CC BY
4
УДК 621.365.9
Электролитно-плазменная обработка биметаллов
В. Н. Дураджи, Д. Е. Капуткин, А. Ю. Дураджи, Н. А. Капуткина
Электролитно-плазменные процессы — это новые высокоэффективные и экологически чистые методы обработки поверхности металлов и сплавов, могут быть использованы для термической и химико-термической обработки, полирования и очистки металлических поверхностей. Ранее нами были рассмотрены способы получения покрытий на поверхностях металлов и сплавов, обладающих и не обладающих вентильными свойствами. Показан процесс полирования поверхности различных металлов, в частности алюминия, а также синхронного полирования его поверхности и удаления медненного покрытия с поверхности катода.
Настоящая работа связана с изучением режимов, устанавливаемых на активном электроде из биметалла при анодном процессе, и использованием этих режимов для термической и химико-термической обработки одной из поверхностей биметалла, а также для синхронного полирования его поверхностей. Результаты показывают, что электролитно-плазменные процессы можно эффективно использовать для термической и химико-термической обработки только одной из поверхностей биметалла, а также для синхронного полирования его поверхностей.
Ключевые слова: электролитная плазма, разряд, электролиз, полирование, покрытие.
Введение
Биметаллы — новые современные материалы, которые относятся к сложным композиционным металлическим материалам, состоящим из двух и более слоев металла, соединенных между собой прочной неразъемной металлической связью.
Применение биметаллов, или слоистых композиций, получает все большее распространение при производстве химической, нефтехимической, пищевой и общемашиностроительной аппаратуры благодаря возможности получения комплексов уникальных свойств — это высокие коррозионностойкость и прочность, жаропрочность и коррозионностойкость, электропроводность и теплопроводность, технологичность, которыми не обладают составляющие композиционных материалов по отдельности. Однако, при изготовлении деталей механизмов и машин из биметаллов встречаются случаи, когда необходимо осуществить термическую или химико-термическую обработку одного металла, не изменяя свойств другого
металла, или отполировать поверхность всего биметаллического изделия и т. п.
Известны способы термической и химико-термической обработки металлических изделий, при которых нагревают всю деталь или проводят локальную химико-термическую обработку, которую осуществляют путем защиты необрабатываемой части поверхности детали посредством гальванического лужения, омеднения, никелирования или нанесением различных паст и обмазок [1]. Однако эти способы не применимы для биметаллических изделий, так как за счет теплопроводности происходит разогрев всего биметаллического изделия, что приводит к нежелательным изменениям физико-химических и механических свойств второй составляющей части биметалла. Аналогичные явления наблюдаются и при обработке отдельных частей крупногабаритных деталей с помощью горелок, работающих на кислородно-ацетиленовой или другой смеси, а также при обработке отдельных участков поверхности изделий с помощью переменных токов высокой
ЧЕТАППООЕ
частоты [2]. Кроме того, этими способами невозможно обрабатывать участки поверхности, имеющие сложную конфигурацию.
Другие проблемы возникают при полировании поверхности биметаллических изделий, так как существуют различия физико-химических и механических свойств каждой из поверхностей биметалла.
Традиционные способы полирования поверхности металлов [3]: механическое или абразивное полирование; химическая обработка при помощи специальных веществ; электрохимическое полирование — обладают такими недостатками, которые не позволяют или существенно затрудняют полирование поверхности биметаллов.
Механическое полирование коррозионно-стойкой стали из-за ее плохой теплопроводности, сравнительно высокой вязкости и твердости является наиболее трудоемкой операцией для любого способа. Наоборот, изделия из цветных металлов поддаются полированию легче всех других. Для их отделки требуется наименьшее число операций.
Способы химического и электрохимического полирования различаются составом применяемых электролитов, что непосредственно связано с природой обрабатываемого металла.
Составы электролитов, применяемых для электрополирования наиболее распространенных металлов и сплавов:
• алюминий и его сплавы — фосфорная кислота Н3РО4 60 %, серная кислота ^804 40 %;
• медь и ее сплавы — фосфорная кислота 75 %, хромовый ангидрид СГ2О3 7,5 %;
• углеродистые и малолегированные стали — фосфорная кислота 75 %, хромовый ангидрид 5 %;
• коррозионно-стойкие стали — фосфорная кислота 43 %, серная кислота 1,5 %.
Используемые электролиты содержат агрессивные добавки, которые затрудняют их утилизацию.
Эти проблемы могут быть устранены путем обработки металлов в электролитной плазме при анодном процессе [4-6].
Процессы на активном аноде в электролитической ячейке в зависимости от приложенного напряжения (при определенных параметрах электрической цепи) можно подразде-
лить на пять режимов [7]: 1) низковольтного электролиза (классическая электрохимия) — 0-20 В; 2) коммутационный (прерыватель Венельта) — 20-80 В; 3) нагрева — 80-270 В;
4) электрогидродинамический — 270-340 В;
5) контактных электрических разрядов — свыше 340 В.
Каждый из этих режимов в той или иной степени можно использовать для термической обработки и полирования металлических изделий. Низковольтный электролиз приводит к анодному растворению поверхности металлов и сплавов под действием электрического тока. Закономерности обработки подчиняются законам Фарадея. Выход по току в этом режиме в зависимости от вида металла или сплава изменяется от 15-20 % (для вольфрама) до 95-98 % (для меди) [3]. Этот режим используется для различных видов электрохимической обработки, используемых в промышленности, — полирования, прошивания, точения, объемного копирования, удаления заусенец и др.
В коммутационном режиме наблюдается интенсивное растворение активного электрода под действием импульсных электрических разрядов и интенсивных химических реакций, протекающих в парогазовой оболочке [8]. Этот режим можно использовать для получения иглообразных остриев трудно обрабатываемых материалов, таких как вольфрам, молибден, иридий и другие или химические соединения.
При воздействии электролитной плазмы на поверхность активного электрода в режиме нагрева и электрогидродинамическом режиме специфическая эрозия анода может быть значительной [4, 6]. При этом существуют узкие области напряжений с максимальной скоростью растворения, где условный выход по току увеличивается в 5-10 раз по сравнению с низковольтным электролизным режимом. Если в электрохимии различают нерастворимые (инертные — из платины, графита, иридия) электроды и растворимые (активные) электроды, то при образовании оболочки с электролитной плазмой это разграничение не действует. Особенности воздействия электролитной плазмы на поверхность активного электрода позволяют обрабатывать металлы в таких электролитах, в которых при обычном
электролизе они не растворяются и выход по току весьма мал. Эти процессы нашли применение для полирования металлов в электролитной плазме [4, 5, 9, 10].
При реализации способа полирования в электролитной плазме используют в основном водные растворы солей. В случае полирования, например, изделий из титана или серебра [11] используют водный раствор аммонийных солей, содержащих фтористый аммоний и аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный и другие составы при температуре электролита 60-90 °С.
1. Эксперименты
Электролитно-плазменную обработку биметаллов при анодном процессе выполняли на экспериментальной установке, состоящей из следующих частей (рис. 1): источник питания переменного тока, включающий трехфазный трансформатор Т, тиристоры Т1—Т6, которые составляют трехфазный управляемый мостовой выпрямитель; системы управления; блок конденсаторов С; амперметр А для контроля значений тока источника питания; вольтметр V для измерения падения напряжения между активным электродом (деталью) и ванной. Объем водоохлаждаемой ванны — 2 л. Второй электрод (катод) выполнен из коррозионно-стойкой стали. Источник питания позволяет подавать на обрабатываемую деталь заданное напряжение в диапазоне 0-450 В при токе в нагрузке 0-50 А.
В экспериментах для термической и химико-термической обработки, а также для полирования биметаллических изделий использовались водные растворы с удельной электропроводностью более 0,05 Ом-1 • см-1.
электролитно-плазменной обработки
Время обработки варьировалось от нескольких десятков секунд до нескольких (до 10) минут. Температура раствора для термической и химико-термической обработки изменялась в пределах от 15 до 30 °С, а при полировании — от 60 до 90°С. Скорость погружения анода в электролит во всех случаях не превышала 10 мм/с. После обработки образцы промывали дистиллированной водой. Плотность тока на активном электроде в режиме нагрева составляла 0,6-1,0 А/см2, а в электрогидродинамическом режиме — 0,2-0,5 А/см2, температура активного электрода в этом режиме 90-100 °С. Температуру активного электрода в режиме нагрева измеряли с помощью оптического пирометра Testo 845.
У первого биметалла одна сторона выполнена из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, вторая — из алюминиевого сплава АД31, а у второго биметалла одна сторона выполнена из коррозионно-стойкой стали 08X18H10T, вторая — из алюминиевого сплава Д1.
Морфологию поверхности обработанных образцов исследовали с помощью растрового электронного микроскопа BS-300 и микроскопа Zeiss Axio Scope A1.
2. Результаты исследований и обсуждение
2.1. Влияние технологических параметров ЭПО на процесс термической обработки биметаллов в режиме нагрева анодного процесса
Режим нагрева для анодного процесса [4, 7] устанавливается при напряжении на электродах ванны свыше 80-90 В, когда вокруг активного электрода образуется стабильная парогазовая оболочка и плотность тока уменьшается до 1 А/см2. Этот режим используется для нагрева деталей до 400-1000 °С. Вид химико-термической обработки в электролитной плазме при анодном процессе определяется составом электролита и его физико-химическими параметрами.
Четвертый режим — электрогидродинамический — характеризуется протеканием интенсивного коронного разряда, увеличением толщины парогазовой оболочки, уменьшени-
Таблица 1
Параметры обработки биметаллических изделий
Система металлов Нагреваемый металл Температура в зоне нагрева, °С Температура в зоне ЭГД режима, °С Напряжение на электродах,В Состав электролита, мас. %
Титан—сталь Сталь 620 80 300 10 ЫН4С1
Молибден—сталь 630 90 300 15 ЫН4С1
Алюминий—сталь 720 90 180 15 ЫН4С1
850 90 220 15 ЫН4С1
Алюминий—латунь Латунь 850 90 210 10 Ка2,№042Н20
ем плотности тока до 0,5 А/см2 и отсутствием высокотемпературного нагрева (температура нагрева активного электрода не превышает 100 °С).
При соответствующем выборе параметров анодный процесс можно осуществлять таким образом, что на поверхности одного из металлов биметаллического изделия устанавливается режим нагрева и она будет нагреваться до 800-900 °С, а на поверхности второго устанавливается электрогидродинамический режим и его температура не превышает 100 ° С, т. е. можно осуществить селективный нагрев. Поверхность детали при этом получается чистой, без эрозии.
Обработка биметаллического изделия выполняется следующим образом. В качестве примера рассмотрим биметаллическую систему алюминий—сталь. На электролитическую ячейку, состоящую из свинцового катода и биметаллического анода, подается напряжение от источника постоянного тока 180 В. В качестве электролита используют водный раствор хлористого аммония с электропроводностью 0,34 Ом-1 • см-1 и коэффициентом поверхностного натяжения 76 мН/м при температуре 22 °С. После установления напряжения на электродах биметаллический анод погружают в электролит. На стальной части анода устанавливается режим нагрева, температура ее равна 720 °С. На алюминиевой части детали устанавливается электрогидродинамический режим, температура ее равна 90 °С. Деталь после обработки охлаждает путем отключения электрического тока. При введении в электролит соответствующих добавок [4] можно осуществить азотирование, нитроцементацию или цементацию стальной части биметаллического изделия.
Аналогичным образом обрабатывают другие биметаллы. Режимы процесса и достигаемые температуры приведены в табл. 1.
Использование этого способа обработки биметаллов в электролитной плазме позволяет осуществить термическую или химико-термическую обработку одного металла, не нагревая второй металл свыше 100 °С, повысить качество обрабатываемых изделий и улучшить технологичность процессов обработки (при этом обрабатываемая часть может иметь любую конфигурацию).
2.2. Влияние технологических параметров
ЭПО на процесс полирования биметаллов
в электролитной плазме
Метод электролитно-плазменной обработки как метод очистки от окалины, финишной обработки токопроводящих материалов [4, 5] позволяет производить подготовку поверхности перед нанесением тонких пленок и покрытий, полировать сложнопрофильные поверхности ответственных деталей, производить зачистку заусенцев и притупление острых кромок, а также декоративное полирование металлоизделий. Этот метод во многом лишен тех недостатков, которые присущи механическому и электрохимическому полированию. Его преимуществами, в сравнении с другими способами полирования поверхностей, являются высокие производительность и эффективность, соблюдение экологической чистоты окружающей среды, высокие качества и скорость выполняемых операций, невысокая стоимость.
Для полирования поверхности всего биметаллического изделия необходимо, чтобы на
всей детали установился электрогидродинамический режим. Напряжение установления электрогидродинамического режима определяется молекулярными свойствами водного раствора, причем чем больше коэффициент поверхностного натяжения и кинематическая вязкость, тем при меньших напряжениях устанавливается этот режим.
Основные показатели качества электро-литно-плазменного полирования, к которым можно отнести шероховатость и отражательную способность поверхности, зависят от ряда факторов: напряжения на электродах, состава и температуры электролита, времени обработки. В зависимости от химического состава материала анода необходимо подбирать состав и концентрацию электролита. Ввиду большого разнообразия металлов и сплавов составы электролитов варьируются в широких пределах. Кроме того, в некоторых случаях используют добавки веществ, существенно влияющие на основные свойства растворов: коэффициент поверхностного натяжения и кинематическую вязкость. К ним относятся глицерин, ацетон, триэтаноламин, трилон-Б и др., которые меняют условия образования парогазовой оболочки и сдвигают вольтамперные границы электрогидродинамического режима [4].
Важнейшим параметром, определяющим качество полирования, является рабочее напряжение. Экспериментально установлено, что существует минимальное значение напряжения для каждого металла, ниже которого качество полирования начинает заметно ухудшаться. Были определены минимальные пороговые значения напряжений для полирования различных металлов: коррозионно-стойких сталей — 220 В; меди и медных спла-
вов — 260 В; алюминиевых сплавов — 270290 В; серебра — 280-290 В [4, 6].
Не только из энергетических, но и из технологических соображений увеличение напряжения более 360 В нежелательно, поскольку возможен переход в область контактных электрических разрядов [7], когда происходит срыв парогазовой оболочки и качество полируемой поверхности ухудшается.
Температурные условия в приэлектрод-ной зоне и электролите также играют существенную роль в процессе полирования металлов и сплавов, причем высокого качества поверхности можно достичь только в диапазоне температур электролита от 50 до 90 °С. Эксперименты показали, что при уменьшении температуры электролита ниже 50 °С качество полирования снижается. К тем же результатам приводит увеличение температуры электролита выше 90 °С. Кроме того, некоторые электролиты, содержащие соли аммония, соляную кислоту и другие вещества, при нагревании свыше 85 °С разлагаются, образуя летучие продукты, что требует частой корректировки состава раствора.
При реализации способа полирования в электролитной плазме используют в основном водные растворы солей. Так, в случае полирования изделий из алюминия или алюминиевых сплавов используют водный раствор хлористого аммония или хлористого натрия [5], а также хлористого калия, щавелевую кислоту и глицерин [12], а при полировании изделий из коррозионно-стойких сталей используют водный раствор сернокислого аммония [13]. Таким образом, установлено, что для каждого вида металлов и их сплавов необходимо определять соответствующий со-
Рис. 2. Поверхности стали (а) и алюминия (б) до обработки и стали (в) и алюминия (г) после полирования
Таблица 2
Влияние времени обработки на коэффициент отражения биметалла сталь—алюминий
Материал Время обработки, мин
2 4 6 8
Сталь — 12Х18Н10Т 0,27830 0,2918 0,3427 0,4243
Алюминий — АД31 0,2108 0,2783 0,3381 0,4108
П р и м е ч а н и е. Коэффициент отражения исходных материалов: сталь — 0,0054, алюминий исходный — 0,0216.
став электролита и электрические режимы обработки.
Например, при полировании биметаллического изделия, у которого одна сторона выполнена из коррозионно-стойкой стали, а вторая сторона — из алюминиевого сплава, в качестве электролита использовался водный раствор, содержащий хлористый калий, щавелевую кислоту и глицерин при следующем соотношении компонентов (мас. %): хлористый калий — 2-6; щавелевая кислота — 1-4; глицерин — 1-2; вода — остальное.
В качестве образцов использовались биметалл, одна сторона которого выполнена из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, вторая — из алюминиевого сплава АД31, и биметалл, одна сторона которого выполнена из коррозионно-стойкой стали 08Х18Н10Т, а вторая — из алюминиевого сплава Д1.
Значение коэффициента отражения поверхности коррозионно-стойкой стали и поверхности алюминия для сплавов 12Х18Н10Т и АД31 в зависимости от времени обработки представлены в табл. 2 при напряжении на электродах электрической ячейки 320 В.
Естественно предположить, что качество полирования поверхности пропорционально его длительности (табл. 2). При увеличении длительности полирования от 0 до 2 мин существенно уменьшается шероховатость поверхности сплава, а отражательная способность повышается с 0,5 до 28 % для коррозионно-стойкой стали и с 2 до 21 % для алюминиевого сплава (рис. 2). Быстрое уменьшение шероховатости за первые 2 минуты, по-видимому, связано с тем, что идет активное локальное сглаживание микрорельефа в местах наибольших выступов. Последующее увеличение длительности полирования не дает столь существенного изменения шероховато-
сти поверхности, а лишь придает поверхности зеркальный блеск.
Очевидно, что для сплавов металлов легче подобрать состав электролита и технологические параметры полирования, чем для биметаллов. В связи с этим для биметаллов можно достичь и больший коэффициент отражения. Например, для деталей только из сплава алюминия [14] коэффициент отражения достигает 0,8, но для этого предстоит провести новые дополнительные исследования.
Выводы
Исследования по обработке биметаллов в электролитной плазме показали, что использование этого способа позволяет осуществить термическую или химико-термическую обработку стальной части, не нагревая алюминиевый сплав выше 100 °С.
Исследования по полированию биметаллов показали, что за время полировки до 2 минут отражательная способность повышается с 0,5 до 28 % для коррозионно-стойкой стали и с 2 до 21 % для алюминиевого сплава. Последующее увеличение длительности полирования не дает столь существенного изменения шероховатости поверхности, а лишь придает поверхности зеркальный блеск.
Литература
1. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М., 1976. С. 258.
2. Довгалевский Я. М. Справочник термиста. 1962. С. 223.
3. Грилихес С. Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Л.: Машиностроение, 1983. 101 с.
4. Duradji V. N., Parsadanyan A. S. Metal Heating in Electrolytic Plasma. Shtiintsa, Kishinev. 1988. P. 216.
5. Куликов И. С., Ващенко С. В., Каменев А. Я.
Электролитно-плазменная обработка материалов. Минск: Беларуская навука, 2010. 232 с.
6. Дураджи В. Н., Брянцев И. В., Товарков А. К. Исследование эрозии анода при воздействии на него электролитной плазмы // Электронная обработка материалов. 1978. № 5. С. 13-17.
7. Duradji V. N., Kaputkin D. E. Metal surface treatment in electrolyte plasma during anodic process electrochemical engineering // Journ. of The Electrochemical Society. 2016. Vol. 163 (3). Р. E43-E48.
8. Коммутация тока на границе металл—электролит / Б. Р. Лазаренко, С. П. Фурсов, А. А. Факторович, В. Н. Дураджи. Кишинев: РИО Академии наук МССР, 1971. 74 с.
9. Куликов И. С., Ващенко С. В., Василевский В. И.
Особенности электроимпульсного полирования металлов в электролитной плазме // Вести АН Белоруссии. Сер. физико-технических наук. 1995. № 4. С. 18-21.
10. Веселовский А. П., Кюбарсэп С. В., Ушомир-ская Л. А. Особенности электролитно-плазменной обработки металлов в нетоксичных электролитах // Металлообработка. 2001. № 4. С. 29-31.
11. Electrolyte plasma modification of surface of Aland Ag-based alloys at electro-hydro-dynamic mode of anodic process // Journ. of The Electrochemical Society. 2017. Vol. 164 (14). P. E513-E518.
12. Патент BY № 7291.
13. Куликов И. С., Ващенко С. В., Василевский В. И.
Особенности электроимпульсного полирования металлов в электролитной плазме// Вести АН Белоруссии. Сер. физико-технических наук. 1995. № 4. C. 18-21.
14. Duradji V. N., Kaputkin D. E., Duradji A. Y. Electrolyte-Plasma Modification of Surface of Ti-Based Alloy during Electrohydrodynamic Mode of Anodic Process // Journ. of The Electrochemical Society. 2017. Vol. 164 (9). P. E226-E232.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
Мурашкина Т. И. Техника физического эксперимента и метрология: учеб. пособие. — СПб. : Политехника, 2015. — 138 с. : ил.
ISBN 978-5-7325-1051-5 Цена: 180 руб.
Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.
Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента.
Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене.
Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 312-53-90, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.
Т. И. Мурашкина
ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТРОЛОГИЯ
