Особенности установления электрогидродинамического режима, используемого для полирования металлов в электролитной плазме

электрофизические и электрохимические методы обработки

ЧЕТАППООЕ

деталей из латуни марки Л63 до и после обработки методом магнитной галтовки.

Анализ рис. 5 показывает, что наиболее эффективна обработка деталей при использовании СОТС составом № 1.

В статье предложено расположение постоянных магнитов относительно рабочего объема и относительно друг друга, повышающее эффективность использования рабочего объема и усиливающее воздействие потока галтовочного наполнителя на обрабатываемые изделия. Приведены результаты обработки магнитно-абразивной галтовкой латуни марки Л63 в различных СОТС.

Литература

1. Пат. РФ N° 97076. Устройство для магнитно-абразивной галтовки / В. А. Полетаев, Н. Л. Павлюкова, Л. К. Чернов. Опубл. в Б. И. N 24, 27.08.2010.

2. Пат. РФ N 111795. Устройство для магнитно-абразивной галтовки / В. А. Полетаев, Л. К. Чернов. Опубл. в Б. И. N 36, 27.12.2011.

3. Пат. РФ N 2261268. Смазочно-охлаждающая технологическая среда для обработки цветных металлов /Н. Л. Павлюкова, В. А. Полетаев, В. В. Марков. Опубл. в Б. И. N 27, 2005.

4. Пат. РФ N° 2441060. Смазочно-охлаждающая технологическая среда для обработки цветных металлов / В. А Полетаев, Н. Л. Павлюкова, Л. К. Чернов. Опубл. в Б. И. N 3, 2012.

УДК 621.365.9

Особенности установления

электрогидродинамического режима, используемого для полирования металлов в электролитной плазме

В. Н. Дураджи

В статье представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных в целях изучения режимов, устанавливающихся на активном электроде при прохождении электрического тока в системе металл—электролит. Показано, что с повышением напряжения на электродах электролитической ванны после режима нагрева устанавливаются электрогидродинамический режим и режим контактного электрического разряда, которые могут использоваться для полирования металлов.

Ключевые слова: плазма, разряд, свечение, тлеющий разряд, искровой разряд, коронный, анод, катод, пленочное кипение, пузырьковое кипение.

Как было показано в работе [1], анодный процесс в электролитах состоит из нескольких режимов. Первый режим процесса, наблюдаемый на активном электроде при прохождении электрического тока небольшой плотности в неподвижном электролите, представляет собой низковольтный электролиз с повышением напряжения на электродах электролитической ячейки до 60-70 В и плотности тока до 10-16 А/см2, при котором возникает

коммутационный режим, характеризуемый тем, что вокруг активного электрода периодически образуется парогазовая оболочка, приводящая к запиранию тока в течение 10-3-10-4 с. Третий режим процесса — режим нагрева в электролитной плазме — возникает при напряжениях свыше 80-90 В, когда образуется стационарная парогазовая оболочка вокруг активного электрода, плотность тока уменьшается до 0,8-1,5 А/см2, температура активного

№ 3(75)/2013

351

МЕТА^^РАШКА

МЕР

электрофизические и электрохимические методы обработки

электрода может изменяться от 400 до 1100 °С. Дальнейшее увеличение напряжения на электродах ячейки после установления режима нагрева приводит к росту интенсивности свечения электрических разрядов, толщины парогазовой оболочки, а на отдельных участках активного электрода даже к ее срыву и интенсивному перемещению электролита в виде струи вниз от нижнего конца активного электрода. При этом температура нагрева анода может становиться меньше 100 °С (рис. 1), величина электрического тока уменьшается в 2-2,5 раза, т. е. устанавливается четвертый режим анодного процесса, при котором существуют электрогидродинамические явления в электролите, и электрические разряды, протекающие в парогазовой оболочке, носят уже другой характер.

Исследование влияния температуры электролита на нагрев активного анода, погруженного в водный раствор серной кислоты при напряжении на электродах 140 В, показало, что в интервале температур раствора 25-63 °С активный электрод охлаждается от 750 до 400 °С. При этом среднее значение тока уменьшается, а толщина парогазовой оболочки возрастает от 0,007 до 0,025 см. При более высоких напряжениях (200-250 В) повышение температуры электролита приводит к переходу от режима нагрева к электрогидродинамическому режиму.

Явление охлаждения активного электрода при увеличении температуры электролита

Т, °С

1000 800

600 400 200

140 180 220 260 300 и, В

Рис. 1. Зависимость температуры нагрева активного электрода от напряжения: 1 — 30 %; 2 — 10 %; 3 — 5 % И2В04

или напряжения выше 270 В на электролитической ячейке можно объяснить лишь при исследовании поведения пленочного кипения в электрическом поле, характера и выхода продуктов электролиза, сопровождающего нагрев. На основании имеющихся данных по пленочному кипению [2, 3] для органических диэлектрических жидкостей можно предположить, что и в нашем случае электрическое поле значительно интенсифицирует теплообмен и обусловливает переход от пленочного кипения к пузырьковому, т. е. к срыву парогазовой оболочки. Переход от пленочного кипения к пузырьковому в зависимости от приложенного напряжения можно разбить на две стадии или два режима. В первой стадии (режиме) переход происходит в области напряжений 200-300 В. В этой стадии наблюдаются расширение области парогазовой оболочки, частичный срыв паровой пленки и сильная турбулизация жидкости вследствие электрической конвекции, что ведет к охлаждению анода до 100 °С. Кроме того, не исключено, что усиление турбулизации жидкости может быть вызвано аномальным электролизом, когда газ, выделяющийся на аноде наряду с кислородом, содержит значительное количество водорода из-за разложения паров в зоне электрических разрядов. Аномальный электролиз особенно интенсивно протекает при высоком градиенте потенциала и низкой плотности тока [4, 5]. Эти явления можно выделить в отдельный электрогидродинамический режим анодного процесса. При дальнейшем повышении напряжения (свыше 300-350 В) парогазовая оболочка, разделяющая металлический анод от электролита, изменяет свою структуру, она становится близкой к пузырьковому кипению. Стационарное свечение приэлектродной зоны прекращается, и между анодом и электролитом электрические разряды переходят в многоканальный контактный разряд, сопровождающийся интенсивным пузырьковым кипением, бурлением раствора с сильным разбрызгиванием электризованных микрокапель, особенно на поверхности электролита. Эту стадию перехода можно рассматривать как пятый режим анодного процесса — режим контактного разряда. Протекающий электрический ток в этом режиме, как и в предыдущих режимах, имеет

№ 3 (75)/2013

2

140 180 220 260 300 и,

Рис. 2. Осциллограммы (1 — тока, 2 — напряжения) электрогидродинамического режима (а) и режима контактного разряда (б); раствор — 30 % И2804

как постоянную, так и переменную высокочастотную составляющие (рис. 2). Постоянная составляющая электрического тока связана с электронно-ионной проводимостью парогазовой оболочки, а переменная — с контактными электрическими разрядами. В работе [6] также высказывается предположение о том, что после электродинамического режима наступает пятый режим — электролитно-разрядный. Однако, на наш взгляд, этот термин не совсем удачный, так как в каждом предыдущем режиме есть электролит и протекают электрические разряды.

Следует отметить тот факт, что электрогидродинамический режим не обязательно должен наступать с увеличением напряжения после режима нагрева. В ряде водных растворов он наступает сразу после коммутационного режима.

Одной из основных характеристик анодного процесса является зависимость температуры нагрева активного электрода от напряжения, которую можно исследовать несколькими способами. Зависимость температуры нагрева от напряжения при увеличении его со скоростью 7-9 В/с для всех исследуемых электролитов имеет одинаковый вид, и ее можно разделить на три участка: первый характеризуется резким увеличением температуры после установления устойчивой парогазовой оболочки у активного электрода, на втором температура с увеличением напряжения изменяется

медленно и на третьем наблюдается резкий спад температуры. Наиболее ярко эта особенность проявляется для 30%-ного раствора серной кислоты (рис. 1). Большую роль при этом играет удельная электропроводность раствора. Ее уменьшение приводит к увеличению напряжения, необходимого для установления режима нагрева (таблица). Поэтому в целях снижения энергетических затрат при полировании деталей в электролитной плазме необходимо использовать электролиты с наибольшей электропроводностью.

По этой причине для 5%-ного и 10%-ного растворов серной кислоты при увеличении напряжения до 320 В не были достигнуты максимальные значения температуры и условия, при которых наступают рост и срыв парогазовой оболочки с отдельных участков поверхности активного электрода с соответствующим уменьшением его температуры. Следует отметить, что значение температуры при увеличении напряжения с определенной скоростью вначале несколько занижено, потому что, как было показано в работе [1], для достижения максимального значения при заданном напряжении необходимо 4-5 с даже для цилиндрических электродов небольшого диаметра. Такой метод установления температуры позволяет регулировать ее значение в широком интервале напряжений.

Включение электролитической ячейки при заранее установленном напряжении приводит

№ 3 (75)/2013

МЕТ^^^БРАБОТКА

электрофизические и электрохимические методы обработки

Влияние удельной электропроводности — ст, коэффициента поверхностного натяжения — стн и кинематической вязкости — V на установление режима нагрева и электрогидродинамического режима. Анод — сталь 40Х

Электролит ст, Ом 1-см 1 стн Н/м V-106, м2/с и, В иэ^ В

30 % Н2804 0,74 74,6 1,56 120 180

10 % Н2в04 0,39 73,4 1,05 130 260

5 % Н2Б04 0,2 73,2 0,985 230 -

20 % КН4С1 0,34 75,1 0,87 150 250

10 % ЫН4С1 0,178 74,6 0,895 160 290

20 % ЫаС1 0,196 75,8 1,2 180 220

5 % ЫаС1 0,067 73,95 0,94 200 -

15 % ЫаОН 0,35 80,8 2,06 - 140

5 % ЫаОН 0,197 74,6 1,14 - 170

2 % ЫаОН 0,1 73,8 0,98 180 200

П р и м е ч а н и е. Значения ст, стн и V взяты из работы [7].

к образованию устойчивой парогазовой оболочки с высокотемпературным нагревом в значительно меньшем интервале напряжений, чем при постепенном его повышении. Если для 30%-ного водного раствора серной кислоты при повышении напряжения на электродах от 120 до 280 В высокотемпературный нагрев существует, то в данном случае это осуществляется только до 170180 В, свыше 180 В высокотемпературный нагрев не устанавливается и наблюдается электрогидродинамический режим анодного процесса.

Установление электрогидродинамического режима исследовалось на вольфрамовых, молибденовых, стальных и алюминиевых электродах различного диаметра в водных растворах И2804, ИЖ>3, ЪТН4С1, №С1, №ОН, КОН и др. Проведенные исследования показали, что характер протекающих явлений и структура оболочки у активного электрода определяются составом электролита. В водных растворах кислот образуется стабильная парогазовая оболочка толщиной 0,2-0,4 мм, которая постоянно «вибрирует» и значительно отличается от оболочки, образующейся в режиме нагрева. Скоростная киносъемка приэлектродной области показывает, что существует слой, насыщенный мелкими пузырьками с различными зарядами. Отрицательно заряженные пузырьки притягиваются к активному электроду, а положительно заряженные отталкиваются

от него. Наличие электрических разрядов в парогазовой оболочке и электрически заряженных пузырьков приводит к протеканию электрогидродинамических эффектов, т. е. к интенсивному перемещению жидкости относительно активного электрода.

В случае использования раствора хлористого натрия или едкого натра с увеличением напряжения на электродах парогазовая оболочка, образующаяся вокруг активного электрода при установлении электрогидродинамического режима, увеличивается в течение 5-6 с, достигая нескольких сантиметров в диаметре и периодически «схлопываясь». При этом верхняя часть активного электрода контактирует с электролитом, а на нижней части сохраняется парогазовая оболочка. На осциллограммах тока наряду с высокочастотными колебаниями наблюдаются низкочастотные. Можно предположить, что в этом режиме в верхней части электрода протекает пузырьковое кипение и осуществляется мостиковое соприкосновение электролита с электродом, обусловливая появление низкочастотных импульсов электрического тока. Высокочастотные импульсы тока можно отнести к существованию специфического тлеющего электрического разряда в парогазовой оболочке и искровых разрядов.

Напряжение установления электрогидродинамического режима определяется молекулярными свойствами водного раствора,

№ 3(75)/2013

электрофизические и электрохимические методы обработки

WflllOOK

причем чем больше коэффициент поверхностного натяжения и кинематическая вязкость, тем при меньших напряжениях устанавливается данный режим. Для таких электролитов, как КаОН и КОН, при концентрациях более 3 % электрогидродинамический режим наступает сразу после коммутационного, режим высокотемпературного нагрева отсутствует.

Статическое сопротивление электролитической ячейки после установления электрогидродинамического режима в 2-2,5 раза больше, чем при протекании режима нагрева. При этом плотность тока на активном электроде составляет 0,4-0,6 А/см2, минимальная температура активного электрода не менее 8090 °С.

Исследования, проведенные для 30%-ного водного раствора серной кислоты и 20%-ного раствора хлористого натрия, показали, что с увеличением глубины погружения анода от 2 до 40 мм необходимое напряжение, при котором наступает электрогидродинамический режим, увеличивается на 10-20 В, а время установления его возрастает от 0,004 до 0,16 с. С увеличением диаметра активного электрода значение напряжения установления этого режима повышается. При этом с ростом диаметра электрода и напряжения увеличивается переменная составляющая электрического тока.

Таким образом, установление электрогидродинамического режима на активном электроде при анодном процессе, так же как и нагрева, обусловлено молекулярными свойствами электролита, т. е. коэффициентом

поверхностного натяжения, кинематической вязкостью и электропроводностью раствора.

Дальнейшее повышение напряжения на электролитической ванне после установления электрогидродинамического режима приводит к полному срыву парогазовой оболочки вокруг активного электрода, и электрические разряды между анодом и электролитом переходят в многокональный контактный разряд, сопровождающийся интенсивным пузырьковым кипением, т. е. устанавливается пятый режим анодного процесса.

Литература

1. Дураджи В. Н., Парсаданян А. С. Нагрев металлов в электролитной плазме. Кишинев: Штиинца, 1988.

2. Бабой Н. Ф., Болога М. К., Семенов К. Н. Воздействие электрических полей на теплообмен в жидкостях и газах // Электронная обработка материалов. 1965.№ 1. С. 57-71.

3. Бабой Н. Ф., Болога М. К., Клюканов А. А. Некоторые особенности процесса кипения в электрическом поле // Электронная обработка материалов. 1968. № 2. С. 57-70.

4. Palit S. R. Electrolysic incomstible with Faradaes law // Indian J. Phys. 1971. Vol. 45. P. 575-579.

5. Palit S. R. Liberation of Hydrogen and Oxygen together on the electrodes during electrolysis by electrode glow // Indian J. Phys. 1968. Vol. 42. P. 414-418.

6. Синькевич Ю. В., Янковский И. Н. Исследование механизма прохождения электрического тока через парогазовую оболочку при анодном процессе // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Донецк: ДонНТУ, 2011. С. 287-292.

7. Справочник химика / Под общ. ред. Б. В. Некрасова. Т. 3. М.: Химия, 1965. 559 с.

№ 3(75)/2013

39