СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ИМПУЛЬСАМИ ТОКА
METHOD OF ELECTROCHEMICAL POLISHING OF METALS AND ALLOYS BY CURRENT IMPULSES

Изобретение относится к области электрохимических методов обработки поверхностей, а именно к способам электрохимического полирования сложнопрофилированных поверхностей.
Известен способ электрохимического полирования металлов и сплавов при использовании постоянного тока в растворах кислот с различными добавками [Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика. Л.: Машиностроение, 1987. - 232 с.].
Недостатками известного способа являются:
- невысокая эффективность обработки (отношение скорости сглаживания высоты микронеровностей поверхности к скорости съема металла);
- необходимость в большинстве случаев использования электролитов при повышенных температурах (60-80°С).
3
4
2
4
2
аср
и
эл
аср
и
эл
2
-3
2
-3 с
Известен способ импульсного электрохимического полирования поверхности сталей 40X13 и 60Г в электролите 45% НPO+41% HSO+14% НO при следующих параметрах обработки: для стали 40X13: i=50 А/дм; t=2·10с; q=1,17-2; t=20°С; для стали 60Г: i=100 А/дм; t=3·10; q=1,17-2; t=80°С; продолжительность обработки 5-7 минут [Галанин С.И. Электрохимическая обработка металлов и сплавов микросекундными импульсами тока: Монография. - Кострома: КГТУ, 2001. - с.110].
-3
2
Известен способ электрохимического полирования серебра и его сплавов импульсным током в водном растворе тиосульфата натрия концентрацией (600-1300) г/л при 14-20°С импульсным униполярным током прямоугольной формы в течение 5-8 мин при следующих параметрах импульсов: длительность (2-5)·10 с, скважность 1,25-3, амплитудная плотность тока (8-12) А/см [Галанин С.И., Гришина Е.П., Иванова О.А. Способ электрохимического полирования серебра и его сплавов импульсным током. RU №2227818 от 27.04.2004 г.].
Недостатком известных способов является трудность назначения оптимальных параметров импульсов технологического тока в конкретных случаях обработки.
-3
2
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ импульсного электрохимического глянцевания золота и его сплавов импульсным униполярным током прямоугольной формы в течение (5-20) с в электролите состава: тиокарбамид 90 г/л, кислота серная концентрированная 70 г/л при следующих параметрах импульсов технологического тока: длительность (0,5-2)·10 с; скважность 1,25-5; амплитудная плотность тока (5-10) А/дм при температуре электролита 18-22°С [Галанин С.И. Способ импульсного электрохимического глянцевания золота и его сплавов. RU №2184801, 10.07.2002. Бюл. №19] - (ПРОТОТИП).
Указанный способ имеет существенные недостатки в том, что, во-первых, не позволяют производить полирование металлической поверхности с достаточной стабильностью воспроизведения результатов; во-вторых, требует больших относительных затрат электрической энергии на проведение процесса. Это связано с тем, что при реализации способа амплитудно-временные параметры импульсов тока назначаются без учета всех возможных особенностей протекания анодного процесса в каждом конкретном случае, так как условия осуществления процесса полирования зависят от исходной поверхности и предыстории ее формообразования. В результате эти параметры не всегда являются оптимальными.
Технической задачей изобретения является снижение относительных затрат электрической энергии на процесс полирования поверхности металлов и сплавов.
имп.опт
Поставленная техническая задача достигается тем, что электрохимическое полирование производят при подаче на гальваническую ванну униполярных импульсов тока прямоугольной формы при условиях и режимах электролиза, обеспечивающих анодную обработку при спадающем значении тока в импульсе, проходящем через ванну, при этом длительность импульса ограничивается временем t, в течение которого значение тока в импульсе в каждый последующий момент времени меньше предыдущего, а длительность паузы не более длительности, при которой значение тока в начале импульса обеспечивается в пределах:
нач
кон
i=(1,3-2)×i.
Суть способа можно пояснить следующим образом. Наилучшее качество обработанной поверхности и оптимальное протекание процесса при минимальных затратах электрической энергии обеспечивается при условии электрохимической обработки в области, где скорость образования анодной пассивирующей пленки и скорость анодного электрохимического растворения соизмеримы по величине и достаточно высоки. Поддержание анодной поверхности в этой области возможно только при использовании импульсов тока определенных амплитудно-временных параметров. В связи с тем, что на обрабатываемой поверхности одним из протекающих процессов является образование анодной пассивирующей пленки, то это неизбежно приводит к увеличению «омического» сопротивления границы раздела «анод-электролит» в течение импульса тока. В результате, прямоугольная форма импульса тока, подаваемого на электрохимическую ванну, искажается и приобретает вид, представленный на чертеже.
На участке «а» резко нарастает пленка; на участке «б» в оптимальном соотношении параллельно протекают процессы нарастания пленки и электрохимического растворения материала анода, приводящие к высокой эффективности сглаживания высоты микронеровностей обрабатываемой поверхности, то есть полирования. Если импульс тока превышает определенную длительность (участок «в»), то начинает превалировать пассивация поверхности, приводящая к тому, что поверхность покрывается сплошной пленкой и процесс полирования прекращается.
Прерывание импульса при спаде мгновенного значения тока позволяет поддержать процесс в оптимальном диапазоне.
В паузе между импульсами тока происходит неизбежное химическое растворение анодной пленки. Поэтому в начале импульса тока наблюдается кратковременное возрастание значение силы тока (см. чертеж). В дальнейшем оно убывает в связи с ростом анодной пленки. При значительном увеличении длительности паузы между импульсами растворение пленки приобретает необратимый характер, что приводит к растравливанию поверхности металла за счет появления питтингов. Поэтому длительность паузы необходимо поддерживать в определенных пределах для обеспечения стабильности процесса растворения, чтобы все подводимое электричество тратилось только на необходимые и достаточные процессы на анодной поверхности.
Обработка различных металлов и сплавов ведется в электролитах различных составов, и назначаются свои амплитудно-временные параметры импульсов тока. Однако суть протекающих анодных процессов одинакова.
ИМП.ОПТ
Определение необходимой длительности импульса производится следующим образом. На обрабатываемую деталь с известной площадью поверхности подается тестирующий импульс тока оптимальной амплитуды и заведомо большей, чем оптимальная, длительности. На экране осциллографа фиксируется падение напряжения на шунте, которое имеет вид, представленный на чертеже. По нему определяется необходимая оптимальная длительность импульса t. Данная длительность выбирается при данной амплитудной плотности тока в данном электролите и температуре для данного сплава.
ИМП.ОПТ
Определение необходимой длительности паузы производится следующим образом. На обрабатываемую деталь с известной площадью поверхности подается серия из одиннадцати тестирующих импульсов тока оптимальной длительности t при следующих паузах между импульсами:
ПАУЗЫ1
ИМП.ОПТ
t=0,5 t;
ПАУЗЫ2
ИМП.ОПТ
t=1,0 t;
ПАУЗЫ3
ИМП.ОПТ
t=1,5 t;
ПАУЗЫ4
ИМП.ОПТ
t=2,0 t;
ПАУЗЫ5
ИМП.ОПТ
t=2,5 t;
ПАУЗЫ6
ИМП.ОПТ
t=3,0 t;
ПАУЗЫ7
ИМП.ОПТ
t=3,5 t;
ПАУЗЫ8
ИМП.ОПТ
t=4,0 t;
ПАУЗЫ9
ИМП.ОПТ
t=4,5 t;
ПАУЗЫ10
ИМП.ОПТ
t=5,0 t.
ПАУЗЫ. ОПТ.
На экране осциллографа фиксируется падение напряжения на шунте, которое имеет вид, представленный на чертеже. По нему определяется необходимая оптимальная длительность паузы между импульсами t  Данная длительность фиксируется при данной амплитудной плотности тока в данном электролите и температуре для данного сплава.
ПРИМЕРЫ КОНКРЕТНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
Для всех примеров продолжительность обработки 3-5 минут. Параметры импульсов определяются, а не назначаются из рекомендуемого диапазона.
2
4
2
2
эл
1. Операция - электрохимическое полирование поверхности сложно- профилированных ювелирных изделий, выполненных литьем по выплавляемым моделям из сплава золота ЗлСрМ 585-80. Состав электролита 7% HSO+9% SC(NH), температура электролита t=20°С.
ИМП.ОПТ
П
НАЧ
КОН
-3
-3
2
2
Определены следующие временные параметры: длительность импульса t=1,8·10с, длительность паузы t=1,8·10с. При этом i=3 А/см, i=2,2 А/см. В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с прототипом уменьшился в 1,2 раза.
ЭЛ
И.ОПТ
П
НАЧ
КОН
-3
-3
2
2
2. Операция - электрохимическое полирование поверхности полусферических светоототражателей, выполненных штамповкой из серебра Ср99. Электролит - водный раствор тиосульфата натрия концентрацией 600 г/л, температура электролита t=18°С. Определены следующие временные параметры: t=1,8·10 c, t=0,7·10с. При этом i=8 А/см, i=4,3 А/см. В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с аналогом уменьшился в 1,3 раза.
3
4
2
4
2
эл
И.ОПТ
П
НАЧ
КОН
-3
-3
2
2
3. Операция - электрохимическое полирование поверхности штампов из стали 40X13. выполненных ручной гравировкой. Состав электролита: 45% НPO+41% HSO+14% НO, температура электролита t=20°С. Определены следующие временные параметры: t=1,8·10 с; t=1,0·10 с. При этом i=50 А/см, i=32 А/см. В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с аналогом уменьшился в 1,25 раза.
3
4
2
4
2
эл
И.ОПТ
П
НАЧ
КОН
-3
-3
2
2
4. Операция - электрохимическое полирование поверхности пластинчатых галев ткацких станков, выполненных штамповкой из стали 60Г с последующей механической шлифовкой. Состав электролита: 45% НPO+41% HSO+14% НO, температура электролита t=80°С. Определены следующие временные параметры: t=2,5·10 с; длительность паузы t=1,5·10с. При этом i=100 А/см, i=75 А/см.
В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с аналогом уменьшился в 1,4 раза.