автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Скоростное гальваническое формование деталей из Ni-Co сплавов

РГ6 од

л ., , . ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

? / !ли:й _____________________________

На правах рукописи

ГЛАДУ И Андрей Анатольевич ,'

(У

СКОРОСТНОЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ФОРМОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ М-Со СПЛАВОВ

Специальность 05.03.01 "Процессы механической и физико-технической обработки, станки иннструменг"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 1998

Работа выполнена на кафедре " Физико-химические процессы и технологии" Тульского государственного университета.

Научный руководитель - •

член-корреспондент АТН РФ, доктор технических наук, профессор В.В. Любимов.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И.В. Суминов, кандидат технических Наук, лауреат Государственной премии директор АНПК "Блик" Ю.С. Тимофеев.

Ведущее предприятие

ОАО- ЦКБА (Центральное конструкторское бюро аппарато-строения)

300334 г. Тула, ул. Демонстрации, 36

Защита диссертации состоится 30 июня 1998 г. в часов в 9-м учебном корпусе, ауд. 101 на заседании диссертационного совета К 063.47.01 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан'¿у мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доц.

Федин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительное расширение использования в изделиях промышленного и бытового назначения пластмассовых Деталей потребовало увеличений выпуска пресс-форм и совершенствования технологии их изготовления. В условиях развития конкурентоспособного рыночного производства актуальное значение приобрела задача снижения сроков подготовки производства новых изделий, уменьшения себестоимости их изготовления. В большинстве случаев пресс-формы имеют формообразующую Поверхность сложного профиля, трудоемкость обработки которого составляет 70 - 90 % от общей трудоемкости изготовления пресс-формы. ' " ." ~

Получение сложнопрофйльных формообразующих элементов (ФОЭ) пресс-форм с высокими требованиями к точности размеров и шероховатости поверхности (8 - 9-й квалитеты, 11а = 0.08...0.16 мкм) традиционными методами обработки возможно только с использованием доводочных операций (обработки по шаблонам, полирования), которые имеют низкую производительность и требуют применения высококвалифицированного ручного труда. Л

" Метод гальванического формования с использованием осаждения. никель-кобалЬтовыХ сплавов является одним из наиболее перспективных методов изготовления высокоточных сложнопрофйльных рабочих элементов преСс-форм, дает возможность единовременного получения ФОЭ пресс-форм с заданными эксплуатационными характеристиками без каких-либо доводочных операций, имеет низкую себестоимость и не требует использования дорогостоящего оборудования и материалов. 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 оп равках сложной формы сдерживают использование этого метода, в промышленности.

Проводимые на кафедре.ФХПиТЛулГУ 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 обеспечений заданных функциональных характеристик осадков в условиях высоких плотностей импульсного тока в проточном электролите. Выявлены взаимосвязи между условиями осаждения и качеством осадков. Актуальность исследований подтверждается участием в программах ГКНТ СССР "Катион", 016.05, МНТП " Восстановление".

Для практической реализации процесса скоростного гальванического формования ФОЭ пресс-форм разработана и изготовлена опытно-промышленная установка, на которой экспериментально апробированы схемные решения различных электролизеров при скоростном гальваническом осаждении на сложнофасониые поверхности.

Цель работы. Разработка и исследование процесса скоростного гальванического осаждения никель-кобальтовых сплавов для получения сложнопрофильных формообразующих элементов пресс-форм с площадью рабочей поверхности до 300 смг.

Научная новизну Изучены условия скоростного роста осадков никель-кобальтовых сплавов на поверхности оправки при малых МЭЗ и разработаны методы управления локальными скоростями осаждения за счет корректировки формы и структуры электрического и гидродинамического полей (изменения формы оправки, введения дополнительных электродов, экранов).

Моделирование потока электролита в МЭЗ позволило исключить наличие застойных зон и зон со скоростью электролита, недостаточной для ведения процесса скоростного, гальванического осаждения, за счет изменения вида системы ввода электролита в межэлектродный промежуток.

Определены условия скоростного осаждения сплавов никель-кобальт из сернокислых электролитов (проток электролита при малых межэлектродных зазорах со скоростью 0.5 - 5 м/с, униполярный импульсный ток прямоугольной формы плотностью до 0.2 - 0.5 А/см2, скважностью 2, частотой 20-20000 Гц).

Практическая значимость. Разработана и внедрена в промышленность установка скоростного гальванического осаждения Металлов и. сплавов СГФ для изготовления ФОЭ пресс-форм площадью до. 300 ем1. Отработан метод получения на разработанной установке ФОЭ пресс-форм различных форм и размеров. :

Положения, выносимые на защиту;

- результаты моделирования процесса скоростного гальванического формообразования сложнопрофильных деталей в зависимости Ы конструктивно-Технологических параметров осаждения с учетом изменения рельефа катодных и анодных поверхностей в продсссг электролиза;

N

- экспериментальные зависимости,между параметрами импульсного тока прямоугольной формы и качеством гальванических осадков никель-кобальтовых сплавов, полученных в сернокислых электролитах при цысо-ких 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/см1, скважностью 2, частотой 20 -20000 Гц).

Достррерность результатов достигалась использованием теоретически и экспериментально проверенных практикой методов исследований, статистической "обработкой- 'полученных - зксперамеш ильных. данных, . опытно-промьидленными испытаниями установки СГФ на предложенных технологических режимах и схемах обработки.

Дпрпбаиия работы. Результаты проведенных исследований докладывались И обсуждались на научно-технических конференциях ТулГУ. в 1987 - 1996 гг.; на конференциях "Теория и практика электроосаждения металлов и сплавов", г. Пенза, 1988; " Совершенствование технологии гальванических покрытий", г. Киров, 1989; Российской научно-технической конференции.'.'Современные проблемы теории и технологии ЭХРО", г. Уфа 1996; Всероссийской научно-технической конференции "Современная электротехнология в машиностроении", г. Тула, 1997.

Практическая реализация. Результаты проведенных исследований использованы в хоздоговорных работах с .НПО "Старт" (г. Тула), НИИ репрографии (г. Тула). Внедрение в технологии изготовления ФОЭ пресс-форм процесса скоростного гальванического осаждения никель-кобальтовых сплавов и реализация его на установке СГФ позволили сократить продолжительность подготовки производства за счет снижения трудоемкости получения формообразующих вставок пресс-форм в 5 - 7 раз по сравнению с механической выработкой и увеличения скорости гальванического формообразования в 7 - 10 раз по сравнению с традиционным гальваническим осаждением в стационарных ваннах.

Публикац ц ц. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах. ,

Структури объем рдбоуы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 165 страницах, содержит 75 рисунков н 5 таблиц, список литературы из 116 наименований, приложение на 6 страницах!

Содержите вяботм

В первой гдаде выполнен анализ современного состояния вопроса, определены цели и зада чн исследования; -

Технология получения матриц пресс-форм с использованием процесса гальванического формования подробно изложена в работах П. М. . . Вячеславова, Г.А.Садакрва, ГА- Волянюк й других авторов.

В ходе анализщ современный методов получения ФОЭ пресс-форм показана целесообразность использования процесса гальванического формования никель-кобальтовых сплавов для изготовления ФОЭ многогнезд-ных пресс-форм и единичных деталей, в ^рм числе уникальной формы.,

Для гальванического формования деталей из никель-кобальтовых сплавов используют сернокислые либо сульфаминавокислые электролиты. Выбор для процесса скоростного гальванического осаждения (СГО) сернокислых электролитов сделан ввиду их низкой стоимости и широкого распространения в промышленности. . ' ~ '

Процесс электрокристаллизации металлов и сплавов в значительно}} степени зависит от электрических режимов электролиза, что позволяет без изменения характеристик электролизера получать гальванические осадки с различными физико-механическими и химическими свойствами, используя для эле}стролиза периодические токи различной фйрмы с определенными электрическими параметрами- На основании известных зависимостей предельной по качеству осадков плотности тока от состава электролита, температуры, гидродинамических условий в электролизере и характеристик технологического тока определены направления повышения скорости Гальванического осаждения никель-кобальтовых сплавов: интенсивная прокачка электролита в межэлектродном промежутке и электроосаждение импульсным униполярным током прямоугольной формы на малых МЭЗ (до 3 - 5мм).

Неравномерность распределения плотности электрического тока на сложнопрофильной оправке в процессе электроосаждения вызывает формирование по поверхности формробразуемой детали переменных по рели-чине ф изико-механических и химических характеристик, приводит к появлению значительных внутренних напряжений в осадке, способных исказить форму и размеры гальваиокрпии.

Таким образом, решение задачи интенсификации процесса гальванического осаждения никель-кобальтовых спладов на оправках сложного профиля связано с задачами получения равномерного или заданного распределения толщины осадка По поверхности оправки и создания у осадка в процессе электроосаждения набора функциональных характеристик, от-'

оечающего условиям эксплуатации 1 <ЮЭ пресс-форм (микротвердосш,

прочности,химической, тепловой стойкости ит.д.).. .______________

Из анализа литературных данных следует, что в настоящее время не представляется возможным адекватное теоретическое описание полной взаимосвязи Между технологическими пвря'Ме+рчмй процесса СГО и фнзм-ко-меха'ннческпмп, химическими свойствами осадков ввиду сложности яллеинй, соответствующих этому, процессу..Нахо;здеане зависимостей между технологическими параметрами электролиза и свойствами осядкоз возможно экспериментальным путем.

" В то же время теоретические Модели электрохимических процессов,

l-ТГ Hrt п i.jv и иI iq aunnurtii —..." .... -— ----— —■—■--

ЧНГ1 rimrilill ftlltTV rTfjr^nvttfxri'irafi А it г'" р" * ~ " - "

Козаком, позволяют определить зависимость геометрической формы осад-коп от параметров осаждения н прогнозировать свойства осадков с учетом распределения плотности тока на слошюпрофильных поверхностях п процессе электроосаждения. . . -

На осноранни проведенного анализа и соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:

' - исследовать процесс СГО с учетом режима интенсивного массооб-п згтйорояувс".« слплкой Гсометрйи Пйзер.-Шое'т ¿Ле^ридоа;

- выполнить анализ схем СГО нп сложнопрофильные noaepxnoctH и определить параметры управления процессом получения осадков с ладанными функциональными характеристиками;

- определить распределение гидродинамического и электрического полей в МЭП з процессе СГО и их влияние на качество гальванических осадков;

- изучить взаимосвязь между режимами скоростного гальшшнческо-го осаждения и качеством осадков никель-кобальтовых сплавов;

....... - разработать и внедрить оборудование для высокоскоростного галь-'

панического осуждения для изготовления ФОЭ пресс-фор;.! -лошадью до 300 см2. :

— Во второй главе проведены теоретические исследования процесса СГО на сложнопрофильные поверхности.

Процесс создания формообразующих элементов технологической оснастки методом СГО может быть представлен з знде структурной схемы модели получения объекта (многослойной системы), состоящей из следующих элементов (рис.1): оправки, формообразующего слоя (ФОС),.конструкционного слоя (КС). Требуемый набор характеристик ФОЭ'обеспечивается взаимодействием свойств составных .элементов многослойной системы (MC) в процессе ее получения й эксплуатации.'

к

МНОГОСЛОЙНАЯ СИСТЕМА

ч Рис. 1. Структурная схема модели многослойной системы.

В такой многослойной системе набор эксплуатационных характеристик ФОЭ является результатом суммирования свойств составляющих его элементов: формообразующего и конструкционного слоев, а также оправки. Операция гальванического формования определяет основные эксплуатационные характеристики ФОЭ. В процессе гальванического формования решается две задачи: получение определенных герметрических характеристик детали и создание у нее набора физико-химических свойств, отвечающего условиям эксплуатации пресс-формы. Для получения требуемых характеристик детали необходимо обеспечить в процессе электроосаждения заданное или изменяемое по определенной программе распределение тока на Катодной поверхности.

В ходе анализе возможных схем СГО на сложнопрофильные поверхности* определено, что наибольшей универсальностью по отношению к форме оправки-Катода обладает осаждение с непрофилиров^нным электродом, значительно удаленным от катодной поверхности, с использованием дополнительных электродов, устанавливаемых на небольших расстояниях от оправки, а также других технологических приемов для коррекции распределения электрического поля в МЭП.

Прогнозирования свойств гальванических осадков Ь условиях СГО состояло из следующих этапов:

- определение влияния формы МЭП, расположения электролитопо-дающих сопел и с эрости подачи электролита на гидродинамические ус-. ловия в электролизере; /

- расчет распределения плотности тока по катодной поверхности;

- коррекция распределения плотности тока при отклонении ее от заданной путем" изменения схемы осаждения, введения дополнительных электродов, экранов, изменения формы модели ; -

- определение эволюции катодной и анодной поверхностей в процессе осаждения с целью возможности лолучения задзнной формы осадка.

С учетом, что электролит представляет собой сжимаемую жидкость

(за счет наличия газовых пузырьков), для моделирования гидродинамических процессов в оссснмметрнчных кацолах использовалась система урав^. пений Течения вязкой сжимаемой жидкости в цилиндрической системе координат в форме Нлаье - Стокса. Гидродинамические процессы в щелевые каналах описывались системой уравнений Течения вязкой сжимаемой жидкости в форме Навье - Стокса в декартовой системе координат о плоской постановке. . ......... .

Для моделпрапатгя изменения конфигурации межэлектроднеи) промежутка при СГО использовалась система уравнений у декпрюсп;! -системе координаг, учитывающая изменение'формы катОда и анода" во времени: '

£2» дга

дх

{дхк\ 2 (я V дгк

1<?у)

~ в

ЁЬ.

ду

с ««чальяымя усяопттяг.;;:..........—............

где , 2г - функции, описывающие соответственно катодную и анодную поъерхности; - объем растворенного материала ¿иода или металла,

выделившегося па катоде, при прохождении 1 Кл .электричества.

Плотность тока на катоде и аноде определялась из закона Ома

Выполнено компьютерное моделирование влияния характера'течения-электролита н распределения электрического поля в межэлектродном промежутке на пррцесс СГО в глубоких птперг.тия* и пя^чу опряр"^ огиошсмии глубины отверстия к ширин.' и'олее 1), оеачеденне и которых возможно только с {¡спользоваилйпозццтельцш. 2Л££.тродоа-ииодаз. ■ ■ Результаты моделирования процесса гальванического формообразования на малых МЭЗ показали существенную зависимость динамики формирования Про 1>ИЛ8 осадка 0'Г времени. ЧТО связано с тистчтеи игшфц. ¡ур'.шин г 1ежэлектродного прсм-ичутка п результате распюреинл поверх» цоотн дополнительных анодов и разнос!и и скоростях роста осадка на.|Ш-личных катодной попсртспос!«. Оир^целешл оптимальные схем!!

подачи электролита и МЭЗ и профили электродов, обеспечивающие нап-¡5слгг рдарьгерноз распределение ю.чщшкл осадкоп п отверстияхН пазах онраг.ок. ,

'В третьей глаис представлены методики экспериментальных исследований. Использованиедля процесса СГО высоких плотностей импульсного тока, прокачки электролита между электродами вызвало необходимость разработки специальных методик исследования гальванических процессов и получения осадков.

Электродные процессы изучались при поляризации электродов им. пульсным током в гальваностатическом режиме, при поляризации электродов постоянным током - в погенццодинамическом режиме. Поляризационные измерения при высоких плотностях тока (до 1.5 А/см2) проводили в электрохимической ячейке с протоком электролита между электрода-• ми. Расстояние между рабочим и вспомогательным электродами составляло Змм. 4

Образцы для проведения- исследований физико-механических свойств И химического состава осадков никель-кобальтовых сплавов получали в проточной электрохимической ячейке осаждением на полированные до На = 0.8 мкм подложки из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т, ГОСТ 563.2-72. Конструкция проточной электрохимической ячейки позволяла вести осаждение на образцы размером 40x50 мм при "МЭЗ 5-10 мм.

Для измерения рассеивающей способности электролитов при высоких плотностях тока (до 0^5 А/см2) • использовалась модернизированная электрохимическая ячейка Хэринга - Блюма. Осаждение проводилось в герметизированной ячейке спринудительным протоком электролита между электродами со скоростью течения от 0,5 до 3 м/с.

В четвертой главр диссертации изложены результаты проведенных экспериментальных исследований ' процесса СГО никель-кобальтовых сплавов.

Для оценки влияния импульсного и настоянного токов на скорость осаждения была сопоставлена эффективная энергия активации процесса, вычисленная по зависимости Аррениуса.

Для проведения'экспериментов были выбраны сернокислые электролиты следующего состава, г/л;

Ш04х7Н20 400; Н3В03 40;

СоБ04 х 7Н20 20; рН 2,2.

При повышении температуры электролита от 20 до 60° С происходит ' деполяризация процесса на 0.04 - 0.10 В на каждые 10 градусов, что соответствует увеличению скорости осаждения. Этот процесс можно объяснить десорбцией чужеродных частиц с катодной поверхности.

Построенные на основании зависимостей lg i, от l/(t+273) заьисимо-. сти эффективной энергии активации от потенциала являются монотонно убывающими с ростом потенциала.-Выделено три характерные области- ^ (рис. 2) зависимости эффективной энергии активации от потенциала. В области потенциалов -0.5..,- 0.68 В (ц.в.э.) эффективная энергия активации составляет 50кДж/мопь и более, что соответствует кинетическому кон (ролю процесса осаждения. В области потенциалов - 0.66...-0.70 В (н.в.э.) эффективная энергия активации уменьшается до значений .порядка 30 кДж/моль. В этом узком диапазоне потенциалов контроль процесса осаждения является смешанным (диффузионно-кинетическим). И, наконец, ь области потенциалов отрицательнее -0.70 В (н.в.э.) ( что соответствует об-

■ мноти I и я t-Hi I ни ион mi« imoiii^i-i'rt н it-iH.viMiuii 1, MmmlilniiitïUiH iR.il [IKIIMI -iiii-

фектминая э.че{>1 ия активации асимптотически уменьшатся до 20 - 26 кДж/моль, что соответствует диффузионному контролю.

' В области кинетического и смешанного контроля процесса осаждения импульсным током наблюдаются более высокие значения эффективной энергии активации (на 15-30 кДж/моль), что, по-видимому, и обусловливает меньшие скорости осаждения импульсным током по сравнению с электролизом при постоянном токе. В то же время в области диффузионного контроля процесса осаждения импульсным током наблюдается боягс iiinsая эффективная энергия активации i::a Ш что обес-

псчпмет принципиальную возможное!ь ;itîcii!:seuii>i бочее высоких скоростей процесса оскудения импульсным то*ом по сражению с посшчн-нчм током Л'|Ц рассмотренного диапазон^ параметров.

Необходимым условием обеспечения ноимшеш'.ыч скорости осаж-тшульенпм током в области диффузионного контроля явлмек:>; большая скорость диффузии соответствующих нонои. Последняя, при прочих равных условиях, может бить обеспечена спецификой взаимодействия переменного электрического ноля (и частности, импульсного) с транспортными потоками ионов.

Действительно, резкое "увеличение эффективно!'! энер! ни амнааиии, соответствующее переходу к кинетическому контролю, для никель-кобальтовых сплавов наблюдали в достаточно узкой области частот (рис. 3). Как видно из рисунка, смена контролирующей стадии происходит при частотах импульсного тока порядка 300 Гц.

" Повышение температуры с 40 до 70 "С при скорости Течения электролита 0.5 - 5 м/с вызывает снижение электродной поляризации и увеличение скорости выделения-осадков. На полученных поляризационных кривых не удается выделить площадки предельного тока. С увеличением плотности тока наблюдается переход ot осаждения качественных цокры

Рис. 2. Эффективная энергия актиаации осаждения никель-кобальтовых сплавов: 1- постоянный ток; 2 - импульсный ток частотой 200 Гц, скважностью 2. Сернокислый электролит, г/л: №8О4х7Н2О-400;Со8О4х7Н2О-20;НзВОз_40.рН-2,2 .

Рис. 3. Зависимость эффективной энергии активации осаждений никель-кобальтоиах сплавов от частоты импульсного тока скважностью 2 при фк = -0.8 В.

тий к образованию осадков с высокой шероховатостью и в дальнейшем к

ее увеличению и осаждению порошков.---------- ---------------------------.---------:_______

В то же время при температуре менее 50 °С не удалось получить качественных осадков при плотности катодного тока более 0.3 А/см2.

Изучены физика и химико-механические характеристики никель-кобальтовых сплавов: микротвердость Ни, предел прочности авр, внутренние напряжения ав„, относительное удлинение е И процентное содержание никеля и кобальта в сплавах.

г Исследовано влияние состава электролита, параметров униполярного импульсного тока прямоугольной формы на величину микротвердости осадкой ШткелЬ-кобаяьтовьтх сплавов. Применение импульсного технологического Тока позволило для управления процессом электроосаждсния использовать три независимые регулируемые величины: частоту, скважность и среднюю плотность тока. Исходя из того, что зависимость физико-механических свойств и химического состава осадков от этих характеристик Может быть Достаточно сложной (рис. 4, 5), влияние параметров импульсного тока изучали методом математического планирования эксперимента.

—. В качестве функции отклика для сплавов исследовали микротвердость. При этом основные факторы варьировались в следующих пределах: частота импульсов 300 - 700 Гц, скважность 2-6, средняя плотность тока 0.45 - 0.55 А/см2. Чувствительность функций отклика, характеризуемая линейными коэффициентами регрессионных уравнений, определялась при различных соотношениях никеля и кобальта в электролитах: 40; 26.6; 20 и 10. Концентрация сульфата никеля 400 г/л и борной кислоты 40 г/л поддерживались постоянными. Осаждение осуществлялось при температуре 60 °С, рН=2.2.

• - Установлено,„что. концентрация кобальта в электролите оказывает определяющее влияние на чувствительность Мйкротвердости осадков к изменению параметров импульсного тока. При отношении никеля к кобальту в электролите 26.6 и 10 все коэффициенты полученных регрессионных уравнений, описывающих 'изменение мйкротвердости, являются статистически незначащими. Для отношения 2:0 и 40 уравнения имеют следующий вид:

Нц = 5,05 - 0,29-Х, - 0,17-Х2 при [№]/[Со] = 40,

Нц = 4,82-0,16-Х,+ 0,25-Хз при [№]/[Со] = 20,

где - микротвердость осадков, ГПа; X, - приведенная частота; Х} - приведенная плотность тока.

— - Анализ результатов показал, что в исследованном интернале варьирования факторов микротвердость осадков никель-кобальтовых сплавов в значительной степени зависит от содержания кобальта в осадках и пара

11»

ГПа

5.2

4.8

4.4 4.0

^г2 •г -I г- \

к

к

1 J

Со, % 40

30 20 10

10

20

30

№'Со, %

Рис. 4. Влияние концентрации кобальта в электролите на микротвердость и химический состав никель-кобальтовых сплапов: 1 - микрогвердость, 2 - содержание кобальта. 1ср=0.5 А/см2, £=200 Гц, я=2.

Ни. ГПа

5.0

4.5

4.0

1т т — \л г2

Т"? ?А ^ А I J ■ ' ^ Ы—Л т

Т-

Со.

%

40

30

20

Рис. 5. Влияние частоты импульсного тока на микротвердость и химический, состав никель-кобальтовых сплавов: 1 -микротвердость, 2 - содержание кобальта. 1ср=0.5 А/см\ q=2, N¡/00=40.

и

метров импульсного тока. Наибольшей микротвердостью обладают осадки, содержащие 20 - 40 % кобальта, что соответствует литературным данным для злектроораждеиия никель-кобальтовых сплавов импульсным током. В то же время варьирование частоты и плотности импульсного тока дает возможность в широких пределах регулировать микротвердость спла-. вов. Так, в электролите с отношением никеля к кобальту 40 получены осадки с микротвердостью до 5.5 ГПа, что в 1,2 - 1,5 раза больше, чем при осаждении сплавов постоянным током. - ''

Осадки, полученные на импульсном токе, содержат на 10 - 15 % ко. бальта меньшр, чем осадки, полученные на постоянном токе. При данных условиях электроосаждения не удалось выявить влияния скважности (2 -4) па микротрердОсть П химический состав осадков. 'У'.

Как показали исследований, с увеличением средней плотности тока с 0.2 до 0.75 А/см* внутренние напряжения. в осадках никель-кобальтовых сплавов возрастают в 1.4 -1.6 раза. Аналогичное влияние на внутренние напряжения в осадках оказывает изменение скважности импульсов с 1.5 до 4. ".".';• ••'•''''•'.

Зависимость внутренних напряжений в осадках рт частоты импуль; соч имеет максимум 0.075 ГПа при частоте 0,3 кГц с последующим уменьшением до 0.04 ГПа. Этого. режима осаждения сплава никель-кобальт следует избегать, то есть рекомендован диапазон частот до 200 Гц И более 1000 Гц.

Определено изменение рассеивающей способности сернокислых электролитов для осаждения никель-кобальтовых сплавов в зависимости от параметров униполярного импульсного тока в проточной электрохимической ячейке. Максимальная рассеивающая способность электролитов наблюдается на частотах 20 - 50 Гц и 10000 -20000 Гц при плотности тока порядка 0.1 - 0.2 А/см2, скважности 2. Увеличение плотности тока приводит к уменьшению РС электролита. ,—. - - • - .....- -

Повышение рассеивающей способности электролита при осаждении никеля сверхкороткими импульсами тока длительностью около 10 мкс, большой плотностью и высокой' частотой связано, по-видимому, с изменением механизма переноса ионов в электролите и увеличением его электропроводности при наложений высокочастотного поля, а также с соответствующим у г ¡личением показателя рассеивающей способности электролита.

Для получения равномерных по толщине осадков в зависимости от требуемых физико-механич'еских свойств осадков (микротвердости, химического состава, внутренних напряжений) целесообразно вести осаждение , импульсным током частотой 20 - 50 Гц и более 10000 ГЦ.. .............

Таким образом, использование униполярного импульсного тока при СГО является эффективном рпособом управления формированием заданных физико-химических свойств гальванических осадков. Варьирование параметров импульсного тока позволяет оптимизировать функциональные • характеристики осаждаемых епдавор.

В пятой главе доказано практическое использование результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований для разработки высокопроизводительного процесса скоростного гальванического осаждения никель-кобальтовых сплавов и оборудования для его реализации с целью получения формообразующих элементов пресс-форм.

Для инструментальных производств, изготавливающих в короткие. сроки небольшие партии или единичные формообразующие вставки пресс-форм разнообразной конфигурации, целесообразно использовать быстро переналаживаемое универсальное оборудование, изготовленное из - унифицированные узлов-модулей, выполняющих определенное функциональное назначение. Это позволяет выбрать соответствующие схему и режимы осаждения в зависимости от формы и размеров изготавливаемых деталей, изменяя конфигурацию установки..

При проектировании и изгртовлении установки для скоростного' гальванического формообразования СПФ был реализован модульный принцип конструирования технологического оборудования.

В состав установки входят: рабочая камера с приводом перемещения катода-оправки; система подготовки и поддержания стабильными в процессе осаждения свойств электролита; насосная установка, обеспечивающая подачу электролита в зону осаждения и циркуляцию его через фильтры для очистки электролита; источник питания, используемый для наращивания осадков и очистки электролита селективным'электролизом; система управления.

В ванне объёмом 50 л, изготовленной из титана.'размещены ячейка селективного электролиза, фильтр с активированным углём, нагревательные элементы. Установка СГФ комплектуется двумя трехступенчатыми, центробежными погружными насосами, выполненными из титана и фторопласта. Конструкция насоса рпециально разработана для использования в условиях гальванического производства.

Осаждение ведется в сменных рабочих камерах, на которых устанавливается привод комбинированных перемещений катода! Переналадка установки на выпуск определённого типа деталей происходит за счёт смены рабочей камеры и перенастройки работы привода перемещения. В состав установки входят камера для наращивания металла на корпусные и плоские оправки и камера для электроосаждения на детали типа валов, у

которых один из размеров значительно превышает размеры поперечного

сечения. ------------------------------------------- .-----.--------- •

Небольшие габариты установки позволяют размещать её в вытяжном шкафу, Блоки источника питания, системы управления. и контрольно-измерительные приборы вынесены из вытяжного шкафа.

Установка комплектуется Источником униполярного импульсного тока ()„„ да 10 А), при разработке которого учтены зависимости между параметрами Импульсного тока и свойствами гальванических осадков никель-кобальтовых сплавов. Источник тока имеет встроенный генератор импульсов, а также работает с внешним устройством, задающим форму, ■ амплитуду, скважность и частоту следования импульсов. — - •

Модульный принцип компоновки установки, позволяющий использовать сменные рабочие камеры в зависимости от формы и размеров получаемых деталей, даёт существенные преимущества по сравнению с существующими образцами оборудования для скоростного осаЖдения.

На установке СГФ реализованы процессы получения ФОЭ пресс-форм для деталей, изготовление которых традиционными методами затруднительно и трудоемко: оснастки для получения шнека, цевья оружия фермера, колеса центробежного насоса, пипетки к разовому шприцу и других деталей. Определены режимы нанесения осадков на модели из диэлектрических материалов с токопроводящими слоями, полученными вакуумным напылением металла.

В результате применения установки СГФ и создания методом скоростного гальванического осаждения формообразующего слоя из никель-кобальтовых сплавов с заданными эксплуатационными характеристиками, не требующего последующей термообработки и механической доводки, сокращена продолжительность подготовки производства за счет снижения трудоемкости изготовления формообразующих вставок пресс-форм в 5-7 раз по сравнению с механической обработкой и увеличения скорости гальванического осаждения металлов и сплавов в 7-10 раз по сравнению с традиционной гальваникой в стационарных ваннах.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Разработанный процесс скоростного гальванического осаждения никель-кобальтовых сплавов из простых по составу сернокислых электролитов позволяет получать сложнопрофйльные формообразующие элементы пресс-форм с заданными физико и химико-механическими характеристиками, Выполнены ,исследования по определению зависимости свойств, осадков никель-кобальтовых сплавов от технологических параметров электролиза в диапазоне плотностей тока до 0.75 А/см2.

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 (обработав 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 Ф02 пресс-форм с заданными геометрическими и эксплуатационными характеристиками без каких-либо доводочных операций. Использованию этогс метода в промышленности препятствуют низкая скорость наращивании гальванических осадков значительной толщины (более 0.5 Мм) и значительная неравномерность их на поверхностях сложного профиля.

3. Разработаны численные модели для анализа течения электролита £ 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 прогнозированш на их основе свойств гальванических осадков в условиях СГО.

5. Проведенные поляризационные Исследования показали, что в области высоких отрицательных катодных потенциалов (Е, < -0.7 В) процесс осаждения никель-кобальтовых сплавов происходит в условиях дйффузи онных ограничений. Увеличение эффективной энергии активации, соо* ветствующее переходу к кинетическому контролю процесса осажДенш никель-кобальтовых сплавов, наблюдается в достаточно узкой. обласп частот - смена контролирующей стадии процесса происходит при частота) импульсного тока порядка 300 Гц. . '

6. Оптималт ное соотношение концентрации никеля к кобальту ] электролите с точки зрения возможности регулирования микротвердосп осадков путем изменения частоты, скважности й плотности импульсног« тока, находится в диапазоне 20 и 40. Наибольшей мйкротвердостью (Н^дс 5.5 ГПа) обладают осадки, полученные при плотности импульсного тою 0.5 А/см2, скважности 2, частоте 20 - 300 Гц. .

7. Величина внутренних напряжений в осадках никель-кобальтовы; сплавов при высоких плотностях тока определяется соотношением пара метров импульсного тока. Наименьшие значения внутренних напряженш

(0.03 -0.05 ГПа) получены при плотности тока 0.2 - 0.5А/см2, частоте импульсов тока 20 - 200 Гц, скважности 2,

8. Максимальная рассеивающая способность электролитов наблюла^ ется на частотах импульсного тока 20 - 50 Гц и 10000 - 20000 Гц, скважности 2 при Плотности тока 0.1 - 0.2 А/см2. Увеличение плотности тока приводит к ее уменьшению.

9. Разработана а 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 пставок пресс-форм по сравнению с механической обработкой н 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 см2 с точностью размеров по 8 - 9-му квалитетам, шероховатостью поверхности Ra = 0.08... 0.16 мкм на примере формообразующих элементов пресс-форм для изготовления пластмассовых шнеков переменного шага и диаметра, детален 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.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сундуков В.К., Гладун A.A., Русаков В.И. Высокоскоростное электрохимическое осаждение металлов и сплавов при изготовлении многослойных систем //Электрохим. и электрофиз. методы обраб. материалов: Сб. науч. тр. - Тула: ТПИ, 1988. - С.52 - 55.

2. Сундуков В.К., Гладун A.A., ЧечетКин. АЛО. Влияние характеристик импульсного тока на скорость осаждения, химический состав и микротвердость Ni-Co сплавов //Теория и практика электроосаждення металлов и сплавов. - Пенза: ПДНТП,. 1988.- С. 55.

3. Сундуков В.К., Гладун A.A., Нечеткий АЛО. Определение условий формирования гальванических осадков с заданными фнзико-химичсскпмп свойствами //Совершенствование технологии гальванических нокрышй. -Киров, 1989.-С.185;

)

4. Сундуков В.К., Гладун A.A. Изучение процесса скоростного гальванического осаждения никель-кобальтового сплава //Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванопластике. - Пенза: ПДНТП, 1991.-С.12-14.

5. Сундуков В.К., Гладун A.A., Булычев В.А. Изготовление формообразующих элементов пресс-форм методом скоростной гальванопластики //Совершенствование технологии гальванических покрытий. - Киров: КПИ, 1991.-С.23 -24.

6. Сундуков В.К., Гладун A.A., Булычев В.А. Установка скоростного гальванического осаждения металлов и сплавов //Электрохим. и электро-физ. методы обраб. материалов: Сб. науч. тр.- Тула, ТулГТУ, 1995. - С. 24 -

зз.

7. Сундуков В.К., Гладун A.A., Булычев В.А. Технология и оборудование для изготовления формообразующих вставок пресс-форм методом скоростной гальванопластики //Оборонная техника,- 1995.-№11.-С.27 - 31.

8. Любимов В.В., Сундуков В.К., Гладун A.A. Изготовление формообразующих элементов пресс-форм методом скоростной гальваники //Проблемы теории проектирования и пр. инструмента. - Тула: ТулГУ, 1995.-С. 77-79.

9. Сундуков В.К, Гладун A.A., Булычев В.А: Моделирование роста гальванического осадка при катодном формовании //Современная электротехнология в машиностроении: Сб. трудов Всероссийской науч.-техн, конф. - Тула,1997. - С. 100.

10. Любимов В.В., Сундуков В.К., Гладун A.A.. Технология и оборудование для изготовления формообразующих вставок пресс-форм скоростным гальваническим осаждением сплава никель-кобальт //Информационный листок №159-96. - Тула: ЦНТИ, 199б.

Надписано » atvM.ÍÍ.CS'.i/J'. формат бум ни 60x84 1/16. Бумага типографская X« 2 Офсетнаяпечать.Усл.иеч. л. i, i .Усл.кр.-огг. f .Ун.изд.ji. f,0 . • Тираж i СО эта. Заказ ЛЯ- . Тульский госуларстаениый уинаерситет. 3ÜÜ6UD, г. Тула, пр. Леинпа, 92. Гсдакцноныо- нтдасельскнй центр Тульского тосулнрстаенного университета. 300600, г. Гул», ул. Болдин», 151

{

Л I /\ I

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГЛАДУН Андрей Анатольевич

СКОРОСТНОЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ФОРМОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ №-Со СПЛАВОВ

05.03.01 - процессы механической и физико-технической обработки,

станки и инструмент

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель член-корр. АТН РФ,

д.т.н., профессор В.В. Любимов

Тула 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7 1Л. Анализ методов изготовления формообразующих элементов 7 пресс-форм

1.2. Методы интенсификации гальванического осаждения №-Со 18 сплавов

1.2.1. Электролиты для гальванического осаждения №-Со сплавов 20

1.2.2. Влияние температуры на осаждение М-Со сплавов 21

1.2.3. Влияние гидродинамического режима в электролизере на 21 скорость осаждения металлов и сплавов

1.2.4. Применение нестационарных электрических режимов при 25 осаждении металлов и сплавов

1.2.5. Зависимость производительности гальванического осаждения 27 №-Со сплавов от анодного процесса

1.3. Теоретические предпосылки математического моделирования 29 процессов СГО металлов и сплавов

1.4. Выводы по главе 1 33 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 34

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА 36 СКОРОСТНОГО ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

2.1. Современный подход к разработке процесса изготовления ФОЭ 36 пресс-форм методом СГОМиС

2.2. Разработка схемы процесса скоростного гальванического 41 формования сложнопрофильных деталей

2.3. Моделирование процессов течения электролита в сложных 47 полостях

2.4. Моделирование распределения электрического поля в МЭП при 67 скоростном катодном формовании

2.5. Выводы по главе 2 76

3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 77

3.1. Исследование кинетики осаждения никель-кобальтовых сплавов в 77 условиях СГО

3.1.1. Состав и приготовление электролита 77

3.1.2. Оборудование для исследования процесса СГО никель- 79 кобальтовых сплавов

3 Л .3. Методика поляризационных исследований 79

3.1.4. Методика определения характера поляризации при электроосаж- 84 дении сплава никель-кобальт

3.2. Методика определения рассеивающей способности электролита в 85 условиях СГО

3.3. Определение физико-механических характеристик и химического 87 состава гальванических осадков сплава №-Со

3.3.1. Методика получения образцов гальванических осадков сплава 87 никель-кобальт

3.3.2. Методика определения механических характеристик осадков 89

3.3.3. Измерение внутренних напряжений в осадках 90

3.3.4. Металлографические исследования 91

3.3.5. Контроль химического состава электролитов и осадков 91

3.4. Методика обработки экспериментальных данных 92

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА 95 СКОРОСТНОГО ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ

4.1. Изучение влияния режимов технологического тока на энергию 95

активации и скорость гальванического осаждения №-Со сплавов

4.2. Поляризационные исследования процесса СГО никель- 102 кобальтовых сплавов

4.3. Изучение влияния режимов скоростного гальванического 107 осаждения на физико-механические свойства осадков

4.4. Изучение рассеивающей способности Ni-Co электролита в 117 зависимости от режимов скоростного электролиза

4.5. Выводы по главе 4 122

5. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССА СГО НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВЫХ 124

СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОЭ ПРЕСС-ФОРМ

5.1. Разработка установки скоростного гальванического осаждения 124 металлов и сплавов

5.2. Порядок определения технологических параметров скоростного 133 гальванического формования деталей из №-Со сплавов

5.3. Изготовление формообразующих элементов пресс-форм методом 136 скоростного гальванического формования

5.3.1. Изготовление ФОЭ пресс-форм для литья под давлением 136 пластмассовых шнеков

5.3.2. Разработка режимов получения осесимметричных деталей 141 методом СГО

5.3.3. Разработка режимов изготовления корпусных деталей методом 146 скоростного гальванического формования

5.4. Выводы по главе 5 151

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

153 156 166

ВВЕДЕНИЕ

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 конст-

руктивно-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 -20000 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 °С [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 кремне-

органических 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 моделям; в 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: цветных; черных. 12-14 ква- литет 12-14 ква-литет Ыа=0.32- 0.63 1^=10-20 Пресс-формы из цветных металлов. Пресс-формы.

Выдавливание: горячее, полугорячее; холодное. 12-14 ква- литет 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 симмет-

ричного и асимметрич-

ного профиля.

Гальванопластика Точность Шерохо- Сложнофасонные вы-

модели ватость пукло-вогнутые по-

модели верхности.

Электроимпульсная об- Фасонные 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 труднодос-

тупных местах.

Электрохимическая об- 0.05-0.33 Яа=0.16- Замкнутые фасонные

работка 1.25 поверхности с плавны-

ми переходами.

Обработка шлифоваль- 0.1 Яа=0.32- Сложные поверхности

ными машинками по 1.25 в термически обрабо-

шаблону. танных деталях.

Профильное шлифова-

ние 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 сочета-

ния

дуг и прямых, а также

отверстия, заданные в

системе координат.

Рис. 1.1. Классификатор формы рабочих поверхностей пресс-форм: а -ширина 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 электрохими