CN113399766B - 一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料电化学加工技术领域，公开了一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，利用该方法得到电解液按质量百分比计为：硫酸钠2%~8%，磷酸二氢钠20%，余量为去离子水；该方法还用到一种高速钢轧辊材质电解磨削的电解液供液系统，该系统包括加工电源、砂轮、阴极工具、盛水箱、电动机、液压泵、电解反应槽、过滤器、三通管、电磁阀、安全阀、减压阀、压力表、节流阀、电磁流量计、改性装置和冷水机，盛水箱连接有液位开关、过滤网、PH检测计、加热器、温度传感器、液位计、卸液阀和水箱封盖；本发明解决了现有技术机械磨削加工修复高速钢轧辊加工效率低、加工成本高和表面质量差的问题，用于高速钢轧辊材质电解磨削。

Description

一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法

技术领域

本发明涉及金属材料电化学加工技术领域，具体为一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法。

背景技术

轧辊是轧机的核心部件，材质及材料性能直接影响钢板的生产质量。由于高速钢轧辊具有良好的耐磨性、抗热震性、淬透性以及高摩擦系数等优势，市场多选用高速钢轧辊材质的轧辊作为热轧机组的工作辊。然而，轧辊在工作过程中，若冷却系统未能及时将其冷却，以及本身碳化物的不均匀弥散，轧辊受轧制力作用导致其周围基体产生不同程度的磨损；此外，高速钢轧辊材质的线膨胀系数较大，在轧制过程中易引起变形，会影响轧材的精度。因此，除了及时对高速钢进行冷却润滑外，还应进行定期修复。对高速钢轧辊的修复包括机械磨削修复和电解磨削修复，机械磨削主要包括干磨和湿磨，二者都存在磨削效率低、磨削易发生振痕、砂轮修复次数多、磨削后表面存在加工硬化层以及内应力等缺陷；相比而言，电解磨削具有加工效率高、加工成本低和表面质量好等优点，且加工中砂轮的磨耗小，工件表面不会出现表面裂纹、毛刺和烧伤等现象，适合用于加工高硬度、高强度高速钢轧辊的加工修复。

电解磨削加工是将电化学加工与机械磨削相结合去除金属材料的一种复合加工方法。在电解磨削加工系统中，工件接加工电源正极，导电砂轮或阴极工具接加工电源负极，工件（阳极）被电解，砂轮及时刮除阳极表面所生成的一层钝化膜，进而使工件表面电解、钝化和砂轮刮除后的活化呈不断交替过程，最终达到工件表面的尺寸精度和表面质量要求，即采用电解磨削加工高速钢轧辊可提高磨削效率并同时保证高速钢轧辊修复后基体表层的材料组织性能。其中，电解液及其供液系统是整个电解磨削加工的重要组成部分之一。

电解液是电化学加工中不可或缺的部分，根据工件材料与加工要求不同，所需的电解液也有所不同。KIM等提出电解加工中适合于金属材料的电解液，该电解液由钠离子的无机盐、还原剂和络合剂组成，且PH要求在2 ~ 7，但对于电解磨削而言，酸性电解液不利于钝化膜的生成，无法保证工件的尺寸以及表面质量。在电解磨削中，除极少部分选用酸性或碱性电解液外，应优先考虑中性电解液（包括含氧酸盐和卤素盐），其组分可为单一电解液或复合电解液。Cătălin等采用NaNO₃与NaCl所组成的复合电解液对刀具高速钢进行电解磨削加工，该复合电解液虽既有腐蚀性又有钝化性，但由于存在氯离子，除了对电解液的供液系统以及磨床的防腐提出更高的要求外，所生成的钝化膜很容易被氯离子破坏，进而无法保证表面加工精度。此外，朗姆研究公司提出了一套可生成含有金属离子的电解液的装置，该装置可根据需求为电镀、电解等输出和生成电解液，但该装置成本较大，占地面积大，不适宜用于电解磨床的电解液供液系统。为此，有必要开发一种适合高速钢轧辊材质电解磨削的电解液及电解液供液系统。

发明内容

本发明意在提供一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，以解决现有技术机械磨削加工修复高速钢轧辊加工效率低、加工成本高和表面质量差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，包括以下步骤：

S1、先将高速钢轧辊材质切割为∅30 mm×6 mm的试件，用石油醚清洗油污，依次用不同数目的砂纸经金相抛光机打磨光亮，用去离子水清洗干净，依次喷洒50 nm和0.3μm的氧化铝在工件面上，用抛光布将其抛光，时间为5 ~ 10min，再次用去离子水清洗试件表面，并用超声波清洗15 min，最后用无水乙醇进行除油清洗，用烘干机将其吹干；

S2、然后将预处理好的高速钢轧辊材质的试件作为阳极，用20 mm×20 mm的铂丝网为辅助电极，3.5 mol/L的KCl的Ag/AgCl参比电极，温度控制在25℃；

S3、最后根据S1所准备的试件和S2所采用的三电极体系，采用三电极体系测试阳极开路电位以及阳极极化，观察工件的表面微观形貌；

S4、得到电解液按质量百分比计的如下组分：硫酸钠2% ~ 8%，磷酸二氢钠20%，余量为去离子水。

进一步地，按质量百分比计的如下组分：硫酸钠2%，磷酸二氢钠20%，去离子水78%。

进一步地，按质量百分比计的如下组分：硫酸钠5%，磷酸二氢钠20%，去离子水75%。

进一步地，按质量百分比计的如下组分：硫酸钠8%，磷酸二氢钠20%，去离子水72%。

一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法用到的一种高速钢轧辊材质电解磨削的电解液供液系统，该系统包括加工电源、盛水箱、电动机、液压泵、电解反应槽和砂轮，所述加工电源的正极连接有工件，所述加工电源的负极连接有阴极工具，所述盛水箱盛装有电解液，所述盛水箱内连接有加热器和第二过滤器，所述盛水箱的箱底连接有卸液阀，所述盛水箱盖接有水箱封盖，所述电动机与所述液压泵电连接，所述液压泵的进水口连接有第一过滤器，所述第一过滤器的进水口穿设于所述水箱封盖与所述电解液连接，所述液压泵的出水口连接有第一三通管，所述第一三通管的两出水口分别连接有二位二通常开电磁阀和安全阀，所述第一三通管与所述安全阀的进水口连接，所述二位二通常开电磁阀的出水口连接有减压阀，所述减压阀的出水口连接有第二三通管，所述第二三通管的两出水口分别连接有压力表和节流阀，所述节流阀的出水口连接有电磁流量计，所述电磁流量计的出水口连接有闸阀，所述闸阀的出水口与所述电解反应槽连通，所述电解反应槽的出水口连接有第一单向阀，所述第一单向阀的出水口连接有第三三通管，所述第三三通管的其一出水口连接有第四三通管，所述第三三通管的另一出水口与所述安全阀的出水口连接，所述第四三通管的两出水口分别连接有磁性过滤器和第二单向阀，所述磁性过滤器的出水口穿设于所述水箱封盖连接有改性装置，所述改性装置设于所述盛水箱内侧，所述第四三通管与所述第二单向阀的出水口连接，所述第二单向阀的进水口连接有冷水机，所述第二过滤器的出水口与所述冷水机的进水口连接，所述砂轮用于刮除所述工件产生的钝化膜。

进一步地，所述第一过滤器包括粗过滤器和精过滤器，所述粗过滤器与所述电解液连通。

进一步地，所述盛水箱连接有粗过滤网和精过滤网，所述粗过滤网和所述精过滤网把所述盛水箱分为粗过滤区、精过滤区和出液区，所述卸液阀包括第一卸液阀、第二卸液阀和第三卸液阀，所述第一卸液阀、所述第二卸液阀和所述第三卸液阀分别设于所述粗过滤区、所述精过滤区和所述出液区的箱底。

进一步地，所述盛水箱还连接有液位计、温度传感器、PH检测计和液位开关，所述液位计和所述温度传感器设于所述出液区，所述温度传感器连接有温度计，所述PH检测计设于所述精过滤区，所述液位开关设于所述粗过滤区。

一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法用到的一种高速钢轧辊材质电解磨削的电解液供液系统的工作原理：

本电解磨削加工系统采用中极法，加工电源的正极和负极分别与工件和阴极工具相连，阴极工具与工件保持一定的加工间隙，工件所产生的钝化膜被砂轮机械刮除。电动机驱动液压泵工作，将电解液从盛水箱中通过粗过滤器和精过滤器，再经过液压泵加压后流入系统回路，随着液压泵所产生的系统油压逐渐增大，当达到安全阀设定安全压力时，多余的电解液通过安全阀排出，并流入到第三三通管的进液口液压管路中，系统压力和流量流向二位二通常开电磁阀的进液口；当要求切断系统压力和流量时，二位二通常开电磁阀通电工作，系统压力和流量立即被切断；当未要求切断系统压力和流量时，经二位二通常开电磁阀的压力和流量流入减压阀进行系统调压，其中系统调压是根据电解磨削加工中的要求而调定电解液的适合加工压力。

调定后的压力以及未调定的流量流入第二三通管的管路分两条路走：一条流向压力表，显示当前调定后的压力值；另一条的液压管路流向节流阀进行系统流量调节，同理,系统的调节流量是根据电解磨削加工中的要求而调定电解液适合的加工流量，以此保证一定的电解液流速。调定后的压力和流量经电磁流量计流向闸阀，电磁流量计用于显示并记录调定后的流量值，闸阀与电磁阀相同，当要求调节或切断调定后的压力和流量时，闸阀不完全关闭或完全关闭；当未要求对调定后的压力和流量进行关闭或调解时，闸阀完全打开，并将调定后的压力和流量流入阴极工具中，在电解反应槽中进行电解磨削加工。

在电解反应槽内经电解磨削加工后的电解液通过底端的出液口流出，并经第一单向阀流向第三三通管的一个进液口管路，并与安全阀所流出的多余电解液流向第三三通管的另一个进液口管路一起流入第四三通管的进液口管路中去。

加热器用于加热电解液，当电解液温度过高时，冷水机工作，电解液经第二过滤器流入冷水机，再从冷水机的出液口经第二单向阀流向第四三通管的另一个进液口；若未要求对电解液进行降温，则无须使冷水机工作；无论冷水机是否工作，由第四三通管的进液口流入的多余电解液以及所使用过的电解液，或者第二单向阀出液口流出的电解液，经磁性过滤器流入改性装置的进液口直至流回盛水箱中，改性装置根据加工过程电解液中离子消耗情况而进行是否改性，无需改性则作为普通过滤器使用，而若要进行改性则添加一定的添加剂对电解液改性。

流回盛水箱经粗过滤网和精过滤网两次过滤，最后再进行循环往复使用，借助液位计和液位开关判断电解液的水位情况，借助温度传感器和温度计判断电解液的温度，借助PH检测计判断电解液的PH值，卸液阀用于排出盛水箱内的电解液。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1.本发明的电解磨削电解液配方简单、化学药品易采购获取、价格低廉、电化学作用中离子损耗慢，且可以多次循环利用；

2.本发明所配制的高速钢轧辊材质电解磨削所用的电解液，能生成一层致密的钝化膜，且具有良好的电化学加工特性；

3.本发明所提出的电解液供液系统，可与电控实现自动控制，可根据电化学加工中离子消耗情况而对电解液进行改性以及调节电解液的PH值，可实现自动加热和冷却，并具有压力保护、流量压力调节以及限位保护功能。

附图说明

图1为本发明高速钢轧辊材质预处理后的表面微观形貌；

图2为本发明高速钢轧辊材质试件在磷酸二氢钠和硫酸钠中的开路电位；

图3为本发明高速钢轧辊材质分别在不同电解液中的阳极极化曲线；

图4为本发明高速钢轧辊材质在20wt%磷酸二氢钠与5wt%硫酸钠所复合电解液后的阳极钝化膜表面微观形貌；

图5为本发明高速钢轧辊材质去除钝化膜后的表面微观形貌；

图6为本发明一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法用到的一种高速钢轧辊材质电解磨削的电解液供液系统的原理示意图。

附图中的对应标记的名称为：

电解液1、粗过滤器2、液位计3、精过滤器4、电动机5、液压泵6、第一三通管7、二位二通常开电磁阀8、减压阀9、第二三通管10、压力表11、节流阀12、电磁流量计13、闸阀14、加工电源15、砂轮16、工件17、阴极工具18、电解反应槽19、第一单向阀20、安全阀21、温度计22、PH检测计23、第三三通管24、第四三通管25、磁性过滤器26、第二单向阀27、冷水机28、水箱封盖29、改性装置30、液位开关31、第二过滤器32、盛水箱33、第一卸液阀34、粗过滤网35、加热器36、第二卸液阀37、精过滤网38、第三卸液阀39、温度传感器40。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，包括以下步骤：

S1、将高速钢轧辊材质切割为∅ 30 mm×6 mm的试件，用石油醚清洗油污，依次用不同数目的砂纸经金相抛光机打磨光亮，用去离子水清洗干净，依次喷洒50 nm和0.3μm的氧化铝在工件面上，用抛光布将其抛光，时间为5 ~ 10min，再次用去离子水清洗试件表面，并用超声波清洗15 min，最后用无水乙醇进行除油清洗，用烘干机将其吹干，得到的预处理结果如图1所示；

S2、将预处理好的高速钢轧辊材质的试件作为阳极，用20 mm×20 mm的铂丝网为辅助电极，3.5 mol/L的KCl的Ag/AgCl参比电极，温度控制在25℃，采用三电极体系在280mL平板腐蚀池中对试件进行电化学测量；

S3、对高速钢轧辊材质试件分别在质量百分比为15%磷酸二氢钠和15%硫酸钠的电解液中进行长达12 h的开路电位测量；

S4、得到电解液按质量百分比计的如下组分：硫酸钠2% ~ 8%，磷酸二氢钠20%，余量为去离子水。

如表1所示，利用一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法得到的电解液，包括磷酸二氢钠、硫酸钠和去离子水。

表1 电解液配制组分表

组分	1	2	3	4
					磷酸二氢钠 (wt%)	20	20	20	20
硫酸钠 (wt%)	0	2	5	8
					去离子水 (wt%)	80	78	75	72

其中需要说明的是，如图2至图5所示，开路电位有助于了解高速钢轧辊材质在电解液中的腐蚀情况，硫酸钠的开路电位越低则高速钢轧辊材质越在该电解液中发生腐蚀；对表1的电解液成分，采用线性扫描伏安法测其极化曲线，扫描速率为5 mV/s，且电位扫描范围为：-0.5 ~ 2.5 V，电解磨削要求试件表面能生成一层均匀致密的钝化膜并保证良好的加工特性，即测试的曲线越趋近理论的完全钝化曲线则效果更好，在配制的复合电解液与单一电解液进行对比，高速钢轧辊材质在质量百分比为20%磷酸二氢钠和5%硫酸钠的复合电解液中效果最好，且能生成一层致密的钝化膜，将其钝化膜去除后，具有较好的表面精度。采用磷酸二氢钠和硫酸钠所组成的复合电解液，能保证高速钢轧辊材质电解磨削既能生成一层钝化膜又具有良好的加工性能。

如图6所示，一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法用到的一种高速钢轧辊材质电解磨削的电解液供液系统，该系统包括加工电源15、盛水箱33、电动机5、液压泵6、电解反应槽19和砂轮16，加工电源15的正极连接有工件17，加工电源15的负极连接有阴极工具18，盛水箱33盛装有电解液1，盛水箱33内连接有液位开关31、第二过滤器32、粗过滤网35、PH检测计23、加热器36、精过滤网38、温度传感器40和液位计3，盛水箱33的箱底连接有第一卸液阀34、第二卸液阀37和第三卸液阀39，盛水箱33的上侧盖接有水箱封盖29，粗过滤网35和精过滤网38把盛水箱33分为粗过滤区、精过滤区和出液区，液位开关31、第二过滤器32和第一卸液阀34设于粗过滤区，PH检测计23、加热器36和第二卸液阀37设于精过滤区，液位计3、温度传感器40和第三卸液阀39设于出液区，温度传感器40连接有温度计22，电动机5与液压泵6电连接，液压泵6的进水口连接有精过滤器4，精过滤器4的进水口连接有粗过滤器2，粗过滤器2的进水口穿设于水箱封盖29与电解液1连接，液压泵6的出水口连接有第一三通管7，第一三通管7的两出水口分别连接有二位二通常开电磁阀8和安全阀21，第一三通管7与安全阀21的进水口连接，二位二通常开电磁阀8的出水口连接有减压阀9，减压阀9的出水口连接有第二三通管10，第二三通管10的两出水口分别连接有压力表11和节流阀12，节流阀12的出水口连接有电磁流量计13，电磁流量计13的出水口连接有闸阀14，闸阀14的出水口与电解反应槽19连通，电解反应槽19的出水口连接有第一单向阀20，第一单向阀20的出水口连接有第三三通管24，第三三通管24的右出水口连接有第四三通管25，第三三通管24的左出水口与安全阀21的出水口连接，第四三通管25的两出水口分别连接有磁性过滤器26和第二单向阀27，磁性过滤器26的出水口穿设于水箱封盖29连接有改性装置30，改性装置30设于盛水箱33内侧，第四三通管25与第二单向阀27的出水口连接，第二单向阀27的进水口连接有冷水机28，第二过滤器32的出水口与冷水机28的进水口连接，砂轮16用于刮除工件17产生的钝化膜。

具体实施方式：

将配置好的电解液1盛装在盛水槽内，然后启动电解液1供液系统的电动机5电源开始工作，在工作的过程中，利用压力表11和电磁流量计13读取系统内电解液1的压力和流量，并根据系统回路电解液1压力和流量的大小调节液压泵6、减压阀9、和安全阀21，以保证系统回路电解液1的压力和流量适宜，利用温度计22读取电解液1的温度，并根据该温度值控制冷水机28或是加热器36工作以保证电解液1在合适的温度。利用PH检测计23读取电解液1的PH值，并根据电解液1的PH值调节改性装置30内的添加剂以保证电解液1的PH值在7 ~9，利用液位计3读取电解液1的液位高低，并根据电解液1的液位高低启停液位开关31以保证加工有足够的电解液1。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、先将高速钢轧辊材质切割为∅30 mm×6 mm的试件，用石油醚清洗油污，依次用不同数目的砂纸经金相抛光机打磨光亮，用去离子水清洗干净，依次喷洒50 nm和0.3μm的氧化铝在工件面上，用抛光布将其抛光，时间为5 ~ 10min，再次用去离子水清洗试件表面，并用超声波清洗15 min，最后用无水乙醇进行除油清洗，用烘干机将其吹干；

S2、然后将预处理好的高速钢轧辊材质的试件作为阳极，用20 mm×20 mm的铂丝网为辅助电极，3.5 mol/L的KCl的Ag/AgCl参比电极，温度控制在25℃；

S3、最后根据S1所准备的试件和S2所采用的三电极体系，采用三电极体系测试阳极开路电位以及阳极极化，观察工件的表面微观形貌；

S4、得到电解液按质量百分比计的如下组分：硫酸钠2% ~ 8%，磷酸二氢钠20%，余量为去离子水。

2.根据权利要求1所述的一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，其特征在于，包括按质量百分比计的如下组分：硫酸钠2%，磷酸二氢钠20%，去离子水78%。

3.根据权利要求1所述的一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，其特征在于，包括按质量百分比计的如下组分：硫酸钠5%，磷酸二氢钠20%，去离子水75%。

4.根据权利要求1所述的一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，其特征在于，包括按质量百分比计的如下组分：硫酸钠8%，磷酸二氢钠20%，去离子水72%。

5.根据权利要求1所述的一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，该方法用到一种高速钢轧辊材质电解磨削的电解液供液系统，其特征在于：该系统包括加工电源、盛水箱、电动机、液压泵、电解反应槽和砂轮，所述加工电源的正极连接有工件，所述加工电源的负极连接有阴极工具，所述盛水箱盛装有电解液，所述盛水箱内连接有加热器和第二过滤器，所述盛水箱的箱底连接有卸液阀，所述盛水箱盖接有水箱封盖，所述电动机与所述液压泵电连接，所述液压泵的进水口连接有第一过滤器，所述第一过滤器的进水口穿设于所述水箱封盖与所述电解液连接，所述液压泵的出水口连接有第一三通管，所述第一三通管的两出水口分别连接有二位二通常开电磁阀和安全阀，所述第一三通管与所述安全阀的进水口连接，所述二位二通常开电磁阀的出水口连接有减压阀，所述减压阀的出水口连接有第二三通管，所述第二三通管的两出水口分别连接有压力表和节流阀，所述节流阀的出水口连接有电磁流量计，所述电磁流量计的出水口连接有闸阀，所述闸阀的出水口与所述电解反应槽连通，所述电解反应槽的出水口连接有第一单向阀，所述第一单向阀的出水口连接有第三三通管，所述第三三通管的其一出水口连接有第四三通管，所述第三三通管的另一出水口与所述安全阀的出水口连接，所述第四三通管的两出水口分别连接有磁性过滤器和第二单向阀，所述磁性过滤器的出水口穿设于所述水箱封盖连接有改性装置，所述改性装置设于所述盛水箱内侧，所述第四三通管与所述第二单向阀的出水口连接，所述第二单向阀的进水口连接有冷水机，所述第二过滤器的出水口与所述冷水机的进水口连接，所述砂轮用于刮除所述工件产生的钝化膜。

6.根据权利要求5所述的一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，其特征在于：所述第一过滤器包括粗过滤器和精过滤器，所述粗过滤器与所述电解液连通。

7.根据权利要求5所述的一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，其特征在于：所述盛水箱连接有粗过滤网和精过滤网，所述粗过滤网和所述精过滤网把所述盛水箱分为粗过滤区、精过滤区和出液区，所述卸液阀包括第一卸液阀、第二卸液阀和第三卸液阀，所述第一卸液阀、所述第二卸液阀和所述第三卸液阀分别设于所述粗过滤区、所述精过滤区和所述出液区的箱底。

8.根据权利要求7所述的一种高速钢轧辊材质电解磨削所用电解液的试验方法，其特征在于：所述盛水箱还连接有液位计、温度传感器、pH检测计和液位开关，所述液位计和所述温度传感器设于所述出液区，所述温度传感器连接有温度计，所述pH检测计设于所述精过滤区，所述液位开关设于所述粗过滤区。

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