НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Донцов М.Г., Котов В.Л., Балмасов А.В., Невский О.И.
Ивановский государственный химико-технологический университет
153460, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7
Тел./факс (0932) 32-73-94,
Химическое полирование в качестве заключительной операции в технологической цепочке изготовления деталей из титановых сплавов весьма привлекательно, особенно если имеется возможность использовать нетоксичные и не агрессивные растворы, легко поддающиеся корректировке. Разработке именно таких растворов посвящена настоящая работа.
Известные растворы для химического полирования титана в качестве активатора содержат плавиковую кислоту или ее соли, а в качестве окислителей используют, в основном, азотную кислоту или пероксид водорода. Системы на основе азотной кислоты весьма агрессивны, а растворы с пероксидом водорода недостаточно стабильны. Нами для химического полирования титана был разработан устойчивый и менее агрессивный двухкомпонентный водный раствор, содержащий неорганический окислитель и фтористую соль, работающий в интервале рН 1,5 – 4,5. Раствор наиболее эффективно работает при температуре 70-100°С. По-видимому, это обусловлено тем, что при низких температурах коррозионный ток не обеспечивает протекание процесса растворения с эффектом сглаживания и глянцевания поверхности. Действительно, оказалось, что повышение температуры при обработке способствует протеканию более высокого среднего коррозионного тока. Так, при 25°С значение jср.кор., рассчитанного по убыли массы образца, составляет 200-300 мА/см2, при 70°С – 600-900 мА/см2, а при 100°С – 1000-1300 мА/см2.
Для изучения коррозионного процесса, протекающего при химическом полировании титана, была смоделирована двухэлектродная система Ti | Ох ┆ F– | Ti. Из коррозионной диаграммы (рис. 1) видно, что при прочих равных условиях увеличение температуры раствора приводит к уменьшению катодной поляризация в большей степени, чем анодной. При этом токи, возникающие в изучаемой системе, при повышении температуры резко возрастают. Поскольку наклон поляризационных анодных кривых при изменении температуры достаточно мало изменяется, то можно предположить, что потенциал при максимальном токе коррозии будет более положительным. Действительно, повышение температуры полировочного раствора смещает потенциал титана в положительную сторону, а стационарный потенциал устанавливается за более короткий промежуток времени. Это говорит об увеличении скорости формирования приэлектродных слоев и о различном соотношении в нем реагентов и продуктов растворения. Однако нельзя утверждать, что потенциалы, измеренные в двухэлектродной ячейке, будут точно соответствовать реальным значениям, т. к. при коррозионном процессе на поверхности металлов нет строгого разделения катодных и анодных участков, а протекающие электродные реакции являются сопряженными. При этом необходимо учитывать многие факторы, а именно, изменение рН приэлектродного слоя, скорость подвода и отвода участников реакции, их концентрацию и пр.
Рис. Коррозионная диаграмма при различных температурах:
1, 1*- 25°С; 2, 2*- 40°С; 3, 3*- 60°С.
1, 2, 3 - Ti в растворе окислителя; 1*, 2*, 3* - Ti в растворе фтористой соли.
Для достижения полирующего эффекта при химической и электрохимической обработке металлов важное значение имеют свойства поверхностных слоев. Изучение влияния состава раствора и режимов полирования на свойства пленок, формирующихся на поверхности титана в ходе обработки, проводили методами электродного импеданса и фотоэлектрополяризации.
Известно, что нестехиометрический оксид TiO2-x является полупроводником n-типа. Он устойчив при недостатке анионов и обладает электронной проводимостью, которая должна уменьшаться при окислительной обработке. Действительно, введение во фторидный раствор окислителя приводит к понижению амплитуды фотоответа титанового электрода, что свидетельствует об изменении состава поверхностной пленки (уменьшении концентрации анионных вакансий) в процессе полирования. Одновременно с ростом концентрации окислителя наблюдается увеличение сопротивления и уменьшение емкости исследуемого электрода вследствие снижения шероховатости (значение емкости при f=1000 Гц после обработки во фторидном растворе без окислителя составляет 38 мкФ/cм2, а в растворе полирования 20 мкФ/cм2). Повышение температуры способствует получению более дефектной пленки с повышенным содержанием анионных вакансий.
При химическом полировании деталей, не требующих высокой степени блеска и имеющих точные размеры, процесс целесообразно проводить при температуре 80-90°С. При таких условиях скорость съема металла составляет от 12 до 28 мкм/мин. в зависимости от концентрации окислителя, относительное сглаживание поверхности от 49 до 76%. Конечная шероховатость достигает значений Ra=0,15-0,33 мкм, отражательная способность 30-57%. Полирование с целью получения высокой степени блеска предпочтительнее проводить при температуре 100-106°С в течение 1-1,5 мин. При этих условиях отражательная способность достигает 60-80%, а степень сглаживания 70-85% при скорости съема металла до 50 мкм/мин.
