Современные методы финишной обработки металлических изделий

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Полировка металла: виды и способы финишной обработки поверхности металлических изделий

Полировка металла необходима для улучшения внешнего вида металлических изделий и придания им более высоких потребительских качеств. Полировка придает металлическим изделиям декоративный блеск, она также используется при подготовке поверхности для нанесения гальванических покрытий. В промышленности широко применяются следующие способы полировки поверхностей металлов:

· Механический способ;

· Химический способ;

· Электрохимический способ;

· Электролитно-плазменный способ;

Недостатки традиционных видов полировки металла:

Первые три из перечисленных способов обработки поверхности металлов имеют ряд ограничений применения. Основным ограничением для ряда промышленных предприятий является невозможность автоматизации при использовании механического, химического или электрохимического методов обработки поверхностей изделий в больших партиях массового производства.

Затруднения использования традиционных видов полирования металла имеют как экономические, так и технологические причины. Экономические трудности связываются с высокой стоимостью производственных роботов и станков с ЧПУ. Технологические же причины трудностей использования традиционных видов финишной обработки металлов связаны с трудностями построения полностью автоматизированного процесса производства. Вынужденное использование ручного труда на этапе полирования изделий, активации поверхности или ее очистки не позволяет наладить бесперебойную работу промышленных автоматизированных линий. Нередко из-за использования устаревших методов обработки металлов производственная линия принимает форму конвейера, что значительно удорожает производство и в итоге отрицательно сказывается на конкурентоспособности производимой продукции.

2. Преимущества электролитно-плазменной полировки

Такая технология очистки является самым современным в мире способом полировки металлов, который лишен недостатков химического и механического способов. Среди наиболее значимых преимуществ электролитно-плазменной полировки стоит отметить следующие:

· Экологичность и безопасность,

· не требует утилизации вредных отходов,

· не наносит вред здоровью работников,

· снижает производственные травмы,

· полностью соответствует санитарным и пожарным нормам,

· Экономическая эффективность,

· скорость обработки партии до 5 минут,

· минимум ручных операций (возможна полная автоматизация),

· увеличение производительности до 700%,

· низкая ресурсоёмкость,

· безотходная технология для полировки драгоценных металлов (возможность восстановления снятого металла),

· Технологичность процесса,

· низкая материалоёмкость,

· компактность установок,

· низкий процент брака,

· отсутствия множества стадий,

· автоматизация и лёгкость управления,

· Улучшение материала,

· процесс без перегрева (tmax = 90°C),

· поверхность упрочняется,

· отсутствует силовое воздействие,

· полировальные материалы не внедряются в структуру материала,

· поверхность приобретает антикоррозийные свойства,

· удаляются примеси с поверхности,

· Широта применения,

· практически все металлы и сплавы,

· легкая интеграция с автоматическими производственными линиями,

· универсальное оборудования для любых сфер производства и материалов,

· Точность полировки,

· возможность полировки изделий малых размеров,

· возможность использования в специфических отраслях.

Самым высоким требованиям соответствует уже апробированная на предприятиях России, Украины и Беларуси электролитно-плазменная технология полировки металлов в водном растворе солей низкой концентрации (2-6%). Отсутствие концентрированных кислот и других токсичных веществ создает более благоприятную экологическую обстановку на предприятиях и в регионе. Применение более высокопроизводительных методов плазменно-электролитной обработки заменяет трудоемкую механическую и токсичную электрохимическую обработку в кислотных растворах. Хотя расход электроэнергии при электролитно-плазменной полировке (когда рабочее напряжение составляет 220-320 В), значительно выше, чем при обработке традиционным электрохимическим методом на низких напряжениях, тем не менее суммарные эксплуатационные затраты при использовании полировки плазмой в электролите в среднем в 3-4 раза ниже, и этот экономический выигрыш достигается в первую очередь за счет замены дорогостоящего кислотного электролита на дешевый водный раствор солей. Следует отметить, что для получения эффекта полировки не требуются реактивы (соли) с высокой химической чистотой, что весьма ощутимо сказывается на их стоимости. Заметно улучшает экономические показатели электролитно-плазменной полировки также упрощенная схема утилизации отработанного электролита и отсутствие специальных очистных сооружений.

Обработка любого металла электролитно-плазменным методом позволяет сэкономить материальные и трудовые ресурсы и повысить производительность труда в металлообработке. Технологический процесс удовлетворяет санитарным нормам и позволяет решить существенную социальную проблему по значительному улучшению условий труда рабочих и обеспечению безопасной работы обслуживающего персонала.

Освоение в производстве ресурсосберегающей экологически чистой технологии полировки металлов в растворах солей низкой концентрации позволит сэкономить энергетические, материальные и трудовые ресурсы, а также дополнительно решить существенную социальную задачу по значительному улучшению условий труда рабочих и созданию более благоприятной экологической обстановки на предприятиях и в регионах.

3. Сравнение видов полировки металла

Табл. 1

Широкое внедрение в промышленность более производительной электролитно-плазменной полировки металла позволит со временем практически везде заменить токсичный электрохимический метод обработки. Его преимуществами, в сравнении с другими способами полировки поверхностей, являются высокая производительность и эффективность, соблюдение экологической чистоты окружающей среды, высокие качества и скорость выполняемых операций, невысокая стоимость.

Электролитно-плазменный метод полировки поверхностей является экологически чистым и удовлетворяет санитарным нормам, для очистки отработанного электролита не требуются специальные очистные сооружения.

4. Методы полирования поверхности металла путем комбинирования различных способов и видов обработки поверхностей

Часто полировке подвергаются изделия без предварительной поверхностной обработки с неподготовленной, достаточно шероховатой поверхностью, имеющей грубый рельеф, что влечет за собой необходимость длительной электролитно-плазменной обработки, которая сопровождается снятием значительного слоя металла, и ведет к перерасходу электроэнергии.

Кроме того, в процессе обработки грубой разветвленной поверхности наблюдается явление, когда плотность тока на первой стадии обработки иногда вдвое выше, чем на заключительной стадии. Это связано с тем, что первоначальная площадь шероховатой поверхности, контактирующая с электролитом, по-видимому, вдвое больше, чем получаемая в результате обработки.

На практике полирование изделий лучше осуществлять в два этапа, на первом провести очистку и обезжиривание поверхности, а на втором этапе - собственно полировку. Очистка деталей перед полированием необходима потому, что при изготовлении изделий из металлов литьем, либо при их термообработке, даже в нейтральных средах не удается полностью избежать соприкосновения поверхности с окислительной средой (например, воздухом) в области высоких температур, когда происходит поверхностное окисление металла. С целью очистки перед полированием применяют такие виды обработки поверхностей как:

· галтовка;

· подводное шлифование;

· гидроабразивная обработка;

· обработка чугунным песком;

· обработка корундовой крошкой;

· обработка ультразвуком;

· химическое и электротравление;

5. Виды обработки поверхности металла после газоплазменной резки

электролитный плазменный металлический полировка

Сглаживание шероховатостей поверхности, полученной после такого популярного вида обработки металла плазмой как газоплазменная резка, не обязательно осуществлять путем срезания выступов. Предварительная обработка может быть проведена путем поверхностного пластического деформирования. В ряде случаев механические методы обработки поверхностей пастами состоят не в срезании выступов, а в их разминании, для чего в состав паст входят специальные смазывающие, химически активные, поверхностно-активные вещества, разупрочняющие поверхность и мелкодисперсные окисные частицы, например, инертная окись хрома.

Полировка металлических изделий электрольтно-плазменным методом с предварительной подготовкой

Для экономии электроэнергии целесообразно использовать технологию электролитно-плазменной полировки в два этапа, когда на первом этапе сглаживается грубый рельеф поверхности с помощью различных энергосберегающих способов обработки поверхностей, а затем на втором этапе применяется финишная кратковременная электролитно-плазменная полировка.

Например, при полировке деталей из нержавеющей стали, которая является пластичной и достаточно мягкой, на первом этапе могут применяться следующие способы обработки поверхности:

· шлифовка под слоем воды водостойкой шкуркой зернистостью 50-80 мкм;

· обработка жесткой металлической щеткой;

· электротравление в 10% растворе щавелевой кислоты при напряжении 12 В в течение 5-10 минут с плотностью тока до 2 А/см2;

· пескоструйка мелкой чугунной крошкой;

· отбеливающее травление в растворе 25% серной и 20% соляной кислоты в объемном соотношении 3/1 при температуре 30-40°C в течение 3-5-10 минут;

· Последующая электролитно-плазменная полировка изделий может проводиться в 5%-м водном растворе сульфата аммония при температуре 80°C;

Методы обработки металла перед электролитно-плазменной полировкой.

Способы обработки металла с помощью зачистки.

Если исходный образец, поверхность которого предварительно обработана грубой шкуркой зернистостью 500 мкм, полируется до зеркального блеска в течение 5-6 минут со снятием слоя металла 0,05 мм, то образцы, обработанные до матового состояния шкуркой зернистостью 50-80 мкм, полируются в два раза быстрее за время менее 3 минут, и при этом снимается слой металла толщиной всего 0,02-0,03 мм. Экономия электроэнергии при использовании предварительной обработки поверхности шкуркой составляет около 40%.

Виды обработки металла с помощью крацевания.

Весьма эффективна также предварительная обработка металлическими щетками грубо шлифованной или обработанной резцом поверхности. По-видимому, рельеф поверхности при такой обработке выравнивается за счет пластической деформации металла, а частично за счет крацевания, т.е. стирания, царапания металла. Также снимается окисная пленка, препятствующая равномерной полировке изделия в тех случаях, когда оно выполнено сваркой или подвергалось высокотемпературной термообработке.

Методы обработки металла с помощью травления.

Неплохие результаты получены при химическом травлении, особенно образцов, которые подвергались термообработке, так как при этом на стали образуется окалина, трудно снимаемая электролитно-плазменной обработкой в течение 15 и более минут. Травление таких образцов в растворах серной и соляной кислот создает шероховатую, чистую от окалины поверхность без дефектов. Последующая обработка образцов в сульфате аммония при напряжении 260 В в течение 4 минут позволяет получить блестящую поверхность.

Применение технологии электролитно-плазменной обработки.

Основным применением электролитно-плазменной обработки поверхностей электропроводящих материалов является их финишная полировка.

Технология полировки металлов плазмой в электролите не только обладает значительными преимуществами перед аналогами, но и позволяет одновременно сочетать сразу несколько технологических процессов. Использование метода электролитно-плазменной полировки оправдано на предприятиях, где необходимо получить следующие эффекты.

Финишная полировка:

· финишная полировка металла с классом точности 14 (снижение шероховатости до Ra=0,01 мкм);

· улучшение отражательных свойств поверхности до 70%;

Очистка поверхности:

· быстрая очистка поверхности от загрязнений (от 30 секунд);

· этап в неразрывной технологической операции полировки;

· удаление любых загрязнителей (краски, масел, окалины, ржавчины/оксидов, абразивных внедрений);

· придание гигиенических свойств имплантантам;

· послойное удаление любых металлических покрытий;

Притупление кромок и снятие заусенцев:

· быстрое снятие заусенцев до 0,3 мм (до 30 секунд);

· обработка свартных швов;

· зачистка изделий сложной формы;

· обработка больших партий литейных/штамповочных линий;

· быстрая зачистка изделий из цветных металлов (до 10 секунд);

· этап неразрывной технологической операции подготовки к нанесению покрытий;

Подготовка к нанесению покрытий:

· очистка и обезжиривание;

· травление;

· активация;

· эффективное снятие бракованных покрытий для повторного нанесения покрытия;

· значительное улучшение смачиваемости поверхности;

Предварительная заточка инструмента:

· утонение при заточке сверхтвёрдых материалов без нагревания;

· доводка режущего инструмента путём утонения режущей кромки;

· финальная заточка инструмента для хирургии/микрохирургии;

· снятие микрозаусенцев;

· удаление микрозазубрин;

· удаление загрязнений и внедрений;

· заточка и полировка в одну технологическую фазу;

Обработка полупроводников:

· подготовка поверхности подложки к эпитаксии;

· снижение «дефекта кристалла» в больших партиях;

· улучшение поверхности монокристалла кремния с классом точности 14 (снижение шероховатости до 0,01 мкм);

Полировка драгоценных металлов:

· изменение отражающий свойств изделий: от зеркальной -- до матовой поверхности;

· безотходная полировка драгоценных металлов: сохранение снятого металла без потерь;

· снятие инкрустированных элементов с поверхности (снятие алмазного напыления);

6. Плазменная обработка в электролите: перспективные сферы применения

Задачи полировки металлических изделий не исчерпываются приданием им декоративного блеска. При плазменной обработке промышленных деталей актуальной задачей становится повышения эксплуатационных характеристик изделий, таких как долговечность, надежность, гигиеничность и т.д.

Применение электролитно-плазменной обработки в целях повышения надежности деталей.

Известно, что снижение механических свойств металла под влиянием адсорбционного воздействия среды при наличии напряженного состояния (эффект Ребиндера) часто является причиной выхода из строя пружин и других деталей, работающих при воздействии химически активных сред, и в условиях знакопеременных нагрузок в приборах, аппаратах, клапанах и т.д. Обработка плазмой таких деталей в нейтральных электролитах позволяет в несколько раз увеличить надежность и долговечность обработанных изделий.

Повышение надёжности деталей после закалки.

Технология электролитно-плазменной полировки использовалась для повышения надежности крупногабаритных термообработанных пружин из нержавеющей стали 3Х13. Полировка проводилась в растворе сульфата аммония с добавкой хлорида аммония при напряжении 340 В. В результате обработки происходило удаление поверхностного слоя хрупкой окалины, образовавшегося при закалке, и дефектного поверхностного слоя металла. После обработки плазмой пружины приобретали блестящий вид, а удаление адсорбционного слоя приводило к возрастанию коррозионной стойкости металла и снижению уровня напряжений в поверхностном слое.

Повышение работоспособности деталей за счет улучшения их обтекаемости.

Практика показала, что электролитно-плазменная обработка способствует повышению работоспособности турбинных лопаток для газовых и паровых электростанций, рабочих колес насосов и компрессоров. При этом у полированных деталей не только повышается сопротивляемость усталостным знакопеременным нагрузкам, но и снижается гидродинамическое сопротивление (увеличивается обтекаемость) в газовой и жидкой средах, в результате чего рассеивается меньше энергии и возрастает производительность аппарата.

Улучшение гигиенических свойств металлических изделий при обработке плазмой.

Положительные результаты достигнуты при обработке конструкционных деталей оборудования молочной промышленности. Электролитно-плазменная полировка крупногабаритных тарелок промышленных молочных сепараторов приводит к повышению эксплуатационных свойств, росту долговечности и производительности оборудования. Поскольку улучшается циркуляция молока в барабане, повышается качество сепарации, возрастают гигиенические параметры и коррозионная стойкость. Полировка плазмой деталей доильных аппаратов, изготовленных из нержавеющих сталей, способствует не только повышению эстетических параметров изделий, но и улучшению гигиенических показателей, приводит к возрастанию долговечности аппарата.

Снижение износа пары трения.

Уменьшение высоты шероховатости поверхности пар трения с 1,5 мкм до 0,5 мкм значительно снижает износ (до 68%) при одинаковом времени работы. Чем чище поверхность пары трения, тем большую нагрузку она несет и тем больше ее долговечность. Установлено, что плазменная полировка деталей специальных шнековых насосов, перекачивающих химически активные жидкости, значительно влияет на долговечность и производительность таких насосов. Это связано с тем, что после полировки шнека длиной 1,5 м, имеющего твердое хромовое покрытие, значительно уменьшается износ внешнего соприкасающегося со шнеком цилиндра, изготовленного из специальной резины.

Улучшение поверхностного слоя металла путем ликвидации пустот.

Полировка различного рода прессформ для изготовления деталей из пластмассы, а также для литья под давлением деталей из алюминия, способствует долговечности самих форм, и, кроме того, повышает качество поверхности детали, улучшает структуру поверхностного слоя за счет ликвидации возможных пустот. Из-за сложности рельефа прессформ необходимо дальнейшее изучение влияния неустойчивостей потоков электролита на качество поверхности.

Улучшение и снятие хромовых покрытий.

Широко применяемые гальванические покрытия из хрома, кроме повышения эксплуатационных свойств деталей во многих случаях должны создавать и декоративный эффект. Однако это не всегда возможно. Так хромовые покрытия, полученные из тетрахроматного электролита, обладают целым рядом высоких эксплуатационных характеристик, однако, из-за темной окраски и матовости поверхности, не имеют декоративного эффекта. Плазменная обработка (например, в водном растворе сульфата аммония) может значительно расширить область применения хромовых покрытий на деталях мотоциклов и велосипедов. Обработка в электролите различных конструктивных элементов транспортных средств, таких как детали выхлопной трубы, багажника, руля и других показала резкое возрастание светоотражательной способности полированных деталей, исправление отдельных поверхностных дефектов, а также возможность снятия бракованных покрытий с целью повторного их нанесения.

Очистка поверхности штампованных изделий.

Технология хорошо зарекомендовала себя и для полировки ленты из нержавеющей стали в рулонах весом до 1000 кг, а также полировки ленточных пил (для распиловки дерева) -- после термообработки на их поверхности образуется слой окалины. Полировка плазмой данных изделий способствует не только декоративному эффекту, но также облегчает последующую операцию штамповки ленты и повышает срок службы изделий. Полированная поверхность пилы в процессе эксплуатации испытывает меньшее трение и меньше нагревается, поэтому незначительно засмоляется, что упрощает периодическую очистку поверхности пилы растворителями.

Применение плазменной обработки металла в медицине.

Значительный интерес к электролитно-плазменной полировке проявляют предприятия, изготавливающие зубопротезные изделия, хирургические и другие медицинские инструменты. В последнее время возникла потребность в создании хирургических инструментов, имеющих отполированную, но матовую поверхность, поскольку яркий блеск от инструмента в лучах светильника иногда ослепляет медицинский персонал. Поэтому после полировки инструмента проводится операция матирования. Такие медицинские изделия изготавливаются из нержавеющих хромистых феррито-мартенситных сталей, и для их полировки требуются электролиты, по составу отличающиеся от растворов, используемых для полировки аустенитных немагнитных нержавеющих сталей.

Ювелирная полировка и плазменная обработка цветных металлов.

Электролитно-плазменная обработка весьма перспективна с точки зрения улучшения эксплуатационных свойств ювелирных изделий, корпусов часов, браслетов и других аналогичных изделий сложной формы, а также подготовка их поверхности под нанесение гальванических покрытий. Такие детали, как правило, изготавливаются из специальных сплавов цветных металлов: золота, меди, серебра, никеля, цинка, свинца, которые полируются в специальных электролитах на основе растворов органических соединений: тиомочевины, трилона Б, лимонной кислоты и других. Причем, качество полировки, иногда, весьма сильно зависит от незначительного, в количестве 1-2%, содержания в сплаве легирующих элементов. Например, легирование латуни свинцом в количестве 1-2% делает невозможной полировку корпусов часов из этого сплава в растворах, в которых хорошо полируется латунь, не содержащая свинца.

Размещено на Allbest.ru