WSPOMAGANIE PROCESU POLEROWANIA ELEKTROCHEMICZNEGO STOPÓW TYTANU

Transkrypt

1 WSPOMAGANIE PROCESU POLEROWANIA ELEKTROCHEMICZNEGO STOPÓW TYTANU Stanisław ZABORSKI 1, Adam SUDZIK 1,Marek KOŁODZIEJ 1 Streszczenie: Przeprowadzono polerowanie elektrochemiczne powierzchni stopu tytanu z zastosowaniem wspomagania ultradźwiękowego i ultradźwiękowo-ściernego. Zastosowano zawiesinę proszku korundowego w elektrolicie. Przed polerowaniem powierzchnię poddano szlifowaniu taśmowemu. Otrzymane efekty porównano z efektami polerowania bez wspomagania. Uzyskano skrócenie czasu obróbki przy niewielkich zmianach chropowatości. Słowa kluczowe: polerowanie elektrochemiczne, stop tytanu, ultradźwięki Summary: Electrochemical polishing performed titanium alloy surface using ultrasonic and ultrasonic supportabrasive. A suspension a corundum powder used in the electrolyte. Before polishing, the surface was subjected to belt grinding. Obtained results were compared with the effects of polishing without power. Shortening of treatment time with little change roughness. Key words: electrochemical polishing, titanium alloy, ultrasound 1.WSTĘP Polerowanie elektrochemiczne poznane zostało w latach 20 ubiegłego wieku. Początkowo służyło jedynie do wybłyszczania masowych przedmiotów galanteryjnych z metali kolorowych [1]. Do popularyzacji polerowania elektrochemicznego przyczyniły się niewątpliwie niskie koszty tej obróbki w porównaniu z polerowaniem mechanicznym, które w skrajnych przypadkach może wynosić nawet do 80% kosztów obróbki przedmiotu [2]. W przemyśle maszynowym szczególne zastosowanie polerowania elektrochemicznego ma miejsce podczas obróbki metali sprawiających duże trudności w uzyskaniu zadowalających efektów, zarówno pod względem własności powierzchni (stan warstwy wierzchniej) jak i jej wyglądu. Do tych materiałów należą głównie metale lekkie, jak aluminium, tytan i ich stopy, niektóre stopy metali kolorowych i szlachetnych, jak również niektóre gatunki stali, np. stale nierdzewne. W wypadku obróbki elektrochemicznej tytanu jednym z najważniejszych elementów jest skład elektrolitu. Literatura podaje bardzo zróżnicowane składy elektrolitów. Do głównych składników należą m. in. kwas nadchlorowy HClO 4, fluorowodorowy HF, octowy CH 3 COOH, alkohole, glikole, sole i inne związki [3-12]. Zdecydowana wiekszość elektrolitów pozwalających uzyskać dobre rezultaty obróbki ma skład bardzo uciążliwy dla środowiska oraz kłopotliwe do utrzymania parametry obróbki. 1 Politechnika Wrocławska, Instytut Technologii Budowy Maszyn, stanislaw.zaborski@pwr.wroc.pl

2 2. POLEROWANIE ELEKTROCHEMICZNE Proces polerowania elektrolitycznego opiera się na wykorzystaniu zjawiska elektrolizy i towarzyszących mu procesów elektrodowych. Przepływ prądu przez elektrolit powoduje zakłócenie stanu równowagi elektrochemicznej w elektrolicie i powstanie polaryzacji elektrod. Polaryzacja stężeniowa jest wynikiem wzrostu stężenia kationów w otoczeniu anody i jego spadkiem wokół katody. Powoduje to powstanie na anodzie błony powierzchniowej, składającej się z tlenków metalu o grubości kilku Å i właściwościach pasywnych. Według przyjętych hipotez proces polerowania czyli usunięcia mikronierówności i wybłyszczenia powierzchni związany jest z warstwą pasywną która nie dopuszcza do intensywnego trawienia przez elektrolit. Pomiędzy elektrolitem a warstwą pasywną znajduje się obszar znacznego stężenia produktów rozpuszczania metalu, składników elektrolitu i jonów metalu zwany warstwą lepką. W porównaniu z elektrolitem ma ona znacznie większy opór elektryczny i dużą lepkość. Obecność tej warstwy powoduje większą prędkość roztwarzania wierzchołków mikronierówności, nad którymi ma ona mniejszą grubość, a co za tym idzie mniejszy opór elektryczny, co wygładza powierzchnię. Na rysunku 1 przedstawiono ogólna charakterystykę zależności gęstości prądu w funkcji napięcia. W początkowej fazie obróbki od 0 do punktu A następuje trawienie przedmiotu i jednoczesne tworzenie się warstwy lepkiej. Pomiędzy punktami A-B na skutek pasywacji gęstość prądu pozostaje w przybliżeniu stała mimo wzrostu napięcia. W tym zakresie uzyskiwane są najlepsze wyniki polerowania elektrochemicznego. Powyżej punktu B występuje intensywne gazowanie niszczące warstwę lepką i co za tym idzie ułatwiające intensywne trawienie przedmiotu obrabianego [8]. Rys. 1. Wpływ napięcia międzyelektrodowego na gęstość prądu podczas polerowania elektrochemicznego. Temperatura elektrolitu jest istotnym czynnikiem mającym wpływ na jakość i efektywność obróbki. Przy wzroście temperatury rośnie gęstość prądu i wydajność procesu, ale też następuje zmniejszenie grubości warstwy lepkiej aż do możliwego

3 całkowitego jej zaniku. Może to spowodować trawienie przedmiotu zamiast elektropolerowania. Podstawowymi czynnikami procesu polerowania są: napięcie międzyelektrodowe anodowa gęstość prądu rodzaj elektrolitu czas procesu temperatura elektrolitu Skład elektrolitu dobierany jest w zależności od metalu poddawanego obróbce. Przykładowe składy elektrolitów używanych w procesie polerowania tytanu i jego stopów zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zestawienie składów elektrolitów do polerowania elektrochemicznego stopów tytanu. Nr HF H 2 SO 4 HClO 4 Inne Temp % % CH 3 COOH 42-62% Prąd 2 ~~5 % C 2 H 5 OH do 100 % -10 o C 34 V ml CrO 3 500g H 2 O do 1 l 20 o C 20-50A/dm V % Glikol etylenowy do 100% 8-10 A/dm cz. 30 cz. HCl 1 cz. -72 o C 6 6 ml metanol 60ml butyl celulozowy35 ml -30 o C 25 V 7 10% CH 3 COOH 90% % Gliceryna, alkohol -60 o C 3-V % Gliceryna, alkohol -60 o C 20 V 3.WSPOMAGANIE PROCESU POLEROWANIA ELEKTROCHEMICZNEGO Czas procesu polerowania elektrochemicznego zależy od wielu czynników, do których przede wszystkim należy rodzaj obrabianego materiału, stan wyjściowy powierzchni, rodzaj elektrolitu oraz parametry prądowe. Operacja polerowania trwa od kilkunastu sekund do kilku a nawet kilkudziesięciu minut [9]. W celu zwiększenia wydajności polerowania elektrochemicznego można stosować różne metody. Proste zwiększenie anodowej gęstości prądu zdecydowanie zwiększa prędkość roztwarzania metalu. W podobny sposób działa zwykle zwiększenie temperatury elektrolitu. W wielu wypadkach zanurzenie przedmiotu w elektrolicie i włączenie prądu nie spowoduje wypolerowania powierzchni tego przedmiotu w zadowalającym stopniu. Najprostszym sposobem wspomagania polerowania elektrochemicznego jest mieszanie roztworu elektrolitu. Realizowane może być ono różnymi sposobami: poprzez poruszanie mechaniczne za pomocą mieszadeł, za pomocą strumienia sprężonego powietrza lub poprzez wymuszenie przepływu elektrolitu [15]

4 Kolejną metodą jest połączenie polerowania elektrochemicznego z polerowaniem mechanicznym. Ten typ obróbki, nazywany obróbką elektrochemiczno-ścierną realizowany jest podobnie jak polerowanie mechaniczne w pojemnikach z dodatkiem materiału ściernego z jednoczesną obróbką elektrochemiczną. Oddziaływanie materiału ściernego powoduje usuwanie warstwy pasywnej na wierzchołkach mikronierówności, które w ten sposób stają się bardziej podatne na roztwarzanie elektrochemiczne. Poprawę zarówno jakości powierzchni obrobionej jak i zwiększenie szybkości procesu można uzyskać w pewnym zakresie poprzez dodatek do elektrolitu środków powierzchniowo czynnych [20]. Kolejną metodą jest poddawanie przedmiotu zanurzonego w elektrolicie oddziaływaniu ultradźwięków. Ultradźwięki wywołują na powierzchni ciała stałego zanurzonego w cieczy miejscowe powstawanie kawitacji i intensywne usuwanie zanieczyszczeń oraz produktów roztwarzania. Zastosowanie ultradźwięków podczas obróbki elektrochemicznej znacznie przyśpiesza jej przebieg. Na podstawie badań własnych stwierdzono, że w niektórych wypadkach natężenie prądu podczas polerowania elektrochemicznego z zastosowaniem ultradźwięków rośnie prawie dwukrotnie w porównaniu do polerowania bez ich użycia [15]. Znaną metodą obróbki ultradźwiękowej jest obróbka za pomocą materiału ściernego bez narzuconego kierunku działania. Realizowane jest to w ten sposób, że przedmiot obrabiany zanurza się w zawiesinie wodnej materiału ściernego, jednocześnie poddając działaniu ultradźwięków. Ziarna ścierniwa wprawiane są w ruch za pomocą fali ultradźwiękowej i uderzając ze znaczną energia o przedmiot obrabiany wywołują na jego powierzchni mikroskrawanie [13, 14]. Przeprowadzanie polerowania elektrochemicznego w polu magnetycznym, zwane magnetoelektropolerowaniem wpływa na intensyfikację procesu i osiągane rezultaty obróbki. Polerowanie elektrochemiczne w polu magnetycznym jest obróbką rzadziej stosowaną niż polerowanie mechaniczne, czy tez standardowe polerowanie elektrochemiczne. Obróbka ta nie jest jeszcze dobrze poznana, znajduje się w sferze dokładnych badań. Rozszerza ona obszar zastosowań obróbek wykończeniowych, głównie dla specjalistycznych elementów, zwłaszcza o skomplikowanych kształtach oraz bioprotez i innych elementów mających zastosowanie w inżynierii biomedycznej [16, 17, 18]. Zachowanie się elementów podczas polerowania w polu magnetycznym może być różne, w zależności od właściwości magnetycznych materiału obrabianego. W przypadku stali ferrytycznej występuje namagnesowanie się struktury, co utrudnia przejście związków ferromagnetycznych do roztworu elektrolitu. Dla wyrobów wykonanych z takich materiałów wskazane jest zastosowanie metody tradycyjnego polerowania elektrochemicznego. Natomiast bardzo dobre efekty obróbcze uzyskuje się dla wyrobów wykonanych ze stali paramagnetycznych, np. austenitycznych. Stal stopowa austenityczna będąca paramagnetykiem nie ulega namagnesowaniu w polu magnetycznym. Podczas polerowania takiej stali związki żelaza oraz niklu

5 (ferromagnetyki) przechodzą do roztworu elektrolitu, co powoduje wzbogacenie warstwy wierzchniej w chrom. Otrzymana powierzchnia charakteryzuje się korzystnymi właściwościami, jak: zmniejszenie parametrów chropowatości, zwiększenie odporności korozyjnej, utwardzenie warstwy wierzchniej [16, 19]. 4. STANOWISKO POMIAROWE Badania zostały przeprowadzone na przygotowanym stanowisku pomiarowym, którego widok ogólny pokazano na rys. 2, a schemat na rys.3. Do jego zasilania posłużył zasilacz laboratoryjny regulowany (1) o napięciu V prądu stałego i maksymalnym natężeniu do 20 A. Układ prądowy wyposażony został w woltomierz i amperomierz. Jako generatora ultradźwięków użyto myjki ultradźwiękowej o mocy 70W i częstotliwości generowanych drgań 40kHz. Do mocowania próbek wykonano specjalne uchwyty z gumy silikonowej (6) wulkanizowanej bezpośrednio na próbce o wymaganym kształcie (7). Pozwoliło to na doskonałe odizolowanie kontaktu prądowego i przewodu zasilającego (4) od elektrolitu (8). Zostały w ten sposób wyeliminowane błędy powodowane przepływem prądu do elektrolitu poprzez układ zasilający, zamiast właściwą próbkę. Rys. 2. Widok ogólny stanowiska pomiarowego

6 Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego 1. zasilacz o napięciu regulowanym w zakresie 0-100V, 2. elektroda grafitowa, 3. zbiornik elektrolitu, 4. przewód, 5. termometr, 6. uchwyt próbek, 7. próbka, 8. elektrolit, 9. łaźnia wodna 10. komputer 11. zespół przekaźników, 12. generator ultradźwięków. 5.BADANIA DOŚWIADCZALNE Podczas badań użyto elektrolit o następującym składzie: HF-15%, H 2 SO 4-40%, CH 3 COOH- 45%. Do badań użyto próbek wykonanych ze stopu tytanu WT3-1. Próbki zostały przygotowane z pręta walcowanego poprzez frezowanie (rys.4). Zastosowano próbki o przekroju kwadratowym. Pomiarów dokonywano na powierzchniach czołowych poddanych szlifowaniu taśmowemu taśmą ścierną o ziarnistości 220. Początkowa chropowatość uzyskana w wyniku wstępnej obróbki mechanicznej wyniosła średnio Ra=0,53 µm. Fotografię powierzchni próbki i profilogram uzyskany podczas pomiaru chropowatości przedstawiają rysunki 5 i

7 Rys. 4. Wymiary próbek Rys. 5. Powierzchnia próbki po szlifowaniu taśmą ścierną, pow. 20x Do oceny chropowatości obrobionej powierzchni przyjęto wskaźnik chropowatości Ra. Pomiary tego wskaźnika wykonano na profilografometrze firmy RANK TAYLOR HOBSON TALY FROM SERIES Rys. 6. Profilogram powierzchni próbki po szlifowaniu taśmą ścierną

8 Próby polerowania elektrochemicznego przeprowadzono trzema sposobami. Pierwszy z nich to zwykłe polerowanie elektrochemiczne. Drugi sposób to polerowanie z włączonym podczas jego trwania generatorem ultradźwięków. Przy trzeciej odmianie zastosowano oprócz ultradźwięków dodatek proszku ściernego do elektrolitu. Zastosowano proszek korundowy o ziarnistości Ultradźwięki powodują jego unoszenie się w całej objętości elektrolitu podczas trwania obróbki. Przy każdym sposobie polerowania zastosowano takie same nastawy prądowe i czas obróbki. Ustawione napięcie zasilacza wynosiło 30V, czas obróbki dla wszystkich próbek wynosił po 2 minuty. Podczas prób polerowania elektrochemicznego uzyskano zarówno zmniejszenie chropowatości jak i wyraźnie widoczne wybłyszczenie powierzchni wraz ze znacznym zanikiem śladów obróbki mechanicznej. Przy zastosowaniu ultradźwięków jako wspomagania następuje wzrost natężenia prądu z początkowych 5A do 8,5A, zarówno w elektrolicie z proszkiem ściernym, jak i bez niego. Poprzez wzrost gęstosci prądu następuje przyśpieszenie procesu z jednoczesnym pogorszeniem jakości obrobionej powierzchni zarówno pod względem połysku, jak i chropowatości. Dla polerowania ze wspomaganiem ultradźwiekowym uzyskano chropowatość Ra=0, 503 µm, dla polerowania z uzyciem ultadźwięków i proszku ściernego Ra wynisło 0,573 µm, podczas gdy dla zwykłego elektrochemicznego polerowania Ra wyniosło 0,274 µm. Profilogramy powierzchni po obróbce przedstawiono na rys

9 Rys. 8. Przykładowe profilogramy powierzchni po polerowaniu elektrochemicznym, polerowaniu ze wspomaganiem ultradźwiękowym i ultradźwiękowo-ściernym. 6.PODSUMOWANIE Polerowanie elektrochemiczne stopu tytanu obniżyło chropowatość powierzchni o około 50% w stosunku do szlifowania taśmą ścierną. Zastosowanie wspomagania polerowania elektrochemicznego za pomocą ultradźwięków zwiększyło prędkość polerowania przedmiotu, natomiast chropowatość powierzchni obniżyła się nieznacznie Użycie ultradźwięków i proszku ściernego spowodowało znaczny wzrost prędkości obróbki, natomiast chropowatość powierzchni nie uległa większym zmianom. W przypadku zastosowanego do badań materiału i elektrolitu zachodzi zapewne częściowe zniszczenie warstwy lepkiej, co nie wpływa korzystnie na efekty obróbki. Ponieważ dla prób wykonanych na innych materiałach [15], wyniki były bardzo obiecujące, należy przeprowadzić również dla stopów tytanu badania w szerszym zakresie, dla różnych elektrolitów i parametrów obróbki. Istotnym czynnikiem wpływającym na wygląd przedmiotu po obróbce jest szybkie przerwanie działania (zobojętnienie) elektrolitu. Pozostałe na przedmiocie krople elektrolitu powodują miejscowe zmatowienie powierzchni przedmiotu

10 LITERATURA [1] Praca zbiorowa, Poradnik galwanotechnika, WNT, Warszawa 2002 [2] SAFARZYŃSKI S., Elektropolerowanie srebra, Polski Jubiler nr 1/ (1) s.38 [3] ZABORSKI S., MICHALSKI M., ŁUPAK M., Polerowanie elektrochemiczne aluminium i jego stopów, VII Konferencja Naukowo-Techniczna Bydgoszcz-Rydzyna 2003 [4] ZHOU W., CHEW K.G., Effect of welding on impact thoughness of butt-joints in a titanium alloy., Materials Science and Engineering A347, 2003 [5] SCHUESSLER A., STEEGMULLER R., Electropolishing: surfaces with superior properties, Euroflex Schuessler GmbH, 2002 [6] E.A. Fischione Instruments, Inc., Electropolishing Recipes, 2005 [7] BUHLERT M., OTTENSMAYER R., PLATH P.J., Bright-Shining Titanium Surfaces, MIR-Chem GmbH, 2003 [8] GRILICHIES S.J., Elektrochimiczieskoje polirowanie, Leningrad 1976 [9] KUHN A., Polerowanie elektrolityczne tytanu i jego stopów, Biuletyn Instytutu Metali Nieżelaznych Gliwice 2003/11 [10] ROLANDER U., JOHANSSON H., Method for obtaining a high surface finish on titanium-based coatings by electropolishing, Patent number US , 1999 [11] ZHU J., KIM B.M., SCHWORM J., GREEN K., GUILMETTE P., Electropolishing solution and methods for use it and recovery, Patent number US , 2005 [12] GEREHN Z., Composition and method for titanium electropolishing, Patent number RU , 2004 [13] NIEMCZEWSKI B., Ultradźwiękowe oczyszczanie powierzchni, WNT, Warszawa 1982 [14] DMOCHOWSKI J., Obróbka ultradźwiękowa, WNT Warszawa [15] ZABORSKI S., SUDZIK A. Wpływ rodzaju prądu elektrycznego na efekty polerowania elektrochemicznego metali szlachetnych. Artykuł SNOE, Warszawa [16] ROKOSZ K. Polerowanie elektrochemiczne stali w polu magnetycznym, Wyd. Ucz. Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2012 [17] HRYNIEWICZ T., ROKICKI R., ROKOSZ K. Magnetoelectropolishing for metal surface modification, Transactions of the Institute of Metal Finishing, 2007, 85(8) [18] HRYNIEWICZ T., ROKOSZ K., Polarization Characteristics of Magnetoelectropolishing Stainless Steels, Materials Chemistry and Physics, 2010, Vol 122(1), [19] HIEWICZ T., ROKICKI R., ROKOSZ K., Surface characterization of AISI 316L biomaterials obtained by electropolishinhg in a magnetic field, Surface & Coatings Technology, 2008(9) [20] OGONOWSKI J., Związki powierzchniowo czynne : podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznych, PK,Kraków