CC BY
11ТЕХНОЛОГИЯ УДК 621.9.047
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА ТВЕРДОГО СПЛАВА ВК8 В УСЛОВИЯХ ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ1
Х.М. РАХИМЯНОВ, доктор техн. наук, профессор Б. А. КРАСИЛЬНИКОВ, канд. техн. наук, доцент, К. Х. РАХИМЯНОВ, канд. техн. наук, доцент, А. И. ЖУРАВЛЕВ, доцент, Н. П. ГААР, ассистент А.А. ЛОКТИОНОВ, аспирант (НГТУ, г Новосибирск)
Статья получена 10 февраля 2011 г.
Рахимянов Х.М. - 630092, Новосибирск, пр. К.Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: tms_ngtu@mail.ru
Проведены исследования по анодному растворению твердого сплава ВК8 в условиях лазерного воздействия длинами волн инфракрасного и видимого спектров излучения в двух наиболее распространенных электролитах - хлориде и нитрате натрия. Установлены параметры лазерного излучения, оказывающие наибольшее влияние на скорость электрохимического растворения.
Ключевые слова: поляризационные исследования, твердый сплав, лазерное излучение, пассивация, растворение.
ВВЕДЕНИЕ
Для обработки труднообрабатываемых материалов, в том числе и твердых сплавов, в последнее время используют электрофизикохимические методы, к которым относится и электрохимическая размерная обработка (ЭХРО). Однако недостатком данного метода является низкая скорость процесса. Так, при ЭХРО твердых сплавов снижение скорости анодного растворения обусловлено образованием на обрабатываемой поверхности окисных и окислых пленок, имеющих высокое омическое сопротивление [1], а также наличие диффузионных ограничений, связанных с низкой скоростью подвода реагирующих частиц к обрабатываемой поверхности и выноса продуктов реакции из зоны обработки [2].
Применение лазерного излучения для интенсификации скорости электрохимического растворения позволяет реализовать различные механизмы активации процесса. К ним относятся: гидравлический механизм, тепловой механизм, разрушение окисных и окислых пленок, увеличение скорости электрохимических реакций за счет фотохимических процессов [3, 4]. Этот способ активации электрохимической размерной обработки оказался действенным при обработке различных классов труднообрабатываемых
материалов, таких как титановые сплавы [5], нержавеющие стали [6]. Это позволяет предположить перспективность использования данного метода активации ЭХРО и для обработки твердых сплавов, в частности, сплава ВК8.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
В настоящей работе исследовано влияние параметров импульсного лазерного излучения с длинами волн 1,06 мкм и 0,53 мкм на процесс электрохимического растворения в диапазоне потенциалов от 0 до 5 В сплава ВК8 в двух наиболее распространенных в практике электролитах - водных 10 %-х растворах хлорида и нитрата натрия. Выбор отмеченных значений длин волн обусловлен результатами их использования в фотохимических процессах. Следует отметить, что длина волны 1,06 мкм относится к инфракрасной области спектра, а 0,53 мкм - к видимой. Известно, что излучение инфракрасной области спектра оказывает тепловое действие на химические реакции, а также вызывает их фотоактивацию. Воздействие излучения видимой части спектра наиболее влияет на фотодиссоциацию и фотосинтез веществ [7]. Выбор диапазона потенциалов определялся тем, что анод-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», мероприятие 1.3.1 (проект П2571)
С«
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
ное растворение большинства металлов и сплавов начинается при потенциале свыше 0 В. При потенциале, превышающим значение 5 В, начинается процесс газообразования на аноде, что существенно снижает эффективность лазерного воздействия на электрохимические процессы в зоне обработки. Плотность мощности лазерного излучения, использованного в исследованиях, выбрана таким образом, чтобы температура электролита в зоне обработки, рассчитанная по рекомендациям работы [8], была меньше температуры кипения электролита. Диапазоны частот следования импульсов (от 2 до 5 кГц - для хлорида натрия, и от 5 до 15 кГц -для нитрата натрия) были установлены в результате предварительных исследований, выявивших, что именно данный диапазон частот производит наибольшее влияние на интенсификацию ЭХРО сплава ВК8.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Результаты экспериментальных исследований ЭХРО ВК8 в 10 %-х растворах хлорида и нитрата натрия без активации лазерным излучением получены в работе [1] и представлены на рис. 1.
2 3
Потенциал, В
Рис. 1. Поляризационные кривые, полученные при помощи потенциодинамического метода для твердого сплава ВК8 при ЭХРО в 10 %-м водном растворе:
1 - хлорида натрия; 2 - нитрата натрия
На рис. 2 показаны результаты экспериментальных исследований ВК8 в 10 %-м водном растворе хлорида натрия при лазерной интенсификации ЭХРО длиной волны 0,53 мкм при плотности мощности 1,05-10б Вт/м2 при различных частотах следования импульсов.
Анализ поляризационных кривых указывает на тот факт, что наложение лазерного излуче-
ния видимой части спектра в целом не изменяет общий характер анодного растворения материала, что подтверждается наличием на поляризационных кривых участков пассивного растворения. Однако достигаемые значения плотности тока при наложении лазерного излучения в несколько раз выше, чем при ЭХРО без активации процесса. Это свидетельствует об увеличении скорости электрохимического растворения, а следовательно, и об увеличении производительности обработки. Наибольшего значения плотность тока достигает при частоте следования импульсов 2,5 кГц. Уменьшение и увеличение частоты приводит к снижению производительности обработки.
Рис. 2. Поляризационные кривые, полученные при помощи потенциодинамического метода для твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе хлорида натрия при лазерной интенсификации ЭХРО длиной волны 0,53 мкм при плотности мощности 1,05-10б Вт/м2 и частоте следования импульсов: 1-2 кГц; 2-2,5 кГц; 5-5кГц
Исследования морфологии поверхности после активации ЭХРО лазерным излучением показало, что имеет место четко выделенная зона наложения лазерного излучения, характеризующаяся большим съемом материала (рис. 3, а). Это подтверждает как факт влияния лазерного излучения на ЭХРО, так и локальность его действия на анодное растворение материала, что позволяет сделать предположение: при данном методе активации процесса обработки лазерный луч может выступать в качестве рабочего инструмента. Это открывает новые перспективы данной комбинированной обработки. Металлографические исследования зоны обработки твердого сплава ВК8 после ЭХРО с лазерной активацией показали на отсутствие видимых окислых пленок в месте наложения лазерного излучения видимого спектра на обрабатываемую поверхность (рис. 3, б).
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
а б
Рис. 3. Морфология поверхности твердого сплава ВК8 после ЭХРО с наложением лазерного излучения с длиной волны 0,53 мкм в 10 %-м водном растворе хлорида натрия: а - общий вид образца; б - в зоне наложения лазерного излучения
Иной характер действия лазерного излучения на процесс ЭХРО сплава ВК8 наблюдается при использовании излучения инфракрасной области спектра (рис. 4).
Рис. 4. Поляризационные кривые, полученные при помощи потенциодинамического метода для твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе хлорида натрия при лазерной интенсификации ЭХРО длиной волны 1,06 мкм при плотности мощности 1,05-106 Вт/м2 и частоте следования импульсов: 1-2 кГц; 2-2,5 кГц; 3-5кГц
Анализ полученных поляризационных кривых указывает на рост плотности тока с увеличением потенциала. Участков падения плотности тока с ростом потенциала, которые имели место при анодном растворении без активации, не наблюдается.
На поверхности после обработки (рис. 5, а, б), так же как и в предыдущем случае, четко выделяется зона наложения лазерного излучения. Следует обратить внимание на то, что на всем образце вне зоны наложения лазерного излучения находятся солевые пленки. В то же время в зоне наложения излучения подобного рода пленки отсутствуют, что свидетельствует о задействовании механизма их разрушения в процессе активации анодного растворения.
%мь¿ВГ^Ж* Жй
б
Рис. 5. Морфология поверхности твердого сплава ВК8 после ЭХРО с наложением лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм в 10 %-м водном растворе хлорида натрия: а - общий вид образца; б - в зоне наложения лазерного излучения
Аналогичный характер интенсификации ЭХРО при использовании отмеченного спектра излучения наблюдается и в растворе нитрата натрия. Поляризационные кривые представлены на рис. 6.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Анализ полученных кривых указывает на снятие пассивационных ограничений при обработке ВК8 в водном растворе нитрата натрия. Значение плотностей тока при использовании инфракрасного спектра излучения больше, чем при использовании видимой части спектра. Кроме того, при этом морфология
400
2 3
Потенциал, В
Рис. 6. Поляризационные кривые, полученные при помощи потенциодинамического метода для твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе нитрата натрия при лазерной интенсификации ЭХРО длиной волны 1,06 мкм мощности 1,05 10б Вт/м2 и частоте следования импульсов: 1-5 кГц; 2-10 кГц; 5-15кГц
при плотности
ТЕХНОЛОГИЯ
поверхности (рис. 7, а), полученная после активации ЭХРО инфракрасным излучением, указывает на активное анодное растворение материала в месте наложения лазерного излучения. В самом месте наложения излучения наблюдается равномерное растворение материала без образования пленок (рис. 7, б).
Иное анодное поведение сплава ВК8 отмечено при активации ЭХРО лазерным излучением видимой области спектра в нитрате натрия. Так поляризационные кривые (рис. 8), полученные в водном растворе нитрата натрия при активации ЭХРО лазерным излучением с длиной волны 0,53 мкм, как и в случае с хлоридом натрия, указывают на неполное снятие пассивационных ограничений. Однако наибольшего значения плотность тока при этом достигает при частоте следования импульсов 10 кГц. При увеличении частоты следования импульсов производительность обработки снижается.
Рис. 7. Морфология поверхности твердого сплава ВК8 после ЭХРО с наложением лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм в 10 %-м водном растворе нитрата натрия:
а - общий вид образца; б - в зоне наложения лазерного излучения
Рис. 8. Поляризационные кривые, полученные при помощи потенциодинамического метода для твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе нитрата натрия при лазерной интенсификации ЭХРО длиной волны 0,53 мкм при плотности мощности 1,05-10б Вт/м2 и частоте следования импульсов:
1-10 кГц; 2-15 кГц
Исследование морфологии поверхности ВК8 после лазерной активации ЭХРО показало на равномерный характер растворения материала. Однако зона наложения лазерного излучения не выделяется (рис. 9). Кроме того, потенциостатические исследования, проведенные с целью уточнения характера растворения материала, указали на присутствие побочных реакций на обрабатываемой поверхности. Эти реакции и привели к повышению плотности тока при потенциодинамических исследованиях сплава. Таким образом, ускорение анодного растворения лазерным излучением с длиной волны 0,53 мкм не происходит.
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
Рис. 9. Общий вид поверхности образца сплава ВК8 после ЭХРО с наложением лазерного излучения с длиной волны
1,0б мкм в 10 %-м водном растворе нитрата натрия
Выводы
Применение лазерного излучения для интенсификации ЭХРО сплава ВК8 является перспективным как при использовании в качестве электролита водного раствора хлорида натрия, так и нитрата натрия. При этом как для нитрата натрия, так и для хлорида натрия наибольшее значение плотности тока достигается при использовании лазерного излучения инфракрасного спектра излучения (1,06 мкм).
Частота следования импульсов оказывает влияние на скорость анодного растворения при интенсификации процесса обработки. Наибольшее значение плотность тока достигает в хлориде натрия при использовании лазерного излучения с частотой следования импульсов 2,5 кГц, а в нитрате натрия -10 кГц. Результаты исследований по активации ЭХРО труднообрабатываемых материалов с химическим составом, отличным от сплава ВК8, показывают, что наибольшее значение плотности тока также достигается при указанных значениях частот следования импульсов [5, 6]. Это подтверждает предположение о том, что основным механизмом активации процесса ЭХРО лазерным излучением видимой и инфракрасной области спектра является активация анионов электролита.
Список литературы
1. КрасильниковБ.А. Исследование анодного поведения твердого сплава ВК8 и его составляющих в нейтральных электролитах [Текст] / Б.А. Красильников, А.А. Богаев // Научный вестник НГТУ - Новосибирск: Изд-во: НГТУ -2008.- № 2(31)- С. 86-98.
2. Красильников Б.А. Определение особенностей анодного растворения твердого сплава ВК8 методом вращающегося дискового электрода [Текст] / Б.А. Красильников, А.А. Богаев // Сб. науч. тр. НГТУ - Новосибирск: Изд-во: НГТУ - 2007.- № 3(49) - С. 95-100.
3. Рахимянов X М. Интенсификация электрохимической размерной обработки нержавеющей стали лазерным излучением [Текст] /Х.М. Рахимянов, Н.П. Гаар // Механики XXI веку. VII Всероссийская науч.-техн. конф. с международным участием. Сб. докладов. конф. Братск, 18-20 марта 2008 г.- Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2008.- С 149-152.
4. Rakhimyanov Kh. M. Possible ways for intensification of dimensional electrochemical machining (DECM)./ Kh.M. Rakhimyanov, N. P. Gaar // IFOST. Novosibirsk - Tomsk, Russia, June 23-29, 2008 -Proceedings of the third international forum on strategic technologies.- Novosibirsk: NSTU-2008. -P. 106-107. [Возможные пути интенсификации электрохимической размерной обработки (ЭХРО)].
5. Рахимянов Х.М. Анодное поведение титанового сплава марки ОТ-4 в водном растворе хлорида натрия при интенсификации лазерным излучением процесса электрохимического растворения [Текст]/ Х.М. Рахимянов, К.Х. Рахимянов, Н.П. Гаар, А.А. Локтионов // Инновационные технологии в машино- и приборостроении. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. 14 апреля 2010 г. -Омск: ОмГТУ, 2010. - С. 47-50.
6. Рахимянов Х.М. Анодное поведение стали 12Х18Н9Т в водном растворе хлорида натрия при активации процесса электрохимического растворения лазерным излучением [Текст]/ Х.М. Рахимянов, Б.А. Красильников, Н.П. Гаар, А.Б. Шарапов // Сб. науч. тр. НГТУ - Новосибирск: НГТУ, 2010. - Вып. 1(59).- С.123-128.
7. Летохов В. С. Селективное действие лазерного излучения на вещество [Текст] / В. С. Летохов // Успехи физических наук. - 1978. - Т. 125. Вып. 1. - С. 57-94.
8. РахимяновХ.М., Гаар Н.П. Математическое моделирование при лазерной термоактивации электрохимической размерной обработке // Современные технологические системы в машиностроении (СТСМ-2006). Сборник тезисов докладов междунар. науч.-техн. конф. Барнаул, 2006 г.Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова, 2006. - С. 45-47.
DIMENSIONAL ELECTROCHEMICAL MACHINING OF FIRM ALLOY ВК8 IN THE CONDITIONS OF LASER INFLUENCE
Kh. M. Rakhimyanov, B.A. Krasilnikov, K. Kh. Rakhimyanov, A. I. Zhuravlev, N.P. Gaar, A. A .Loktionov
Researches on anode dissolution of firm alloy BK8 in the conditions of laser influence with length of wave of an infra-red and visible spectrum was conducted in two most used electrolits - chloride of sodium and sodium nitrate. Parameters of laser radiation which most strongly influence on speed of electrochemical dissolution are established.
Keywords: polarization tests, firm alloy, laser radiation, passivation, dissolution.
