Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования Российский патент 2020 года по МПК C25D9/06 C23C8/52 

Описание патента на изобретение RU2725492C1

Изобретение относится к области металлургии, а именно к плазменно-электролитной обработке, в частности - к составу электролита для плазменного химико-термического модифицирования металлов и сплавов, и может использоваться для повышения износостойкости поверхности, улучшения эффективности плазменно-электролитной обработке и расширения сферы использования плазменно-электролитной обработки материалов в различных отраслях машиностроения, приборостроения и производства изделий потребительского назначения.

Метод электролитно-плазменной обработки основан на плазменных и электрохимических процессах, возникающих в парогазовой оболочке вблизи поверхности погруженного в раствор металлического электрода под действием электрического напряжения.

Процесс электролитно-плазменной обработки возникает, когда обрабатываемое изделие является анодом (или катодом), а под воздействием напряжения происходит вскипание электролита вблизи поверхности обрабатываемого изделия с образованием парогазовой оболочки, состоящей из паров воды, и ионов, входящих в состав электролита.

Электрический ток, проходя через парогазовую оболочку, приводит к плазмообразованию по механизму газового разряда, а под воздействием активных ионов происходит управляемая модификация поверхности обрабатываемого изделия. Результатом данной модификации является насыщение поверхности и приповерхностных слоев неметаллическими элементами, обычно N, С, В [Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. М.: Техносфера, 2011.].

Из уровня техники известно, что наиболее эффективным процессом для повышения трибологических свойств обработанных с помощью плазменно-электролитного модифицирования сталей является бороазотирование [P. Taheri, Ch. Dehghanian, М. Aliofkhazraei, A.S. Rouhaghdam, Nanocrystalline Structure Produced by Complex Surface Treatments: Plasma Electrolytic Nitrocarburizing, Boronitriding, Borocarburizing, and Borocarbonitriding, Plasma Process. Polym. 2007, 4, S721-S727]. При этом, повышение трибологических свойств объясняется наличием в структуре поверхностных слоев обрабатываемого изделия боридных и нитридных нанокристаллических фаз, которые образуются при катодном бороазотировании стали с применением электролитов, содержащих различные концентрации буры и нитрита натрия.

Недостатками данного решения являются сравнительно малая глубина диффузионного слоя обрабатываемого изделия и большая поверхностная шероховатость, а также недостаточная эффективность насыщения бором из-за невысокой растворимости тетрабората натрия (32 г/л при 25°С), что ограничивает величину потенциала бора в электролите. Кроме того, обработка в указанном электролите сопровождается нежелательной эрозией обрабатываемой поверхности при повышении напряжения, что связанно с отрицательной полярностью обрабатываемой детали.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа состав для анодной плазменно-электролитной обработки, содержащий хлорид аммония (NH4Cl) в качестве электропроводящего компонента, насыщающий компонент и воду, отличающийся тем, что в качестве насыщающего компонента используется ацетонитрил (CH3CN) при следующем соотношении компонентов, мас. %: ацетонитрил 10-15, хлорид аммония 12,5-15,0, вода - остальное. (Патент RU 2569623, опубл. 27.11.2015).

Обработка в данном электролите позволяет снизить затрачиваемую электрическую мощность, повысить толщину модифицированного поверхностного слоя, поверхностную микротвердость, уменьшить скорость анодного растворения при одновременном снижении шероховатости поверхности. Условия плазменно-электролитной обработки в предложенном электролите следующие: температура обработки от 650 до 950°С, продолжительность - от 2 до 10 мин, плотность тока до 4,5 А/см2 при рабочем напряжении от 125 до 165 В и температурой электролита до 30°С.

Недостатком известного состава, в том числе технической проблемой, является отсутствие возможности формирования наиболее оптимальных, с эксплуатационной точки зрения, боронитридных фаз, повышающих износостойкость. Кроме того, входящий в состав электролита ацетонитрил токсичен и входит в Перечень наркотических средств, психотропных веществ и их прекурсоров, подлежащих контролю в Российской Федерации (Постановление Правительства РФ №681 от 30 июня 1998).

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - снижение затрачиваемой электрической мощности, требуемой на проведение процесса, увеличение износостойкости модифицированного слоя и снижение шероховатости поверхности деталей за счет использования боросодержащего компонента и анодной поляризации обрабатываемых изделий.

Технический результат достигается тем, что в электролите для анодного плазменно-электролитного модифицирования, содержащем хлорид аммония в качестве электропроводящего компонента, насыщающие компоненты и воду, в качестве насыщающих компонентов используют нитрат аммония и борную кислоту при следующем соотношении компонентов, масс. %: хлорид аммония 8-12; нитрат аммония 4-7; борная кислота 2-5 и вода - остальное.

Изобретение охарактеризовано следующим образом.

Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования, содержит хлорид аммония в качестве электропроводящего компонента, насыщающие компоненты и воду, в качестве насыщающих компонентов используют нитрат аммония и борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас. %: хлорид аммония 8-12; нитрат аммония 4-7; борная кислота 2-5 и вода - остальное.

Технический результат достигается посредством анодной плазменно-электролитной обработки, осуществляемой с применением оборудования и методологии, описанных в работе [Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. М.: Техносфера, 2011]. Суммарная концентрация хлорида и нитрата аммония (NH4NO3) в электролите менее 12 мас. % не позволяет достичь величины азотного потенциала парогазовой оболочки, необходимой для насыщения азотом. Суммарная концентрация хлорида и нитрата аммония свыше 19 мас. % приводит к увеличению толщины парогазовой оболочки, росту электросопротивления и увеличению скорости анодного растворения. Концентрация борной кислоты (Н3ВО3) в электролите менее 2 мас.% существенно снижает потенциал бора в насыщающей среде. Превышение добавки борной кислоты свыше 5 мас.% вследствие ограниченной растворимости затрудняет приготовление электролита и вызывает образование ингибирующего диффузию осадка в процессе обработки. Нитрат аммония повышает азотный потенциал, а борная кислота по сравнению с тетраборатом натрия обладает большей растворимостью (57,4 г/л при 25°С) и способствует образованию боросодержащих радикалов с меньшими энергозатратами.

Благодаря этому, достижение эффективности модифицирования на уровне прототипа обеспечивается в течение 1-5 мин при напряжении 160 В (что соответствует температуре плазменно-электролитной обработке при 900°С). Сокращение времени обработки повышает экономичность процесса и существенно снижает эрозию поверхности. Помимо этого, в предложенном электролите не используются токсичные и экологически вредные компоненты.

Пример достижения технического результата.

Во всех примерах электролитно-плазменную обработку проводили в осесимметричной рабочей камере с проточным электролитом со скоростью 3 л/мин при температурах обработки 800-850°С при анодной полярности. Продолжительность обработки: 5 минут для прототипа и 2 минуты для изобретения. Обрабатываемые материалы: ст 20 (прототип и изобретение), ВТ 1-0 (изобретение). Трибологические свойства образцов изучали на трибометре по схеме «шарик-по-диску» в условиях сухого трения при нагрузке 5 Н, скорости скольжения 0,2 м/с при комнатной температуре. Контртелом служил шарик диаметром 6,35 мм из корунда.

Результаты приводятся в таблицах: 1 - Примеры по прототипу, 2 - Примеры по изобретению (для ст 20), 3 - Примеры по изобретению (для ВТ 1-0).

Как видно из приведенных примеров, предложенный электролит позволяет обеспечить снижение потребляемой электрической мощности, уменьшение толщины модифицированного слоя, повышение твердости и износостойкости.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - снижение затрачиваемой электрической мощности, требуемой на проведение процесса, увеличение износостойкости модифицированного слоя и снижение шероховатости поверхности деталей за счет использования боросодержащего компонента и анодной поляризации обрабатываемых изделий.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

• объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для плазменного химико-термического модифицирования металлов и сплавов, и может использоваться для повышения износостойкости поверхности, улучшения эффективности плазменно-электролитной обработке и расширения сферы использования плазменно-электролитной обработки материалов в различных отраслях машиностроения, приборостроения и производства изделий потребительского назначения;

• для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

• объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательный уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Похожие патенты RU2725492C1

название год авторы номер документа
СОСТАВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ 2013
  • Кусманов Сергей Александрович
  • Паркаева Юлия Викторовна
RU2569623C2
СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 2007
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Селиванов Константин Сергеевич
  • Гордеев Вячеслав Юрьевич
  • Павлинич Сергей Петрович
RU2355829C2
СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ 2007
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Селиванов Константин Сергеевич
  • Гордеев Вячеслав Юрьевич
  • Цыбулина Ирина Николаевна
  • Симин Олег Николаевич
  • Лисянский Александр Степанович
  • Таминдаров Дамир Рамильевич
RU2357019C2
Способ электролитно-плазменного полирования изделий из титановых и железохромоникелевых сплавов 2019
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Таминдаров Дамир Рамилевич
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Плотников Николай Владимирович
  • Кутушева Лейла Рустамовна
RU2706263C1
СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ 2007
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Селиванов Константин Сергеевич
  • Гордеев Вячеслав Юрьевич
  • Павлинич Сергей Петрович
RU2355828C2
СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ С ЭЛЕКТРОЛИТНЫМ НАГРЕВОМ 2012
  • Белкин Павел Николаевич
  • Дьяков Илья Геннадьевич
  • Наумов Александр Рудольфович
  • Шадрин Сергей Юрьевич
  • Жиров Александр Владимирович
  • Кусманов Сергей Александрович
  • Мухачева Татьяна Леонидовна
RU2572663C2
СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО УДАЛЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И НИКЕЛЯ 2023
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Таминдаров Дамир Рамилевич
  • Плотников Николай Владимирович
  • Гонтюрев Василий Андреевич
  • Селиванов Константин Сергеевич
RU2805723C1
Способ электролитно-плазменного удаления покрытий с деталей из легированных сталей и жаропрочных сплавов 2018
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Таминдаров Дамир Рамилевич
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Плотников Николай Владимирович
  • Кутушева Лейла Рустамовна
RU2694397C1
СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 2015
  • Гайсин Алмаз Фивзатович
  • Гильмутдинов Альберт Харисович
RU2621744C2
СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ 2014
  • Дураджи Валентин Николаевич
  • Капуткин Дмитрий Ефимович
RU2550393C1

Реферат патента 2020 года Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу электролита для плазменного химико-термического модифицирования металлов и сплавов, и может использоваться для повышения износостойкости поверхности обрабатываемых изделий. Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования содержит, мас. %: хлорид аммония 8-12; нитрат аммония 4-7; борная кислота 2-5 и вода остальное. При использовании электролита обеспечивается снижение затрачиваемой электрической мощности, требуемой на проведение процесса, а также увеличение износостойкости модифицированного слоя и снижение шероховатости поверхности деталей за счет использования боросодержащего компонента и анодной поляризации обрабатываемых изделий. 3 табл., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 725 492 C1

Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования, содержащий в качестве электропроводящего компонента хлорид аммония, насыщающие компоненты и воду, отличающийся тем, что в качестве насыщающих компонентов он содержит нитрат аммония и борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас. %:

хлорид аммония 8-12 нитрат аммония 4-7 борная кислота 2-5 вода остальное

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2725492C1

СОСТАВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ 2013
  • Кусманов Сергей Александрович
  • Паркаева Юлия Викторовна
RU2569623C2
СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ 2013
  • Дураджи Валентин Николаевич
  • Капуткин Дмитрий Ефимович
  • Дураджи Андрей Юрьевич
RU2537346C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ 2014
  • Дураджи Валентин Николаевич
  • Капуткин Дмитрий Ефимович
RU2550436C1
Ручная лупа 1929
  • В. Мертенс
SU12957A1
CN 101591798 B, 20.04.2011
JP 5696447 B2, 08.04.2015.

RU 2 725 492 C1

Авторы

Белкин Василий Сергеевич

Белкин Павел Николаевич

Борисов Анатолий Михайлович

Крит Борис Львович

Людин Валерий Борисович

Морозова Наталья Владиславовна

Суминов Игорь Вячеславович

Эпельфельд Андрей Валериевич

Солис Пинарготе Нестор Вашингтон

Перетягин Павел Юрьевич

Даты

2020-07-02Публикация

2019-09-18Подача