Расчет технологических параметров электрохимического полирования при вибрации детали

Перспективные материалы и технологии в аэрокосмической отрасли

УДК 621.9.047.

И. Я. Шестаков, Л. А. Бабкина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ ПРИ ВИБРАЦИИ ДЕТАЛИ

Экспериментально определены режимы электрохимического полирования, которое протекает в условиях активного анодного растворения. Представленные аналитические выражения позволяют рассчитать время одного цикла полирования, паузу между циклами, а также параметры шероховатости поверхности.

Работа посвящена исследованию способа электрохимического полирования (ЭХП) в растворах нейтральных солей при повышенной плотности тока и циклическом режиме с вибрацией полируемой детали [1].

При определении механизма процесса исходили из того предположения, что в условиях электрохимического полирования различные кристаллические элементы поверхности растворяются с одинаковыми близкими по значению скоростями. Такие условия создаются тогда, когда скорость ионизации металла рассчитываются не электрохимической стадией процесса, а диффузионной. В условиях предельного тока скорость ионизации металла зависит от скорости диффузии молекул воды к поверхности анода.

В разрабатываемом способе ЭХП при использовании вибрации обеспечивается интенсивное удаление продуктов обработки и пузырьков газа с обрабатываемой поверхности, что позволяет вести процесс ЭХП в области активного анодного растворения, близкого к электрохимической размерной обработке О'эхп > 1 А/см2).

Реальная поверхность представляет собой совокупность выступов и впадин. Согласно исследованиям А. Г. Атанасянца, В. Г. Коевкина и других ученых плотность тока на выступах больше плотности тока во впадинах в 5-7 раз, что способствует интенсивному растворению выступов. Поэтому в начале процесса электрохимического полирования распределение тока по обрабатываемой поверхности определяется её микрогеометрией. Затем из-за разности плотности в прианодном слое электролита начинается конвективная диффузия, в результате которой макроскопическое распределение плотности тока нарушается, и появляются дефекты на поверхности в виде матовости, растравливания и др. Поэтому время одного цикла ограничено и должно быть не более величины, определяемой из выражения

г-В-т = К,

где г - плотность тока анодного растворения, А/см2; В - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см2/с; т - время цикла, с; К - постоянная величина, количество электричества, проходящее через единицу площади обрабатываемой поверхности в единицу времени (в исследуемом диапазоне плотностей токов К = 105 А).

Время между циклами, необходимое для релаксации диффузионного слоя и интенсивного удаления

продуктов обработки и пузырьков газа с обрабатываемой поверхности, определяется по известным зависимостям:

т >

мц _

21

рВС 2

где г - заряд потенциалопределяющего иона; ^ - число Фарадея, Кл-моль-1; С8 - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см3.

На основании закона Фарадея, линейный съем металла определяется по выражению

И =

куц(П -АП)ч -10-

-'МЭЗ

где п - коэффициент растворения (выхода) металла по

Ут

анодному току, - = практ -100%;; Уп

практ

- объем

теор

практически растворенного металла; Утеор - теоретически возможный объем растворенного металла, определяемый по закону Фарадея; ку - объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого металла, см3/А-мин; х - удельная проводимость электролита, см-Ом-1; и - напряжение на электродах, В; АП - падение напряжения в приэлектродных слоях, равное алгебраической сумме падений напряжения в прика-тодном и прианодном слоях, В; 5МЭЗ - величина межэлектродного зазора, см; т - время цикла электрохимического полирования, мин; 10-2 - переводной коэффициент.

С учетом объемного электрохимического эквивалента, напряженности электрического поля и цикличности обработки, шероховатость поверхности каждого последующего цикла полирования, электрохимические свойства обрабатываемого материала и параметры обработки связаны аналитическим соотношением

к = к 1 -

ку -ч---(и-АП)-105

^МЭЗ

где К - шероховатость последующего цикла, мкм;

Яг 1 - шероховатость предыдущего цикла, мкм; п -

порядковый номер цикла.

Шероховатость поверхности в предлагаемом способе не зависит от кратчайшего расстояния до днища ванны, а определяется межэлектродным расстоянием §МЭЗ - расстоянием между полируемой поверхностью (анодом) и катодом (боковая поверхность ванны).

Решетневскце чтения

За счет высокой плотности тока и вибрации полируемой детали электрохимический процесс занимает не более 3-5 с и происходит в режиме диффузионной кинетики. За счет чередования циклов полирования с паузами получена шероховатость поверхности Rа = 0,2 мкм. Расхождение экспериментальных значений Rz для каждого цикла ЭХП от расчетных составляет 5-7 %, что подтверждает правильность выбранной модели ЭХП.

Использование зависимости шероховатости поверхности после каждого цикла полирования от элек-

трохимических свойств обрабатываемого материала и параметров обработки позволяет аналитически оценить шероховатость поверхности, что упрощает использование способа в технологиях электрохимического полирования.

Библиографическая ссылка

1. Способ электрохимического полирования металлов и сплавов / И. Я. Шестаков, Л. А. Бабкина ; пат. № 2451773, (Россия) С25Б 3/16 В23Н 3/00 ; заявл. 21.12.2009 ; опубл. 27.05.2012. Бюл. № 15.

I. Y. Shestakov, L. A. Babkina Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

DETERMINED PARAMETERS MODES OF ELECTROCHEMICAL POLISHING

Experimentally determined modes of electrochemical polishing. Analytical expressions for calculate the time of one cycle of polishing, the pause between cycles, and surface roughness parameters are presented.

© Шестаков И. Я., Бабкина Л. А., 2012

УДК 628.16.087

И. Я. Шестаков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

О. В. Раева

Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск

ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОЧИСТКУ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Широкому внедрению электрохимических методов очистки воды и водных растворов препятствуют большие энергозатраты и громоздкость оборудования. Представлены результаты испытаний электрохимического способа очистки воды и водных растворов при наличии комплексообразователя.

В производстве деталей летательных аппаратов применяются гальванические процессы, в результате которых происходит загрязнение сточных вод ионами металлов.

К одному из наиболее перспективных направлений очистки воды и водных растворов следует отнести электрохимические методы и, в частности, электрохимические методы очистки воды на переменном токе промышленной частоты.

Однако большое потребление электроэнергии, использование растворимых электродов ограничивают применение электрохимических процессов на практике.

В Сибирском государственном аэрокосмическом университете разработан способ очистки воды и водных растворов от анионов и катионов электрохимическим методом с применением нерастворимых электродов и переменного тока [1; 2].

Для реализации предлагаемого способа процесс очистки проводят в электролизере, выполненном из чередующихся пластин. Материал электродов: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ОТ 4-0.

Температура воды равна 20-25 °С. Расстояние между электродами составляет 12 мм. Продолжительность процесса очистки - 10 мин при силе тока 0,5 А и напряжении на клеммах электродов 4,1 В.

Обработке подвергался водный раствор, содержащий ионы кадмия (II), меди (II), никеля (II) и хрома (VI). Начальная концентрация каждого иона в растворе около 0,5 мг/л.

Перед отстаиванием в раствор вводился комплек-сообразователь - соль железа двухвалентного. Соотношение начальных концентраций иона комплексо-образователя и очищаемого иона изменялось от 1:1 до 10:1. Время отстаивания раствора составляло около десяти суток.

Затем проводился количественный анализ ионов, содержащихся в водном растворе, на масс-спектрометре Agilent 7500 ICP -MS в лаборатории рентгеновских и спектральных методов анализа Института химии и химических технологий (ИХиХТ). Результаты экспериментов представлены на рисунке.