Введение к работе
Актуальность работы. Конкурентоспособность и экономическая эффективность предприятия определяется не только увеличением его дохода, но и снижением расходов, в частности затрат на смену оснастки текстильных машин. Увеличение времени работы оснастки, или повышение ее качества, приводящее к снижению обрывности нити при технологических операциях, способны снизить себестоимость и поднять конкурентоспособность текстильного предприятия.
Примером технологической оснастки является нитепроводник, один из основных элементов прядильных и мотальных машин. Эта деталь должна обладать высокой износостойкостью и поверхностью с низкой шероховатостью для уменьшения обрывностей нити. Повышенную износостойкость можно получить применением специальных сплавов и керамических материалов или термической обработкой сплавов на основе железа. Второй путь предпочтительнее ввиду низкой стоимости конструкционной стали и широким спектром возможных методов термообработки. Термическая обработка может быть осуществлена традиционным методом: объемной закалкой в печи или современными методами: индукционной, лазерной закалкой, азотированием в тлеющем разряде, электролитно-плазменной обработкой. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки: при объемной закалке нагрев в печи без защитной среды приводит к образованию оксидной пленки и необходимости ее удаления из-за плохих эксплуатационных качеств в текстильных машинах; индукционная и лазерная закалка требуют дорогого оборудования и при обработке мелких и средних партий деталей нерентабельны; азотирование требует вакуумной камеры, этот процесс, как и лазерный нагрев, является дорогостоящим; электролитный нагрев не требует дорогостоящего оборудования, но является малоизученным процессом. Катодная электролитная обработка приводит к повышению износостойкости, но и к росту шероховатости. Анодный электролитный нагрев (АЭН) имеет ряд преимуществ: более точное управление температурой, отсутствие опасности перегрева и разрушения детали, снижение шероховатости поверхности после обработки. Применение анодной электрохимико-термической обра-
4 ботки для повышения ресурса изделий, контактирующих с нитью, представляется перспективным, но требует решения проблем подбора электролита и режимов нагрева для обработки.
Настоящая работа выполнялась в рамках проекта "Механизм образования оксидного слоя и его влияние на электрохимико-термическую обработку металлов и сплавов" (грант РФФИ 09-08-99069-р_офи).
Цель диссертационной работы: разработка технологии анодной обработки стальных нитепроводников для улучшения их эксплуатационных свойств, в частности уменьшения шероховатости с целью снижения обрывности нитей и повышение износостойкости (времени эксплуатации).
Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:
установить режимы термообработки на основе зависимостей вольтамперных и вольт-температурных характеристик от состава электролита;
изучить закономерности теплообмена в анодной парогазовой оболочке при нагреве детали в условиях принудительной циркуляции электролита;
изучить закономерности изменения массы деталей в зависимости от состава электролита и режима обработки вследствие ее растворения и образования оксидного слоя;
исследовать свойства оксидного слоя, образующегося при электролитном нагреве;
исследовать изменение состава электролита в процессе его эксплуатации, и разработать технологические рекомендации по его использованию;
разработать технологический процесс скоростной обработки нитепроводников мотальных машин типов РВК и ММ.
Методы исследований: экспериментальные данные получены на опытно-промышленных и специально созданных лабораторных установках с помощью стандартных и современных методик металлографического анализа (микроскопы МЕТАМ РВ-21, растровый электронный микроскоп Axiostar plus Zeiss, сканирующий электронный микроскоп JSM-5610 LV, микротвердомер ПМТ-3), химического анализа, а также измерением механических, энергетических, гидродинамических и физико-химических параметров процесса анодного нагрева.
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечивается независимыми методами анализа составов электролитов, со-
5 временными методами анализа фазового состава и структуры модифицированных сталей, статистической обработкой экспериментальных данных, корректным применением положений теорий анодного нагрева, и подтверждается соответствием полученных результатов ранее опубликованным данным, а также положительным результатом практической реализации результатов исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
Закономерности влияния состава электролита и напряжения на температуру нагрева обрабатываемой цилиндрической детали и изменение ее массы, позволяющие прогнозировать изменение геометрии детали в ходе обработки.
Закономерности образования оксидного слоя на поверхности стальной детали, его электрохимическое поведение.
Технологический процесс скоростного упрочнения нитепроводников для мотальных машин, позволяющий повысить твёрдость рабочих поверхностей до 6,3+0,3 ГПа и снизить обрывность нитей 1,5-2 раза.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Обнаружено критическое напряжение нагрева стальных образцов, при котором наблюдается смена падающей вольтамперной характеристики на возрастающую, сопровождающаяся падением температуры нагреваемой детали и объясняемая изменением характера электрической проводимости парогазовой оболочки, предположительно, за счет появления разрядов и возможного разбрызгивания электролита.
Установлено, что повышение концентрации хлорида или нитрата аммония в водных электролитах приводит к уменьшению силы тока и увеличению теплового потока в нагреваемую деталь за счет перераспределения энергии в системе. Параллельно с этим наблюдается снижение теплового потока в электролит и смещение точек минимального тока и максимальной температуры в область более низких напряжений. Указанные явления объясняются изменением эмиссионной способности электролита при более высоких концентрациях компонентов, обеспечивающих электропроводность системы.
Показано, что изменение массы детали при обработке в условиях электролитного нагрева является следствием процессов электрохимического растворения и образования оксидного слоя по механизму высокотемпературной
6 газовой коррозии. Выявлен вклад каждого процесса в общее изменение массы анода. Обнаружено, что интенсивность растворения в растворе хлорида аммония растет с увеличением концентрации раствора и температуры нагрева. Скорость растворения в растворе нитрата аммония невелика, в этом электролите преобладает процесс высокотемпературного окисления.
Показана возможность существенного торможения роста оксидного слоя добавлением к раствору хлорида аммония глицерина в количестве 50 мл/л при сопутствующем повышении скорости анодного растворения. Дальнейшее увеличение содержания глицерина до 150 мл/л полностью подавляет процесс оксидирования.
Определены режимы оксидирования стали 45 в растворе ацетата аммония (220+20 В, 900+50 С, 1-3 мин), позволяющие на порядок снизить скорость
коррозии стали: от 8,4 г/(м -сут) до 0,7 г/(м -сут) в среде хлорида натрия. Практическая полезность работы состоит в следующем:
Разработан технологический процесс анодной термической обработки, позволяющий повысить ресурс нитепроводников мотальных машин и снизить обрывность нитей в 1,5-2 раза. Партия изделий прошла промышленную апробацию на фабрике №3 Оршанского льнокомбината и внедрена в производство.
Предложена методика диагностики состава электролита путем контроля его оптической плотности и средства повышения его долговечности. Установлено влияние концентраций хлорида, нитрата, сульфата и ацетата аммония на температуру нагрева стальных изделий, что позволяет обосновать рекомендации по выбору составов рабочих электролитов.
Выявлены закономерности изменения массы образцов при анодной обработке в водных электролитах, что позволяет давать рекомендации по изготовлению деталей с необходимыми припусками.
Реализация результатов. По предложенным технологическим рекомендациям обработана партия нитепроводников, которые успешно прошли опытно-производственные испытания на фабрике №3 Оршанского льнокомбината (Беларусь) и внедрены в производство.
Апробация работы. Основные материалы диссертации обсуждались и докладывались на 4-й и, 6-й Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Быстрозакаленные материалы и покрытия»
7 (Москва, 2005, 2007), II Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома, 2007), Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (Рыбинск 2007), 1-й и 3-й Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2008, 2011), International Conference dedicated to the 50th anniversary from the foundation of the Institute of the Chemistry of the Academy of Sciences of Moldova (Кишинев, 2009), I Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения» (Рыбинск, 2009), II Всероссийской молодежной школе-конференции «современные проблемы металловедения» (Абхазия, 2011).
Публикации. По результатам научно-исследовательской работы опубликовано 14 печатных работ (4 статьи и 10 тезисов научно-технических конференций).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников (69 наименований), приложения, содержит 126 страницу, 60 рисунков и 12 таблиц.
