CC BY
14УДК 621.9.047
ОЦЕНКА МЕХАНИЗМОВ АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ
НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ1
Х. М. РАХИМЯНОВ, доктор техн. наук, профессор, К.Х. РАХИМЯНОВ, канд. техн. наук., доцент,
Н. П. ГААР, аспирант (НГТУ, г Новосибирск)
Статья поступила 18 июня 2010 г.
Рахимянов Х. М. - 630092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: [email protected]
Рассмотрены различные методы интенсификации процесса электрохимической размерной обработки нержавеющей стали. Доказана перспективность использования лазерного излучения для интенсификации обработки.
Ключевые слова: электрохимическая размерная обработка, нержавеющая сталь, температура, скорость прокачки, лазерное излучение, плотность тока, пассивация.
Various methods of an intensification of process of electrochemical dimensional machining of stainless steel are considered. Perspectivity of use of laser radiation for a machining intensification is proved
Key words: electrochemical machining, stainless steel, temperature, flow rate, laser radiation, the current density, passivation.
Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО), основанная на анодном растворении, широко применяется для обработки различных классов материалов, в том числе труднообрабатываемых. Обрабатываемость материалов при ЭХРО зависит в основном не от физико-механических свойств материала, а от его химического состава и фазового состояния [1, 2]. Однако производительность данного процесса для большинства труднообрабатываемых материалов невысока.
В практике ЭХРО нашли широкое применение способы активации процесса, такие как нагрев электролита и его прокачка. При нагреве электролита реализуется тепловой механизм активации процесса анодного растворения, обеспечивающий повышение скорости анодного растворения материалов в электролитах, имеющих малую активность. Повышение температуры приводит к сообщению дополнительной энергии анионам электролита, в результате чего их реакционная способность увеличивается и активизируется анодное растворение обрабатываемого материа-
ла. Производительность процесса электрохимической размерной обработки при этом возрастает в 2-3 раза. В то же время следует учитывать интенсивное испарение электролита при повышенных температурах.
Прокачка электролита реализует гидравлический механизм активации процесса электрохимического растворения. Этот способ активации нашел наибольшее применение в практике электрохимии, поскольку «зашламление» рабочей зоны продуктами реакции является основной причиной низкой производительности процесса. Прокачка электролита повышает производительность ЭХРО в 3-4 раза по сравнению с электрохимическим растворением без нее. Однако эффект образования на обрабатываемой поверхности в месте подачи электролита под давлением углублений снижает точность и качество обрабатываемой поверхности детали. Кроме того, данный метод активации повышает производительность процесса при обработке материалов, не образующих на обрабатываемой поверхности различного рода пленок, являю-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», мероприятие 1.3.1 (проект П2571)
щихся нетокопроводящими и, как правило, имеющих хорошее сцепление с обрабатываемым материалом.
Лазерная активация процесса включает в себя целую гамму механизмов интенсификации процесса, в том числе тепловой и гидродинамический. Данный метод активации процесса был рассмотрен в работах [3,4] и заключается в интенсификации процесса путем введения в рабочую зону между катодом и анодом лазерного излучения. Благодаря уникальности лазерного излучения, его монохроматичности и когерентности возможна тепловая активация процесса за счет поглощения электролитом части энергии, а также перемешивание электролита из-за разности температур между столбом жидкости, поглотившим излучение, и остальным объемом электролита. Уникальные свойства лазерного излучения обеспечивают реализацию новых механизмов активации процесса ЭХРО, таких как создание проводимости в полупроводниковых пленках и даже диэлектрических за счет фотоэффекта; разрушение образующихся на анодной поверхности в процессе ЭХРО различного рода пленок за счет их теплоразрушения или разрушения химических связей элементов в пленках.
Оценка эффективности того или иного механизма активации электрохимического растворения возможна на основе сравнения поляризационных кривых, полученных при помощи потенциодинамического метода, устанавливающего зависимость значений плотности тока от потенциала, в различных условиях интенсификации процесса.
На рисунке представлены поляризационные кривые для ЭХРО нержавеющей стали 12Х18Н9Т в 10 %-м водном растворе хлорида натрия в условиях тепловой, гидравлической интенсификации процесса, а также при лазерной интенсификации процесса длинами волн 1,06 и 0,53 мкм.
При тепловой интенсификации процесса электрохимического растворения нагрев электролита осуществлялся до 50 °С. Дальнейшее увеличение температуры электролита нецелесообразно, поскольку не приводит к увеличению значений плотности тока, что согласуется с данными работы [1].
Сравнение поляризационных кривых 1 и 2 указывает на тот факт, что увеличение температуры приводит к повышению значений плотности тока во всем исследованном диапазоне потенциалов. При этом на поляризационных кривых 1, 2 имеются участки активного (плотность тока увеличивается с увеличением потенциала) и пассивного (отсутствие или падение плотности тока с увеличением потенциала) растворения обрабатываемого материала. Таким образом, добавление дополнительной энергии анионам электролита через повышение его температуры не приводит к полному устранению пассивного состояния материала, вызванного, в том числе, и образованием окисных пленок.
ТЕХНОЛОГИЯ
Л 12 3 4 3
ПогсниигМ, В
Поляризационные кривые, полученные при помощи потенциодинамического метода для нержавеющей стали 12Х18Н9Т в 10 %-м водном растворе хлорида:
1 - без интенсификации процесса; 2 - при тепловой интенсификации процесса; 3 - при гидравлической интенсификации процесса; 4 - при активации процесса лазерным излучением длиной волны 1,06 мкм; 5 - при активации процесса лазерным излучением длиной волны 0,53 мкм
Поляризационная кривая 3 соответствует процессу анодного растворения нержавеющей стали в условиях реализации гидравлического механизма активации за счет вращения анода с угловой скоростью 15 [рад/с]1/2. Доказано, что увеличение скорости свыше указанного значения для нержавеющей стали в водном растворе хлорида натрия не приводит к дальнейшему росту плотности тока [5].
Сравнительный анализ поляризационных кривых 3 и 1 указывает на эффективность использования гидравлического механизма интенсификации процесса электрохимического растворения нержавеющей стали, о чем свидетельствует смена характера электрохимического растворения материала с пассивного на активный во всем исследуемом диапазоне потенциалов.
Для экспериментальных исследований анодного поведения в условиях лазерной активации авторами разработана методика и установка для поляризационных исследований [6], результаты которых представлены кривыми 4, 5. Для обеих длин волн средняя плотность мощности на входе в электролит составляла 0,64-106 Вт/м2, частота следования импульсов 5 кГц. При указанных параметрах лазерного излучения температура электролита у поверхности обрабатываемого материала при визуальном наблюдении не приводит к закипанию электролита, что также подтверждено расчетами согласно [7]. Это обеспечивает реализацию электрохимического растворения материала без его «запирания» паровой рубашкой, образующейся у поверхности обрабатываемого ма-
20 №3(48)2010
териала в процессе кипения электролита, и, как результат, смешение процесса ЭХРО в сторону лазерной обработки материала.
Поляризационная кривая 4, полученная при активации анодного растворения нержавеющей стали лазерным излучением в инфракрасном спектре длин волн (1,06 мкм), по своему характеру близка к поляризационной кривой 2, полученной при тепловой активации электрохимического процесса. Однако значения плотностей тока при лазерной активации выше, чем при тепловой, а при потенциалах свыше 4,5 В превышают значения плотностей тока, полученных при гидравлической интенсификации процесса. Однако интенсификация электрохимического растворения лазерным излучением длиной волны, близкой к ультрафиолетовой части спектра (0,53 мкм) при потенциалах свыше 2,5 В (кривая 5), оказалась эффективнее, чем при других методах интенсификации электрохимического растворения, а также лазерной активации с длиной волны 1,06 мкм. В то же время в диапазоне низких потенциалов (0...2,5 В) эффективно использование для интенсификации процесса электрохимического растворения лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: лазерная активация электрохимического растворения нержавеющей стали 12Х18Н9Т в 10 %-м водном растворе хлорида натрия является перспективным методом интенсификации процесса. Однако для каждого диапазона потенциалов наиболее эффективным может оказаться применение длины волны лазерного излучения определенного спектра.
Список литературы
1. Давыдов А.Д. Анодное растворение сплавов при электрохимической размерной обработке деталей // Электронная обработка материалов. - № 3. - 1980. -С. 18-25.
2. Амирханова Н.А., Хайдаров Р.Р. Определение лимитирующей стадии высокоскоростного растворения алюминиевых сплавов с КЗ и УМЗ структурой // Вестник УГАТУ Машиностроение. - Уфа: УГАТУ. - Т. 9. -№ 1(19).- 2007. - С. 117-119.
3. Филимоненко В.Н., Самусев В.Г. Воздействие излучения ОКГ на анодное растворение металлов // Электрофизические и электрохимические методы обработки. -1976. - № 4. - С. 9-12.
4. Самусев В.Г. Разработка и исследование метода интенсификации электрохимической обработки различных материалов с помощью оптических квантовых генераторов: автореф. ... канд. техн. наук по специальности 05.17.03. - Электрохимические производства. - Новочеркасск: НПИ, 1979. - 20 с.
5. Исследования анодного поведения стали 12Х18Н9Т в водных растворах хлорида и нитрата натрия / Х.М. Ра-химянов, Б.А. Красильников, К.Х. Рахимянов, Н.П. Гаар // Международная научно-техническая конференция в машиностроении. Современная электротехнология в машиностроении: Сб. тр. конф. Тула. 5-6 июня 2007 г. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 150-159.
6. Рахимянов Х.М., Журавлев А.И., Гаар Н.П. Установка для исследования электрохимических процессов в условиях лазерной активации процесса электрохимической размерной обработки // Научный вестник НГТУ - Новосибирск: Изд-во НГТУ - № 2(39). - 2010. -С. 133-144.
7. Филимоненко В.Н., Журавлев А.И. Функция теплового источника в жидкой среде при лазерноэлектрохи-мической обработке // Труды международной научно-технической конференции «Научные основы высоких технологий» в 6 т. Т. 4. Материаловедение. Современные машины и технологии. Авиационная техника и технологии. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1997. - С. 192-202.
