Комбинированный способ очистки металлических поверхностей

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ

Шастин В .И., Сливинская Л.П.

УДК 669.1

КОМБИНИРОВАННЫМ СПОСОБ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Проблемы промышленной очистки поверхности изделий в различных отраслях, традиционно остаются в числе задач производства, требующих их решения и постоянного совершенствования. Большое разнообразие существующих видов загрязнений, продуктов эксплуатационно-технологического происхождения, защитных покрытий и т.п., подлежащих удалению по различным причинам, до настоящего времени не находят эффективного решения.

Существующие методы и средства очистки весьма разнообразны, в большинстве своем трудоемки, пожаро- и взрывоопасны, сопряжены со значительными ограничениями по вопросам безопасности жизнедеятельности и экологичности.

Среди большого разнообразия существующих и разрабатываемых методов и средств очистки важное место отводится различным комбинациям и приемам очистки, т. е. комбинированным способам воздействия на объект удаления. Это направление считается наиболее эффективным в аспекте рассматриваемой проблемы

Сочетание различных технологических приемов, основанных на физических, механических, электрохимических и пр. явлениях позволяет достичь высоких практически значимых результатов.

С развитием современных технологий в сфере совершенствования защитных и специальных покрытий, а также композиционных материалов, данная проблема становится еще более актуальной, в связи с возникающей необходимостью удаления их в процессе эксплуатации, технического обслуживания и диагностирования. В этой связи, существующие технологии и современные средства обработки, зачастую становятся малоэффективными, либо неприемлемы. Это часто становится причиной несоблюдения требований технологии и как следствие, снижения качества продукции, надежности и работоспособности изделий.

Настоящая работа посвящена разработке средств, предусматривающих комбинацию высо-

котемпературной лазерной очистки в сочетании с традиционными методами.

По своей природе и структурному строению объекты обработки можно рассматривать как материалы, имеющие композиционное строение. Свойства основных композиционных составляющих (покрытие, загрязнение), подлежащих удалению, и основа обрабатываемой детали (изделия), которые как правило, существенно отличаются друг от друга. Кроме этого, сами покрытия и загрязнения в большинстве своем, также имеют сложное структурное и химическое строение. Так например, лакокрасочные покрытия (ЛКП), состоят из нескольких слоев, в состав которых входят, шпатлевки, грунты, эмали и лаки, образующие, так называемые системы покрытий. Такие продукты удаления как окалина, также имеет сложное слоистое строение, состоящее из вюстита, магнетита и гематита [1]. Неоднородное строение свойственно целому ряду других видов покрытий и загрязнений.

Данные особенности объекта исследования и уникальные свойства лазерного излучения позволили создать некую технологическую схему комбинированного способа очистки поверхностей. Способ основан на сочетании нетрадиционного использования концентрированного источника лазерной энергии для этой цели с традиционными способами очистки, такими как химический, механический, струйный и т.д. Такая комбинация и последовательность приемов очистки на первом этапе лазерной обработки, обеспечивает нарушение однородности удаляемого покрытия, посредством нанесения параллельных каналов на глубину удаляемого слоя, либо в виде сетки, снижая тем самым его когезионные и адгезионные связи с поверхностью подложки. Данный вид предварительной обработки позволяет существенно активизировать и ускорить последующий второй этап очистки, путем воздействия на нижние слои химически активных сред, либо механическим путем.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере удаления лакокрасочных покрытий (ЛКП). Известно, что современные наиболее устойчивые к воздействию окружающей среды ЛКП и системы на их основе, при необходимости их удаления становятся практически неуязвимыми, т.е. нерастворимыми по отношению к применяемым в настоящее время химическим растворителям и смывкам. К ним относятся покрытия на основе эпоксидных и полиуретановых смол. Необходимость их удаления, возникающая в процессе эксплуатации, зачастую предусматривает, кроме этого, жесткие условия к сохранности защищаемой поверхности. В таких случаях химические способы удаления становятся практически единственно приемлемыми в рамках предписываемых технологий. Однако, как показывает практика, данные средства малоэффективны и часто становятся причиной несоблюдения требований технологий, из-за невозможности полного и качественного их удаления при одновременном обеспечении условия неповреждаемости поверхности подложки.

Практическая приемлемость лазерного метода удаления покрытий, механизм взаимодействия и физическая модель их разрушения рассмотрены в работах [2,3]. Учитывая условия безопасного влияния на поверхность обрабатываемых изделий при использовании непрерывного излучения СО2-лазера как наиболее приемлемого среди существующих технологических лазеров, была произведена оптимизация режимов обработки. В качестве параметра оптимизации принята скорость удаления покрытия движущимся источником нагрева, т.е. сфокусированным лазерным лучом. Для обеспечения удаления слоя покрытия эта зависимость, исходя из закона сохранения энергии, записывается, как:

„ _1 ~(а + Я)д0 йп

Ууд _ " ~ У,

8-Р-а

уд

где Ууд - оптимальная скорость удаления покрытия сфокусированным излучением СО2 -лазера;

а - коэффициент поглощения излучения плазменным факелом;

Я - коэффициент отражения; qо - мощность излучения лазера; ё п - диаметр лазерного пятна в фокальной плоскости;

р - плотность покрытия; а уд - удельная энергия разрушения покрытия;

¥ - безразмерный термохимический параметр, учитывающий влияние подложки.

Данная зависимость справедлива для полимерных покрытий нанесенных на какую-либо подложку. Расчетная кривая этой зависимости от толщины покрытия, как показали испытания, хорошо согласуется с экспериментальной кривой рис. 1, при этом отклонения не превышают 6.. .8%.

Рис. 1. Зависимость оптимальной скорости удаления эпоксидного покрытия от его толщины. • - расчетные данные; о - экспериментальные

Экспериментальная проверка соответствия кривых осуществлялась при удалении покрытия с металлической подложки излучением СО 2 -лазера мощностью 30 Вт. Этого уровня мощности достаточно для обеспечения технологических условий первого этапа обработки для большинства типов покрытий и загрязнений. Установки подобного типа отличаются высокой надежностью, экономичностью и просты в эксплуатации. Незначительная их мощность и высокий коэффициент отражения от металлических поверхностей для данной длины волны излучения, делают этот этап обработки как безопасный по отношению к поверхности подложки. Это очень важно по отношению к конструкционным материалам имеющим защитные покрытия, кроме ЛКП, например, обшивка и силовые элементы воздушного судна. Данные конструктивные элементы, как правило, имеют защитные оксидные и плакированные покрытия легко повреждаемые от воздействия механических нагрузок, что требует дополнительных технологических мер по обеспечению их сохранности при очистных работах.

Как показали всесторонние исследования данных материалов при воздействии на них лазерного излучения, обнаружено, что при нормированном энергетическом уровне излучения, каких-либо негативных последствий не наблюдается. Более того, с увеличением плотности мощности

имеет место увеличение защитных и эксплуатационных свойств этих материалов, в частности, обшивочного материала на основе алюминиевого сплава Д16-АТ. Наряду с повышением усталостной долговечности наблюдается увеличение коррозионной стойкости и ряда других конструкционных характеристик данного материала. Полученные результаты рекомендованы к практическому использованию.

Таким образом, первый подготовительный этап удаления покрытий, заключается в нарушении сплошности покрытия в виде нанесения на его поверхность мелких каналов, ширина которых соответствует диаметру сфокусированного пятна лазера. Равномерное по обрабатываемой поверхности расположение каналов на глубину, как минимум, верхнего трудноудаляемого слоя покрытия, обеспечивает свободный доступ химических растворителей к нижнему прилегающему к подложке слою. Учитывая, что нижний слой, которым является, как правило, слой грунтовки менее стоек к воздействию химических растворителей, чем верхние слои системы покрытия, а также наличие микропор и капилляров на границе «покрытие-подложка», обусловленных шероховато -стью поверхности подложки, поэтому скорость адсорбирования растворителя и разрушения молекулярных связей в этой зоне достаточно велика. Аналогичный механизм разрушения наблюдается и при удалении загрязнений. В результате этого адгезионные связи покрытия с подложкой разрушаются, что приводит к отслаиванию верхнего практически нерастворимого слоя. Этот слой легко может быть удален механическим, струйным или иным методом очистки на втором этапе обработки.

Для исследования кинетики деструкции нижнего слоя покрытия и отслаивания верхнего, использовался метод замедленной киносъемки. На рис. 2 показана экспериментальная установка, состоящая из емкости 1 с органическим растворителем, микроскопа 2 с фотокамерой и образца 3. В емкость на стойках 4, помещался образец из стеклянной пластины с нанесенной на нижнюю её поверхность системой ЛКП на основе эпоксидной эмали и каналом образованным лазерным лучом. Емкость заполнялась растворителем до уровня, обеспечивающего контакт с покрытием. Съемка производилась со стороны прозрачной пластины.

На рис. 3 представлена кинограмма исследуемого процесса, который может быть описан трехстадийной физической моделью.

Рис. 2. Экспериментальная установка

Рис. 3. Кинограмма процесса деструкции ЛКП

Из приведенной кинограммы следует, что первоначально проникновение растворителя ограничивается заполнением объема канала образованного лазером (кадр А1, первая стадия). С течением времени растворитель диффундирует по прилегающему к подложке нижнему слою ЛКП, т.е. по слою грунтовки, равномерно распространяясь по обе стороны канала. При этом наблюдается легкое потемнение цвета прилегающего к стеклянной пластине слоя, характеризующее на кинограмме адсорбирование растворителя без заметного отслаивания покрытия (кадр А2, вторая стадия процесса). Третья стадия отмечается началом и активным развитием процесса коробления и отслаивания верхних слоев покрытия от поверхности подложки (кадры А3 - Б8). Распространение фронта отслаивания относительно оси канала имеет определенную временную зависимость показанную в виде кривой на рис.4

Анализ кривой показывает, что распространение фронта деструкции начинается с некоторой задержкой по времени ^ (1- я стадия), необходимым для наполнения объема канала и начала адсорбционного насыщения слоя грунтовки. Последующая 2-я стадия, определяемая временем 12, характеризуется последующим адсорбированием растворителя на ширину слоя 8 без явно выра-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

женного отслаивания верхних слоев покрытия. Третья стадия, сопровождается заметным увеличением скорости деструкции с последующим отслоением и короблением слоя всей системы покрытия.

3

о; о;

Сэ Сэ

о

Г Г

1

-я стадия

Ь

Рис. 4. Кривая деструкции нижнего слоя покрытия от времени

С точки зрения физики процесса, данное явление может быть объяснено проявлением эффекта Ребиндера [4,5]. Активная часть растворителя проникает в пленку в результате диффузионных процессов, обусловленных наличием в структуре покрытия и подложки микропор и мелких каналов. Это в свою очередь приводит к насыщению и последующему разрыву молекулярных связей в результате растворения контактирующего с подложкой слоя покрытия. На языке физической химии это означает, что молекулы растворителя адсорбируются и приводят к снижению поверхностного натяжения, т.к. эти процессы неразрывно связаны между собой. Снижение поверхностного натяжения в адсорбционно - активной среде закономерно уменьшает поверхностную энергию покрытия, что неизбежно снижает прочность твердого тела [6], т.е. нижнего слоя покрытия. Вследствие этого и за счет явления расклинивания происходит коробление и наблюдается увеличение скорости отслаивания в зоне действия третей стадии процесса, в рамках предложенной физической модели.

После полного отслаивания покрытия в межканальной зоне, образовавшийся шлам легко удаляется традиционными методами очистки. Исходя из рассмотренной модели, нанесение каналов целесообразно располагать в виде параллельных полос на равном расстоянии друг от друга. Время отслаивания для определенных типов покрытий и загрязнений определяется, в основном, расстоянием между каналами и химической активностью растворителя. Однако, учитывая большое разнообразие существующих покрытий и загрязнений, технологические параметры комбинированного

способа очистки могут зависеть от множества факторов, в их числе: особенности структурного строения; взаимное расположение слоев по отношению к подложке; адгезионные и когезионные свойства покрытий и их слоев; их капиллярные и диффузионные свойства; режимы и условия формирования; макро и микрорельеф поверхности подложки; наличие дополнительных защитных покрытий и т.д.

Практически, учесть влияние всех этих факторов в комплексе и отдельно каждого, является весьма трудной и для данного случая едва ли рациональной задачей. Поэтому в реальных условиях достаточно проведения несложных лабораторных испытаний на образцах - свидетелях, позволяющих определить наиболее важный технологический параметр Ь - расстояние между каналами и подобрать определенный состав растворителя (смывки).

Исходя из проведенных исследований, среди большого разнообразия растворителей наиболее эффективными оказались органические растворители на основе хлорированных углеводородов. Кроме высокой химической активности, они обладают удачным сочетанием физико-химических свойств, таких как упругость паров, поверхностное натяжение, вязкость и т.п. Это сочетание, кроме положительного влияния, как химического реагента, позволяет активизировать процессы диффузии и растворения путем возбуждения в объеме раствора активизирующих ультразвуковых колебаний. Возникающие при этом гидродинамические колебания, даже в ограниченном объеме жидкости, позволяют активизировать процессы диспергирования частиц покрытия (загрязнения) и создания, благодаря этому, большей проникающей способности активной части растворителя в зону обработки. Кроме этого, осуществляется транспортировка более свежих порций растворителя к очищаемой границе и унос насыщенного состава растворителя из зоны растворения. Наиболее благоприятным для ультразвуковой очистки является диапазон частот от 20 до 40.50 Кгц. [7]. Повышению активности процесса способствуют также возникающие в жидкой среде кавитацион-ные явления. В диапазоне данных частот наилучшие результаты очистки достигнуты при плотности звуковой мощности 2...3-104Вт/м2. В этих условиях произво-дительность данного метода может быть увеличена в 2.4 раза. Такой вид дополнительной обработки применим для наиболее трудно-удаляемых покрытий и загрязнений.

Реально данный механизм активизации может быть реализован путем обработки объекта в

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ

жидкостной ванне, либо посредством непрерывной дозированной подачи растворителя на гигроскопичный материал закрепленный на рабочую поверхность ультразвукового излучателя как показано на рис. 5.

Рис. 5. Схема ультразвуковой активизации. 1 - подложка; 2 - удаляемое покрытие; 3 - каналы; 4 - гигроскопичный материал; 5 - устройство дозированной подачи растворителя; 6 - ультразвуковой излучатель.

Данная схема очистки позволяет максимально приблизить источник ультразвуковых колебаний к обрабатываемой поверхности, что существенно, повышает активизирующую способность ультразвука.

На основании проведенных лабораторных испытаний на рис. 6 показаны графики зависимости ширины удаленного слоя Ь от времени воздействия растворителя при ультразвуковой активизации и без неё. В качестве исследуемого покрытия использовалось эпоксидное ЛКП, образцами которого служили фрагменты обшивки самолета.

Ь

12

/

/

/ /

120 240 360

1

Рис. 6. Зависимость ширины удаляемого покрытия Ь от времени 1. 1 - без применения ультразвука; 2 - с ультразвуковой активизацией.

В качестве источника ультразвуковых колебаний применялся ультразвуковой диспергатор УЗДЛ-1 с мощностью излучения 4...5 Вт, и с частотой колебаний 22 Кгц. Удаление образовавшегося шлама после его отслоения осуществлялось струей сжатого воздуха. Каналы на поверхность исследуемого образца наносились на всю толщину покрытия с учетом зависимости (1).

Таким образом, ультразвуковая активизация второго этапа комбинированного способа очистки, позволяет повысить проникающую способность растворителя и его химическую активность, увеличивая тем самым производительность способа.

Исходя из физической модели разрушения покрытий и результатов работы [2], рассматривается возможность послойного удаления покрытий, например, до слоя грунтовки, в этом случае гарантируется отсутствие влияния температурного воздействия на материал подложки. Данный вид обработки может найти применение при удалении покрытий, в том числе с поверхности неметаллических подложек, при обеспечении условия неповреждаемости. В этом случае скорость отслаивания и удаления покрытия практически не изменяется, учитывая незначительную задержку по времени, необходимую для диффузионного насыщения неудаленного нижнего слоя покрытия в объеме канала.

Послойное удаление покрытий излучением лазера, при размерной контурнолучевой обработке, может быть использовано также при восстановлении локальных участков покрытий при их поверхностных разрушениях, таких как шелушение, отслаивание и т.п.

Кроме химического воздействия на втором этапе очистки возможно применение механических, струйных, гидро и пневмоабразивных способов удаления межканальных участков покрытий и загрязнений. В этом случае необходимо произвести подбор и оптимизировать величину параметра Ь и угла наклона рабочего органа к обрабатываемой поверхности.

На основе полученных в работе результатов и модельных представлений можно сделать следующие выводы.

1. Впервые предложен, теоретически и экспериментально обоснован комбинированный способ очистки поверхностей изделий от наиболее трудноудаляемых покрытий и загрязнений. Способ защищен авторским свидетельством.

2. Использование излучения СО2 -лазера небольшой мощности (20.30 Вт.) для предварительной обработки очищаемой поверхности, обеспечивает разрушение адгезионных и когезионных связей удаляемых объектов. Благодаря этому становится возможным эффективное применение химических и иных традиционных способов окончательной очистки. Предложенная в работе расчетная зависимость позволяет обеспечить оптимальный режим обработки при условии безопасного влияния на поверхность подложки.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

3. Разработаны модельные представления кинетики деструкции нижнего слоя покрытия, на их основе даны практические и технологические рекомендации по оптимизации и активизации процесса очистки.

4. Экспериментально подтверждена целесообразность ультразвуковой активизации этапа химической обработки очищаемой поверхности, предложены конструктивные решения и наиболее оптимальные параметры работы излучателя.

5. Рассмотрены различные комбинации приемов очистки, с учетом обеспечения условия неповреждаемости поверхности обрабатываемых изделий.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Смирнов Н. С., Простаков М. Е., Липкин Я. М. Очистка поверхности стали. 2-е изд. перераб. и доп. М. : Металлургия, 1978. 232 с.

Introduction.

With the development and application of new hot forging dies steel with excellent performance, the 5CrMnMo steel is falling into disuse in some developed countries, but the steel has not only good toughness, tensile strength and wear resistance, but also good hardness and high temperature mechanical properties. It is used to produce kinds of suffer and minitype forging dies. And it is a kind of cheap and economical material for hot forging dies [1]. The rigidity and the wear resistance, the good toughness and anticorrosion have a direct effect on the use and life of dies. Ordinary quenching and tempering process is so limited that it can not meet the requirements of use. The failure and damage occurs mostly from on the surface or beginning from the surface, in order to improve the life, the reasonable surface strengthening technology which can improve the material potential, improve surface performance and prolong the use life of dies was used. The layer treated on QPQ had lots of advantages such as high rigidity, high wear resistance and a little distortion. The QPQ was used on treating hot forging dies, which can improve the use life. By

Штта

2. Шастин В. И., Белунник А. И., Лоцманов Г. С. Удаление лакокрасочных покрытий излучением лазера // Лазерные технологические установки и перспективы их применения на предприятиях отрасли : материалы совещ. М., 1986. 83 с.

3. А. С. 1374523 (СССР) МКИ В 08 В 7/04. Способ очистки поверхностей от труднорастворимых слоистых покрытий / авт.-изобрет. Шастин В. И. ; Иркут. филиал по заоч. обучению КИИГА ; заявл. 10.07.86 № 4088573.

4. Горюнов Ю. В., Перцов Н. В., Сумм Б. Д. Эффект Ребиндера. М. : Наука, 1966. 128 с.

5. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. М.: - АН СССР,1962. - 156с.

6. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика. Новая область науки. - М.: Знание, 1958. 64с.

7. Попилов Л.Я. Ультразвуковая интенсификация очистки и гальванических процессов. - М.: Машиностроение, 1969. - 187с.

.1.017

increasing the depth of layer to enhance the support capacity of dies, reduce processing temperature heat treatment to reduce deformation, which ensure the accuracy of dies and application in practice.

The rare earth (RE) with the atomic structure and the activity has widely used in many fields. Since the 1960s, researchers began to use RE in the chemical heat treatment for steel. After the 1980s, the research on the RE in the chemical heat treatment appeared upsurge in our country and a lot of fruits had been applied in production [2].

In order to improve the production efficiency and the quality of the layer, the RE was used in the QPQ process, the results showed that the speed of ni-triding was highly improved and the performance of nitriding layer and the nitriding structure was improved.

1 Experiment

1.1 The experimental material and equipment

The material was 5CrMnMo steel, the chemical component is shown in table 1, the samples were incised by WEDM, the size was 7*7*30mm, the up and

Xiong Guanggyao, Zhou Zejie, He Bolin, Zhao Longzhi УДК 669

EFFECT OF RARE EARTH ON THE QPQ TREATMENT ON THE DIES STEEL