Цементация в ультразвуковом поле докавитационного режима

Освещены некоторые закономерности влияния ультразвука докавитационного режима на кинетику процесса при цементации меди железом. Частота ультразвука составляла 830 кГц, интенсивность (0,2-2,0)•104 Вт/м2. В связи с тем что процесс цементации, протекающий в условиях турбулизацию, вызванной ультразвуковыми колебаниями, является весьма сложным, описание закономерностей кинетики процесса было сделано с использованием методов подобия.

В ультразвуковом поле, кроме обычной или так называемой сдвиговой вязкости, среда обладает еще и объемной вязкостью, или иначе вязкостью сжатия. В ассоциированных жидкостях объемная вязкость обусловлена в основном их структурными изменениями, возникающими при прохождении через них ультразвуковых волн.

Величины коэффициентов к, т, п уравнения (124) были найдены экспериментальным путем. Растворы содержали, кг/м3: 0,25-4,0 Cu; 0-1,0 H2S04; 0-60 Na 2S04; 0-200 сахара. Температура растворов во всех опытах была 20°С. Интенсивность ультразвука меняли в пределах (0,2 - 2,0) • 104 Вт/м2 через каждые 0,2 • 104 Вт/м2. В качестве источника ультразвуковых колебаний использовали аппарат УТП-1 с кварцевым излучателем. Цементацию меди вели на неподвижном железном диске с рабочей поверхностью 10,0 • 10~4 м2, расположенном на расстоянии 0,05 - 0,15 м от излучателя. Сульфат натрия добавляли в растворы для устранения миграционного тока ионов меди, а сахар - для изменения вязкости растворов. Выбор сахара был обусловлен тем, что он является инертной добавкой, мало влияющей на ионный состав медных растворов.

На рис. 39 приведена зависимость скорости цементации от интенсивности ультразвука при разных содержаниях сахара в растворе. Как следует из рис. 39, зависимость скорости цементации от интенсивности ультразвука является экстремальной с максимумом скорости при интенсивности ~ 1,2 • 104 Вт/м. В связи с этим подробнее были изучены закономерности цементации при интенсивности ультразвука менее 1,2 X 104 Вт/м2. Из рис. 39 также следует, что при интенсивности ультразвука 1,2 • 104 Вт/м2 скорость цементации в условиях проведенных экспериментов возросла примерно в 35 раз по сравнению с цементацией без применения ультразвука. Было установлено, что причиной снижения скорости цементации при интенсивности выше 1,2 • 104 Вт/м2 является образование плотных цементных осадков меди на поверхности железа. В этом отношении влияние ультразвука докавитационного режима на скорость цементации аналогично влиянию концентрации меди. Ультразвук, значительно снижая толщину диффузионного слоя на поверхности металла.

Выше было показано, что зависимость скорости цементации от температуры в ультразвуковом поле является экстремальной (см. рис. 22), в связи с чем технологический интерес представляли только левые ветви графиков. Попутно были исследованы закономерности перенапряжения водорода в ультразвуковом поле на медном электроде. Температурный коэффициент перенапряжения водорода оказался равным 4,4 мВ/°С, что несколько больше обычного. Образование плотных цементных осадков, тормозящих процесс цементации, не позволяет в докавитационном режиме использовать главное достоинство ультразвука - глубокое уст. ранение диффузионных затруднений, возникающих при разряде ионов осаждаемого металла на катодных участках цементационных элементов. Как показали исследования, преимущества ультразвука в полной мере проявляются лишь в кавитационном режиме.