К.т.н. Глебов В.В., д.т.н. Кирсанов С.В.

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

(ЮРГУЭС), г. Шахты, Российская Федерация

Концепции выбора электролита для электрохимического гравирования и прошивания отверстий

Важнейшим параметром процесса электрохимической обработки (ЭХО) является состав электролита. Известно, что проблемы анодного растворения сплавов связаны с избирательным растворением каждого из компонентов в электролите. Электролиты должны содержать анионы, способствующие равномерному травлению всех компонентов сплава. В таблице 1 показаны технологические параметры ЭХО металлов, которые являются основой большинства применяемых сплавов. Необходимо учесть, что многие металлы (Fe, Со, Ni, Cu, Тi, Мо, Та и др.) могут переходить в раствор в виде катионов различной валентности, соответственно, с различными электрохимическими эквивалентами. Кроме того, выход по току зависит от гидродинамических параметров процесса, плотности тока и др. Поэтому данные в таблице 1, как и аналогичные данные в научно-технической литературе, следует считать ориентировочными; в различных случаях результаты, например, по удельному съёму металлов и сплавов могут отличаться более чем на 10 %.

Таблица 1 - Производительность и энергоёмкость анодного травления

компонентов магнитных сплавов в некоторых электролитах

Металл	Удельный съем металла, мм^3/A·ч	Анодный выход по току, %	Энергоёмкость процесса кВт·ч/кг
25 %-ный раствор NaCl
Железо (Армко)	114	86	17
Кобальт	117	96	10
Никель	119	96	6,7
Алюминий	140	112	16
Медь	195	98	8,5
Титан (ВТ-3-1)	100	78	51
30 %-ный раствор NaNO3
Железо (Армко)	75	56	18
Кобальт	-	-	-
Никель	14	11	70
Алюминий	145	117	20
Медь	131	66,0	6,4
Титан (ВТ-3-1)	93,5	72,5	36

Целью настоящей работы являлось определение концепции выбора состава электролита для гравирования и ЭХО деталей из конструкционных, инструментальных сплавов и литых постоянных магнитов (ЛПМ). Несмотря на то, что большинство компонентов ЛПМ (Fe, Со, Ni, Cu, Тi) интенсивнее обрабатываются в водном растворе хлористого натрия [1], качество обрабатываемых поверхностей ЛПМ получается наилучшим при обработке в электролитах на основе азотнокислого натрия. В частности, проведённые нами исследования показали, что разрешающая способность электрохимического маркирования с использованием электролитов на основе NaNO₃ в 1,1 ...1,3 раза выше, чем при использовании электролитов на основе NaCl [2].

Процесс ЭХО очень чувствителен к структуре обрабатываемой поверхности. Известно, что электрохимическое травление широко используется в металлографии для определения структуры сплава [3], а также в криминалистике для восстановления данных об уничтоженных и перебитых номерах на оружии, двигателях и т.д. Структурный анализ включений сплава ЮНДКЗЗТ5 показывает, что они состоят из карбонитридов титана и скоплений окислов аммония. Наличие серы в сплаве вызывает образование сульфидов титана, а углерода - карбидов титана. При введении в состав углерода и серы, наряду с сульфидами титана, получаются карбосульфиды титана, содержащие одновременно титан, серу и углерод. Ниобий в сплаве не образует самостоятельных включений, а церий при наличии серы образует оксисульфиды церия. Помимо основных включений, в сплаве ЮНДКЗ5Т5 наблюдаются сложные включения, состоящие из двух или трех образований.

В процессе обработки ЛПМ в электролитах из хлористого натрия различной концентрации отмечалась существенная зависимость качества обработки от структуры образцов. При обработке крупнозернистых образцов наблюдались резкие колебания давления электролита, частые короткие замыкания, возникновение раковин. При обработке мелкозернистых образцов резкие изменения технологических параметров процесса обработки не наблюдались, но качество обработки оставалось неудовлетворительным. Качество поверхности немного улучшалось с повышением давления до 0,6 – 0,8 МПа (6-8 атм.).

Известно, что неметаллические включения в магнитных сплавах влияют на магнитные и механические свойства [4]. Проведенные нами исследования показали, что неметаллические включения, образующиеся при литье постоянных магнитов, оказывают большое влияние на качество ЭХО. При обработке магнитных сплавов в 10 %-ном растворе NaCl наблюдалась резко выраженная зависимость производительности обработки от химического состава сплава. Так, скорость прошивки отверстий в сплаве ЮНД4 в 2,5 раза выше, чем в ЮНДКЗ5Т5, и в 1,5 раза выше, чем в FeСоСr, тогда как в 10 %-ном растворе NaNO₃ скорости обработки указанных сплавов отличаются максимально в 1,2 paза, т.е. мало зависят от состава сплава.

Поэтому в дальнейшем опыты проводились с электролитом из азотнокислого натрия и с многокомпонентными электролитами на его основе. Для испытаний были выбраны следующие образцы: мелкозернистые сплавы FeСоСr, ЮН13ДК24Т2 и крупнозернистый ЮНД4. В деталях прошивались отверстия глубиной 10-12 мм и диаметром 5-8 мм. Скорость прошивки составляла 0,5-1 мм/мин. Вначале из серии опытов с различным содержанием NaNO₃ в растворе (5, 10, 15, 20, 25%) определили, что оптимальным электролитом является 10 %-ный раствор NaNO₃. В полученных отверстиях измерялась конусность, овальность и шероховатость обработанной поверхности. При прошивке отверстий Æ6 мм в 10%-ном растворе NaNO₃ при температуре 30-35°С, плотности тока 30 А/см² и давлении 0,5 ... 0,8 МПа (5 - 8 атм) конусность составляла 3-5°, овальность около 1 мм.

Впоследствии за основу был взят 10 %-ный раствор NaNOз в который вводились добавки. На основе литературных данных и проведенных нами исследований в качестве добавок использовались КBr, Na₂СOз, CH₃COONa.

Для определения влияния каждого вида анионов и их совместного действия на шероховатость, а также определения оптимальной концентрации составляющих электролита было проведено математическое планирование экспериментов. Параметром оптимизации выбрана шероховатость поверхности после ЭХО R_z (мкм). В качестве варьируемых факторов в трёх группах были выбраны соответствующие концентрации в электролите КВr, Na₂CO₃ и CH₃COONa.

По результатам четырех опытов крутого восхождения были определены оптимальные концентрации компонентов в электролите, при использовании которого получается минимальная шероховатость поверхности ЛПМ ЮНД4, ЮН13ДК24Т2 и FеСоСr.

Обработка магнитных сплавов в многокомпонентных электролитаx на основе нитрата натрия позволила получать отверстия с овальностью менее 0,05 мм и конусностью менее 0,5°. Поверхность отверстия после обработки легко очищается от продуктов реакции 5 %-ным водным раствором HCl. Использование электролитов с содержанием компонентов, указанных в таблице 2, при температуре 30°С и плотности тока 40-50 А/см² даёт лучшие результаты по точности и шероховатости при обработке магнитных сплавов.

Использование электролитов с меньшим содержанием компонентов, чем в составе электролита I и большим, чем в составе электролита III приводит к увеличению шероховатости обработанной поверхности. Поэтому анионный состав электролита II способствует равномерному анодному растворению всех компонентов магнитного сплава. Для поддержания величины рН электролита, с целью стабилизации значения шероховатости обработанной поверхности, скорости съёма и энергоёмкости процесса, проводилось буферирование раствора борной кислотой в количестве 3-30 г/л.

Таблица 2. Состав электролита

Компоненты электролита	Содержание компонентов в составе электролита, в % по массе,
	I	II	III
Азотнокислый натрий	8	10	11
Углекислый натрий	4	5	6
Уксуснокислый натрий	1,8	2	2,2
Бромистый калий	0,8	1	1.3
Вода	Остальное

Таким образом, несмотря на то, что анодное растворение мелкозернистых и крупнозернистых магнитных сплавов происходит в растворах на основе NaNO₃ медленнее, чем в растворе NaCl, достигаемое при этом качество и точность обработки выше.

Дальнейшей целью работы будет исследование влияния добавок в электролит NaNO₃ калий-натрия виннокислого (ГОСТ(ТУ) 5845-79, KOOCCH(OH)CH(OH)COONa·4H₂O), а также комплексообразующего реактива трилона Б для связывания ионов железа и никеля, и увеличения ёмкости электролита.

Литература:

1. Орлов В.Ф., Чугунов Б.И. Электрохимическое формообразование. – М.: Машиностроение, 1990. – 240 с.

2. Глебов В. В. Электрохимическое маркирование с использованием фотоактивных и фотоуправляемых электрод-инструментов: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. – Новочеркасск: НГТУ, 1998. -17 с.

3. Гущо Ю.П. Физика рельефографии. – М.: Наука, 1992. – 520 с.

4. Кирсанов С.В., Глебов В.В., Присяжнюк Ю.В. Влияние легирующих присадок в сплаве ЮНД4 на производительность электрохимической обработки и шероховатость обрабатываемой поверхности // Металлообработка. – 2004. -№2 (20). –С. 26-29.