Смоленцев В.П., Смоленцев Г.П. Электрохимическое маркирование деталей - файл n1.docx

приобрести
Смоленцев В.П., Смоленцев Г.П. Электрохимическое маркирование деталей
скачать (2356.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx2357kb.13.09.2012 21:12скачать

n1.docx

  1   2   3
В.П.Смоленцев, Г.П.Смоленцев, З.Б.Садыков

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ МАРКИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ

ПРЕДИСЛОВИЕ
Маркирование металлических деталей применяется в тех отраслях машиностроения, где необходимо опознавание каждой отдельной детали на всех стадиях обработки и сборки. Отсутствие опознавательного знака на деталях может привести к значительным задержкам сборки изделий ввиду необходимости повторного установления отличительных признаков.

В настоящее время возросли требования к качеству наносимой информации. Эти операции следует выполнять способами, не снижающими прочность изделия, при малых силах, особенно в тонкостенных деталях.

Одним из таких методов является электрохимическое маркирование. Процесс протекает в водных растворах нейтральных солей (хлористого натрия, азотнокислого калия и др.) при напряжении технологического тока до 8 В, и только при маркировании титановых сплавов напряжение может достигать 12 В.

Форма углублений при электрохимическом маркировании представляет собой сложный узкий профиль, формообразование которого имеет специфические особенности. Оно происходит при неподвижных электродах с малыми зазорами (не более 0,3 мм). Электролит на заготовку наносится смачиванием или подается насосами со скоростью до 7 м/с, что значительно ниже, чем при других способах электрохимической обработки. Контуры знаков должны быть контрастными, четко выделяться на различных металлах. Это обеспечивается цветом и плотностью осаждаемых твердых продуктов реакции, свойствами окисных пленок.

При расчетных режимах маркирования можно получать контуры знаков с шириной штриха менее 0,1 мм. Это обеспечивает нанесение информации стандартными шрифтами высотой знака 1,5 мм и более.

Электрохимическим методом можно маркировать детали любой формы и габаритов из токопроводящих материалов. Силы, возникающие в зоне формирования знаков, не превышают 100 Н, что не может вызвать деформацию и поломку деталей.

Электрохимическое нанесение информации нашло применение в ряде отраслей машиностроения при изготовлении инструмента, оснастки, изделий основного производства и товаров народного потребления. Электрохимическое маркирование успешно внедряется в единичном, серийном и массовом производстве. Использование электрохимического маркирования позволяет механизировать и автоматизировать процесс, повысить качество наносимой информации при снижении трудоемкости операции.

Настоящая работа отражает накопленный опыт электрохимического маркирования деталей, включая расчеты оптимальных технологических режимов, и разработку оборудования.

СПОСОБЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МАРКИРОВАНИЯ
Независимо от материала и размеров деталей электрохимическим маркированием можно наносить мелкие индексы, видимые как контрастный элемент, или же углубления до десятых долей миллиметра, аналогичные знакам, получаемым ударным клеймением. Такая информация на детали необходима, если на маркируемый участок наносят покрытия (гальванические, лакокрасочные и др.) или же подвергают его последующей обработке (полированию, галтовке, виброобработке, упрочнению и др.), при которой мелкие (до 0,02 мм) индексы полностью снимаются или становятся невидимыми.

Процесс мелкого маркирования протекает в среде неподвижного электролита, съем металла практически отсутствует, а информация проявляется путем изменения цвета части поверхности детали. Такой способ называют цветным маркированием, он не требует стационарных установок и может быть использован при маркировании труднодоступных мест крупногабаритных деталей и непосредственно изделий.

Способы мелкого маркирования деталей приведены на рис. 1. Операция может быть выполнена с помощью знаков, имеющих требуемый профиль, или же с использованием трафаретов, на которые нанесена необходимая информация. В качестве токоведущего знака используется стандартный шрифт от пишущих машинок или типографский шрифт, получаемый на шрифтолитейных машинах и закрепляемый на корпусе клейма (рис. 2, а). К недостаткам этого способа относится быстрое окисление рабочей поверхности шрифта, что требует систематической ее чистки. Стойкость типографического шрифта не превышает 5000 циклов маркирования, шрифт от пишущих машинок имеет стойкость в 5-6 раз больше. В меньшей степени окисляются знаки, полученные с помощью пантографов гравированием, набором из отдельных элементов или фотохимическим методом непосредственно на торцовой поверхности корпуса из коррозионно-стойкой стали или латуни.

Для локализации процесса растворения металла в зоне знаков пространство между ними залито диэлектриком, обработанным заподлицо со знаками. Рабочий зазор при обработке обеспечивается диэлектрическими калиброванными накладками, закрепляемыми в нерабочих зонах торцовой поверхности корпуса, или же выступами изоляции, получаемыми до ее застывания вокруг местных углублений иглой. Такой способ маркирования применим при нанесении отдельных индексов, а также при использовании нумераторов с изменяемым набором знаков


Рисунок 1 – Способы мелкого маркирования деталей


Рис. 2. Мелкое маркирование с использованием токоведущего профиля (а); диэлектрической заливки профиля знака (б); выступающих знаков (в); способа накатывания (г); электрохимического "карандаша" (д): 1 - корпус инструмента; 2 - токоведущий знак; 3 - диэлектрическая заливка; 4 — диэлектрический выступ: 5 - маркируемая деталь; 6 - электролит; 7 - углубление с контуром знака, залитое диэлектриком; 8 - диэлектрическая прокладка; 9 - наносимый знак; 10 - выступающий под знаком диэлектрик; 11 - нетокопроводящий корпус; 12 — токоподвод; 13 — токопроводящая паста
В тех случаях, когда знак должен сохранить цвет основного металла, растворяют и изменяют цвет металла вокруг знака (рис. 2, б). Профиль рабочей поверхности инструмента получают обычно гравированием или фотохимическим методом. Трудоемкость его изготовления значительно меньше, чем по схеме на рис. 2, а. Определенные трудности возникают при нанесении диэлектрика в углубления и при последующей обработке торца. В это! схеме диэлектрическая накладка, регулирующая зазор, крепится к корпусу клейма.

При знаках высотой более 3—5 мм можно вообще исключить нанесение диэлектрика, выполняя знаки выступающими (рис. 2, в) или углубленными относительно торцовой поверхности более 0,8—1,0 мм. Однако контур знака получается не всегда четким вследствие рассеяния тока, поэтому такой способ может быть рекомендован только для крупных знаков.

Указанные недостатки в какой-то мере устраняет растровый метод, при котором рабочая поверхность электрода-инструмента представляет торцовую часть изолированных друг от друга стержней, пластин или трубок в форме растровой решетки. Каждый стержень или трубка подключены к источнику тока и наносят на поверхность детали знаки в форме точек. Сочетанием отдельных точек можно получить любые индексы.

Современные установки для растрового маркирования включают букво- и цифропечатающие механизмы типа пишущих машинок. Такие механизмы выполняют роль программирующих устройств. При нажатии той или иной клавиши к источнику тока подключается часть стержней или трубок, которые в сумме образуют заданный контур. Маркирование выполняют либо последовательно после набора каждого знака, либо одновременно путем нанесения на деталь всей требуемой информации. В последнем случае необходимо запоминающее устройство, фиксирующее набранные индексы.

Недостатком растрового метода является прерывистый или неровный контур наружного профиля индексов, что может ограничить область его применения в машиностроении.

При необходимости нанесения обширной информации или знаков большой высоты надписи формируются последовательно подвижным инструментом. Схема электрохимической накатки информации на детали плоской формы показана на рис. 2, г. Здесь инструмент последовательно перемещается вдоль детали и вращается без проскальзывания (направления движения показаны на схеме стрелками). Аналогично наносится информация на круглые детали, например метчики, сверла, где обоим электродам придают синхронное вращательное движение с одинаковой линейной скоростью по периферии детали. Использование схем с перемещением инструментов требует хорошо отлаженной кинематики механизмов движения электродов и повышенной жесткости узлов приспособлений для маркирования. По той же схеме производят маркирование сменными знаками или группой знаков, например, при нанесении информации на поверхность, состоящую из участков, расположенных на разном уровне относительно рабочей поверхности инструмента.

Распространено выполнение надписей непрофилированным электродом - электрохимическим карандашом (рис. 2, д). Инструмент перемещают обычно вручную, но способ может быть механизирован, например, с применением пантографа или программирующего узла.

Используя трафарет, можно упростить изготовление рабочей части клейма. Носителем информации является сам трафарет, который одновременно устанавливает величину зазора между электродами. Обработка возможна с неподвижными электродами или по схеме накатывания.

В зависимости от трафарета профиль знаков на детали может быть различным. Если отверстия на трафарете выполнены, например, просечкой (рис. 3, а), то между ними должны быть перемычки, которые удерживают от выпадения отдельные части цифр и букв. В местах перемычек индексы отличаются по цвету, особенно при мелких шрифтах. Прочность и долговечность трафаретов невысока.

Применяется также метод нанесения информации с использованием трафаретов, профиль знаков в которых получен серией мелких отверстий, пробиваемых искровыми разрядниками (рис. 3, б). Качество знака здесь толпе удовлетворительное, заметно повышается прочность и долговечность трафарета, однако весьма сложен процесс получения близкорасположенных мелких отверстий.




Рис. 3. Мелкое маркирование с применением трафарета: a - со знаками, полученными просечками, гравированием, прессованием; б — со знаками, полученными системой мелких отверстий; в - с участками различной проводимости; 1 - участок трафарета с низкой проводимостью; 2 - участок трафарета с повышенной проводимостью.

Рисунок 4 – Способы глубокого маркирования сталей
Используя специальную бумагу, можно получать трафареты (рис. 3, в) : непрерывными знаками путем печатания их на пишущей машинке. В местах удара толщина бумаги снижается, но остается достаточной для сохранения целостности знака. Электролит и ток проходят через утоненные места и позволяют получить четкие знаки. Недостаток способа – необходима специальная бумага.

Если заготовка трафарета в виде диэлектрического покрытия наносится на поверхность анода или катода, а далее в ней получают требуемый профиль, то знаки получаются непрерывными.

Глубокое маркирование протекает в среде проточного электролита, как' правило, на стационарных установках. Применяется для деталей ограниченных размеров, хотя известны передвижные и переносные установки нанесения глубоких индексов на изделия [13].

Глубокое маркирование может быть осуществлено профильными знаками, непрофилированным электродом или с применением трафарета (рис. 4). В отличие от цветного (мелкого) маркирования здесь обязательным условием получения знака заданной глубины является прокачка электролита через зазор (рис. 5), удаляющего продукты обработки и позволяющего растворять металл на большую глубину. Прокачка может происходить вдоль обрабатываемой поверхности (рис. 5, а) или же через отверстия в корпусе инструмента (рис. 5, б). Для улучшения условий эвакуации продуктов обработки из зазора используется обратная прокачка (отсос) жидкости, что позволяет удалить газообразную и твердую фазу и открыть доступ в 30Ну обработки свежего электролита. Недостатком схемы с прокачкой электролита через отверстия в корпусе инструмента (см. рис. 5, б) является сложность изготовления инструмента (особенно мелких отверстии в рабочей зоне).

Гидродинамический режим оказывает большое влияние на качество информации, поэтому имеет смысл управлять процессом путем изменения времени подачи электролита. Например, для некоторых материалов подачу электролита производят с задержкой на 1-2 с [А.с. 347149 (СССР)], что снижает размыв контура, так как формирование профиля индекса происходит в условиях неподвижного электролита. Опыт показал, что целесообразно также отключать электролит за несколько секунд до окончания процесса маркирования. Это дает возможность получить более контрастный знак вследствие лучшего осаждения продуктов обработки на дно углубления При большой глубине знака положительно сказывается подача электролита в виде серии последовательных импульсов, что позволяет улучшить условия эвакуации продуктов обработки и сохранить требуемую контрастность информации.

При маркировании подвижным инструментом может быть использована схема с его перемещением к детали на врезание (рис. 5, в). Эта схема осуществима при значительной длине знаков и может применяться при хорошо налаженной технологии их получения, например, из фольги фильерным способом с изоляцией боковых сторон. Такое маркирование позволяет получать знаки глубиной, не достижимой другими известными способами. Однако конструкция оборудования для маркирования резко усложняется, так как перемещение инструмента требует сложных механизмов слежения и регулирования зазоров, поэтому, несмотря на очевидные достоинства способа, он пока не получил заметного практического распространения.

Схема с перемещением инструмента (непрофилированного электрода — стержня, проволоки, трубки и др.) параллельно обрабатываемой поверхности

(рис. 5, г) позволяет полностью отказаться от необходимости изготовления профильного инструмента, но требует сложных механизмов для его подачи по заданной программе при сохранении требуемой глубины знака и межэлектродного зазора.

Вибрация инструмента в направлении по нормали к поверхности детали дает возможность изменять условия протекания процесса (величину зазора, скорость съема металла и др.) за каждый цикл перемещения инструмента. Улучшаются условия промывки зазора за счет поршневого эффекта, снижается минимальная величина зазора в точках сближения электродов. Однако способу свойственны некоторые недостатки: наблюдается размыв контура, видимо, вследствие снижения жесткости конструкции при подвижном закреплении инструмента, усложняется сама конструкция установки, снижается ее надежность.

Рисунок 5 - Глубокое маркирование с прокачкой электролита вдоль обрабатываемой поверхности (а) и через катод-инструмент (б); с перемещением инструмента по норма ли к маркируемой поверхности (в); с перемещением инструмента вдоль маркируемой поверхности (г); с вибрирующим трафаретом (д); с трафаретом или диэлектрическим покрытием на поверхности детали (е):

1 - корпус инструмента; 2 - токоведущий знак; 3 - диэлектрическая заливка; 4-диэлектрическая прокладка; 5 - маркируемая деталь; 6 - отверстия для электролита; 7 - непрофилированный электрод; 8 рычаг с опорой; 9 – трафарет


Рисунок 6 – Виды технологического тока, применяемого при маркировании
При глубоком маркировании по трафарету информации с мелким шрифтом (высота до 2,0-3 мм) сложно обеспечить необходимую прочность трафарета, так как движение жидкости вызывает интенсивное изнашивание и поломку узких перемычек и ажурных частей знаков. Для более крупных надписей съем металла в середине и по краям штриха становится неравномерным, и качество маркирования не всегда соответствует требованиям ГОСТа. Для достижения равномерного съема металла по всему профилю знака вводится колебание трафарета с частотой до 50 Гц в направлении, перпендикулярном к поверхности электродов [А.с. 537782, 599951 (СССР) ]. Конструктивно схема может быть реализована с помощью рычажного механизма (рис. 5,д) с большим (относительно размеров рабочей части) удалением шарнира или же с направляющими, позволяющими обеспечить строго перпендикулярное (относительно рабочей поверхности) перемещение трафарета. Недостатки схемы: необходимость использования трафарета значительной толщины, обеспечивающей требуемую его жесткость, повышенный зазор, так как трафарет колеблется и необходимо обеспечить требуемый поток электролита через зазор.

Широкое распространение в промышленности получил способ маркирования путем нанесения на заготовку слоя диэлектрика с требуемой информацией фотохимическим методом (рис. 5, е). Такой способ особенно эффективен при нанесении обширной информации с использованием различных шрифтов и знаков, имеющих элементы малых толщин и сложного профиля, которые сохраняют высокую прочность в результате связей с материалом детали. К недостаткам способа следует отнести одноразовое использование трафарета, необходимость в дополнительных операциях по нанесению изоляции информации, ее закреплению и удалению после маркирования.

Процесс нанесения информации можно выполнять с использованием постоянного, переменного или импульсного тока (рис. 6). В большинстве случаев применяют постоянный ток. Для маркирования некоторых материалов можно использовать переменный ток, который позволяет получать знаки более темного цвета и при смене полярности удалять загрязнения с рабочей поверхности инструмента.



Рисунок 7 Формирование импульса в зазоре: 1 – корпус инструмента, 2 – токопроводящий знак, 3 – диэлектрическая заливка, 4 – токоведущая сетка, 5 – маркируемая деталь.

Наиболее контрастные знаки можно получить при комбинированном токе, используя первоначально постоянный, затем переменный ток. На первом этапе маркирования формируется углубление, на последующем — его затемнение. Для получения четкого знака время включения переменного тока должно быть в пределах 1 с, или необходимо реверсировать ток. Такая маркировка дает устойчивое к истиранию изображение на поверхности детали и хорошо сохраняется при последующих электрополировании, термообработке, оксидировании.

Импульсный ток дает заметный эффект при глубоком маркировании в основном вследствие снижения "размыва" контура. При этом его положительный эффект возрастает с глубиной обработки. Импульсный ток получают от источника или создают непосредственно в зазоре [А.с. 578178 (СССР)], применяя в качестве источника обычные выпрямители (рис.7). Между электродами устанавливают токоведущую сетку, на которую подают переменный или униполярный ток от маломощного источника. Сетка в зазоре выполняет ту же функцию, что и аналогичная деталь в электронных лампах. При полярности сетки, совпадающей с полярностью детали, ток проходит через зазор, но как только полярность сетки будет другой, она "запирает" зазор, и ток прекращается. Практически получена частота следования импульсов до 50 Гц.

При постоянном и импульсном токе деталь обычно служит анодом, но известны случаи, когда обратная полярность дает лучшее качество информации, в частности, при маркировании кадмированных деталей [А.с. 341628 (СССР)], имеющих после кадмирования значительную шероховатость, на которой устойчиво удерживается осадок.
ОБРАЗОВАНИЕ ИНДЕКСА НА РАЗЛИЧНЫХ СПЛАВАХ
Мелкое (цветное) маркирование. Процесс электрохимического маркирования имеет свои специфические особенности: во-первых, его осуществляют без прокачки электролита, во-вторых, требуемая для маркирования малая ширина штриха рабочей части катода существенно меняет условия газонаполнения, массопереноса в зазоре, что оказывает определяющее влияние на технологические показатели процесса. Предполагалось, что процесс удаления металла с анода при малых зазорах без прокачки электролита лимитируется главным образом скоростью накопления продуктов обработки [24, 28]. Однако анализ имеющегося фактического материала позволяет утверждать, что в силу малого поперечного размера рабочей части индекса и отсутствия прокачки главное воздействие на ход процесса и качество изображения оказывает характер распределения газов по рабочей поверхности электродов.

Это хорошо подтверждают результаты осциллографирования для слабопассивирующихся сплавов, откуда следует, что уже при очень малых скоростях электролита (около 2-Ю"2 м/с) выделяющийся газ, оставаясь на поверхности детали, локально адсорбируется в виде пузырей и лимитирует процесс, а цветной осадок плотно ложится на поверхность детали. Основываясь на этом, можно представить процесс маркирования с достаточно полным учетом реальных условий протекания электролита в зазоре, принимая его аналогичным процессу пузырькового и пленочного кипения жидкости. Три этом основные уравнения массопереноса в зазоре и критерии подобия процесса могут быть перенесены из гидравлики газожидкостных систем.

Исследования зоны индекса, в частности цветного слоя, показали, что для различных материалов механизм образования этого слоя различен. Для слабопассивирующихся сплавов (конструкционные, коррозионно-стойкие стали, жаропрочные сплавы) цветное изображение определяется осадком продуктов обработки: в случае титановых сплавов такие осадки не были обнаружены и цвет знака здесь определяется свойствами пленки, образующейся на поверхности детали в зоне нанесения информации.

Под действием тока в растворах нейтральных солей на поверхности слабопассивирующихся анода или катода получается цветное изображение наносимых знаков в результате осаждения продуктов реакции на одном из электродов.

Способы электрохимического маркирования без прокачки электролита не обеспечивают значительной глубины знаков; причиной этого является резкое повышение сопротивления межэлектродного промежутка и снижение его электропроводности в результате изменения электропроводности среды в межэлектродном промежутке вследствие повышенного газонаполнения. Пузырьки газа (главным образом водорода) остаются в зазоре, экранируют катодную поверхность и уменьшают сечение для прохождения тока, уменьшая тем самым эффективную электропроводность[17]. Нагрев электролита в зазоре, обусловленный выделением джоулева тепла при прохождении тока, приводит к повышению электропроводности электролита. Эти противоположно действующие факторы частично компенсируют друг друга, но, видимо, влияние первого фактора сильнее [15].

Скоростные съемки, проведенные на установке Казанского авиационного института, показали, что в момент включения тока на конструкционных сталях возникают пузырьки водорода и кислорода, причем определяющим является водород; на других материалах кислород образуется в малых количествах и визуально практически не просматривается.

В первый момент на поверхности катода образуются участки группирования пузырьков водорода, каждый из которых имеет диаметр 0,01— 0,03 мм. Пузырьки растут, достигают определенного объема и отрываются от катода. Под действием давления других пузырьков они перемещаются вглубь межэлектродного промежутка и одновременно двигаются к границе рабочей зоны. При этом диаметр пузырьков растет вследствие слияния их в единый пузырь, так что при зазоре 0,3 мм он достигает 0,1 мм, а при зазоре 0,7 - 0,2-0,25 мм. Далее часть пузырьков достигает критического размера и сливается в единую пленку газа, особенно в прианодной зоне. Происходит перекрывание зазора, а при прокачке электролита возникает пульсационный режим.

Анализ скоростных съемок [17] показывает, что критический радиус, характеризующий возможность существования газового пузырька при маркировании, составляет 0,012—0,018 мм. Следовательно, для протекания процесса желательно иметь начальный зазор, который исключал бы образование единого устойчивого газового пузырька, т.е. зазор менее 0,025-0,04 мм.

Анализ процесса маркирования в непроточном электролите с одновременной записью тока показывает, что вначале в течение 0,03 с плотность тока растет, достигая наибольшего значения, затем начинает снижаться и приближается к нулевому значению при практически полном заполнении зазора газом (через 0,15-0,18 с). После этого процесс еще притекает в форме всплесков за счет вытеснения газа вдоль зазора из рабочей зоны и попадания на его место электролита, что дает возможность продолжить анодное растворение металла.

Таким образом, при маркировании затухание процесса происходит преимущественно вследствие оттеснения электролита из рабочей зоны, и время протекания его "характеризуется количеством газов, необходимых для заполнения зазора, с учетом выталкивания части пузырьков из рабочей зоны.

Одновременно с поляризацией электродов идет заполнение зазора газами, особенно водородом. Происходит пассивация электродов, при этом плотность тока резко падает. Этот процесс длится около 0,2 с, в течение которых происходит травление анода. Следующие 0,2—0,3 с процесс протекает при малой плотности тока, в это время происходит осаждение продуктов реакции на элементы знаков.

Образующийся в ходе реакции газ попадает в зазор и скапливается в нем, частично стекая с границ штрихов на электродах. С учетом удаления части газа структурная схема процесса приведена на рис. 8. Конечным звеном процесса, дающим возможность управлять технологическими показателями, является действительная электропроводность в зазоре.


Рисунок 8 – Схема электрохимического маркирования с учетом особенностей протекания процесса
При маркировании превалирующее влияние будет оказывать газонаполнение, которое воздействует на технологические показатели процесса. Заполнение межэлектродного пространства (зазор 0,05 мм) газовой фазой происходит в сотые доли секунды; далее процесс постепенно затухает. Предельное значение газонаполнения соответствует 0,7-0,75, что характерно для схемы плотной упаковки газа в форме сферических тел. Как показали кадры скоростной киносъемки, газовый пузырь удаляется из межэлектродного зазора, когда его радиус достигает критического значения. Все пузыри с радиусом, достаточным для отрыва от поверхности катода, и находящиеся на границе катода, выталкиваются за пределы рабочей зоны. Оставшиеся газовые пузыри определяют степень газонаполнения зазора и его электропроводность, определяющую технологические возможности мелкого маркирования.

Для таких материалов, как титан и его сплавы, получение цветного знака объясняется не окраской осадка, а пленкой, поскольку свет, проходящий через нее, отражается от металла и может частично погашаться при сложении со светом, отраженным от внешней поверхности образца (рис. 9), т.е. здесь имеет место оптическое явление интерференции [3]. Непогашенная, т.е. дополнительная до белого цвета, часть спектра придает пленке характерную окраску, которая зависит от толщины растущего на металле слоя и коэффициента преломления света в нем, т.е. толщина оксидной пленки определяет и контрастность индексов. Зная условия роста пленки, можно правильно выбрать электролиты для электрохимического маркирования титановых сплавов и найти оптимальные режимы маркирования.


Рис. 9. Образование интерференционной окрашенности пленок на титановых сплавах: 1, 2 - падающие лучи света; 3 - отраженный от пленки луч; 4 - луч, отраженный от маркируемой поверхности после преломления

(? - толщина пленки)
Исследование микроструктуры пленок, полученное при анодировании (рис. 10), показало, что она содержит два слоя: тонкий барьерный слой непосредственно на металле и толстый пористый слой. Плотная барьерная пленка образуется лишь в начале процесса; дальнейшее наращивание толщины ее сопровождается увеличением пористости, которая объясняется сопутствующим процессу маркирования газообразованием.


Рисунок 10 – Расположение оксидных пленок на титановых сплавах: Н1-барьерный слой; Н2- пористый слой
При толщине пленки, превышающей (2-3,5) ТО"2 мкм она начинает приобретать окраску, причиной которой является интерференция света (см. рис. 9). Это оптическое явление зависит только от толщины и состава пленки. Проявление на детали информации не является результатом окрашенности продуктов реакции, что характерно для сталей. Поэтому для определения требуемого цвета знака на титане и его сплавах можно воспользоваться разработанным Е. С. Воронцовым методом интерференционных индикаторов, который позволяет определять по толщине пленки ожидаемый цвет знака, получаемого при электрохимическом маркировании [3]. Для выбора электролита при мелком электрохимическом маркировании титана и его сплавов рекомендуется диаграмма (рис. 11). В основу выбора положен принцип получения на детали контрастного, стойкого знака. Исследования показали, что наиболее контрастными являются индексы синего цвета, что соответствует толщине пленки около 5 Ч 10-2 мкм (см. рис. 11).

Рисунок 11 – Зависимость цвета знака от толщины пленки
Глубокое маркирование. Процесс выполняют с прокачкой электролита через зазор, который должен быть значительно больше, чем при мелком маркировании. Поток жидкости уносит продукты обработки и снижает диффузионные ограничения. Однако при малой скорости жидкости уменьшается предельная глубина знаков. При высокой скорости электролита и неблагоприятной геометрии зазора (крутые повороты потока электролита, внезапные расширения и т.д.) электрическое сопротивление межэлектродного промежутка может возрастать с увеличением скорости, что объясняется нарушением сплошности потока. Последнее вызывает ухудшение качества информации.

При глубоком маркировании продукты удаления обработки и газов неодинаково распределяются по промежутку. Газонаполнение имеет повышенное значение в застойной зоне углубления, а также вблизи поверхности инструмента и зависит от скорости потока (средняя величина газонаполнения 0,3—0,45). Для получения контрастного изображения в конце процесса целесообразно снизить скорость электролита и тем самым создать условия для плотного осаждения продуктов обработки на дно углублений.
РЕЖИМЫ МАРКИРОВАНИЯ
Выбор электролитов. Применяемые при маркировании электролиты не должны содержать соединений, которые могут образовать твердые продукты восстановления на катоде. Поэтому в основном используют нейтральные растворы солей щелочных металлов, при которых образующиеся на аноде ионы тяжелых металлов не достигают катода, переходя в гидроокиси в межэлектродном промежутке или в прикатодном диффузионном слое. В кислых растворах возможно катодное осаждение некоторых металлов: железа, никеля, меди. В связи с тем, что такое осаждение металла, особенно в форме дендритов, искажает форму катода и приводит к периодическим коротким замыканиям, оно недопустимо с технологической точки зрения. Растворение железа в щелочных растворах происходит по механизму, предложенному Б. Н. Кабановым и др., рассмотренному применительно к электрохимической размерной обработке Р. А. Мирзоевым. Продукты реакции железа и создают цветное изображение на поверхности детали.

При наличии в растворе активирующих ионов (например, галоидных) растворение происходит активнее, но изображение получается в виде микроуглублений.

По отношению к железу галоидные анионы можно расположить в ряд по повышающейся активирующей способности: йод, бром, хлор.

Исследования процесса показали, что введение определенного количества галоидных анионов в состав электролита для маркирования материалов с высоким содержанием легирующих элементов оказывает положительное влияние на качество индекса, позволяет получить изображение с повышенной стойкостью к механическим воздействиям. При этом на дне микроуглублений получается нерастворимая темная пленка продуктов реакции, что обеспечивает повышенную контрастность изображения. Указанный подход позволил предложить новые составы перспективных электролитов на базе йода, марганцевокислого калия и других компонентов [А.с. 390909, 329994 (СССР)].

Большое влияние на механизм образования цветного изображения и эксплуатационные качества этих электролитов оказывает способ их приготовления. Для ряда электролитов необходимы предварительный подогрев растворов до кипения, медленное охлаждение их до исходной температуры и последовательное удаление осадка путем фильтрования [А.с. 390909 (СССР).]. При наличии в составе электролита йода его необходимо предварительно растворять только в спирте, а не в воде, где он практически нерастворим.

Для получения точного отображения катода на аноде необходимо применять электролиты с малой электропроводностью и большой пассивирующей способностью. Это обеспечивает требуемую ширину штриха.

Среди электролитов, рекомендуемых к использованию, необходимо подобрать те, которые позволяют получить минимальный "размыв" знака, так называемое уширение ДВ (рис. 12) :



где В - ширина штриха на инструменте; L - ширина штриха на детали.


Рисунок 12 – «Уширение» знака при маркировании
Согласно стандартам при маркировании отклонение ширины индекса от номинального значения должно быть не более 4-10 %, особенно при маркировании мелких знаков, которые при большом значении ?В могут слиться и нарушить качество информации. Кроме того, некоторые электролиты могут вызывать повышенное содержание водорода [2] в поверхности сплава или давать нестойкое изображение, которое быстро стирается.

С учетом таких требований рассмотрим состав электролитов и жидкостей, употребляемых для маркирования титановых сплавов, с целью рекомендации наиболее перспективных [А.с. 279836, 308097, 408747, 329994 (СССР)]

Состав 1:

Щавелевая кислота 15%

Этиленгликоль 1%

Вода остальное
Состав 2:

Хлористый натрий 0,5%

Вода остальное
Состав 3:

Азотнокислый натрий 0,5%

Вода остальное
Состав 4:

Азотистокислый натрий 0,5%

Вода остальное

Состав 5:

Дистиллированная вода 100%
Состав 6:

Этиловый спирт 96% 90%

Вода остальное
Состав 7:

Глицерин 100%
Одновременно с рассмотрением "уширения" знаков для этих электролитов была рассмотрена степень наводороживания, которая оценивалась процентным содержанием водорода в поверхностном слое. Для высоконагруженных деталей из титановых сплавов степень наводороживания, согласно стандартам, должна быть не выше 0,010-0,012 %. Кроме того, маркированные поверхности испытывались на стойкость изображения (на истирание). Для этого испытуемый образец перемещали относительно абразивных зерен до потери четкости изображения.

Результаты испытания в различных электролитах при напряжении 10 В приведены в таблице 1.
Таблица 1- Показатели мелкого маркирования титановых сплавов

Состав
электро
лита



Уширение знака ? В,

%

Среднее содержание водорода в поверхностном слое Ч103,%

Число касаний абразива (средняя стойкость изображения)

1

20

7

275

2

13,5

13

265

3

12

15

244

4

11

7

302

5

10

8

256

6

10

8

321

7

7

7,5

151


Величина уширения укладывается в заданный допуск (10%) для составов электролитов с 5 по 7, остальные составы применяют только в тех случаях, когда отсутствует текстовая или цифровая информация. Средняя величина наводороживания не превышает предела (~0,012%) для всех электролитов, кроме составов 2 и 3.

В рабочей среде – глицерине (состав 7) может быть получена наибольшая точность и малое наводороживание, однако стойкость знака на истирание в нем не превышает 50 % по сравнению со стойкостью спиртовых электролитов. Видимо, целесообразно рекомендовать для практического использования составы 5 и 6.

Механизм прохождения тока через раствор спирта и другие жидкости, не содержащие солей, объясняется наличием в них воды.

В некоторых случаях глубокого маркирования не требуется контрастного изображения в донной части углубления, поскольку оно в последующем заполняется специальной эмалью. Тогда выбор электролита упрощается и производится с учетом его пассивирующих свойств.

Могут быть рекомендованы следующие составы электролитов, дающие контрастное изображение знака (табл. 2).

При работе необходимо соблюдать правила техники безопасности для работающих с электроприборами, включать вытяжную вентиляцию, предохранять руки от попадания электролита, хранить его в закрытой посуде.

При использовании электролитов следует учитывать, что они не пригодны для длительного хранения, особенно в металлической посуде, так как теряют способность давать контрастное изображение. Срок хранения электролита 2 недели [13]. Опыт показывает, что этот срок желательно сократить до 5-6 дней.

С целью устранения возможности коррозии детали промывают в воде и пассивируют (табл. 3).
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации