Способ электролитно-плазменной обработки поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома



Способ электролитно-плазменной обработки поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома
Способ электролитно-плазменной обработки поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома
Способ электролитно-плазменной обработки поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома
Способ электролитно-плазменной обработки поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома

 


Владельцы патента RU 2555312:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к технологии полирования изделий из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома и может быть использовано в авиационном и энергетическом машиностроении, в частности для финишной обработки лопаток компрессора. Способ включает погружение обрабатываемой детали в ванну с предварительно нагретым электролитом в виде раствора гидрокарбоната натрия или сульфата аммония, формирование разряда в пароплазменной области, образующейся между обрабатываемой деталью и электролитом, воздействие токами высокой частоты на поверхность детали, при этом в электролит вводят поверхностно-активное вещество в количестве не менее 1,0*10-4 об. %, а воздействие токами высокой частоты на поверхность детали осуществляют пакетами импульсов тока с длительностью пакета импульсов тока более 15 мкс и скважностью импульсов менее 85%, при этом обрабатываемая деталь является анодом. Техническим результатом является снижение энергетических затрат на единицу обрабатываемой поверхности, повышение экологичности и равномерности обработки поверхности деталей сложного профиля. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для полирования поверхности изделий из сталей мартенситного класса в авиационном и энергетическом машиностроении, в том числе при финишной обработке лопаток компрессора и других деталей ГТД и ГТУ.

Известны способы обработки поверхности малоуглеродистых сталей мартенситного класса в окислительных растворах, представляющих смесь фосфорной, соляной и азотной кислот, или смеси щавелевой и серной кислот с окислителем (30%-ный раствор H2O2) (Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика. - Л.: Машиностроение, 1987. - 232 с.), с дальнейшей тщательной промывкой деталей в проточной воде и сушкой. В первом случае обработка ведется при температуре 80°С в течение 5-20 минут, а во втором случае при 20°С в течение 30-60 минут.

Общими недостатками данных способов являются высокая агрессивность используемых растворов и их недолговечность вследствие образования нерастворимых фосфатов и сульфатов, высокая стоимость утилизации отходов, а также недостаточный блеск обработанной поверхности и высокая трудоемкость процесса из-за наличия дополнительных операций.

Известен также способ обработки поверхности малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома (Cr≥11%), заключающийся в анодной электрохимической обработке деталей в универсальном электролите, представляющим смесь соляной и азотной кислот с присадкой - блескообразователем (глюкоза или оксибензойная кислота). Время обработки составляет 15-30 минут при температуре 30-40°С (патент РФ №2124577, 1996).

Недостатками способа являются низкая производительность полирования поверхности металла, неравномерность зеркального блеска при обработке деталей больших размеров (площадью более 30 см2), неравномерность обработки деталей сложного профиля, низкая экологичность используемых растворов и проблема утилизации отходов.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является электролитно-плазменный способ обработки поверхности малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома, включающий анодную обработку в растворе, содержащем сульфат аммония (5% масс.) с добавкой реагента-комплексообразователя Na-ЭДТА (этилендиаминтетрацетат натрия) (0,8% масс.), или в растворе гидрокарбоната натрия (3-22% масс.). Способ электролитно-плазменной обработки включает погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание плазменного разряда в парогазовой оболочке, парогазовую оболочку и плазменный разряд формируют токами высокой частоты (0,1-20 МГц) с помощью индуктора (патент РФ №2355828, опубл. 2007). Недостатком указанного способа является высокое удельное энергопотребление процесса.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение энергетических затрат на единицу обрабатываемой поверхности. Дополнительным преимуществом способа является его экологичность и достижение равномерности обработки поверхности деталей сложного профиля.

Технический результат достигается за счет того, при электролитно-плазменной обработке поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома, включающей погружение обрабатываемой детали в ванну с предварительно нагретым электролитом в виде раствора гидрокарбоната натрия или сульфата аммония, формирование разряда в пароплазменной области, образующейся между обрабатываемой деталью и электролитом, воздействие на поверхность токами высокой частоты, в электролит вводят поверхностно-активное вещество в количестве не менее 1,0*10-4% об., воздействие токами высокой частоты на поверхность детали осуществляют пакетами импульсов тока с длительностью пакета импульсов тока более 15 мкс, скважностью импульсов менее 85%, при этом обрабатываемая деталь является анодом, а обработку поверхности деталей проводят при значении частоты пакета импульсов тока, находящемся в диапазоне 30-50 кГц. В способе можно использовать раствор гидрокарбоната натрия с концентрацией 5-15% масс. В способе можно использовать сульфат аммония с концентрацией 3-5% масс., а также использовать поверхностно-активное вещество, выбранное из группы, включающей алкилгликозиды, сульфосукционаты, алкоксилаты, алкилсульфаты или их смеси.

Снижение энергетических затрат на единицу обрабатываемой поверхности в 1,5-3 раза для вышеуказанного режима воздействия на поверхность токами высокой частоты (длительности импульсов, скважности) связано с тем, что способ реализуется в диапазоне 30-50 кГц, соответственно снижаются энергопотери по сравнению со способом по прототипу, который требует использования высокочастотного индукционного нагревателя с рабочей частотой 0,1-20 МГц.

Установлено, что использование ПАВ позволяет снизить поверхностное натяжение на границе «обрабатываемая деталь - электролит» и получить устойчивый пароплазменный слой. Воздействие на обрабатываемую поверхность пакетами импульсов тока с указанными параметрами позволяет поднять плотность тока на обрабатываемой детали за счет более интенсивного образования активных частиц в прианодной области.

На стабильность процесса обработки поверхности оказывает влияние длительность пакета импульсов тока и скважность импульсов. При длительности пакета импульсов тока менее 15 мкс разряд не успевает сформироваться. При скважности импульсов более 85% количество образующихся активных частиц в прианодной области недостаточно для активации поверхности и формирования устойчивого разряда. При полировании поверхности стали мартенситного класса в растворах гидрокарбоната натрия или сульфата аммония происходит образование пароплазменного приповерхностного слоя, в котором протекают химические процессы с участием поверхности обрабатываемой детали: оксидирование атомов железа с образованием рыхлого оксида железа (III) или смешанного более плотного оксида железа Fe3O4 и травление образующегося оксида на отрицательной полуволне.

Примеры осуществления

Электролитно-плазменную обработку поверхности изделия из малоуглеродистой стали с повышенным содержанием хрома проводят в несколько этапов в нагретом водном растворе гидрокарбоната натрия NaHCO3 - 5-15% масс. или сульфата аммония (NH4)2SO4 - 3-5% масс., дополнительно содержащем поверхностно-активное вещество (ПАВ) - не менее 1*10-4% об. Обработку проводят в импульсном режиме электропитания пакетами импульсов тока высокой частоты (30-50 кГц) скважностью пакета импульсов не более 85% при напряжении 200-300 В. Под скважностью пакета импульсов тока следует понимать отношение длительности пакета импульсов к периоду импульсного сигнала. Длительность каждого этапа составляет 1-1,5 минут. После завершения каждого этапа обработки проводят охлаждение обрабатываемой детали в холодной воде. Количество этапов определяется качеством исходной поверхности и качеством, предъявляемым финишной обработкой к поверхности. Использование инвертора электрического смещения при формировании парогазовой области вокруг обрабатываемой детали (анода) и инициировании плазменного разряда позволяет, по меньшей мере, в два раза уменьшить значение потребляемой мощности.

Для приготовления раствора использовали следующие ингредиенты:

Натрия гидрокарбонат (хч), ГОСТ Р 54316-2011;

Аммоний сернокислый (хч), ГОСТ 9097-82;

Вода дистиллированная, ГОСТ 6709;

Неонол АФ 9-12, ТУ 2483-077-05766801-98.

В качестве материала для изготовления образцов использовали мартенситные стали следующих марок:

ЭП866.ТУ14-1-2756-79;

ЭП768, ТУ 14-1-957-74;

ЭИ962, ГОСТ 5632-72.

Пример 1. Образец погружали в ванну с водным раствором электролита и производили обработку в два этапа высокочастотными пакетами импульсов тока при длительности пакета импульсов более 15 мкс и варьируемой скважности импульса (регулировкой частоты пакета импульсов и длительности паузы). Длительность каждого этапа обработки составляла 1-1,5 минут. После каждого этапа обработки образец охлаждали до комнатной температуры. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора гидрокарбоната натрия 3…20% с добавкой ПАВ в количестве более 1*10-4% об. Температура электролита поддерживалась на уровне не более 80°С. Исходная высота микронеровностей составляла Ra=0,3 мкм. В Таб. 1 приведены результаты обработки поверхности образцов.

Пример 2. Образец погружали в ванну с водным раствором электролита и производили обработку в два этапа высокочастотными пакетами импульсов тока при длительности пакета импульсов более 15 мкс и варьируемой скважности импульса (регулировкой частоты пакета импульсов и длительности паузы). Длительность каждого этапа обработки составляла 1-1,5 минут. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного 3…15% раствора сульфата аммония с добавкой ПАВ в количестве более 1*10-4% об. Температура электролита поддерживалась на уровне не более 80°С. Исходная высота микронеровностей составляла Ra=0,3 мкм. В Таб. 2 приведены результаты обработки поверхности образцов.

В импульсном режиме электропитания разряд сохраняет свою устойчивость в широком диапазоне концентраций NaHCO3, при длительности пакета импульсов тока более 15 мкс и скважности импульса менее 85%. При понижении концентрации NaHCO3 напряжение, при котором инициируется разряд, увеличивается, электролит при высоком напряжении быстро разогревается, и разряд теряет свою устойчивость. С повышением концентрации электролита плотность тока увеличивается, а напряжение, при котором инициируется и формируется устойчивый разряд, падает. Повышение концентрации гидрокарбоната натрия в растворе выше 15% масс. нецелесообразно, поскольку практически не влияет на результат обработки поверхности.

В импульсном режиме электропитания разряд сохраняет свою устойчивость в диапазоне концентраций сульфата аммония 3-5%, при длительности пакета импульсов тока более 15 мкс и скважности импульса менее 85%. Повышение концентрации соли более 3-5% масс. нецелесообразно по причине ухудшения состояния поверхности, сопровождающегося образованием питтингов.

Повышение температуры раствора электролита усиливает его испарение. При этом граница «жидкость - пароплазменный слой» приобретает более рыхлую структуру, что негативно сказывается на скорости нагрева анода и времени обработки изделия. При температуре выше 80°С стабильность процесса резко падает, и при более высоких температурах нагрев анода вообще невозможен.

Таким образом, по результатам испытаний наиболее эффективными условиями обработки поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома, способствующими понижению удельного энергопотребления процесса, является использование 3-15%-ного раствора NaHCO3 или 3-5%-ного раствора (NH4)2SO4 с добавкой не менее 1,0*10-4% об. ПАВ при воздействии на обрабатываемую поверхность высокочастотными пакетами импульсов тока с длительностью пакета импульсов более 15 мкс и скважностью импульса менее 85%, температура водного раствора электролита не более 80°С.

В отличие от прототипа предлагаемый способ позволяет понизить удельное энергопотребление и технически упростить процесс электролитно-плазменной обработки поверхности изделий из сталей мартенситного класса.

1. Способ электролитно-плазменной обработки поверхности деталей из малоуглеродистых сталей с повышенным содержанием хрома, включающий погружение обрабатываемой детали в ванну с предварительно нагретым электролитом в виде раствора гидрокарбоната натрия или сульфата аммония, формирование разряда в пароплазменной области, образующейся между обрабатываемой деталью и электролитом, воздействие токами высокой частоты на поверхность детали, отличающийся тем, что в электролит вводят поверхностно-активное вещество в количестве не менее 1,0*10-4 об. %, а воздействие токами высокой частоты на поверхность детали осуществляют пакетами импульсов тока с длительностью пакета импульсов тока более 15 мкс и скважностью импульсов менее 85 %, при этом обрабатываемая деталь является анодом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку поверхности деталей ведут при значении частоты пакета импульсов тока, находящемся в диапазоне 30-50 кГц.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что используют раствор гидрокарбоната натрия с концентрацией 5-15 мас. %.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что используют сульфат аммония с концентрацией 3-5 мас. %.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что используют поверхностно-активное вещество, выбранное из группы, включающей алкилгликозиды, сульфосукционаты, алкоксилаты, алкилсульфаты или их смеси.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии электролитно-плазменного полирования поверхности деталей из легированных сталей. Способ включает полирование пера лопатки электролитно-плазменным методом, включающИм погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала, причем полирование поверхности пера лопатки производят в два этапа: вначале к обрабатываемой лопатке прикладывают электрический потенциал величиной от 320 В до 350 В и проводят полирования до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости, а затем плавно уменьшают напряжение до величин от 270 В до 300 В и проводят окончательное полирование до достижения минимально возможной при данном напряжении величины шероховатости поверхности, причем в качестве электролита используют водный раствор соли сульфата аммония концентрацией от 6 до 12 г/л, а полирование ведут при температуре от 60 °C до 80 °C.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для защитно-упрочняющей обработки и нанесения износостойких покрытий на резьбовые поверхности деталей, применяемых, например, в ролико-винтовых и шарико-винтовых передачах.

Изобретение относится к области электрохимии и может быть использовано в машиностроении, химической, металлургической и других отраслях промышленности. .

Изобретение относится к электрохимической обработке, преимущественно к электрополированию нержавеющих сталей, и может найти применение в различных областях техники в процессах электрополирования, используемых в качестве финишных операций обработки изделий, а также для подготовки поверхностей деталей перед нанесением гальванических покрытий.

Изобретение относится к электрохимической обработке высокоуглеродистых легирован ных сталей, а именно к составамрастворов для электрохимической обработки быстрорежущих сталей.

Изобретение относится к составам электролитов для электрохимического полирования преимущественно изделий из высокохромистых коррозионно-стойких сталей. .

Изобретение относится к электрохимической обработке металлов, а именно к полированию высоколегированных многокомпонентных марок сталей, например 44НХМТ, 36НХТЮ8М. .

Изобретение относится к области электрохимического полирования высокоуглеродистых легированных сталей и может быть использовано-при электро-.- .химической обработке металлов.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для защитно-упрочняющей обработки деталей с резьбовыми поверхностями, применяемых, например, в ролико-винтовых и шарико-винтовых передачах. Способ включает формирование геометрии резьбы резьбообразующим инструментом, ее обработку электролитно-плазменным методом, при котором погружают деталь в электролит - 3-8% водный раствор сульфата аммония, формируют парогазовую оболочку и зажигают электрический разряд между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала, при этом обеспечивают режим электролитно-плазменного полирования резьбовой поверхности при напряжении 260-310 В, температуре электролита 70-85°C, плотности тока 0,20-0,55 А/см2, а после электролитно-плазменной обработки резьбовой поверхности детали помещают в вакуумную камеру установки для ионно-имплантационной обработки, проводят ионную очистку ионами аргона при энергии от 6 до 8 кэВ, плотности тока от 100 до 120 мкА/см2 в течение от 0,2 до 0,8 ч и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами иттербия или азота при энергии от 20 до 35 кэВ. Технический результат: повышение износостойкости и антифрикционных свойств резьбовых поверхностей. 11 з.п. ф-лы, 1 пр.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопатки компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800 °C. Способ включает подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия, нанесение первого слоя покрытия из сплава на основе Ni, содержащего Со, Cr, Al, Y, нанесение на первый слой второго слоя из сплава на основе А1, содержащего Y, и термообработку лопатки с покрытием. При этом подготовку поверхности пера лопатки под нанесение покрытия осуществляют электролитно-плазменным полированием, затем осуществляют ионно-имплантационную обработку лопаток, а далее производят нанесение упомянутых слоев покрытия, причем ионно-имплантационную обработку лопаток проводят при энергии от 0,3 до 1 кэВ, дозой от 1,6·1019 см-2 до 2·1019 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7·1015 с-1 до 1·1015 с-1, используя в качестве имплантируемых ионов N, Cr, Ni, Со, Y, Yb, La или их комбинацию, а электролитно-плазменное полирование проводят при напряжении 260-320 В в электролите, содержащем 4-8 % водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80 °C. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.
Наверх