Способ электролитно-плазменного полирования металлического изделия

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Кревсун Эдуард Павлович Куликов Иван Семенович Каменев Анатолий Яковлевич Ермаков Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ электролитно-плазменного полирования металлического изделия, заключающийся в том, что обрабатываемое изделие погружают в водный раствор электролита и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, отличающийся тем, что процесс полирования осуществляют в герметичной электролитной ванне при температуре электролита на 0,5-5 градусов ниже обеспечиваемой заданным давлением газов в полости над уровнем электролита температуры его кипения. 11808 1 2009.04.30 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электролит в процессе полирования подвергают интенсивному перемешиванию для обеспечения заданной однородности температуры на границе парогазового слоя и жидкой фазы, с максимальным отклонением от нее на величину 0,2 градуса. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что процесс полирования осуществляют при температуре электролита в пределах от одного градуса выше температуры его замерзания до температуры критической точки, а указанное давление задают путем вакуумирования или наддува указанной полости. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что указанное давление задают с помощью быстродействующей системы автоматического управления и контроля, в качестве управляющих параметров которой выбирают температуру в объеме электролита и величину тока в цепи катод-анод. Изобретение относится к электрохимической обработке электропроводящих материалов и может быть применено в процессах электролитно-плазменного полирования изделий в различных областях техники в машиностроении, в электротехнической промышленности, в приборостроении и в декоративных целях при производстве товаров народного потребления. Известен способ электролитно-плазменного полирования металлических изделий 1,который заключается в том, что обрабатываемое металлическое изделие погружают в водный раствор электролита с температурой 40-80 С и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение 240-320 В, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой. В парогазовом слое возникает поток плазмы, благодаря чему происходит полировка металлической поверхности. Обладая существенным положительным свойством - экологической безопасностью - вместе с тем описанный способ имеет недостаток для его реализации приходится использовать довольно мощный источник электрического питания (входной трансформатор). Это связано с созданием парогазового слоя. В описываемом аналоге, например при напряжении 340 В, плотность тока в парогазовом слое составляет 0,22 А/см 2. Если обрабатываемое изделие имеет, например, площадь 600 см 2 (например, изделие в виде куба с ребром 10 см), мощность входного трансформатора должна быть не менее чем(1)600 см 2340 В 0,22 А/см 250000 Вт 50 кВт. Известен также способ электрохимического полирования металлических изделий 2,наиболее близкий к заявляемому способу и поэтому принятый за прототип. В способе-прототипе обрабатываемое металлическое изделие погружают в водный раствор электролита и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, а процесс полирования осуществляют в два этапа, на первом из которых к обрабатываемому изделию прикладывают электрическое напряжение 90-190 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 0,1-5 с, а на втором этапе это напряжение увеличивают до 200-400 В и поддерживают постоянным до окончания процесса полирования. На первом этапе происходит образование парогазового слоя при пониженном напряжении, благодаря чему удается существенно уменьшить пиковый ток, который возникает в начальный момент подачи напряжения. Наличие пика тока объясняется тем, что до появления парогазового слоя сопротивление электрической цепи обрабатываемое изделие - электролит намного меньше, чем после его появления. Описанный прием позволяет получить следующий технический результат пиковая мощность источника питания, а следовательно, и его стоимость может быть 2 11808 1 2009.04.30 уменьшена. Недостатком способа-прототипа является то, что он не обеспечивает снижения мощности источника питания в основном режиме - режиме обработки изделия. Задачей настоящего изобретения является создание способа электролитно-плазменного полирования металлических изделий, позволяющего существенно уменьшить мощность источника электропитания, в 10 и более раз, при одновременном расширении круга обрабатываемых материалов и улучшении качества обработки. Поставленная задача решается тем, что в способе электролитно-плазменного полирования металлического изделия, заключающемся в том, что обрабатываемое изделие погружают в водный раствор электролита и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, и что процесс полирования осуществляют в герметичной электролитной ванне при температуре электролита на 0,5-5 градусов ниже обеспечиваемой заданным давлением газов в полости над уровнем электролита температуры его кипения. Причем, электролит в процессе полирования подвергают интенсивному перемешиванию для обеспечения заданной однородности температуры на границе парогазового слоя и жидкой фазы, с максимальным отклонением от нее на величину 0,2 градуса. Кроме того, процесс полирования осуществляют при температуре электролита в пределах от одного градуса выше температуры его замерзания до температуры критической точки, а указанное давление задают путем вакуумирования или наддува указанной полости, а указанное давление задают с помощью быстродействующей системы автоматического управления и контроля, в качестве управляющих параметров которой выбирают температуру в объеме электролита и величину тока в цепи катод-анод. На фиг. 1 показан график зависимости температуры кипения от давления насыщенных паров. На фиг. 2 изображена схема общего вида устройства для реализации заявляемого способа. Кривая насыщения на фиг. 1 отражает качественную связь температуры кипения Т и давления насыщенных паров Р. Как было указано, процесс электролитно-плазменного полирования идет при наличии тонкого парогазового слоя вблизи поверхности обрабатываемого изделия. По сути дела имеет место так называемое пленочное кипение 3. На поддержание пленочного кипения расходуется основная часть энергии процесса. Тепловой поток от парогазового слоя, в котором преобразуется электрическая энергия в тепловую, идет на нагрев электролита в объеме. Величина теплового потока в процессах теплообмена обычно определяется выражением(2)(-0),где- тепловой поток, кВт- коэффициент теплоотдачи, кВт/( Ссм 2)температурный напор, С Тс - температура поверхности изделия, С Т 0 - температура электролита в объеме, С- площадь обрабатываемого изделия, см 2. Заметим, что на режиме устойчивой работы температура изделия и температура парогазового слоя примерно равны. Поставленная в данном изобретении задача решается путем существенного уменьшения теплового потока за счет снижения температурного напора Т. При этом сохраняется устойчивость парогазового слоя. В известных способах электролитно-плазменного полирования процесс ведут в открытой (негерметичной) ванне. При этом температура электролита в объеме, как указано,например, в способе-аналоге, поддерживается в пределах 40-80 С. При больших недогревах (разницы между температурой кипенияи температурой в объеме электролита Т 0) пленочное кипение наступает при Т(Тс-Т 0)30 С 4. 3 11808 1 2009.04.30 Чтобы уменьшить , а следовательно, и мощность источника энергии, в предлагаемом способе электролитную ванну выполняют герметичной по отношению к атмосфере и создают в ней разрежение, а при необходимости и наддув. Этим самым приближают состояние электролита в объеме к кипению, но не достигают его. Таким методом получают минимально возможное значение температурного напора , при котором сохраняется устойчивый парогазовый слой и идет процесс полирования. Величиназависит от многих факторов состава электролита, температуры электролита в объеме Т 0, конфигурации обрабатываемого изделия и пр. Изложенное иллюстрируется фиг. 1. Пусть имеется открытая ванна и процесс ведут при 40 С, а используемый электролит кипит при 105 С при атмосферном давлении. Тогда недогрев составляет 105-4065 С. В этих условиях пленочное кипение (образование парогазового слоя) произойдет, когда поверхность и приповерхностный слой жидкости нагреются до 70 С, т.е. температурный напордостигнет 30 С. Если процесс ведут при 80 С, то недогрев до кипения составит 105-8025 С. В этом случае ибудет равно 25 С. Дальнейшее уменьшениеза счет повышения температуры электролита для открытой ванны невозможно. Как показывает опыт, начинают проявляться неустойчивые явления, характеризующиеся наличием неустойчивости парогазового слоя, чрезмерным нагревом изделия, пены, искрообразованием и резкими колебаниями тока в электрической цепи. К тому же зачастую ухудшается и качество обработки. Таким образом, при открытой ванне (при атмосферном давлении) процесс электролитно-плазменной полировки как бы привязан к точке А кривой насыщения (фиг. 1), определяющей точку кипения. При этом уменьшить , а следовательно, и потребляемую мощность согласно формуле (2), практически не удается. В предлагаемом изобретении давление электролита является управляемым параметром за счет герметизации и вакуумирования (или при необходимости наддува) ванны. Например, пусть температура электролита Т 0 меньше 105 С, что соответствует на кривой насыщения точке В. Снизив за счет вакуумирования давление от атмосферного до Р,можно установить как угодно малое значение(например, 0,5 С), при котором существует устойчивый парогазовый слой. Благодаря этому снижается потребляемая мощность в /30/0,560 раз. Как видно, это дает существенный эффект по снижению мощности источника питания. Заявляемый способ осуществляется следующим образом (см. фиг. 2). Обрабатываемое металлическое изделие 1 погружают в водный раствор электролита 2 и прикладывают к нему положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение от источника питания 3, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой 4. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют в герметичной электролитной ванне 5,закрытой съемной крышкой 6, при температуре электролита Т 0 на 0,5-5 градусов ниже обеспечиваемой заданным давлением газов 0 в полости над уровнем электролита температуры его кипения. При этом электролит подвергают интенсивному перемешиванию с помощью перемешивающего устройства 7 для обеспечения заданной однородности температуры на границе парогазового слоя и жидкой фазы с максимальным отклонением от нее на величину 0,2 градуса. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют при температуре электролита Т 0 в пределах от одного градуса выше температуры его замерзания Т 3 до температуры критической точки Ткр. Значение температуры Т 0 задается оператором в зависимости от свойств электролита и обрабатываемого материала и обеспечивается системой охлаждения и нагрева электролита, включающей насос 8, нагреватель 9, охладитель 10 и арматуру. При этом давление 0 в полости над уровнем электролита в соответствии с его температурой Т 0 задают путем вакуумирования или наддува указанной полости с помощью системы, включающей вакуумный насос 11, компрес 4 11808 1 2009.04.30 сор 12 и арматуру. Величину давления регулируют быстродействующей системой автоматического управления и контроля 13, причем в качестве управляющих параметров используют температуру в объеме электролита Т 0 и величину тока в цепи катод-анод. Предлагаемый способ предполагает использование известных приемов, процедур, материалов, и оборудования, что свидетельствует о возможности промышленной реализации изобретения. Источники информации 1. СССР 1314729, МПК С 253/16, 1985. 2. Патент РФ 2168565, МПК С 253/16, 2001 (прототип). 3. Дураджи В.Н., Парсаданян А.С. Нагрев металлов в электролитной плазме. - Кишинев Штиинца, 1998. 4. Несис Е.И. Кипение жидкостей. - М. Наука, 1973. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5