--PAGE_BREAK--3
Очистка поверхности металлов и сплавов от окислов
Возможность очистки поверхности от окислов предусматривалась • одной из первых работ по применению данного способа поверхностной обработки. Результаты экспериментальной проверки, проведенной в работе для полосового проката, показали, что обработку можно вести в растворах Nа2СОз, МаС1, К.2СОз с концентрацией 5...10% при напряжениях 160… 220 В.
Аналогичные исследования были проведены с использованием одномолярных растворов Ма2СОз, Маг504, NаС1, а также разбавленных кислот НС1 и Н2&04. Продолжительность удаления горячекатанной окалины с полос малоуглеродистой стали толщиной 2,5...10 мм составляла 20...45 с при использовании в качестве электролита раствора кальцинированной соды.
Применение солей активных кислот позволяло снизить время обработки на 40… 60%. Эксперименты, проведенные с использованием слабых растворов соляной и серной кислоты, позволили значительно сократить время обработки. Так, окисная пленка толщиной 0,2...0,35 мм, образующаяся ни поверхности автолистовой стали при холодной прокатке, удалялась в тече ние 0,2...0,25 с. Окисная пленка толщиной 1,5...2,0 мкм, образовавшаяся при отжиге на поверхности нержавеющей стали, удалялась в течение 0,3...0,5 с, а окалина толщиной 10...18 мкм была удалена с поверхности толстых полос за 1,0...5,0 с.
Необходимо отметить, что катодная очистка поверхности от окислов по существу является электроэрозионной обработкой. Она может происходить только при возникновении импульсных электрических разрядов. Как отмечалось ранее, характер импульсных разрядов в режимах III и IV приблизительно одинаков. Отличие лишь в том, что в переходном режиме периодически осуществляется контакт электролит — металлический катод, что приводит к охлаждению последнего и не позволяет образовываться на поверхности стабильному парогазовому слою.
При обработке изделий, движущихся с достаточно большой скоростью, поверхность металла не сможет нагреться до значительной температуры даже при выходе на режим IV.
В качестве электролита использовался 10%-ный водный раствор сернокислого натрия при температуре 50...70°С. Опыты проводились при напряжении до 150 В. Оптимальным признано применение катодной поляризации, обеспечивающее надлежащее качество очистки за время обработки, равное 3 с.
Для интенсификации процесса очистки к раствору соды (9,5...11%) было предложено добавлять 1,3...1,5% фтористого натрия. Очистку проводили при напряжении свыше 170...180 В и плотности тока 0,9...1,1 А/см2.
Обработка, названная авторами электроразрядной, проводилась при напряжении 170...180 В и плотности тока 0,95...1,0 А/см2в электролите, содержащем 12...15% соды. Было найдено, что после 30 с обработки наблюдалось значительное изменение рельефа поверхности, характеризующееся сильной разрыхленностыо окисного слоя, вырывами, обнажающими участки металлической основы. При дальнейшей обработке (60 с) окалина сохранялась в-ввде отдельных островков. Увеличение времени обработки до 90 с и выше приводит к микрооплавлению основного металла. При этом возможно повторное окисление очищаемой поверхности.
Применение предварительного знакопеременного изгиба позволяло сократить время очистки с 60...90 до 20...25 с. Скорость очистки может быть увеличена при последующем использовании приводных металлических ще-ТОк[131].
Для очистки поверхности стальной проволоки и лент было предложено применить 10… .15%-ный раствор сульфата аммония. Процесс рекомендовано проводить при напряжении 100...150 В и плотности тока 2,5...3,4 А/см2.
Возможна также очистка фасонных поверхностей с применением специальных устройств для подачи электролита.
Весьма недостаточно исследована возможность применения анодного процесса для очистки поверхности. Возможно, это связано со вторичным ее окислением в результате выделения кислорода. Между тем, имеющиеся данные указывают, что при анодном процессе происходит активное растворение некоторых металлов. К ним относятся вольфрам, молибден, алюминий, титан. Хуже растворяются хром и некоторые стали. В ряде случаев максимальный эффект наблюдался в сравнительно узком интервал напряжений, где выход по току, определяемый условно по закону Фарадея,
превышал 100%. Авторы связывают это с протеканием интенсивных химических и электрохимических реакций в парогазовой оболочке в присутствии электрических разрядов, а также их непосредственным воздействием на поверхность анода, особенно в электрогидродинамическом режиме. Возможна эрозия поверхности и в режиме нагрева.
Таким образом, анодная обработка совмещает в себе электроэрозионное, кавитапионное и электрохимическое воздействия, и для некоторых металлов и сплавов ее применение может дать положительный эффект. По своему действию она является электроэрозионноэлектрохимической, которая находит широкое применение в машиностроении как один из видов размерной обработки.
4.
Результаты промышленных испытаний и внедрение способа электролитной очистки поверхности
Очистка поверхности металлов и сплавов в электролите при повышенных напряжениях, получившая ряд названий (электролитная, электролитно-кя-витационная, термоэлектроразрядная) прошла опытно-промышленные испытания.
Наиболее приемлемым сортаментом для ее использования являются проволока и прутки, имеющие круглое сечение. При их обработке отсутствует необходимость принятия специальных мер для защиты кромок, что иногда имеет место при обработке полос, особенно тонких. Кроме того, для них легче создать одно из необходимых условий для электролитной обработки: площадь вспомогательного электрода должна быть больше пло щади активного электрода (обрабатываемого участка поверхности).
Очистка поверхности сварочной проволоки диаметром до 8 мм проводилась на специализированной установке при напряжении 150...200 В и силе тока 100… 150 А. Максимальная скорость проволоки, обеспечивающая ее качественную очистку, достигала 50 м/мин, используемый электролит — раствор кальцинированной соды концентрацией 10...15%. В данной установке использовали катодный процесс. После обработки на поверхности образовывалась защитная пленка, содержащая натрий, что улучшало условия горения дуги при последующем использовании проволоки.
Аналогичные параметры использованы в установке, предназначенной для очистки проволоки от ржавчины и графито-мылъной смазки. Габариты установки были 2200 х 1700 х 1900 мм, применяемое напряжение 180 ± 20В,сила тока до 400 А, плотность тока 4,9...5,2 А/см2. В качестве электролита использовали водный раствор соды концентрацией 5 ± 1%.
На одной из промышленных установок осуществлялось травление проволоки диаметром 1...3 мм при напряжении до 130 В и плотности тока до 15 А/см2при скоростях 2,5...9,5 м/мин.Обработка полос малой ширины(от40 до 350 мм) проводилась с использованием узлов разной конструкции, в том числе с горизонтальным и вертикальным перемещением изделий.
Была выполнена опытно-промышленная проверка электролитной очи-, стки поверхности рулонной электротехнической стали промышленной ширины (до 800 мм). Обработку проводили в двух режимах: разрядном (при напряжении 200...240 В и силе тока в каждой из двух ванн 300...500 А), и в режиме активного электролиза (при напряжении 80… 100 В и силе тока 600...1000А).
Первый режим наиболее эффективен для очистки поверхности металла, прокатанного с использованием эмульсола. В то же время очистка поверхности с остатками индустриального масла в данном режиме нецелесообразна. Под воздействием электрических разрядов в этом случае происходило частичное выгорание летучих фракций с образованием твердых частиц, которые в дальнейшем коагулировали и служили источником вторичного загрязнения поверхности.
Одновременно с отработкой технологии была проведена оценка возможности применения в качестве источников питания тиристорных преобразователей АТ-1000/230-1 с номинальным выпрямленным напряжением 230 В и номинальным током 1000 А.
Необходимость проведения данной работы была вызвана тем, что в промышленных установках электролитной обработки, в том числе и нагрева, не было необходимости в использовании столь больших значений силы тока. Выбранные агрегаты являются регулируемыми преобразователями трехфазного переменного тока и предназначаются для питания якорных цепей электродвигателей постоянного тока.Ихприменение в электролитной очистке широкополосного проката было проведено впервые и требовало исследования возможности использованияихдля этих целей.
Определенные сложности возникли при переходе от электролизного режима к разрядному, ибо в переходном режиме наблюдались броски тока, иногда срабатывала токовая защита.
Одним из вариантов вывода процесса на разрядный режим без перегрузок по току является постепенное увеличение площади контакта электролита и полосы при полном напряжении на спреере. Постепенное увеличение уровня электролита приводит к локальному контакту электролита с полосой и возникновению разрядов на небольшой площади касания, при этом переходные процессы на малой площади не создают больших токов, предельных для преобразователей. Дальнейшее увеличение площади касания полосы с электролитом уже не ведет к срыву разрядов и переходу процесса в электролизный режим с большими токами.
С декабря 1985 г. на Ашинском металлургическом заводе впервые в стране внедрен и успешно эксплуатируется промышленный агрегат электролитной обработки полос, на котором была реализована рассматриваемая технология. На этом агрегате используется универсальная конструкция, обеспечивающая возможность двухсторонней очистки полос толщиной от нескольких десятков до нескольких сот микрон. Данная схема может быть применена и для обработки более толстых полос. Применение специальной конструкции позволило обеспечить равномерное распределение потока электролита, а также плотности тока по ширине полосы, что дает возможность проводить качественную очистку обеих поверхностей и избежать локального перегрева отдельных участков, в том числе и кромок,
Оптимальные параметры и расположение рабочего электрода по отношению к полосе дали возможность снизить падение напряжения в электро лите и увеличить выделение энергии в парогазовом слое около обрабатываемой поверхности. По результатам испытаний рекомендованы оптимальные режимы обработки, обеспечивающие количество остаточных загрязнений менее 20 мг/м, при этом время очистки сокращено до 0,1 с.
Электробезопасность работы агрегата обеспечивается конструкцией установки, заземлением полосы, системами ограждений и блокировок, установленных на агрегате.
На заводе фирмы «Ниппон кокан» одна из установок электролитической очистки переоборудована для работы в режиме высокой плотности тока (не менее 1 А/см ), при этом длительность очистки не превышает 0,1 с. Сведения о других технологических параметрах, напряжении, составе и температуре электролита, а также о применяемой конструкции, отсутствуют. В то же время приведенные выше данные весьма сходны с теми, которые применяются при электролитной очистке.
В целом можно отметить, что наиболее технологически отработанной и подготовленной к внедрению следует считать очистку поверхности полосы от технологических смазок, механических частиц и других загрязнений после холодной прокатки. Малая продолжительность обработки (0,1...0,2 с) дает возможность проводить качественную подготовку поверхности в узлах малой протяженности. Это позволяет вводить узлы очистки в состав действующих агрегатов при их реконструкции и увеличить их производительность в том случае, если лимитирующим параметром является скорость подготовки поверхности.
Как правило, агрегаты непрерывной обработки, на которые рулоны полосы поступают после холодной прокатки, имеют комплекс устройств, где осуществляется многоступенчатая очистка поверхности (химическое обезжиривание, щеточно-моечная обработка, низковольтная электрохимическая или ультразвуковая очистка). Узел электролитного обезжиривания
может быть установлен вместо любой ванны, где выполняются вышеуказанные операции, а освободившиеся площади можно использовать для установки дополнительного технологического оборудования, обеспечивающего повышение скорости последующей обработки.
Применение электролитной очистки поверхности полос после холодной прокатки может сократить количество углерода, перешедшего из прокатной смазки, оставшейся на по поверхности, в металл в процессе отжига.
Для электролитного обезжиривания применяются технологические растворы примерно такого же состава, как при химической и низковольтной электрохимической очистке (водные растворы кальцинированной соды с добавками тринатрийфосфата, а также слабые растворы щелочей).Это позволяет использовать существующие системы циркуляции при предварительном охлаждении электролита, который будет нагреваться при обработке. Обезжиривание проверено при скоростях перемещения полос до 120 м/мин, возможна обработка при больших скоростях.
Электролитная очистка поверхности металлов и сплавов от окислов испытана и может быть рекомендована к внедрению на агрегатах, где проводится обработка полос малой ширины, прутков, проволоки и т. д. Рекомендуемые скорости перемещения до 20...30 м/мин. В настоящее время технология не разработана настолько, чтобы ее можно было рекомендовать для использования в агрегатах, предназначенных для травления широких полос, перемещающихся с большими скоростями.
5.
Очистка поверхности сварочной проволоки в электролите
Особенности очистки сварочной (и любой другой) проволоки, связанные с протягиванием ее через рабочий узел, накладывают определенный отпечаток на ведение технологического процесса и конструкцию установки.
Сразу отметим, что варианты ванной обработки значительно уступают камерным (и даже спреерным) по эффективности и производительности. Это объясняется невозможностью обеспечения хорошей сменности электролита в прикатодной зоне и, как следствие, невозможностью поддержания прикатодной области в наиболее оптимальном состоянии. В отличие от химического травления об очистке ванным способом всей бухты проволоки одновременно (например, полным или частичным погружением) не может быть и речи из-за невозможности течения процесса в межвитковом пространстве и проблем, возникающих с ее хранением в неперемотанном виде.
Вышеизложенные соображения, существующий опыт и наши предварительные исследования привели к созданию промышленной установки «ЭП-10», устройство которой показано на рис. 3.3.
Установка представляет собой раму, на которой смонтированы разматывающее, направляющее и приемное устройства, бак с электролитом и
насосом для его подачи, рабочая камера. Отдельно расположен специализированный источник питания с блоком управления и контрольными приборами. Механическая часть оборудования выполнена на базе известных опробованных инженерных решений, которые в каждом конкретном случае, согласно требованиям заказчика, могут быть различными.
Рабочий узел установки (рис. 3.4а) представляет собой цилиндрическую конструкцию, состоящую из двух электрически не связанных друг с другом элементов: рабочей камеры 1 и «холодильника» 2. Положительный полюс источника питания подается только на первую камеру. Для удобства заправки проволоки в верхней части камер вблизи перегородки 3 и крышки 5 вырезаны прямоугольные окна, которые закрываются крышками или поворотными кольцами.
При работе установки электролит последовательно протекает через рабочую камеру и холодильник. Соотношение линейных размеров камер» , сечений патрубков и некоторых других элементов рассчитано и подобрано таким образом, чтобы электрический потенциал, попадающий во вторую камеру по электролиту, создавал на корпусе второй камеры, также являю- щейся анодом, определенное напряжение. В этом случае напряжение на 1 первой камере можно повысить и довести до такого значения, при котором 1 очистка в ней будет идти более эффективно, но с некоторым нагревом проволоки. Во второй камере при этом будет также идти процесс очистки, уже без нагрева проволоки, с ее охлаждением и защитой от вторичного окисления при контакте нагретой поверхности с окружающей средой.
Таким образом, автоматически поддерживаемое соотношение потенциалов на камерах позволяет интенсифицировать процесс очистки.
Опыт эксплуатации установок типа «ЭП-10» выявил определенные недостатки в конструкции ее отдельных узлов и в последующем некоторым изменениям помимо механики подвергся и узел очистки.
В первом варианте (рис. 3.4а) электролит в рабочую камеру подавался через три патрубка, расположенных в одной плоскости и смещенных относительно друг друга на 120 градусов, а выводился через патрубок большего диаметра, вваренный вертикально в верхней ее части. В холодильник электролит подавался через два патрубка, расположенных на образующей цилиндра-корпуса снизу, а сливался через два аналогичных смещенных относительно осей нижних патрубка в верхней части. Часто в холодильнике задействовалось два патрубка (один на вход, другой на выход), чтобы обеспечить встречное по отношению к перемещению проволоки движение электролита.
В модернизированном узле очистки (рис. 3.46) подача электролита осуществляется через специальные пластмассовые распылители — улитки. В рабочей камере и холодильнике расположено по два распылителя таким образом, что вытекающий из них электролит омывает изнутри только стенки
камер,а наобрабатываемую проволоку отдельные струи не попадают. Положительную роль в этом случае играет также взаимодействие двух потоков, закрученных распылителями в противоположные стороны. Необходимо отметить, что преимущества модернизированного узла очистки реализуются только при полном и постоянном заполнении электролитом камер и достаточной его сменности, что и происходит при работе установки.
Для небольших предприятий и производств, использующих полуавтоматическую сварку эпизодически или с перерывами в технологическом цикле разработано устройство электролитной очистки сварочной проволоки, встраиваемое непосредственно в полуавтомат без ограничения его типа и модели и с минимальной его переделкой.
Устройство состоит из узла очистки, расположенного между подающим механизмом и устройством для размотки бухты проволоки, и специализированного источника питания с пультом управления.
Основные технические характеристики устройства:
Напряжение питания, В 380
Рабочее напряжение на камере, В 80-200 Максимальный рабочий ток. А 100 Скорость протяжки, м/ч до 500 Продолжительность включения, % 40-80* Вес, кг 50-100*
ФОРМИРОВАНИЕ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ
1.
Нанесение покрытий при катодной обработке
Наличие электрических разрядов между обрабатываемой поверхностью и электролитом способствует переходу элементов электролита в парогазовую оболочку, где они находятся в химически активном состоянии. При этом ионы металлов и других легирующих элементов, таких как бор, углерод, азот, устремляются к катоду. В результате обрабатываемая поверхность обогащается этими элементами. При этом на поверхности могут произойти химические реакции, в результате которых либо образуется окисная плёнка, либо нарастает поверхностный слой. Последнее ускоряется за счёт микрокапель электролита, движущихся через парогазовый слой к поверхности металла. Одновременно происходит эрозия поверхности. В итоге состояние поверхности определяется как результат взаимодействия противоположно
действующих факторов.
В одной из первых работ по применению катодного процесса для нанесения покрытий на сталь использовался сам факт нагрева поверхности катода в электролите. Предназначенные для нанесения на поверхность наплавочные порошки сормайта и сталинита (смеси карбидообразующих элементов с углеродом) вначале были закреплены на поверхности с использованием жидкого стекла. После сушки и прокалки при 400 °С стержневые образцы диаметром 5...10 мм нагревали в водном электролите, содержащем 10 % КазСОз, при напряжении 200...250 В и плотности тока 5...65 А/см2. В опытах получены наплавленные слои толщиной от десятков до сотен микрометров с микротвёрдостью 8...9 ГПа. Поскольку перегрев выше температуры плавления сплава был небольшим, основной металл плавился
незначительно, поэтому даже тонкие слои сплава не перемешивались г металлом основы.
Обработка по биполярной схеме в 3...7%-ном растворе щавелевойкислотыбыла применена для получения на поверхности проволоки гидрокса латов железа т • Рег(С204) • пРе(ОН)з, отлагающихся в виде кристаллического осадка.Эти соединения, используемые в качестве подсмазочного слоя, облегчают процесс волочения проволоки. В данном процессе использовался как сам электролит (щавелевая кислота), так и ионы железа, поступающие в электролит с обрабатываемой поверхности в анодных ячейках.
Катодный нагрев был использован для получения боросодержащих композиционных электрохимических покрытий (КЭП). Сущность предложенного в данной работе метода состоит в совместном осаждении электролитического никеля с дисперсными частицами аморфного бора или карбида бора и последующей термической обработке в электролитной плазме. Толщина полученных покрытий составляла 0,3.-.0,4 мм, содержание частиц в покрытиях было 4,6 масс. % бора и 5,9...7,2 масс. % В4С. Диффузионный отжиг покрытий осуществляли в 15%-ном растворе Nа2СОз при выдержках от 1 до 300 с, скорость нагрева составляла 50 и 500 «С/С. Температура нагрева регулировалась в пределах 500...880 °С.
Рентгеноструктурный анализ покрытит гоказал, что при всех изученных режимах термической обработки покрытий обоих типов основной упрочняющей фазой был борид никеля№.4Вфазы №3В при различных режимах свидетельствовало о заметном у.
Исследование кинетики образования скорении этого процесса по сравнению с нагревом в печи. Было установлено, что объёмная доля и температура начала образования боридов и их распределение в объёме покрытия зависит от природы наполнителя. Отмечено также образование пор размером 0,5… 9мкмпри плазменной (электролитной) обработке покрытий никель-бор, в то время как покрытия №-В4С пор не содержали.
Анализ исследования тонкой структуры покрытий показал, что в интервале температур формирования боридов (400...900 °С) наблюдалась высокая плотность дислокации (10 ...10 см'2), причём в покрытии с карбидом бора она была почти на порядок ниже, чем в покрытии с частицами аморфного бора. В работе проведено сравнение триботехнических свойств покрытий, прошедших обычный (печной) отжиг и электролитный нагрев. Линейный износ покрытий после электролитного нагрева был значительно ниже, коэффициент трения изменялся несущественно. Авторы связывают это с более высоким содержанием боридной фазы в приповерхностных слоях (в покрытии №-В) и с более равномерным распределением боридной фазы (в покрытии №-В4С).
Мало исследована обработка в переходном режиме катодного процесса. Между тем его использование для этих целей представляет значительный интерес. Наличие в данном режиме импульсных электрических разрядов позволяет проводить очистку поверхности, в том числе и от оксидов. продолжение
--PAGE_BREAK--