Электрохимическая обработка материалов, ее характеристика

При электрохимической  обработке растворение анода  происходит за счет его окисления  и перехода в ионное состояние  с образованием гидратов окислов  металлов, которые удаляются потоком  электролита. На катоде происходит процесс восстановления с выделением газообразного водорода.

Упрощенную схему анодного растворения в общем виде можно  представить следующим образом.

Процесс происходит в  среде электролита. Электролиты - это  водные растворы кислот, щелочей и  солей, обладающих ионной проводимостью. Чаще всего используются электролиты на основе нейтральных солей, таких как NaNO3, Na2SO4, NaСl, NaClO4, KNO3 и др., так как они более безопасны и менее агрессивны чем растворы кислот и щелочей.

 

Рисунок.7 Электрохимическая размерная обработка

 

При растворении в  воде, например, азотнокислого натрия NaNO3 происходит диссоциация на катионы Na+ и анионы NO3-, которые обладают ионной проводимостью. При подключении  источника постоянного тока в  электрическую цепь (источник постоянного тока – электрод – электролит – второй электрод) происходит отвод электронов с поверхности положительного электрода (анода), устраняются электрические силы, удерживающие ионы металла, которые начинают переходить в раствор. Для железа можно записать

Fe - 2e  Fe+2.

Образующийся ион железа связывается  с гидроксид-ионом (OH)-, образуя гидрат закиси железа Fe(OH)2, затем кислородом окружающей среды происходит дальнейшее окисление двухвалентного железа до трехвалентного с образованием гидрата  окиси железа Fe(OH)3, который не растворяется в воде и выпадает в осадок, называемый шламом.

Fe+2 + 2OH-  Fe(OH)2

4Fe(OH)2 + O2 + 2Н2О  4Fe(OH)3

На катоде происходит выделение  водорода, образовавшегося в результате электролиза воды

Н2О + е  Н(г) + ОН-

Молекулы воды разряжаются на катоде, образуя атомы водорода, которые в виде газа уходят из раствора

Н + Н  Н2

Кроме основных реакций при определенных условиях на аноде может выделяться газообразный кислород.

2ОН - 2е  Н2О + 1/2О2 

В процессах ЭХРО электролит, протекающий через МЭЗ, уносит гидроокислы  металлов Ме(ОН)n, которые образуются при поступлении в раствор  ионов Ме+n с поверхности растворяемого  анода и накоплении в растворе ионов ОН- за счет разряда молекул  Н2О.

Для каждого из металлов выпадение осадка гидроксида Ме(ОН)n происходит при определенных значении активности ионов Ме+n и ОН- в электролите.

Количество превращенных веществ при электролизе определяется законом Фарадея

mр = Э I t, где

mр – теоретически  рассчитанная масса выхода продуктов  реакции

Э - электрохимический  эквивалент (определяется для каждого  металла и опубликован в справочниках).

I – сила тока проходящего через электроды.

t – время прохождения  тока.

Электрическая энергия  расходуется не только на растворение, но и на побочные реакции. Например, на нагрев электролита, на электрическое  сопротивление токоподводов и т.д. Поэтому фактическое растворение анода определяется коэффициентом выхода по току.

A = mф : mр 100%

mф- фактический выход  вещества в реакции

mр – теоретический  выход вещества в реакции

Скорость электродного процесса определяется скоростью наиболее замедленной стадией процесса, вызывающей электродную поляризацию. Поляризация – отклонение потенциала электрода от его равновесного значения при прохождении тока через этот электрод. В зависимости от потенциала поляризации металла, а также ряда других параметров процесса, возможны различные механизмы растворения металла. Электродная поляризация может достигать больших значений за счет анодной пассивации металла. Переход металла в пассивное состояние определяется как явление, которое характеризуется резким торможением процесса анодного окисления.

 

Натрий азотнокислый представляет собой белый порошок, допускается иногда с сероватым  или желтоватым оттенком; гигроскопичен, хорошо растворим в воде. Для приготовления  электролита лучше использовать натрий азотнокислый технический, выпускаемый по ГОСТ 828-77.

Для электрохимической  обработки стальных деталей применяется 15-18%-ный раствор натрия азотнокислого NaNO3.

Образующийся при ЭХРО шлам с увеличением его концентрации в электролите изменяет его вязкость и электропроводность, влияющие на качественные показатели процесса, поэтому требует периодической его замены. На основе опыта эксплуатации станков для ЭХРО пригодность электролита для продолжения работы определяется следующим образом: если в емкости с электролитом шлам занимает 2/3 его объема после отстоя в течение 24 часов, то необходима его замена или очистка от шлама. Шлам из электролита может удаляться с использованием центрифуг или пресс-фильтров.

Очищенный электролит можно  использовать, проведя его корректировку  до необходимой концентрации. Если такой возможности очистки электролита нет, особенно при его малых объемах, то возможен слив электролита в гальванические стоки предприятия, подвергающиеся нейтрализации и очистке.

 

 

 

4. Основные операции, выполняемые электрохимическим способом

4.1. Очистка поверхности металлов анодным травлением от окислов, ржавчины, жировых пленок и других загрязнении.

 

При анодном растворении  поверхности изделия вместе с  металлом удаляются все загрязнения  на ней (окислы, ржавчина, жировые пленки). Очищенная поверхность обычно шероховата. Электролит — растворы кислот или солей. Операция применима для различных металлов и сплавов.

 

4.2. Заострение и затачивание режущего инструмента; изготовление игл из цилиндрических прутков.

 

Создавая на режущем  лезвии или острие повышенную плотность тока и соответственно располагая это лезвие относительно катода, (рис. 8) значительно интенсифицируют анодное растворение этих участков, утончая и заостряя их. Характер заострения зависит от первоначального угла заточки и расположения изделия относительно катодов. Электролитом служат растворы кислот.

Рис. 8. Принципиальная схема обработки в стационарном электролите электрохимического заострения: 1 — ванна; 2 — электролит; 3 — катод; 4 — механизм подачи; 5 — подвод тока; 6 — заостряемый стержень 

 

4.3. Катодное снятие окалины с поверхности стальных изделий в расплавах солей.

 Металлический натрий, выделяющийся на поверхности  катода при электролизе расплавленных  натриевых солей, восстанавливает  окислы железа (окалину) до чистого  металла . Электролит — расплав едкого натра. Операция применима для черных металлов и сплавов. Размеры изделия обычно не изменяются.

 

4.4. Глянцевание и полирование металлических поверхностей.

 

При анодном растворении  металла в соответствующем электролите;на поверхности полируемой детали образуется вязкая пленка солей защищающая микровпадины от действия тока и не препятствующая растворению выступов (гребешков), в результате чего поверхность сглаживается (полируется) (рис. 9) . Электрополирование имеет многообразное применение. Наилучшее качество поверхности достигается при электрополировании чистых и однородных металлов и сплавов.

Рис. 9. Принципиальная схема обработки погружением в растворы:

1 — изолирующий корпус (кожух); 2 — выход охлаждающей  (взгревающей) жидкости; 3 — внутренняя ванна (облицовка); 4 — нагреватели (электроспираль, трубчатый змеевик); 5 — отсос паров к газов; 6 — подача воздуха; 7 — электроды; 8 — заготовка; 9 — вход охлаждающей (нагревающей) жидкости; 10 — выход перемешивающего газа (воздуха); 11 — рабочая жидкость (электролит)  

 

4.5. Гравирование и маркирование по металлам.

 

 Анодное растворение  поверхности изделия происходит  лишь на участках, где отсутствует  изолирующий (лаковый, восковой) слой и обнажен металл. В результате  на поверхности воспроизводится углубленный рисунок, прорезанный в изолирующем слое. Электролит — растворы солей (рис. 10).

Рис. 10. Электрохимическое профилирование:

1 - катод; 2 - анод-изделие

 

4.6. Изготовление листового металла малой толщины.

 

Контролируя по времени и току процесс анодного растворения листового металла, доводят толщину последнего до нескольких микронов. Электролит — растворы кислот. Операция применяется для чистых однородных металлов.

 

4.7. Электрохимическое прошивание отверстий проводится по принципиальным схемам.

 

В зависимости от формы  и размера отверстий несколько  различаются типы инструмента и  характер подач (рис. 11). Отверстия круглой формы можно получать как при использовании неподвижного инструмента (имеющего только движение подачи), так и вращающегося. Вращение повышает точность обработки и улучшает условия подачи электролита.

Рис. 11. Принципиальные схемы электрохимического прошивания отверстий в проточном электролите (а, в, г, д — инструменты с различной шириной рабочего торцового пояска; б — обработка трепанирующим инструментом):

1 — заготовка-анод; 2 — инструмент-катод; 3 — изоляция; 4 — подача электрода и электролита; 5 — зазор

На схемах рис. 9 показаны некоторые варианты конструкций  трубчатых инструментов для электрохимического прошивания круглых отверстий. Отмечается, что наилучшие результаты получены при использовании инструмента с цилиндрическим пояском (рис. 9, а) — с увеличением ширины пояска боковой зазор 6 и чистота боковых поверхностей возрастают, но увеличивается конусность отверстия. Оптимальное значение ширины пояска составляет 1—1,2 мм Da = 150 а/см², магнитный сплав ЮНД-4, подача инструмента 2,5 мм/мин.

При обработке некруглых  отверстий применяются невращающийся  инструменты, точно воспроизводящие  форму отверстия, но по размерам уменьшенные на величину двойного бокового зазора (5). Величина 5 колеблется в зависимости от конкретных условий.

Прямоугольное отверстие  и инструмент для этого, показанные на рис. 10, соответствуют случаю прошивания отверстия в стали 38ХМЮА при подаче 1 мм/мин и d = 0,375 мм.

Для предотвращения потерь энергии и обеспечения заданной точности боковые поверхности трубчатых  инструментов-катодов при электрохимическом  прощивании изолируются непроводящими  покрытиями. В качестве покрытий применяются  эмали, лаки, смолы, пластмассы. Практически рекомендуются стиракрил, композиции типа АСТ-Т, эпоксидные композиции.

 

4.8. Электрохимическая обработка поверхностей вращения,

 

производящаяся конформным электродом-инструментом, но без физического  контакта с обрабатываемой поверхностью осуществляется по различным схемам рис. 12, характеризующимся наличием относительного перемещения заготовки и катода и прокачкой электролита в зазоре между ними. Чаще вращательное движение сообщается заготовке.

Рис. 12. Электрохимическая обработка тел вращения по различным схемам:

а, б — обточка с  продольной подачей коническим и  цилиндрическим инструментом; в, ж — обточка с поперечной подачей; д, е — расточка с продольной подачей; г — расточка с поперечной подачей; 1 — деталь; 2 — инструмент 

 

Плотность тока при рассматриваемой операции можно доводить до 100 а!см², получая точность обработки 0,01 - 0,05 мм .

 

4.9. Электрохимическое разрезание заготовок или деталей

 

 проводится по принципиальной  схеме рис. 13, причем инструмент — тонкий металлический диск — не имеет физического контакта с разрезаемой поверхностью, а находится от нее на расстоянии бокового зазора 6, заполненного движущимся электролитом.

 

Рис. 13. Обработка тонким диском (а, б, в, г различные варианты расположения):1 — вращающийся диск; 2 — обрабатываемая заготовка; 3 — направление подачи; 4 — зазор 

 

При электрохимическом  разрезании на станке ЭЗ-23 магнитных  и твердых сплавов и скорости диска Vp = 40 м/сек достигается производительность соответственно 3 и 1 мм/мин. Износ диска отсутствует.

 

 

5. Преимущества электрохимической обработки

 

• отсутствие износа электрода - инструмента;
• не зависят от физико-механических свойств обрабатываемых материалов;
• электрохимическая обработка является финишной операцией при обработке закаленных или термообработанных до требуемой твердости сталей и сплавов и не требует последующей механической и термической обработки;
• отсутствие изменения структуры поверхностного слоя;
• отсутствие температурного воздействия на обрабатываемую поверхность, что позволяет сохранить исходную структуру обрабатываемого материала и его фазовый состав;
• отсутствие механического контакта инструмента с заготовкой исключает деформацию обрабатываемого материала и позволяет производить обработку с высокой производительностью и точностью деталей точных механизмов и приборов из высокопрочных сталей и сплавов, малогабаритных деталей где требуется высокая точность и качество обработанной поверхности;
• отсутствие заусенцев на обработанной поверхности детали;
• в отличие от механических способов обработки металлов и сплавов (резание, фрезерование, шлифование) электрод-инструменты могут быть изготовлены из любых токопроводящих материалов, имеющих невысокие физико-механические свойства (медь, бронза и другие материалы), в том числе, полученные методом гальванопластики;
• электрохимическая;
• метод электрохимической обработки обеспечивает в десятки раз большую производительность, чем электроэрозионная обработка, при более высоких показателях по точности.
• Обработка осуществляется на низких (менее 12В) напряжениях с использованием водных электролитов (водных растворов нейтральных минеральных солей малой концентрации), что позволяет повысить электробезопасность труда операторов и исключить возможность возникновения пожара в зоне обработки.