CC BY
122
УДК 621.9.047/.048
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ СПОСОБОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ В РЕЖИМЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА
А.С. Ставышенко
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень E-mail: [email protected]
Отмечены проблемы традиционных способов электрохимической обработки поверхности деталей из вязких материалов. Предложена новый прогрессивный способ электрохимического полирования деталей из нержавеющих сталей в режиме нестационарного электролиза. Приведены данные экспериментальных исследований по обработке образцов из стали 12Х18Н10Т с применением данного способа полирования. Установлено, что показатели качества обработки поверхности испытуемых образцов предложенным способом, выше показателей образцов, полученных после традиционных способов обработки. Указаны области практического применения обработки металлов и сплавов рассматриваемым способом.
Ключевые слова:
Физико-техническая обработка, показатели качества, поверхность деталей, электрохимическое полирование, нержавеющие стали, нестационарный электролиз.
Для финишной обработки поверхности деталей из труднообрабатываемых материалов наиболее часто применяют различные способы физико-технической обработки. Для обработки деталей из хромоникеле-вых сталей наиболее прогрессивным считается применение электрохимического полирования (ЭХП), которое широко применяется на производстве для чистовой отделочной обработки поверхностей деталей, а также в качестве подготовительной операции перед нанесением гальванических покрытий [1].
Многолетний опыт промышленного применения традиционных способов электрохимического полирования наряду с другими выявил один общий для всех их недостаток, связанный с необходимостью проведения специальных мероприятий по обеспечению безопасности людей и окружающей среды при приготовлении, использовании, регенерации и утилизации отработанных электролитов. Актуальна также и свойственная этим способам проблема с защитой другого внутрицехового технологического оборудования от электрохимической коррозии [1, 2]. Одной из основных причин всех вышеуказанных недостатков традиционных способов электрохимического полирования по мнению ряда авторов [1, 2] является то, что все эти способы полирования основаны на применении многокомпонентных электролитов на базе агрессивных и сильно токсичных кислот (серной, ортофосфорной, соляной и др.) при температуре электролита близкой к кипению с добавлением поверхностно-активных веществ, ингибиторов кислотной коррозии и других экологически вредных и опасных материалов.
В работах Б.Р. Лазаренко, А.А. Факторовича, В.Н. Дураджи и др. предложена технология нагрева металлов и сплавов в электролитной плазме с использованием постоянного тока напряжением свыше 120 В. В качестве одной из негативных особенностей процесса электролитного нагрева отмечено значительное локальное растравливание поверхности анода в режиме коммутации электрического тока (вторая стадия процесса) [3].
Группой сотрудников кафедры «Станки и инструменты» Тюменского государственного нефтегазового университета (ТюмГНГУ) был проведен комплекс исследований по использованию выявленного эффекта локального растравливания поверхности анода в режиме коммутации электрического тока для создания новой физико-химической модели полирования поверхности деталей в среде менее агрессивных электролитов. На основе данных исследований был разработан и запатентован [4] новый способ электрохимического полирования поверхности деталей из хромоникелевых сталей в режиме нестационарного электролиза (ЭХПНС-НЭ) с применением экологически безопасного электролита. Полирование поверхности деталей согласно разработанному способу ведется на постоянном электрическом токе в режиме нестационарного электролиза при генерировании множественных искровых разрядов на поверхности изделия в интервале напряжений 140...310 В с силой тока 0,5...2,0 А в 4... 19 % водном растворе при температуре 40...90 °С. Время обработки деталей в зависимости от их площади и необходимых параметров качества поверхности может колебаться в интервале 2...18 мин. В предложенном способе использовался катод в виде бака цилиндрической формы с внутренним диаметром не менее 0,3 м из листовой стали 12Х18Н10Т толщиной 2 мм и имеющий полую рубашку охлаждения, через которую для стабилизации температуры электролита прокачивалась охлаждающая жидкость. Высота катода определялась в зависимости от длины и площади поверхности деталей, при этом соотношение площадей деталь-катод должно быть не менее 1:30. Все устройства токоподвода, сам катод и устройства системы охлаждения изолировались токонепроводящими материалами (типа текстолит и фторопласт) и заземлялись.
Целью данной работы было исследование возможности получения сравнительно высоких качественных показателей отражательной способности
и величины шероховатости поверхности деталей после полирования их способом ЭХПНС-НЭ на различных режимах. Обработке подвергали образцы размером 10x60x2 мм из стали марки 12Х18Н10Т (заготовки медицинских инструментов). Исходная шероховатость образцов Л,=0,63...0,66 мкм, отражательная способность 7'10"3=0,4...0,5. Состав электролита - водный раствор №2С03 различных концентраций. Для экспериментальных исследований применялся бак-катод с рабочим объемом электролита 6 дм3. Для каждого опыта использовался новый электролит. Изменение концентрации №2С03 за счет осаждения кристаллической фазы на поверхности детали в процессе полирования компенсируется за счет испарения воды, поэтому контроль за изменением плотности электролита во время полирования не проводился. Температура электролита в зоне образования парогазовой оболочки контролировалась с помощью хромель-алюмелевой термопары, помещенной на расстоянии 20 мм от поверхности детали в средней ее части по длине. Время обработки образцов 2 мин. Шероховатость поверхности и отражательную способность измеряли по стандартным методикам с помощью профилометра модели 293 с цифровым отсчетом показаний и объективного фотометра У4.2ФОУ. Параметры тока и напряжения на электролитической ячейке измерялись и фиксировались с помощью электронного осциллографа С8-2.
Экспериментальные данные позволяют утверждать также, что сопоставимые с традиционными способами полирования показатели качества поверхности деталей из стали 12Х18Н10Т при обработки их по технологии ЭХПНС-НЭ могут быть получены лишь при напряжениях на электролитической ячейке 180...310 В (рис. 1). Это можно объяснить тем, что при меньшем напряжении электрического тока на электролитической ячейке генерируемые импульсно-дуговые разряды приводят к образованию на поверхности деталей достаточно толстых (до 0,5 мм) и аморфных оксидных пленок, а при напряжениях выше 310 В на электролитической ячейке возникают микродуговые разряды [3], которые приводят к потери стабильности парогазовой оболочки вокруг поверхности деталей и её срыву, а значит и к прекращению процесса полирования.
Исследование влияния напряжения на электролитической ячейке на изменение шероховатости и отражательной способности поверхности деталей показали, что увеличение напряжения свыше 260 В приводит к ухудшению качества поверхности испытуемых образцов (рис. 2, 3). Это связано с потерей устойчивости электрогидродинамического режима парогазовой оболочки и генерированию на поверхности детали вместо множественных электроискровых разрядов малой мощности единичных электроискровых и микродуговых разрядов большой мощности, которые оставляют после себя на поверхности деталей характерные прижоги и тем самым ухудшают качество поверхности деталей.
А - 4% Е ♦ - 6% Е ■ - 10% Е ★ - 15% Е • - 19% Е юдный раствор N юдный раствор N юдный раствор N юдный раствор N юдный раствор N а2С03 а2С03 а2С03 а2С03 а2С03
б 80 160 240 ¡ХВ
Рис. 1. Зависимость вольтамперных характеристик процесса ЭХПНС-НЭ деталей из стали 12Х18Н10Т от концентрации электролита
▲ - 5% водный р£ ■ - 12% водный р • - 1 8% водный р ютвор Ма2СОэ »аствор Ма2СОэ »аствор Ма2СОэ
Рис. 2. Зависимость шероховатости поверхности Ra от напряжения на электролитической ячейке при различной концентрации электролита
Исследование влияния концентрации электролита на изменение шероховатости и отражательной способности поверхности деталей из нержавеющих сталей (рис. 2, 3) показали, что увеличение концентрации №2С03 до 12 % улучшает показатели качества поверхности деталей. Это можно объяснить значительной ролью кристаллической фазы электролита, которая по данным [1] оседает на поверхности детали в процессе её интенсивного нагрева. Учитывая специфику гидродинамического режима процессов протекающих в парогазовой оболочке [3] можно сделать логический вывод о том, что кристаллическая фаза предпочтительно накапливается в микровпадинах рельефа и интенсивно вымывается с микровыступов рельефа поверхности деталей потоками электролита. Все это позволяет концентрировать разрядный процесс на микровыступах рельефа поверхности детали, интенсивно сглаживая их.
Увеличение концентрации соли углекислого натрия свыше 12 % приводит (рис. 2, 3) к снижению качества поверхности. Наличие обратного эффекта, связано здесь с тем, что увеличение концентрации №2Ш3 в растворе электролита приводит к росту толщины слоя кристаллической фазы оседающей на поверхности детали, который при концентрации №2Ш3 свыше 12 % становится больше половины значения среднеарифметического отклонения профиля микронеровностей и приводит к изоляции определенного числа выступов микрорельефа поверхности от действия электроискровых разрядов, т. е. процесс полирования локализуется лишь на более грубом микрорельефе. Следовательно, при выборе концентрации электролита и назначении технологических режимов необходимо достигать баланса этих параметров, обеспечивающих оптимальную высоту слоя кристаллической фазы на поверхности обрабатываемой детали для получения необходимой высоты микронеровностей это поверхности.
1 . а - 5% водный растЕ ■ -12% водный раст ' • - 18% водный paci I юр Na2C03 J- гвор Na2C03 ■вор Na2C03 / ^
80 180 280 U, В
Рис. 3. Зависимость отражательной способности поверхности у-10-3 от напряжения на электролитической ячейке U при различной концентрации электролита
Экспериментальные данные позволяют утверждать также, что наилучшие показатели качества поверхности деталей из стали 12Х18Н10Т, при обработке их по технологии ЭХПНС-НЭ, могут быть получены лишь при малых плотностях тока на электролитической ячейке (рис. 4, 5). Это объясняется тем, что при больших плотностях тока больше вероятность возникновения импульсно-дуговых разрядов [3], которые в отличие от множественных электроискровых разрядов локализуются только на отдельных участках микрорельефа поверхности, где оставляют после себя характерные кратеры.
Ra,
А-5% водный растЕ ■ -12% водный рас • -18% водный рас I зор Na2C03 f гвор Na2C03 / твор !
!
0,06 0,16 0,26 А/см2
Рис. 4. Зависимость шероховатости поверхности На от плотности тока на электролитической ячейке / при различной концентрации электролита
а - 5% водный р; ■ - 12% ВОДНЫЙ | • - 18% ВОДНЫЙ | I аствор Na2C03 раствор Na2C03 раствор Na2C03
0,08 0,18 0,28 i, А/см2
Рис. 5. Зависимость отражательной способности поверхности у10-3 от плотности тока на электролитической ячейке / при различной концентрации электролита
Таким образом, проведенные исследования показывают, что новый способ электрохимического полирования деталей из хромоникелевых сталей в режиме нестационарного электролиза позволяет при обработке деталей из нержавеющих сталей типа 12Х18Н10Т получить сравнительно высокие качественные показатели отражательной способности и величины шероховатости поверхности деталей в достаточно широком диапазоне технологических режимов, а в диапазоне напряжений
240...280 В и улучшить их по сравнению с известными в литературе способами.
Проведенные исследования показали, что способ электрохимического полирования деталей из хромоникелевых сталей в режиме нестационарного электролиза позволяет достичь при обработке деталей из нержавеющей стали 12Х18Н10Т среднеа-
рифметического значения параметра шероховатости 0,062 мкм, что на 21 % меньше, чем было получено по известному ранее способу полирования [5]. Максимально возможная отражательная способность поверхности согласно приведенному выше способу, улучшена по сравнению с аналогом [5] примерно в 1,3 раза и составляет у=38,3-10-3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика. Влияние на свойства металлов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1987. -232 с.
2. Папилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. - М: Машиностроение, 1982. - 399 с.
3. Дураджи В.Н., Брянцев И.В., Товарков А.К. Исследование эрозии анода при воздействии на него электролитной плазмы // Электронная обработка материалов. - 1978. - № 5. - С. 13-17.
4. Пат. 2118412 РФ. МПК8 C25F 3/24. Способ электрохимического полирования изделий из хромоникелевых сталей / А.С. Ста-
вышенко, П.Е. Наук, С.В. Скифский. Заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет. - 97106310/02; заявл. 24.04.97; опубл. 27.08.98, Бюл. №24. - 11 с.: ил.
5. А.с. 1700110 СССР. МКИ3 C25F 3/16. Способ полирования изделий из хромоникилиевых сталей / В.К. Станишевский, Л.М. Семененко, В.Н. Тихоновский, А.А. Кособуцкий, А.Э. Паршуто, В.А. Хлебцевич, Л.С. Величко. Заявитель Белорусский политехнический институт. - № 4131156/02; заяв. 03.07.86; опубл. 23.12.91, Бюл. № 47. - 3 с.
Поступила 25.12.2008 г.
УДК 665.633
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОМПАУНДИРОВАНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ С УЧЕТОМ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КОМПОНЕНТОВ СМЕСИ
А.В. Кравцов, Э.Д. Иванчина, Ю.А. Смышляева
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Изложен новый подход к расчету процесса приготовления товарных бензинов с использованием компьютерной моделирующей системы. Выполнен анализ влияния межмолекулярных взаимодействий компонентов смеси на неаддитивность их свойств с учетом особенностей заводских технологий и состава перерабатываемого сырья.
Ключевые слова:
Математическое моделирование, процесс компаундирования, товарный бензин, октановое число, межмолекулярное взаимодействие, дипольный момент.
В схеме современного нефтеперерабатывающего завода всегда присутствует процесс компаундирования товарных бензинов. Этот процесс обеспечивает получение высокооктанового бензина, отвечающего требованиям ГОСТ. В то же время для повышения качества получаемого бензина и его выхода постоянно ведётся поиск путей совершенствования технологии данного процесса, новых композиций смешения на основе октаноповышающих присадок и добавок. В настоящее время эту задачу пытаются решать как экспериментальными способами (использование высокооктановых компонентов; применение антидетонационных присадок и т. д.), так и методами математического описания оптимизации данного процесса с разработкой систем автоматизации [1, 2]. Оптимизация процесса компаундирования затрудняется отклонением от аддитивности ряда физико-химических свойств компонентов смесей (энтальпийные и энтропий-
ные свойства, испаряемость, детонационная стойкость), а также постоянно меняющимся составом сырья. Принципиальное сокращение времени на компаундирование и повышение эффективности этой стадии становится возможным при использовании метода математического моделирования на физико-химической основе, реализованного в виде компьютерной системы.
Методики расчета октановых чисел
В настоящее время все методики расчета октановых чисел (ОЧ) подразделяются на эмпирические, основанные на статистической обработке опытных данных, и химические, основанные на учете механизма взаимодействия углеводородов, присадок и добавок. Последние обладают рядом преимуществ и позволяют более точно рассчитать ОЧ товарных бензинов, основываясь на физико-
