Электрохимическая обработка материалов, ее характеристика

 

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

 

«Владимирский Государственный  Университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

 

 

 

Реферат

по дисциплине

«Введение в специальность»  

 

Электрохимическая обработка материалов, ее характеристика.

 

Вариант                                               

                                               

                                                                            Выполнил:  ст. гр. 3 Тсд-112 Куманеев Ю.С                                                                                 

                      

Принял:   

 

 

  

 

 

 

  

 

Владимир 2013

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Прогрессивные методы обработки  материалов, одно из крупнейших достижений отечественной техники последних  десятилетий, представляет собой одно из таких новых технологических  направлений, реализация которых означает революцию в промышленном производстве.

Обладающие исключительной технологической гибкостью, почти  не зависимые от механической прочности  обрабатываемых материалов, легко поддающиеся механизации и автоматизации, экономически высокоэффективные при рациональном использовании методы электрофизической и электрохимической обработки заняли уже заметное, хотя пока и недостаточное, место среди методов и процессов прогрессивной технологии обработки материалов.

Благодаря этим методам  удалось значительно уменьшить  трудности, сопровождавшие внедрение твердых сплавов в промышленность, облегчить переход к широкому использованию труднообрабатываемых материалов, в том числе неметаллических и интерметаллических, решить ряд сложных конструкторско-технологических задач, связанных с производством изделий новой техники. Степень теоретической изученности и уровень развития, масштабы промышленного распространения, оснащенность серийным оборудованием, экономическая эффективность и ряд других показателей, характеризующих состояние этих методов, весьма различны, что естественно, учитывая их новизну и специфичность.

Однако даже и в  настоящее время, на начальных ступенях развития, электрофизические и электрохимические  методы показали себя весьма прогрессивными и перспективными. Эта перспективность  особенно подчеркнута включением их в число важнейших направлений технического прогресса на ближайшие десятилетия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация методов ЭФЭХ

 

Электрофизическими и  электрохимическими (ЭФЭХ) методами обработки материалов условно называют большую группу новых методов технологии, применяемых для удаления материала с обрабатываемых поверхностей его переноса, формообразования деталей или структурных преобразований, осуществляемых с помощью электрической энергии, вводимой непосредственно в зону обработки (группа I) либо с предварительным специальным преобразованием вне рабочей зоны в другие виды энергии - световую, акустическую, магнитную, тепловую (группа II).

Группа I охватывает методы электрохимической, анодно-механической, электроэрозионной электроконтактной обработки, нагрева в электролите и некоторые другие.

К группе II относятся  ультразвуковые, светолучевые, плазменные, электроннолучевые, электровзрывные  и некоторые другие методы, при  осуществлении которых происходят специальные преобразования электрической энергии.

Промежуточное место  занимают так называемые комбинированные  методы, сочетающие элементы групп I и II.

Следует отметить, что  общепринятой классификации ЭФЭХ методов пока нет. Например, такие методы разделяют на два класса - методы, осуществляемые процессами, аналогичными обработке давлением (магнитоимпульсная, электрогидравлическая и т. д.) и механической обработке резанием.

Известно разделение электрофизических методов на методы обработки токопроводящих материалов (например, электроэрозионные), методы импульсного ударного механического воздействия на материал (например, ультразвуковые), лучевые методы (например, светолучевая обработка).

 

Рисунок 1.Способы ЭФХО

2. Электрохимическая обработка

Электрохимическими называются методы обработки металлов, основанные на использовании явлений электролиза, т. е. явлений, имеющих место при прохождении электрического тока через растворы электролитов. В большинстве современных методов используется преимущественно процесс анодного растворения, т. е. перехода металла, помещенного в электролитическую ванну в качестве анода, из металлического состояния в различные неметаллические соединения (соли, гидроокиси, окислы). Принципиальная схема протекания электролиза представлена на рис. 2.

Рисунок 2 Ппринципиальная схема проведения  электролиза

В процессе электролиза  водных растворов различных электролитов (кислых, щелочных, нейтральных) происходит одновременно ряд различных реакций, среди которых для электрохимической  обработки наибольшее значение имеют  следующие.

1. Электролиз воды:

 

2ОН^- - 2е →Н₂О + О; О + О → О₂ (газ), или

4ОН^- - 4e  → 2H₂O+ О₂  (газ);

2Н⁺ + 2е → Н₂ (газ), или

Н₃О⁺ + е → Н₂O + 1/2Н₂ (газ),

где е — обозначает единичный отрицательный заряд (электрон). Продуктами электролиза воды являются газы (кислород и водород), непрерывно удаляющиеся из сферы реакции.

2. Переход металла  анода из металлического состояния (Ме°) в ионное состояние, происходящий в результате отдачи металлом электронов:

Ме° — пе → Меⁿ⁺,

где п — число единичных зарядов,

3. Образование различных  металлических соединений, состав  которых определяется химическим  составом электролита или продуктов  электролиза.

В кислых растворах 

Меⁿ⁺ + nR^- → Me (R)_n.

где R - обозначает кислотный остаток (анион), например С1^-, SO^2-₄, PO^3-₄ и др.

При растворении железа в соляной кислоте

Fe²⁺ + 2CI^- ® Fe(Cl)₂;

Fe³⁺ +3CI^- ® Fе(С1)з.

В нейтральных и щелочных растворах

Меⁿ⁺ + п ОН^- ® Me (OH)n

например.

Fe²⁺ +20H^- ® Fe(OH)₂;

Fe³⁺ + 3ОН ^- ® Fe (ОН)з,

На схеме рис. 3, б представлены направления и характер основных сил, определяющих переход металла в раствор при анодном растворении

 

 

 

На рис. 3, в показан также схематически процесс электролиза в растворе хлористого натрия (NaCI).

 

 

Как видно из приведенных  выше схем реакций, анодное растворение  в нейтральных электролитах сопровождается образованием гидратов окиси металла Me (ОН)_n которые, являясь практически нерастворимыми в электролите, выпадают в осадок, пассивирующий растворяемую поверхность и забивающий межэлектродный зазор. Для удаления осадков из зоны обработки электролиту придается большая скорость движения в промежутке между электродами, что является специфической особенностью всех операций размерной электрохимической обработки в нейтральных электролитах. Одновременно движение электролита позволяет выполнять обработку при повышенных плотностях тока (до сотен ампер на квадратный сантиметр), так как способствует удалению образующихся при этом больших количеств гидроокисей, а также охлаждению электролита, нагреваемого токами большой силы.

При проведении электрохимической  обработки в кислых растворах (например, электрополирование или электрохимическое  травление), когда продукты реакции  достаточно хорошо растворимы в электролите, а плотности тока относительно невелики (не более 2—3 а/см²) обработка осуществляется в неподвижном (стационарном) либо медленно перемешиваемом электролите.

Операции электрохимической  обработки, осуществляемые по одному и  тому же принципу, могут быть условно разделены на две различные (по технике проведения и результатам) группы:

1) электрохимическая  обработка при невысокой плотности  тока в стационарном электролите  (ЭХС);

2) электрохимическая  обработка при высокой плотности  тока в проточном электролите (ЭХП).

К достоинствам электрохимической  размерной обработки в проточном  электролите (ЭХП) относятся: высокая  производительность, достигающая десятков тысяч кубических миллиметров в  минуту и принципиально не имеющая  ограничений роста; полное отсутствие износа (нулевой износ) электрода-инструмента; возможность повышения чистоты и точности обработки при одновременном повышении производительности, чего нет ни у одного из других механических или ЭФЭХ методов обработки; высокая чистота обработанной поверхности; наличие некоторого саморегулирования процесса при растворении сплавов неоднородного кристаллического строения, приводящее к равномерному растворению их поверхности. Недостатки: высокая энергоемкость процесса: необходимость принятия специальных мер для удаления или обработки отходов (осадков гидроокисей и газов); затруднительность управления процессом при обработке сложнопрофилированных деталей с высокой точностью; необходимость обеспечения интенсивной циркуляции электролита в процессе обработки; некоторое снижение выхода по току при возрастании плотности тока.

К достоинствам электрохимической  обработки в стационарном электролите (ЭХС) относятся: возможность получения  поверхностей с высокими классами чистоты  у сложнопрофилированных изделий; отсутствие необходимости в специальном инструменте. Недостатки: невысокая удельная производительность и затруднительность форсирования ее повышением плотности тока; чувствительность к изменениям состояния и состава электролита, проявляющаяся в нарушении стабильности процесса; существенное влияние неоднородности строения и состава обрабатываемых деталей на качество получаемой поверхности; недостаточная универсальность применяемых электролитов по отношению к различным металлам и сплавам.  

Рисунок. 4 Принципиальная схема электрохимической обработки

 

На рис. 4 показана принципиальная схема электрохимической обработки в стационарном электролите для наиболее типичной операции — электролитического шлифования или полирования. Прохождение электрического тока через электролит 3 и электроды 8 и 5 (рис. 2) сопровождается растворением поверхности анода 5 в электролите 3 и образованием продуктов растворения 6, которые задерживаясь в углублениях шероховатой поверхности, изолируют последние от проходящего тока, сосредотачивая его силовые линии 7 на незащищенных выступах поверхности анода.

 

 

Рисунок 5. Схема ЭХО в стационарном электролите.

1 – источник тока; 2 – делитель напряжения;

3- электролит; 4 – ванна; 5 – обрабат. деталь – анод; 6 – пленка продуктов растворения  во впадинах шероховатостей; 7 – силовые линии тока; 8 – катод.

Выступы растворяются значительно  быстрее впадин и поверхность  сглаживается.

Рисунок. 6. Принципиальная схема электрохимической обработки в проточном электролите - копирования профиля (а) и воспроизведение профиля катода в аноде (прошивание) путем электрохимической обработки в проточном электролите (б)  

 

На рис.6 показаны принципиальные схемы электрохимической отработки в проточном электролите. Прохождение тока между катодом-инструментом 3 и анодом-заготовкой 1 в присутствии потока электролита 2 сопровождается растворением поверхности анода и воспроизведением на ней профиля катода-инструмента в виде углубления 4 негативной формы. 

 

 

 

3.Физико-химическая сущность метода электрохимической обработки

 

Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) основана на принципе локального анодного растворения металлической заготовки при высокой плотности постоянного тока в проточном электролите (Рис.1). Анодное растворение (формообразование) заготовки производится без контакта между электродами на некотором расстоянии друг от друга, т. е. межэлектродном зазоре (МЭЗ) путем воздействия электрического поля, конфигурация которого формируется электродом-инструментом.

Процесс подчиняется  законам электролиза и протекает  в небольшом от 0,01 до 0,3мм МЭЗ.

Явления, протекающие  в МЭЗ на границе металл-электролит, представляют собой совокупность взаимосвязанных  процессов физического, химического  и электрохимического характера. При  выключенном источнике постоянного  тока электроды в электролите находятся в равновесном состоянии (нейтральном). Для создания условий непрерывного растворения анода (заготовки), происходит смещение потенциала от равновесного значения за счет подключения внешнего источника тока. Чем оно больше, тем интенсивнее скорость электрохимического процесса и растворение анода.