Химическое и электрохимическое полирование

Химическое полирование

В процессе полирования рекомендуется перемешивать раствор или встряхивать детали в емкости. Это дает возможность устранять скопление пузырьков газов на отдельных участках деталей, так как пузырьки газов понижают качество полирования. Одним из главных преимуществ химического полирования является его простота. Для получения требуемого результата достаточно обрабатываемую деталь на несколько минут погрузить в соответствующий раствор, без применения электрического тока, без механического воздействия. Метод не требует сложного оборудования.

К недостаткам такого полирования относится сложность корректирования (поддержание точных соотношений всех элементов в растворе путем добавления израсходованного элемента) растворов и малый срок их службы. Применяемые растворы чрезвычайно опасны для здоровья человека, и в домашних условиях без соответствующей подготовки проводить такое полирование нельзя. Блеск поверхности получается меньше, чем при электрохимическом полировании. Химическому полированию подвергаются в основном латунные или алюминиевые детали сложной конфигурации и небольших размеров, которые не требуют зеркального блеска.

Электрохимическое полирование

Для осуществления электрохимического полирования обрабатываемую деталь, являющуюся анодом (т.е. электродом, соединенным с положительным полюсом источника тока), надо поместить в ванну с электролитом. Вторым электродом служат катоды, изготовленные из меди. На схеме показано протекание процесса электрохимического полирования. Благодаря специально подбираемому составу электролита и создаваемым условиям (образование пленки 2 повышенного сопротивления) растворение осуществляется неравномерно. В первую очередь растворяются наиболее выступающие точки 3 (выступы), вследствие чего шероховатость уменьшается, а затем исчезает, и поверхность детали становится гладкой и блестящей. Избирательное растворение торчащих элементов протекает с одновременным получением блеска.

Удаление крупных выступов 3 называется макро-полированием, а растворение микроскопически малых неровностей 4 — микро-полированием. Если макро- и микро-полирование протекает одновременно, то поверхность приобретает гладкость и блеск. В ряде случаев эти качества могут быть несвязанными друг с другом, т.е. блеск может достигаться без сглаживания, а сглаживание — без блеска.

В процессе электрохимического полирования на поверхности анода (полируемой детали) образуется окисная или гидроокисная пленка. Если эта пленка равномерно покрывает поверхность, то она создает условия, необходимые для протекания микро-полирования. Внешняя часть этой пленки непрерывно растворяется в электролите. Поэтому для успешного проведения процесса необходимо создания условий, в которых существовало бы равновесие между скоростями образования окисной пленки и скоростью ее химического растворения с тем, чтобы толщина пленки поддерживалась неизменной. Наличие пленки обусловливает возможность обмена электронами между полируемым металлом и ионами электролита без опасности местного разрушения металла агрессивным электролитом.

Макро-полирование также является процессом, зависящим от наличия прианодной пленки. Будучи более толстой в углублениях и более тонкой на выступах, эта пленка способствует их ускоренному растворению, так как на выступах создается более высокая плотность тока, а электрическое сопротивление над ними меньше, чем над углублениями.

Эффективность действия пленки увеличивается с повышением ее внутреннего сопротивления. Электролиты, содержащие соли слабодиссоциирующих кислот или комплексные соли, повышают сопротивление пленки.

Кроме действия прианодной пленки на течение процесса электрохимического полирования влияют и другие факторы, в частности механическое перемешивание электролита (или движение анода), благоприятствующие утончению пленки за счет ее растворения или уменьшения толщины диффузионного слоя. Электролиты некоторых составов функционируют нормально только при нагреве. Общим правилом является то, что повышение температуры снижает скорость нейтрализации и повышает скорость растворения прианодной пленки.

Существенными факторами, влияющими на течение процесса электрохимического полирования, являются также плотность тока и напряжение.

На рисунке показана типичная зависимость плотности тока от напряжения в ванне при электрохимическом полировании.

На участке АБ повышение плотности тока почти пропорционально увеличению напряжения. На участке БВ режим нестабилен, наблюдается колебание тока и напряжения. Предельный ток, соответствующий участку ВГ, характеризует процесс формирования на аноде пассивной пленки. При этом повышение напряжения в довольно широком интервале не сопровождается изменением плотности тока. По достижении напряжения, соответствующего точке поворота Г на кривой, начинается новый процесс — образование газообразного кислорода.

В зависимости от состава электролита и обрабатываемого металла полирование ведут при режимах соответствующих различным участкам кривой. Так, полирование меди в фосфорной кислоте ведут при режиме предельного тока, когда не происходит образования кислорода.

Рецепты ванн и режимы для химического и электрохимического полирования

Химическое полирование деталей из углеродистой стали. Химическое полирование деталей из углеродистой стали можно выполнять в различных растворах. Один из них (в вес. %): 15-25% ортофосфорной кислоты, 2-4% азотной кислоты, 2-5% соляной кислоты, 81-60% воды. Режим работы: рабочая температура 80° С, выдержка 1-10 мин. В данном растворе производят также полирование нержавеющей стали. Химическое полирование деталей из стали выполнят также в следующем растворе: 25 г щавелевой кислоты, 13 г пергидроли, 0,1 г серной кислоты, до 1 л воды. Режим работы: рабочая температура 20° С, выдержка 30-60 мин.

Химическое полирование деталей из нержавеющей стали. Химическое полирование деталей из нержавеющей стали марки Х18Н9Т выполняют в растворе следующего состава: 40 см3 азотной кислоты, 70 см3 соляной кислоты, 230 см3 серной кислоты, 10 г/л столярного клея, 6 г/л хлористого натрия, 6 г/л красителя кислотного черного. Режим работы: рабочая температура 65-70°С, выдержка 5-30 мин.

Химическое полирование деталей из алюминия и его сплавов. Для полирования мелких алюминиевых деталей используют следующий состав раствора: 60 см3 ортофосфорной кислоты, 200 см3 серной кислоты, 150 см3 азотной кислоты, 5 г мочевины. Режим работы: рабочая температура 100- 110° С, выдержка 15-20 с. Полирование деталей из алюминиево-магниевого сплава АМг производят в одном из растворов следующего состава: 500 или 300 см3 ортофосфорной кислоты, 300 или 450 см3 серной кислоты (аккумуляторной), 150 или 170 см3 азотной кислоты.

Химическое полирование деталей из меди и, ее сплавов. Химическое полирование деталей из меди и ее сплавов выполняют в следующем растворе: 800 см3 серной кислоты; 20 см3 азотной кислоты; 1 см3 соляной кислоты; 200 см3 пергидроли; 20-40 см3 хромового ангидрида. Режим работы: рабочая температура 20-40°С, выдержка до 1-2 мин. Может быть также использован раствор: 250-270 см3 серной кислоты, 250-270 см3 азотной кислоты, 10-12 см3 нитрита натрия. Режим работы: рабочая температура 30-40° С, выдержка 1-3 мин.

Химическое полирование деталей из никеля. Для химического полирования деталей из никеля используют раствор (в вес. %) 45-60% ортофосфорной кислоты, 15-25% серной кислоты, 8-15% азотной кислоты, 10-20% соды. Режим работы: рабочая температура 65-70° С, выдержка 0,5-1 мин.

Электролитическое полирование деталей из углеродистой стали. Наиболее популярным является так называемый универсальный электролит для полирования деталей из черных и цветных металлов. Его состав следующий (в вес. %): 65% ортофосфорной кислоты, 15% серной кислоты, 6% хромового ангидрида, 14% воды. Режим работы: рабочая температура 70-90° С, анодная плотность тока 40-80 а/дм2, напряжение 6-8 в, выдержка 5-10 мин.

Электролитическое полирование деталей из нержавеющей стали. Детали из нержавеющей стали (хромоникелевой и хромоникельмолибденовой) полируют в растворе (в вес. %): 65% ортофосфорной кислоты, 15% серной кислоты, 5% хромового ангидрида, 12% глицерина, 3% воды. Режим работы: рабочая температура 45-70°С, анодная плотность тока 6-7 а/дм2, напряжение 4,5-6в, выдержка 4- 30 мин (для штампованных деталей 4-6 мин, для деталей после сварки или термической обработки 10-12 мин, для литых отпескоструенных деталей из стали Х18Н9Т около 30 мин).

Электролитическое полирование деталей из алюминия и его сплавов. Для полирования деталей из алюминия и сплавов АМг и АМц хорошо зарекомендовал себя электролит, следующего состава (в вес. %): 65-70% ортофосфорной кислоты, 8-10% хромового ангидрида, 20-27% воды. Режим работы: рабочая температура 70-80° С, плотность тока в свежеприготовленном растворе 10-30 а/дм2, в растворе насыщенном солями 10-20 а/дм2. Выдержка 5 мин и более. Реверсирование при применении свежеприготовленного раствора tа-10 сек, tк — 2 сек; при применении раствора насыщенного солями, tа — 10 сек, tк — 5 сек. Для полирования деталей из дюралюминия Д16-Т рекомендуется следующий состав раствора (в вес. %): 40% серной кислоты, 45% ортофосфорной кислоты, 3% хромового ангидрида, 11% воды. Режим работы: рабочая температура 60-80° С, анодная плотность тока 30-40 а/дм2, напряжение 15-18 в, выдержка — несколько минут.

Электролитическое полирование деталей из никеля и никелевых покрытий. Для полирования деталей из никеля рекомендуется раствор: 1200 г/л серной кислоты, 120-150 г/л ортофосфорной кислоты, 15-20 г/л лимонной кислоты. Режим работы: рабочая температура 20-30° С, анодная плотность тока 30-50 а/дм2, выдержка до 1 мин. Для полирования применяют также 70%-ный раствор серной кислоты. Анодная плотность тока 40 а/дм2, температура 40°С, продолжительность процесса 30 сек.

Электролитическое полирование деталей из меди и ее сплавов. Для полирования этих деталей применяют следующий электролит: 1200 г/л ортофосфорной кислоты, 120 г/л хромового ангидрида. Режим работы: рабочая температура 20-30°С, анодная плотность тока 35-50 а/дм2, выдержка 0,5-2 мин. Применяют также однокомпонентный раствор ортофосфорной кислоты при температуре 18-25°С; анодная плотность тока для деталей из меди 1,6 а/дм2, для деталей из медных сплавов 0,8-1 а/дм2, выдержка 10-20 мин.

Литература:
Бартл Д. Мудрох О. Технология химической и электрохимической обработки поверхности металлов. — М., 1961.
Гарбер М.И. Декоративное шлифование и полирование. — М., 1964.
Жаке П. Электрохимическое и химическое полирование. — М., 1959
Масловский В.В. Дудко П.Д. Полирование металлов и сплавов. — М.,1974.
Пяндрина Т.Н. Электрохимическая обработка металлов. — М., 1961.
Тегарт А.С. Электролитическое и химическое полирование металлов. — М., 1957.
Щиголев П.В. Электрохимическое и химическое полирование металлов. — М., 1958.

При использовании материала этого сайта необходимо устанавливать активные ссылки, видимые для пользователей и поисковых роботов.

Источник

Электрохимическая полировка стали

Электрохимическая полировка – процедура обработки поверхности заготовки при помощи ее погружения в раствор кислоты под действием электрического тока. Она сглаживает поверхность детали и позволяет производить полирование металлов без использования лакокрасочных покрытий. В результате взаимодействия химических компонентов и электрических зарядов запускаются реакции, придающие изделию зеркальный блеск.

Описание метода

В основе процедуры электрохимического полирования лежит анодное растворение поверхности обрабатываемой заготовки. Во время этого процесса происходит быстрое растворение выступов на поверхности с шероховатым рельефом. Во впадинах детали происходит растворение в замедленном режиме. Шероховатая сторона становится гладкой из-за несбалансированной скорости растворения, что приводит к появлению дополнительного блеска.

Процесс электрохимической полировки детали происходит в несколько этапов:

1. Изготовление электролитических ванн, предназначенных для полирования поверхности изделия. В их состав входят универсальные электролиты: ортофосфорная кислота, серная кислота, хромовый ангидрид и вода. При полировке изделий, произведенных из нержавеющей стали, дополнительно используется глицерин. Создание ванн происходит при температуре до 90° C, анодной плотности тока до 80 а/дм 2 и напряжении до 8 В. Электролитические ванны, нагретые до высоких температур, представляют опасность для здоровья человека. При попадании растворов на кожные покровы высок риск образования химических ожогов.
2. Подготовка заготовки к обработке. Изделия не должны иметь на своей поверхности глубокие рисунки и крупные царапины, не подлежащие электрохимической полировке. Важно, чтобы деталь была произведена из мягких металлов. Данный параметр оказывает влияние на степень эффективно полирования. Чем тверже металл, тем труднее достичь однородной поверхности при сглаживании шероховатых сторон заготовки.
3. Взаимодействие детали с растворами электролитов. В этом случае металлическая заготовка выступает в качестве анода – электрода с положительным зарядом, а электролитическая ванна – в роли катода. Время выдержки изделия в растворе зависит от типа материала. Заготовки из алюминия выдерживаются в течение 2 – 3 мин, литые детали из нержавеющей стали – до 30 мин. В результате реакции осуществляется постепенное сглаживание шероховатостей из-за появления гидроксидной или оксидной пленки. Полирование происходит за счет обмена частиц между анодом и электролитом. После завершения электрохимической полировки поверхность заготовки становится однородной и приобретает зеркальный блеск.

Теоретически механизм электрохимической полировки объясняется гипотезой вязкой пленки. В соответствии с гипотезой, полирование детали осуществляется после образования поверхности анода в результате растворения частиц вязкой пленки, в состав которой входят продукты анодного растворения. Пленочная поверхность обладает высокими показателями сопротивления, толщина которой различается на впадинах и выступах заготовки. Из-за разницы величины сопротивления вязкой пленки и способности тока собираться на остриях, на разных участках изделия изменяется скорость растворения шероховатостей. В результате шероховатая сторона полностью сглаживается и приобретает однородную поверхность.

Электрохимическую полировку деталей возможно проводить в домашних условиях. Для этого необходимо приобрести оборудование с валом электромотора и кругами для шлифования или создать электролитическую ванну и изготовить химический раствор из соответствующих веществ.

Если деталь имеет множество больших дефектов, то перед началом электрохимической полировки она подвергается механической обработке при помощи шлифовальной машины с вращающимися кругами.

После завершения этого процесса заготовка помещается в щелочной раствор и подсоединяется к заряженному электроду. Процедура электрохимической полировки включает в себя макрополирование: растворение выступающих вершин большого размера, и микрополирование: сглаживание маленьких поверхностей изделия.

Процесс полировки может быть ускорен при следующих условиях:

• толщина обрабатываемой пленки одинакова на всей поверхности детали;
• перемешивание и повышение температуры электролитов;
• наличие комплексных солей или солей слабодиссоциирующих кислот в составе электролитов;
• увеличение значений напряжения и силы тока.

Эти факторы уменьшают величину поверхностного слоя заготовки, что позволяет производить процедуру полировки за меньший промежуток времени.

Оборудование и материалы

Для электрополировки металла необходимы источники постоянного тока с низкими показателями напряжения и инструменты, для настройки электрического режима. Электролитические ванны должны быть оборудованы нагревателями, поддерживающими температуру химического раствора. Они помещаются в прочную оболочку, располагающуюся на внутренней поверхности ванны, облицованной химическими и теплостойкими материалами.

Для соблюдения техники безопасности в лабораториях для облицовки внутренних конструкций электролитической ванны применяют стеклянные, фарфоровые и керамические материалы. В лабораторных условиях источником тока являются выпрямители, изготовленные из селена или германия. В зависимости от требуемого напряжения возможна установка нескольких выпрямителей.

Для полирования стальных заготовок требуется регулировочное оборудование. Для настройки величины тока в промышленных условиях применяют первичную обмотку трансформатора, соединенного с выпрямителями. С его помощью осуществляется бесступенчатое регулирование тока посредством изменения значений напряжения.

Электрохимическая полировка металлов проводится с применением электролитов, составленных на основе серной, фосфорной и хромовой кислот. Дополнительно добавляется глицерин, увеличивающий суммарную вязкость раствора. Смешивать все электролиты необходимо в правильной пропорции. В следующей таблице представлены соотношения кислот для полирования деталей, изготовленных из разных типов металлов:

Углеродистая сталь Нержавеющая сталь Алюминий Дюралюминий Ортофосфорная кислота 65% 65% 70% 45% Серная кислота 15% 15% – 40% Хромовый ангидрид 6% 6% 10% 3% Вода 14% 12% 30% 11% Глицерин – 12% – –

Большинство металлов полируется в фосфорносернохромовом электролите, удовлетворяющем следующим условиям:

• высокие показатели растворимости, что способствует лучшему сглаживанию поверхности полируемой детали;
• длительный срок эксплуатации раствора;
• универсальность электролита;
• безопасен для жизни и здоровья человека.

Важным показателем электролита является его температура. Чем выше этот показатель, тем интенсивнее происходит процесс полирования. Для всех электролитов предусмотрены пределы температур. Если резко понизить данный параметр во время проведения электрохимической полировки, то вязкая пленка уплотнится, что приведет замедлению растворения анодов. В результате полируемая поверхность изделия становится матовой и не приобретает зеркальный блеск.

На равномерность электрохимической полировки оказывает влияние дистанция между электродами в электролите. Оптимальное растворение происходит при расстоянии до 40 мм. При дальнейшем увеличении данного показателя удаляемый слой становится неравномерным. В итоге поверхность детали покрывается темным налетом и становится более хрупкой.

После завершения процесса электрохимической полировки требуются приспособления для очистки электролитической ванны и остального полировочного оборудования. Для этого используются растворители и щелочные средства. В их состав входят активные действующими веществами, очищающими поверхность инструментов полировки от различных видов грязи.

Область применения

Технологию электрохимического полирования активно применяют в промышленности: для обработки деталей арматуры, элементов карбюратора (клапанов для подачи топлива, выполненных из нержавейки), тонких лент, проволок и трубных механизмов. В результате полирования поверхность этих деталей приобретает устойчивость к коррозии и становится более гладкой.

Электрохимическое полирование алюминия и нержавеющей стали применяется в отраслях по производству строительных приспособлений, сверл и крепежных механизмов.

В нынешнее время эта технология активно используется для снятия дефектного слоя с режущих инструментов, использующихся для проделывания отверстий. Электрохимическое полирование вольфрама стало активно внедряться в производстве электронных ламп и электровакуумной техники.

Использование технологии электрохимической полировки практикуется при металлографических исследованиях для диагностики сталей. При помощи этой технологии выявляются трещины, флокены и иные несоответствия в структуре металлов. При обнаружении нарушений производится полировка, удаляющая самые тонкие деформации.

Преимущества и недостатки

Электрохимическая полировка обладает следующими достоинствами:

1. Она увеличивает прочность стали и препятствует появлению ржавчине на поверхности металла. Этот вид полировки облегчает процедуру вытяжки и штамповки.
2. Она способна смягчать поверхность сложных и утонченных деталей, имеющих дополнительные отверстия или полости с комплексных рисунком.
3. Электрохимическая полировка позволяет снизить время полирования поверхности заготовки.
4. Благодаря высокой производительности данного вида полирования, во время обработки металла не нарушаются основные конструкции изделия.
5. Ускоряет процедуру производства шлифов.

Несмотря на большое количество преимуществ, электрохимическая полировка обладает несколькими недостатками:

1. Сложность полирования, обусловленная необходимостью приготовления индивидуального раствора для обработки деталей из разных сталей и регулирования величины подаваемого тока.
2. В ней применяются элементы электрополирования, что приводит к повышенному расходу электроэнергии.
3. Электрохимическая полировка не способна выровнять поверхность заготовки с большими трещинами или впадинами.
4. Как при химполировке, человеку необходимо производить работу с ядовитыми веществами, наносящими вред организму.
5. Электрохимическая полировка не требует больших финансовых трат, в отличие от механического полирования, что обусловлено покупкой множества химических растворов и перманентной подачей электричества. Электролит обладает низким сроком эксплуатации, поэтому его необходимо периодически обновлять, что приводит к дополнительных денежным расходам.

Чтобы эффективно использовать технологию электрохимической полировки, нужно соблюдать технику безопасности: работать в спецодежде, правильно настраивать техническое оборудование и осуществлять полировку только с исправными приборами.

Источник