Локализация анодного травления алюминиевых сплавов трафаретом из самоклеющихся полимерных масок

Актуальность работы. Развитие и совершенствование современных методов электрохимической размерной обработки происходит в различных направлениях, определяемых как особенностями объекта, так и особенностями собственно метода. Использование изолирующих масок на обрабатываемой поверхности с целью локализации электрохимической обработки — известный и широко применяемый метод обработки. Его развитие основано на совершенствовании состава резистивных слоев и методов их нанесения и на методах обработки поверхности (химическое травление, электрохимическая обработка). Применение различных методов обработки (постоянный ток, импульсная униполярная обработка, анодно-катодная обработка) в сочетании с разработкой нового типа масок существенно расширяет возможности обработки, увеличивая число параметров, позволяющих управлять скоростью процесса, составом поверхностных слоев, их физико-механическими свойствами, а также точностью формообразования.

Однако, использование нового типа масок, обеспечивающих локализацию процесса химической или электрохимической обработки, требует проведения исследований и разработок, направленных на определение закономерностей локализации травления и технологических условий их рационального применения.

Настоящая работа посвящена использованию самоклеющихся полимерных масок (СПМ) применительно к решению задач электрохимического маркирования изделий из алюминиевых сплавов. Использование для этих целей растворов простых неорганических солей при температуре окружающей среды вместо концентрированных растворов окислителей и повышенных температур обработки позволяет помимо решения экономических задач (удешевление технологии) кардинально уменьшить нагрузку на окружающую среду.

Работа выполнена в рамках заданий плана НИР Приднестровского государственного университета им. Т. Г. Шевченко 2002 — 2006 гг. (№ государственной регистрации 30 200 140).

Цель настоящей работы состояла в определение закономерностей формирования локализации травления алюминиевых сплавов при использовании трафарета из СПМ, оптимальных условий электрохимической обработки (электролит и режимы травления) и создание основ технологии маркирования деталей из них.

Научная новизна,.

В работе впервые:

— показана возможность использования СПМ с компьютерной обработкой информации и последующей плоттерной резкой в качестве трафарета в условиях электрохимического маркирования и определение условий их рационального применения;

— на основе исследования микрои макрораспределения скоростей электрохимической обработки алюминиевых сплавов в хлоридных растворах при наличии трафарета из СПМ в контролируемых гидродинамических условиях (макроскопически неоднородный вращающийся дисковый электрод (ВДЭ) (в варианте «утопленный» ВДЭ), ВДЭ с эксцентриситетом) определены принципы выбора электрических и гидродинамических режимов электрохимического травления при наличии СПМ, обеспечивающих максимальную локализацию обработки в сочетании с максимально возможной равномерностью макрораспределений скоростей травления;

— установлено, что максимальная скорость обработки алюминиевых сплавов в хлоридных растворах при наличии трафарета из СПМ в сочетании с максимальной локализацией и максимально возможной однородностью растворения достигается при импульсной анодно-катодной обработке с соотношением плотности заряда в анодном и катодном импульсах, зависящих от средней плотности тока при условии, что обработка происходит при плотностях тока icp < iKp (i:p — плотность предельного анодного диффузионного тока растворения). Показано, что iKp изменяется при заданных гидродинамических условиях в зависимости от соотношения 1 / 3d, где / - толщина маски, 3d — толщина диффузионного пограничного слоя.

Практическая значимость работы: разработаны основы технологии электрохимического маркирования табличек из сплава Д1, включающей метод получения информации на маске, ее плоттерной резки, нанесения на заготовку, оборудование для электрохимического травления, назначение режимов и электролитов обработкиустановлено, что режимы электрохимического травления алюминиевого сплава Д1 в хлоридных растворах позволяют управлять концентрацией образующихся оксидов легирующих компонентов сплава в поверхностном слое, формирующих информацию на изделии, что в сочетании с рентгено-фазовым анализом поверхности может служить основой метода защиты изделий при электрохимической маркировки деталей из него.

На защиту выносятся: результаты использования нового вида изоляции для электрохимического маркирования деталей — толстых самокдеющихся поливинилхлоридных масок с компьютерной обработкой информации для получения знака и последующей плоттерной резкой при изготовления трафаретаметод определения электрических и гидродинамических режимов, состава и концентрации электролита электрохимического травления алюминиевых сплавов в хлоридных растворах при наличии СПМ в качестве трафарета, определяющих условия однородности макрораспределения скоростей обработки в сочетании с высокой локализацией процессаэкспериментальные результаты, подтверждающие вывод о том, что максимальная скорость обработки в сочетании с максимально возможной однородностью ее макрораспределения и максимальной локализацией процесса достигается при импульсно анодно-катодной обработке со следующими условиями: icp < iKp, Qa> Qc, Qa/Qc = 3−10, соотношение Qa/Qc увеличивается с увеличением средней плотности тока;

— метод защиты изделий из алюминиевых сплавов при их электрохимической маркировке в сочетании с ренттенофазовым анализом образующихся при маркировке поверхностных оксидных пленок;

— основы технологии электрохимического маркирования табличек из сплава Д1, включающей метод получения информации на маске, ее плоттерной резки, нанесения на заготовку, оборудование для электрохимического травления, выбор режимов и электролитов обработки.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Приднестровского государственного университета им. Т. Г. Шевченко (2002 — 2005 г. г.), Международной научно-практической конференции «Математические методы в образовании, науке и промышленности» (г. Тирасполь, 2005 г.), IV Украинском электрохимическом съезде (г. Алушта, 2005 г.). Республиканской конференции, посвященной году физики (г. Кишинев, 2005 г.).

Достоверность результатов.

Достоверность результатов работы обеспечивалась использованием приборов, регулярно поверяемых метрологической службой, обработкой полученных данных методами математической статистики, сравнении экспериментальных данных с результатами теоретического анализа, признанными мировой научной общественностью в области исследований по теме диссертации. Подтверждением достоверности полученных результатов является их практическая реализация, как в условиях промышленного производства, так и при проведения лабораторного практикума.

Личный вклад автора.

Личный вклад соискателя состоит в получении, обработке и анализе экспериментальных данных. Постановка задач исследований, обсуждение результатов экспериментальных исследований, а также формулировка выводов выполнялись совместно с научным руководителем д.х.н., проф. А. И. Дикусаром. Постановка задач исследований, обсуждение результатов и формулировка выводов по импульсной анодно-катодной обработке выполнялось совместно с научным консультантом д.т.н., проф. А. К. Кривцовым.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю работы профессору А. И. Дикусару, научному консультанту профессору А. К. Кривцову, а также коллективам лаборатории «Электрохимические производства», кафедры «Технология машиностроения» Приднестровского госуниверситета им Т. Г. Шевченко и лаборатории «Электрохимической размерной обработки металлов» Института прикладной физики АН Республики Молдова за постоянное внимание и помощь при выполнении настоящей работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Предложено с целью разработки технологии маркирования изделий из алюминиевых сплавов (на примере деформируемого сплава Д1 3,8 — 4,8% Си, 0,4 — 0,8% Мп, 0,4 — 0,8% Mg, ост. — AT), применения самоклеющейся полимерной маски в качестве трафарета с компьютерной обработкой знака и последующей плоттерной резкой, которые позволяют значительно упростить получение трафарета, снизить стоимость и повысить надежность получаемой после ЭХРО информации. Показано, что точность нанесения маски на обрабатываемую поверхность определяется точностью плоттерной резки и не превышает ± 200 мкм при разбросе получаемых размеров в пределах ±30-^-40 мкм. Полученные данные по точности плоттерной резки определяют нижний предел размеров нанесения информации с ее использованием, который можно оценить на уровне ~1 мм. В процессе обработки исследуемая маска не изменяет своих размеров.

2. Показано, что скорость и локализация анодного травления сплава в растворе NaCl при наличии маски зависят от вида обработки (постоянный ток, импульсный униполярный ток, анодно-катодная обработка), которые позволяют управлять ими. Максимальная скорость анодного растворения и локализация травления (при Q=const) достигаются в условиях импульсной анодно-катодной обработки.

3. С целью создания возможностей эффективного использования электрохимического маркирования исследованы закономерности макрораспределения скоростей травления при наличии маски в контролируемых гидродинамических условиях (макроскопически неоднородный («утопленный») ВДЭ, ВДЭ с эксцентриситетом) при различных толщинах изоляции. Показано, что маска толщиной /, превышающей толщину диффузионного пограничного слоя <5у, уменьшает скорость ионного массопереноса в полости растворения, увеличи.

Бающееся с ростом отношения l/Scj, что изменяет условия ионного транспорта по сравнению с гладкой поверхностью ВДЭ.

4. Установлено, что переход к контролю скорости электрохимического процесса скоростью ионного транспорта кардинально меняет тип макрораспределения скоростей травления. При достаточно высоких плотностях тока, зависящих от гидродинамических режимов обработки, т. е. при icp > iKp (iKp — плотность тока перехода к диффузионному контролю) возникает макронеоднородность, существенно превышающая неоднородность при первичном распределении тока (эффект влияния микрорастворения в полости на макрораспределение скоростей обработки), тогда как при icp < iKp толстая СПМ выравнивает распределение скоростей травления в сравнении с первичным распределением тока. Это определяет условия выбора электрических и гидродинамических режимов анодного травления при заданном составе и концентрации электролита режимами, соответствующими icp < iKp (с учетом влияния толщины маски).

5. Показано, что при icp < iKp толстая СПМ (50 — 100 мкм) выравнивает распределение скоростей травления в сравнении с первичным распределением тока.

6. Установлено, что максимальная локализация травления сплава в растворе NaCl, определяемая фактором травления EF, достигается при импульсной анодно-катодной обработке, а оптимальное соотношение зарядов в анодном и катодном импульсах (Qa > Ос) зависит от средней плотности тока, увеличиваясь с увеличением OJQc в интервале значений 3−10. При этом достигается максимальная однородность макрорастворения на значительной части (> 80%) обрабатываемой поверхности.

7. Показано, что образующая после травления плотная, хорошо сцепленная с поверхностью черная пленка, представляет собой продукты «нерастворения» легирующих компонентов алюминиевого сплава (смесь оксидов Си (1) и s-MnOi). Установлено, что режимы электрохимической обработки сплава позволяют управлять концентрацией оксидов в поверхностном слое и в сочетании с рентгенофазовым анализом поверхности могут служить основой метода защиты изделий из данного сплава при электрохимической маркировке деталей из него.

8. Разработаны основы технологии электрохимической маркировки фирменных табличек из сплава Д1 для оборудования, выпускаемого фирмой «ТЕ-БОВАу> (г. Тирасполь), включающей метод получения информации на маске, ее плоттерной резки, нанесения на заготовку, оборудования для электрохимического травления, режимов и электролитов обработки. Результаты данного исследования приняты к рассмотрению и будут использованы ГУЛ Тирасполь-ский завод литейных машин им. С. М. Кирова с целью отработки технологического процесса и дальнейшего использования его в производстве применительно к условиям предприятия и используются в учебном процессе при проведения лабораторного практикума по курсу «Технология и оборудование нетрадиционных методов обработки» ПГУ им. Т. Г. Шевченко.

43 Заключение и выводы.

Представленные в настоящем разделе результаты экспериментального моделирования макрораспределения скоростей электрохимической обработки в контролируемых гидродинамических условиях (макроскопически неоднородный вращающийся дисковый электрод из алюминиевого сплава Д1, частично изолированный толстой (~ 90 мкм) маской, анодно растворяющийся в растворе NaCl (150 г/л)) показали, что:

1. Переход при достаточно высоких плотностях тока, зависящих от гидродинамических режимов обработки (при icp > iKp =/(&>)) к контролю скорости электрохимического процесса скоростью ионного транспорта, кардинально меняет тип макрораспределения скоростей травления. Если при гср < i,.p толстая маска выравнивает распределение скоростей травления в сравнении с первичным распределением тока, то при гср > г,-р возникает макронеоднородность, существенно превышающая неоднородность при первичном распределении тока.

2. В тех случаях, когда толщина маски / превышает толщину диффузионного пограничного слоя Зс/, наблюдается уменьшение скорости ионного массопереноса в полости растворения, увеличивающееся с ростом отношения //5d, что изменяет условия ионного транспорта по сравнению с гладкой поверхностью вращающегося диска, а, следовательно, сдвигает область icp < iKp в сторону меньших плотностей тока по сравнению с рассчитанным для растворения без маски.

3. Наблюдаемые особенности анодного растворения при наличии толстой маски существенно отличаются от описанных ранее в работах [114,117,123], для макроскопически неоднородного ВДЭ с тонкой фото-резистивной маской при растворении стали и сплава инвар (Fe — Ni) в хлоридных растворах, в которых было показано, что переход к контролю микрорастворения ионным транспортом практически не сказывался на макрораспределении скоростей травления, а макрораспределение в точности соответствовало условиям первичного распределения тока независимо от типа микрорастворения в полости травления. Кажется очевидным, что наблюдаемые различия обусловлены не только толщиной маски, но и особенностями анодного растворения при высоких плотностях тока (при icp > iKp). Если при анодном растворении Fe и Ni в хлоридах достижение условий солевой пассивности (анодных предельных токов диффузионной природы) приводит к снижению выхода по току растворения вследствие образования поверхностных покрывающих слоев из оксидов высшей степени окисления [1], то в случае растворения алюминиевых сплавов происходит его увеличение, поскольку в процессе растворения наблюдается разрушение покрывающих сплав оксидных слоев и характерное для алюминия и его сплавов аномальное анодное растворение с эффективной валентностью (ЯэфХ меньшей трех [59]. Именно по этой причине в отличие от растворения стали средняя скорость травления в нормальном направлении увеличивается на порядок при переходе к гкр (рис. 4.2.1). В пользу этой гипотезы свидетельствует и тот факт, что использование импульсной анодно-катодной обработки, т. е. периодическое восстановление оксидных слоев при / < iKp, в несколько раз увеличивает скорость травления в нормальном направлении при одной и той же средней плотности тока и равных величинах пропущенного заряда по сравнению с постоянным током (табл. 4.2.1). Для различных систем металл-электролит было показано [5], что достижение анодных предельных токов растворения приводит к возникновению термокинетической неустойчивости («теплового взрыва») [129], что, в свою очередь, может создавать условия не только разрушения покрывающих оксидных слоев и применительно к растворению алюминиевых сплавов обеспечивать растворение с пЭф <3, но и приводить к мощной локализации анодного процесса [5].

Кажется очевидным, что именно такие условия создаются в описанных выше экспериментах при icp > iKp.

4. Из представленных результатов следует возможность использования наблюдаемых эффектов для технических приложений. Она заключается в обеспечении равномерности макрораспределения скоростей обработки использованием режимов с icp < iKp. Это при заданном составе электролита, его концентрации определяет и гидродинамические условия, и соответствующие значения задаваемой плотности тока. Использование импульсной анодно-катодной обработки (при icp < iKp) обеспечивает не только наивысшую локализацию процесса при существенно более высокой (в несколько раз) скорости травления по сравнению с использованием постоянного тока той же плотности, но и максимальную однородность макрорастворения на значительной части обрабатываемой поверхности.

5. РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МАРКИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СПЛАВА Д1 ПРИ НАЛИЧИИ.

САМОКЛЕЮЩИХСЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАСОК В КАЧЕСТВЕ.

ТРАФАРЕТА.

Маркирование готовых изделий, узлов и деталей является одним из важных процессов в современном промышленном производстве. Необходимая информация может наноситься непосредственно на детали или корпус изделия или на специальные фирменные таблички и бирки. Отсутствие такой информации, которая указывает эксплуатационные режимы, различные характеристики изделия, реквизиты и товарные знаки приводит к дополнительным затратам времени и средств для ее повторного установления, и может привести к выходу из строя изделий и оборудования из-за неправильного режима их эксплуатации, а также при наладке, проведении технического обслуживания и ремонте изделия. Технологические процессы электрохимического маркирования представляют собой сложные системы, характеризующиеся большим разнообразием элементов различного уровня, свойствами этих элементов и связями между ними. Такие взаимосвязи дают возможность не только оценить достигаемые значения единичных показателей технологического процесса, но и управлять ими.

Кроме того, нанесение торговой марки и справочной информации необходимо товаропроизводителю для рекламы и продвижения своей продукции, а потребителю — для гарантии качества и правильного применения и эксплуатации изделия.

Справочная информация должна сохраняться длительное время, обладать высокой механической, коррозионной и химической стойкостью, легко восстанавливаться при загрязнении (попадании краски, масла, пыли и т. д.) и различных механических деформациях. Наибольшей износостойкостью на металле обладает информация, имеющая рельефную, углубленную форму. Для этого применяют механические, термические, электрохимические и электроэрозионные методы.

Одним из сдерживающих факторов более широкого применения электрохимического маркирования является необходимость изготовления ЭИ или трафаретов для каждого вида наносимой информации. Это условие является неприемлемым при нанесении обширной и часто меняющейся информации, особенно в единичном и мелкосерийном производстве. На практике при серийном изготовлении фирменных табличек необходимо менять не весь рисунок маркирования, а только часть его, связанную с нумерацией, типом и маркой изделия, обозначением варианта и категории исполнения, датой изготовления и т. д. Технология изготовления табличек (панелей управления) на предприятии представлена в виде таблицы (табл.5.1) (в качестве базовой технологии рассмотрена технология изготовления табличек из сплава Д1, используемая на ГУЛ Тирас-польский завод литейных машин им. С. М. Кирова, ПМР).