Способ обработки стальных изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости
METHOD FOR PROCESSING STEEL PRODUCTS CONTAINING ELONGATED AND CURVED CAVITIES

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к электролитно-плазменной обработке изделий сложной формы, содержащих удлиненные и искривленные полости малого диаметра.
Известен способ электролитно-плазменной обработки [Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учебное пособие (в 2-х томах), т. 2. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии / Под ред. В.П. Смоленцева. М., Высшая школа, 1983, с. 147], в котором в качестве электролита используется водный раствор соли низкой концентрации, нагретый до температур 70-90°С. Обрабатываемая деталь, являющаяся анодом, обычно погружается в ванну с электролитом, являющуюся катодом. При подаче между катодом и анодом напряжения 230-350 В происходит пробой электролита с образованием на границе раздела «изделие - электролит» парогазовой оболочки и поджигом электрического разряда. За счет одновременного электрохимического и электрофизического воздействия на деталь, происходит сглаживание микронеровностей на ее поверхности. Технология электролитно-плазменной обработки отличается высокой производительностью и экологичностью в сравнении с традиционными методами химического, электрохимического и механического полирования.
Известен [Патент RU 20152621744 С2, C25F 1/04 (2006.01), C25F 7/00 (2006.01), опубликован 04.05.2017 Бюл. №13] способ электролитно-плазменной обработки изделия, изготовленного путем сплавления мелкодисперсных порошков металлов или сплавов с применением аддитивной технологии включающий зажигание разряда между обрабатываемым изделием и катодом путем подачи на изделие положительного потенциала, отличающийся тем, что обрабатываемое изделие закрепляют на проводящей подвеске, погружают в ванну с электролитом, содержащую катод в виде проводящей пластины, и вращают, при этом устанавливают напряжение в диапазоне 100≤U≤1000 В, ток разряда - в диапазоне 0,015≤I≤250 А и обрабатывают изделие не менее 15 секунд, причем в качестве электролита применяют раствор с водородным показателем в диапазоне 2≤рН≤11; способ отличающийся тем, что обработку проводят в проточном или непроточном электролите; способ, отличающийся тем, что обработку проводят в насыщенном, ненасыщенном или пересыщенном растворах. Недостатком предложенного способа является сложность обработки внутренней поверхности глубоких полостей в детали за счет эффекта электростатического экранирования обрабатываемой поверхности, в результате чего разряд в полости не возникает.
Метод электролитно-плазменной обработки, работающий в режиме пленочного кипения, критичен к стабильности образования парогазовой оболочки на детали. Поэтому качество обработки внешних и внутренних поверхностей металлических деталей сложного профиля значительно отличается - на поверхностях сложной формы постоянно происходит срыв парогазового слоя в процессе обработки. Во внутренних полостях электропроводящих деталей также сложно производить обработку за счет эффекта электростатического экранирования.
Для повышения стабильности образования парогазовой оболочки на поверхности детали сложной формы предложен способ и устройство, его реализующее [Патент RU 20162640213 С1, C25F 3/16 (2006.01), C25F 7/00 (2006.01), опубликован 27.12.2017 Бюл. №36], который включает обработку поверхности изделия - анода струей электролита, подаваемой из сопла-катода, при напряжении 230-350 В и температуре 80-85°С, при этом струю направляют вертикально вверх на обрабатываемую поверхность, причем напор струи электролита регулируют в соответствии с эталонным значением тока, выбранным из пределов рабочего тока, и данными датчиков тока в цепи питания изделие-электролит-насадка. Устройство содержит систему позиционирования изделия относительно насадки для струйной подачи электролита, емкость с электролитом, источник постоянного тока, положительный полюс которого подключен к обрабатываемому изделию, а отрицательный - к насадке, нагнетающий насос и фильтр грубой очистки электролита, при этом оно дополнительно содержит датчики тока в цепи питания изделие-электролит-насадка и терморегулирующее реле, связанные с платой управления для регулирования напора струи, при этом насадка для струйной подачи электролита на поверхность направлена вертикально вверх. В предложенном методе вертикальная ориентация струи электролита исключает фактор его растекания по поверхности изделия, а контроль подачи электролита в сопло обеспечивает локальный характер обработки изделия. Недостатком данного метода остается невозможность обработки внутренних полостей деталей со сложной формой.
кр
кр
кр
кр
Известен способ очистки пористой матрицы от жидких и твердых отложений и устройство для его осуществления [Патент RU 2348447 С2, МПК (2006.01) B01D 53/02, (2006.01) B01J 20/34, (2006.01) B01J 38/48 опубликован 10.03.2009 Бюл. №7]. Очистку пористой матрицы от жидких и твердых отложений ведут путем нагревания матрицы до (1-1,2)Т, где Т - критическая температура используемого экстрагента, с последующей обработкой экстрагентом при давлении (1-10)Р, где Р - критическое давление используемого экстрагента. Особенностью способа является способность эктрагента проникать в глубь микропор носителя катализатора за счет его уникального сверхкритического флюидного состояния и связанной с ним комбинации физико-химических свойств.
Сверхкритическое флюидное состояние - это состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, сверхкритическая жидкость обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, низкой вязкостью и при отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает. Диффузионное проникновение газа в обрабатываемый материал при этом имеет промежуточное значение между таковыми для жидкости и газа. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах.
В качестве прототипа выбран способ плазменно-электролитной обработки изделий [Патент RU 20182675612 С1, МПК (2006.01) C25F 3/00 опубликован 20.12.2018 Бюл. №35], включающий зажигание разряда между обрабатываемым изделием и электролитическим катодом путем подачи на изделие положительного потенциала, при этом обрабатываемое изделие закрепляют на проводящей подвеске, погружают в ванну с электролитом, содержащую катод в виде проводящей пластины, и вращают, устанавливают напряжение в диапазоне 100≤U≤1000 В, ток разряда - в диапазоне 0,015≤1≤250 А и обрабатывают изделие не менее 15 секунд, причем электролит применяют в виде раствора с водородным показателем в диапазоне 2≤рН≤11, отличающийся тем, что на ванну с электролитом и изделием воздействуют одновременно ультразвуковыми колебаниями с частотой в диапазоне 18-120 кГц посредством излучателя с генератором.
Недостатком предложенного способа является сложность обработки внутренних протяженных поверхностей детали, поскольку ультразвуковые колебания, распространяющиеся в электролите, не имеет возможности изменить глубину проникновения электрического разряда во внутренние частично открытые полости изделия. Ограничения проникновения разряда в полости обусловлены эффектами электростатического экранирования и определяются геометрией детали.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение степени шероховатости металлических изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости малого диаметра (1 мм и менее). Отличительной особенностью таких изделий является повышенная шероховатость поверхности, обусловленная их выращиванием путем оплавления дискретных частиц порошка.
Технический результат предлагаемого способа обработки поверхностей металлических изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости малого диаметра, заключается в уменьшении степени шероховатости поверхности обрабатываемых изделий, в том числе внутри удлиненных и искривленных полостей малого диаметра за счет применения уникальных свойств сверхкритического флюидного состояния.
Технический результат достигается тем, что способ обработки стальных изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости, включает погружение обрабатываемого изделия - анода, закрепленного на токопроводящей проволоке, в емкость с электролитом, являющимся одновременно катодом, подачу напряжения на электроды, зажигание разряда между ними, при этом напряжение разряда устанавливают U≥100 В, ток разряда – в диапазоне 0,015≤I≤250 А, а время обработки изделия – не менее 15 секунд, при этом в качестве электролита используют смесь негорючего газа в виде диоксида углерода и органической токопроводящей добавки в виде уксусной кислоты в количестве 0,5-50,0 % от массы газа, а зажигание разряда проводят при температуре (1,01-3,0)Ткр и давлении (1,01-6,0)Ркр, где Ткр и Ркр – это температура и давление образования сверхкритической фазы исходной смеси.
На Фиг. 1 схематически изображено устройство для осуществления предлагаемого способа обработки стальных изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости малого диаметра, в среде сверхкритического флюида
Устройство для обработки поверхностей изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости малого диаметра, в среде сверхкритического флюида  (Фиг.1) содержит холодильник (1); насос для подачи газа-прекурсора сверхкритического флюида в систему (2); ресивер с системой нагрева и термостатирования (3), предназначенный для получения сверхкритической флюидной фазы с заданными параметрами и равномерного перемешивания сверхкритического флюида и органической токопроводящей добавки в виде уксусной кислоты; ячейку с системой нагрева и термостатирования для получения электрического разряда (4) и являющуюся одновременно катодом; сепаратор (5); массовый расходомер - регулятор расхода газа (6); регулятор давления «до себя» (7); насос для подачи органической токопроводящей добавки (8); анод (9), помещенный вовнутрь ячейки и выходящего из нее через диэлектрический уплотнитель; источник питания (10); обрабатываемая деталь (11), соединенная с анодом.
кр
кр
Рассмотрим реализацию способа обработки стальных изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости малого диаметра, в среде сверхкритического флюида. Перед началом работ обрабатываемая деталь помещается в ячейку высокого давления (4) и прикрепляется к аноду. Затем ячейка герметично закрывается, и начинается подача газа из баллона в холодильник (1) с целью его сжижения, после чего жидкая фаза поступает в насос (2), который закачивает ее в ресивер (3) до момента достижения заданного давления, равного (1,01-6)Р. Одновременно с этим, насос (8) подает в ресивер (3) органическую добавку в заданном количестве. В ресивере происходит нагрев смеси до заданной температуры, равной (1,01-3)Т, и переход смеси в сверхкритическую фазу, после чего смесь подается в ячейку (4), где происходит зажигание электрического разряда. Электрический разряд получают путем подачи напряжения между электродами, равного U≥100 В, при токе разряда 0,015≤I≤250 А, где U - напряжение между электродами; I - ток разряда. В результате происходит обработка поверхностей детали, которая длится не менее 15 с. По окончании работ источник питания отключается, газ из ресивера и ячейки медленно стравливается в атмосферу, обработанную деталь извлекают из ячейки.
Способ осуществляют следующим образом:
Пример 1. Обрабатываемую деталь «Сопло для наплавки», материал сталь ПРХ12МФ, изготовленную методом DMD, помещаем в ячейку высокого давления (4). Затем ячейка герметично закрывается, и начинается подача газа, в частности диоксида углерода, из баллона в холодильник (1) с целью его сжижения, после чего жидкая фаза поступает в насос (2), который закачивает ее в ресивер (3) до момента достижения заданного давления, равного 10 МПа. Одновременно с этим, насос (8) подает в ресивер (3) органическую добавку - уксусную кислоту в количестве 25% от массы диоксида углерода. В ресивере происходит нагрев смеси до заданной температуры, равной 45°С, и переход смеси в сверхкритическую фазу, после чего смесь подается в ячейку (4), где происходит зажигание электрического разряда и осуществляется поверхностей детали. Электрический разряд получают путем подачи напряжения между электродами, равного U≥100 В, при токе разряда 0,015≤I≤250 А, где U - напряжение между электродами; I - ток разряда. При этом за счет малой вязкости сверхкритический флюид проникает вглубь каналов обрабатываемой детали диаметром 1 мм и менее и обрабатывает поверхности внутри этих каналов. Длительность процесса обработки составляет не менее 15 с. По окончании работ источник питания отключается, газ из ресивера и ячейки медленно стравливается в атмосферу, обработанную деталь извлекают из ячейки.
Пример 2. Обрабатываемую деталь «Газовый баллон (d80)», материал нержавеющая сталь PH1, изготовленную методом SLM, помещаем в ячейку высокого давления (4). Затем ячейка герметично закрывается, и начинается подача газа, в частности диоксида углерода, из баллона в холодильник (1) с целью его сжижения, после чего жидкая фаза поступает в насос (2), который закачивает ее в ресивер (3) до момента достижения заданного давления, равного 10 МПа. Одновременно с этим, насос (8) подает в ресивер (3) органическую добавку - уксусную кислоту в количестве 15% от массы газа. В ресивере происходит нагрев смеси до заданной температуры, равной 55°С, и переход смеси в сверхкритическую фазу, после чего смесь подается в ячейку (4), где происходит зажигание электрического разряда и осуществляется поверхностей детали. Электрический разряд получают путем подачи напряжения между электродами, равного U≥125 В, при токе разряда I не менее 15А, где U - напряжение между электродами; I - ток разряда. При этом за счет малой вязкости сверхкритический флюид проникает вглубь каналов обрабатываемой детали диаметром 1 мм и менее и обрабатывает поверхности внутри этих каналов. Длительность процесса обработки составляет не менее 30 с. По окончании работ источник питания отключается, газ из ресивера и ячейки медленно стравливается в атмосферу, обработанную деталь извлекают из ячейки.
кр
кр
Применение предлагаемого способа обработки металлических изделий, содержащих удлиненные и искривленные полости малого диаметра, в среде сверхкритического флюида, позволит проводить обработку изделий в среде сверхкритического флюида, состоящего из газа с температурой (1,01-3)Т и давлением (1,01-6)Р (Ткр и Ркр - это температура и давление образования сверхкритической фазы исходной смеси) и органической токопроводящей добавки в количестве (0.5-50)% от массы газа, эффективно очищать детали от остатков исходного порошка, органических и неорганических загрязнений, увеличивать класс шероховатости поверхностей детали, увеличивать ее поверхностную твердость.