Скоростное гальваническое формование деталей из Ni-Co сплавов

Актуальной задачей современного инструментального производства является изготовление сложнопрофильных формообразующих элементов (ФОЭ) пресс-форм для получения изделий из пластмасс. Перспективным путем решения этой проблемы является использование метода гальванического формования для изготовления рабочих элементов пресс-форм из никель-кобальтовых сплавов.

Однако низкая скорость гальванического наращивания осадков значительной толщины (при обычном способе ведения процесса осаждения время изготовления ФОЭ составляет 10 суток и более), неравномерность осадков на оправках сложной формы сдерживают использование этого метода в промышленности.

Проводимые на кафедре ФХПиТ ТулГУ под руководством доктора технических наук профессора В. В. Любимова исследования в направлении интенсификации гальванических процессов показали, что скорость осаждения металлов и сплавов для большинства электролитов определяется, в первую очередь, условиями массообмена в электролизере. Эффективным методом управления процессом получения осадков с заданными функциональными характеристиками (геометрическими, химическими, физико-механическими и другими) является использование нестационарного гальванического осаждения при малых межэлектродных зазорах (МЭЗ).

В настоящей работе проведены исследования по повышению скорости осаждения никель-кобальтовых сплавов при обеспечении заданных функциональных характеристик осадков в условиях высоких плотностей импульсного тока в проточном электролите. Выявлены взаимосвязи между условиями осаждения и качеством осадков.

Положениями, выносимыми на защиту являются:

— результаты моделирования процесса скоростного гальванического формообразования сложнопрофильных деталей в зависимости от конструктивно-технологических параметров осаждения с учетом изменения рельефа катодных и анодных поверхностей в процессе электролиза;

— экспериментальные зависимости между параметрами импульсного тока прямоугольной формы и качеством гальванических осадков никель-кобальтовых сплавов, полученных в сернокислых электролитах при высоких плотностях тока (до 0.75 А/см2);

— условия получения гальванических осадков никель-кобальтовых сплавов при высоких плотностях тока (проток электролита при малых МЭЗ со скоростью 0.5 — 5 м/с, униполярный импульсный ток прямоугольной формы плотностью до 0.2 — 0.5 А/см2, скважностью 2, частотой 20 -20 000 Гц).

Работа выполнена на кафедре ФХПиТ и в лаборатории «Электрофизических и электрохимических методов обработки» им. Ф. В. Седыкина Тульского государственного университета. Она проводилась в соответствии с научно-исследовательской работой «Изучение физических явлений, разработка и исследование процессов электрохимического формирования деталей со специальными физико-химическими и геометрическими параметрами и технологической оснасткой для их изготовления (Катион)», программой Государственного Комитета по науке и технике Совета Министров СССР 0.16.05 и межвузовской комплексной научно-технической программой «Восстановление» .

Автор выражает благодарность профессору В. В. Любимову, доценту В. К. Сундукову, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, оказанную в выполнении работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

.

1.1. Анализ методов изготовления формообразующих элементов пресс-форм.

В большинстве случаев пресс-формы имеют формообразующую поверхность сложного профиля, трудоемкость обработки которого составляет 70 — 90% от общей трудоемкости изготовления пресс-формы [99]. Выбор материалов и методов изготовления формообразующих элементов пресс-форм (матриц и пуансонов) определяется условиями их эксплуатации, требованиями к точности размеров и качеству поверхностей получаемых в них изделий, серийностью производства и экономичностью достижения требуемых эксплуатационных характеристик пресс-форм.

В процессе эксплуатации контактирующие с формуемым материалом элементы пресс-форм испытывают коррозионный, абразивный и адгезионный износ, значительные циклические удельные давления и нагрев [12, 57, 86]. Интенсивность этих воздействий зависит от применяемых для получения изделий способов формования и составов пресс-материалов.

Так, высокими абразивными свойствами обладают входящие в состав ряда пластмасс-реактопластов наполнители в виде кварцевой муки и стекловолокна. Высокую коррозионную активность имеют выделяющиеся при формовании новолачных и резольных пресс-композиций фенол и формальдегид, при прессовании фенопластов — хлористый водород, хлористый винил и фенол.

Величина удельного давления в пресс-формах при формовании пластмасс достигает 100 — 160 МПа при температуре нагрева пресс-форм до 200 — 300 °C [6, 12] (табл. 1.1), что вызывает появление значительных внутренних напряжений в материалах матриц и пуансонов.

Таблица 1.1.

Режимы формования пластмасс.

Материал Температура,°С Давление, МПа.

АБС пластик 200−240 100−160.

Полиамид 220−260 80−120.

Поликарбонат 220−300 100−150.

Полистирол 180−230 100−150.

Полипропилен 200−280 80−140.

Полиформальдегид 170−200 90−150.

Фенопласты 140−200 50−120.

Аминопласты 130−170 50−100.

Для изготовления ФОЭ пресс-форм с жесткими допусками на точность размеров[32, 72, 81] используют инструментальные стали, что обеспечивает высокое качестве изготовления формующих поверхностей и их стойкость до получения 100 — 300 тыс. изделий. Формообразующие элементы для улучшения эксплуатационных свойств (повышения износостойкости, снижения адгезии к пресс-материалу) подвергаются дополнительно термической обработке (закалке до твердости НЫС 50 — 58), на них производится ^ нанесение упрочняющих слоев и защитных покрытий. Обычно для повышения стойкости стальных формующих поверхностей пресс-форм применяют процессы азотирования, цементации и электролитического хромирования.

Наряду со сталями для изготовления формующих элементов технологической оснастки применяют чугуны, стальное литье и металлокерами-ческие сплавы.

Использование для изготовления ФОЭ пресс-форм других материалов — бериллиевой бронзы, алюминия, легкоплавких алюминиевых, цинковых, оловянных и свинцовых сплавов, а также различных полимерных композиций на основе эпоксидными, фурановых, полиэфирных и кремнеорганических смол, ограничивается условиями опытного и мелкосерийного производства (до нескольких тысяч изготавливаемых изделий). При применении этих материалов трудно обеспечить высокую точность размеров формуемых деталей.

Основные методы получения фасонных поверхностей пресс-форм приведены в табл. 1.2 [81]. Формующие элементы пресс-форм изготавливают по 8 — 9 квалитетам точности, шероховатость поверхности, соприкасающейся с пресс-материалом, доводится до Яа = 0.08 — 0.16 мкм. Выбор методов для изготовления ФОЭ пресс-форм определяется возможностью получения требуемых геометрических характеристик их рабочих поверхностей. Эти характеристики можно классифицировать по следующим признакам (рис. 1.1):

— форма рабочей поверхности;

— характер микрорельефа поверхности (текстурированная, с высокоточными рисунками, голографическими изображениями и т. д.);

— линия разъема поверхности пресс-формы;

— размерные характеристики формующей поверхности (площадь, соотношение габаритных размеров, квалитет точности размеров, параметры шероховатости поверхности).

Исходя из того, что в промышленности наиболее широко используются пресс-формы для получения деталей достаточно небольших размеров, в дальнейшем будут рассматриваться вопросы, связанные с изготовлением ФОЭ пресс-форм с площадью рабочей поверхности до 300 см².

Механическая обработка обеспечивает высокую производительность изготовления формообразующих деталей только простой формы, сложные поверхности многогнездных матриц пресс-форм трудно воспроизводимы при слесарно-механическом способе изготовления. При изготовлении сложных профилей резко возрастает объем слесарных и граверных работ, повышаются трудоемкость изготовления и себестоимость пресс-форм.

Таблица 1.2.

Методы получения фасонных поверхностей пресс-форм [81].

Метод получения Точность размеров, мкм Шероховатость поверхности, мкм Область применения.

Фасонное обтачивание и растачивание 0.05 11а=0,63−2,5 Фасонные поверхности, имеющие форму тел вращения.

Фрезерование на копиро-вально-фрезерных станках и станках с программным управлением 0.05−0.2 Яа= 10−20 Сложные криволинейные поверхности.

Литье: по выплавляемым моделямв керамические формы. 0.25−0.5% номинала 112=10−40 Яа=0.32−0.63 Сложные фасонные поверхности пресс-форм. Сложные фасонные поверхности.

Литье с подпрессовкой металлов: цветныхчерных. 12−14 квалитет 12−14 ква-литет Ыа=0.32- 0.63 1^=10−20 Пресс-формы из цветных металлов. Пресс-формы.

Выдавливание: горячее, полугорячеехолодное. 12−14 квалитет 12−14 ква-литет 10−40 1^=0.16−1.25 Закрытые поверхности в деталях из легированных сталей. Закрытые фасонные поверхности в деталях из мягкой стали.

Продолжение таблицы 1.2.

Порошковая металлургия 0.2 11а=0.63- Серии матриц со слож.

1.25 ным рельефом симметричного и асимметричного профиля.

Гальванопластика Точность ШерохоСложнофасонные вымодели ватость пукло-вогнутые помодели верхности.

Электроимпульсная обФасонные поверхности работка: повышенной твердости низкочастотная- 0.2 1^=40−80 (ШС>40). высокочастотная. 0.1 Яа=1.25- Сложноконтурные ще.

2.5 ли и окна в труднодоступных местах.

Электрохимическая об- 0.05−0.33 Яа=0.16- Замкнутые фасонные работка 1.25 поверхности с плавными переходами.

Обработка шлифоваль- 0.1 Яа=0.32- Сложные поверхности ными машинками по 1.25 в термически обрабошаблону. танных деталях.

Профильное шлифование на станках: универсальных- 0.01 Яа=0.32- Открытые фасонные.

1.25 поверхности. специальных- 0.02 Яа=0.32- Закрытые фасонные.

1.25 поверхности. координатно- 0.01 Яа=0.32- Закрытые поверхности, шлифовальных. 1.25 состоящие из сочетания дуг и прямых, а также отверстия, заданные в системе координат.

Рис. 1.1. Классификатор формы рабочих поверхностей пресс-форм: аширина формующей поверхности, Ь — длина, с — высота (размер, параллельный выталкивателям).

Получение формообразующих деталей пресс-форм значительно упрощается при использовании методов прессования и литья. Однако их применение экономически эффективно только при изготовлении больших партий пресс-форм, так как для осуществления этих процессов необходимо изготавливать специальную дорогостоящую оснастку.

Формообразование рабочих поверхностей холодным выдавливанием заключается в получении четкого оттиска от профилированной части мастер-пуансона в заготовке [ 64, 102]. Рельефная часть пуансона, с учетом воздействия на него больших удельных давлений, достигающих при выдавливании 350 МПа, изготавливается из высоколегированных сталей, закаливаемых до твердости HRC 50−55. Одним мастер-пуансоном можно выдавить несколько полостей в монолитной заготовке.

Изготовление мастер-пуансона является весьма трудоемкой операцией, снижающей эффективность использования метода в случае изготовления единичных изделий. Невозможно изготовление формообразующих поверхностей пресс-форм с узкими и глубокими впадинами и выступами, острыми углами переходов. Нежелательно наличие на пуансоне мелких выступающих деталей в виде надписей, рисунков, так как их трудно получить на профилированной поверхности. К недостаткам метода можно отнести необходимость использования мощного прессового оборудования (прессов усилием от тысячи до нескольких тысяч тонн), занимающего большие производственные площади.

Электроэрозионная обработка полостей пресс-форм обычно применяется [99, 101] после удаления возможно большего количества металла заготовки фрезерованием или точением. Этим способом наиболее целесообразно обрабатывать контуры пресс-форм повышенной твердости — свыше HRC 40, после закалки деталей. Основная масса металла удаляется на высокопроизводительных черновых режимах, с последующим удалением дефектного слоя и выравниваем микронеровностей на чистовых режимах. В процессе черновой обработки происходит интенсивный износ электрода-инструмента, поэтому для получения требуемой точности требуется не менее двух электродов. После электроэрозионной обработки оставляется припуск 0.03 — 0.1 мм на слесарную доводку и полировку полостей пресс-форм. Однако поверхностный слой деталей после электроэрозионной обработки имеет повышенную твердость, что делает доводку сложных профилей трудновыполнимой и трудоемкой операцией. По этим причинам электроэрозионная обработка не находит широкого применения при изготовлении высокоточных пресс-форм.

Электрохимическая обработка применяется для получения фигурных глухих полостей пресс-форм [74, 79, 94, 95]. Этим способом обрабатываются металлы и сплавы любой твердости с высокой производительностью.

Точность электрохимической обработки зависит от условий обработки, размеров и формы катода. Сложность управления процессами получения высокоточных сложнопрофильных деталей и высокая стоимость оборудования для их реализации сдерживает внедрение этого метода в промышленности. При электрохимической обработке трехмерных полостей наибольшее влияние на точность изготовления оказывает форма катода, определение которой является наиболее трудоемкой частью разработки технологического процесса и требует экспериментальной доводки. Поэтому в зависимости от сложности пресс-формы затраты на разработку и изготовление электрода-инструмента окупаются при повторяемости детали не менее 10 -115 штук [75]. Окончательная доводка поверхности производится слесарно-механическим способом.

Технология получения матриц пресс-форм с использованием процессов электролитического катодного формования подробно изложена в работах П. М. Вячеславова, Г. А. Садакова, Г. А. Волянюк и других авторов [5, 16, 22, 24, 31, 55, 65, 85, 92]. Этот метод применяется как в единичном, так и в крупносерийном производстве, используется для изготовления деталей сложной, в том числе уникальной формы. Для реализации процессов электролитического формования не требуется дорогостоящее оборудование и высококвалифицированный обслуживающий персонал. При этом достигаются более высокие качество формообразующей поверхности и точность ее изготовления по сравнению с другими методами обработки. Рассмотрим более подробно особенности этого метода изготовления ФОЭ пресс-форм.

Гальваническое формование обеспечивает полное копирование формы и микрорельефа поверхности оправки, являющейся слепком с рабочей поверхности пресс-формы. При цилиндрической форме оправки точность размеров гальванокопии составляет 10 мкм, перпендикулярность поверхностей 50 мкм на 300 мм [71]. Возможно изготовление деталей элементов рисунка поверхности с линейными размерами порядка 0.01 мкм [106]. В настоящее время только электролитическим формованием удается изготовить инструмент из никеля и других металлов для получения оттисков объемного голографического изображения на пластмассах и других легко деформируемых материалах.

Формообразующие элементы пресс-форм, полученные этим методом, имеют многослойную структуру. Последовательность изготовления ФОЭ показана на рис. 1.2. Гальваническим наращиванием получают тонкостенную копию модели рабочей поверхности пресс-формы толщиной не менее 0.5 — 1.5 мм, которую для придания необходимой жесткости усиливают конструкционным слоем. Нанесение конструкционного слоя производится гальваническим наращиванием меди, заливкой легкоплавкими сплавами, газоплазменным напылением металла и другими способами. Механической обработкой наружной поверхности конструкционного слоя получают базовые поверхности вставки для закрепления ее в корпусе пресс-формы.

Для получения рабочих слоев ФОЭ пресс-форм, работающих при высоких температурах и давлениях, используется электроосаждение сплава никель-кобальт [4, 16, 22, 24, 25, 26, 27]. Электролитический сплав никель-кобальт имеет твердость 1ЖС 48 — 52, прочность 1.0 — 1.4 ГПа при содержании в осадках 30 — 40 процентов кобальта, сохраняет достаточную твердость и прочность при рабочих температурах до 300 — 400 °C. Это по.

1. Конструирование и изготовление модели.

2. Подготовка поверхности модели к осаждению (обезжиривание, создание разделительных либо электропроводных слоев).

3. Гальваническое наращивание рабочего слоя ФОЭ.

4. Нанесение на гальванокопию конструкционного слоя. Механическая обработка внешнего контура вставки.

5. Закрепление вставки в обойме пресс-формы. Отделение модели от ФОЭ.

Рабочий слой.

Конструкционный слой.

Рис. 1.2. Схема технологического процесса получения ФОЭ пресс-форм методом электролитического формования зволяет использовать его для изготовления вставок пресс-форм, предназначенных не только для переработки пластмасс, но и формования резины, стекла, легкоплавких цинковых, магниевых сплавов. При этом не требуется какой-либо дополнительной обработки, повышающей стойкость формообразующих никель-кобальтовых элементов при получении изделий из этих материалов, защиты рабочей поверхности ФОЭ от коррозии и налипания формуемых материалов. Так никель-кобальтовые гальваноформы выдерживают до 20 000 отпрессовок деталей из полиэтилена, получение до 2000 стеклянных изделий [116] и до 4000 заливок под давлением сплава.

Таким образом, использование процессов электролитического катодного формования является одним из наиболее перспективных направлений снижения трудоемкости изготовления и повышения качества слож-нопрофильных ФОЭ технологической оснастки.

Основными недостатками, ограничивающими использование этого метода формообразования в промышленности, являются низкая производительность операции гальванического осаждения металлов (сплавов) и неравномерность толщины осадков на оправках сложного профиля (рис. 1.3) [54]. Время изготовления одной гальванокопии по традиционной технологии составляет 10 и более суток при скорости осаждения никель-кобальтовых сплавов не более 0.01−0.05 мм в час [18].

ЦАМ4−1 [27]. гальванический осадок модель.

Рис. 1.3. Профиль гальванического осадка на моделях сложной формы.

Устранение указанных недостатков существенно расширит область применения метода электролитического катодного формования для изготовления технологической оснастки. Рассмотрим основные направления увеличения скорости операции гальванического осаждения сплава никель-кобальт и получения заданных эксплуатационных характеристик гальванических осадков с целью разработки высокопроизводительных процессов изготовления ФОЭ пресс-форм.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ литературных данных показал, что получение ФОЭ пресс-форм сложной формы с высокими требованиями к точности размеров и шероховатости поверхности возможно только с использованием малопроизводительных доводочных операций (обработка по шаблонам, полирование), которые имеют низкую производительность и требуют больших затрат высококвалифицированного ручного труда. Поэтому актуальна разработка новых методов получения ФОЭ, обеспечивающих низкую себестоимость, высокую производительность и качество изделий.

2. Метод гальванического формования деталей из никель-кобальтовых сплавов дает возможность единовременного получения ФОЭ пресс-форм с заданными геометрическими и эксплуатационными характеристиками без каких-либо доводочных операций. Использованию этого метода в промышленности препятствуют низкая скорость наращивания гальванических осадков значительной толщины (более 0.5 мм) и значительная неравномерность их на поверхностях сложного профиля.

3. Разработаны численные модели для анализа течения электролита в сложных полостях. Компьютерным моделированием определены оптимальные схемы подачи электролита при СГО на поверхности типа отверстий, пазов.

4. Решены задачи распределения гидродинамического и электрического полей в межэлектродном промежутке, определения эволюции катодной и анодной поверхностей в процессе осаждения и прогнозирования на их основе свойств гальванических осадков в условиях СГО.

5. Проведенные поляризационные исследования показали, что в области высоких отрицательных катодных потенциалов (Ек < -0.7 В) процесс осаждения никель-кобальтовых сплавов происходит в условиях диффузионных ограничений. Увеличение эффективной энергии активации, соответствующее переходу к кинетическому контролю процесса осаждения никель-кобальтовых сплавов, наблюдается в достаточно узкой области частот — смена контролирующей стадии процесса происходит при частотах импульсного тока порядка 300 Гц.

6. Оптимальное соотношение концентрации никеля к кобальту в электролите с точки зрения возможности регулирования микротвердости осадков путем изменения частоты, скважности и плотности импульсного тока, находится в диапазоне 20 и 40. Наибольшей микротвсрдостыо (Пц до 5.5 ГПа) обладают осадки, полученные при плотности импульсного тока 0.5 А/см, скважности 2, частоте 20−300 Гц.

7. Величина внутренних напряжений в осадках никель-кобальтовых сплавов при высоких плотностях тока определяется соотношением параметров импульсного тока. Наименьшие значения внутренних напряжений (0.03 -0.05 ГПа) получены при плотности тока 0.2 — 0.5А/см, частоте импульсов тока 20 — 200 Гц, скважности 2.

8. Максимальная рассеивающая способность электролитов наблюдается на частотах импульсного тока 20 — 50 Гц и 10 000 — 20 000 Гц, скважноУ сти 2 при плотности тока 0.1 — 0.2 А/см. Увеличение плотности тока приводит к ее уменьшению.

9. Разработана и изготовлена установка для скоростного гальванического осаждения металлов СГФ на поверхности сложного профиля. Применение установки СГФ позволило сократить продолжительность подготовки производства в 1.5−2 раза за счет снижения трудоемкости изготовления формообразующих вставок пресс-форм по сравнению с механической обработкой и увеличения скорости гальванического осаждения металлов и сплавов в 7−10 раз по сравнению с традиционным гальваническим осаждением в стационарных ваннах.

10. Разработан и внедрен в производство процесс скоростного гальванического осаждения никель-кобальтовых сплавов на оправки сложной пространственной формы площадью до 300 см с точностью размеров по 8 — 9-му квалитетам, шероховатостью поверхности 11а = 0.08. 0.16 мкм на примере формообразующих элементов пресс-форм для изготовления пластмассовых шнеков переменного шага и диаметра, деталей с фасонными пазами типа крыльчаток насосов, ручек АДУ и других изделий, что позволило за счет получения формообразующего слоя из никель-кобальтовых сплавов с заданными физико-механическими характеристиками, не требующего последующей термообработки и механической доводки, сократить трудоемкость изготовления ФОЭ в 7−10 раз по сравнению с механической обработкой.