Влияние легирующих элементов (W, V, Mo, Cr, Mn) на качество поверхности и точность электрохимической размерной обработки инструментальных сталей

В настоящее время известно множество способов размерной обработки материалов, которые по виду энергии, используемой для формообразования, подразделяют на механические, электрические, тепловые и химические методы. При производстве деталей до сих пор главным образом прибегают к механической обработке, зарождение которой относится к весьма далёкому прошлому. В то же время, наблюдается расширение областей применения появившихся в тридцатые-сороковые годы XX века электрических методов, и в настоящее время они занимают важное место в технологии машиностроения. Тепловые методы в основном используют для получения заготовок, термической обработки и др. Химические методы при изготовлении деталей находят лишь ограниченное применение. До определённого времени механическая обработка решала задачи, которые ставила перед ней развивающаяся техника. Однако уже в середине XX века обострилась проблема обрабатываемости новых конструкционных материалов, связанная с кинематикой процесса и значительными силами резания. Обработка деталей из таких новых материалов резанием затруднена, а в ряде случаев вообще невозможна. К современным операциям, которые трудно или вообще невозможно выполнить механической обработкой, относятся: прорезание каналов аэродинамического профиля, прошивание отверстий и щелей очень малых размеров, выполнение различных операций в труднодоступных местах деталей, изготовление сложнопрофильного инструмента, такого как литьевые, выдувные и пресс-формы, штампы ковочные и чеканочные, накатной и высадочный инструмент. Во всех указанных и во многих других случаях эффективными являются методы формообразования, получившие общее название электрофизических и электрохимических методов размерной обработки материалов. Эти процессы обычно подразделяют на четыре группы: электроэрозионные, при которых материал с заготовки удаляется в результате действия электрических разрядовэлектрохимические, где электрическая энергия затрачивается на анодное растворение заготовкилучевые, основанные на воздействии высококонцентрированных потоков энергии, и ультразвуковые, в которых обрабатываемый материал механически скалывается.

Электроэрозионное и электрохимическое формообразование имеют много общего, несмотря на различия самих физико-химических принципов. Так, оба процесса предназначены только для съёма материала заготовки, формообразование в любом случае необратимо, и удалённый припуск невозможно восстановить. Твёрдая исходная заготовка выбирается из того же материала, из которого должна быть изготовлена деталь, и обработка сводится к изменению только геометрических параметров заготовки. Для каждого из процессов необходимы два электрода, между которыми подаётся электрическое напряжение. Одним из электродов служит сама заготовка, вторым — другое твёрдое тело, которое по аналогии с механической обработкой называют инструментом. Заготовка и инструмент не касаются друг друга и отделены межэлектродным промежутком (МЭП), заполненным соответственно подобранной рабочей средой. В случае электрохимической обработки электрод-инструмент не подвержен износу. Именно этой особенностью обусловлены перспективы использования и уникальность метода, позволяющего получать в принципе неограниченное число копий с одного инструмента.

Если для съёма материала заготовки используют электрохимический метод, то рабочей средой служит электропроводная жидкость, в которой могут существовать ионы вещества заготовки. В электрохимической размерной обработке (ЭХРО) рабочей средой служит водный раствор электролита, с большой скоростью прокачиваемый через МЭП. Вследствие наличия МЭП конфигурации обрабатываемой части электрода-заготовки и инструмента не совпадают. Отличие обеих конфигураций тем меньше, чем уже МЭП. Если МЭП узкий, то может применяться электрод-инструмент, имеющий точно такую же поверхность, которую требуется получить у деталиинструмент называют некоррелированным, а процесс формообразования — простым отображением или копированием. Отвод продуктов обработки и теплоты из МЭП происходит благодаря протеканию рабочей среды вдоль электродов. Сужение МЭП ведёт к росту энергетических затрат на перемещение рабочей среды и, следовательно, к замедлению её движения, уменьшению скорости отвода продуктов обработки и теплоты из промежутка. Поэтому сужение МЭП, необходимое для повышения точности обработки, обычно сопровождается падением производительности.

Конечными критериями качества процесса ЭХРО являются: отклонение размеров детали от чертежа, разность между полученной и заданной глубиной поверхностного изменённого слоя и, наконец, несовпадение достигнутого и заданного классов шероховатости. Цель процесса ЭХРО — это, во-первых, достижение конечных параметров в пределах допусков, а во-вторых, производство годной детали оптимальным путём, т. е. при наименьшем значении интегрального критерия качества процесса (времени обработки, расхода энергии и т. д.). Важнейшими особенностями ЭХРО являются наряду с непрерывным прокачиванием электролита через зону обработки и непрерывное перемещение электрода-инструмента со скоростью, равной скорости растворения заготовки. Следствием этого другими важными особенностями стали высокие плотности тока и малые (десятые и сотые доли миллиметра) межэлектродные зазоры. ЭХРО — это прежде всего высокоинтенсивный процесс. Ни один другой процесс металлообработки не осуществляется со столь высокими скоростями. Названные особенности характеризуют ЭХРО как процесс электрохимической технологии. Следует также отметить, что возможность осуществления бесконтактного формообразования, обработки труднообрабатываемых механическими способами металлов и сплавов, а также деталей сложной формы, отсутствие износа инструмента характеризуют ЭХРО как прогрессивный способ металлообработки.

Однако развитие метода было заторможено на рубеже 80−90-х гг. поскольку не были выявлены до конца количественные закономерности процессов, контролирующих протекание обработки. Также не было установлено должной взаимосвязи теоретического обоснования метода с экспериментальными результатами и наработками. Традиционно считалось, что условия электрохимической размерной обработки (ЭХРО) определяются группами величин, описывающих физико-химические свойства катода-инструмента, заготовки, геометрические свойства МЭП, скорость относительного перемещения электродов, свойства рабочей среды и электрофизические характеристики межэлектродного процесса. В то же время, мало внимания уделялось изучению морфологии образующейся при ЭХФ поверхности, зависимости шероховатости поверхности от фазового, структурного и химического состава заготовки, изменению химического состава поверхностных слоев заготовки. Работы, посвященные влиянию легирующих элементов, входящих в состав инструментальных сталей, на качество поверхности и точность обработки, как и результаты исследований глубины изменения поверхностного слоя после ЭХРО, в литературе практически не представлены. Анализ литературных данных также показал, что до настоящего времени при использовании импульсно-циклического метода ЭХФ основное внимание уделялось влиянию амплитуды анодного потенциала, импульсы которого синхронизированы с механическими колебаниями электрода-инструмента, на производительность и точность обработки. Однако форма импульсов технологического напряжения в неменьшей степени влияет на основные критерии электрохимического формообразования.

Диссертация выполнена в Институте химии твердого тела УрО РАН в соответствии с планами Федеральной целевой научно-технической программы 01.20 0.1 16 039 «Высокоскоростное анодное электрохимическое формообразование безвольфрамовых композиционных материалов в нитратных водных растворах» и научно-исследовательских работ по бюджетной тематике «Ионный массоперенос в потоке нейтральных водных электролитов, как инструмент получения высокоточных сложнопрофильных деталей машин и механизмов» (№ гос. регистрации 01.0.40 2 308).

Цель работы — изучить влияние вольфрама, ванадия, молибдена, хрома и марганца как легирующих элементов в инструментальных сталях на качество поверхности, образующейся в результате электрохимического формообразования и точность обработки.

Задачи:

1. Изучить характеристики поверхности инструментальных сталей (фазовый состав, микрорельеф, микротвердость), образующейся в процессе ЭХРО.

2. Исследовать элементный состав поверхностных слоев, а также распределение элементов анода-заготовки по глубине, после механической обработки и ЭХРО инструментальных сталей.

3. Изучить зависимость производительности и точности электрохимической обработки инструментальных сталей от гидродинамических условий в межэлектродном промежутке и электрических параметров процесса.

4. Разработать технологии изготовления и восстановления методом ЭХРО сложнопрофильного металлообрабатывающего инструмента из сталей, легированных редкими металлами.

Научная новизна работы:

1. Впервые методом сканирующей туннельной микроскопии изучена поверхность инструментальных сталей, полученная в немодельных условиях импульсно-циклической электрохимической размерной обработки. Установлена зависимость микрошероховатости образующейся при ЭХРО поверхности от характера легирующих элементов.

2. Впервые выполнено систематическое исследование элементного состава поверхности, а также распределение элементов по глубине, после механической обработки и ЭХРО инструментальных сталей. Установлено изменение количественного соотношения элементов в поверхностных слоях инструментальных сталей, обработанных механическим и электрохимическим методами.

3. Впервые выполнены исследования влияния параметров импульсно-циклической электрохимической размерной обработки (давления электролита на входе в МЭП, вибрации электрода-инструмента, формы и длительности импульса анодного потенциала и т. п.) на качество образующейся поверхности и точность обработки, проведенные в реальных условиях на промышленном оборудовании.

4. Впервые установлена зависимость точности электрохимического формообразования инструментальных сталей и качества образующейся при этом поверхности от наличия и характера легирующих элементов (W, V, Мо, Сг, Мп).

Практическая значимость работы. В проведенных исследованиях представлен комплексный подход к поиску оптимальных технологических параметров, позволяющих изготавливать и восстанавливать сложный металлообрабатывающий инструмент и детали машин с допусками не более 0,01 мм и классом шероховатости не менее 8. Разработаны и запатентованы способы размерной электрохимической обработки, позволяющие изготавливать и восстанавливать сложный металлообрабатывающий инструмент и детали машин с допусками 0,01 мм. Результаты работы внедрены в производство для изготовления высокоточного инструмента. В частности на Ревдинском метизно-металлургическом заводе внедрение полученных результатов позволило полностью отказаться от традиционного фрезерного изготовления накатных плашек и холодного выдавливания отделочных пуансонов, используемых для массового изготовления самонарезающих винтов, соответствующих стандартам ИСО (РИСО). Часть запатентованных результатов внедрена на ОАО «Турбомоторный завод» (г.Екатеринбург), где используется для восстановления корпусов эжекторных сверел глубокого сверления маслоканалов дизельных двигателей.

Положения, выносимые на защиту:

1. совокупность параметров микрорельефа поверхности, образующейся при ЭХРО инструментальных сталей, и их взаимосвязь с легирующими элементами;

2. результаты исследования микротвердости поверхностных слоев инструментальных сталей, образующихся при импульсно-циклическом электрохимическом формообразовании;

3. воздействие механической и электрохимической обработки на состав поверхностных слоев инструментальных сталей;

4. влияние параметров импульса технологического напряжения, условий прокачки раствора электролита в межэлектродном промежутке и амплитуды технологического напряжения на производительность и точность при электрохимической обработке инструментальных сталей;

5. влияние фазового и химического состава легированных сталей на точность ЭХФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять.

выводы.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния легирующих элементов, в частности редких металлов W, V, Мо, а также Сг и Мп, на качество поверхности и точность электрохимической размерной обработки инструментальных сталей.

Впервые методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии выполнено систематическое изучение элементного состава поверхности, а также распределение элементов по глубине, после механической обработки и ЭХРО инструментальных сталей. Установлено, что при импульсно-циклической электрохимической размерной обработке инструментальных сталей в водном растворе нитрата натрия существенных изменений в химическом составе поверхностных слоев не происходит. Имеет место послойное анодное электрорастворение.

Методом сканирующей туннельной микроскопии впервые изучена морфология поверхности легированных редкими металлами сталей, формирующаяся в результате ЭХРО. Исследован микрорельеф образующейся при электрохимическом формообразовании поверхности образцов инструментальных сталей, а также микрогеометрия рабочей поверхности металлообрабатывающего инструмента, изготовленной различными методами металлообработки. Установлена зависимость микрошероховатости образующейся при ЭХРО поверхности от легирующих элементов. Наиболее «гладкой» является поверхность стали, легированной небольшим количеством (~1 мас.%) вольфрама или ванадия: ХВГ и Х12МФ. Кроме того, выяснено, что состав и структура обрабатываемого сплава сказываются на формировании шероховатости поверхности при анодном растворении инструментальных сталей. Наложение одного потенциала к разным составляющим фазам сплава ведет к их разной поляризации и, как следствие, к повышению микрошероховатости. Наилучшее качество поверхности достигается при использовании мелкозернистых (электрохимически гомогенных) сплавов.

Шероховатость поверхности сплава и его морфология, а также точность обработки определяются условиями проведения процесса анодного растворения: температурой электролита, его концентрацией, химическим составом, скоростью течения раствора электролита в межэлектродном промежутке, формой и режимами наложения технологического напряжения. Повышение температуры и концентрации ухудшает чистоту поверхностиувеличение скорости потока до определенной величины благоприятно сказывается на качестве поверхности, а при дальнейшем росте — она ухудшается.

Однако главным, решающим фактором формирования микропрофиля поверхности сталей при анодном растворении является электрохимическая (физико-химическая) гетерогенность растворяющейся поверхности. Физико-химическая гетерогенность сталей проявляется гораздо в меньшей степени при использовании импульсно-циклического режима электрорастворения.

Использование импульсно-циклического метода обработки в нитратных водных электролитах существенно улучшает качество поверхности обрабатываемого сплава. При этом удается достичь резкого уменьшения глубины растравливания металла по границам зерен, возрастает радиус округления, имеет место послойный съем сплава. Применение импульсной подачи анодного потенциала существенно уменьшает абсолютную величину высоты микронеровностей, создает однородный микрорельеф.

Характер микронеровностей для каждого исследуемого материала различен. Как показывают профилограммы, при анодном растворении в растворе нитрата натрия для сталей Р6М5 и XI2 характерно преобладание впадин, для сталей У8 и 9ХС выступов, а на поверхности сталей ХВГ и Х12МФ — как выступов, так и впадин.

На формирование шероховатости поверхности при анодном растворении в нейтральных водных электролитах влияют депассивационные процессы, происходящие в паузах между импульсами напряжения. Анодное растворение металла проходит через стадию образования поверхностных пленок различной природы. В определенных условиях эти пленки могут приводить к пассивации поверхности анода. Параметры импульсного потенциала способны воздействовать на пассивационно-депассивационные процессы и регулировать их. Увеличение частоты следования импульсов при постоянной скважности (интервалов между импульсами) за счет уменьшения длительности импульса несколько понижает шероховатость. Увеличение скважности также ведет к снижению микрошероховатости. Короткие импульсы при больших скважностях в нитратных растворах улучшают качество поверхности вследствие усиления массообмена и создания условий, благоприятствующих выравниванию микропрофиля поверхности.

Качество поверхности существенно улучшается при использовании вибрирующего катода с колебаниями, направленными нормально к поверхности анода и синхронизированными с наложением импульсного потенциала на анод. Эффект выравнивания микрорельефа анода при вибрации усиливается, если импульс напряжения подается при максимальном сближении электродов. При этом на выступах рельефа депассивация осуществляется в большей степени, чем во впадинах, что и является причиной выравнивания микропрофиля.

Качеством поверхности определяются и механические свойства сталей и сплавов. В связи с этим надо подчеркнуть значение физико-механических параметров поверхностного слоя после анодного растворения. При механической обработке инструментальных сталей на их поверхности образуются риски, заусенцы, микротрещины, шлифовочные прижоги и т. д., ухудшающие эксплуатационные свойства изготавливаемых деталей машин и инструмента. Их ликвидация при анодном растворении повышает долговечность и предел усталости. Инструментальные стали в процессе анодного растворения практически не наводораживаются. Если и происходит незначительное повышение содержания водорода (быстрорежущая сталь Р6М5), то при вылеживании деталей водород из поверхностных слоев практически весь диффундирует в окружающую атмосферу.

Итак, качество поверхности (шероховатость) после электрохимической обработки определяется комплексом параметров. Главными из них являются химический и фазовый составы сталей и сплавов, а также их структура. Именно они определяют электрохимическую гомогенность или гетерогенность материала. В первом случае создаются предпосылки для высокого класса чистоты поверхности, во второмпониженное качество поверхности. Управлять качеством поверхности при электрохимической обработке данного сплава можно, подбирая электролит и электрический режим обработки. Применение импульсно-циклического электролиза, периодически релаксирующего систему в состояние, близкое к исходному, позволяет в различной мере (в зависимости от обрабатываемого материала, природы и концентрации электролита, частотных характеристик импульсного изменения потенциала: длительности импульса, скважности, амплитуды потенциала) снизить высоту микронеровностей и достичь наилучшего качества поверхности.

Колебания катода способствуют созданию идентичных гидродинамических условий во всех точках обрабатываемой сложнопрофильной поверхности и надежной эвакуации продуктов реакции из зоны обработки. Особенно эффективным оказывается синхронизация частоты механических колебаний катода с частотой следования электрических импульсов потенциала, имеющих форму спадающей кривой, когда этот импульс подается на анод в момент максимального сближения электродов [50]. При максимальном удалении электродов следует пауза потенциала и осуществляются промывка межэлектродного промежутка, а также удаление продуктов анодного растворения и газообразного водорода, получаемого при катодной реакции. Здесь реализуется прерывистая гидродинамика процесса и при минимальном сближении электродов прокачка электролита отсутствует. Импульсное наложение потенциала резко повышает точность формообразования. Так, обработка стали Х12МФ в 10%-м водном растворе нитрата натрия импульсами с естественным спадом кривой напряжения амплитудой Ua=6 В, длительностью тим&bdquo-=2500 мкс, скважностью S=3,5 с частотой вибрации катода-инструмента 50 Гц и амплитудой вибрации 0,32 мм привела к точности обработки 0,01 мм.

В результате проведенных исследований разработаны, запатентованы и внедрены в производство способ размерной электрохимической обработки и устройство, позволяющие изготавливать высокоточный металлообрабатывающий инструмент и детали машин с допусками 0,01 мм, например, накатные плашки и отделочные пуансоны (внедрен на Ревдинском метизно-металлургическом заводе, где полностью перепрофилировали тех процесс изготовления плашек с фрезерования на ЭХРО). Кроме того, разработан, запатентован и внедрен в производство (ОАО ТМЗ г. Екатеринбург) способ электрохимической размерной обработки инструмента и устройство для его осуществления, позволяющие восстанавливать изношенные корпуса эжекторных сверел для глубокого сверления после наплавки на них упрочняющих сплавов. Также был запатентован способ электрохимической обработки фасонных полостей, который может использоваться как для изготовления развитой внутренней поверхности теплообменных труб из коррозионностойких сталей, механическая обработка которых затруднена из-за высокой вязкости материала, так и инструмента, используемого для изготовления развитых поверхностей в медных теплообменных трубах.

Предложена методология комплексного подхода к выбору параметров ЭХФ и материала анода-заготовки в зависимости от поставленных перед ЭХРО задач: изготовления той или иной поверхности инструмента или деталей машин, имеющей сложную геометрию и требующей высокой точности изготовления. При этом материал анода-заготовки должен представлять инструментальную сталь, легированную вольфрамом или ванадием.