящие в поверхностном слое без его видимого разрушения. Поэтому с практической точки зрения представляет интерес кинетика изменения свойств поверхностного слоя на протяжении первоначального, т.е. инкубационного, периода кавитационного воздействия.

Результаты измерения микротвердости поверхностного слоя у раз­личных материалов в зависимости от продолжительности кавитационного воздействия показаны на рис. 15. Материалы обрабатывали в воде при

19

амплитуде колебательных смещений ξ = 50 мкм, их располагали на рас­стоянии 3 мм от источника колебаний.

У всех металлов процесс пластической деформации поверхностного слоя в результате кавитационного воздействия начинался практически с начала обработки. При этом длительность инкубационного периода в указанных выше условиях эксперимента для сплава алюминия АМг-6 достигала примерно 200 с, для меди около 300 с, а для стали СтЗ — 500 с. Иными словами, изменения в поверхностном слое начинают проявляться задолго до начала разрушения, сопровождающегося потерей массы мате­риала.

Для оценки величины пластической деформации поверхностного слоя в результате кавитационного воздействия рентгеновским методом иссле­довали, а затем сравнили образцы, обработанные в кавитирующей жид­кости, с эталонными образцами с фиксированной величиной пластической деформации. Зависимость изменения величины пластической деформации поверхностного слоя у алюминиевого сплава АМг-6 от продолжительности кавитационного воздействия при различных амплитудах колебаний источ­ника звука приведена на рис. 16.

Результаты исследования показывают, что пластическая деформация поверхностных слоев в сплаве алюминия может достичь значительных величин (δ ≈ 35 / 40%), Деформация поверхности начинает развиваться с первых моментов кавитационного воздействия и продолжает нарастать и после начала видимого кавитационного разрушения. Наблюдаемое нача­ло кавитационного разрушения сплава АМг-6 соответствует величине пластической деформации поверхностного слоя δ ≈ 8 /10%.

Глубина упрочненного слоя будет определяться глубиной проник­новения волны пластической деформации в результате микроударного воздействия и, безусловно, связана с природой материала, его структу­рой, акустическими режимами обработки.

Изменение микротвердости по глубине у сплава АМг-6 после 180 с его кавитационной обработки показано на рис. 17. Глубина пластичес­ки деформированного слоя достигает примерно 150-180 мкм.

Если предположить, что пластическая деформация поверхности

металла связана с импульсами высоких давлений, возникаю­щими при захлопывании кави­тационных полостей, то она должна коррелировать с эф­фектом кавитационной эро­зии и определяться величиной

Рис. 16. Зависимость пластической деформации поверхности сплава алюминия АМг-6 от продолжитель­ности кавитационного воздействия в воде при амплитудах колебаний 1 - ξ = 30 мкм; 2 - ξ = 10мкм; 3 - ξ — 50 мкм

20

Рис. 17. Изменение микротвердости по глубине у сплава алюминия АМг-6 при амплитуде колебаний ξ = 30 мкм

Рис. 18. Степень пластической деформации поверхности δ(ξ) и уменьшение мас­сы ΔG (ξ) у сплава АМг-6 при различных амплитудах колебательных смещений: • — пластическая деформация; Δ — уменьшение массы

амплитуды колебаний и расположением поверхности относительно источ­ника звука. Экспериментально наблюдаемая область изменения зависимос­ти ΔG(ξ|) и δ(ξ) дана на рис. 18. Первоначально с ростом амплитуды наблюдается увеличение степени пластической деформации и величины кавитационного разрушения, однако затем наблюдается тенденция к сни­жению. Наблюдаемая тенденция хорошо согласуется с представлениями о механизмах кавитационного воздействия на поверхность и показывает, что упрочнение поверхности связано с эрозионными эффектами кавити-рующей жидкости.

В результате исследований получены зависимости степени пласти­ческой деформации поверхности алюминиевого сплава АМг-6 от амплиту­ды колебательных смещений источника звука и расстояния от излучающей поверхности до образца δ (ξ, h) (рис. 19). Полученные результаты гово­рят о их практически полном совпадении с изложенными выше резуль­татами по зависимости кавитацион ной эрозии, определяемой по по-тере массы, от амплитуды колеба-тельных смещений и расстояния до источника колебаний ΔG (ξ, h).

Рис. 19. Изменение степени пластической деформации поверхности сплава алюми­ния АМг-6 с ростом амплитуды коле­баний и расстояния от источника коле­баний при обоработке в воде в тече­нии τ =180 с:

21

1 - ξ =30мкм; 2-ξ =20мкм; 3 -ξ = = 10 мкм

Пластическая деформация и упрочнение поверхности металле имеют место только в тех зонах кавитационной области, где наблюдается кави­тационная эрозия, причем степень пластической деформации увеличи­вается, а зона действия уменьшается с ростом амплитуды колебаний.

Отмеченная закономерность позволяет управлять кавитационным воздействием на поверхность. При расположении очищаемого объекта в безэрозионной зоне, т.е. на расстоянии от источника звука h₀, не будут наблюдаться пластическая деформация и упрочнение поверхности метал-ла.

ПОТОКИ В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ

В звуковом поле в жидкости возникают направленные гидродина­мические потоки, которые получили название акустических течений. Потоки возникают как в свободном пространстве, так и вблизи колеблю­щихся тел или иных препятствий, помещенных в звуковое поле. Появле­ние акустических течений вызвано тем, что переносимое звуковой вол­ной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при пог­лощении волны передается среде, вызывая ее направленное движение. Поэтому скорость акустических течений возрастает с ростом интенсивнос­ти звуковой волны и коэффициента поглощения звука. Принято рассмат­ривать три типа акустических течений [30,34].

Первый - течения, возникающие в вязком пограничном слое вблизи твердой поверхности или на границе раздела фаз. Теория потоков в погра­ничном слое была разработана Шлихтингом, который установил, что в определенных условиях под действием звуковой волны возникает вихревое гидродинамическое движение в пределах акустического пограничного

слоя. Толщина акустического пограничного слоя равна , где v —

кинематическая вязкость; ω - круговая частота звука. Масштаб этих пограничных вихрей много меньше длины волны.

Мелкомасштабные течения, возникающие у поверхности препятствий, играют существенную роль в массо- и теплопередаче. К таким течениям относят микропотоки, возникающие в результате колебаний кавитацион­ных пузырьков у границы с твердой поверхностью. По скорости эти пото­ки превосходят потоки других типов.

Второй тип акустических течений также имеет вихревой характер, но они не затрагивают акустического пограничного слоя. Масштаб этих течений больше масштаба вихрей в пограничном слое и соизмерим с длиной звуковой волны. Однако возникновение этих течений обусловлено вязкостью жидкости, проявляющейся в основном в пограничном слое.

Третий тип течений связан с поглощением энергии и импульса вол­ны в свободном звуковом поле, в котором поглощение проявляется на расстоянии, значительно превышающем длину звуковой волны. Это расстояние и определяет масштаб течений. Этот тип течений получил название эккартовских — по имени Эккарта, решившего задачу о потоках в некавитирующей жидкости, возникающих в ограниченном объеме под действием направленного звукового пучка плоской звуковой волны. Ско­рость стационарных потоков обычно много меньше амплитуды коле­бательной скорости источника звука, поэтому их считают медленными.

22

Рис. 20. Крупномасштабные по­токи в воде при амплитуде коле­баний излучателя ξ = 50 мкм.

Теоретические исследова­ния акустических течений это­го типа распространяются в основном на медленные тече­ния. Возникновение кавита­ции в жидкости изменяет свойства жидкости, условия излучения в нее, а потому масштаб и скорости течений. На рис. 20 показаны круп­номасштабные потоки, наб­людаемые в поле высокоамп­литудного излучателя. Пара­метры этих потоков опреде­ляются величиной колебатель­ной скорости излучателя. Акустический режим колеба­тельной системы (частота, амплитуда колебательных смещений) оказывает су-_ щественное влияние на структуру и скоростные характеристики потоков в кавитационной области. Прежде всего, при увеличении амплитуды смещений до ξ ≈ 8 ÷ 10 мкм наблюдаются характерные изменения акус­тических и кавитационных свойств жидкости [10]. При этом акусти­ческом режиме происходит резкое изменение сопротивления нагруз­ки, наблюдается уменьшение доли некогерентного шума в общем балансе энергии акустического спектра кавитации, и наконец, именно при этих амплитудах смещений наблюдается максимум акустическо­го давления, измеренного на различных расстояниях от излучателя.

Опытным путем установлено, что в ограниченном объеме жидкости при амплитудах колебательных смещений 8-10 мкм у излучающей по­верхности источника формируется сплошная кавитационная зона, сильно поглощающая акустическую энергию. В связи с этим можно предпола­гать, что в таких условиях картина стоячих волн в объеме нарушается. Сильное поглощение акустической энергии, связанное с кавитацией, приводит к появлению направленных гидродинамических потоков, существенно превышающих по скорости потоки, образующиеся в зву­ковом поле в отсутствие кавитации.

Исследование кавитационных процессов с использованием скорост­ной киносъемки позволяет получить информацию о характере потоков, связать их кинематические характеристики с акустическими режима­ми. Проведенная киносъемка (v_K = 4000 кадр/с) кавитационной облас­ти при различных амплитудах показала, что акустические режимы оп­ределяют характер возникновения и распространения кавитационных эффектов в технологическом объеме. Анализ кинограмм показал, что

23

при амплитуде колебательных смещений ξ ≈ 2 ÷ 3 мкм сразу после вклю­чения звука кавитационные полости наблюдаются и пульсируют не толь­ко в непосредственной близости от источника колебаний, но и на значи­тельном расстоянии от него. Четко выраженного направленного дви­жения жидкости и пузырьков в объеме не наблюдается. Только непос­редственно в зоне, прилегающей к источнику колебаний, наблюдается неустойчивое по направлению движение мелких пузырьков. Скорость их мала, и на расстоянии 10-12 мм от источника звука их направлен­ное движение прекращается, они расходятся в стороны и начинают всплывать.

При увеличении амплитуды колебательных смещений до 8-10 мкм и более картина резко меняется. Кавитирующая жидкость покрывает всю поверхность излучателя. Развившаяся вблизи излучателя кавитация начинает сильно поглощать акустическую энергию, что вызывает форми­рование направленного потока пузырьков. На рис. 21 показаны направ­ления линий тока у сформировавшегося течения. В процессе установления потока пузырьков наблюдается движение фронта направленного течения. На рис. 22 показана скорость распространения фронта течения пузырьков в зависимости от амплитуды смещения. Кривая 2 представляет собой среднюю скорость фронта течения на расстоянии 10 мм от излучателя. По мере увеличения расстояния от источника колебаний скорость фрон­та замедляется. Расстояние, на которое распространяется фронт тече­ния, зависит от величины амплитуды смещения и увеличивается с ее рос­том: Н = fξ. Распространяющийся поток содержит большое количест­во пузырьков различных размеров. Пузырьки перемещаются поступа­тельно в пределах общего направленного потока со своими скоростями, отличающимися от скорости фронта, зависящими от диаметра пузырька, расстояния от источника колебаний и амплитуды колебательных сме­щений. Увеличение диаметра пузырька и амплитуды приводит к увели-

24

чению поступательной скорости движения пузырька, увеличение рас­стояния от источника звука снижает скорость движения пузырька.

На рис. 22 показана также зависимость средней скорости пузырь­ков (кривая 1) в интервале средних диаметров d = 0,4 ÷ 0,6 мм на расстоянии 10 мм от излучающей поверхности источника колебаний. Пузырьки меньшего диаметра имеют несколько меньшую скорость, однако для анализируемых размеров d = 0,2 ÷ 0,6 мм скорость пу-зырьков превышает скорость распространения фронта течения. Необ-ходимо иметь в виду, что с учетом скорости киносъемки v_K = 4000 кадр/с на рис. 22 представлена зависимость для средней скорости пузырьков за 5-6 периодов колебаний возбуждающего поля.

Проведенные исследования по эффективности протекания ряда конкретных жидкостных технологических процессов показали, что основ­ной технологический эффект наблюдается внутри перемещающегося пузырькового течения, которое является своего рода "транспортом" для переноса пузырьков в технологическом объеме — осуществляет вынос отделенных загрязнений из глухих отверстий и полостей. Кроме крупно­масштабных потоков, захватывающих значительную часть технологичес­кого объема, с ростом амплитуды колебаний появляются пульсации кавитационной области, примыкающей к источнику колебаний.

В ближней к излучателю зоне поток представляет собой область, насыщенную большим количеством кавитационных пузырьков различ­ных размеров и обладающих различными энергетическими возможнос­тями.

Интенсивные потоки в ближней зоне, вызванные пульсацией кави­тационной области, связаны с существенным увеличением индекса ка­витации в этой области технологического объема с ростом амплитуды колебаний. Известно [30], что индекс кавитации характеризует степень развитости кавитационной области. Бели выбрать внутри кавитацион­ной области некоторый объем V, линейные размеры которого существен­но меньше длины волны, но значительно больше размеров кавитацион-ного пузырька, то под индексом кавитации будет пониматься отношение

где ΔV — объем всех кавитационных пузырьков, находящихся в объе­ме в фазе их наибольшего расширения.

Очевидно, что ΔV пропорционален потенциальной энергии, запасен­ной всеми содержащимися в рассматриваемом объеме пузырьками в мо­мент наибольшего их расширения. Из определения следует, что индекс кавитации может изменяться: 0 ≤ К≤ 1. Нижний предел соответствует случаю, когда кавитация отсутствует. Метод экспериментального опре­деления индекса кавитации сводится к следующему. На фотографичес­кое изображение кавитационной области накладывается несколько прямых и определяется длина части прямых, попадающих на изобра­жения пузырьков. Из теории вероятности следует, что доля длины пря­мых, попадающих на изображение пузырьков, равна доле объема, зани­маемой этими пузырьками.

25

Проведенное исследование кавитационной области с использованием скоростной киносъемки со скоростью 120000 кадр/с [12] позволило выявить некоторые особенности, появляющиеся в ближней к излучате­лю зоне с ростом амплитуды смещений. Обращает на себя внимание тот факт, что при амплитудах смещений ξ| ≥ 15 мкм в полупериод рас­ширения пузырьки занимают фактически весь объем этой зоны. Интен­сивное взаимодействие пузырьков, их слияние и перемещение не поз­воляют проследить в этих условиях за поведением одного и того же пу-зырька на протяжении нескольких периодов. В зоне сильно развитой кавитации киносъемка позволяет оценить только некоторые интеграль­ные параметры. Измерение индекса кавитация осуществлялось для ближ­ней зоны, где форма кавитационной области повторяется от периода к периоду. Исследуемая область моделировалась цилиндром диаметром 8 и высотой 4 мм. При амплитуде колебаний ξ = 15 мкм усредненный по нес­кольким периодам индекс кавитации К = 0,85. Иначе говоря, в фазе расширения пузырьки занимают 85% объема, вытесняя жидкость в ок­ружающее пространство, образуя пульсирующие с частотой поля радиаль­ные потоки. Принимая допущение, что жидкость вытесняется через бо­ковые стенки исследуемого объема, а также считая, что изменение объема пузырьков, а следовательно, и вытесненной жидкости происходит по си­нусоидальному закону, будем иметь

где V_o - объем кавитационной области; ω₀ - круговая частота звуко­вого поля.

В этом случае скорость пульсирующих потоков на границе исследуе­мой области

где S — площадь боковой поверхности условного цилиндра.

В результате расчета получаем значение амплитуды скорости этих течений V_m ≈ 120 м/с. Таким образом, в ближней к источнику колеба-ний зоне при амплитудах колебаний ξ ≈ 15 мкм возникают пульсацион-ные течения жидкости со скоростью около 100 м/с, направленные в стадии расширения пузырьков от кавитационной области, а в стадии сжа­тия — внутрь области. Указанные течения возникают в том случае, ког­да индекс кавитации стремится к единице, т.е. когда пузырьки сопри­касаются друг с другом.

Кроме пульсирующих пузырьков наблюдаются пузырьки осциллирую­щие. Исследование осцилляций, т.е. поступательных движений изолиро­ванных пузырьков, находящихся вблизи кавитационной области, показы­вает, что амплитуда осцилляций пузырьков достигает примерно 0,5 мм и происходит в такт с изменением объема пузырьков в кавитационной области. При расширении пузырьков в кавитационной области мелкие изолированные пузырьки удаляются от центра кавитационной области, при захлопывании — приближаются к ней. Оценка амплитуды скоростей таких осцилляции дает значение скорости примерно 60 м/с.

26

МЕХАНИЗМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ

Ультразвуковая очистка связана с кавитационно-эрозионным воздей­ствием жидкости на очищаемую поверхность. Механизмы разрушения и удаления поверхностных пленок загрязнений фактически обусловлены механическим воздействием кавитации и действием вторичных эффек­тов, порождаемых кавитацией [2,19, 30, 41].

Основным носителем технологического эффекта в процессах уль­тразвуковой очистки являются кавитационные пузырьки или полости. В кавитирующей жидкости существуют две основные разновидности ка­витационных пузырьков: пузырьки, захлопывающиеся в полупериод повышенного давления звукового поля, и пузырьки, не захлопывающие ся, а пульсирующие на протяжении сотен и тысяч периодов возбуждаю-щего поля.

Первая разновидность пузырьков при своем захлопывании вызы­вает ударную волну или формирует кумулятивную струйку, создавая импульсы высокого давления на поверхность. Эта разновидность пузырьков создает "жесткий" технологический режим, под действием которого могут разрушаться практически любые твердые поверхност­ные пленки и загрязнения, наблюдается пластическая деформация по­верхностных слоев материала, а при длительном воздействии и его эрозионное разрушение.

Вторая разновидность пузырьков - пульсирующие, которые так­же активно участвуют в технологическом процессе очистки, создавая "мягкий" технологический режим. Амплитуды давлений, создаваемые такими пузырьками на поверхность твердого тела, и микропотоки, возникающие в пограничном слое, не приводят к пластической дефор­мации и разрушению слоев металла. Однако их воздействие вполне доста­точно для разрушения пленок, обладающих малой собственной проч­ностью и малой прочностью связи с очищаемой поверхностью, для ускоре-ия процессов их эмульгирования и растворения.

Эффект очистки определяется в основном двумя факторами: с од­ной стороны, динамикой пузырьков, а с другой — количеством пузырь­ков, участвующих в процессе очистки. Оба указанных фактора опреде­ляются акустическим режимом.

На практике большинство видов загрязнений содержит как раство­римые, так и нерастворимые компоненты, и механизм процесса ультразву­ковой очистки можно рассматривать как сложный физико-химический процесс, состоящий в зависимости от вида загрязнений из нескольких процессов:

1. кавитационного разрушения (эрозии) химически связанных с поверхностью и нерастворимых загрязнений;

2. кавитационного разрушения химически не связанных с поверх­- ностью и нерастворимых загрязнений;

3. эмульгирования и увеличения скорости растворения загрязнений;

4. эвакуации отделенных загрязнений из зоны очистки.

В зависимости от вида и состояния поверхностных пленок загряз­нений и акустических режимов тот или иной механизм процесса может иг-

27

рать определяющую роль. Кавитационные свойства жидкости и вторичные эффекты, порождаемые развитием кавитации, определяются физически­ми свойствами и состоянием технологической жидкости, а также,уровнем излучаемой акустической мощности.

Механизм кавитационного разрушения химически связанных с по­верхностью и нерастворимых твердых пленок основан на эрозионном воздействии кавитационных пузырьков. Существуют две точки зрения на механизм эрозионного разрушения: одна связывает разрушение твер­дой поверхности с ударными волнами, вызванными симметричным зах­лопыванием полостей. Эта гипотеза была предложена и нашла свое обосно­вание в работах Рэлея. Расчет показывает, что амплитудное значение действующих на поверхность давлений, связанных с ударными волнами, видимо, не превышает р ≈ 100 МПа. Вторая точка зрения основана на предположении, что разрушение твердой поверхности связано с воздейст­вием кумулятивных струй, которые могут возникать в условиях несим­метричного захлопывания пузырька, осевшего на твердую поверхность. Вторая гипотеза была высказана М. Корнфельдом и Л. 3. Суворовым.

Расчет давлений, выполненный на основании анализа кинематики кумулятивной струи, дает более высокие значения р ≈ 1000 МПа. С точки зрения механизма процесса очистки, когда речь идет о разруше­нии поверхностных пленок загрязнений, обычно существенно менее прочных, чем основной материал, оба рассмотренных источника механи­ческого воздействия являются достаточно эффективными и способны­ми производить отделение и диспергирование загрязнений.

Механизм разрушения твердых поверхностных планок, не имеющих химических связей с поверхностью, дополняется процессом отслаива­ния, который возникает в результате пульсаций достаточно крупного и устойчивого кавитационного пузырька, внедрившегося в зазор меж­ду очищаемой поверхностью и пленкой загрязнений. Такой механизм впервые наблюдался Л. Д. Розенбергом и Л. О. Макаровым. Проникнове­ние пульсирующих пузырьков в толщу загрязнения может облегчаться в результате нарушения его сплошности захлопывающимися кавита­ционными пузырьками.

Удаление вязких поверхностных загрязнений связано в первую очередь с процессами эмульгирования и растворения. Ускорение наблю­даемых физико-химических процессов обусловлено в большой степени микротечениями, возникающими в акустическом пограничном слое, и в результате непосредственного воздействия давлений, создаваемых как захлопывающими, так и пульсирующими пузырьками. Как показал рас­чет динамики состояний пульсирующих пузырьков, возникающие мик­ропотоки в пограничном слое могут иметь скорость от нескольких мет­ров до десятков метров в секунду, а давление на поверхность твердого тела при этом может достигать 10 МПа. Такое давление не приводит к разрушению поверхности металлов, но эффективно воздействует на ме­нее прочные пленки поверхностных загрязнений. Динамика пузырька определяет величину давлений, масштаб микропотоков и, как следст­вие, — величину технологического эффекта.

Крупномасштабные потоки, наблюдаемые в кавитационной облас-

28

ти, в основном играют роль транспорта, доставляя технологически-ак­тивные пузырьки к участкам очищаемой поверхности. Одновременно необходимо отметить, что крупномасштабные потоки играют определяю­щую роль в процессе выноса загрязнений из глубоких отверстий и по­лостей.

2. ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ

Разработка основ технологии ультразвуковой очистки базирует­ся на современных представлениях о физических механизмах процес­сов, протекающих в жидкости под действием ультразвука. Носителями технологического эффекта в процессах очистки являются кавитацион­ные пузырьки, имеющие большое разнообразие своих динамических состояний и существенно различающиеся своими энергетическими и соответственно технологическими возможностями. Динамика кавитационного пузырька определяется уровнем звукового давления, которое, в свою очередь, связано с условиями возбуждения, распространения и поглощения звуковой волны в реальных условиях технологического процесса очистки. Знание кавитационных эффектов и связей их с акус­тическими режимами и физическими свойствами технологических жид­костей является определяющим фактором при разработке технологичес­ких процессов очистки.

Свойства поверхностных пленок и загрязнений, их адгезия к по­верхности, как и сами свойства материала очищаемой поверхности, опре­деляют необходимый и одновременно допустимый уровень кавитационного воздействия для обеспечения требуемого качества очистки.

В разработку основ технологии входит изучение характерных для производства прецизионных деталей технологических и эксплуатаци­онных загрязнений, технологических сред, обладающих определенными кавитационными и физико-химическими свойствами, учитывающими характер загрязнений. Кавитационное воздействие, которое в конечном счете определяет возможность и эффективность процесса очистки, свя-зано с акустическими режимами, условиями излучения акустической мощности, пространственным положением очищаемого объекта в техно­логической зоне.

Виды загрязнений. Процесс ультразвуковой очистки является комплексным, и его конечные результаты определяются физическим, физико-химическим и химическим воздействием на удаляемые поверх­ностные пленки и загрязнения. Степень влияния каждого из факторов связана с характером, химическим составом, физико-механическими свойствами удаляемых загрязнений. Свойства загрязнений определяют, в свою очередь выбор оптимальных акустических режимов и технологи­ческих жидкостей [3, 14].

Под загрязнениями можно понимать нежелательные либо вообще недопустимые на конкретной стадии технологического процесса изго-

29

товления или восстановления деталей твердые и жидкие поверхностные пленки, отдельные частицы, различного рода осадки, продукты химичес­кого взаимодействия поверхности с окружающей средой. Нельзя говорить об абсолютном удалении всех поверхностных пленок и загрязнений. Степень чистоты поверхности нужно рассматривать как перемен­ный критерий, количественно определяемый требованиями конкретного объекта технологии.

Основными видами загрязнений, встречающимися в условиях основного машиностроительного и ремонтного производства прецизион­ных деталей, можно считать:

1) частицы пригоревшего карбюризатора и окисные пленки, являю- щиеся продуктами термической и химико-термической обработок;

2) металлическую стружку, абразивную и металлическую пыль, жировое загрязнение после процессов механической обработки;

3. доводочные пасты, шаржированные в поверхность после довод- ки абразивные частицы, продукты окисления связующих абразивной пасты;

4. углеродистые отложения — нагары, лаки и осадки, возникаю- щие в процессе эксплуатации определенного вида деталей и подлежа­ щие удалению в условиях ремонтного производства.

По характерным условиям образования прецизионных деталей можно разделить на технологические и эксплуатационные.

Технологические загрязнения связаны с условиями изготовления либо восстановления деталей и представляют собой технологическую наследственность, отображая особенности предшествующих технологи­ческих операций, общий уровень и культуру производства. К технологи­ческим загрязнениям можно отнести многочисленные загрязнения и поверхностные пленки, образование которых связано с механическими, химико-термическими и другими технологическими методами обработ­ки, с искусственным созданием защитных поверхностных пленок (пасси­вирующих и консервационных) для межоперационного либо длительного хранения деталей.

Эксплуатационные загрязнения, характерные для ремонтного производства, отражают условия эксплуатации. Такие загрязнения можно рассматривать как своего рода эксплуатационную наследственность. Ти­пичным примером таких загрязнений является нагар, образующийся на деталях топливной аппаратуры двигателей. Нагарообразование связано с появлением углеродистых отложений и осадков после сгорания топлива.

По химическому составу [3] загрязнения можно разделить на неорга­нические (механические частицы, продукты коррозии, влагу и т.п.); органические (масла, жиры, лаки, краски, герметики, а также компо­ненты доводочных паст, такие как парафин, стеарин и т.д.); смешанные (этот вид загрязнений встречается наиболее часто и представляет собой механическое смещение загрязнений первых двух групп).

Загрязнения имеют различную связь с очищаемой поверхностью. Наиболее характерны три основных вида связи:

1) механическая (частички стружки, шаржированные частицы абра­зива и т.п.) — происходит за счет сил трения;

30

2. химическая (окисные пленки, углеродистые отложения и т.д.) — возникает из-за химического взаимодействия обрабатываемого материа­ ла с окружающей средой, включая и технологическую;

3. адгезионная (различные лакокрасочные и жировые пленки, мел- кие механические частицы и т.п.) — связана с удерживанием частиц и пле­ нок на поверхности твердого тела за счет сил молекулярного взаимо- действия, капиллярных сил в жидкости, кулоновского взаимодействия и ряда других причин.

В реальных условиях загрязнения обычно обладают комплексными связями, и в зависимости от их сочетания и проявления необходимо разра­батывать технологический процесс очистки, выбирать моющие среды и режимы обработки.

Применительно к процессам ультразвуковой жидкостной технологии целесообразно разделить загрязнения по их способности противостоять воздействию различных механизмов ультразвуковой очистки. Эта спо­собность определяется в первую очередь прочностью собственно поверх­ностных пленок и прочностью связей поверхностных пленок и отдельных частиц с очищаемой поверхностью.

Известно, что наиболее эффективным механизмом жидкостного воздействия ультразвука на поверхность является кавитация, приводя­щая к эрозионному разрушению практически любых твердых материалов. С учетом этого загрязнения целесообразно разделить на кавитационно стойкие и кавитационно нестойкие.

К. первому типу относятся поверхностные загрязнения, имеющие прочную механическую или химическую связь с поверхностью. Это, прежде, всего, углеродистые отложения, окалина, шаржированные час­тицы абразива и т.д. Для их диспергирования и отделения необходимо применять акустические режимы, в которых определяющую роль иг­рает эрозионное воздействие на поверхность. Такие технологические режимы можно рассматривать как жесткие.

При назначении режимов необходимо учитывать возможность повреждения самой очищаемой поверхности. В данном случае под пов­реждением нужно понимать не только возникновение видимых очагов эрозии, но и изменения, происходящие в поверхностном слое под дей­ствием кавитации, предшествующие появлению эрозионного разрушения.

Кавитационно нестойкие загрязнения не имеют прочных механичес­ких и химических связей с поверхностью и характеризуются тем, что у большинства из них отделение от поверхности связано с разрушением адгезионных и слабых механических связей, с изменением физического состояния их основного компонента (эмульгирование, растворение, омыление). К этому виду загрязнений можно отнести различные поверх­ностные пленки огранического происхождения, доводочные пасты, остат­ки флюсов и т.п. В этом случае очистка связана с физико-химическими процессами, и интенсифицировать их протекание можно не только за счет эрозионного механизма воздействия кавитации. Микропотоки в погра­ничном слое, создаваемое пульсирующими пузырьками, обеспечивают эффективное протекание процесса очистки. Воздействие пульсирую­щих пузырьков и микропотоков можно отнести к мягким технологи-

31

ческим режимам, так как они не вызывают эрозионного разрушения поверхности.

Технологические среды. К технологическим средам, используемым в процессах ультразвуковой очистки, предъявляются требования, свя­занные со спецификой самого процесса очистки [31]. Очистка складыва­ется из двух, во многом отличных по своим физическим механизмам, процессов: отделения загрязнений от поверхности и удаления отделенных загрязнений из зоны очистки. В связи с этим моющая технологическая среда, во-первых, должна разрушать имеющиеся связи загрязнений с очищаемой поверхностью, т.е. отделять их от поверхности и, во-вто-рых, должна обеспечить эвакуацию загрязнений из зоны очистки.

Первое требование осуществляется, как правило, за счет комплекс­ного механического, физико-химического и химического воздействия.

Механическое воздействие, приводящее к диспергированию и отде­лению загрязнений, связано с кавитационной эрозией. Эрозионная спо­собность жидкости определяется уровнем акустической энергии и некото­рыми физическими параметрами жидкости — поверхностным натяжени­ем, давлением насыщенных паров, температурой и т.д.

Физико-химическое воздействие связано с процессами растворения, эмульгирования. При использовании водно-щелочных технологических жидкостей жирные кислоты, составляющие основу загрязнений, превра­щаются в водорастворимые мыла и способствуют переходу загрязнений в эмульсию. Миниральные масла, керосин, парафин не растворимы в воде и не взаимодействуют с кислотами и щелочами, однако хорошо растворяются в органических растворителях.

Твердые загрязнения, химически не связанные с поверхностью де­тали (микропорошки, стружка, пыль), как правило, смешаны с органи­ческими связующими и удаляются вместе с ними. Исключение составля­ют зерна абразива, шаржированные в поверхность металла и имеющие с ним прочные механические связи.

Окалина, окисные пленки, пригоревшие к металлу карбюризаторы, не реагирующие со щелочами и не растворяющиеся в растворителях, удаля­ются травлением в сильных кислотах. Операции, связанные с травлением, можно рассматривать как предварительные, имеющие своей целью преобразовать химически стойкие загрязнения в легко удаляемые с поверхности с помощью ультразвука продукты химических реакций. Процессы, связанные с интенсификацией химических реакций в жидкости под действием ультразвука, представляют собой самостоятельное нап-равление жидкостной технологии.

Многочисленные технологические жидкости, используемые в процес­сах ультразвуковой очистки, можно разделить на две основные груп­пы, имеющие существенное различие по физическим механизмам воздей­ствия на загрязнения:

1) технологические среды на основе органических растворителей;

2) технологические среды на основе водных, преимущественно щелоч­ ных, растворов.

Органические растворители, обладая высокой растворяющей спо­собностью применительно к большинству жировых и масляных загрязне-

32

ний, имеют одновременно сравнительно низкую эрозионную активность. Легкие нефтепродукты (керосин, бензин, уайтспирит), хотя и находят практическое применение в настоящее время, неперспективны, в пер­вую очередь, за счет высокой пожароопасности. Хлорированные угле­водороды, такие как трихлорэтилен, перхлорэтилен, будучи негорючими, обладают токсичностью и требуют соответствующих средств защиты.

В последнее время все более широкое распространение в отечествен­ной и зарубежной практике получают моющие среды на основе хлорфторированных углеводородов-фреонов [5]. Основное преимущество этих композиций в том, что они полностью пожаро- и взрывобеэопасны, обла­дают значительно меньшей токсичностью, чем хлорированные углеводо­роды.

Применяемые в технологии ультразвуковой очистки органические растворители должны иметь низкую температуру кипения, быть негорю­чими и взрывобезопасными, нетоксичными, иметь высокую плотность паров, малое значение коэффициента поверхностного натяжения. Наилуч­шим образом этим условиям удовлетворяют фреон 113 и фреон 114 В2.

В чистом виде в технологических установках фреоны применяют сравнительно редко, так как они не обладают достаточно высокой растворяющей способностью. Для увеличения растворяющей способ­ности фреонов практикуется приготовление их смесей со спиртами или другими растворителями. Кроме того, удаленные в процессе очистки растворителями загрязнения, находясь во взвешенном или растворен­ном состоянии, могут оседать или адсорбироваться на очищенной поверх­ности. Явление ресорбации усиливается, если раствор содержит взвешен­ные намагниченные частицы или молекулы, обладающие большими дипольными моментами (жирные кислоты). Поэтому при очистке, напри­мер, стальных деталей от доводочных паст применяют специальные опе­рации, такие как ополаскивание чистым растворителем либо очистка в парах растворителя. С учетом этих операций применяемые для многосту­пенчатой очистки органические составы должны сохранять при перегонке постоянным химический состав фракций. Этим требованиям удовлетво­ряют только азеотропные смеси, которые не разлагаются на фракции при кипении, сохраняют постоянным химический состав жидкой и па­ровой фаз в течение технологического цикла.

Примеры азеотропных смесей на основе фреонов, используемых в комбинированных технологических процессах, приведены в табл. 2.

Наиболее широкое распространение в технологических процессах ультразвуковой очистки получили водные моющие растворы, обладающие высокой моющей и одновременно высокой эрозионной способностью [2, 22, 14]. Повышение моющей способности достигается путем использо­вания водных растворов едких щелочей, фосфатов и карбонатов как в чистом виде, так и в различных сочетаниях. Для повышения моющей способности щелочные растворы применяют совместно с поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые, адсорбируясь на поверхности твердого тела и снижая поверхностное натяжение, облегчают доступ моющего раствора в щели, отверстия, зазоры. Обладая разной раствори­мостью отдельных частей молекулы, т.е. растворимостью одной части

33