СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Российский патент 2015 года по МПК C25F3/16 

Изобретение относится к области электрохимической обработки деталей из металлов и сплавов и может быть использовано в машино- и приборостроении, например, при доводке внутренних и наружных поверхностей.

Известен способ электрохимического полирования, представляющий собой анодное растворение, приводящее к улучшению микрогеометрии обрабатываемой поверхности [Заявка №49-38418, Япония, МКИ С23В 3/00, НКИ 12А63]. Электрохимическое полирование проводят как в стационарном, так и в движущемся электролите [Липкин Я.Н., Бершадская Т.Л. Химическое полирование металлов. - М.: Машиностроение, 1982. - 112 с.].

Недостатком существующих методов является токсичность электролита, низкая производительность.

Известен способ электрохимического полирования [патент РФ №2451773, МПК C25F 3/16, В23Н 3/00], который принят за прототип. Электрохимическое полирование осуществляют в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2-10 А/см², температуре электролита, равной температуре окружающей среды, вибрации обрабатываемой детали с амплитудой и частотой, заданными исходя из электрохимических свойств материала. Полирование осуществляют циклами, при этом время одного цикла полирования задают не более 2 с, а время между циклами рассчитывают по формуле

где z - заряд потенциалопределяющего иона; F - число Фарадея, Кл·моль^-1; i - плотность тока анодного растворения, А/см²; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см²/с; C_S - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см³.

Шероховатость поверхности после каждого последующего цикла оценивают по аналитической зависимости, учитывающей электрохимические свойства обрабатываемого материала и параметры полирования

где - шероховатость последующего цикла, мкм; - шероховатость предыдущего цикла, мкм; n - порядковый номер цикла; k_ν - объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого металла, см³/А·мин; χ - удельная проводимость электролита, см^-1·Ом^-1; η - выход по току обрабатываемого металла; U - напряжение на электродах, В; ΔU - падение напряжения в приэлектродных слоях, равное алгебраической сумме падений напряжения в прикатодном и прианодном слоях, В; δ_МЭ3 - величина межэлектродного зазора, см; τ - время цикла электрохимического полирования, мин.

Недостатком прототипа является сложность автоматизации технологического процесса ввиду того, что не задана точная длительность цикла электрохимического полирования.

Задача изобретения - упрощение автоматизации технологического процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе электрохимического полирования металлической детали, включающем циклическое полирование детали в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2-10 A/см², температуре электролита, равной температуре окружающей среды, вибрации обрабатываемой детали с амплитудой и частотой, заданными исходя из электрохимических свойств материала, и оценку шероховатости после каждого цикла полирования, при этом время между циклами рассчитывают в зависимости от параметров полирования и электрохимических свойств металла по формуле

где z - заряд потенциалопределяющего иона; F - число Фарадея, Кл·моль^-1; i - плотность тока анодного растворения, А/см²; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см²/с; C_S - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см³, согласно техническому решению время одного цикла полирования определяют из зависимости

где τ - время цикла электрохимического полирования, с; i - плотность тока анодного растворения, А/см²; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см²/с; К=10^-5 А.

Изобретение поясним на примерах:

Пример 1: Обработке подвергались образцы из стали 12X13. Исходная шероховатость R_z 4,3 мкм; объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого металла k_ν=2,1·10^-3 см³/А·мин; удельная проводимость электролита (15% NaCl в воде); χ=0,164 см^-1·Ом^-1; выход по току обрабатываемого металла η=0,8; напряжение на электродах U=8В; падение напряжения в приэлектродных слоях ΔU=2,3В; плотность тока по обрабатываемой детали i=1 А/см²; частота вибрации анода (обрабатываемой детали) f=50 Гц; амплитуда вибрации A=0,5 мм.

Время между циклами рассчитываем по формуле (1). Учитывая, что C_S=0,48·10^-3 моль/см³, толщина диффузионного слоя δ=0,4·10^-3 см, τ_мц≥l,45c.

Время одного цикла рассчитываем по зависимости (3), полученной по результатам обобщения экспериментальных данных и характеризующей время насыщения диффузионного слоя в течение одного цикла обработки:

К - постоянная величина, численно равная силе тока, обеспечиваемого диффузией ионов обрабатываемого металла, А. Для диапазона плотностей тока 0,2-10 A/см² К=10^-5 A; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, D=10^-5 см²/с.

При этом после первого цикла полирования, используя формулу (2), получим расчетный параметр

Измеренное значение параметра шероховатости

Второй цикл электрохимического полирования длительностью 1 с проводили после паузы в 1,45 с.

После второго цикла расчетное значение параметра шероховатости поверхности измеренное

Шероховатость поверхности улучшается за счет проведения процесса в оптимальном режиме диффузионной кинетики. Пример 2:

Обработке подвергались образцы из стали 12X13. Плотность тока по обрабатываемой детали i=2А/см². Остальные исходные данные, свойства электролита, параметры вибрации как в примере 1.

Время между циклами рассчитываем по формуле (1). Учитывая, что C_S=0,96·10^-3 моль/см^-3; толщина диффузионного слоя δ=0,4·10^-3 см, получили τ_мц≥1,5 с.

Время одного цикла рассчитали по зависимости (3):

К=10^-5А, D=10^-5 см²/с.

Расчетное значение параметра шероховатости поверхности

Измеренное значение В результате увеличения плотности тока, время цикла уменьшилось до 0,5 с. При этом режим диффузионной кинетики сохраняется, в результате чего характер изменения шероховатости не меняется.

Пример 3:

Обработке подвергались образцы из стали 12X13. Исходные данные, свойства электролита, параметры вибрации как в примере 1. Время цикла полирования задали произвольно равным 3 с. Время между циклами рассчитали по формуле (1), τ_мц≥1,45 с.

При времени одного цикла полирования 3 с на поверхности обрабатываемой детали образуется волнистость и матовость.

Таким образом, при электрохимическом полировании с временем одного цикла, рассчитанным по формуле (3) сохраняется закономерность снижения шероховатости поверхности при ее наилучшем качестве. При последующих циклах обработки указанная закономерность соблюдается.

Заявляемый способ электрохимического полирования с рассчитанным по зависимости временем цикла полирования дает возможность автоматизировать процесс электрохимического полирования, не проводя экспериментальных исследований.

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов и сплавов и может быть использовано в машино- и приборостроении при доводке внутренних и наружных поверхностей. Способ включает циклическое полирование детали в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2-10,0 А/см², температуре электролита, равной температуре окружающей среды, вибрации обрабатываемой детали с амплитудой и частотой, заданными исходя из электрохимических свойств металла, и оценку шероховатости после каждого цикла полирования, при этом время между циклами рассчитывают в зависимости от параметров полирования и электрохимических свойств металла по формуле $${\tau }_{мц}\ge {\left(\frac{z\cdot F}{2i}\right)}^2\pi D{C}_S^2,$$ где z - заряд потенциалопределяющего иона, F - число Фарадея, Кл·моль^-1, i - плотность тока анодного растворения, А/см², D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см²/с, C_S - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см³, а время одного цикла полирования определяют из зависимости $$\tau =\frac{K}{i\cdot D}$$ , где τ - время цикла полирования, с, i - плотность тока анодного растворения, А/см², D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см²/с, К=10^-5 А. Изобретение позволяет рассчитать точное время цикла полирования при наилучшем качестве полирования и автоматизировать процесс полирования. 3 пр.

Способ электрохимического полирования металлической детали, включающий циклическое полирование детали в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2-10,0 А/см², температуре электролита, равной температуре окружающей среды, вибрации обрабатываемой детали с амплитудой и частотой, заданными исходя из электрохимических свойств металла, и оценку шероховатости после каждого цикла полирования, при этом время между циклами рассчитывают в зависимости от параметров полирования и электрохимических свойств металла по формуле
$${\tau }_{мц}\ge {\left(\frac{z\cdot F}{2i}\right)}^2\pi D{C}_S^2,$$
где z - заряд потенциалопределяющего иона, F - число Фарадея, Кл·моль^-1, i - плотность тока анодного растворения, А/см², D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см²/с, C_S - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см³, отличающийся тем, что время одного цикла полирования определяют из зависимости
$$\tau =\frac{K}{i\cdot D}$$
где τ - время цикла полирования, с, i - плотность тока анодного растворения, А/см², D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см²/с, К=10^-5 А.