CC BY
99
УДК 621.7.044.4
Е. Ю. Черняева (к.т.н., ст. преп.), Н. А. Амирханова (д.т.н., проф., зав. каф.)
Изменение основных свойств электролитов после электрохимической обработки титанового сплава ВТ6
Уфимский гоударственный авиационный технический университет кафедра общей химии 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12; тел. (347) 2730962; факс (347) 2722918
E. Yu. Chernyaeva, N. A. Amirkhanova
Change of the basic properties of electrolytes after electrochemical
machining of titanium alloy ВТ6
Ufa State Aviation Technical University 12 K. Marksa srt, 450000, Ufa; ph. (347) 2730962, fax (347) 2722918
Изучалось изменение основных свойств электролитов (электропроводности и рН) после электрохимической обработки (ЭХО) титанового сплава ВТ6 в различных электролитах. Установлено, что в процессе ЭХО в растворах хлорида наблюдается уменьшение рН, а в электролитах на основе нитрата натрия наблюдается увеличение рН, что способствует стабилизации свойств многокомпонентных электролитов при высокой скорости растворения.
Ключевые слова: свойства электролитов; электрохимическая обработка.
Широкое внедрение электрохимического метода обработки (ЭХО) во многом сдерживается нерешенностью экологических проблем. Не решены вопросы контроля, корректировки и регенерации электролитов.
В последнее время для повышения точности электрохимической размерной обработки рекомендуются многокомпонентные электролиты, содержащие несколько различных по составу и свойствам анионов. Состав электролита оказывает большое влияние и на качество обрабатываемой поверхности. Однако неясными остаются вопросы поведения многокомпонентных электролитов в процессе работы электрохимического станка, прорабатывае-мость этих электролитов.
Технологический раствор, применяемый для осуществления процесса ЭХО, характеризуется различными физико-химическими параметрами и в процессе электролиза претерпевает значительные изменения: с увеличением количества пропущенного электричества через систему катод-инструмент — электрод-анод в электролите накапливаются продукты анод-
Дата поступления 27.01.10
Change of the fundamental properties of electrolytes (electric conductivity and рН) after the ECHP of titanium alloy VT6 in various electrolytes was studied. It is positioned, that in process the ECHP in chloride solutions is observed reduction рН, and in electrolytes on the fundamental of sodium nitrate is observed increasing of рН value, that promotes stabilization of properties of multicomponent electrolytes at the high dissolved rate.
Key words: electrochemical machining; titanium alloys.
ных и катодных реакций, вторичных химических процессов, оказывающие влияние на основные параметры ЭХО, и ухудшающие технологические показатели процесса, а образующиеся шламы также могут быть вредными с точки зрения экологии 1,2. Состав электролита в процессе его эксплуатации также изменяется вследствие накопления твердых продуктов анодной обработки, природа которых разнообразна (оксиды, гидрооксиды, основные соли металла)3.
Вышеописанные возможные изменения состава технологического раствора в процессе его длительной эксплуатации могут проявляться в первую очередь в изменении удельной электропроводности раствора, значение которой, в основном, определяется концентрацией основного компонента раствора, например, NaNO3, а ее изменение приводит к нарушению стабильности обработки 4,5. В процессе проработки электролита рН раствора может изменяться вследствие электрохимических и химических реакций, протекающих на электродах и в межэлектродном зазоре 6.
Целью работы является изучение изменений основных свойств электролитов после ЭХО титанового сплава ВТ6 в различных электролитах.
Экспериментальная часть
Исследования проводились в условиях, имитирующих процесс ЭХО, в нейтральных растворах солей 15% ЫаС1, 15% ЫаМОз, 15% №N03 + 3% ЫаС1, 15%МаМО3 + 3% ЫаС1 + 1% КВг. Эксперимент проводился в специальной установке, представляющей собой ячейку из органического стекла, где между цилиндрическим катодом и анодом, с помощью индикатора часового типа устанавливался требуемый зазор (с точностью до 0.01 мм) через который методом вытеснения сжатым воздухом прокачивался электролит. С целью ограничения объемов электролита и количества операций по его заливу и сливу, а также создания наибольшей герметичности установки, с помощью трехпозиционного распределительного крана обеспечивалась круговая циркуляция электролита. Изменением давления в системе создаются необходимые скорости прокачки электролита через межэлектродный зазор (Уэ = 20 м/с). Поляризация осуществлялась с помощью источника импульсного тока, регистрировалось изменение тока, фиксировалось время обработки каждого образца. Перед ЭХО и после нее образцы взвешивались на аналитических весах с точностью до 0.0001 г.
Изменения основных свойств электролита после ЭХО титанового сплава ВТ6 проводи-
лось при общем объеме электролита 1 л. Через определенные промежутки времени после ЭХО образцов проводился отбор проб электролита для измерения электропроводности (кондуктометр «Анион 7025» с константой ячейки 100 ± 0.2 м-1 и диапазоном измерений 0.0003-1 См/м) и определения значения рН («И-160М» (±0.02 единиц рН)) в пробах.
Изменение электропроводности при высокоскоростном анодном растворении титанового сплава от количества пропущенного электричества представлено на рис. 1.
Как видно из рис. 1, после ЭХО в растворе 15% №С1 (электролит №1) наблюдается наибольшая электропроводность -0.164 Ом-1см-1, при этом она имеет тенденцию к увеличению при 2 А-ч/л до 0.19 Ом-1см-1. При ЭХО сплава ВТ6 в 15%-ном растворе NaN03 (электролит №2) электропроводность по сравнению с 15% №С1 меньше в 1.4 раза и после ЭХО мало меняется при пропускании количества электричества до 3 А - ч/л. При введении в раствор 15% NaN03 дополнительной добавки 3% №С1 (электролит №3), а также добавки 1% КВг (электролит №4), происходит закономерное повышение электропроводности, но электропроводность в составных электролитах ниже, чем в 15% №С1 в 1.22 и 1.16 раза, соответственно. Данное обстоятельство, возможно, связанно с изменением концентраций компонентов раствора и его рН.
Изучалось изменение рН после ЭХО в зависимости от пропущенного количества электричества. При обработке титановых сплавов в растворах №С1 анодная поверхность
Рис. 1. Изменение электропроводности после ЭХО титанового сплава ВТ6 в электролитах: 1 —15% МаС1; 2 - 15% ^N0^ 3 - 15% NaNO3 + 3% ШС1; 4 - 15% NaNO3 + 3% NaCl +1% КВг
не закрывается пассивной пленкой, поэтому ионы водорода, образующиеся на катоде по реакциям:
2Н+ + 2е ^ Н2
или 2Н2О + 2е ^ Н2 + 2ОН
(1)
2
торое падение значения рН после ЭХО в хло-ридном электролите, возможно, также связано с тем, что ионы хлора активируют поверхность сплава с образованием Т1С14, который легко гидролизуется, образуя белый осадок ортоти-тановой кислоты:
достигают поверхности титанового анода, вызывают наводораживание, что, безусловно, является нежелательным фактом, т. к. при наво-дораживании увеличивается хрупкость 7.
При ЭХО титановых сплавов в электролитах на основе нитрата натрия происходит ионизация в области анодно-анионной ионизации через пассивирующую пленку, которая блокирует поверхность титана, защищая его от наводораживания. На катоде возможно также восстановление нитратов с образованием нитритов по реакции,:
N0^ + Н20 + 2е ^ N0-2 + 2ОН-, (2)
а не разряд воды (по реакциям 1).
В связи с этим можно объяснить различные процессы, при которых происходит изменение рН в электролитах разной природы (рис. 2).
Как видно из рис. 2, с увеличением количества пропущенного электричества во всех электролитах происходит изменение величины рН. После ЭХО в электролите №1 с увеличением количества пропущенного электричества рН резко падает и при 3 А - ч/л достигает значения 4.6. Основным процессом, приводящим к изменению рН в растворе №С1, является выделение водорода на катоде (реакция 1). Неко-
Т + 4С1- - 4е ^ Т1С14 + 4Н20 ^
^ Н4ТЮ4 +4Н+ + 4С1-
(3)
а также по реакции:
Т + Н20 + 2 С1- ^ ТЮНС12 + 2Н+ + 4е-(4)
Однако, на аноде также может происходить подкисление и в результате реакции, например, разложения воды:
2Н20 - 4е ^ 4Н+ + 02 , (5)
которая и способствует наводораживанию поверхности при обработке.
При ЭХО в электролите №2 наблюдается увеличение рН электролита в процессе проработки (рис. 2), при этом наблюдается небольшой максимум при протекании 0.5 А - ч/л и далее при 1 А - ч/л рН достигает минимального значения 5.9 и далее монотонно меняется в сторону увеличения значения до 7.6. В двух- и трехкомпонентных электролитах №3 и №4 рН по мере пропускания 0.5 А - ч/л достигает значений 8.4 и 8.8 соответственно и практически не изменяется по мере пропускания количества электричества. Увеличение рН электролита при увеличении количества пропущенного электричества можно объяснить тем, что наряду с выделением водорода на катоде (реакции
Рис. 2. Изменение рН после ЭХО титанового сплава ВТ6 в электролитах: 1 -15% NaCl; 2 -15% NaN0з; 3 - 15% NaN03 + 3% ШС1; 4 - 15% NaN03 + 3% NaCl +1% КВг
1) протекает процесс восстановления нитрата с образованием нитрита (реакция 2), поэтому у поверхности катода раствор подщелачивается. По мере роста концентраций ионов водорода наступает равновесие между катодным восстановление водорода (реакции 1) и образующимися ионами гидроксида (реакция 2), что обусловливает в некоторых пределах стабилизацию рН электролита, т. к. при выходе из межэлектродного зазора происходит смешение католита и анолита потоком электролита.
Таким образом, анализируя в совокупности полученные данные, можно констатировать, что в процессе ЭХО в растворах хлорида наблюдается уменьшение рН, а в электролитах на основе нитрата натрия наблюдается защела-чивание электролита, что способствует стабилизации свойств при использовании многокомпонентных электролитов при большой величине съема.
При увеличении количества пропущенного электричества электропроводность в электролите №1 проходит через небольшой максимум при пропускании 2 А • ч/л и рН практически не изменяется в электролитах №2, №3 и №4. При продолжительной эксплуатации электролитов для того, чтобы поддержать постоянную электропроводность, и, тем самым, обеспечить необходимую точность электрохимической обработки, весьма эффективным является использование и корректировка состава
многокомпонентных электролитов. Проводя корректировку таких электролитов, применяемых при ЭХО, можно стабилизировать рН и регулировать, таким образом, электропроводность, а соответственно, и точность обработки.
Литература
1. Дикусар А. И. Молин А. И., Ананьева О. Б. // Электронная обработка материалов.— 1984.— № 6.- С. 5.
2. Дикусар А. И., Молин А. И., Павлова Т. А. и др. // Электронная обработка материалов. Депонировано в ВИНИТИ, № 4173-85 от 14.06.85.
3. Пупков Е. И., Покровский С. Ю., Корнилов Э. Н., Панкина Т. В. // Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов.-2003.- С. 26.
4. Петров Ю. Н., Корчагин Г. Н., Зайдман Г. Н., Саушкин Б. П. Основы повышения точности электрохимического формообразования.- Кишинев: Штиинца, 2000.— 151 с.
5. Дикусар А. И., Энгельгардт Г. Р., Петренко В. И., Петров Ю. Н. Электродные процессы и процессы переноса при электрохимической размерной обработке металлов.- Кишинев: Штиин-ца,1983.— 206 с.
6. Давыдов А. Д., Кащеев В. Д., Кабанов Б. Н. // Электрохимия.— 1969.— Т.5, Вып.2.— С. 221.
7. Проничев Н. Д., Богданович В. И., Шитарев И. Л., Смирнов Г. В. Наводораживание титановых сплавов при электрохимической размерной обработке.— Самара: Самарский научный центр РАН, 1999.— 128 с.
