СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
METHOD FOR ELECTROCHEMICAL POLISHING OF METALS AND ALLOYS

Изобретение относится к области электрохимической обработки деталей из металлов и сплавов и может быть использовано в машино- и приборостроении, например, при доводке внутренних и наружных поверхностей.
Известен способ электрохимического полирования, представляющий собой анодное растворение, приводящее к улучшению микрогеометрии обрабатываемой поверхности [Заявка №49-38418, Япония, МКИ С23В 3/00, НКИ 12А63]. Электрохимическое полирование проводят как в стационарном, так и в движущемся электролите [Липкин Я.Н., Бершадская Т.Л. Химическое полирование металлов. - М.: Машиностроение, 1982. - 112 с.].
Недостатком существующих методов является токсичность электролита, низкая производительность.
2
Известен способ электрохимического полирования [патент РФ №2451773, МПК C25F 3/16, В23Н 3/00], который принят за прототип. Электрохимическое полирование осуществляют в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2-10 А/см, температуре электролита, равной температуре окружающей среды, вибрации обрабатываемой детали с амплитудой и частотой, заданными исходя из электрохимических свойств материала. Полирование осуществляют циклами, при этом время одного цикла полирования задают не более 2 с, а время между циклами рассчитывают по формуле
-1
2
2
3
S
где z - заряд потенциалопределяющего иона; F - число Фарадея, Кл·моль; i - плотность тока анодного растворения, А/см; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см/с; C - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см.
Шероховатость поверхности после каждого последующего цикла оценивают по аналитической зависимости, учитывающей электрохимические свойства обрабатываемого материала и параметры полирования
ν
МЭ3
3
-1
-1
где  - шероховатость последующего цикла, мкм;  - шероховатость предыдущего цикла, мкм; n - порядковый номер цикла; k - объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого металла, см/А·мин; χ - удельная проводимость электролита, см·Ом; η - выход по току обрабатываемого металла; U - напряжение на электродах, В; ΔU - падение напряжения в приэлектродных слоях, равное алгебраической сумме падений напряжения в прикатодном и прианодном слоях, В; δ - величина межэлектродного зазора, см; τ - время цикла электрохимического полирования, мин.
Недостатком прототипа является сложность автоматизации технологического процесса ввиду того, что не задана точная длительность цикла электрохимического полирования.
Задача изобретения - упрощение автоматизации технологического процесса.
2
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе электрохимического полирования металлической детали, включающем циклическое полирование детали в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2-10 A/см, температуре электролита, равной температуре окружающей среды, вибрации обрабатываемой детали с амплитудой и частотой, заданными исходя из электрохимических свойств материала, и оценку шероховатости после каждого цикла полирования, при этом время между циклами рассчитывают в зависимости от параметров полирования и электрохимических свойств металла по формуле
-1
2
2
3
S
где z - заряд потенциалопределяющего иона; F - число Фарадея, Кл·моль; i - плотность тока анодного растворения, А/см; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см/с; C - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см, согласно техническому решению время одного цикла полирования определяют из зависимости
2
2
-5
где τ - время цикла электрохимического полирования, с; i - плотность тока анодного растворения, А/см; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см/с; К=10 А.
Изобретение поясним на примерах:
z
ν
-3
3
-1
-1
2
Пример 1: Обработке подвергались образцы из стали 12X13. Исходная шероховатость R 4,3 мкм; объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого металла k=2,1·10 см/А·мин; удельная проводимость электролита (15% NaCl в воде); χ=0,164 см·Ом; выход по току обрабатываемого металла η=0,8; напряжение на электродах U=8В; падение напряжения в приэлектродных слоях ΔU=2,3В; плотность тока по обрабатываемой детали i=1 А/см; частота вибрации анода (обрабатываемой детали) f=50 Гц; амплитуда вибрации A=0,5 мм.
S
мц
-3
3
-3
Время между циклами рассчитываем по формуле (1). Учитывая, что C=0,48·10 моль/см, толщина диффузионного слоя δ=0,4·10 см, τ≥l,45c.
Время одного цикла рассчитываем по зависимости (3), полученной по результатам обобщения экспериментальных данных и характеризующей время насыщения диффузионного слоя в течение одного цикла обработки:
2
-5
-5
2
К - постоянная величина, численно равная силе тока, обеспечиваемого диффузией ионов обрабатываемого металла, А. Для диапазона плотностей тока 0,2-10 A/см К=10 A; D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, D=10 см/с.
При этом после первого цикла полирования, используя формулу (2), получим расчетный параметр
Измеренное значение параметра шероховатости
Второй цикл электрохимического полирования длительностью 1 с проводили после паузы в 1,45 с.
После второго цикла расчетное значение параметра шероховатости поверхности  измеренное
Шероховатость поверхности улучшается за счет проведения процесса в оптимальном режиме диффузионной кинетики. Пример 2:
2
Обработке подвергались образцы из стали 12X13. Плотность тока по обрабатываемой детали i=2А/см. Остальные исходные данные, свойства электролита, параметры вибрации как в примере 1.
S
мц
-3
-3
-3
Время между циклами рассчитываем по формуле (1). Учитывая, что C=0,96·10 моль/см; толщина диффузионного слоя δ=0,4·10 см, получили τ≥1,5 с.
Время одного цикла рассчитали по зависимости (3):
-5
-5
2
К=10А, D=10см/с.
Расчетное значение параметра шероховатости поверхности
Измеренное значение В результате увеличения плотности тока, время цикла уменьшилось до 0,5 с. При этом режим диффузионной кинетики сохраняется, в результате чего характер изменения шероховатости не меняется.
Пример 3:
мц
Обработке подвергались образцы из стали 12X13. Исходные данные, свойства электролита, параметры вибрации как в примере 1. Время цикла полирования задали произвольно равным 3 с. Время между циклами рассчитали по формуле (1), τ≥1,45 с.
При времени одного цикла полирования 3 с на поверхности обрабатываемой детали образуется волнистость и матовость.
Таким образом, при электрохимическом полировании с временем одного цикла, рассчитанным по формуле (3) сохраняется закономерность снижения шероховатости поверхности при ее наилучшем качестве. При последующих циклах обработки указанная закономерность соблюдается.
Заявляемый способ электрохимического полирования с рассчитанным по зависимости  временем цикла полирования дает возможность автоматизировать процесс электрохимического полирования, не проводя экспериментальных исследований.