Research on the Material Removal Mechanism and Experiments of Electrolytic Plasma Polishing for High-Strength Steel

Technische Samenvatting: Onderzoek naar het Materiaalverwijderingsmechanisme en Experimenten van Elektrolytische Plasma-polijsting voor Hoogwaardig Staal

Probleemstelling
De interne trekken van artillerielopen, die doorgaans worden vervaardigd uit hoogwaardig, hooghard legeringsstaal, vereisen een uitzonderlijke oppervlaktekwaliteit om de nauwkeurigheid, het bereik en de levensduur van projectielen te waarborgen. De huidige productie leunt zwaar op mechanisch polijsten (honing, handmatig borstelen), wat kampt met een lage efficiëntie, hoge arbeidsintensiteit en een slechte uniformiteit, met name bij complexe geometrieën zoals trekken in de loop. Bovendien genereren mechanische methoden gevaarlijk metaalstof, terwijl chemische polijstalternatieven vaak toxische zure media bevatten en moeite hebben om de benodigde precisie te bereiken (doorgaans beperkt tot Ra 0,5–10 µm). Hoewel Elektrolytische Plasma-polijsting (EPP) veelbelovend is gebleken in de luchtvaart en de medische sector, blijft de toepassing ervan op hoogwaardig staal voor kanonlopen onderbelicht. Er bestaan specifieke hiaten in het begrip van de materiaalverwijderingsmechanismen voor dit specifieke materiaal, het beheersen van de plasmagedistributie in diepe gaten met een hoge aspectratio, en het vaststellen van correlaties tussen procesparameters en de oppervlaktekwaliteit.

Methodologie
Deze studie hanteert een systematische aanpak waarbij multi-fysische veldmodellering, simulatie en experimentele validatie worden geïntegreerd om EPP voor hoogwaardig staal te onderzoeken.

• Theoretisch Kader: Het onderzoek verheldert het EPP-proces, waarbij een hoge spanning (250–400 V) wordt toegepast in een verdund neutraal zout elektrolyt om een dampmantel en plasmaontlading te genereren. Het materiaalverwijderingsmechanisme wordt geanalyseerd via drie afzonderlijke fasen:

  1. Elektrochemische Corrosie: Bellen-nucleatie en groei die leiden tot een gasvormige isolerende laag.
  2. Polijsttransitie: Het instorten en de impact van bellen, wat schokgolven en micro-jets genereert.
  3. Gaslaag-ionisatie: Vorming van ontladingskanalen die bij voorkeur bij oppervlaktepieken optreden, wat leidt tot lokale smelting en materiaalverwijdering.

• Simulatie: Finite element analyse (FEA) werd uitgevoerd met COMSOL Multiphysics om het volgende te modelleren:

  • Elektrische en Stromingsvelden: Het oplossen van Laplace-vergelijkingen voor potentiaalverdeling en Navier-Stokes-vergelijkingen voor vloeistofstroming om de uniformiteit van stroomdichtheid en snelheid te analyseren.
  • Gas-Vloeistof Twee-fasenstroming: Gebruik van een Eulerian-Eulerian kader met een standaard k-ε turbulentiemodel om de evolutie van bellen en de vorming van de gaslaag te simuleren.
  • "Peak Removal"-proces: Een bewegend grensvlakmodel werd ontwikkeld om de dynamische evolutie van oppervlakte-asperiteiten te simuleren, waarbij de stroomdichtheid wordt gekoppeld aan de materiaalverwijderingssnelheden.

• Experimentele Validatie: Polijstexperimenten werden uitgevoerd op hoogwaardige staalmonsters (15 mm × 15 mm × 5 mm) met behulp van een op maat gemaakt platform met een 4 gew.% ammoniumsulfaat-elektrolyt bij 85 °C en 380 V. De vooraf te polijsten oppervlakken waren geslepen tot Ra ~2,3 µm. Karakterisering na het polijsten omvatte:

  • Macroscopische en microscopische morfologie-analyse (SEM).
  • Oppervlakteruwheid (Ra) en 3D-topografiemetingen.
  • Elementaire samenstellinganalyse via Energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS).
  • Microhardheidstest (Vickers).

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Verheldering van het Mechanisme: De studie bevestigt dat het "peak removal"-fenomeen wordt geïnitieerd door elektrochemische oplossing, gevolgd door bellen-evolutie en het instorten van bellen. Het primaire materiaalverwijderingsmechanisme wordt geïdentificeerd als een synergetische werking van vloeistoferosie, de vorming van lokale ontladingskanalen en ontladingsactiviteit geconcentreerd op de uiteinden van oppervlakte-asperiteiten.
• Inzichten uit Simulatie:
  • Simulaties van het elektrische veld toonden aan dat hoewel het veld over het algemeen uniform is, er significante concentraties optreden bij randen en hoeken (meer dan 140 kV/m), wat kan leiden tot niet-uniforme materiaalverwijdering.
  • Stromingsveldanalyses benadrukten de vorming van wervels in het kielzog van het werkstuk, wat de uniformiteit van het polijsten in die specifieke regio's kan verslechteren.
  • Gaslaagsimulaties toonden de progressieve accumulatie van het gasfractievolume aan, wat in de loop van de tijd stabiliseert in een continue isolerende laag.
  • "Peak removal"-simulaties modelleerden succesvol het nivelleren van oppervlakte-asperiteiten, waarbij een significante reductie in verplaatsing in de loop van de tijd werd aangetoond.
• Experimentele Resultaten:
  • Oppervakteruwheid: Het proces verminderde de oppervakteruwheid (Ra) van 2,370 µm naar 0,879 µm, een verbetering van 62,9%.
  • Morfologie: Macroscopische en microscopische analyses toonden de eliminatie van bewerkingssporen, putjes en corrosie. Het oppervlak kreeg een uniforme metaalglans. 3D-topografie gaf een reductie aan in de maximale piek-dal hoogte (Sz) van 57,8 µm naar 47,2 µm.
  • Elementaire Samenstelling: EDS-analyse toonde een significante afname van het oppervlaktezuurstofgehalte en een lichte toename van het chroomgehalte (Cr) aan. De auteurs schrijven de toename van Cr toe aan de preferentiële etsing van een chroomarm oppervlakte-laag, waardoor het onderliggende chroomrijke materiaal wordt blootgesteld.
  • Microhardheid: Er werd een kleine afname van de oppervlakte-microhardheid waargenomen, toegeschreven aan de verwijdering van harde oppervlakteoxiden, defecten en koolstofrijke lagen.

Betekenis
Het artikel stelt dat dit onderzoek het mechanistische begrip van het Elektrolytische Plasma-polijstproces specif kind voor hoogwaardig staal verdiept. Door multi-fysische simulatie te integreren met experimentele validatie, biedt de studie het theoretische fundament en de experimentele gegevens die nodig zijn voor de optimalisatie en precieze controle van EPP. De bevindingen ondersteunen de haalbaarheid van het gebruik van EPP voor het afwerken van diepgaande componenten met complexe dwarsdoorsneden, zoals de trekken van artillerielopen, en bieden een weg om de fabricagekwaliteit en de betrouwbaarheid van wapensystemen te verbeteren via een milieuvriendelijk en efficiënt alternatief voor traditioneel mechanisch en chemisch polijsten.