Электролит для полирования изделий из титана и его сплавов

(51)25 3/16 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ПОЛИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Куликов Иван Семенович Каменев Анатолий Яковлевич Климова Людмила Александровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(57) Электролит для полирования изделий из титана и его сплавов, содержащий водный раствор солей фтористоводородной кислоты, отличающийся тем, что в качестве солей фтористоводородной кислоты содержит фтористый аммоний и фтористый калий при следующем соотношении компонентов, мас.фтористый аммоний 1-5 фтористый калий 0,5-5,0 вода остальное. Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки материалов и используется в плазменно-электролитном полировании изделий из титана и его сплавов при анодной обработке в электрогидродинамическом режиме и для предварительной подготовки поверхностей под покрытия. В современной технике титан и его сплавы находят широкое применение в таких отраслях промышленности, как авиационная и ракетно-космическая, криогенная техника и техника высоких температур, судостроение и медицина (восстановительная и заместительная хирургия), химическое машиностроение и пищевая промышленность. Имеется большая номенклатура изделий, изготовленных из титана и его сплавов (лопасти авиационных газотурбинных двигателей, суставные протезы и протезы сердечных клапанов, изделия криогенной и химической промышленности), поверхность которых полируют в качестве финишной обработки либо перед нанесением износостойких, коррозионно-стойких и декоративных покрытий. Титан легко пассивируется на воздухе. Образующаяся на его поверхности пленка диоксида титана способствует, с одной стороны, высокой коррозионной стойкости титана в агрессивных средах, а с другой осложняет его анодную электрохимическую обработку. В связи с этим электролиты для полирования титана содержат серную,7570 1 2005.12.30 азотную, хромовую кислоты для образования пассивирующей пленки, а также плавиковую кислоту либо ее соли, играющие роль активаторов процесса. Применение плазменноэлектролитного метода в анодном электрогидродинамическом режиме при полировании изделий из титана и его сплавов представляет определенные трудности, поскольку в настоящее время не разработаны достаточно эффективные электролиты на основе водных растворов солей, не содержащие кислот и пригодные для промышленного применения. Известен электролит 1 на основе кислот для электрохимического полирования титана и его сплавов, который содержит (в г/л) фосфорную кислоту 760-860, серную кислоту 88-98, ингибитор коррозии БА-6 5-10, калий фосфорнокислый однозамещенный 10-20 и натрий фосфорнокислый двухзамещенный 10-20, вода остальное. Известный электролит является агрессивным, токсичным и дорогостоящим, вызывает коррозию ванны и оснастки. Известен электролит 2 для полирования титана, содержащий (масс. ) азотную кислоту 58-60 , плавиковую кислоту 15-17 , фтористый аммоний 10-15 , остальное вода. Данный электролит используется в процессе химического полирования титана и его сплавов, имеет значительную себестоимость, также является агрессивным и токсичным,требует специальных мероприятий для утилизации отработанного электролита. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ электрохимического полирования металлических изделий, взятый за прототип 3,осуществляемый в две стадии в водных растворах солей борфтористоводородной, кремнефтористой, гексафтортитановой или плавиковой кислоты, применяемый для полировки изделий из титана и титановых сплавов, циркония и циркониевых сплавов. Предложенные растворы электролитов имеют узкую зону полирования и не обеспечивают полировки всей гаммы титановых сплавов. Для реализации способа необходимо использование специального источника тока, обеспечивающего мгновенное переключение с одного режима на другой, что существенно усложняет техническое исполнение работы. При обработке изделий из титана и его сплавов известный электролит не обеспечивает необходимого гарантированного снижения шероховатости поверхности, притупления острых кромок и образования блеска. Особенно резко снижается качество полировки при сложной конфигурации поверхности, имеющей углубления. Задачей настоящего изобретения является подбор электролита, обеспечивающего снижение шероховатости поверхности, притупление острых кромок, снятие небольших заусенец, и высокое качество полирования изделий из титана и его сплавов, в том числе изделий сложной формы, имеющих углубления. Поставленная задача достигается тем, что в электролит, содержащий водный раствор солей фтористоводородной кислоты, вводят в качестве первой соли фтористый аммоний,а в качестве второй соли - фтористый калий при следующем соотношении компонентов,мас.фтористый аммоний 1-5 фтористый калий 0,5-5 вода остальное. Обработку производят в одну стадию при напряжении 220-400 В и температуре электролита 70-90 . Предлагаемый электролит позволяет получить гарантированное высокое качество плазменно-электролитного полирования, притупления острых кромок и снятия заусенец широкой гаммы составов титановых сплавов, экологически безопасен, не требует частой замены, а полировка в таком электролите достигается за 5-10 минут обработки. Эффект полирования плазменно-электролитным методом возможен лишь при обеспечении протекания на обрабатываемой поверхности необходимых электрохимических и физико-химических процессов. Причем полирование поверхности наблюдается только при наличии равенства скоростей окисления и травления образующегося окисла. Различия в электрохимических процессах зависят от состава обрабатываемого металла, а также со 2 7570 1 2005.12.30 става и концентрации компонент электролита. В предлагаемом изобретении выбором состава электролита, содержащего (по массе) фтористый аммоний 1-5 , фтористый калий 0,5-5 , остальное вода, достигается равенство скоростей электрохимических реакций окисления и травления, что позволяет получить эффект полирования титановой поверхности. В качестве примера использования предлагаемого электролита проводилась полировка протезов сердечных клапанов, выполненных из титанового сплава ВТ-16. Клапан имел сложную форму с углублениями типа кольцевых канавок во внутреннем пространстве кольца. Электролит содержал 3 фтористого аммония, 1 фтористого калия, остальное вода. Обработка осуществлялась плазменно-электролитным методом на лабораторной установке мощностью 10 кВт при рабочем напряжении 320 В, температуре электролита 80 в течение 10 минут. Исходная шероховатость составляла (после предварительной шлифовки) исх.0,8 мкм. После полировки получили блестящую поверхность с равномерной шероховатостью 10,05 мкм, что соответствует 12 классу чистоты обработки поверхности по ГОСТ 2789-73. Шероховатость до и после обработки измеряли контактным профилометром типа 283. Для сравнения следует отметить, что в способе электрохимического полирования металлических изделий, взятом за прототип, достигнутый уровень шероховатости составляет 10,23 мкм, что соответствует 9 классу чистоты обработки поверхности по ГОСТ 2789-73. Таблица Результаты полировки деталей сердечных клапанов из титанового сплава ВТ-16 при следующих концентрациях компонентов электролита Шероховатость Качество поверхности поверхности,10,5 Остальное 0,16 мкм Блестящая, полированная поверхность 3 1 Остальное 0,05 мкм Блестящая, полированная поверхность 5 5 Остальное 0,30 мкм Полированная поверхность Полировка отсутствует. 0,52 Остальное 0,79 мкм Нестабильность токового режима Отсутствие полировки, темные пятна 30,3 Остальное 0,78 мкм на поверхности 6 2 Остальное 0,50 мкм Растравливание поверхности 3 6 Остальное 0,43 мкм Снижается качество полировки Качество полировки сплава ВТ-1 Известный электролит 0,23 мкм существенно ниже предложенного 444 (прототип) электролита 4 Из таблицы следует, что предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить равномерное снятие шероховатостей, притупление острых кромок и образование блеска по всей поверхности изделий сложной формы из титана и его сплавов путем использования электролита, содержащего фтористый аммоний 1-5 , фтористый калий 0,5-5 , остальное вода. 7570 1 2005.12.30 Предлагаемый электролит обеспечивает стабильность процесса плазменно-электролитной полировки, не вызывает коррозии ванны и оснастки, не разлагается при длительном использовании и пригоден для промышленного применения. Причем корректировка электролита по содержанию фтористого аммония потребуется только через сто часов работы установки, когда необходимо будет сделать и соответствующую добавку испарившейся воды, а корректировка содержания фтористого калия потребуется лишь через месяц односменной работы установки. Состав электролита не содержит дефицитные, дорогостоящие компоненты и поэтому по стоимости значительно дешевле дорогих и токсичных кислотных электролитов. Процесс полировки с использованием предлагаемого электролита является экологически чистым, так как отработанный электролит легко утилизируется и не требует наличия специального оборудования и сооружений для этих целей. Использование предлагаемого электролита для полировки изделий из титана и его сплавов дает существенную экономию денежных средств вследствие низкой стоимости компонентов электролита, его долговечности, отсутствия специального очистного оборудования. Источники информации 1. А.с. СССР 434139, МПК С 23 В 3 /10. - Опубл. 1974. 2. Подготовка поверхности титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-8 перед нанесением покрытия нитрида титана // ЖПХ. - 1998. - Т. 71. - Вып. 8. - С. 1311. 3. Патент России 2168565, МПК С 25 3/16. - Опубл. 2001 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.