CC BY
45
УДК 621.794:620.1
Н. А. Амирханова, Р. Р. Хайдаров, А. Р. Хамзина
Исследование влияния равноканального углового прессования на выходные параметры электрохимической обработки алюминиевых сплавов с ультрамелкозернистой структурой
Уфимский государственный авиационный технический университет 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12; тел. 272-38-77; [email protected], [email protected]
Исследовалось высокоскоростное анодное растворение алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с крупнозернистой (КЗ) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурами, полученных методом равноканального углового прессования. Снимались поляризационные кривые, проведена электрохимическая обработка (ЭХО) на электрохимическом прошивочном станке СЭП-902. На основе проведенных исследований были сделаны выводы о влиянии ультрамелкозернистой структуры на электрохимическую обрабатываемость алюминиевых сплавов с УМЗ структурой.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, ультрамелкозернистая структура, анодное растворение, электрохимическая обработка.
В настоящее время перспективно использование сверхпрочных алюминиевых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, обладающих высокой прочностью на сжатие и изгиб, для изготовления несущих конструкций травматологических аппаратов 1.
Величина зерна алюминиевых сплавов с УМЗ структурой составляет порядка 400 нм, средняя плотность дислокации 5—10 14-17м-2 2.
Для изготовления деталей из УМЗ материалов механические методы неприемлемы, т. к. при их использовании развиваются высокие температуры, что неблагоприятно сказывается на структуре сплава, весьма перспективно использование электрохимической размерной обработки, при которой температура рабочей среды не превышает 50 оС. Таким образом, исследование влияния интенсивных пластических деформаций на высокоскоростное анодное растворение алюминиевых сплавов имеет не только чисто теоретическое, но и практическое значение 3.
В данной работе исследовалось высокоскоростное анодное растворение алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с УМЗ структурой с целью разработки технологических условий для получения деталей, прошивки отверстий и пазов.
Дата поступления 04.09.07
Поляризационные исследования проводились на вращающемся дисковом электроде со скоростью вращения 1000 об./мин, со скоростью развертки 50 мВ/с, в растворах на основе ЫаМ03 различной концентрации, а также с добавкой ЫаС1.
Выявлено, что в хлоридных растворах ионизация всех трех сплавов как с УМЗ, так и с КЗ структурой происходит в активной области. Предельный ток зависит от концентрации ЫаС1. Более высокие скорости для алюминиевых сплавов с УМЗ структурой обусловлены тем, что ионизация сплава с более мелкими зернами, большей протяженностью границ и большим числом дислокации происходит с меньшими энергетическими затратами, чем при ионизации алюминиевых сплавов с КЗ структурами.
Поляризационные исследования в растворах нитратов показали, что ионизация всех алюминиевых сплавов как с КЗ, так и с УМЗ структурой происходит в анодно-анионной области. Для сплавов в УМЗ состоянии начало анодно-анионной области происходит при более положительных потенциалах, чем для КЗ аналогов и токи в анодно-анионной области для сплавов в УМЗ состоянии несколько ниже, чем для сплавов в КЗ состоянии. Полученные результаты можно объяснить тем, что сплавы в УМЗ состоянии покрываются ровной менее дефектной пассивирующей пленкой, которая более прочно экранирует поверхность, чем для алюминиевых сплавов с КЗ структурой.
Изучалась поляризация алюминиевых сплавов в растворах нитрата аммония. Выявлено, что в растворах МИ4Ы03 ионизация также происходит в анодно-анионной области, но при более отрицательных значениях потенциалов, чем начало анодно-анионной активации в растворах ЫаМ03.
Изучалась электрохимическая обрабатываемость алюминиевых сплавов 1420, 1421,
I, А/см 2
6 3'
/ 2'
4 ' ? 1'
Г 3
_Л 2
..... 1
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4
Рис. 1. Потенциодинамические поляризационные кривые для алюминиевого сплава 5083 с КЗ и УМЗ структурами в растворах ЫаС1 различной концентрации: 1, 1' - 5%; 2, 2' - 10%; 3, 3' - 15% (♦ - УМЗ структура; Д - КЗ структура)
I, А/см
3 п
1,5
2,5
фВ
Рис. 2. Потенциодинамические поляризационные кривые для алюминиевого сплава 1421 с КЗ и УМЗ структурой в растворах №N03 различной концентрации: 1, 1' - 5%; 2, 2' - 10%; 3, 3' - 15%. (♦- УМЗ структуры; Д - КЗ структуры)
I, А/см2 6 1
-2,5
ф, В
Рис. 3. Потенциодинамические поляризационные кривые алюминиевого сплава 5083 с КЗ структурой в электролите на основе 15% №N03 с добавкой №С1, 1-1 %; 2-3 %; 3-5 %
5083 в КЗ и УМЗ состояниях на универсальном копировально-прошивочном станке СЭП-902. Поляризация осуществлялась импульсным током с длительностью импульса 8мс, при напряжении 8В, поток электролита прокачивался через тело катода.
Образцы из КЗ и УМЗ материалов предварительно взвешивались. Съем определялся гравиметрически. После ЭХО для оценки производительности процесса вычислялись скорости съема, определялся выход по току, электрохимический весовой эквивалент рассчитывался по известной формуле.
На рис. 4, 5 приведены гистограммы скоростей съема для алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 в электролитах на основе 15% №N0;^ и 15% №N0;^ + 3% №01.
Как видно на рис. 4, 5, в 15% растворе NaN03 при электрохимической обработке скорости съема для алюминиевых сплавов с КЗ структурой выше, чем для сплавов с УМЗ структурой. Если скорости съема сплавов 1420, 1421 практически сопоставимы, так как набор легирующих элементов практически одинаков, то скорость съема для алюминиевого сплава 5083 значительно ниже как в КЗ, так и в УМЗ состояниях, так как в нем содержатся пассивирующие, легирующие компоненты Сг, Мп, Fe. Снижение скорости съема алюминиевых сплавов с УМЗ структурой согласуется с поляризационными исследованиями, так как электрохимическая обработка происходит в анодно-анионной области через пассивирующую пленку, которая более ровная и плотная для УМЗ состояния. В комбинированном электролите на основе 15% NaN03 + 3% №С1 наблюдается обратная картина. Введение добавки 3% №С1 в 15% раствор №N03 обуславливает активацию, поэтому алюминиевые сплавы с УМЗ структурой ионизируются с большими скоростями, чем сплавы с КЗ структурой. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что, как показали потенциоди-намические исследования, добавление хлорид-ионов приводит к сдвигу потенциала от анод-но-анионной области в активную область (рис. 3).
Рассмотрим влияние природы сплава и природы электролита на выход по току.
2
3
мм/мин
0,22 0,21 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16
1420
1421
5083
1420
1421
5083
Рис. 5. Скорости съема алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с КЗ и УМЗ структурой в комбинированном электролите на основе 15% ЫаК03 + 3% ЫаС1 при обработке на станке СЭП-902
п,
70 60 50 40 30 20 10 0
%
□ КЗ
1420
1421
5083
Рис. 4. Скорости съема алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с КЗ и УМЗ структурой в электролите на основе 15% №N03 при обработке на станке СЭП-902
мм/мин. 0,25
Рис. 6. Выход по току алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с КЗ и УМЗ структурой в электролите на основе 15% №N03 при обработке на станке СЭП-902
п, %
70
60
50
40
30
1420
1421
5083
Рис. 7. Выход по току алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с КЗ и УМЗ структурой в комбинированном электролите на основе 15% NaN03 + 3% №С1 при обработке на станке СЭП-902
Как видно на рис. 6 и 7, после поляризации в электролите на основе 15% №N0^ выходы по току находятся в пределах 50%, т. к. в анодно-анионной области, наряду с ионизацией компонентов сплава, происходит разряд воды с образованием кислорода, при этом значения выходов по току для сплавов с УМЗ структурами несколько ниже, чем выходы по току для этих же сплавов с КЗ структурами. В комбинированном электролите на основе 15% NaN03 + 3% №С1 для алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 наблюдается обратная картина, выходы по току для сплавов с УМЗ структурой выше, чем для сплавов с КЗ структурой, т. к. процесс перетекает из анодно-анионной области в активную область.
Сравнивалось влияние природы электролита и структуры сплава на точность обработки последнего. Выявлено, что большая точность, наименьшее отклонение от размеров наблюдается после ЭХО в электролите на основе 15% №N0^ при этом большая точность достигается для сплавов с УМЗ структурой,
чем для сплавов с КЗ структурой. При использовании комбинированного электролита как для КЗ, так и для УМЗ структур алюминиевых сплавов точность ниже.
Рассмотрим влияние ЭХО обработки на формирование поверхностного слоя. В табл. приведены значения шероховатости Иа для КЗ и УМЗ структур алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083.
Таблица
Значения шероховатости Ra (мкм) для КЗ и УМЗ структур
Сплав 15% №N0., 15% NaN03+3%NaC1
Иа, мкм Иа, мкм
КЗ УМЗ КЗ УМЗ
1420 0.559 0.489 0.75 0.566
1421 0.525 0.422 0.674 0.651
5083 0.552 0.459 0.526 0.51
Установлено, что при использовании раствора 15% NaN03 значения высоты микронеровностей для УМЗ структур на 0.1 мкм меньше по сравнению со сплавами с КЗ структурой. После поляризации в комбинированном
электролите сплавы с УМЗ структурами имеют более низкие значения Иа, чем значения Иа для сплавов с КЗ структурой. В комбинированном электролите высоты микронеровностей значительно выше по сравнению со значениями Иа, полученными для сплавов при использовании электролита на основе 15% №N0^
После ЭХО алюминиевых сплавов с КЗ и УМЗ структурами в двух электролитах изучалась микроструктура поверхности сплавов на бинокулярном микроскопе ОГМЭ-ПЗ. Сравнение фотографий микроструктур показывает, что после ЭХО в растворах нитрата натрия поверхность сплава покрыта пленкой, достаточно равномерной, в особенности для алюминиевых сплавов с УМЗ структурой. Пленка после ЭХО для этих же сплавов с КЗ структурой более рыхлая и неравномерная. На поверхности алюминиевых сплавов после ЭХО в растворе комбинированного электролита видны участки растравов, что нежелательно при финишной операции. Таким образом, изучение микроструктуры поверхности алюминиевых сплавов после ЭХО как для КЗ, так и для УМЗ структур показало, что наиболее приемлемая как финишная операция, является ЭХО алюминиевых сплавов в электролите на основе 15% №N0^ Установлено, что алюминиевые сплавы с УМЗ структурой растворяются более равномерно, с образованием ровной, пассивирующей пленки, без пит-тингов.
На основании комплекса приведенных данных можно рекомендовать для исследованных алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с КЗ и УМЗ структурами электролит на основе 15% NaNO3, в котором достигается скорость съема для алюминиевых сплавов с КЗ структурами 1420—0.215 мм/мин, сплава 1421—0.224 мм/мин, 5083—0.203 мм/мин. Для алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с УМЗ структурами скорости съема 0.208; 0.212; 0.188 мм/мин соответственно. Выходы по току после ЭХО в 15% NaNO3 колеблются в пределах от 50—60 %, т. е. процесс частично сопровождается выделением кислорода. При использовании электролита на основе 15% NaNO3 достигается сравнительно высокая точность обработки, высота микронеровностей сравнительно выше для всех сплавов с КЗ структурами и на 13—17% ниже высота микронеровностей для алюминиевых сплавов с УМЗ структурами.
Литература
1. Валиев Р. З., Александров И. В. Наноструктур-ные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией.— М.: Логос, 2000. — 272 с.
2. Valiev R. Z. // Progress in Materials Science.— 2000.- V. 45, №2.- Р. 103.
3. Амирханова Н. А. и др. Исследование влияния интенсивных пластических деформаций на высокоскоростное анодное растворение различных материалов. // Мат. IV Междун. науч.-практ. семинара «Современные электрохимические технологии в машиностроении».- Иваново, 2003.- С. 5.
