RU2118412C1 - Process of electrochemical smoothing articles from chrome and nickel steels - Google Patents

Abstract

FIELD: electrochemical machining of stainless steels, electropolishing, preparation of surfaces of parts prior to electroplating. SUBSTANCE: process can be used as finishing operation in machining of articles. Machining in agreement with invention is conducted with the use of direct current under electrohydrodynamic mode with generation of spark discharges at voltage of 140-310 V in 18% aqueous solution of sodium carbonate at temperature of 40-90 C. Active decrease of roughness and increase of reflection power of surface occur due to action of chemical and electrochemical processes of oxidation of metal and break of oxide films formed under action of multiple spark discharges going on simultaneously in vapor and gas sheath which take place over vertexes of microprotrusions rounding them off. EFFECT: increased quality of polishing by replacement of traditionally used electrolytes with ecologically safer electrolyte based on aqueous solution of salt of sodium carbonate. 1 tbl

Description

Изобретение относится к электрохимической обработке, преимущественно к электрополированию нержавеющих хромоникелевых сталей, и может найти применение в различных областях техники в процессах электрополирования для обеспечения необходимости физико-механических и эксплуатационных свойств деталей, а также в качестве подготовительной операции перед нанесением гальванических покрытий. The invention relates to electrochemical processing, mainly to the electro-polishing of stainless chromium-nickel steels, and can find application in various fields of technology in the processes of electro-polishing to ensure the need for physico-mechanical and operational properties of parts, as well as a preparatory operation before applying electroplated coatings.

Известны (1) традиционные способы электрохимической полировки, основанные на применении многокомпонентных электролитов на базе агрессивных и сильных токсичных кислот (серной, ортофосфорной, соляной и др.) при температуре близкой к кипению с добавлением поверхностно-активных веществ, ингибиторов кислотной коррозии и др., позволяющих поддерживать условие равновесия скоростей травления и окисления поверхности анода, что обеспечивает процесс качественного полирования изделия. Known (1) are traditional methods of electrochemical polishing based on the use of multicomponent electrolytes based on aggressive and strong toxic acids (sulfuric, phosphoric, hydrochloric, etc.) at a temperature close to boiling with the addition of surface-active substances, acid corrosion inhibitors, etc., allowing to maintain the condition of equilibrium of the etching and oxidation rates of the anode surface, which ensures the process of high-quality polishing of the product.

Общим недостатком при использовании традиционных способов полировки является необходимость проведения специальных мероприятий при приготовлении, использовании и регенерации электролитов, утилизации отходов, связанных с обеспечением экологической безопасности людей и окружающей среды (1, 2). A common drawback when using traditional polishing methods is the need for special measures in the preparation, use and regeneration of electrolytes, waste disposal associated with ensuring the environmental safety of people and the environment (1, 2).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ (3) электролитического полирования изделий из хромоникелевых нержавеющих сталей, включающий обработку в анодном электрогидродинамическом режиме в растворе сульфата металла при 70 - 90^oC, отличающийся тем, что, с целью полирования изделий из хромоникелевокремнистых сталей с одновременным снижением их шероховатости и повышением блеска, обработку ведут при напряжении 330 - 380 B в 1 - 10%-ном растворе сульфата калия.Closest to the claimed technical solution is a method (3) of electrolytic polishing of products from chromium-nickel stainless steels, including processing in the anode electrohydrodynamic mode in a solution of metal sulfate at 70 - 90 ^o C, characterized in that, for the purpose of polishing products from chrome-nickel-silicon steels with simultaneous by reducing their roughness and increasing gloss, processing is carried out at a voltage of 330 - 380 V in a 1 - 10% solution of potassium sulfate.

Механизм полирования поверхности изделия заключается в электрохимических и химических реакциях, протекающих в парогазовой оболочке между материалов детали - анода и парами электролита, за счет чего происходит одновременно два равных по скорости процесса - анодное окисление поверхности металла и химическое травление образующегося окисла. The mechanism of polishing the surface of the product consists in electrochemical and chemical reactions occurring in the vapor-gas shell between the materials of the part - the anode and the electrolyte vapor, due to which there are two processes of equal speed - anodic oxidation of the metal surface and chemical etching of the formed oxide.

Однако использование в известном способе традиционного механизма травления оксидной пленки путем введения в состав электролита сильных кислот или солей, образованных сильными кислотами (в данном способе сульфата калия, который под действием электрохимических реакций в околоанодном пространстве образует серную кислоту), требует специальных мероприятий по соблюдению норм техники безопасности обслуживающего персонала и охране окружающей среды. However, the use in the known method of the traditional mechanism of etching of the oxide film by introducing strong acids or salts formed by strong acids (in this method, potassium sulfate, which forms sulfuric acid under the influence of electrochemical reactions in the anode), requires special measures to comply with the technical standards staff safety and environmental protection.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение качества полирования за счет снижения шероховатости и увеличения отражательной способности поверхности с одновременной заменой традиционно используемых электролитов на экологически более безопасный на основе водного раствора соли кислого углекислого натрия (пищевой соды). The aim of the invention is to ensure the quality of polishing by reducing the roughness and increasing the reflectivity of the surface while replacing traditionally used electrolytes with an environmentally safer one based on an aqueous solution of a salt of sodium hydrogencarbonate (baking soda).

Обработку согласно предлагаемому изобретения ведут на постоянном электрическом токе в электрогидродинамическом режиме при генерировании искровых разрядов на поверхности изделия при напряжении 140-310 B в 4 - 18%-ом водном растворе кислого углекислого натрия при температуре 40 - 90^oC.The processing according to the invention is carried out at a constant electric current in electrohydrodynamic mode when generating spark discharges on the surface of the product at a voltage of 140-310 V in a 4 - 18% aqueous solution of sodium hydrogencarbonate at a temperature of 40 - 90 ^o C.

При анодном гидродинамическом режиме происходит формирование у поверхности обрабатываемой детали устойчивой парогазовой оболочки (ПГО), которая отторгает электролит от поверхности анода и способствует протеканию интенсивных химических и электрохимических реакций между материалом детали и составляющими оболочку парами электролита и газами. Это вызывает анодное окисление поверхности металла. Генерирование на поверхности анода множественных искровых разрядов приводит к разрушению сформировавшихся оксидных пленок. Under the anodic hydrodynamic regime, a stable vapor-gas shell (PGO) is formed at the surface of the workpiece, which tears off the electrolyte from the surface of the anode and promotes intense chemical and electrochemical reactions between the material of the part and the electrolyte vapor and gases constituting the shell. This causes anodic oxidation of the metal surface. The generation of multiple spark discharges on the surface of the anode leads to the destruction of the formed oxide films.

При поддержании равенства между собой скоростей окисления и разрушения окислов возникает эффект полирования, заключающийся в снижении шероховатости и повышении отражательной способности поверхности детали. Разрушение оксидного слоя происходит в первую очередь на микронеровностях, в силу того, что из-за повышенной напряженности электрического поля на границах микровыступов пробой ПГО искровыми разрядами происходит по вершинам микронеровностей. За счет этого достигается высокая скорость снижения высоты микронеровностей поверхности, а также отсутствует точечное растравливание, свойственное электрохимическому травлению (1). While maintaining the equality between the oxidation and destruction rates of oxides, a polishing effect occurs, which consists in reducing the roughness and increasing the reflectivity of the surface of the part. The destruction of the oxide layer occurs primarily on the microroughness, due to the fact that due to the increased electric field strength at the boundaries of the microprotrusions, the breakdown of the VGE by spark discharges occurs along the vertices of the microroughness. Due to this, a high rate of decrease in the surface roughness is achieved, and there is no point etching characteristic of electrochemical etching (1).

Эффект полирования усиливается согласно предлагаемому способу наличием в ПГО защитного углекислого газа (CO₂), в среде которого происходит образование сверхтонких оксидных пленок металла, легко поддающихся разрушению под действием искровых электрических разрядов.The polishing effect is enhanced according to the proposed method by the presence of protective carbon dioxide (CO ₂ ) in the PGO, in the medium of which the formation of ultrathin oxide metal films occurs, which are easily susceptible to destruction by spark electric discharges.

Известно (4) использование электрических разрядов в электроэррозионной обработке токопроводящих металлов и сплавов (электроискровой, электроимпульсной, электроконтактной и др.), где они служат для изменения формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности детали. Однако при этом электрические разряды, протекающие между электродом-инструментом и электродом-деталью через жидкую диэлектрическую среду, приводят к нагреву, расплавлению и испарению микропорций материала с поверхностей электродов. It is known (4) to use electric discharges in electric erosion treatment of conductive metals and alloys (electrospark, electric pulse, electrocontact, etc.), where they serve to change the shape, size, roughness, and surface properties of a part. However, in this case, electric discharges flowing between the electrode-tool and the electrode-part through a liquid dielectric medium lead to heating, melting, and evaporation of micropores of the material from the surfaces of the electrodes.

Известно также (5) применение электрических разрядов при анодно-механической обработке металлов, где их тепловая энергия используется для образования на поверхности анода плохо растворимого в электролите пленочного вещества и для локального расплавления частиц металла в местах электрического пробоя этих пленок с последующим выбросом этих частиц из зоны обработки. It is also known (5) the use of electric discharges in the anodic-mechanical processing of metals, where their thermal energy is used to form a film substance poorly soluble in the electrolyte on the surface of the anode and for local melting of metal particles in the places of electrical breakdown of these films with the subsequent ejection of these particles from the zone processing.

Общим недостатком известных способов является то, что поверхность металла после обработки покрывается лунками - следами разрядов, что не позволяет достичь необходимого для чистовой обработки уровня шероховатости. A common disadvantage of the known methods is that the surface of the metal after processing is covered with holes - traces of discharges, which does not allow to achieve the level of roughness necessary for finishing processing.

Известны (6) электрические разряды в процессах электрического нанесения силикатных покрытий на алюминий и его сплавы, где тепловая энергия электродуговых разрядов используется для дегидратации и частичного оплавления мицелл кремниевой кислоты, осевших на аноде, и для образования алюмосиликатного покрытия. Known (6) are electric discharges in the processes of electric deposition of silicate coatings on aluminum and its alloys, where the thermal energy of electric arc discharges is used to dehydrate and partially melt silicic acid micelles deposited on the anode, and to form an aluminosilicate coating.

Известно также (7) использование электрических разрядов при микродуговом оксидировании алюминия и его сплавов при генерировании локальных термоэлектрохимических реакций на поверхности металла. It is also known (7) to use electric discharges in microarc oxidation of aluminum and its alloys when generating local thermoelectrochemical reactions on a metal surface.

В отличие от известных способов, предлагаемое техническое решение предполагает искровое разрушение оксидных пленок без оплавления поверхности металла. In contrast to the known methods, the proposed solution involves spark destruction of oxide films without melting the metal surface.

Условием достижения эффекта по предлагаемому способу являются режимы обработки. The condition for achieving the effect of the proposed method are processing modes.

Предельные величины концентрации водного раствора соли кислого углекислого натрия составляют 4 ^oC 18%. При меньшей концентрации невозможно достичь режима генерирования электроискровых разрядов по всей поверхности детали. Верхний предел ограничен наивысшей концентрацией растворения этой соли в воде (предел насыщения).The maximum concentration of an aqueous solution of sodium hydrogencarbonate salt is 4 ^o C 18%. At a lower concentration, it is impossible to achieve the regime of generating spark discharges over the entire surface of the part. The upper limit is limited by the highest concentration of dissolution of this salt in water (saturation limit).

Диапазон температур, при которых возможен эффект качественной полировки, ограничен пределами 40 - 90^oC. Полирование при температурах ниже 40^oC нежелательно ввиду того, что при данных температурах невозможен скоростной выход на электрогидродинамический режим, как это необходимо при данном способе полирования. В противоположном случае, при постепенном увеличении напряжения, будет иметь место процесс интенсивного окисления поверхности металла вплоть до образования рыхлой оксидной пленки черного цвета толщиной 0,5 - 1 мм, что значительно снижает качество полировки и загрязняет электролит.The temperature range at which the effect of high-quality polishing is possible is limited to 40 - 90 ^o C. Polishing at temperatures below 40 ^o C is undesirable due to the fact that at these temperatures high-speed output to the electrohydrodynamic mode is impossible, as is necessary with this polishing method. In the opposite case, with a gradual increase in voltage, there will be a process of intensive oxidation of the metal surface until the formation of a loose black oxide film 0.5 - 1 mm thick, which significantly reduces the quality of polishing and pollutes the electrolyte.

Верхний предел температур органичен тем, что при температурах, близких к 100^oC, возникает закипание электролита, что приводит к значительным пульсациям ПГО, при которых возможен прямой контакт поверхности металла с электролитом, неравномерность окисления поверхности металла, и что, в свою очередь, вызывает неравномерность величины шероховатости поверхности. Кроме того, наблюдается интенсивное разбрызгивание капель электролита из зоны обработки.The upper temperature limit is organic in that at temperatures close to 100 ^o C, boiling of the electrolyte occurs, which leads to significant pulsations of the PGO, at which direct contact of the metal surface with the electrolyte, uneven oxidation of the metal surface, and which, in turn, causes unevenness of the surface roughness. In addition, there is intense spraying of electrolyte drops from the treatment zone.

Выбор верхнего и нижнего предела напряжений электрического тока, подаваемого на электролитическую ячейку определен в данном способе необходимостью генерирования на поверхности анода множественных искровых электрических разрядов в электрогидродинамическом анодном режиме. При напряжениях ниже 140 B согласно предлагаемому способу невозможно добиться стабильности ПГО и генерирования разрядов по всей площади поверхности анода. Система в этом случае работает или в режиме стационарного электролиза (0 - 70 B), либо в коммутационном режиме (80 - 140 B), когда единичные искровые электрические разряды возникают, в основном, на кромках детали. The choice of the upper and lower limit of the voltage of the electric current supplied to the electrolytic cell is determined in this method by the need to generate multiple spark electric discharges on the anode surface in the electrohydrodynamic anode mode. At voltages below 140 V, according to the proposed method, it is impossible to achieve stability of the VGE and generate discharges over the entire surface area of the anode. In this case, the system operates either in stationary electrolysis mode (0 - 70 V) or in switching mode (80 - 140 B), when single spark electric discharges occur mainly at the edges of the part.

Увеличение разности потенциалов на электролитической ячейке свыше 310В приводит к образованию вокруг ПГО интенсивных термогидродинамических процессов, переходящих в дуговые разряды, при этом происходят значительные колебания электрических параметров на электролитической ячейке (I = 0,8 - 1,5 A, U = 296 - 325 B), что, в свою очередь, снижает качественные характеристики процесса, его производительность и повышает энергозатраты. An increase in the potential difference on the electrolytic cell above 310 V leads to the formation of intense thermohydrodynamic processes around the PGO, which turn into arc discharges, with significant fluctuations in the electrical parameters on the electrolytic cell (I = 0.8 - 1.5 A, U = 296 - 325 V ), which, in turn, reduces the qualitative characteristics of the process, its productivity and increases energy consumption.

Примеры реализации способа. Examples of the method.

Опыты проводили с целью подтверждения возможности получения сравнительно отражательной способности и низких значений величины шероховатости поверхности деталей при полировке, согласно предлагаемому способу. The experiments were carried out in order to confirm the possibility of obtaining a relatively reflective ability and low values of the surface roughness of the parts during polishing, according to the proposed method.

Обработке подвергали образцы размером 10 x 60 x 2 мм из стали 12Х18Н10Т. Исходная шероховатость R_a = 0,63 - 0,66 мкм, отражательная способность γ • 10^-3 = 0,40 - 0,50. Состав электролита - водный раствор кислого углекислого натрия. Время обработки 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.Samples of 10 x 60 x 2 mm in size made of 12Kh18N10T steel were subjected to processing. The initial roughness R _a = 0.63 - 0.66 μm, the reflectivity γ • 10 ^-3 = 0.40 - 0.50. The composition of the electrolyte is an aqueous solution of sodium hydrogencarbonate. Processing time 2 min. The surface roughness and reflectance were measured by standard methods using a Model 293 profilometer with a digital readout of readings and an U4.2FOU objective photometer.

Полученные данные сведены в таблицу. The data obtained are summarized in a table.

Как видно из таблицы, предложенное техническое решение позволяет производить электрохимическую полировку нержавеющих хромоникелевых сталей в среде экологически чистого электролита на основе водного раствора соли кислого углекислого натрия (пищевой соды) с достижением при этом параметров шероховатости R_a = 0,062 мкм, что на 21% чище, чем получено по известному способу (прототип).As can be seen from the table, the proposed technical solution allows electrochemical polishing of stainless chromium-nickel steels in an environmentally friendly electrolyte based on an aqueous solution of sodium hydrogencarbonate salt (baking soda), while achieving a roughness of R _a = 0.062 μm, which is 21% cleaner, than obtained by a known method (prototype).

При этом, отражательная способность поверхности согласно предлагаемому изобретению, улучшена по сравнению с прототипом в 1,5 раза и составляет γ = = 38,3 • 10^-3.Moreover, the reflectivity of the surface according to the invention is improved compared with the prototype by 1.5 times and is γ = 38.3 • 10 ^-3 .

Таким образом, заявленный способ электрохимического полирования нержавеющих хромоникелевых сталей характеризует повышенное качество обработанной поверхности и экологическая чистота электролита. Thus, the claimed method of electrochemical polishing of stainless chromium-nickel steels characterizes the increased quality of the treated surface and the environmental cleanliness of the electrolyte.

Источники информации
1. Грилихес С.Я. Электрохимическое полирование. Л.: Машиностроение, Ленинградское отд-е, 1976. - 246 с., с.73-92, 93-99, 78, 83, 86.Sources of information
1. Griliches S.Ya. Electrochemical polishing. L .: Engineering, Leningrad Department, 1976.- 246 p., Pp. 73-92, 93-99, 78, 83, 86.

2. Папилов Л. Я. Техника безопасности при электрофизической и электрохимической обработке материалов. Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-е, 1966. -298 с., с. 72-102. 2. Papilov L. Ya. Safety precautions during electrophysical and electrochemical processing of materials. L .: Mechanical engineering. Leningrad Department, 1966. -298 p., P. 72-102.

3. Авторское свидетельство СССР N 1700110, кл. C 25 F 3/16, 1986, Бюл. N 47 (прототип). 3. Copyright certificate of the USSR N 1700110, cl. C 25 F 3/16, 1986, Bull. N 47 (prototype).

4. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки // Амитан Г. Л. и др.; под общ. ред. Волосатова В.А. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-е, 1988. - 719 с., с.185. 4. Handbook of electrochemical and electrophysical processing methods // Amitan G. L. et al .; under the general. ed. Volosatova V.A. - L .: Mechanical engineering. Leningrad Department, 1988 .-- 719 p., P. 185.

5. Библиотека электротехнолога. Выпуск 3. Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов. Вишницкий А.Л., Ясногородский И.З., Григорчук И.П. Л.: Машиностроение, 1971. -212 с., с. 65-68. 5. Library of an electrical technologist. Issue 3. Electrochemical and electromechanical processing of metals. Vishnitsky A.L., Yasnogorodsky I.Z., Grigorchuk I.P. L .: Engineering, 1971. -212 p., P. 65-68.

6. Снежко Л.А., Черненко В.И. Механизм диэлектрического пробоя при формовке анодных керамических пленок на АМГ5. Электронная обработка материалов, 1683, N 4, 38-41., c. 39. 6. Snezhko L.A., Chernenko V.I. The mechanism of dielectric breakdown during the formation of anode ceramic films on AMG5. Electronic Processing of Materials, 1683, N 4, 38-41., C. 39.

7. Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию. -М.: Машиностроение. 1988. -224 с., с. 19-25. 7. Averyanov E.E. Handbook of Anodizing. -M .: Engineering. 1988.224 s., P. 19-25.

Claims (1)

\ \ \ 1 Способ электрохимического полирования изделий из хромоникелевых сталей, преимущественно из нержавеющих, включающий анодную обработку постоянным электрическим током в электрогидродинамическом режиме в растворе соли натрия, отличающийся тем, что обработку ведут при генерировании искровых разрядов на поверхности изделия при напряжении 140 - 310 В в 4 - 18%-ном водном растворе кислого углекислого натрия при температуре 40 - 90<198>C. \ \ \ 1 Method of electrochemical polishing of products from chromium-nickel steels, mainly stainless steel, including anodic treatment by direct electric current in electrohydrodynamic mode in a sodium salt solution, characterized in that the treatment is carried out when generating spark discharges on the surface of the product at a voltage of 140 - 310 V 4 - 18% aqueous solution of sodium hydrogencarbonate at a temperature of 40 - 90 <198> C.

Images