Спосіб поверхневої обробки твердого тіла

Изобретение относится к технологии обработки поверхности твердого тела и может быть применено для модификации поверхности- металлов, как способ регулирования их адгезионных свойств. Адгезионные свойства металлов, определяются в первую очередь физико-химическим состоянием их поверхностных слоев. Кроме того, разнообразные электронные, атомные и молекулярные процессы, которые происходят на поверхности твердых тел играют роль в явлениях гетерогенного катализа, адсорбции, электрохимии граничного трения, коррозии металла и многих других. В последнее время одним из наиболее важных открытый современной физики поверхности, является установление высокой изменчивости поверхности, непостоянства ее свойств и зависимость ее физикохимических характеристик от свойств адсорбированного молекул и температуры. Поэтому для изменения физико-химических свойств поверхности металлов применяют, как механические методы обработки так и химические методы. При исследовании заявляемого изобретения по патентной и научно-технической литературе мы пришли к выводу, что ближайшим аналогом нашего предложения может быть способ электроэрозионной обработки [1]. Сущность данного изобретения заключается в том, что промежуток между электродами заполняют углеводородной средой, которая совместно с электрическим разрядом образует на поверхности легируемого металла металлорганические соединения, Недостатком существующего способа является то, что для его реализации необходимо применять высокое напряжение для получения электрического разряда, который возникает в промежутке между электродами. Кроме того поверхность твердого тела должна быть из металла правильной геометрической формы. Такой способ в эксплуатационных условиях является технически трудоемким. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной стойкости поверхности твердого тела, путем изменения физико-химических свойств, за счет индукционного воздействия молекул углеводородной среды. При этом, предварительно углеводородную жидкость обрабатывают электромагнитным полем, при которой в молекулах жидкости возникает индуцированный магнитный момент молекул. Выполнение поставленной задачи достигается тем, что поверхность твердого тела взаимодействует с индуцированным магнитным моментом молекул [2]. В этом случае магнитный момент молекулы, которая адсорбируется на твердом теле, индуцирует спины в поверхностных атомах твердого тела. Энергия, необходимая для возникновения спина в атоме на поверхности твердого тела, равна где mВ - магнетон Бора, c - локальная спиновая восприимчивость, которая определяется равенством mВ Η = c Н, Η - фиктивное магнитное поле, которое индуцирует спин. Причем поверхность твердого тела может быть из любого материала. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что на границе раздела твердой и жидкой фаз происходит изменение физикохимических свойств поверхности твердого тела индуцированным магнитным моментом молекул жидкости. Это позволяет сделать вывод, что заявляемый способ соответствует критериям изобретения "новизна" и "существенные отличия". Индуцированный магнитный момент молекул возникает при помещении молекул во внешнее электромагнитное поле. В этом случае внешнее электромагнитное поле индуцирует магнитное моменты в молекуле среды. Поэтому полный магнитный момент молекулы равен 2 где r - средний квадрат расстояния электрона от ядра. В результате этого на расстоянии r от магнитного диполя создается напряженность магнитного поля где Q - угол между осью диполя и вектором расстояния. Эксперименты по определению влияния индуцированного магнитного момента молекул на поверхностные свойства атомов твердого тела были проведены на авиационном топливе ТС-1. Предварительно топливо ТС-1 подвергали воздействию электромагнитного поля [2]. Согласно предлагаемому способу ориентацию поверхностных атомов твердого тела оценивали косвенно по смываемости лакообразовании на его поверхности. Сущность метода заключалась в нагревании тонкого слоя масла на поверхности металла путем испарения легколетучих веществ в аппарате Папок содержащихся в масле, в результате этого на поверхности металла образуется лак [3]. Обработку поверхности металла осуществляли согласно [3]. В качестве образцов были взяты медь, титан, алюминий и сталь Ст.45. После промывки поверхности образцы погружались в топливо ТС-1, обработанное электромагнитным полем. По истечении 5 минут образцы вынимались из топлива и снова проводили очистку рабочей поверхности: промывали петролейным эфиром, протирали гонкой хлопчатобумажной тканью и просушивали, а затем взвешивали с погрешностью не более 0,0002 г. После этого, на каждый образец наносили навеску масла МС20 0,05 г и помещали в аппарат Папок и нагревали до температуры 250°С, После 35 минут выдержки все образцы вынимали с аппарата и охлаждали до комнатной температуры, а затем опускали образцы в бюксы с петролейным эфиром и выдерживали 30 минут, После этого их извлекали и помещали в сушильный шкаф и выдерживали в течение 10 минут. Затем образцы охлаждали и взвешивали. На основании полученных данных построили графики. На фиг. 1 показана зависимость остатка лака на поверхности образцов от интенсивности электромагнитного поля при обработке топлива ТС-1 Как видно из фиг 1 существует оптимальный режим обработки топлива ТС-1, при котором взаимодействия молекул среды и поверхностных атомоб твердого тела максимальны. Оптимальный режим магнитного поля находится в диапазоне 240-480 кА/м. Таким образом обработка поверхности твердого тела индуцированным моментом молекул способствует ориентации поверхностных атомов металла, которая проявляется в модифицировании поверхности металлов. Кроме того, влияние среды на модифицирование поверхности твердого тела оценивали по эффективности противокоррозионных свойств алюминиевых сплавов. Испытания образцов проводили в электрохимических ячейках при погружении рабочих поверхностей в 3%-ный водный раствор NaCI в течение 40 суток при комнатной температуре. Обработка поверхности осуществлялась путем погружения образца из алюминиевого сплава на 5 минут в топливо ТС-1, которое предварительно обрабатывали электромагнитным полем. После анализа данных эксперимента были построены графики изменения скорости коррозии алюминиевого сплава Д16АТ в исходном состоянии и после обработки индуцированным магнитным моментом молекул: На фиг. 2 приведен график скорости коррозии (в весовых единицах) листового плакированного материала Д16АТ в 3%-ном водном растворе NaCI. Анализ представленных результатов показал, что более высокая скорость коррозии наблюдается у материала без обработки поверхности (кривая 1), а обработка поверхности алюминиевого сплава индуцированном магнитным моментом молекул повышает коррозионную стойкость в 3%-ном водном растворе NaCI более чем в 3 раза. Параллельно с помощью емкостного-омического метода были проведены исследования коррозионных свойств алюминиевого сплава Д16АТ, которые позволили проследить кинетику электрохимических процессов на поверхности металла. На фиг. 3 приведен график изменения электрического сопротивления датчика в зависимости от времени его нахождения в 3%-ном водном растворе NaCI. Анализ представленных результатов показал, что более высокая скорость коррозии наблюдается у материала без обработки поверхности. По относительному изменению электросопротивления можно судить о толщине окисной пленки, которая образуется на поверхности металла. Прочность окисной пленки после 150 суток выдержки образцов способствует увеличению пассивации поверхности металла при его обработке индуцированным магнитным моментом молекул среды (кривая 1). Развитие процесса окисления металла в исходном образце металла не приводит к пассивации поверхности металла и пленка образуется не прочная. Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет экономически выгодно произвести модифицирование поверхности металла без применения сложных технологических процессов, предотвращает в 9 раз лакообразование на поверхности металла, а также снижает коррозионные процессы на поверхности металла в 3 раза не только за счет торможении электродных реакций, но и за счет образования адсорбционных пленок на поверхности металла.