Электрохимические методы обработки материалов

1) Содержащиеся в водном растворе  электролита анионы (« — »   —  заряженные ионы) и катионы  («+»  —  заряженные ионы) должны хорошо диссоциировать (разъединяться) при любых комбинациях.

2) Потенциал материала электрода  — инструмента был более положительным, чем потенциал осаждения катионов. Это препятствует осаждению металлических катионов на электрод- инструмент.

Данное условие выполняется, если катионы электролита обладают большим отрицательным стандартным потенциалом.*

(* это потенциал, измеренный  относительно нормального водородного  электрода, на поверхности которого  в стандартных условиях протекает  обратимая реакция  e).

3) Наличие в электролите  активирующих анионов, разрушающих под действием тока поверхностные оксидные пленки. Это обеспечивает преимущественное протекание на аноде реакции растворения и высокую производительность.

4) Необходимо, чтобы сродство компонентов обрабатываемого сплава к анионам электролита и их сродство к кислороду были близки между собой. Это обеспечивает избирательность растворения сплава, высокое качество поверхности и точность обработки.

5) Соответствие концентрации  анионов, имеющих близкое сродство к тому или иному компоненту обрабатываемого сплава, содержанию этого компонента в сплаве. Это позволяет достичь равномерного анодного растворения всей поверхности заготовки.

6) Обеспечение в ходе  реакций в электролите перехода  продуктов реакции анодного растворения в нерастворимое состояние. Это дает возможность постоянно удалять продукты обработки из раствора (например, отстоем, фильтрованием, центрифугированием) и поддерживать требуемый состав электролита.

7) Необходимо, чтобы электролит обладал невысокой вязкостью для облегчения прокачки и ускорения процессов тепло – и массопереноса в зазоре.

8) Электролит должен  обладать невысокой коррозионной  активностью к оборудованию, быть  безвредным для здоровья, пожаро-и взрывобезопасным.

В качестве электролитов наиболее часто используют растворы неорганических солей: хлориды (калия хлорид); нитраты (азотнокислые соли, производные азотной кислоты – HNO₃ (калийная селитра KNO₃); сульфаты натрия и калия – соли серной кислоты.

В растворы могут вводиться добавки:

 —  буферные  вещества для снижения защелачивания  электролита (борная, лимонная, соляная кислоты);

 —  ингибиторы (от  латинского – удерживаю) коррозии (нитрит натрия); производные азотистой кислоты – HNO₂;

 —  активирующие  вещества, которые снижают пассивирующее действие оксидной  пленки;

 —  поверхностно  — активные вещества для снижения  гидравлических потерь и устранения кавитации (моющая жидкость ОП — 7);

 —  коагуляторы – ускорители  осаждения продуктов обработки (1…5 г/л полиакриламида).

Чаще используются следующие электролиты: 8…18% растворы хлорида натрия (NaCl) и 15…20% растворы нитрата натрия (Na₂SO₄).

Для каждого электролита удельная проводимость может быть самой различной  в зависимости от его состава, концентрации, температуры.

Для хлорида натрия наибольшая удельная проводимость при концентрации – 250 г/л, а для нитрата натрия – 210 г/л.

С увеличением концентрации электролита  удельная проводимость растет, достигает максимума, а затем снижается, так как сильнее проявляется взаимное притяжение ионов, которое снижает их подвижность и возможность переноса зарядов.

 

С повышением температуры возрастает подвижность ионов и растет удельная проводимость

 

         ,   1/ом∙см          (3.1)

 

где —  удельная электропроводность электролита при 18^°С, 1/ом∙см;

 

        — температурный коэффициент сопротивления ( =0,0225);

     Т – фактическая температура электролита, °С.

В процессе ЭХО раствор необходимо подкислять до получения нейтрального состояния. Температура в помещении должна быть постоянной.

                

Гидродинамические процессы в межэлектродном промежутке

 

В результате реакции  на обрабатываемой поверхности заготовки образуются продукты обработки, в том числе нерастворимые гидроксиды. Их концентрация в районе протекания анодного растворения в начальный момент превышает концентрацию в электролите. Количество продуктов будет зависеть от скорости анодного растворения.

 

                                                     (3.10)

Если электролит протекает  со скоростью ниже некоторого критического значения (менее 1…2 м/с), то он не успевает вынести из зазора все продукты обработки  и скорость анодного растворения через некоторое время после начала процесса снижается.

Поэтому в каждый момент времени требуется обеспечить условие 

       (3.12)

Превышение скорости выноса частиц ( ) над скоростью их образования должно быть незначительным, иначе неоправданно увеличится мощность насосов для перекачки электролита.

Для каждого режима обработки  должна быть своя скорость потока. Скорость растворения металла на разных участках различна, поэтому расчет ведут по максимальной скорости. Для нее определяют скорость электролита и находят требуемые напор и подачу насоса.

Средняя скорость электролита  может изменяться в широких пределах ( =5…40 м/с).

При таких скоростях критерий Рейнольдса Re может быть больше критического значения (Re 2300). Тогда поток жидкости будет турбулентным и рассчитанные скорости течения будут несколько завышенными.

Если длина участка по направлению  потока электролита достаточно велика, то необходимо, чтобы температура электролита в зазоре оставалась постоянной. Это позволяет поддерживать расчетную удельную проводимость, определяющую точность обработки и другие технологические показатели процесса.

Вся теплота при анодном растворении  заготовки переходит в раствор, а нагрев за счет гидравлических потерь пренебрежимо мало. Тогда можно приравнять количество теплоты, выделившейся по закону Джоуля – Ленца при прохождении тока, количеству теплоты, перешедшей в электролит

                    

                         I ,   Дж                  (3.13)

где С – удельная теплоемкость электролита, Дж/кг ;

      m_t – массовый расход электролита через зазор, кг;

         — разность температур электролита на выходе из зазора и на входе в него, град.

Силу тока I в левой части уравнения (3.13) запишем через его плотность j и площадь S обрабатываемой поверхности заготовки. В свою очередь S= , см² .

где В – ширина межэлектродного промежутка, см;

         — длина рабочей части электрода-инструмента, см.

В правой части уравнения массовый расход выразим через объемный: 

                                m_t=V_t ,  г/с

где   — средняя плотность электролита, г/см³.

      V_t – объемный расход электролита, см³/с.

Величина V_t представляет произведение скорости электролита на площадь сечения зазора S^I.

                                 S^I= S^II,   см²

где S^II – межэлектродный зазор, см.

Тогда уравнение (3.13) может быть представлено в виде:

      V_t    (3.14)          (3.14)

     

Напряжение U запишем через плотность тока по уравнению (3.8) U=j  

или j=U , тогда

Отсюда скорость электролита равна:

 

                              ,  см/с        (3.15)

Если инструменту придают вращательное движение, как при разрезании диском, точении, шлифовании, то электролит подают поливом. Он приобретает необходимую скорость за счет контакта частиц жидкости с вращающимся инструментом

                    _,    см/с.

где =0,18…0,5 – коэффициент, характеризующий отставание частиц жидкости от инструмента;

     Д – диаметр инструмента,  см;

      n – частота вращения инструмента, с ^{— 1}.

По скорости электролита определяют характеристику насоса.

                               

Напряжение

 

При прохождении тока через токоведущие шины, электрод — инструмент, зазор и заготовку  происходят потери

                              B                                                                              

где – напряжение, используемое на анодное растворение металла заготовки (расчетное напряжение), B;

     – потери напряжения в зажимах и токоведущих шинах, В;

     – потери напряжения в двойном электролитическом слое – эти потери представляют собой разность потенциалов анода и катода, В;

     – потери напряжения при прохождении тока через заготовку, В.

Потери  удается снизить до долей процента и их, как правило, в расчетах не  учитываются.

Потери  принимают во внимание для деталей больших размеров (лопатки энергетических турбин L >1000 мм и сечения профиля не более 200…250 мм²). =4…5В и их следует учитывать в расчетах.

                                      

Где – напряжение на зажимах источника питания, В.

Потери  зависят от режима работы, состава металла заготовки и состава электролита, напряжения и др. факторов. ( =2…5 В). Нижний предел в расчетах ограничивают значением, 5 В.

Для того, чтобы процесс анодного растворения шел интенсивно, необходимо повысить напряжение на электродах по сравнению с потенциалом разложения электролита. (φ_a-φ_к).

Однако при >15…18 В начинают возрастать потери в приэлектродных слоях – подводимая мощность растет быстрее, чем полезная.

При напряжении свыше 30 В могут  возникнуть пробои межэлектродного промежутка.

Для большинства схем обработки  используют диапазон напряжений 9…18 В.

Для титановых сплавов —  =25…30 В, при разрезке материалов тоже 25…30 В, а при шлифовании — 6…8 В.

                  Электрохимическое формообразование

 

2.1.Копирование электрода — инструмента  на заготовке

Точность копирования электрода  — инструмента на заготовке зависит от скорости растворения участков заготовки, отстоящих на различных расстояниях от электрода — инструмента.

 

                          

 

Рисунок 3.9 —  Схема  получения углубления при ЭХО

1 — электрод — инструмент; 2 — заготовка.

 

В начале процесса граница  заготовки занимает положение I — I. На расстоянии S₁ от нее расположен выступ ab электрода — инструмента, который перемещается к заготовке с такой скоростью , чтобы сохранялся постоянный зазор S₁.

Через межэлектродный промежуток прокачивают электролит со скоростью .

Если приближенно принять  выход по току, удельную проводимость электролита и напряжение одинаковыми по всей длине зазора, то скорость анодного растворения материала под участками ав и сд согласно зависимости (3.10):

 

 

,    

                  

Введем обозначение  , тогда скорость анодного растворения на участках ab и cd будет зависеть только от размеров межэлектродных зазоров между начальной границей заготовки и соответствующей поверхностью электрода — инструмента:

                                         (3.16)

Как видно из рисунка 3.9 в начальный  момент обработки зазор , следовательно, скорость растворения на участке ав будет больше, чем на участке cd в раз

                                                       (3.17)

По мере растворения металла  заготовки и перемещения электрода — инструмента зазор уменьшается, но остается справедливым условие , т.е. съем металла под выступом идет быстрее.

Через некоторое время в плоской  заготовке будет получено углубление с границей II —II. Форма электрода-нструмента отобразилась на аноде, и достигнута размерная обработка.

То есть формообразование поверхности  происходит по методу отражения (копирования).

 

2.2  Межэлектродный  зазор

 

Как следует из уравнения (3.16) скорость анодного растворения и точность обработки тем выше, чем меньше межэлектродный зазор. Однако с уменьшением зазора усложняется процесс его регулирования, возрастает сопротивление прокачке электролита, может произойти пробой. Из-за увеличения газонаполнения при малых зазорах снижается скорость анодного растворения.