CC BY
13УДК 621.794:620.1
Н.А. Амирханова, Ю.Б. Кутнякова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАРШРУТОВ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭХО УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ МЕДИ
(Уфимский государственный авиационный технический университет) E-mail: amirhanova@mail.rb.ru, kutnyakova@mail.rb.ru
Исследовалось высокоскоростное анодное растворение ультрамелкозерн^той меди, полученной методом равноканального углового прессования (РКУП) по различным маршрутам, в сравнении с крупнозернистым аналогом. Снимались поляризационные кривые в электролите на основе нитрата натрия и хлорида натрия с добавлением 0,1% хлорамина и 0,1% полигликолей. Проведена электрохимическая обработка на электрохимическом прошивочном станке СЭП-902 в электролитах с добавками хлорамина и полигликолей. На основе проведенных исследований были сделаны выводы о влиянии маршрутов РКУП на высокоскоростное анодное растворение УМЗ меди и о возможности применения данных электролитов для ЭХО меди.
В настоящее время перспективно использование в промышленности ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с размером зерен порядка 200-300 нм. Данные материалы характеризуются улучшенными физико-механическими свойствами, такими как прочность, пластичность, твердость. При механической обработке данных материалов, полученных методом РКУП по различным маршрутам, происходит увеличение температур, что приводит к увеличению зерен в УМЗ структуре, появляются субзеренные фрагменты и крупные зерна, поэтому для получения деталей из меди с УМЗ структурой, не нарушая структурности, предпочтительно использовать электрохимическую размерную обработку (ЭХРО).
При реализации РКУ прессования заготовка неоднократно продавливается в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися обычно под углом 90°. В процессе РКУ прессования для структурообразования весьма важными являются направление и число проходов заготовки через каналы. Рассмотрены различные маршруты заготовок: ориентация заготовки остается неизменной при каждом проходе (маршрут А); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 90° (маршрут В); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 180° (маршрут С); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 90° и вокруг поперечной оси (маршрут F) [1-4]. Чем больше число проходов, тем меньше величина зерна.
Ранее в работах [5, 6] было показано, что оптимальные значения выходных параметров ЭХО достигаются в электролитах состава 15 %
NaNO3 + 1 % №С1. Медь растворяется в анодно-анионной области с выходом по току порядка 100% как для УМЗ, так и для крупнозернистой (КЗ) меди. В работ! [7] для улучшения выходных параметров ЭХО предложено использовать данный электролит с добавками 0,1 % хлорамина или 0,1 % полигликолей. Данные добавки были выбраны на основе значений констант нестойкости образующихся комплексных соединений меди.
На рис. 1 и 2 представлены поляризационные кривые для УМЗ и КЗ меди. Из рисунков видно, что ионизация меди происходит в анодно-анионной области, причем плотности токов имеют большие значения для КЗ меди, что связано с образованием более ровной пассивной пленки на поверхности УМЗ меди. Добавка хлорамина способствует повышению скорости растворения как УМЗ, так и КЗ меди.
маршруту F12 и КЗ меди в электролите на основе нитрата
натрия и хлорида натрия Fig. 1. Polarization curves of the UFG copper obtained by F12 route and CG copper in electrolyte: 15% NaNO3+1% NaCl
Рис.1 Поляризационные кривые УМЗ меди, полученной по
Рис.2. Поляризационные кривые УМЗ меди, полученной по маршруту F12 и КЗ меди в электролите на основе нитрата натрия и хлорида натрия с добавкой 0,1% хлорамина.
Fig. 2. Polarization curves of the UFG copper obtained by F12 route and CG copper in electrolyte: 15% NaNO3+1% NaCl +0.1% organic additive
Было исследовано влияние маршрутов РКУ прессования на выходные параметры ЭХО меди в электролитах на основе нитрата натрия и хлорида натрия с добавками полигликолей и хлорамина. Как видно из рис. 3, при увеличении числа проходов и уменьшении размеров зерен меди в УМЗ состоянии скорости съема несколько снижаются по сравнению с крупнозернистым аналогом. Максимальное значение скоростей съема достигается при введении добавки 0,1% полигликолей для меди, деформированной по маршруту А8. Интересно отметить, что для меди, деформированной по маршрутам А12, В12, F12, характер изменения скоростей съема практически идентичен.
W, мм/мин
0,50
0,40
0,30 —
0,20 —
0,10 —
0,00
□ добавка полигликолей ■ добавка хлорамина
fflffl
1 2 3 4 5 6 7 8 Маршрут деформации
Рис. 3. Скорости съема в электролите состава 15% NaNO3+1% NaCl c добавками 0.1% хлорамина и 0,1% полигликолей для УМЗ меди, полученной по различным маршрутам: 1- А1, 2-А2, 3-А4, 4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12, 8-КЗ
Fig. 3. The dissolution rate of UFG Cu obtained by various routes in electrolyte: 15 % NaNO3+1% NaCl +0.1% organic additives: 1- А1, 2-А2, 3-А4, 4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12, 8-CG
Образцы с КЗ структурой характеризуются большими значениями скоростей съема по сравнению с УМЗ образцами, как в присутствии добавки хлорамина (W=0,475 мм/мин), так и с добавкой полигликолей (W=0,45 мм/мин).
Таким образом, по значениям скоростей съема можно отметить, что УМЗ медь, полученная по маршрутам с 12 проходами, характеризуется идентичными скоростями съема как с добавкой хлорамина, так и с добавкой полигликолей.
Рассмотрим значения выходов по току для УМЗ и КЗ меди после ЭХО. На рис. 4 приведены значения выходов по току, рассчитанные для меди в двухвалентной форме. Ионизация меди в электролите на основе нитрата натрия осуществляется в анодно-анионной области, наиболее вероятно, что медь ионизируется в двухвалентной форме. Как видно из рис. 4, при расчете на Си (II) выходы по току близки к 100%. Из рисунка видно, что выходы по току имеют несколько большие значения для КЗ меди. Значения выходов по току для электролита с добавкой хлорамина ниже по сравнению со значениями выходов по току в электролите с добавкой полигликолей, т.к. полигликоли обладают окислительным действием.
120
Выход по току, %, Cu(II)
□ добавка полигликолей ■ добавка хлорамина
100 --
80 --
60
40 --
20 --
НИ
1 2 3 4 5 6 7 8 Маршрут деформации
Рис. 4. Влияние маршрутов РКУП на выход по току меди в КЗ и УМЗ состояниях: 1- А1, 2-А2, 3-А4, 4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12, 8-КЗ
Fig. 4. Influence of ECAP routes on the current output of UFG and CG Cu: 1- А1, 2-А2, 3-А4, 4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12,
8-CG
Клок.
1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 +1,10 — 1,05 -I-1,00
□ добавка полигликолей ■ добавка хлорамина
¡И
1 2 3 4 5 6 7 8 Маршрут деформации Рис. 5.Влияние маршрутов РКУ прессования на точность обработки: 1- А1, 2-А2, 3-А4, 4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12, 8-КЗ Fig. 5. Influence of ECAP routes on the processing accuracy: 1- А1, 2-А2, 3-А4,4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12, 8-CG
Интересно рассмотреть влияние числа проходов на коэффициент локализации, по кото-
0
рому можно судить о точностных возможностях электролита. Как видно из рис. 5, по мере увеличения числа проходов до А8 наблюдается повышение Клок. как в электролите с добавкой хлорамина, так и в электролите с добавкой полиглико-лей, что обусловлено постепенным уменьшением размеров зерен со 120 мкм (А1) до 300 нм (А8). Коэффициент локализации для образцов А12, В12, F12 практически одинаковый и имеет значение 1,18 в электролите с добавкой хлорамина и 1,3 в электролите с добавкой полигликолей. Коэффициент локализации для КЗ меди по значениям близок к Клок для меди, деформированной по маршруту А1.
Рассмотрим, как влияют маршруты РКУ прессования на качество поверхности. На рис. 6 представлены значения высот микронеровностей, Яа, мкм.
Ra, мкм □ добавка полигликолей
Маршрут деформации Рис. 6. Значения высот микронеровностей в электролите состава 15% NaNO3+1% NaCl c добавками 0.1% хлорамина и 0,1% полигликолей для УМЗ меди, полученной по различным маршрутам: 1- А1, 2-А2, 3-А4, 4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12, 8-КЗ
Fig. 6. Values of Ra (цт) of the UFG copper obtained by F12 route and CG copper in electrolyte: 15% NaNO3+1% NaCl +0.1% organic additive: 1- А1, 2-А2, 3-А4, 4-А8, 5-А12, 6-B12, 7-F12, 8-CG
Как видно из рис. 6, с увеличением числа проходов до А8 в присутствии добавки хлорамина наблюдается закономерное снижение высот микронеровностей с 0,26 мкм до 0,2 мкм, в электролите с добавкой полигликолей, вследствие большей окислительной способности полигликолей, величина микронеровностей составляет величину 0,26 мкм. Установлено, что высота микронеровностей зависит от размеров зерен и практически в 2 раза снижается для УМЗ меди, полученной по маршрутам А12, В12, F12 по сравнению с КЗ аналогом в электролите с добавкой хлорамина.
Практически одинаковые значения высот микронеровностей наблюдаются для 12 проходов независимо от маршрута (А, В или F). В электролите с добавкой хлорамина Rа=0,13 мкм.
Изучение влияния маршрутов РКУП на выходные параметры ЭХО меди показало, что скорости съема постепенно увеличиваются с возрастанием числа проходов, т.е. уменьшением размеров зерен до А8, особенно при использовании добавки 0,1% хлорамина. Скорости съема для меди, деформированной по маршрутам А12, В12, F12, где размер зерен минимальный и составляет величину порядка 50- 250 нм, соизмеримы и имеют значения порядка 0,35 мм/мин в электролите с добавкой хлорамина. В электролите с добавкой полигликолей скорости съема несколько выше и увеличиваются с увеличением числа проходов. КЗ медь растворяется с большими скоростями в данных электролитах по сравнению с УМЗ медью.
Установлено, что выходы по току близки к 100% и практически не зависят от размеров зерен меди, так как ионизация происходит в анодно-анионной области и медь ионизируется в двухвалентной форме. Коэффициент локализации также повышается с уменьшением размеров зерен для маршрутов от А1 до А8, особенно для электролита с добавкой полигликолей. При равном числе проходов, но разной ориентации зерен маршрутов А12, В12, F12 коэффициенты локализации практически соизмеримы.
Чем больше деформация образца, т.е., чем меньше величина зерна и больше протяженность границ зерен, тем ниже значения высот микронеровностей. Введение добавки полигликолей способствует окислению поверхности меди и повышению значений высот микронеровностей по сравнению со значениями высот микронеровностей КЗ аналога.
Таким образом, даже незначительное изменение величины зерна и увеличение протяженности границ зерен существенно влияет на выходные параметры процесса ЭХО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Valiev R.Z. Progress in Materials Science. 2000. 45. 2. Р. 103-189.
2. Амирханов Н.М. и др. Физика металлов и металловедение. 1998. Т. 3. Вып. 86. С. 99-105.
3. Амирханова Н.А. и др. Электронная обработка материалов. 2001. № 6. С. 3-11.
4. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос. 2000. 272с.
5. Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З. Физика металлов и металловедение. 1999. Т. 3. Вып. 87. С. 46-52
6. Амирханова Н.А. и др. Материалы IV международного научно-практического семинара «Современные электрохимические технологии в машиностроении», г. Иваново, 2003 г. С. 5-15.
