Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

___________

Санкт-Петербургский институт машиностроения

_______________________________________________________________

Кафедра химии

РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Методические указания

к расчетно-графической работе

для студентов специальностей 150101, 150102, 150201, 150202, 150204

Санкт-Петербург 2010

Расчет характеристик технологического процесса электрохимической обработки деталей машин: Метод. указания к расчетно-графической работе для студентов специальностей 150101, 150102, 150201, 150202, 150204.

Содержат методические рекомендации по расчету основных показателей технологического процесса электрохимической обработки деталей машин на примере турбинной лопатки, а также примеры расчета, справочные данные и варианты заданий с исходными данными для расчета. Разработаны для курса «Химия в машиностроении».

М.А. Коробов

Составители – д. т. н., проф.

к. х. н., доц. О.Х. Чахальян

Методические указания утверждены на заседании кафедры

Рецензент: к. х. н., доц. Т.Я. Коненкова

Редактор – Г.Л. Чубарова

П21(03)

________________________________________________________________________

Подписано в печать 17.04.2010 Формат 60*90 1/16

Бумага тип № 3. Печать офсетная Усл. печ. л. 2,75

Уч.–изд. л. 2,75 Тираж 100 экз. Заказ 11

Издание Санкт-Петербургского института машиностроения (ВТУЗ-ЛМЗ)

195197, Санкт-Петербург, Полюстровский пр., 14

ОП ПИМаш

ПРЕДИСЛОВИЕ

Расчетно-графическая работа «Расчёт характеристик технологического процесса электрохимической обработки деталей машин» связана с одним из способов формообразования деталей, основанных на удалении части металла из заготовок. Эта работа имеет непосредственное отношение к специальностям 150101, 150102, 150201, 150202, 150204, по которым предусмотрено изучение технологии машиностроения, станков и инструмента. Вместе с тем, по своей сути эта работа относится к химии, так как все расчеты, логические построения и выводы основаны на законах химии и химических понятиях, обсуждаемых в ряде разделов типовой программы по химии для инженерно-технических специальностей.

Обычно при изучении химии студенты решают задачи, которые имеют отвлеченный характер, так как не связаны со специальными дисциплинами. В данной работе химические понятия и законы используются для решения практических вопросов по специальности. Поэтому, как показывает опыт преподавателей кафедры химии, у студентов возникает интерес к химии и появляется уверенность в том, что знание химии необходимо для инженера-механика в той же мере, как и знание других фундаментальных наук.

В разделах данной работы, связанных с вычислениями, даются формулировки законов, химических понятий, определения величин, входящих в формулы. В тех разделах, где объем вычислений мал и преобладают логические построения, сформулированы теоретические вопросы. Расчетно-графическую работу целесообразно выполнять в рамках дисциплины «Химия в машиностроении» после завершения лекций по основным разделам курса химии.

ВВЕДЕНИЕ

Метод электрохимической обработки (ЭХО) впервые был применен в 30-х годах нашего столетия отечественными инженерами. В последние годы этот метод стал широко применяться в связи с развитием специальных отраслей машиностроения, использующих жаропрочные и твердые сплавы. Обработка деталей из таких сплавов традиционным методом резания сопровождается большим расходом дорогостоящего инструмента. В некоторых случаях, например, при прошивке глубоких и узких отверстий электрохимический метод является единственно возможным.

Область применения электрохимической обработки охватывает решение большого числа технических задач, связанных с формообразованием. К ним относятся размерная обработка деталей сложной формы (турбинных лопаток, пресс-форм и пр.), резка листов и других форм проката, прошивка глубоких и тонких отверстий, шлифование и полирование деталей, удаление заусенцев и др.

Электрохимическую обработку обычно подразделяют на две разновидности: анодно-гидравлическую и анодно-механическую.

При анодно-гидравлической обработке осуществляется прокачивание технологического раствора электролита между электродами с большой скоростью и под большим давлением. Этот метод используется при размерной обработке деталей сложного профиля (турбинные лопатки), изготовлении штампов, прошивке отверстий и других операциях.

При анодно-механической обработке (электрохимическом шлифовании, полировании) применяют абразивные инструменты в виде кругов, пластин, цилиндров, которые в большинстве случаев служат катодом-инструментом. Электрохимическое анодное растворение обрабатываемой детали сопровождается механическим съемом металла зернами абразива. Для изготовления абразивного инструмента (катода) применяют специальные материалы, состоящие из зерен абразива, сцементированных электропроводящим металлом (никелем или медью).

В расчетно-графической работе рассматривается обработка турбинной лопатки анодно-гидравлическим способом.

Основные преимущества электрохимического метода обработки заключаются в следующем:

1. Катод-инструмент практически не изнашивается.

2. Производительность станка в меньшей степени зависит от физико-химических свойств обрабатываемых металлов (твердости, вязкости).

3. Конструкция станка значительно проще, так как формообразование поверхностей сложного профиля достигается поступательным перемещением инструмента (в отличие от вращательного при механической обработке).

4. Обрабатываемая деталь подвергается меньшему температурному и силовому воздействию, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках детали; резко снижены вибрация и шум.

Электрохимический метод имеет и существенные недостатки:

1. Большая энергоёмкость процесса.

2. Дорогостоящая и сложная система очистки рабочего раствора электролита от шлама.

3. Коррозионная агрессивность среды и большие затраты на борьбу с коррозией.

4. Необходимость изготовления катодов для различных видов операций.

К числу недостатков электрохимической обработки нередко относят необходимость очистки сточных вод от соединений шестивалентного хрома и других примесей. Однако, авторами данной расчетно-графической работы показана возможность создания бессточной технологии, при которой не требуется постоянно действующая система очисти сточных вод.

Применение электрохимического метода имеет существенные преимущества при обработке больших серий однотипных деталей сложной формы, изготовленных из очень твердых сплавов.

ЗАДАНИЕ

Установить технологические показатели процесса электрохимической обработки турбинной лопатки при заданных размерах детали, типе сплава, составе раствора электролита.

Исходные данные и справочные величины, необходимые для расчета, приведены в таблицах 1 ,2, 3 (Приложение).

Номер задания выбирается по двум последним цифрам номера зачетной книжки. Последняя цифра соответствует номеру варианта, а предпоследняя определяет четную или нечетную группу вариантов (Ч или Н). Приведем примеры с указанием номера зачетной книжки и номера варианта задания: 05-567 – вариант Ч7, т.е. 7-й, четной группы; 05-537 – вариант Н7, т.е. 7-й, нечетной группы; 05-509 – вариант Ч9, т.е. 9-й, четной группы; 05-210 – вариант Н0, т.е. нулевой, нечетной группы.

Работа должна содержать все разделы, приведенные в методических указаниях, включая введение и результаты расчетов. Уравнения (формулы), которые используются для вычисления, необходимо сначала написать в общем виде с перечислением названия и размерности каждой величины. Также необходимо привести формулировки основных законов, используемых в расчетах и логических построениях. На все поставленные вопросы следует написать подробные ответы. Для этого рекомендуется использовать материалы данных методических указаний, конспект лекций и учебники (раздел 13 – Оформление отчета).

1. Схема установки для эхо деталей

На рис. 1 изображены основные части электрохимической установки: анод-заготовка (А3 − турбинная лопатка) и два катод-инструмента (КИ), применяемые при двухсторонней обработке. При больших размерах лопатки осуществляется односторонняя обработка. В этом случае к источнику тока подключается только один катод-инструмент. Между анод-заготовкой и катод-инструментом имеется зазор, который при работе станка составляет от 0,4 до 0,1 мм. Это так называемый межэлектродный зазор (МЭЗ).

В качестве источника постоянного тока используются полупроводниковые (кремниевые или германиевые) выпрямители. Принципиально важным вопросом является подключение электродов станка к выпрямителю. На аноде протекает процесс окисления. При этом на электроде (аноде) появляются электроны (отрицательно заряженные частицы). Для того чтобы направить поток электронов от анода к источнику тока (выпрямителю) и далее к катоду, необходимо подключить анод к положительному полюсу источника тока. На катоде протекает процесс восстановления, при этом электроны расходуются. Поэтому катод должен быть подключен к отрицательному полюсу выпрямителя.

Рис. 1. Схема установки для электрохимической обработки турбинной лопатки Ст – станок для ЭХО турбинной лопатки; КИ – катод-инструмент; АЗ – анод-заготовка; Отст – отстойник, Ф – фильтр; Н – насос (р = 7–10 ат); РБ – рабочий бак; БП – бак для приготовления раствора

Гидравлическая система состоит из баков-отстойников, емкостей для зашламленного раствора, фильтров или центрифуг, теплообменников (на схеме не показаны), баков для приготовления раствора и насоса для подачи зашламленного раствора.

Зашламленный раствор представляет собой взвесь гидроксидов металлов в исходном растворе электролита. Такой раствор, содержащий 10–25 масс.% хлорида натрия или 15–25 масс.% нитрата натрия, готовится в специальных баках.

В процессе работы станка ЭХО зашламленный раствор (в начале работы – исходный раствор электролита) с помощью насоса Н под большим давлением (до 10 ат) подается в межэлектродный зазор (МЭЗ), в котором протекают электродные процессы с образованием гидроксидов металлов (шлам) и газообразного водорода. Водород отделяется с помощью специальной системы. Зашламленный раствор подается под давлением на фильтр-пресс Ф, где шлам накапливается на полотне и затем периодически или постоянно (в зависимости от конструкции фильтр-пресса) отделяется специальными скребками. После фильтр-пресса зашламленный раствор с пониженным содержанием шлама поступает в рабочий бак, в который добавляют воду и раствор электролита. Известно много вариантов этого процесса с применением отстойников, центрифуг и других устройств для отделения шлама. Полная очистка от шлама может и не производиться, если в этом нет необходимости. Содержание шлама в зашламленном растворе может достигать 30 г/л и более.

2. УРАВНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ И РЕАКЦИЙ

Применяемый при электрохимической обработке раствор электролита содержит молекулы воды и ионы электролита. Например, в случае использования хлорида натрия, исходный раствор содержит ионы натрия Na⁺, хлорид-ионы Cl^– и молекулы воды; в очень небольших количествах в исходном растворе содержатся ионы водорода Н⁺ и гидроксид-ионы ОН^–.

При обсуждении анодных процессов необходимо рассмотреть возможность участия в них металлов заготовки, молекул воды и ионов электролита (NaCl или NaNО₃).

На аноде, в первую очередь, протекают процессы с наименьшим потенциалом, что характерно для анодного растворения многих металлов. Например, для сплавов на никелевой основе, где содержание никеля (металл-основа) составляет от 60 до 70 %, анодный процесс:

А (+) Ni → Ni²⁺ + 2е, Е^о = –0,25 В . (2.1)

Сходные процессы с образованием ионов Меⁿ⁺ протекают с участием и ряда других металлов (кобальт, железо и др.), которые могут находиться в составе обрабатываемого сплава:

А(+) Ме → Меⁿ⁺ + nе , (2.2)

А(+) Со → Со²⁺ + 2е , (2.3)

А(+) Fe → Fe²⁺ + 2е , (2.4)

А(+) Fe → Fe³⁺ + 3е . (2.5)

Хром при окислении сплава преобразуется в хромсодержащие анионы (хроматы и дихроматы):

А(+) Cr + 4H₂O → CrO₄^2– + 8H⁺ + 6e , (2.6)

А(+) 2Cr + 7H₂O → Cr₂O₇^2–- + 14H⁺ +12е . (2.7)

Эти анионы участвуют в динамическом равновесии, которое смещается к Cr₂O₇²⁻ в кислотной среде, или к CrO₄²⁻ – в щелочной среде (по принципу Ле Шателье):

2CrO₄^2– + 2Н⁺ ↔ Cr₂O₇^2— + Н₂О , (2.8)

Cr₂O₇^2– + 2ОН^– ↔ 2CrO₄^2— + Н₂О . (2.9)

В результате анодной поляризации происходит смещение потенциала анода в сторону положительных значений и в условиях пассивации анода может быть достигнут потенциал окисления воды.

А(+) 2Н₂О = O₂↑ + 4Н⁺ + 4е . (2.10)

Равновесный потенциал этого процесса выражается уравнением:

Е = 1,23 – 0,059·рН + 0,0147·lgР_{О2 ,} (2.11)

где pH – водородный показатель, Р_O2 – давление кислорода, ат.

В этом случае скорость процесса резко уменьшается, показатели процесса ухудшаются и, как следствие, ЭХО становится невыгодной.

На электродах протекают также вторичные реакции, которые влияют на показатели технологического процесса, снижая выход по току (коэффициент использования тока). Часть электричества может расходоваться на окисление таких гидроксидов металлов, как Cr(OH)₃ и Fe(OH)₂, образующихся в результате протекания катодных процессов (металл в этих гидроксидах имеет промежуточную степень окисления).

А(+) 2Cr(OH)₃ + Н₂О = Cr₂O₇^2– + 8Н⁺ + 6е (2.12)

А(+) Cr(OH)₃ + Н₂О = CrO₄^2– + 5Н⁺ + 3е (2.13)

А(+) Fe(OH)₂ + Н₂О = Fe(OH)₃ + Н⁺ + е (2.14)

Окисление хлорид-ионов Cl^– в процессе электрохимической обработки сплавов не происходит. На это указывает многолетний опыт работы цехов и участков со станками ЭХО. При окислении хлорид-ионов должен был бы выделяться хлор, что не наблюдалось.

А(+) 2Cl^– = Cl₂ + 2e (2.15)

На катоде в первую очередь протекает процесс с наибольшим потенциалом, в водных растворах – это катодное восстановление воды.

К(–) 2Н₂О + 2е = Н₂↑ + 2ОН^– (2.16)

Потенциал этого процесса выражается уравнением:

Е = –0,059·рН – 0,0295·lgР_Н2, (2.17)

где Р_Н2 – давление водорода, ат.

Потенциал катода в результате поляризации смещается в сторону отрицательных значений. Однако восстановление ионов натрия Na⁺ на катоде не происходит, так как равновесный потенциал этого процесса (Е⁰ = –2,7 В) значительно ниже, чем потенциал восстановления воды.

На катоде протекают также вторичные процессы, например, частичное восстановление ионов CrO₄^2– до Cr(OH)₃ и соединений железа (III) до железа (II):

К(–) CrO₄^2– + 4Н₂О + 3е = Cr(OH)₃↓ + 5ОН^– , (2.18)

К(–) Fe(OH)₃ + е = Fe(OH)₂ + ОН^– . (2.19)

Как следует из уравнений (2.6–2.9, 2.18), на аноде происходит переход хрома из металлической детали в состав соединений хрома (VI), а затем часть этих соединений преобразуется в процессе ЭХО в гидроксид хрома (III). Таким образом, продуктами ЭХО хромсодержащих сплавов оказываются как соединения хрома (VI), так и соединения хрома (III).

Соотношение указанных соединений зависит от времени обработки и концентрации хромсодержащих анионов. По мере накопления в растворе соединений хрома (VI) доля гидроксида хрома (III) растет и большая часть хрома, снятого с металла, переходит в состав шлама. В связи с этим в работе правомерно рассмотреть три варианта задания. В двух простейших вариантах может предусматриваться переход в состав соединений хрома (VI) или хрома (III), а в третьем варианте, отражающем реальную картину процесса ЭХО, может быть предусмотрено одновременное образование как тех, так и других соединений и указана соответствующая доля хрома.

Заметных количеств гидроксида железа (II) в шламе не должно быть, так как этот гидроксид неустойчив и легко окисляется как кислородом воздуха, так и хромсодержащими анионами:

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ = 4 Fe(OH)₃ , (2.20)

3Fe(OH)₂ + CrO₄^2– + 4H₂O = 3 Fe(OH)₃ + Cr(OH)₃ + 2OH^– . (2.21)

В растворе нитрата натрия образуется некоторое количество ионов NO₂^– и NH₄⁺, что указывает на протекание соответствующих катодных процессов:

К(–) NO₃^– + Н₂О +2е = NO₂^– + 2ОН^– , (2.22)

К(–) NO₃^– + 7Н₂О + 8е = NН₄⁺ + 10ОН^– . (2.23)

Приведем уравнения некоторых протекающих при ЭХО реакций, получающихся при сложении уравнений анодных и катодных процессов. Уравнение (2.24) получаем сложением (2.2) и уравнение типа (2.16):

А(+) Ме → Меⁿ⁺ + nе

К(–) n Н₂О + nе = n/₂ Н₂↑ + nОН^–

Ме+n Н₂О → ⁿ/2 Н₂↑ + Me(ОН)_n↓. (2.24)

Из (2.1, 2.16) А(+) Ni → Ni²⁺ + 2е

К(–) 2 Н₂О + 2е = Н₂↑ + 2ОН^–

Ni + 2Н₂О = Ni(OH)₂↓ + Н₂↑. (2.25)

Из (2.5, 2.16) А(+) Fe → Fe³⁺ + 3е 1

К(–) 2 Н₂О + 2е = Н₂↑ + 2ОН^– 1,5

Fe + 3Н₂О = Fe(ОН)₃↓ + 3/2 Н₂↑. (2.26)

Из (2.6, 2.16) А(+) Cr + 4Н₂О = CrO₄^2– + 8Н⁺ + 6е 1

К(–) 2 Н₂О + 2е = Н₂↑ + 2ОН^– 3

Cr + (4+6)Н₂О = Н₂CrО₄ + (6Н⁺ + 6ОН^–) + 3Н₂↑ ,

Cr + 4Н₂О = Н₂CrО₄ + 3Н₂↑ . (2.27)

Из (2.7, 2.16) А(+) 2Cr + 7H₂O → Cr₂O₇^2–- + 14H⁺ +12е 1

К(–) 2 Н₂О + 2е = Н₂↑ + 2ОН^– 6

2Cr + (7+12)Н₂О = Н₂Cr₂O₇ + (12Н⁺ + 12ОН^–) + 6Н₂↑,

Cr + 7Н₂О = Н₂Cr₂O₇ + 6Н₂↑. (2.28)

Для той части хрома, которая преобразуется в гидроксид хрома (III), получаем уравнение после сложения уравнений электродных процессов [2.6, 2.16, 2.18] и приведения подобных членов.

А(+) Cr + 4Н₂О = CrO₄^2– + 8Н⁺ + 6е

К(–) CrO₄^2– + 4Н₂О + 3е = Cr(OH)₃ + 5ОН^–

К(–) 3Н₂О + 3е = 3ОН^– + 3/2 Н₂↑

Cr + 3Н₂О = Cr(OH)₃ + 3/2 Н₂↑ . (2.29)

Уравнение (2.29) соответствует уравнениям подобного типа (2.24–2.28) и может быть использовано при расчетах.

Из (2.10, 2.16) А(+) 2Н₂О = O₂↑ + 4Н⁺ + 4е 1

К(–) 2 Н₂О + 2е = Н₂↑ + 2ОН^– 2

6Н₂О = O₂↑ + 2 Н₂↑ + (4Н⁺+ 4ОН^–),

2Н₂О = O₂↑ + 2 Н₂↑. (2.30)

Турбинные лопатки для газовых турбин изготавливают из хромоникелевых сплавов ЭИ-893, ЭИ-867, ЦНК-7, ЖС6К, в которых содержится около 65% никеля (или никеля с кобальтом) и в общей сложности 30% металлов группы VIB Периодической системы (хром 9–17%, молибден 4–11%, вольфрам 5–10%). Кроме того, сплавы содержат титан (0–3,5%), алюминий (1–6%), железо (0,3–4%) и незначительные количества марганца (менее 0,5%), кремния (менее 0,6%), углерода и фосфора (менее 0,2% каждого).

Приведем в общем виде простейшие уравнения реакций преобразования металлов в гидроксиды применительно к валентностям от 2 до 7, которые соответствуют устойчивым состояниям соединений.

Для : Ме + 2Н₂О = Ме(ОН)₂ + Н₂↑ ,

Для : Ме + 3Н₂О = Ме(ОН)₃ + 3/₂Н₂↑ ,

Для : Ме + 3Н₂О = Н₂МеО₃ + 2Н₂↑ ,

Для : Ме + 3Н₂О = НМеО₃ + 5/₂Н₂↑ ,

Для : Ме + 4Н₂О = Н₂МеО₄ + 3Н₂↑ ,

Для : Ме + 4Н₂О = НМеО₄ + 7/₂Н₂↑ .

Гидроксид металла, который можно рассматривать как продукт соединения оксида металла и воды, в зависимости от свойств оксида имеет основной, амфотерный или кислотный характер. В общем случае будем использовать термин «гидроксиды», имея при этом ввиду любые гидроксиды – основания, амфотерные гидроксиды или кислоты: Ni(OH)₂ – гидроксид никеля, Cr(OH)₃ – гидроксид хрома (III), H₂CrO₄ –хромовая кислота.

Формулы ряда гидроксидов с валентностью металла 4 и более могут несколько отличаться от приведенных, так как при ЭХО могут протекать сложные процессы гидратации, дегидратации и полимеризации с участием гидроксидов. Такие процессы характерны для металлов VB группы Периодической системы (V, Nb, Ta) и в определенной степени для металлов VIB группы (Cr, Mo, W). Металлы VВ группы в данных сплавах отсутствуют. Из металлов VIIВ группы в сплавах присутствует лишь марганец, проявляя валентность 4. Отметим, что для малых количеств легирующего металла в сплаве результат технических расчетов процесса ЭХО почти не зависит от точности записи формулы гидроксида металла. Это относится к титану и, особенно, к марганцу.

Таким образом, для содержащихся в сплавах металлов целесообразно исходить из следующих форм гидроксидов: Ni(OH)₂, Co(OH)₂, Al(OH)₃, Fe(OH)₃, Cr(OH)₃, H₂CrO₄, H₂MoO₄, H₂WO₄, TiO₂∙H₂O.

2. РАСЧЕТЫ ПО ХИМИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЯМ

Уравнения химических реакций и электродных процессов, протекающих при электрохимической обработке (ЭХО) деталей, являются важной составляющей исходных данных, необходимых для разработки станков и технологии обработки, для эксплуатации станков и всех систем, связанных со станками, в том числе систем защиты гидросферы.

Для химических реакций анодного растворения металлов можно написать одно общее уравнение, которое относится к 1 молю металла:

Ме + n₁ Н₂О = n₂ гидроксид + n₃ Н₂↑. (3.1)

Это уравнение − обобщение уравнений реакций с участием различных металлов.

Учет количества образовавшихся гидроксидов, как нерастворимых (шлам), так и растворимых, имеет большое значение. Гидроксиды участвуют в электрохимических процессах, что приводит к снижению выхода по току и увеличению расхода электроэнергии. Нарастание содержания шлама ведет к росту вязкости зашламленного раствора, сокращению расхода раствора, росту температуры и изменению характеристик ЭХО. Для удаления шлама используют средства очистки (фильтры и пр.), производительность которых необходимо рассчитывать. Растворимые гидроксиды, содержащие соединения хрома VI, представляют опасность для здоровья работающих и для окружающей среды, в связи с чем необходимо проводить очистку рабочего раствора от этих соединений (регенерацию) и принимать меры для защиты гидросферы. Кроме того, гидроксиды влияют на водородный показатель раствора.