2. Электролитно-плазменная обработка дисков из стали 65г для нанесения фрикционных покрытий

Описанный ниже опытный эксперимент был проделан российской компанией PlasmaCraft, занимающейся технологией электолитно-плазменной обработки на территории России, Белоруссии, Казахстана и Литвы.

Одно из основных направлений использования электролитно-плазменной технологии (ЭПТ) — подготовка поверхности под последующее нанесение защитных или износостойких покрытий. В качестве примера рассмотрим фрикционные диски. Операция по подготовке основы фрикционных дисков под нанесения подложки, традиционно осуществляемая гальваническим или электрохимическим методами, требует значительных затрат и времени, не говоря уже об экологических проблемах. Цель использования ЭПТ в данном случае состоит в том, чтобы максимально упростить и удешевить подготовку поверхности заготовок дисков  из стали 65Г.

Фрикционные диски – изделия, предназначенные для продления износостойкости оборудования. Это осуществляется путём поглощения энергии трения в тормозных узлах устройств. Изготовление их осуществляется по стандартным габаритным размерам, а также по индивидуальным чертежам. В качестве примера использования фрикционных дисков, приведем фрикционные диски АКПП:

Фрикционные диски осуществляют механизм, который блокирует подвижные элементы планетарного ряда АКПП между собой. Другими словами, они осуществляют переключение передач сообщением или разобщением элементов АКПП — входного и выходного валов и элементов планетарных редукторов, а также их затормаживанием на корпус АКПП.

Сам процесс переключения передачи происходит следующим образом: давление рабочей жидкости воздействует на гидравлический поршень, который давит на фрикцион, то есть прижимает ведущие диски к ведомым, передавая крутящий момент от барабана к втулке. Давление рабочей жидкости создается специальным насосом и распределяется электроникой между соответствующими фрикционами при помощи системы электромагнитных клапанов.

При подготовке фрикционных дисков к дальнейшему нанесению защитных или износостойких покрытий в ходе процесса электролитно-плазменной обработки выполняются следующие операции с поверхностью образцов:

• очистка и обезжиривание

• травление

• активация

• эффективное снятие бракованных покрытий для повторного нанесения покрытия

• значительное улучшение смачиваемости поверхности

Подготовки поверхности покрываемого изделия является главным критерием получения качественного гальванического покрытия. Загрязнения органической и неорганической природы, окисные пленки препятствуют формированию качественного гальванического покрытия на подложке. Шероховатость подложки передается покрытию и сохраняется на нем до значительной толщины. Операции по подготовке поверхности к нанесению покрытия традиционно осуществлялись гальваническим или электрохимическим методами, которые требуют значительных затрат и времени, а так же требуют применения концентрированный растворов токсичный кислот. Применение электролитно-плазменной технологии является хорошим решением этих проблем.

Метод электролитно-плазменной обработки осуществляется в слабых растворах  нейтральных солей, поэтому отсутствует необходимость промывки изделия между операциями. Обработка электролитно-плазменным метод не только полирует поверхность изделия, но так же обезжиривает и активирует её, что позволяет исключить дополнительную технологическую операцию при подготовки поверхности под нанесении покрытия. В результате производительность процесса можно увеличить в 2–3 в сравнении с традиционными методами обработки.

Эффект изменения угла смачиваемости поверхности стали дистиллированной водой от времени обработки, представлен на рисунке 4. 

рис.4. Эффект изменения угла смачиваемости поверхности стали дистиллированной водой ( а — исходное состояние, б — после 2 минуты обработки, в — после 4 минуты обработки)

Очевидно, что увеличение времени электролитно-плазменной обработки уменьшается угол смачиваемости поверхности стали, что свидетельствует об эффекте очистки металла от загрязнений.

Высокое качество обработки дисков из стали марки 65Г с помощью электролитно-плазменной подтверждается чем, что адгезия покрытия с использованием  промежуточного медного подслоя было сопоставимо с адгезией покрытия без дополнительного подслоя.

В таблице 2 приведены данные для оценки экономического эффекта электролитно-плазменной технологии очистки дисков в сравнении с электрохимической технологией.

Табл.2. Сравнение технологий очистки в предположении, что стоимость электроэнергии 300 руб./кВт∙ч

	Электролитно-плазменный метод	Электрохимическая метод
Расход электролита для обработку 1 м2 поверхности изделия, кг/м2	0,16	5,43
Общая стоимость реактивов для обработки 1 м2, тыс.руб./м2	0,192	7,8
Расход электроэнергии для обработке 1 м2, кВт∙ч/м2	17,4–30,0	20,2–75,0
Стоимость электроэнергии при обработке 1 м2, тыс.руб./м2	5,22–9,0	6,12–22,5
Производительность метода, м2/час	1,88	0,32

На основании выше изложенного можно заключить, что метод электролитно-плазменной обработки имеет лучшие экономические показатели, позволяет увечить производительность линии по подготовки изделий под нанесении покрытий, а так же позволяет решить проблему избавления от дорогих и высоко токсичных химических реагентов на производстве.

Для достижения поставленной цели пришлось решить следующие задачи:

1. Подбор состава электролита для качественной обработки поверхности образцов из стали 65Г;

2. Определение температурного и электрического режима обработки заготовок дисков для нанесения медной подложки;

3. Нахождение электролитно-плазменного режима обработки поверхности дисков, которая позволяет наносить качественное фрикционное покрытие без нанесения медного подслоя;

4. Коррозионные испытания оборудования в электролитной среде.

рис.5. Основные стадии электролитно-плазменного полирования

Для выполнения работ по электролитно-плазменной обработке (ЭПО) заготовок фрикционных дисков была разработана технология по следующим характеристикам и технологическим параметрам:

Табл.3. Характеристики установки для электролитно-плазменной очистки фрикционных дисков

Мощность, кВт	50
Расход электроэнергии на обработку 1 диска, кВт/час	0,2
Длительность очистки, мин	1-2
Производительность, шт./смену	700
Рабочее напряжение, В	350

Табл.4. Технологические параметры  электролитно-плазменной очистки фрикционных дисков:

Концентрация электролита, мас. %	≤ 5
Удельный расход электролита на обработку 1м2 поверхности, кг/м2	0,16
Шероховатость поверхности, класс	8-9
Производительность, м2/час	1,88

На рисунках 3, 4 показаны заготовки фрикционных дисков, включая наполовину обработанный (рис. 4).

рис.6. Виды фрикционных дисков

рис.7. Наполовину обработанный фрикционный диск

При подборе электролита наиболее эффективными оказались двухкомпонентные растворы на основе хлористой соли щелочного металла и хлористого аммония. При этом хлористая соль аммония с одной стороны способствует самоочищению электролита, поскольку в присутствие иона аммония соли железа в виде гидроокисей выпадают в осадок, а с другой стороны при разряде генерируется соляная кислота, очищающая поверхность и дающая растворимые в воде хлориды железа. Кроме того, в такой двойной комбинации хлористая соль щелочного металла с более высокой концентрацией берет на себя функцию поддержания электропроводности и генерации паро-плазменной оболочки, а хлористый аммоний обеспечивает химическую часть процесса. В таком двойном растворе получена достаточно качественно очищенная поверхность, свободная не только от жировых загрязнений, но и от окисных пленок, окалины, ржавчины и структурно поврежденного слоя.

Исходный материал фрикционных дисков листовая сталь 65Г, использовался в состоянии поставки. После 30 секунд электролитно-плазменной обработки исчезали полностью органические загрязнения и окисные пленки на поверхности, через 1 минуту выдержки в электролите обработанная поверхность стали осветляется, снимается часть искаженного слоя, несколько сглаживается шероховатый рельеф. После 2 минут обработки поверхность приобретает стабильный, осветленный, матовый вид.    Микроскопические исследования поверхности образцов после обработки, показали, что имеет место снятие наклепанного слоя и ее состояние претерпевает изменения только до 2 минут ЭПО и далее остается стабильным. Сравнения состояния поверхности металла после ЭПО с его поверхностью после травления в растворах соляной, азотной, серной кислот и щелочи показали преимущество первой, как по чистоте поверхности, так и по ее структуре. Травление разрыхляет поверхность, глубоко проникает в металл по точечным несовершенствам структуры, сильно загрязняет ее продуктами окисления, другими коррозионными агентами.

Очень важным аспектом здесь является состояние электролита в процессе ЭПО. Для определения его эксплуатационных свойств использовалась экспериментальная лабораторная установка мощностью 4 кВт. Установка обеспечивала возможность электролитно-плазменной обработки поверхностей суммарной площадью 50 см². в ванне объемом 3 литра при напряжении 320-350 В и током 10 А. Для проведения ресурсных испытаний электролита использовался образец из стали размерами 40х25х3 мм. При этом потребляемая мощность установки была 1,5 кВт. Суммарная длительность испытания составляла 100 часов, по 5 часов в смену в течение 20 дней. В процессе испытания образец толщиной 3 мм полностью заменялся каждые 10 часов из-за его истончения. Таким образом, в электролит за 10 часов попадало 40 г железа, что составляло от 0,7 до 1%. При испытании контролировался только один параметр – состояние поверхности образца. Было установлено, что процесс полировки в предложенном электролите возможен только для сталей, содержащих до 0,45% углерода. Сталь 65Г не полируется, но поверхность становится чистой и матовой. Образующийся шлам довольно хорошо выпадает в осадок, при этом электролит становится снова прозрачным. В горячем электролите 75% объема электролита самоочищается в течение одного часа отстоя. Холодный электролит отстаивается 20 часов.

На основании проведенных исследований было установлено, что очистка, регенерация и утилизация электролита могут быть решены простыми техническими средствами без использования сложного оборудования.

Были также проведены предварительные экономические оценки электролитно-плазменной технологии очистки дисков в сравнении с электрохимической технологией. Эти данные приведены в таблице 1.

Табл.5. Сравнительные характеристики технологий очистки

(стоимость электроэнергии бралась 300 руб./кВт∙ч)

Характеристики	Электролитно-плазменная очистка	Электрохимическая очистка
Удельный расход электролита на обработку 1 м2 поверхности диска, кг/м2	0,16	5,43
Стоимость химических реактивов при полировке 1 м2, тыс.руб./м2	0,192	7,8
Удельный расход электроэнергии при обработке 1 м2, кВт∙ч/м2	17,4-30,0	20,2-75,0
Стоимость электроэнергии при обработке 1 м2, тыс.руб./м2	5,22-9,0	6,12-22,5
Производительность обработки, м2/час	1,88	0,32

Была обработана опытная партия заготовок фрикционных дисков из стали 65Г. На поверхности дисков имелись загрязнения маслом, окисные пленки, ржавчина, пылеобразные частицы других загрязнений. Очистка проводилась в электролите на основе хлористого калия и хлористого аммония с суммарной концентрацией 5% при температуре 85 C и напряжении 340 В. Длительность процесса составляла 0,5..3 минуты. Сразу после обработки диски промывались струей холодной воды, затем погружались в емкость с горячей водой при температуре 50°С. После выдержки в течение 15 минут они извлекались и в горячем состоянии протирались чистой, сухой ветошью и после охлаждения в течение 10 минут протирались салфеткой, смоченной этиловым спиртом. После такой обработки состояние поверхности дисков длительное время не изменялось, и обеспечивалась стойкость против окисления и ржавления.

Результаты весового анализа свидетельствовали, что при длительности обработки 2 минуты снимается слой загрязнений и металла 10 мкм. Микроскопические исследования позволили заключить, что органические загрязнения полностью отсутствуют на поверхности уже после 30 секунд обработки.

Таким образом, в результате проведения экспериментальных исследований получены исходные данные об основных параметрах очистки и влиянии отдельных факторов на качество поверхности стали 65Г при обработке электролитно-плазменным методом. Выделены главные параметры, оказывающие решающее влияние на качество поверхности изделий из стали 65Г при электролитно-плазменной очистке. Разработан и оптимизирован базовый состав электролита для подготовки поверхности фрикционных дисков под нанесение покрытий.