Очистка отливок электрическими способами от пригара и мелких заливов

Электрическими способами обработки называются такие способы, при которых разрушение материала, его удаление и структурные преобразования происходят под действием электрической энергии, вводимой непосредственно в зону обработки, без предварительных превращений ее в механическую или другие виды энергии. В применении к очистке отливок эти способы разделяются на электротермический, основанный на тепловом действии электрического тока, и электрохимический, основанный на химическом действии тока. К первой группе относятся электроконтактные способы обработки, а ко второй – катодная очистка в расплавах.

1. Электроконтактная очистка

Электроконтактный способ обработки металлов был открыт в 1925 г., но получил промышленное использование только начиная с 1951 г. Этот способ обработки основан на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через участки цепи с повышенным сопротивлением, которое возникает в месте контакта диска-инструмента и обрабатываемой отливки.

Принцип действия установки для электроконтактной зачистки (рис. 45) состоит в следующем. Диск 1 вращается электродвигателем 3 через клиноременную передачу 2. Обрабатываемая деталь 4 закрепляется на подвижном столе 5. Переменный ток в зону контакта подается через трансформатор 6.

Рис. 45. Схема электроконтактной установки

При работе станка происходит соприкосновение двух электродов (инструмента и изделия) под небольшим давлением, что приводит к образованию в месте контакта повышенного сопротивления. Проходящий через место контакта электрический ток разогревает, размягчает и плавит металл, облегчая удаление его с изделия. Для предотвращения плавления инструмента ему придают большую скорость вращения и искусственно охлаждают.

Процесс съема металла определяется количеством тепла, выделяющегося в зоне контакта, которое зависит от числа контактных мостиков и величины тока в рабочем контуре. При малом числе контактных мостиков, что соответствует обработке литых деталей, сила тока будет достаточна для оплавления этих мостиков. Кроме того, дуги короткого замыкания, образующиеся при разрыве контактных мостиков, также способствуют оплавлению поверхности изделия.

Основными показателями, характеризующими процесс элек-троконтактной обработки, являются:

– производительность – скорость съема металла с обрабатываемой детали в единицу времени (например, в кг/ч);

– качество обработанной поверхности (чистота поверхности, глубина слоя с измененной структурой и т. д.);

– обрабатываемость металла электроконтактным способом, оцениваемая удельным расходом электроэнергии в кВт•ч/кг.

Электроконтактная обработка, являясь разновидностью электроэрозионной обработки, характеризуется отсутствием генератора импульсов, так как импульсивность тока создается за счет относительного перемещения поверхности электродов. Другой особенностью этого способа является проведение процесса в воздушной атмосфере, в отличие от других видов эрозионной обработки, проводимых в электролите.

Возможность проведения электроконтактной обработки при различных значениях параметров процесса обуславливает наличие ряда разновидностей обработки, классификация которых приведена в табл. 15.

Таблица 15 Классификация разновидностей электроконтактной очистки

При низком напряжении (до 12 в) съем металла происходит за счет нагрева контактных перемычек. Дуговые разряды в зоне обработки отсутствуют или занимают в тепловом балансе межэлектродного промежутка незначительное место. При среднем напряжении (до 22 в) дуговые разряды в тепловом балансе зоны обработки занимают значительное место. При повышенном напряжении (св. 22 в) дуговые разряды, если отсутствует давление в зоне контакта, играют главную роль при съеме металла.

Точные границы между режимами установить трудно, так как они зависят от ряда причин: теплофизических свойств металла изделия и инструмента, теплообмена межэлектродного промежутка с окружающей средой, наличия давления в зоне контакта, которое, в свою очередь, может определяться технологическими условиями обработки изделия.

Удаление металла при электроконтактной обработке обусловлено главным образом тепловыми процессами. Выделение тепла в зоне контакта обусловлено как тепловым действием тока, так и трением.

На нагрев и плавление частиц металла обрабатываемой поверхности тепло расходуется полезно. Остальная часть тепла идет на нагрев диска, массы отливки и теплопередачу в окружающее пространство путем излучения и конвекции.

Материал стального диска-инструмента имеет такие же теплофизические свойства, как и металл стальной отливки. Поэтому тепло, выделяющееся в зоне контакта, поглощается инструментом и отливкой в одинаковых количествах и некоторая часть тепла рассеивается в окружающем пространстве.

При электроконтактной обработке углеродистых сталей в режиме электрического оплавления неизбежен значительный нагрев поверхностных слоев и их подкалка.

Исследованиями установлено, что зона термического влияния с измененной структурой имеет величину 1–4 мм. Углеродистая сталь и серый чугун при этом закаливаются. Твердость поверхности увеличивается в 1,5–2 раза. В то же самое время при обработке сталей аустенитного класса (например, 110Г13Л) зона термического влияния с измененной структурой составляет 0,1–0,2 мм, твердость при этом не увеличивается.

Для уменьшения скорости охлаждения, а, следовательно, и твердости закалки, обработку среднеуглеродистых сталей следует производить при небольших подачах с большой глубиной врезания. Обработку малоуглеродистых сталей и сталей аустенитного класса можно производить с большими подачами.

Для уменьшения глубины закаленной зоны целесообразно применять большие подачи и малую глубину врезания при обработке всех сталей.

2. Электрохимическая очистка

Электрохимические способы очистки металлических изделий от окислов, окалины и других видов загрязнений находят широкое применение в промышленности. При этом используются два основных способа очистки: травление в растворах кислот и травление в расплавах щелочей.

При электрохимическом травлении в растворах кислот наблюдается одновременное химическое воздействие на металлическую поверхность кислоты и электрического тока. Это приводит к растворению поверхностных слоев металла и к удалению оксидных пленок, окалины и других загрязнений, находящихся на поверхности. Удаление загрязнений происходит в результате растворения основной массы оксидов (или гидрооксидов) в кислоте с образованием растворимых солей. Например, для железа

FeO + 2НС1 → FeCl₂ + Н₂О;

Fe₂О₃ + 6НС1 → 2FeCl₃ + 3H₂О.

Выделяющийся в процессе реакции газообразный кислород разрыхляет окисел и облегчает его отрыв. Содержащиеся в окисленном слое нерастворимые в кислотах примеси (углерод, кремний, шлаковые загрязнения и др.) остаются на очищаемой поверхности в виде пятен шлама, который удаляется последующей промывкой в концентрированных кислотах.

Очистка отливок способами электрохимического травления в растворах кислот широкого распространения в литейных цехах не получила. Это объясняется следующими причинами.

Во-первых, в процессе очистки происходит удаление не только оксидов и других загрязнений, но и растворение поверхностного слоя металла. Это вызывает нарушение поверхностной литейной корки, что ведет к снижению эксплуатационной прочности и износостойкости металла отливки.

Во-вторых, растворение металла со всей поверхности отливки ведет к изменению размеров последней. В ряде случаев (литье по выплавляемым моделям, в оболочковые формы и другие виды точного литья) изменение размеров в процессе очистки отливок не допускается.

В третьих, очистка отливок электрохимическим травлением в растворе кислот является сложным многоступенчатым процессом, использование которого ведет к применению большого количества различных видов химических соединений. Применение этого способа в серийном и массовом производстве отливок связано с необходимостью иметь большое количество оборудования (и, соответственно с этим, площадей). Это вызывается сложностью и малой производительностью процесса очистки, цикл которого длится 2–3 ч.

Другим способом электрохимической очистки отливок, принципиально отличным от изложенного, является электрохимическое травление в расплавах щелочей. Этот способ основан на реакции восстановления оксидов металла на очищаемой поверхности металлическим натрием, выделяющимся на поверхности отливки в процессе электролиза расплавленной щелочи.

Восстановление щелочи протекает по следующим реакциям:

FeO + 2Na → Fe + Na₂O;

Fe₂O₃ + 6Na → 2Fe + 3Na₂O.

Образующийся металл остается на очищаемой поверхности в виде плотного слоя или порошка.

Электрохимическое травление в расплавленных щелочах является одним из прогрессивных способов очистки поверхностей отливки. Преимущество этого способа заключается в том, что металл в процессе очистки совершенно не разрушается. В то же время окалина восстанавливается и происходит химическое растворение пригара в электролите, состоящем из расплавленного технического едкого натра, под действием температуры расплава и постоянного тока.

Установка для электрохимической очистки отливок способом травления в расплавленных щелочах (рис. 46) состоит из ванны 1 с расплавленным каустиком, отливки 2, подвески 3 с электроконтактным устройством 4 и источника постоянного тока 6 с блоком приборов управления и автоматики 5.

Рис. 46. Схема установки для электрохимической очистки отливок: 1 – ванна; 2 – отливка; 3 – подвеска; 4 – электроконтактное устройство; 5 –источник постоянного тока; 6 – блок приборов управления и автоматики

Установка работает следующим образом. Отливки, подлежащие очистке, укрепляются на подвеске и с помощью транспортного устройства (например, тельфера) опускаются в ванну с расплавленным каустиком. Источник питания подключается к ванне таким образом, что отливка является катодом, а корпус ванны – анодом. В процессе очистки с поверхности отливки удаляется окалина и пригар. Окалина состоит из трех слоев (рис. 46), образуемых оксидами железа FeO, Fe₃O₄ и Fe₂O₃, причем закись железа FeO преобладает. Химический состав пригара более сложен и состоит главным образом из SiО₂, А1₂О₃, Fe₂SiО₄ и др.

Рис. 46. Строение слоя окалины

Составные части окалины и пригара взаимодействуют с расплавленной щелочью следующим образом:

Fe₂O₃ + 2NaOH = Na₂Fe₂O₄ + Н₂O;

FeO + 2NaOH — Na₂FeO₂ + H₂O;

SiO₂ + 2NaOH = 2Na₂SiO₃ + H₂O;

A1₂O₃ + 6NaOH = 2Na₃A1O₃ + 3H₂O;

Fe₂SiO₄ + 6NaOH = 2Na₂FeO₂ + NaSiO₃ + 3H₂O.

Образовавшийся в электролите феррат натрия окисляется выделяющимся на аноде кислородом в феррит натрия

2Na₂FeO₂ + О + Н₂O = Na₂Fe₂O₄ + 2NaOH.

Феррит натрия, в свою очередь, взаимодействует с двуоксидом углерода воздуха. При этом образуется сода и окись железа

Na₂Fe₂О₄ + СО, = Na₂CО₃ + Fe₂О₃.

В процессе взаимодействия щелочи с окалиной и пригаром на границе электролит–металл непрерывно образуется насыщенный раствор феррита и феррата натрия и растворимого стекла, препятствующий удалению последующих слоев окалины и пригара. Однако под действием постоянного тока в расплавленном едком натре на катоде происходят следующие реакции:

Na⁺ + е^– = Na;

Н⁺ + е^– = Н;

Fe⁺⁺ + 2е^– → Fe;

Fe⁺⁺⁺ + 3е → Fe.

Выделяющийся на катоде металлический натрий растворяется в электролите и диффундирует в анодное пространство, а навстречу ему движутся образовавшиеся на аноде (при разряде) вода и кислород. При этом происходят реакции

2Na + 2Н₂О = 2NaOH + 2Н;

Na + Н = NaH;

2Na + О = 2Na₂О.

Последние две реакции проходят в интервале температур 350–400 ºС.

Оксид натрия вступает в реакцию с водородом и кислородом, образуя снова едкий натр

2Na₂О + 2Н₂ + О₂ = 4NaOH.

Выделяющийся на катоде водород взаимодействует с карбидами, вызывая обезуглероживание

Fe₃C + 4Н → 3Fe + СН₄.

Типовой технологический процесс электрохимической очистки отливок методом катодного травления в расплаве щелочи состоит из следующих операций:

– катодное травление в расплавленной щелочи (480–500 °С);

– промывка в холодной воде (18–20 °С);

– промывка в горячей воде (70–80 °С).

Особенностью операции монтажа отливки на загрузочное приспособление является необходимость создания надежного электрического контакта между приспособлением и отливкой.

Травление осуществляется в расплаве, оптимальный состав которого по составляет 92 % NaOH, 5 % NaCl, 2 % Na₂CО₃, 1 % NaF. Продолжительность травления составляет 20–30 мин и зависит от величины пригара и сложности конфигурации отливки. Сила тока, пропускаемого через электролит, зависит от величины очищаемой поверхности и составляет 15–25 а/дм².

После травления отливки погружают в ванну с холодной водой. При резком охлаждении от очищенной поверхности отслаивается феррит. Затем отливки промываются в горячей воде для окончательного удаления щелочи. Продолжительность промывки в холодной и горячей воде составляет по 3–5 мин.

Кроме указанных операций, в технологический процесс, как правило, включают еще и операцию фосфатирования, которая предназначена для создания на очищенной поверхности слоя, защищающего отливку от ржавления.

Процесс фосфатирования (с заполнением пор поверхности металла антикорродирующим веществом) ведется в растворе, содержащем 4 % соли Мажефа [Fe (Н₂РО₄)₂•Мn (Н₂РO₄)₂] и 6 % бихромата натрия (Na₂Cr₂O₇). Температура раствора 80–90 °С.

В результате фосфатирования на поверхности отливки образуется защитная пленка из фосфорнокислых соединений железа и марганца

Fe (H₂PO₄)₂•Mn (Н₂РO₄)₂ + 4Fe → Fe₃ (РO₄)₃ + FeMn (РO₄)₂ + 4Н₂O.

Эти соединения плохо растворяются в воде. Одновременно с этим на поверхности отливки адсорбируется ингибитор – бихромат натрия, повышающий коррозионную стойкость деталей. Образовавшаяся пленка имеет кристаллическую структуру используется в качестве грунта под окраску.

При погружении в расплав щелочи холодной отливки в ней могут возникнуть опасные напряжения, вызывающие коробление. Для предотвращения этого явления следует сложные отливки подвергать предварительному нагреву до температуры 250 °С и лишь затем загружать в расплавленную щелочь.

При очистке отливок количество щелочи в ванне постепенно уменьшается. Это связано с уносом щелочи с отливками и образованием химических соединений, выпадающих в осадок (шлам). Поэтому в ванну следует периодически добавлять щелочь (в виде твердых кусков или в растворе после регенерации шлама). Добавление щелочи и корректировку состава электролита следует производить в холодном состоянии при температуре не выше 25 °С.

Таким образом, полный цикл очистки состоит из следующих операций: предварительный нагрев, катодное травление, промывка в холодной и горячей воде, фосфатирование и сушка.

Как показали исследования, процесс электрохимической очистки катодным травлением в расплавленных щелочах не влияет на прочностные свойства металла отливок, не вызывает их деформацию и применим для очистки отливок с минимальными припусками под механическую обработку. В то же время частичное обезуглероживание поверхности, наблюдаемое при катодном травлении, повышает эксплуатационную стойкость металлорежущего инструмента, за счет снижения твердости литейной корки.

Простота способа электрохимической очистки отливок методом катодного травления в расплавленной щелочи позволяет полностью механизировать и автоматизировать этот процесс. Он применим для изделий различной сложности и веса из разных марок стали и чугуна, массово-поточного, серийного и индивидуального производства.