Химическая и электрохимическая обработка материалов

Химическое фрезерование придает идеальную форму изделию
Химическая отделка железа – совокупность технологических процессов, за счет которых изменяется физико-химические свойства поверхности металла. Технология практикуется только при высоких температурах и в активных средах (твердых, жидких или газообразных). Конечным результатом ХТО является изменение физико-химических свойств диффузного слоя железа.

Цели обработки

Рассматриваемый метод отделки металлических изделий позволяет увеличить показатели прочности и усилить антикоррозийную защиту изделия. Кроме этого, у обработанных веществ повышаются сроки эксплуатации. К преимуществам отделки диффузной поверхности железа относятся:

• Производительность. Большинство реакций протекает быстро, что позволяет использовать технологию в промышленных масштабах;

  
  Химическое фрезерование

• Универсальность. Практика показала, что даже на токарном станке можно повысить эксплуатационные качества обрабатываемого элемента при правильном выборе метода отделки;
• Исключение (в большинстве случаев) термического или механического воздействия. Отсутствие названных видов воздействия повышает эксплуатационные качества обработанного сырья;

Травление (химическое фрезерование) – это самый распространенный способ отделки. Технология применяется для работы с тонкими металлическими листами и большим количеством мелких элементов. Травление широко применяется в различных направлениях и массовом производстве материалов с улучшенными техническими характеристиками.

Учился термическому делу, цементация втулок

Современные технологии металлообработки

Каждая описанная выше технология металлообработки – стандартная. Их используют достаточно давно, они прочно вошли в массовое производство. Однако есть новейшие методы, которые знакомы не всем, пока что используются преимущественно в частной практике.

Плазменная резка

Плазма – струя раскаленного ионизированного газа. Она может заменить механические способы резки. Это точный, аккуратный, набирающий популярность способ.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионная обработка позволяет работать с изделиями особой сложности: сверхмалых, сверхплотных и т.д. Изменения поверхности происходят под воздействием электрических разрядов.

Лазерная сварка

Технология используется редко из-за дорогостоящего оборудования, высоких требования к специалистам. Однако лазер точно и прочно сваривает детали из любых сплавов, из-за чего технология все же актуальна.

Обработка металла ультразвуком

Это подтип долбления. Применяется при работе с хрупкими веществами: некоторыми полудрагоценными камнями, гипсом, алебастром и т.д. Рабочий диапазон – 22 КГц.

Виды химико-термических методов

Во время ХТО протекают разные реакции, однако, на поверхности обрабатываемой детали происходят одни и те же процессы в одинаковой последовательности. Стадии химической отделки:

• Начало реакции. На этом этапе происходит перенос диффундирующих веществ к обрабатываемому элементу;

  
  Химико-термическая обработка металлов

• Диффузия;
• Завершение реакции. На этом этапе происходит усовершенствование физико-химических свойств металла;
• Финальная обработка вещества часто проводится на токарном или фрезерном станке для закрепления приобретенных свойств.

В современной металлургии практикуют несколько методов ХТО:

• Цементация – это процесс насыщения металлического изделия углеродом. Химическая обработка позволяет получить уникальное вещество с прочной оболочной и мягкой сердцевиной;
• Азотирование – это процесс насыщения поверхностного слоя азотом с целью улучшения устойчивости материала к изнашиванию и коррозии;

  
  Виды химико-термической обработки

• Борирование – это совокупность технологических процессов по насыщению металлов бором. Сырье, насыщенное бором, отличается высокими износоустойчивыми качествами, особенно к трению и сухому скольжению. Помимо этого, бор создает на поверхности металла слой, повышающий устойчивость к холодной сварке. Также борированные материалы отличаются устойчивостью к щелочным веществам и разным видам кислот;
• Алитирование – обработка металла на станке алюминием. Технология позволяет получить стойкие материалы к агрессивным газам (сероводороду или серному ангидриду);
• Хромирование – процесс обогащения хромом верхних слоев металла. Хромирование не увеличивает прочность металлического изделия, зато повышает износостойкость и устойчивость к коррозии. Стоит отметить, что твердое хромирование значительно улучшает свойства металлических изделий, например, у обработанного вещества повышается прочность, износостойкость и стойкость к коррозии.

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Нитроцементация стали

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Особенности химической отделки металла на станке

Обработка металла на станке может производиться только после подготовки изделия на специальных устройствах – агрегатах первичной подготовки. Подготовка учитывает физико-химические свойства обрабатываемой детали, а также индивидуальные потребности каждого отдела на предприятии.

Способы воздействия на металл:

• Распыление применяется к деталям, которые используются в тупиковых или проходных устройствах. Преимуществами этого метода являются возможность массовой подготовки элементов;

  
  Способы воздействия на металл

• Погружение. Эта технология требует на производстве наличия отдельно стоящих емкостей со специальными растворами. На таком станке, обычно, стоят механизмы для разводки и смешивания металлического изделия. После погружения материал отправляется в сушильную камеру, где происходит окончательное формирование его новых физико-химических параметров. Обработанные детали отправляются на склад, откуда их развозят по предприятиям, где с ними будут работать уже другие станки; Пароструйная обработка металла
• Пароструйный метод применяется для подготовки крупных механизмов или габаритных металлических листов. Процесс подготовки начинается с очищения металлической поверхности от жира и пыли. Одновременно с очисткой происходит фосфатирование обрабатываемой плоскости. Стоит отметить, что на этом этапе все работы выполняются вручную, а не на станке. Первичная обработка заканчивается термическим воздействием – поверхность заготовки обрабатывают паяльной лампой. Термическая обработка производится одновременно с добавлением активных элементов.

Для отделки материала перечисленными способами используется оборудование двух типов: стационарные и передвижные станки. Стоит отметить, что на стационарном станке величина давления может достигать 5 атмосфер. Высокое давление обеспечивает лучшее проникновение химических компонентов в верхние слои железа. Передвижное оборудование, как правило, не отличается высокой мощностью, поэтому с их участием производится только грубая обработка заготовки.

Токарная обработка металла

На токарном станке производится окончательная подготовка материала перед химической отделкой. Стоит отметить, что на токарном станке можно не только подготавливать, но и работать с заготовкой. На таком устройстве выполняется нарезание резьбы, сверление, развертывание и зенкерование разных отверстий; вытачивание канавок и отрезание частей. Стационарное устройство применяется для снятия ржавчины или удаления последствий коррозии.

Другие способы оксидирования

Способ оксидирования, известный очень давно, это погружение нагретых деталей в льняное масло. Изделия нагревают в печи до 450-4700С и погружают на 5-10 минут в льняное масло, процесс повторяют несколько раз. В результате получается плотная оксидная пленка черного цвета.

Оксидирование стали возможно в кислых растворах, которое в отличие от щелочного метода проводится при температуре до 1000С. Различают два состава и режима такого оксидирования:

1. Раствор состоит из азотнокислого кальция – 15-30 г/л, ортофосфорной кислоты и перекиси марганца по 0,5-1 г/л. Рабочая температура – 1000С, время выдержки – 40-45 минут.
2. Раствор состоит из гипосульфита натрия – 80 г/л, хлористого аммония – 60 г/л, ортофосфорной кислоты (уд. вес 1,6) – 5 мл/л, азотной кислоты (уд. вес 1,4) – 2 мл/л. Рабочая температура – 60-700С, время выдержки – 15-20 минут. Возможно проведение процесса без нагрева, если увеличить время выдержки до 40-60 минут.

После щелочного оксидирования детали промывают в холодной воде и обрабатывают раствором хромпика 120-150 г/л, нагретом до 60-700С. После обработки и сушки детали промасливают.

Воздействие электричеством

Электрическое воздействие – особый вид металлообработки, связанный с применением разрядов высокой интенсивности. С их помощью прожигают отверстия, формируют выступы и проемы. Метод рассчитан на толстолистовые заготовки. В качестве контактных элементов выступают графитовые или латунные электроды.

Улавливание металлических частиц, образующихся в процессе обработки, обеспечивают масляные составы.

Рис. 3 Резка графитовым электродом

Работа со сварочным оборудованием

Посредством сварки формируются неразъемные соединения, устраняются раковины и трещины, корректируется геометрия детали путем наваривания пластин или слоя металла.

Выделяют три способа сварки.

• Газовая. Нагрев свариваемых компонентов осуществляется воспламененным газом. В роли источника огня выступает ацетилен, пропан или бутан. Проведение работ подразумевает использование баллонов со сжиженным топливом или ацетиленового генератора. Подача горючего вещества регулируется горелкой. В качестве связующего элемента используется присадочная проволока.
• Электрическая. Электросварка бывает трех видов: ручная, полуавтоматическая и автоматическая. В первом случае задействуются плавящиеся электроды, во втором – сварочная проволока и защитный (углекислый) газ, в третьем – роботизированное оборудование, осуществляющее сварку по заданному контуру.
• Химическая. Для нагрева и расплавления металла используются особые составы. В процессе их реакции выделяется большое количество тепла, что приводит к сплавлению и свариванию компонентов.

Последний способ сварки применяется крайне редко ввиду своей сложности и дороговизны. С его помощью выполняются работы в труднодоступных местах.

Рис. 1 Электросварка