Реферат: Электролитная обработка полосы

                    Липецкийгосударственный технический университет

                     Кафедраобработки металла давлением

ДОКЛАД

на тему

«ЭЛЕКТРОЛИТНАЯ ОБРАБОТКА ПОЛОСЫ»

Выполнил:студент                                                                          ЛепекинН.В.

Группы ОД-01-1

Проверил:                                                                                         Пешкова

                                                                       Липецк 2002

1.Возможности ЭО

2.Видызагрязнений поверхности и существующие способы очистки

3.Электролитная очистка поверхности металлов

4.Очисткаповерхности металлов и сплавов от окислов

5.Результаты промышленных испытаний

6.Очистка поверхности сварочной проволоки в электролите

7.Нанесение покрытий при катодной обработке

8.Образование покрытий на поверхности активного анода

ВОЗМОЖНОСТИЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПРОКАТНОГО, ВОЛОЧИЛЬНОГО И ТРУБНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

Многофункциональнаяэлектролитная обработка (ЭО) основана на протекании и комплексном воздействиина поверхность   и   саму   заготовку   электрохимических, диффузионных итермохимических процессов. ЭО производится, как правило, в водных растворахэлектролитов солей, слабощелочных и слабокислотных растворах с различнымифункциональными добавками и заключается в формировании электрических  разрядов   между   анодом   и   катодом (обрабатываемая деталь) через слойэлектролита и газо-паровую подушху, окружающую заготовку, в условиях наложенияна электроды повышенного напряжения постоянного тока (от 150 В). Состав рабочейсреды, электрические, гидродинамические и тепловые режимы, конструкция узла ЭОопределяют цель и технологическое назначение процесса. Ниже приводятсярезультаты промышленного применения и экспериментальных разработок возможностейпроцесса.

ОЧИСТКАПОЛОСЫ ОБЕСПЕЧИВАЕТ:

чистотуповерхности полосы до 0,00-0,05 г/м2 (в зависимости от степени очисткиэлектролита); устраняет      необходимость      применения стандартных  способов  очистки  -  химического,механического, электролитического (до 40В) и одного узла промывкиполосы; позволяет вести поверхностное легирование стали, в частности, дляэлектротехнической- силицирование и обезуглероживание, а также возможностьуправлять доменной структурой металла; увеличить  сцепление  покрытий различного назначения с поверхностью полосы за счет увеличения ее площади иизменения геометрии микроразрядами; значительно повысить коррозионную стойкостьполосы.

Размеры установки ЭОдля электротехнической стали шириной 1000 мм. при скорости 2 м/сек — 2х2 х2 м.Результаты получены   при   производстве   десятков   тысяч   тоннэлектротехнической стали на НЛМК и ММК. Новизна разработок подтверждена 6-юизобретениями.

НАСЕЧКА ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВОБЕСПЕЧИВАЕТ:

повышениеизносостойкости валков в 2-3 раза;

шероховатость- от 0,4 до 10 мкм;

изотропностьвыступов вдоль и поперек прокатки -0,8-1,0;

числовыступовва базовой длине — регулируемое 50-250 шт/см;

устранениевозникновения дефекта «навара» полосы на валок при обрыве в непрерывных станах;

повышениеповерхностной твердости валка;

вдвоеснизить свариваемость металла в рулонах при высокотемпературном отжиге вколпаковых печах за счет «развитой» поверхности полосы;

определять  визуально   дефекты   валка, допущенные при изготовлении и при пере шлифовках;

стоимостьустановки электролитной насечки валков в 30-50 раза ниже зарубежных аналогов  (лазерный, разрядный).

Разработки защищены нами патентамиРоссии, а также запатентованы Америкой, Англией, Германией. Прокатано на валкахс электролитной насечкой 1000 тонн электротехнической стали и автолиста наНЛМК, ММК, Череповецкомметкомбинате,   Ашинском   метзаводе   и   Запорожском

меткомбинате.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХТРУБ С ПОКРЫТИЕМ.

Сущность способа одной операции ЭОповерхности изделия в растворе определенного состава и заданных режимах.

Наиболее близким по технологииявляется способ изготовления газонефтепроводных труб (Н.В. Курганов «СТАЛЬ», № 10,1999 г., с.55-58), включающий термическое обезжиривание, дробеметную обработкуи кислотную очистку с последующим нагревом в печи, последовательным нанесениемзащитных слоев из эпоксидного праймера, адгезива я полиэтилена, охлаждение,проверку сплошности, отделку и контроль качества покрытия. Основной недостатокспособа в том, что подготовка поверхности перед нанесением покрытия включаеттри сложные, продолжительные, самостоятельные технологические операции,направленные на улучшение качества соединения покрытия с металлом трубы. Приэтом коррозионная стойкость в большей степени определяется защитными покрытиямии качеством его нанесения.

Процесс ЭО позволяет совместить водной операции все выше названное. Электротехническая сталь, очень склонная ккоррозии, даже в течение дня, после года хранения в условиях «снег- дождь-тепло- дождь» осталась без следов коррозии. Валки прокатных станов послеэлектролитной насечки не ржавеют в аналогичных условиях в сравнении с валкамипосле дробеметной обработки.

Большие возможности процессаЭО представляются втехнологии    волочильного    производства.    Обработка высоколегированнойпроволоки на опытно- промышленной установке позволила совместить в однойтехнологической операции   очистку   поверхности,   высокотемпературнуюобработку и нанесение защитно — смазочного подслоя из состава электролита принеобходимости дальнейшего волочения. Размеры электролитного узла- 400 мм,скорость проволоки до 2 м/сек.

ОЧИСТКАПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В ЭЛЕКТРОЛИТЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОВЫШЕННЫХНАПРЯЖЕНИЙ

1. Видызагрязнений поверхности и существующие способы очистки

Состояние поверхности металлов и сплавовоказывает большое влияние на эксплуатационные качества готовых изделий. Важнуюроль играет под готовка поверхности на промежуточных операциях, посколькувносимые при их проведении загрязнения могут дать дефекты, исправление которыхна дальнейших стадиях изготовления продукции весьма затруднительно.

Встречающиесяна поверхности стальных изделий загрязненияможно разбитьна три основные группы:

1) твердыеокисные и солевые образования (окалина, ржавчина, про­дукты травления и т. д.),

2) масляные,жировые и эмульсионные пленки, наносимые специально при прокатке и штамповке вкачестве смазки,

3) твердыеи жидкие загрязнения случайного характера (пыль, металли­ческие частицы и т.д.).

Загрязнения первой группы почтинерастворимы в воде, щелочных и органических растворителях, но хорошорастворяются в кислотах. Мине­ральные масла растворяются в органическихрастворителях (бензине, бен­золе, эфире и т. д.). В щелочной среде онидиспергируются и образуют

эмульсии, отделяющиеся отповерхности металла: Животные и раститель­ные масла сравнительно легкоомыляются щелочами, растворяются в орга­нических растворителях и образуютводорастворимые соединения с некото­рыми кислотами.

Продукты взаимодействия животных ирастительных жиров с применя­емыми для очистки растворами также могут бытьэмульгированы. Частьизнихрастворима в воде, часть реагирует со щелочами с образованием водорастворимыхсоединений.

Масла и жиры при нагреве вокислительной среде сгорают, а в восста­новительной и нейтральной — разлагаются, перегоняются и испаряются.

При определенных условиях наповерхности металла может остаться твердый остаток, удаление которого весьмазатруднительно.

Загрязнения третьей группыобычно удаляются техническими способами (щетками, сильной струёй воды,действием ультразвуковых колебаний).

Существенную роль в процессахочистки играет состав стали и состояние ее поверхности. Содержащиеся в сталилегирующие элементы и примеси сильно влияют на состав и структуру окисныхпленок, образующихсянаповерхности.

Разнообразная природа загрязненийповерхности приводит к необходи­мости выполнять различные операции очистки вопределенной последова­тельности. При этом за каждой химической операциейдолжна следовать соответствующая промывкаповерхности.                            :

При химическом обезжириванииочищающая жидкость должна хорошо смачивать поверхность металла. Только в этомслучае можно достичь такого контакта, при котором может произойти либорастворение загрязнения, либо его отрыв от поверхности. Это происходит в томслучае, если коэффи­циент поверхностного натяжения (или поверхностная энергия)на границе металл — газ превышает сумму соответствующих аналогичных характери­стикна границах металл — жидкость и жидкость — газ. При большой величинеповерхностной энергии границы металл — жидкость наблюдается явление полногонесмачивания. Промежуточное состояние характеризуется определенной величинойкраевого угла смачивания (угла между поверхно­стью металла и касательной кповерхности жидкость — газ в точке сопри­косновения трех сред).

Жидкое загрязнение удаляется споверхности при помощи нерастворя­ющейся жидкости в том случае, если онаспособна образовывать на границе с металлом краевой угол, меньше краевого угла,образуемого жидким

загрязнением»При этом очищающая жидкость должна прника-пь через

тонкуюпленку жидкого загрязнения непосредственно к поверхности металла.

Вытеснение пленки очищающейжидкостью почти всегда сопровожда­ется химическим взаимодействием ихкомпонентов. Последнее играет ре­шающую роль при растворении загрязненийорганическими растворителя­ми. Интенсификация этих процессов достигаетсяприменением поверхно­стно-активных веществ (ПАВ), которые помогают отделитьчастицы загряз­нения от поверхности металла с образованием эмульсии иудерживают в ней частицы, не давая им возможности повторно осесть. Дляинтенсификации процессов при химическом обезжиривании часто применяютультразвук.

Электрохимическое обезжиривание вщелочных растворах протекает быстрее, чем химическое. В качестве электролитовиспользуются растворы тех же веществ (МаОН, КОН, МазР04, Nа2СОз, Ма2&Юз),что и при химическом обезжиривании. Механизм процесса электрохимического обез­жириваниясводится, в основном, к эмульгированию жиров пузырьками водорода (на катоде)или кислорода (на аноде).

При погружении загрязненного металлав щелочной раствор наблюдает­ся разрыв масляной пленки и собирание ее в капли.При поляризации металла прилипание масляной пленки к металлической поверхностиумепь шается. Газовые пузырьки, отрываясь от электрода около капли масла,задерживаются на ней. По мере увеличения их размеров масляные капливытягиваются, силы сцепления их с поверхностью металла уменьшаются, и ониотрываются от поверхности.

При использовании постоянного токана катоде выделяется в два рааа больше газа, чем на аноде. Поэтому катодноеобезжиривание является болей эффективным. При одинаковом количествевыделяющегося газа более эффективным является обезжиривание выделяющимсякислородом.Этоможетбыть объяснено частичным гидрированием смазки (взаимодействием с водородом) собразованием более вязких продуктов, которые труднее удаляются с поверхности.

Обычно применяемая плотность тока встационарных ваннах не превы шает 0,03...0,1 А/см2, при обезжиривании быстроперемещающихся полос и проволоки плотность тока увеличивают до 0,25...0,50 А/см.

Наиболее простым способом удаления споверхности всех органических веществ является обезжиривающий отжиг. Дляпредотвращения образова­ния на поверхности слоя окислов его обычно проводят взащитной атмос­фере. Это усложняет конструкцию соответствующих агрегатов иповышает стоимость данной технологической операции. Поэтому его применяют в техслучаях, когда наряду с обезжириванием требуется термическая обработка. Полногоиспарения масел и жиров с поверхности обычно не происходит.

При нагреве в воздушной атмосфереэто связывают с окислением ком­понентов смазочных материалов. При недостаткекислорода вместо полного сгорания смазки может происходить процесс сухойперегонки, сопровож­дающийся образованием твердого углеродистого остатка.

Удаление с поверхности окисловобычно проводят с использованием химического и электрохимического травления.При химическом травлении на поверхности протекают сложные физико-химическиепроцессы: смачи­вание окалины растворами кислот, проникновение их в поры,сопровожда­ющееся началом химического взаимодействия. Этому моменту соответству­етнаибольшая скорость процесса. При насыщении раствора продуктами взаимодействиянаблюдается спад скорости растворения окислов.

Применение электрохимическоготравления позволяет интенсифициро­вать процесс удаления окислов. В качествеэлектролитов используют рас­творы кислот, щелочей, солей, а также их смеси.Стальные изделия могут быть как катодом, так и анодом.

При катодном травлении в растворахкислот выделяется водород, кото­рый имеет большую восстановительную способностьи может восстанавли­вать высшие окислы металлов до низших, растворимых вкислоте. Кроме того, выделение водорода способствует разрыхлению и отрывуокалины.

При анодном травлении удалениеокислов сопровождается образованием пассивной пленки, препятствующейрастворению основного металла.

Для очистки поверхности от окисловприменяются и другие методы; в частности механические: обработка металлическимищетками, абразивами, дробеструйная и пескоструйная очистка.

2. Электролитнаяочистка поверхности металлов от масляных и жировых загрязнений

Специфика процессов околоактивного электрода обуславливает комп­лексное воздействие, которое может бытьиспользовано для обезжиривания поверхности. При этом будет действоватьэлектрохимический механизм удаления загрязнений, связанный с выделениемводорода на катоде и кислорода на аноде. Интенсивность этого процесса будетнамного больше, поскольку величина плотности тока будет значительно превышатьту, кото­рая достигается при низких напряжениях. Вскипание электролита у катодаспособствует размягчению загрязнений и ослаблению их сцепления с по­верхностьюметалла. Кавитационные и электроэрозионные процессы вбли­зи обрабатываемойповерхности тоже ускоряют процесс обезжиривания.

химическим процессом — восстановлением высших окислов железа в ни­зшие атомарным водородом. Для этогобыло предложено использовать как постоянный, так и переменный ток напряжениемне менее 100 В при плотности тока 5...10 А/см. Предполагалась струйная подачаэлектролита на обрабатываемое изделие. Обезжиривание при аналогичных режимахпредложено проводить в: напряжение 90...180 В, плотность тока 8… 10 А/см2.

Проверка данного метода проведенадля лент шириной 40 мм с использованием струйной (спреерной) подачи электролита(8...12%-ный раствор Nа2СОз) и шириной 250 мм методом опускания полосы в ванныс использованием частично погруженного в электролит ролика. Оптимальной вданных работах признана температура электролита 40...50С, а концентрация Ка2СОз- выше 7%. Рекомендуемое напряжение зависит от скорости движения полосы:90...120 В при скорости 0,5 м/с и 140...190 В при скорости 2 м/с и более.Оптимальные режимы позволили добиться удаления 98% загрязнений.

Электролитная обработкаспособствовала повышению пластичности, выразившейся в снижении давления навалки при прокатке полос и умень­шении содержания в стали углерода и азота.Последнее объясняется воздей­ствием на цементит и карбонитриды железа, которыеимеются в стали В виде включений. Замечено сглаживание микрорельефаповерхности, дости­гаемое за счет действия импульсных разрядов.

Былообнаружено проникновение смазки при прокатке на глубину 10...13 мкм взависимости от степени деформации. На поверх ности углерод распределялся в видекрупных сегрегации площадью до 1 мм, Химическое обезжиривание, осуществляемоепротиркой образцов бензином и ацетоном, не позволяло удалить загрязнения,проникшие по порам и трещинам в глубь металла. Последующая обработка вэлектролите при напряжениях 100...170 В позволила уменьшить площадь сегрегациив десят­ки раз и достичь количества остаточных загрязнений 0,14...0,23 мг/м2.

Дляобезжиривания полосы концентрацию кальцинированной соды сле­дует принимать невыше 7%, так как при более высокой концентрации затрудняется промывка полосы.Добавка до 2% фосфатов или до 0,6% поверхностно-активных веществ благоприятновлияет на процесс очистки и облегчает смыв с поверхности полосы остатковэлектролита. Добавка их в большем количестве приводит к усиленномупенообразованию и вторич­ному загрязнению поверхности при выходе из ванны.

Оптимальнымпризнано рабочее напряжение 70… 120В, что обеспечивает качественную очистку (удаление97...98% загрязнений) при исходной загряз­ненности полосы 1,081...1,176 г/м .

Следуетотметить, что указанные в данной работе значения поверхност­ной мощности(1,5...3,5) • 10 кВт/м представляются завышенными, так как получены с учетомпредположения, что основное падение напряжения (до 70...80%) происходит вприкатодном слое.

Следуетотметить, что при напряжениях, соответствующих переходуотрежимаII к режимуIII, качество очистки ухудшается, что связано снестабильностью процессов в этих условиях (рис. 3.1).

Позднееаналогичные исследования были проведены в Славянском филиале ВНИИМЕТМАШ.

В качествеэлектролита применяли водные растворы кальцинированной соды с концентрацией8.-.12% или сульфата натрия (концентрация 15...20%) Применение некоторых нейтральныхэлектролитов, в частности суль­фатов, хлоридов, нитратов позволяетинтенсифицировать процессы очистки поверхности. Однако эксплуатация такихэлектролитов связана с дополнительными трудностями: элементы циркуляционнойсистемы долж­ны быть выполнены из коррозионностойких материалов. Кроме того, взоне обработки в этом случае наблюдается выделение токсичных газов, чтопредъявляет повышенные требования к вентиляции и технике безопасности.

Представляетинтерес исследование зависимости удельных энергозатрат от плотности тока приочистке поверхности полосового проката. По результатам экспериментов,представленных на рис. 3.2, были сделаны следующие выводы:

1. Энергетическиезатраты наочистку минимальны при плотности тока 1 А/см2.

2. Очисткатолькоприанодной поляризации требует энергии на порядокбольше,чем прикатодной.

По технологическим возможностям было предложеновыделить пятьзон,

Область А характеризуется высокойинтенсивностью удаления загрязне­ния, в том числе и окислов, но энергозатратыпри этом значительны.

Область Б-с поверхности прокатаудаляются смазка и сажистые загрязнения, при этом отпадает необходимость вщеточно-моечных машинах (ЩММ).

Область В характеризуетсяминимальными энергетическими затратами, применение ЩММ зависит от требований к качествуочистки.

В области Г обязательно применениеЩММ, энергетические затраты относительно невысокие.

ОбластьД не эффективна с точки зрения энергетических затрат.

Обработка при малых напряжениях инизких плотностях тока обычно применяется как финишная операция послепроведения предварительной очистки другими способами.

При электролитной очисткеповерхности загрязнения переходят в элей-тролит. В процессе эксплуатацииэлектролит также загрязняется за счет постепенного растворения анода.

 Результаты спектраль­ного анализа,проведенного в инфракрасной области, свидетельствовали о том, что в процессеэлектролитной очистки происходит разложение эфиров и карбоновых кислот,входящих в состав эмульсола. Дифференциальный термический анализ неорганическихзагрязнений показал наличие двух эндотермических эффектов при 110 «С и 400»С, обусловленных потерей сорбционной и кристаллизационной воды, ибольшого экзотермического эффекта с максимумом при 275 «С. Такие эффектыхарактерны для гелеоб-разных окислов РегОз • пН20. Данные рентгенофазногоанализа показали, что основными составляющими неорганических загрязненийявляются Ре(ОН)з и у-РезОз • НзО. При спектральном анализе обнаружены примеси81, Са и др. После прокаливания на воздухе при температуре 1000 „С в составезагрязнений были обнаружены 5102 (а-тридимит), окислы РеО, Ре20з, Рез04, 4Са •ЗРе20з • Рез04.

Таким образом, в состав загрязненийвходят: технологические масла и продукты их превращения (эфиры, спирты,альдегиды и кетоны), гидраты окислов железа, кремния и кальция, соли веществ,входящих в состав электролита, а также частицы металла, являющиеся продуктамиизноси полосы и оборудования при прокатке.

3 Очисткаповерхности металлов и сплавов от окислов

Возможность очистки поверхностиот окислов предусматривалась • одной из первых работ по применению данногоспособа поверхностной обработки. Результаты экспериментальной проверки,проведенной в работе для полосового проката, показали, что обработку можновести в растворах Nа2СОз, МаС1, К.2СОз с концентрацией 5...10% при напряжениях160… 220 В.

Аналогичные исследования былипроведены с использованием одномо­лярных растворов Ма2СОз, Маг504, NаС1, атакже разбавленных кислот НС1 и Н2&04. Продолжительность удалениягорячекатанной окали­ны с полос малоуглеродистой стали толщиной 2,5...10 ммсоставляла 20...45 с при использовании в качестве электролита растворакальцинированной соды.

Применение солей активных кислотпозволяло снизить время обработки на 40… 60%. Эксперименты, проведенные сиспользованием слабых раство­ров соляной и серной кислоты, позволилизначительно сократить время обработки. Так, окисная пленка толщиной 0,2...0,35мм, 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 течение0,3...0,5 с, а окалина толщиной 10...18 мкм была удалена с поверхности толстыхполос за 1,0...5,0 с.

Необходимо отметить, что катоднаяочистка поверхности от окислов по существу является электроэрозионнойобработкой. Она может происходить только при возникновении импульсныхэлектрических разрядов. Как отмечалось ранее, характер импульсных разрядов врежимах III и IV приблизительно одинаков. Отличие лишь в том, что в переходномрежиме периодически осуществля­ется контакт электролит — металлический катод,что приводит к охлажде­нию последнего и не позволяет образовываться наповерхности стабильному парогазовому слою.

Приобработке изделий, движущихся с достаточно большой скоростью, поверхностьметалла не сможет нагреться до значительной температуры даже при выходе нарежим IV.

В качествеэлектролита использовался 10%-ный водный раствор сернокислого натрия притемпературе 50...70°С. Опыты проводи­лись при напряжении до 150 В. Оптимальнымпризнано применение катодной поляризации, обеспечивающее надлежащее качествоочистки за время обработки, равное 3 с.

Дляинтенсификации процесса очистки к раствору соды (9,5...11%) было предложенодобавлять 1,3...1,5% фтористого натрия. Очистку прово­дили при напряжении свыше170...180 В и плотности тока 0,9...1,1 А/см2.

Обра­ботка,названная авторами электроразрядной, проводилась при напряжении 170...180 В иплотности тока 0,95...1,0 А/см2 в электролите, содержащем 12...15% соды. Былонайдено, что после 30 с обработки наблюдалось значительное изменение рельефаповерхности, характеризующееся сильной разрыхленностыо окисного слоя, вырывами,обнажающими участки метал­лической основы. При дальнейшей обработке (60 с)окалина сохранялась в-ввде отдельных островков. Увеличение времени обработки до90 с и выше приводит к микрооплавлению основного металла. При этом возможноповторное окисление очищаемой поверхности.

Применениепредварительного знакопеременного изгиба позволяло со­кратить время очистки с 60...90до 20...25 с. Скорость очистки может быть увеличена при последующемиспользовании приводных металлических ще-ТОк[131].

Для очисткиповерхности стальной проволоки и лент было предложено применить 10… .15%-ныйраствор сульфата аммония. Процесс рекомен­довано проводить при напряжении100...150 В и плотности тока 2,5...3,4 А/см2.

Возможнатакже очистка фасонных поверхностей с применением специ­альных устройств дляподачи электролита.

Весьманедостаточно исследована возможность применения анодного процесса для очисткиповерхности. Возможно, это связано со вторичным ее окислением в результатевыделения кислорода. Между тем, имеющиеся данные указывают, что при анодномпроцессе происходит активное растворение некоторых металлов. К ним относятсявольфрам, молибден, алюминий, титан. Хуже растворяются хром и некоторые стали.В ряде случаев максимальный эффект наблюдался в сравнительно узком интервалнапряжений, где выход по току, определяемый условно по закону Фарадея,

превышал 100%. Авторы связывают этос протеканием интенсивных химических и электрохимических реакций в парогазовойоболочке в присутствии электрических разрядов, а также их непосредственнымвоздействием на поверхность анода, особенно в электрогидродинамическом режиме.Воз­можна эрозия поверхности и в режиме нагрева.

Таким образом, анодная обработкасовмещает в себе электроэрозионное, кавитапионное и электрохимическоевоздействия, и для некоторых металлов и сплавов ее применение может датьположительный эффект. По своему действию она является электроэрозионноэлектрохимической,которая на­ходит широкое применение в машиностроении как один из видовразмерной обработки.

4. Результатыпромышленных испытаний и внедрение способа электролитной очистки поверхности

Очистка поверхности металлов исплавов в электролите при повышенных напряжениях, получившая ряд названий(электролитная, электролитно-кя-витационная, термоэлектроразрядная) прошлаопытно-промышленные ис­пытания.

Наиболее приемлемым сортаментом дляее использования являются проволока и прутки, имеющие круглое сечение. При ихобработке отсутствует необходимость принятия специальных мер для защиты кромок,что иногда имеет место при обработке полос, особенно тонких. Кроме того, дляних легче создать одно из необходимых условий для электролитной обработки:площадь вспомогательного электрода должна быть больше пло щади активногоэлектрода (обрабатываемого участка поверхности).

Очистка поверхности сварочнойпроволоки диаметром до 8 мм проводилась на специализированной установке принапряжении 150...200 В и силе тока 100… 150 А. Максимальная скоростьпроволоки, обеспечивающая ее качественную очистку, достигала 50 м/мин,используемый электролит — раствор кальцинированной соды концентрацией10...15%. В данной уста­новке использовали катодный процесс. После обработки наповерхности образовывалась защитная пленка, содержащая натрий, что улучшалоусло­вия горения дуги при последующем использовании проволоки.

Аналогичные параметры использованы вустановке, предназначенной для очистки проволоки от ржавчины и графито-мылънойсмазки. Габариты установки были 2200 х 1700 х 1900 мм, применяемое напряжение180 ± 20В, сила тока до 400 А,плотность тока 4,9...5,2 А/см2.Вкачестве электролита использовали водный раствор соды концентрацией 5 ± 1%.

На одной из промышленных установокосуществлялось травление про­волоки диаметром 1...3 мм при напряжении до 130 Ви плотности тока до 15 А/см2 прискоростях 2,5...9,5 м/мин.Обработка полос малой ширины(от 40 до 350 мм) проводилась сиспользованием узлов разной конструкции, в том числе с горизонтальным ивертикальным перемещением изделий.

Была выполнена опытно-промышленнаяпроверка электролитной очи-, стки поверхности рулонной электротехнической сталипромышленной 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 врежиме активного электролиза (при напряжении 80… 100 В и силе тока 600...1000А).

Первый режим наиболее эффективен дляочистки поверхности металла, прокатанного с использованием эмульсола. В то жевремя очистка поверх­ности с остатками индустриального масла в данном режименецелесообраз­на. Под воздействием электрических разрядов в этом случаепроисходило частичное выгорание летучих фракций с образованием твердых частиц,которые в дальнейшем коагулировали и служили источником вторичного загрязненияповерхности.

Одновременно с отработкой технологиибыла проведена оценка возмож­ности применения в качестве источников питаниятиристорных преобразо­вателей АТ-1000/230-1 с номинальным выпрямленнымнапряжением 230 В и номинальным током 1000 А.

 Необходимость проведения даннойработы была вызвана тем, что в промышленных установках электролитной обработки,в том числе и нагрева, не было необходимости в использовании столь большихзначений силы тока. Выбранные агрегаты являются регули­руемымипреобразователями трехфазного переменного тока и предназнача­ются для питанияякорных цепей электродвигателей постоянного тока.Ихприменениев электролитной очистке широкополосного проката было про­ведено впервые итребовало исследования возможности использованияихдляэтих целей.

Определенные сложности возникли припереходе от электролизного режима к разрядному, ибо в переходном режименаблюдались броски тока, иногда срабатывала токовая защита.

Одним из вариантов вывода процессана разрядный режим без перегру­зок по току является постепенное увеличениеплощади контакта электро­лита и полосы при полном напряжении на спреере.Постепенное увеличение уровня электролита приводит к локальному контактуэлектролита с полосой и возникновению разрядов на небольшой площади касания,при этом переходные процессы на малой площади не создают больших токов, пре­дельныхдля преобразователей. Дальнейшее увеличение площади касания полосы сэлектролитом уже не ведет к срыву разрядов и переходу процесса в электролизныйрежим с большими токами.

С декабря 1985 г. на Ашинскомметаллургическом заводе впервые в стране внедрен и успешно эксплуатируетсяпромышленный агрегат элект­ролитной обработки полос, на котором былареализована рассматриваемая технология. На этом агрегате используетсяуниверсальная конструкция, обеспечивающая возможность двухсторонней очисткиполос толщиной от нескольких десятков до нескольких сот микрон. Данная схемаможет быть применена и для обработки более толстых полос. Применениеспециальной конструкции позволило обеспечить равномерное распределение потокаэлектролита, а также плотности тока по ширине полосы, что дает возможностьпроводить качественную очистку обеих поверхностей и избежать локальногоперегрева отдельных участков, в том числе и кромок,

Оптимальные параметры и расположениерабочего электрода по отно­шению к полосе дали возможность снизить падениенапряжения в электро лите и увеличить выделение энергии в парогазовом слоеоколо обрабатыва­емой поверхности. По результатам испытаний рекомендованыоптимальные режимы обработки, обеспечивающие количество остаточных загрязненийменее 20 мг/м, при этом время очистки сокращено до 0,1 с.

Электробезопасность работы агрегатаобеспечивается конструкцией ус­тановки, заземлением полосы, системамиограждений и блокировок, уста­новленных на агрегате.

На заводе фирмы “Ниппонкокан» одна из установок электролитической очистки переоборудована дляработы в режиме высокой плотности тока (не менее 1 А/см ), при этомдлительность очистки не превышает 0,1 с. Сведения о других технологическихпараметрах, напряжении, составе и температуре электролита, а также о применяемойконструкции, отсутствуют. В то же время приведенные выше данные весьма сходны стеми, которые применяются при электролитной очистке.

В целом можно отметить, что наиболеетехнологически отработанной и подготовленной к внедрению следует считатьочистку поверхности полосы от технологических смазок, механических частиц идругих загрязнений после холодной прокатки. Малая продолжительность обработки(0,1...0,2 с) дает возможность проводить качественную подготовку поверхности вузлах малой протяженности. Это позволяет вводить узлы очистки в состав дейст­вующихагрегатов при их реконструкции и увеличить их производительность в том случае,если лимитирующим параметром является скорость подготов­ки поверхности.

Как правило, агрегаты непрерывнойобработки, на которые рулоны полосы поступают после холодной прокатки, имеюткомплекс устройств, где осуществляется многоступенчатая очистка поверхности(химическое обезжиривание, щеточно-моечная обработка, низковольтная электрохими­ческаяили ультразвуковая очистка). Узел электролитного обезжиривания

может быть установлен вместо любойванны, где выполняются вышеуказан­ные операции, а освободившиеся площади можноиспользовать для уста­новки дополнительного технологического оборудования,обеспечивающего повышение скорости последующей обработки.

Применение электролитной очисткиповерхности полос после холодной прокатки может сократить количество углерода,перешедшего из прокатной смазки, оставшейся на по поверхности, в металл впроцессе отжига.

Для электролитного обезжириванияприменяются технологические рас­творы примерно такого же состава, как прихимической и низковольтной электрохимической очистке (водные растворыкальцинированной соды с добавками тринатрийфосфата, а также слабые растворыщелочей).Этопозволяетиспользовать существующие системы циркуляции при предвари­тельном охлажденииэлектролита, который будет нагреваться при обработке. Обезжиривание проверенопри скоростях перемещения полос до 120 м/мин, возможна обработка при большихскоростях.

Электролитная очистка поверхностиметаллов и сплавов от окислов испытана и может быть рекомендована к внедрениюна агрегатах, где проводится обработка полос малой ширины, прутков, проволоки ит. д. Рекомендуемые скорости перемещения до 20...30 м/мин. В настоящее времятехнология не разработана настолько, чтобы ее можно было рекомендовать дляиспользования в агрегатах, предназначенных для травления широких полос,перемещающихся с большими скоростями.

5. Очисткаповерхности сварочной проволоки в электролите

Особенности очистки сварочной (илюбой другой) проволоки, связанные с протягиванием ее через рабочий узел,накладывают определенный отпе­чаток на ведение технологического процесса иконструкцию установки.

Сразу отметим, что варианты ваннойобработки значительно уступают камерным (и даже спреерным) по эффективности ипроизводительности. Это объясняется невозможностью обеспечения хорошейсменности элект­ролита в прикатодной зоне и, как следствие, невозможностьюподдержания прикатодной области в наиболее оптимальном состоянии. В отличие отхимического травления об очистке ванным способом всей бухты проволокиодновременно (например, полным или частичным погружением) не может быть и речииз-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 промышленнойустановки «ЭП-10», устройство которой показано на рис. 3.3.

Установка представляет собой раму,на которой смонтированы разматы­вающее, направляющее и приемное устройства, бакс электролитом и

насосом для егоподачи, рабочая камера. Отдельно расположен специали­зированный источникпитания с блоком управления и контрольными приборами. Механическая частьоборудования выполнена на базе известных опробованных инженерных решений,которые в каждом конкретном случае, согласно требованиям заказчика, могут бытьразличными.

Рабочий узел установки (рис. 3.4а)представляет собой цилиндрическую конструкцию, состоящую из двух электрическине связанных друг с другом элементов: рабочей камеры 1 и«холодильника» 2. Положительный полюс источника питания подаетсятолько на первую камеру. Для удобства заправ­ки проволоки в верхней части камервблизи перегородки 3 и крышки 5 вырезаны прямоугольные окна, которыезакрываются крышками или пово­ротными кольцами.

При работе установки электролитпоследовательно протекает через ра­бочую камеру и холодильник. Соотношениелинейных размеров камер»  , сечений патрубков и некоторых других элементоврассчитано и подобрано таким образом, чтобы электрический потенциал, попадающийво вторую камеру по электролиту, создавал на корпусе второй камеры, такжеявляю-  щейся анодом, определенное напряжение. В этом случае напряжение на 1первой камере можно повысить и довести до такого значения, при котором 1очистка в ней будет идти более эффективно, но с некоторым нагревом проволоки.Во второй камере при этом будет также идти процесс очистки, уже без нагревапроволоки, с ее охлаждением и защитой от вторичного окисления при контактенагретой поверхности с окружающей средой.

Таким образом, автоматическиподдерживаемое соотношение потенци­алов на камерах позволяет интенсифицироватьпроцесс очистки.

Опыт эксплуатации установок типа«ЭП-10» выявил определенные не­достатки в конструкции ее отдельныхузлов и в последующем некоторым изменениям помимо механики подвергся и узелочистки.

В первом варианте (рис. 3.4а)электролит в рабочую камеру подавался через три патрубка, расположенных в однойплоскости и смещенных относительно друг друга на 120 градусов, а выводилсячерез патрубок большего диаметра, вваренный вертикально в верхней ее части. Вхолодиль­ник электролит подавался через два патрубка, расположенных на образую­щейцилиндра-корпуса снизу, а сливался через два аналогичных смещенных относительноосей нижних патрубка в верхней части. Часто в холодильнике задействовалось двапатрубка (один на вход, другой на выход), чтобы обеспечить встречное поотношению к перемещению проволоки движение электролита.

В модернизированном узле очистки(рис. 3.46) подача электролита осуществляется через специальные пластмассовыераспылители — улитки. В рабочей камере и холодильнике расположено по двараспылителя таким образом, что вытекающий из них электролит омывает изнутритолько стенки

камер, а на обрабатываемуюпроволоку отдельные струи не попадают. Положительную роль в этом случае играеттакже взаимодействие двух потоков, закрученных распылителями в противоположныестороны. Необ­ходимо отметить, что преимущества модернизированного узла очисткиреализуются только при полном и постоянном заполнении электролитом камер идостаточной его сменности, что и происходит при работе установки.

Для небольших предприятий ипроизводств, использующих полуавтома­тическую сварку эпизодически или сперерывами в технологическом цикле разработано устройство электролитной очисткисварочной проволоки, встраиваемое непосредственно в полуавтомат без ограниченияего типа и модели и с минимальной его переделкой.

Устройство состоит из узла очистки,расположенного между подающим механизмом и устройством для размотки бухтыпроволоки, и специализи­рованного источника питания с пультом управления.

Основныетехнические характеристики устройства:

Напряжениепитания, 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*

ФОРМИРОВАНИЕПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ

1. Нанесениепокрытий при катодной обработке

Наличие электрических разрядовмежду обрабатываемой поверхностью и электролитом способствует переходуэлементов электролита в парогазовую оболочку, где они находятся в химическиактивном состоянии. При этом ионы металлов и других легирующих элементов, такихкак бор, углерод, азот, устремляются к катоду. В результате обрабатываемаяповерхность обогащается этими элементами. При этом на поверхности могутпроизойти химические реакции, в результате которых либо образуется окиснаяплёнка, либо нарастает поверхностный слой. Последнее ускоряется за счёт микро­капельэлектролита, движущихся через парогазовый слой к поверхности металла.Одновременно происходит эрозия поверхности. В итоге состояние поверхностиопределяется как результат взаимодействия противоположно

действующихфакторов.

В одной из первых работ поприменению катодного процесса для нанесения покрытий на сталь использовался самфакт нагрева поверхности катода в электролите. Предназначенные для нанесения наповерхность наплавочные порошки сормайта и сталинита (смеси карбидообразующихэлементов с углеродом) вначале были закреплены на поверхности с исполь­зованиемжидкого стекла. После сушки и прокалки при 400 °С стержневые образцы диаметром5...10 мм нагревали в водном электролите, содержащем 10 % КазСОз, принапряжении 200...250 В и плотности тока 5...65 А/см2. В опытах получены наплавленныеслои толщиной от десятков до сотен микрометров с микротвёрдостью 8...9 ГПа.Поскольку перегрев выше тем­пературы плавления сплава был небольшим, основнойметалл плавился

незначительно,поэтому даже тонкие слои сплава не перемешивались г металлом основы.

Обработка по биполярной схеме в 3...7%-номрастворе щавелевойкис­лоты была применена дляполучения на поверхности проволоки гидрокса латов железа т • Рег(С204) •пРе(ОН)з, отлагающихся в виде кристалличе­ского осадка. Эти соединения, используемые вкачестве подсмазочного слоя, облегчают процесс волочения проволоки. В данномпроцессе исполь­зовался как сам электролит (щавелевая кислота), так и ионыжелеза, поступающие в электролит с обрабатываемой поверхности в анодных ячей­ках.

Катодный нагрев был использовандля получения боросодержащих ком­позиционных электрохимических покрытий (КЭП).Сущность пред­ложенного в данной работе метода состоит в совместном осажденииэлект­ролитического никеля с дисперсными частицами аморфного бора или карбидабора и последующей термической обработке в электролитной плазме. Толщинаполученных покрытий составляла 0,3.-.0,4 мм, содержание частиц в покрытиях было4,6 масс. % бора и 5,9...7,2 масс. % В4С. Диффузионный отжиг покрытийосуществляли в 15%-ном растворе Nа2СОз при выдержках от 1 до 300 с, скоростьнагрева составляла 50 и 500 «С/С. Температура нагрева регулировалась впределах 500...880 °С.

Рентгеноструктурный анализпокрытит гоказал, что при всех изученных режимах термической обработки покрытийобоих типов основной упрочня­ющей фазой был борид никеля№.4Вфазы №3В при различных режимах свидетельствовало о заметном у.

Исследование кинетики образованияскорении этого процесса по сравнению с нагревом в печи. Было установлено, чтообъёмная доля и температура начала образования боридов и их распределение вобъёме покрытия зависит от природы наполнителя. Отмечено также образование порразмером 0,5… 9мкмприплазменной (электролитной) обработке покрытий никель-бор, в то время какпокрытия №-В4С пор не содержали.

Анализ исследования тонкойструктуры покрытий показал, что в интер­вале температур формирования боридов(400...900 °С) наблюдалась высокая плотность дислокации (10 ...10 см'2), причём в покрытии с карбидомбора она была почти на порядок ниже, чем в покрытии с частицами аморфного бора.В работе проведено сравнение триботехнических свойств покрытий, прошедшихобычный (печной) отжиг и электролитный нагрев. Линейный износ покрытий послеэлектролитного нагрева был значительно ниже, коэффициент трения изменялсянесущественно. Авторы связывают это с более высоким содержанием боридной фазы вприповерхностных слоях (в покрытии №-В) и с более равномерным распределениемборидной фазы (в покрытии №-В4С).

Мало исследована обработка впереходном режиме катодного процесса. Между тем его использование для этихцелей представляет значительный интерес. Наличие в данном режиме импульсныхэлектрических разрядов позволяет проводить очистку поверхности, в том числе иот оксидов.Втоже время существование интервалов времени, когдаосуществляется контакт электролита с металлом, не допускает перегревапоследнего в объеме и позволяет осуществить обычный гальванический процессосаждения метал­лов на поверхность катода. Обработка полученного слояимпульсными электрическими разрядами может привести к образованию наповерхности сложной системы, состоящей как из обрабатываемого металла, так и изкомпонентов электролита.                                          

Одним из возможных вариантовприменения данной обработки является технология упрочнения поверхностного слоявоздействием электрических разрядов при полном сохранении структуры и свойств вобъеме изделия. Такая обработка названа авторами технологией обработкиэлектрическими разрядами (ТОЭР).

Предварительные экспериментыпоказали значительное увеличение твердости поверхностного слоя обработанныхизделий из различных сталей в сравнении с исходной твердостью в объеме металла,принятой за 100%:

Ст. 3 — 400%, сталь45 — 320%, Р6М5 — 200%, У8 — 290%, 60Х2СМФ (закаленная валковая сталь) — 120%, 20ХГСА — 170%.Технология позволяет создать микрорельеф поверхности с заданной шероховатостью,отличающейся вы­сокой степенью изотропности.

На базе технологии разработанаустановка, на которой можно обрабаты­вать рабочие валки прокатных идрессировочных станов, вальцы и другие детали.

Техническаяхарактеристика установки Плотность электрических

разрядов,1/см • с            40...100

Длительность обработки (в зависимости отзадаваемой шероховатости), мин                     2...30

Потребляемая мощность (в зависимости от размероввалка), кВт                             20...200

Габаритные размеры,м                        4х3х3

Большое число электрическихразрядов с высокой плотностью на еди­ницу поверхности, случайный характерзарождения и постоянно меняюще­еся во времени распределение разрядов поповерхности, возможность леги­рования поверхностного слоя различными элементамив процессе воздей­ствия на поверхность плазмы электрических разрядов — все этообеспечи­вает комплекс положительных свойств поверхностного слоя, который весь­мазатруднительно получить другими способами и устройствами.

Характеристикиповерхностного слоя обработанных прокатных валков

Твердость,ГПа                                      11...12 Толщина слоя,мкм                                150...250 Интервал задаваемой шероховатости,мкм               1...10 Изотропность шероховатости                       0,9… 1,0

Число пиков на единицу длины базыпрофиля                              80… 300

По структуре микрорельефповерхности представляет собой равномерно распределенные выступы в виденаплавленных капель металла. В этом принципиальное отличие микрорельефа отполучаемого другими способа­ми, в результате которых на поверхности создаютсявпадины. При данном способе обработки в сравнении с известными существенно вышечисло пиков на единицу длины базы обрабатываемого профиля.

2. Образованиепокрытий на поверхности активного анода

Образование на поверхностиактивного анода неметаллических образо­ваний отмечалось в большинстве работ,посвящённых данному способу обработки. При этом характер образований былразличным.

Так, при молибденированииармко-железа и стали 45 на поверхности образовывалась рыхлая „шуба“,причём её толщина зависела от состава электролита. В то же время привольфрамировании на поверхности могли образовываться как толстые рыхлые слои,так и тонкие плотные плёнки, отделение которых от поверхности было весьма затруднительным.При азотировании технического железа в водном растворе 15% N11401 + 5% Н40Нповерхностный слой содержал 66% чистого железа, в то время как на стали 45после обработки содержание железа было 48%. В слое обнаружены окислы РеО,Ре20з, Рез04, для технического железа в большом количестве были нитриды Ре2М иРез1^. На стали 45 в малом количестве присутствовал нитрид Ре2К.

Анализ поверхности металла,проведённый после снятия поверхностного слоя, показал наличие феррита (а-Ре),аустенита (у-Ре], смеси нитридов РезN4 и Ре4М^, а также некоторого количестваоксидов РеО, Ре20з и Рез04. Предполагалось, что это может быть вызвано какнеполным снятием поверх­ностного слоя, так и образованием в диффузионной зонедисперсных включений.

При науглероживании таких же образцов вэлектролите, состоящем из 15% хлористого аммония + 10% ацетона, в поверхностномслое техническо­го железа было обнаружено 83% чистого железа, а на стали 45 — 71%. В слое присутсвовали также оксиды РеО, Ре20з и Рез04, а на поверхностижелеза ещё и незначительное количество графита.

Поверхностный слой послевольфрамирования содержал 19% железа, до 48% вольфрама, окислы Ж)2, \УОз, РеО иРез04, кроме того, соединения \УС, Ре2^ и РезС. На поверхности обработанныхобразцов обнаружены следы сложных оксидов вольфрама и около 5% чистоговольфрама.

На основании результатоврентгенодифрактометрического фазового ана­лиза был сделан вывод об изменениитонкой кристаллической структуры технического железа.

После молибденирования поверхностныйслой (»шуба") представлял собой смесь оксидов РеО, Ре20з, Рез04,феррита (9...11%) и чистого молибдена (18%). На поверхности металла былиобнаружены феррит, не­значительное количество окислов Ре20з и Рез04 и около 2%чистого молибдена.

При комплексном насыщении стальныхобразцов молибденом и вана­дием в поверхностном слое в большом количествесодержались оксиды У02, У204, МоОз, Мо02,8, РеУ204, РеУ205, РеУ04, РеМо04, атакже малое количество РеО и Ре20з. Обнаружено небольшое количество ванадия имолибдена (их соотношение приблизительно 3:1).

При азотировании титанового сплаваВТ1-0 поверхностный слой содер­жал а-Т1, смесь окислов титана, нитрид Т1К Сростом длительности обработки увеличивалось количество нитридов приодновременном умень­шении содержания окислов.

У науглероженных образцов приразличных напряжениях состав поверхно­стных слоев в качественном отношении былодинаков: а-Т1, оксиды титана, карбид и карбоксид титана. Повышение напряжениясопровождалось уве­личением окисления поверхностных слоев, что дало основаниесделать предположение о стабилизирующей роли окисной плёнки при данных условияхобработки.

Таким образом, в состав слоя,образующегося на поверхности анода при нагреве последнего в электролите, входятоксиды обрабатываемого металла  иэлементов, входящих в состав электролита. Содержание относительно большогоколичества железа, вольфрама, молибдена и в меньшей степени ванадиясвидетельствовало об активных восстановительных процессах в парогазовом слое.Однако причиной этого является, по-видимому, наличие в этом слое значительногоколичества водорода (и окиси углерода при науглероживании), а не высокаянапряжённость поля и большая темпера­тура нагрева анода.

Процессы восстановления окисловжелеза водородом и окисью углерода достаточно хорошо изучены, а восстановлениеводородом окислов молибдена и вольфрама — это основной метод получения этих металлов впромышленности.

Образование покрытия на поверхностиможет происходить и в результате взаимодействия металла с азотом парогазовогослоя. Так, при обработке стали 40Х в электролите, содержащем 10% N11401 и 5%N114011, на поверхности образовался нитридный слой толщиной 20...40 мкм. Надним наблюдался слой окислов толщиной 4...5 мкм.

Коррозионные испытания в растворе0,1 N Nа2504 показали, что ско­рость коррозии азотированной стали в 3 разаменьше, чем необработанной. Промежуточные результаты были получены дляазотированной стали С удалённым окисным слоем. Коррозия обработанной сталипроходила нерав­номерно в виде пятен и точек. Это объясняли и наличием пор вслое нитридов, и проникновением продуктов растворения железа через поры наповерхность. На высокие защитные свойства многофазного покрытия, полученногопри азотировании стали 45.