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.

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.