Использование электролитно-плазменной технологии для подготовки поверхности металлических изделий под нанесение покрытий и обработки сварных швов

Метод электролитно-плазменной обработки (ЭПО) известен с 80-х годов прошлого столетия. Данный метод основан на протекании физико-химических процессов, происходящих на поверхности обрабатываемого изделия в водных слабоконцентрированных электролитах в условиях подачи высокого ( 250–340 В) напряжения на электроды.

К настоящему времени разработаны режимы и составы электролитов для обработки деталей из  широкого к руга металлов, таких как нержавеющие и конструкционные стали, алюминий, титан, медь, латунь, мельхиор, серебро, другие металлы и сплавы. Получены положительные результаты по электролитно-плазменной обработке монокристаллического кремния. На рисунке 1 показаны примеры обработанных изделий.

Рисунок 1. Изделия после ЭПП. 1 — лезвия для очистки овощей из нержавеющей стали, 2 — корпус искусственного клапана сердца из титана ВТ-16, 3 — браслеты наручных часов из латуни л62

В основном метод ЭПО применятся для финишной обработки с целью придания «товарного» вида изделиям. В результате такой обработки увеличивается блеск и снижается шероховатость поверхности. На рисунке 2 приведена зависимость шероховатости поверхности от времени ЭПО. Для образца из стали марки 12Х18Н10Т.

Из рисунка 2 видно, что основное снижение шероховатости происходит в первые несколько минут обработки, а дальнейшая обработка приводит к незначительному (до 10% от общего снижения) ее изменению. Время обработки, при котором достигается необходимое качество поверхности, зависит от обрабатываемого материала, состава электролита, режима обработки и составляет в среднем для нержавеющей стали — 3–5 минут, для титана — 2–4 минут, для алюминия — 1–2 минут.

Рисунок 2. Зависимость шероховатости поверхности от времени обработки. Сталь 12Х18Н10Т

Метод ЭПО протекает в рН нейтральных электролитах, поэтому отсутствует необходимость многостадийного этапа промывки изделий по сравнению с электрохимическим и химическим методами обработки. Эффективность воздействия электролитной плазмы на деталь позволяет исключить стадию предварительного обезжиривания перед процессом полирования. В результате этого, применяя ЭПО для обработки металлов и сплавов, производительность процесса можно увеличить в 2–3 раза по сравнению с традиционными методами обработки.

На рисунке 3 можно увидеть, как зависит угол смачиваемости стальной поверхности дистиллированной водой  от времени полирования.

Рисунок 3. Зависимость угла смачиваемости стальной поверхности дистиллированной водой. а — исходный образец, б — через 2 минуты ЭПО, через 4 минуты ЭПО

Видно, что с увеличением времени обработки угол смачиваемости уменьшается, что говорит об эффективности очистки металла от органических загрязнений.

В результате ЭПО в едином процессе происходит как удаление загрязнений (органической и неорганической природы) с поверхности детали, так и ее полирование. Это предоставляет возможность включить электролитно-плазменную обработку в схему гальванического и вакуумного нанесения покрытий при увеличении как производительности процесса в целом, так и качества обработанной поверхности.

Конкретный результат применения метода ЭПО в качестве предварительной подготовки поверхности перед нанесением износостойкого покрытия рассмотрим на примере обработки фрикционных дисков из стали марки 65Г.

В процессе исследований был разработан режим и состав электролита, при которых достигается качественная очистка поверхности дисков за 3–4 минуты обработки. На рисунке 4 представлен образец с обработанной и необработанной частями поверхности.

Рисунок 4. Частично обработанный электролитной плазмой фрикционный диск

Качество обработки дисков из стали марки 65Г с помощью ЭПО оказалось настолько высоким, что адгезия покрытия без применения промежуточного медного подслоя может быть сопоставима с адгезией покрытия, полученного с применением подслоя. В настоящее время ведутся работы по исследованию возможности исключить стадию нанесения промежуточного медного подслоя при нанесении покрытий в результате предварительной электролитно-плазменной подготовки поверхности.

Рисунок 5. Детали со сварным швом. 1 — Исходная деталь, 2 — после 6 минут ЭПП, 3 — после 20 мин ЭПП

Одним из применений метода ЭПО  является также обработка сварных швов. Известно, что температурный градиент при сварочных работах приводит к структурно-фазовым превращениям, которые могут приводить к снижению эксплуатационных свойств изделий. Кроме того, на сварных швах довольно часто образуются горячие трещины. В большинстве своем это микронадрывы на межкристаллитном уровне, определяются лишь ультразвуковым сканированием. Хотя иногда, можно встретить и настоящие видимые трещины. Предсказать время появления структурных аномалий практически невозможно. Они могут возникнуть и во время сварки, так и во время эксплуатации в среде с повышенной температурой. Все эти факторы — перераспределение элементного состава и появление микротрещин – служат причиной повышенной коррозионной активности обработанных участков. Эффективность электролитно-плазменной обработки деталей со сварным соединением показана на рисунке 5.

В результате ЭПО происходит съем искаженного поверхностного обогащенного инородными включениями слоя, приводящего к исчезновению микротрещин. На рисунке 6 представлены фотографии исходной и обработанной в течение 3 минут стальной поверхности.

Рисунок 6. Морфология поверхности стального образца. а — исходный образец, б — образец после 3 минут ЭПП

Отчетливо видно, что исходная поверхность имеет многочисленные микротрещины. ЭПО такой поверхности приводит к сглаживанию микрорельефа и удалению микротрещин (рис.6.б), что в свою очередь, улучшает коррозионную стойкость обработанных деталей. На рисунке 7 показаны поляризационные кривые низкоуглеродистой стали в 3,5% растворе хлорида натрия.

Рисунок 7. Поляризационные кривые стальных образцов в 3,5 % растворе NaCl

Из рисунка 7 видно, что чем длительнее проводится ЭПП, тем больше смещается коррозионный потенциал в положительную область значений. Это свидетельствует о том, что состояние поверхности становится более термодинамически стабильным по отношению к исходному состоянию.

Несмотря на то, что вышеизложенные результаты получены на бесшовных металлических деталях, учитывая, что  физико-химические процессы при ЭПО как металла, так и сварного соединения одинаковы, есть основания считать, что будет достигнуто увеличение коррозионной стойкости сварных швов тоже. Результаты предварительных коррозионных  испытаний подтвердили наше предположение.

Таким образом, метод электролитно-плазменной обработки является эффективным не только для финишной стадии обработки поверхностей металлов и сплавов, но и для предварительной подготовки поверхности к нанесению покрытий. Включение такого типа обработки в схему гальванического или вакуумного нанесения покрытия позволят увеличить производительность процесса с одновременным повышением качества покрытий. При использовании ЭПО вследствие структурно-фазовых изменений в поверхностном слое происходит увеличение коррозионной стойкости металлических изделий, что дает основание предложить использование ЭПО для повышения коррозионной стойкости сварных соединений.

Багаев С.И., Каменев А.Я., Куликов И.С., Милашевская И.Г.