Повышение качества поверхности металлов методами электрохимической и химической обработки: закономерности и технологические решения (стр. 1 )

На правах рукописи

повышение качества поверхности металлов методами электрохимической и химической обработки: закономерности и технологические решения

Специальность 05.17.03 –

Технология электрохимических процессов и защита от коррозии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Иваново 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет

       

Научный консультант:                        доктор химических наук, профессор

                                               

Официальные оппоненты:                доктор технических наук, профессор

                                               

                                               доктор химических наук, профессор

                                               

доктор технических наук, профессор

                                               

Ведущая организация:                        ГОУВПО Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика

Защита состоится “____” _________2007 г. в _______ часов в аудитории Г205 на заседании диссертационного совета Д 212.063.02 при ГОУВПО Ивановский государственный химико-технологический университет по адресу:

153000, г. Иваново, .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО ИГХТУ   г. Иваново,  .

Автореферат разослан “_______” _____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение качества поверхности металлов при электрохимической и химической обработке имеет важное практическое значение. Состояние поверхности непосредственно влияет на технические и эксплуатационные свойства деталей, узлов и изделий в целом. Говоря о повышении качества поверхности при электрохимической обработке, чаще всего обращают внимание на уменьшение шероховатости, повышение отражательной способности, увеличение коррозионной стойкости. Это относится как к анодным (электрополирование, размерная электрохимическая обработка), так и катодным процессам (гальванотехника). Однако в некоторых случаях, наоборот, поверхность должна быть достаточно развитой (подготовка поверхности перед пайкой, нанесением защитных покрытий и др.). В любом случае для оптимизации условий проведения процесса нужно знать особенности электрохимического поведения различных металлов в электролитных системах разной природы.

Решение прикладных задач повышения качества поверхности металлов при электрохимической обработке тесно связано с изучением влияния эффектов массопереноса на показатели электрохимических процессов. Проведение анодного растворения металлов в области диффузионного контроля часто способствует уменьшению шероховатости поверхности, повышению ее отражательной способности и коррозионной стойкости. Такого рода эффекты имеют место при размерной электрохимической обработке, электрохимическом и химическом полировании металлов. Напротив, при катодном осаждении металлов в области предельных токов обычно наблюдается увеличение шероховатости.

Значительное влияние на электрохимическое поведение металлов оказывают физико-химические свойства раствора, в котором протекают электрохимические и химические процессы. Увеличение вязкости среды, переход от простых гидратированных ионов металла к комплексным частицам способствует усилению влияния диффузионных процессов. Использование неводных и водно-органических растворов электролитов позволяет изменять электропроводность, вязкость, сольватирующую и комплексообразующую способность рабочей среды, что дает возможность целенаправленно влиять на технологические показатели электрохимических процессов. Однако к настоящему времени эти преимущества водно-органических растворов использованы далеко не в полном объеме.

Дополнительные возможности регулирования условий протекания электрохимических процессов с учетом явлений массопереноса появляются при использовании нестационарных методов электролиза. Применение импульсных режимов позволяет в ряде случаев повысить качество поверхности металла как при анодной обработке, так и при катодном осаждении. Кроме того, применение нестационарных электрических режимов способствует повышению точности анодного электрохимического формообразования и равномерности распределения металла по поверхности катода в процессах гальваностегии. В то же время, внедрение перспективных технологических процессов с использованием импульсного тока тормозится недостатком знаний в этой области.

На основании выше изложенного, является актуальным изучение и обобщение данных по влиянию физико-химических свойств растворов электролитов и электрических режимов на технологические показатели процессов электрохимической и химической обработки металлов и разработка научно обоснованных рекомендаций по оптимизации составов рабочих растворов и условий обработки.

Работа выполнялась в рамках научного направления ГОУВПО ИГХТУ (2001 - 2005 гг.) «Электрохимические  и электрокаталитические процессы в различных межэлектродных средах, гальванотехника и обработка поверхности» и «Решения о научно-техническом сотрудничестве» между ИГХТУ и Государственным рязанским приборным заводом (2003-2004 гг.).

Цель работы: установление закономерностей поведения металлов при электрохимической и химической обработке и разработка на их основе высокоэффективных растворов и технологий, обеспечивающих повышение качества обработанной поверхности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

исследование поведения металлов различной природы (вольфрам, никель, медь, серебро, титан, цирконий, гафний и сплавы на их основе) при анодном и химическом растворении в водных и водно-органических растворах электролитов при условиях, обеспечивающих сглаживание микрорельефа поверхности; изучение зависимостей показателей процессов электрохимического и химического растворения металлов от физико-химических свойств растворов электролитов; исследование влияния состава раствора и условий проведения процесса на физико-химические свойства поверхностных слоев, формирующихся на металлах при анодной поляризации или химической обработке; изучение влияния свойств поверхностных слоев на процессы формирования микрорельефа, активирования и пассивирования поверхности; исследование влияния импульсного электрического режима на распределение электрического поля в электролизере и металла на поверхности катода, а также на качество поверхности как при анодной обработке, так и при катодном осаждении металлов; разработка новых высокоэффективных электролитов и технологических процессов электрохимической и химической обработки вольфрама, меди, серебра, металлов подгруппы титана и сплавов на их основе.

Научная новизна:

Впервые проведены систематические исследования анодного поведения вольфрама, никеля, меди, серебра, металлов подгруппы титана в водно-органических и водных растворах электролитов. Показано, что для изученных металлов в исследованных растворах при высоких анодных потенциалах лимитирующей стадией процесса является массоперенос в растворе. Развиты и обобщены представления о формировании микрорельефа поверхности исследованных металлов при электрохимической и химической обработке, учитывающие влияние состава и физико-химических свойств растворов на эффекты массопереноса и свойства поверхностных слоев. Увеличение вязкости раствора при введении органического растворителя и повышение сопротивления поверхностного слоя вследствие легирования его компонентами раствора способствуют переходу процесса в режим полирования. С использованием метода фрактальной геометрии установлен более равномерный характер растворения вольфрама и серебра при их электрополировании в водно-органических электролитах. Установлено, что применение импульсного тока миллисекундного диапазона обеспечивает повышение катодной поляризации и поляризуемости при электроосаждении серебра из полилигандных электролитов. Это способствует формированию мелкозернистого осадка серебра и повышению равномерности его распределения по поверхности катода. На основе развитых представлений разработан ряд новых высокоэффективных электролитов для электрохимической и химической обработки металлов, обеспечивающих высокое качество обработанной поверхности, составы которых защищены авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Практическая значимость:

Разработаны составы растворов и определены режимы электрохимической обработки вольфрама и вольфрамокобальтовых твердых сплавов, циркония и гафния, позволяющие повысить точность копирования электрода-инструмента и качество обработанной поверхности. Разработанные электролиты используются на ФГУП НПП «Алмаз» г. Саратов для обработки деталей электровакуумных приборов из гафния. Их применение позволило повысить качество обработанной поверхности деталей и повышение стабильности характеристик готовых изделий при сохранении необходимой производительности процесса. Определены режимы нестационарного электролиза при электроосаждении серебра из полилигандных электролитов, позволяющие улучшить равномерность распределения катодного осадка по поверхности изделий сложного профиля и уменьшить шероховатость покрытия. Разработана технологическая схема серебрения деталей из жаростойкого сплава с использованием нестационарного электролиза, прошедшая успешную апробацию в условиях промышленного производства на «Агат», г. Гаврилов-Ям Ярославской обл. Оптимизированы условия подготовки поверхности титана, обеспечивающие нанесение серебряного покрытия без промежуточных металлических подслоев. Разработана технологическая схема однослойного серебрения деталей из титанового сплава, позволяющая повысить коррозионную стойкость изделий. Элементы технологии рекомендовано принять за базовые при разработке новой технологической схемы изготовления волноводов из титана ВТ1-0 на Государственном рязанском приборном заводе. Разработанный технологический процесс пассивации серебряных покрытий рекомендован к внедрению на Пресня» г. Приволжск Ивановской обл. Процессы химического полирования и удаления заусенцев с деталей из сплавов на основе меди в разработанных растворах внедрены в серийном производстве деталей топливной аппаратуры на -Центр», г. Ярославль. Применение разработанной технологии химического полирования на автоагрегатный завод», г. Шадринск Курганской обл. обеспечило повышение герметичности радиаторов, изготавливаемых по технологии «Купробрейз».

Автор защищает: