Способ электролитно-плазменной обработки поверхности металлов


 


Владельцы патента RU 2537346:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к электролитно-плазменной обработке поверхности металлов. Способ включает полировку детали из медьсодержащего сплава в электролите, используемой в качестве анода, и синхронное нанесение медного покрытия на стальную деталь, которую используют в качестве катода. На катод и анод подают напряжение 250-340 В при температуре электролита 60-90ºС. Электролит используют в виде водного раствора, содержащего хлористый аммоний, фтористый аммоний и аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь. Обеспечивается полирование активного анода до зеркального блеска с синхронным покрытием поверхности стального катода медью. 1 пр.

 

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки материалов и может быть применено в процессах электролитно-плазменного полирования изделий в различных областях техники: в машиностроении, в электротехнической промышленности, в приборостроении и в декоративных целях при производстве товаров народного потребления. Способ синхронного полирования заключается в том, что одновременно осуществляется полировании металлического изделия, служащего активным электродом в электролитной плазме при анодном процессе, и нанесение медного покрытия на металлический катод.

Известно (1 - Дураджи В.Н., Парсаданян А.С. Нагрев металлов в электролитной плазме. - Кишинев, Штиинца, 1988), что анодный процесс в электролитах состоит из нескольких режимов: первый режим процесса, наблюдаемый на активном электроде (площадь поверхности анода не менее чем в два раза меньше поверхности катода) при прохождении электрического тока небольшой плотности в неподвижном электролите, представляет собой низковольтный электролиз. С повышением напряжения на электродах электролитической ячейки до 60-70 В и плотности тока до 10-16 А/см2 возникает коммутационный режим, характеризуемый тем, что вокруг активного электрода периодически образуется парогазовая оболочка, приводящая к запиранию тока в течение 10-3-10-4 с. Третий режим процесса - режим нагрева в электролитной плазме - возникает при напряжениях свыше 80-90 В, когда образуется стационарная парогазовая оболочка вокруг активного электрода, плотность тока уменьшается до 0,8-1,5 А/см2, температура активного электрода может изменяться от 400 до 1100°C. Дальнейшее увеличение напряжения на электродах ячейки (в пределах от 250 до 350 В) после установления режима нагрева приводит к росту интенсивности свечения электрических разрядов, толщины парогазовой оболочки, а на отдельных участках активного электрода даже к ее срыву и интенсивному перемещению электролита в виде струи вниз от нижнего конца активного электрода. При этом температура нагрева анода может становиться меньше 100°C, величина электрического тока в цепи уменьшается в 2-2,5 раза, т.е. устанавливается четвертый режим анодного процесса - электрогидродинамический.

Во всех этих режимах происходит полирование поверхности активного электрода (2 - Дураджи В.Н. и др. Исследование эрозии анода при воздействии на него электролитной плазмой. - Электронная обработка материалов, 1978, № 5, с.13-17). Коммутационный режим требует больших энергетических затрат и используется в исключительных случаях, например, при получении острий из LaB6. В режиме нагрева осуществляется термическая и химико-термическая обработка, что приводит к изменению структуры металлического изделия. Поэтому в настоящее время в промышленности для полирования металлических деталей используется электрогидродинамический режим, при котором температура детали не превышает 100°C и плотность тока на активном электроде в 2-2,5 раза меньше, чем в режиме нагрева.

При реализации способа полировки используют в основном водные растворы солей (при необходимости в зависимости от материала активного электрода можно использовать водные растворы кислот и щелочей). В случаях полирования изделий из меди и медных сплавов (3 - Патент РБ на изобретение №8424 - Способ электрохимической обработки металлических изделий, преимущественно из меди и медных сплавов, под гальванические покрытия) используют водный раствор аммонийных солей, содержащий фтористый аммоний и аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный и другие составы при температуре электролита 60-90°C.

Медные покрытия (4 - Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий. Л., Машиностроение, 1972, 464 с.), как правило, не применяются в качестве самостоятельного покрытия ни для декоративных целей, ни для защиты стальных деталей от коррозии. Это связано с тем, что медь в атмосферных условиях легко окисляется, покрываясь налетом окислов.

Однако благодаря хорошему сцеплению осажденной меди с различными металлами медное покрытие применяется в многослойных защитно-декоративных покрытиях в качестве промежуточного подслоя, а также для защиты стальных деталей от цементации. В гальванопластике медные осадки применяются для изготовления металлических копий, барельефов, волноводов и матриц.

Электролиты меднения подразделяют на кислые и щелочные. Из кислых электролитов используют сернокислые и борфтористоводородные. Наибольшее применение нашли сернокислые электролиты, отличающиеся простотой состава, устойчивостью и высоким выходом по току (до 100%). Недостатком этих электролитов является невозможность непосредственного покрытия стальных и цинковых деталей вследствие контактного выделения меди, имеющей плохое сцепление с основным металлом. Поэтому перед меднением стальных деталей в кислых электролитах их предварительно меднят в цианистых электролитах или осаждают тонкий подслой никеля. К недостаткам сернокислых электролитов относятся также их незначительная рассеивающая способность и более грубая структура осадков по сравнению с другими электролитами.

К щелочным электролитам меднения относятся цианистые, пирофосфатные и другие электролиты. Цианистые медные электролиты обладают высокой рассеивающей способностью, мелкокристаллической структурой осадков, возможностью непосредственного меднения стальных деталей. К недостаткам относятся низкая плотность тока и неустойчивость состава вследствие карбонизации свободного цианида под действием двуокиси углерода воздуха. Кроме того, цианистые электролиты характеризуются пониженным выходом по току (не более 60-70%).

Кислые электролиты меднения;

Медь сернокислая - 150-250 г/л;

Никель хлористый - 50-70 г/л;

Температура электролита = 18-25°C;

Плотность тока = 1-4 А/дм2.

При перемешивании электролита сжатым воздухом можно довести катодную плотность тока до 10-15 А/дм2.

Для приготовления сернокислого электролита меднения растворяют медный купорос, фильтруют его в рабочую ванну и при непрерывном помешивании добавляют серную кислоту.

При нанесении медных покрытий из сернокислого электролита медные аноды растворяются в основном с образованием двухвалентных ионов, которые, разряжаясь на катоде, осаждаются в виде металлической меди. Однако наряду с этими процессами происходят и другие, нарушающие нормальное течение электролиза. Возможно также анодное растворение с образованием одновалентных ионов, хотя и в меньшей степени.

В электролите, омывающем металлическую медь, идет также химический обратимый процесс: Cu+Cu2+=2Cu+.

Накопление в растворе ионов одновалентной меди в больших количествах приводит к сдвигу реакции влево, в результате чего выпадает металлическая губчатая медь.

В растворе, кроме того, происходит окисление сернокислой одновалентной меди за счет кислорода воздуха и серной кислоты, особенно при воздушном перемешивании: Cu2SO4+1/2O2+H2SO4=2CuSO4+H2O. На катоде процесс заключается в разряде двухвалентных и одновалентных ионов меди, но в связи с тем, что концентрация ионов одновалентной меди приблизительно в 1000 раз меньше концентрации ионов двухвалентной меди, катодный процесс выглядит так: Cu2++2e-=Cu. Выход по току составляет 100%.

Для получения плотного гладкого осадка в электролите необходимо присутствие серной кислоты. Серная кислота выполняет ряд функций: значительно повышает электропроводность электролита; понижает активность ионов меди, что способствует образованию мелкозернистых осадков; предотвращает гидролиз сернокислой закисной меди, который сопровождается образованием рыхлого осадка закиси меди.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение технологических возможностей за счет обработки медных и медьсодержащих сплавов, а также увеличение номенклатуры обрабатываемых деталей.

Поставленная задача решается таким образом, что при полировании активного электрода анодного процесса при напряжении на электродах электролитической ванны 250-340 В синхронно осуществляется меднение стального катода. Ионы меди, образующиеся в парогазовой оболочке, под действием электрического поля переносятся на стольной катод и, таким образом, осуществляется процесс меднения без использования медьсодержащих электролитов. В качестве электролита используется раствор аммонийных солей, содержащий хлористый аммоний, фтористый аммоний и аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хлористый аммоний - 4-15;

Фтористый аммоний - 1-5;

Аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь - 1-2;

Вода - остальное.

Предельные величины концентрации компонент электролитов обусловлены сохранением эффекта полирования и образования медного покрытии на поверхности стального катода. При меньших концентрациях обрабатываемая поверхность активного анода подвергается интенсивному травлению, приводящему к повышению шероховатости поверхности и исчезновению блеска. При концентрации, превышающей указанные пределы, ухудшается качество полирования из-за явно выраженной пассивации поверхности анода, снижения блеска и повышения шероховатости.

Примеры конкретной реализации способа

Пример 1. Активный электрод изготовлялся в виде пластин размером 60×15×3,5 мм из латуни Л63 и прутков диаметром 8 мм, длиной 60 мм из латуни Л63. Катод выполнен из нержавеющей стали 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Активный электрод погружают в электролит состава (вес.%):

Хлористый аммоний - 10;

Фтористый аммоний - 4;

Аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь - 1,5;

Вода - остальное.

Электролит нагрет до температуры 70°C-80°C, напряжение на электродах 300 В при плотности тока на активном аноде 0,7-0,8 А/см2, время обработки - 2 мин. После обработки поверхность анода имеет равномерный зеркальный блеск, а катод равномерно покрывается слоем меди толщиной 4-6 мкм как с внутренней стороны, так и с внешней.

Пример 2. Активный электрод изготовлялся из меди в виде пластин размером 60×10×3 мм. Катод выполнен из нержавеющей стали 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Активный электрод погружают в электролит того же состава. Электролит нагрет до температуры 70-80°C, напряжение на электродах 300 В при плотности тока на активном аноде 0,7-0,8 А/см2, время обработки - 2 мин. После обработки поверхность анода имеет равномерный зеркальный блеск, а катод равномерно покрывается слоем меди толщиной 4-6 мкм как с внутренней стороны, так и с внешней.

Таким образом, заявленный способ позволяет осуществить полирование активного электрода из медного или медьсодержащих сплавов до зеркального блеска с синхронным покрытием поверхности стального катода медью.

Способ электролитно-плазменной обработки поверхности металлических деталей, включающий полировку детали из медьсодержащего сплава в электролите, используемой в качестве анода, отличающийся тем, что синхронно полировке в электролите детали из медьсодержащего сплава, используемой в качестве анода, наносят медное покрытие на стальную деталь, которую используют в качестве катода, при этом на катод и анод подают напряжение 250-340 В при температуре электролита 60-90ºС, который используют в виде водного раствора, содержащего хлористый аммоний, фтористый аммоний и аммоний лимоннокислый одно-, двух-, трехзамещенный или их смесь при следующем соотношении компонентов (вес.%):

хлористый аммоний 4 - 15
фтористый аммоний 1 - 5
аммоний лимоннокислый одно-,
двух-, трехзамещенный или их смесь 1 - 2
вода остальное



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий, преимущественно из титановых сплавов, и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, для обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств деталей турбомашин, а также в качестве подготовительной операции перед ионно-имплантационным модифицированием поверхности детали и нанесением защитных ионно-плазменных покрытий.
Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию деталей из титановых сплавов и может быть использовано в турбомашиностроении при полировании рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, для обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств деталей турбомашин, а также в качестве подготовительной операции перед ионно-имплантационным модифицированием поверхности детали и нанесением защитных ионно-плазменных покрытий.

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов и может применяться для ручного электрохимического полирования различных деталей, в том числе с пространственно-сложными поверхностями.
Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов и сплавов и может быть использовано в машино- и приборостроении, например, при доводке внутренних и наружных поверхностей.
Изобретение относится к электрохимической обработке поверхности металлических изделий, в частности к электрохимическому полированию поверхности из магниевых сплавов, таких как кронштейны, поковки, штамповки, крышки, диски автомобильных колес, корпуса ноутбуков, мобильных телефонов, и может быть использовано в ракетно-космической технике, автомобилестроении, электронной промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Изобретение относится к способам изготовления шпинделей для задвижек и вентилей для перекрывания трубопроводов или регулирования расхода проходящих в них сред. .
Изобретение относится к способу изготовления шпинделя из стали для трубопроводной аппаратуры и может быть использовано при изготовлении задвижек и вентилей для перекрывания трубопроводов или регулирования расхода проходящих в них сред.

Изобретение относится к области электрохимического полирования металлических изделий и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке лопаток. .
Изобретение относится к электролитно-плазменному полированию металлических изделий и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для изготовления полупроводников. Способ электролитического осаждения меди на подложку, содержащую элементы поверхности субмикрометрового размера, имеющие размер отверстия 30 нанометров или менее, включает: а) контактирование с подложкой электролитической ванны для осаждения меди, содержащей источник ионов меди, один или более ускоряющих агентов и один или более подавляющих агентов, выбранных из соединений формулы I где каждый радикал R1 независимо выбирается из сополимера этиленоксида и по меньшей мере еще одного С3-С4 алкиленоксида, причем указанный сополимер представляет собой случайный сополимер, каждый радикал R2 независимо выбирается из R1 или алкила, Х и Y независимо представляют собой спейсерные группы, причем Х имеет независимые значения для каждой повторяющейся единицы, выбранные из С1-С6 алкилена и Z-(O-Z)m, где каждый радикал Z независимо выбирается из С2-С6 алкилена, n представляет собой целое число, больше или равное 0, m представляет собой целое число, больше или равное 1, в частности m равно 1-10, а содержание этиленоксида в сополимере этиленоксида и С3-С4 алкиленоксида составляет от 30 до 70%, и b) создание плотности тока в подложке в течение периода времени, достаточного для заполнения медью элемента субмикронного размера.
Изобретение относится к гальванотехнике и может быть использовано в технологии микроэлектроники, в которой слой меди необходимо нанести на тонкий подслой кобальта или его сплавов (кобальт-фосфор, кобальт-вольфрам-фосфор) или меди, находящейся на поверхности кремниевых пластин.

Изобретение относится к области гальваностегии, в частности к электролитическому нанесению медного покрытия на сталь без применения промежуточного подслоя, и может найти применение в машиностроительных областях промышленности, где важно получать пластичные медные покрытия с минимальным наводороживанием стальной основы.

Изобретение относится к гальваностегии, в частности к нанесению медных покрытий на стальные подложки без применения промежуточного подслоя, и может найти применение в машиностроении, радио- и приборостроении.
Изобретение относится к области нанесения металлических покрытий гальваническим способом и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности, автомобилестроении и других отраслях.
Изобретение относится к гальванотехнике и может быть использовано для получения медных покрытий на деталях различного назначения. .

Изобретение относится к способам меднения пластмасс, в частности полимерных композиционных материалов на основе углеродных волокон, и может быть использовано при производстве мебельной фурнитуры, бытовых приборов, предметов быта, в автомобильной и радиотехнической отраслях промышленности.
Изобретение относится к области гальваностегии и может быть использовано для нанесения медных покрытий без применения промежуточного подслоя в машиностроении и приборостроении.

Изобретение относится к металлургии и может быть применено для получения материалов со специфичной структурой и особыми свойствами, например, в виде покрытий, пленок или порошков, состоящих из пентагональных кристаллитов, обладающих высокой адсорбционной способностью.
Изобретение относится к области гальваностегии и может быть использовано для электрохимического меднения стальной поверхности деталей без нанесения дополнительного подслоя.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано при изготовлении полупроводников. Композиция содержит по меньшей мере один источник меди и по меньшей мере одну добавку, получаемую путем реакции многоатомного спирта, содержащего по меньшей мере 5 гидроксильных функциональных групп, с по меньшей мере первым алкиленоксидом и вторым алкиленоксидом из смеси первого алкиленоксида и второго алкиленоксида. Способ включает контакт композиции для нанесения металлического покрытия с подложкой, создание плотности тока в подложке в течение времени, достаточного для осаждения металлического слоя на подложку. Технический результат: обеспечение заполнения отверстий нанометрового и микрометрового размера без пустот и швов. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил., 8 пр.
Наверх