CC BY
44
УДК 621.9.047
И. Я. Шестаков, А. И. Стрюк
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 1201
Представлены результаты исследований электрохимической обработки алюминиевого сплава 1201 потен-циостатическим и гальваностатическим методами. Предложен состав электролита, обеспечивающий минимальную шероховатость поверхности и равномерный съем металла по длине канала. Определен материал катода и его форма, позволяющие значительно уменьшить зону растравливания.
Для развития космической техники требуются крупногабаритные детали из материалов с особыми свойствами. Одним из таких материалов является алюминиевый сплав 1201.
Применение существующих технологий для обработки таких деталей затруднительно. Для химического фрезерования крупногабаритных деталей сборочных единиц необходимо большое количество водного раствора гидроокиси натрия при температуре 80...90 °С.
Поскольку этот процесс неуправляемый, то обработку ведут периодически со сливом раствора и контролем толщины стенки. Высокая температура раствора щелочи отрицательно сказывается на окружающей среде и здоровье работающих.
Оборудования для механической обработки тонкостенных (конечная толщина 1,2 мм) крупногабаритных деталей (0 3 800 мм) в настоящее время нет. Разработка такого оборудования потребует значительных материальных ресурсов. Поэтому исследования авторов были направлены на разработку метода физико-химического управляемого снятия металла, который позволит исключить использование громоздкого оборудования.
Этому требованию соответствует электрохимическая локальная обработка. Литературных данных о механизме анодного растворения алюминиевого сплава 1201 нет. Поэтому были проведены исследования анодного растворения сплава 1201 гальваностатическим и потенциостатичес-ким методами, для чего были спроектированы установки, позволяющие получить поляризационные кривые.
Для гальваностатического метода использовались ячейка Ландольта, которая дает возможность приблизить условия эксперимента к реальным условиям электрохимической обработки.
При гальваностатическом методе поддерживают постоянную величину поляризующего тока и регистрируют изменение потенциала. Для регистрации значений потенциала использовали вольтметр универсальный Щ31. Напряжение на электроды подавали от источника питания ВСА-5К. Контроль температуры осуществлялся регистрирующим потенциометром.
Гальваностатические поляризационные кривые были сняты без компенсации омической составляющей в водных растворах солей-электролитах (рис. 1). Полученные поляризационные кривые показывают, что механизм анодного растворения сплава 1201 в электролите 15 % N^N03 + 5 % N^0 (линия 1) не отличается от механизма анодного растворения этого сплава в электролите 15 % NN0^5 % КН4С1. В указанных электролитах растворение сплава 1201 происходит при более низ-
ких потенциалах, чем в электролитах 15 % NN03 (линия 2) и 15 % NaN03 + 5 % №0Н (линия 4). Это наблюдается во всем исследуемом диапазоне плотностей тока.
A/chf*
Н.о
(0,0
9,0 / /г
80 Jr1 /
7,0
6,0
50 L 5 / у *
40
5,0
го
<,о \U^ ~—
0 f £ з4 6 б'гёд tohfehklo
Рис 1. Гальваностатические поляризационные кривые сплава 1201: i - плотность тока; ф - электродный потенциал; электролиты: 1 - 15 % Ш4Ш3 + 5 % N^0;
2 - 15 % NN0,; 3 - 15 % NN0, + 5 % N^0;
4 - 15 % NN0, + 5 % ШОН
Для линии 2 характерно резкое увеличение потенциала до 1,5 В при малой плотности тока 0,1 А/см2. Далее характер линии подобен линиям 1 и 3, но смещен в область более высоких потенциалов, что позволяет сделать вывод о том, что введение активирующих добавок на основе ионов хлора (С1) позволяет вести обработку при меньших значениях потенциалов.
Поляризационная кривая сплава 1201 в электролите 15 % №N0 3 + 5 % №0Н (линия 4) значительно отличается от предыдущих кривых тем, что зона пассивного растворения сохраняется до потенциала 11,8 В и ограничивается плотностью тока 0,7 А/см2. При дальнейшем увеличении плотности тока до 6...7 А/см2 значение потенциала практически не меняется.
Для снятия потенциостатических поляризационных кривых использовали потенциостат ЕР20А (рис. 2).
Использование потенциостата ЕР20А позволяет получать кривые с компенсацией омической составляющей. По анализу полученных кривых следует, что растворение сплава 1201 в электролитах 15 % NH4N03 + 5 % N^0 и 15 % NaN03 + 5 % N^0 происходит по механизму активного растворения, что можно объяснить наличием активирующих добавок, содержащих ионы хлора. Рост потенциала в электролите 15 % NaN03 начинается
при меньших плотностях тока, чем в 15 % NN0^5 % Ш0Н.
На основании полученных результатов можно сделать следующий вывод: минимальную шероховатость поверхности и более равномерный съем металла по длине канала имеют образцы, обработанные в водном растворе солей 15 % NH4N03 + 5 % N^0 при плотности тока 20 А/см2.
Рис. 3. Изменение шероховатости по длине межэлектродного канала: Ra - параметр шероховатости, мкм; I - длина канала, мм; плотность тока г: • - 0,4 А/см2; □ - 10 А/см2; 0 - 20 А/см2; электролит 15 % NH.N0, + 5 % N^0
Рис. 2. Потенциостатические поляризационные кривые сплава 1201: i - плотность тока; ф - электродный потенциал; электролиты: 1 - 15 % NH.N0, + 5 % N^0;
2 - 15 % NN0,; 3 - 15 % NN0, + 5 % N^0;
4 - 15 % NN0, + 5 % Ш0Н
Учитывая полученные результаты исследований, с точки зрения снижения энергозатрат процесса целесообразно рекомендовать для обработки алюминиевого сплава 1201 двухкомпонентные электролиты, содержащие 15 % №Ш3 (или 15 % N^N0^ и 5 % N^£1.
Для исследования влияния режимов электрохимической обработки на шероховатость поверхности и равномерность съема металла изготовлена ячейка, позволяющая анодно растворять поверхность длиной 200 мм.
Перед началом экспериментов контролировалась исходная шероховатость каждого образца профилометром модели 283. После обработки образцы промывались, высушивались и на профилометре замерялась шероховатость в 12 точках, равноудаленных друг от друга. Затем индикаторным глубиномером замерялся съем металла в тех же 12 точках. В качестве электролита использовали растворы 15 % т4Ш3 + 5 % N^£1; 15 % Ш^3 + 5 % т4С1, 15 % №Ш3.
Проведенными ранее экспериментами установлено, что режиму активного растворения сплава 1201 соответствуют плотности тока в диапазоне менее 0,4 А/см2 и более 10 А/см2. Было проведено 3 серии экспериментов при плотностях тока 0,4; 10; 20 А/см2.
Данные по съему металла по длине межэлектродного канала в различных электролитах приведены на рис. 4, 6, 8. С увеличением плотности тока происходит увеличение относительного съема металла на выходе из межэлект-родного канала по сравнению со входом. Это может быть объяснено повышением температуры электролита на выходе из ячейки.
Результаты исследований шероховатости обработанной поверхности по длине межэлектродного канала в различных электролитах представлены на рис. 3, 5, 7. При повышении плотности тока шероховатость поверхности снижается.
5 25 1,5 65 65 105 <25 745 <М <«5 205225 Рис. 4. Относительное изменение съема металла по длине межэлектродного канала: ЬХ0 - съем металла в начале канала; ДZ - текущий съем металла; плотность тока г:
• - 0,4 А/см2; □ - 10 А/см2; 0 - 20 А/см2; электролит 15 % NH.N0, + 5 % Ш4С1
Рис. 5. Изменение шероховатости по длине межэлектродного канала: плотность тока г: • - 0,4 А/см2; ш - 10 А/см2; о - 20 А/см2; электролит: 15 % NN0, + 5 % Ш.С1
Рис. 6. Относительное изменение съема металла по длине межэлектродного канала: плотность тока г:
• - 0,4 А/см2; ■ - 10 А/см2; 0 - 20 А/см2; электролит 15 % NN0, + 5 % N^0
Возможна только локальная электрохимическая обработка крупногабаритных деталей, поэтому нужно знать влияние краевых эффектов на распределение шероховатости и съема металла по обрабатываемой поверхности.
точность обработки и шероховатость поверхности с образованием зон растравливания.
гб 'о* *** мс лх М яр1 арс ~мВ
Рис. 7. Изменение шероховатости по длине межэлектродного канала: плотность тока г. • - 0,4 А/см2; □ - 10 А/см2; о - 20 А/см2; электролит 15 % NN0,
межэлектродного канала: плотность тока г. • - 0,4 А/см2;
□ - 10 А/см2; о - 20 А/см2; электролит 15 % NN0,
Для этого было исследовано влияние формы катода, состава электролита, скорости движения потока жидкости в межэлектродном зазоре и плотности тока на вышеупомянутые показатели обработки.
Катод состоит из фторопластовой втулки 1 с запрессованной в нее медной пластиной 2 (рис. 9). Рабочая поверхность катода выполнялась плоской размерами 3x12 мм или выпуклой (3) радиусом 1,5 мм. Длинной стороной катод устанавливался перпендикулярно движению электролита в зазоре.
Эксперименты, проведенные с выпуклым катодом, показали, что с увеличением скорости потока электролита от
0,5 до 2,2 м/с шероховатость поверхности увеличивается по всей длине канала при плотностях тока от 0,4 до 27 А/см2. При этом явно выражены две зоны (зоны растравливания), где параметр шероховатости R достигает максимальных значений (3...5 мкм). Эти зоны расположены на расстоянии
4...5 мм от точки А вправо и влево (рис. 9). Поверхность обрабатываемой детали напротив катода имеет шероховатость Ra = 0,8... 1,0 мкм. В дальнейшем опыты проводили при скорости потока электролита 0,5 м/с.
В электрохимической размерной обработке известно, что ионы хлора оказывают отрицательное влияние на шероховатость поверхности, поэтому были проведены опыты в водном растворе 15 % N^N0^ Результаты показали, что зоны растравливания сохраняются, но параметр Ra снижается до 4 мкм. Можно предположить, что из-за выпуклой формы катода происходит растекание тока по поверхности обрабатываемой поверхности, что снижает
Рис. 9. Схема локальной электрохимической обработки:
1 - фторопластовая втулка; 2 - катод; 3 - выпуклая рабочая поверхность катода; 4 - обрабатываемая деталь;
5 - корпус ячейки Ландольта; ^ - направление движения потока электролита; I — длина участка обрабатываемой детали, на которой контролировался съем металла и шероховатость поверхности, I = 22 мм
С целью повышения степени локализации плотности тока был применен катод, имеющий плоскую форму.
В процессе электрохимической обработки материала происходит образование большого количества шлама, который, находясь в межэлектродном канале и оседая на обрабатываемую поверхность, снижает производительность, точность обработки, ухудшает шероховатость поверхности. С целью устранения вредного влияния шлама и увеличения прорабатываемости электролита в него введен комплексо-образователь 2,5 % №3С6Н507 (натрий лимоннокислый).
Приведенные данные по съему металла по длине ме-жэлектродного канала с применением различных катодов (рис. 10, 11) показывают, что при электрохимической обработке плоским катодом степень локализации выше, следовательно увеличивается точность обработки.
Рис. 10. Изменение съема металла по длине межэлектродного канала: электролит: * 15 % NH.N0,; 0 15 % NH.N0, + 2,5 % №,С6Н507; катод: 1 - выпуклый; 2 - плоский; плотность тока I = 26 А/см2; скорость потока V = 0,55 м/с
На графиках изменения шероховатости по длине ме-жэлектродного канала при различных плотностях тока (рис. 12) видно, что несмотря на более высокую локализацию обработки растравливание поверхности на входе в межэлектродный канал и на выходе из него сохраняется в диапазоне плотностей тока 7...26 А/см2, а значения шероховатости в переходной зоне незначительно отличаются друг от друга.
Одним из путей повышения степени локализации обработки является использование катода с полупроводниковым покрытием. Известно, что оксид титана обладает полупроводниковыми свойствами. Это может быть использовано для повышения степени локализации обработки, что в свою очередь должно привести к снижению переходной зоны на входе в межэлектродный канал и на выходе из него. Покрытие получено путем наложения анодного потенциала на титановый электрод в водном растворе №^04.
Рис. 11. Изменение съема металла по длине межэлектродного канала: электролиты: • 15 % NH.N0,; о 15 % NH.N0, + 2,5 % №,С6Н507; катоды: 1 - выпуклый; 2 - плоский; плотность тока I = 14 А/см2; скорость потока V = 0,55 м/с
25...30 °С. В качестве электролита целесообразно применять водный раствор 15 % КИ^03 + 2,5 % №3С6Н507. Данный режим обработки дает возможность получать поверхность с хорошим качеством ^ не более 2,5 мкм).
Рис. 12. Изменение шероховатости по длине межэлектродного канала: плотности токов: • - I = 26 А/см2;
■ - i = 14 А/см2; о - I = 7 А/см2; электролит 15 % NH.N0, + 2,5 % N,^^0^ скорость потока V = 0,5 м/с
На графиках изменения шероховатости по длине межэ-лектродного канала при обработке с использованием медного и титанового катода (рис. 13) отмечено, что шероховатость поверхности обработанной титановым катодом в переходной зоне меньше и сама эта зона короче. Следовательно, именно в данном направлении нужно вести дальнейшие исследования.
По результату проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что лучшим в исследованной области является режим электрохимической обработки с плотностью тока в диапазоне 14...26 А/см2, скоростью потока электролита 0,3...0,6 м/с, температурой электролита
Рис. 13. Изменение шероховатости по длине межэлектродного канала: материал катода: * - медь;
о - титан; плотность тока I = 3 А/см2; электролит 15 % NH.N0, + 2,5 % Ш,СЛ 507
. , 7 ,657
Проведенные исследования электрохимической обработки потенциостатическим и гальваностатическим методами показали, что режим активного растворения в диапазоне тока 1...24 А/см2 происходит в двухкомпонентном электролите 15 % NH4N03 (или 15 % NN0^ и 5 % N^0. Добавка ионов хлора снижает необходимое напряжение в указаном диапазоне тока на 1,5...3 В.
При электрохимической обработке крупногабаритных деталей образуются межэлектродные каналы длиной 200 мм и более. Исследования обработки в таких каналах показали, что увеличение плотности тока до 20 А/см2 приводит к снижению шероховатости до Ra = 0,8...1,2 мкм, а наилучшая равномерность съема металла достигается при плотности тока 10...20 А/см2. Исключение составляет обработка в электролите 15 % КН4Ы03 + 5 % N^0, где лучшая равномерность достигается при плотности тока 0,4 А/см2.
Из-за больших площадей возможна только локальная, поэтому возрастает значение краевых эффектов электрохимическая обработка тонкостенных крупногабаритных деталей .
Проведенные опыты показали, что наименьшее влияние этих эффектов на равномерность съема металла и шероховатость поверхности наблюдается при использовании плоского катода, рабочая поверхность которого выполнена заподлицо с диэлектрическим материалом. В качестве материала катода целесообразно использовать титан марки 0Т4...0, ВТ1-0. Режимы обработки: плотность тока -
14...26 А/см2, скорость потока электролита 0,3...0,6 м/с. В качестве электролита необходимо использовать водный раствор 15 % NH4N03 + 2,5 % Ш3С6Н507 (лимонно-кислый натрий).
I. Y. Shestakov, A. I. Strjuk ELECTROCHEMICAL PROCESSING OF AN ALUMINUM ALLOY 1201
The results of researches of electrochemical processing of an aluminum alloy 1201 potentiastat and galvanic by methods are introduced in this article. Providing of minimal roughness of a surface and uniform removal of metal by the length of canal composition of electrolyte is proposed. The material of the cathode and its form which considerably allow to reduce a zone irritated are determined.
