СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
METHOD FOR METAL AND ALLOY ELECTROCHEMICAL POLISHING

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов, в частности к электрохимическому полированию металлов и сплавов, может быть использовано в машино- и приборостроении, например, при доводке внутренних и наружных поверхностей.
Известны способы электрохимического полирования, представляющие 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
За прототип принят способ электрохимического полирования [RU 2146580, В23/Н 3/00], осуществляемый в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2…10 А/см, при температуре электролита, равной температуре окружающей среды, обрабатываемой детали сообщают вибрацию, амплитуда и частота которой задается исходя из физико-химических свойств материала обрабатываемой детали, время одного цикла полирования определяют по формуле:
где l - кратчайшее расстояние от днища ванны до обрабатываемой поверхности детали; ν - скорость всплывания пузырьков водорода, определяемая по формуле Стокса.
В первые две секунды электрохимического полирования распределение тока по обрабатываемой поверхности определяется ее микрогеометрией. Реальная поверхность представляет собой совокупность выступов и впадин. Согласно расчетам плотность тока на выступах больше плотности тока во впадинах в 5-7 раз, что способствует интенсивному растворению выступов (сглаживание поверхности).
К недостаткам способа относится то, что после первых двух секунд обработки из-за разности плотности прианодного слоя электролита начинается конвективная диффузия, в результате которой макроскопическое распределение плотности тока нарушается и появляются дефекты на поверхности в виде матовости, питтингов и др.
Задача изобретения - повышение качества обработки и расширение технологических возможностей.
2
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе электрохимического полирования, осуществляемом в нейтральном водном растворе солей при плотности тока 0,2…10 А/см, температуре электролита, равной температуре окружающей среды, обрабатываемой детали сообщают вибрацию, амплитуду и частоту которой задают исходя из электрохимических свойств материала обрабатываемой детали, согласно изобретению электрохимическое полирование осуществляют циклами, при этом время цикла задают не более 2 с, а время между циклами рассчитывают по формуле:
где z - заряд иона;
-1
F - число Фарадея, Кл·моль;
2
i - плотность тока анодного растворения, А/см;
2
D - коэффициент диффузии ионов обрабатываемого металла, см/с;
S
3
C - концентрация ионов на поверхности полируемой детали, моль/см,
причем шероховатость поверхности после каждого последующего цикла определяют из соотношения:
где  - шероховатость поверхности последующего цикла, мкм;
- шероховатость поверхности предыдущего цикла, мкм;
n - порядковый номер цикла;
ν
3
k - объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого металла, см/А·мин;
-1
-1
χ - удельная проводимость электролита, см·Ом;
η - выход металла по току;
U - напряжение на электродах, В;
ΔU - падение напряжения в приэлектродных слоях, равное алгебраической сумме падений напряжения в прикатодном и прианодном слоях, В;
МЭЗ
δ - величина межэлектродного зазора, см;
τ - время цикла электрохимического полирования, мин.
Способ электрохимического полирования поясняется чертежом.
На фиг. изображена схема установки, реализующей заявляемый способ полирования металлов и сплавов.
МЭЗ
Установка представляет собой ванну 1 электрополирования, в которую залит водный раствор 2 хлорида натрия. Деталь 3 устанавливается на расстоянии δ от боковых поверхностей ванны, соединяется штоком 4 с источником вибрации 5. Шток 4 соединяется с положительным полюсом источника питания 6, а ванна 1 - с отрицательным полюсом.
S
При электрохимическом полировании детали 3 сообщают вибрацию от источника 5 частотой f, амплитудой А и подают напряжение от источника питания 6. Процесс полирования осуществляется циклично, длительность одного цикла полирования не превышает 2 с. Время между циклами рассчитывают по формуле (1), для подсчета C используют известную зависимость [Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия. - М.: Химия, 1969. - 608 с.]:
Пример конкретного выполнения
z
ν
S
мц
-3
3
-1
-1
2
3
Обработке подвергались образцы из стали 12Х13. Исходная шероховатость поверхности R 4,3 мкм; объемный электрохимический эквивалент стали 12Х13 k=2,1·10 см/А·мин; удельная проводимость электролита (15% NaCl в воде) χ=0,17 см·Oм; выход по току обрабатываемого металла η=0,8; напряжение на электродах U=8B; падение напряжения в приэлектродных слоях ΔU=2,3B; плотность тока по обрабатываемой детали i=1 А/см; частота вибрации анода (обрабатываемой детали) f=50 Гц; амплитуда вибрации А=0,5 мм; время одного цикла задаем равным 1 с. Концентрацию ионов железа у поверхности обрабатываемой детали определили по формуле (3), С=0,48 моль/см и рассчитали время между циклами по формуле (1), получили τ≥1,45 секунд.
МЭЗ
При межэлектродном расстоянии δ=4 см, используя зависимость (2), учитывающую электрохимические свойства обрабатываемого материала и параметры полирования, после первого цикла полирования определили расчетный параметр шероховатости поверхности
Измеренное значение параметра шероховатости поверхности
Второй цикл электрохимического полирования длительностью 1 с проводили после паузы в 1,45 с. После второго цикла электрохимического полирования расчетное значение параметра шероховатости поверхности
Измеренное значение -
После третьего цикла результаты следующие: .
После четвертого цикла -
После пятого цикла -
После шестого цикла -
z
Конечная шероховатость поверхности R=2,3 мкм.
Отклонения расчетных значений шероховатости поверхности от измеренных составляют не более 15%.
МЭЗ
Шероховатость поверхности в предлагаемом способе не зависит от кратчайшего расстояния до днища ванны, а определяется межэлектродным расстоянием δ, т.е. расстоянием между полируемой поверхностью (анодом) и катодом (боковая поверхность ванны). Расстояние между днищем ванны и обрабатываемой деталью в предлагаемом способе может быть любым, что расширяет технологические возможности метода.
Использование зависимости шероховатости поверхности после каждого цикла полирования от электрохимических свойств обрабатываемого материала и параметров обработки позволяет аналитически оценить шероховатость поверхности, не проводя опытов, тем самым упрощается использование способа в технологиях электрохимического полирования.