Способ электрохимического полирования металлов и сплавов импульсами тока

Изобретение относится к области электрохимических методов обработки поверхностей, а именно к способам электрохимического полирования сложнопрофилированных поверхностей. Способ включает подачу 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, 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: i_нач=(1,3-2)×i_кон. Технической задачей изобретения является снижение относительных затрат электрической энергии на процесс полирования поверхности металлов и сплавов. 1 ил.

 

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).

Известен способ импульсного электрохимического полирования поверхности сталей 40X13 и 60Г в электролите 45% Н₃PO₄+41% H₂SO₄+14% Н₂O при следующих параметрах обработки: для стали 40X13: i_аср=50 А/дм²; t_и=2·10^-3 с; q=1,17-2; t_эл=20°С; для стали 60Г: i_аср=100 А/дм²; t_и=3·10^{-3 с}; q=1,17-2; t_эл=80°С; продолжительность обработки 5-7 минут [Галанин С.И. Электрохимическая обработка металлов и сплавов микросекундными импульсами тока: Монография. - Кострома: КГТУ, 2001. - с.110].

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^-3 с, скважность 1,25-3, амплитудная плотность тока (8-12) А/см² [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.

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^-3 с; скважность 1,25-5; амплитудная плотность тока (5-10) А/дм² 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.

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_{имп.опт}, 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:

i_нач=(1,3-2)×i_кон.

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.

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_{ИМП.ОПТ}. Данная длительность выбирается при данной амплитудной плотности тока в данном электролите и температуре для данного сплава.

Определение необходимой длительности паузы производится следующим образом. На обрабатываемую деталь с известной площадью поверхности подается серия из одиннадцати тестирующих импульсов тока оптимальной длительности t_{ИМП.ОПТ} при следующих паузах между импульсами:

t_ПАУЗЫ1=0,5 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ2=1,0 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ3=1,5 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ4=2,0 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ5=2,5 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ6=3,0 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ7=3,5 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ8=4,0 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ9=4,5 t_{ИМП.ОПТ};

t_ПАУЗЫ10=5,0 t_{ИМП.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_{ПАУЗЫ. ОПТ.} 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.

1. Операция - электрохимическое полирование поверхности сложно- профилированных ювелирных изделий, выполненных литьем по выплавляемым моделям из сплава золота ЗлСрМ 585-80. Состав электролита 7% H₂SO₄+9% SC(NH₂)₂, температура электролита t_эл=20°С.

Определены следующие временные параметры: длительность импульса t_{ИМП.ОПТ}=1,8·10^-3 с, длительность паузы t_П=1,8·10^-3 с. При этом i_НАЧ=3 А/см², i_КОН=2,2 А/см². В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с прототипом уменьшился в 1,2 раза.

2. Операция - электрохимическое полирование поверхности полусферических светоототражателей, выполненных штамповкой из серебра Ср99. Электролит - водный раствор тиосульфата натрия концентрацией 600 г/л, температура электролита t_ЭЛ=18°С. Определены следующие временные параметры: t_И.ОПТ=1,8·10^-3 c, t_П=0,7·10^-3 с. При этом i_НАЧ=8 А/см², i_КОН=4,3 А/см². В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с аналогом уменьшился в 1,3 раза.

3. Операция - электрохимическое полирование поверхности штампов из стали 40X13. выполненных ручной гравировкой. Состав электролита: 45% Н₃PO₄+41% H₂SO₄+14% Н₂O, температура электролита t_эл=20°С. Определены следующие временные параметры: t_И.ОПТ=1,8·10^-3 с; t_П=1,0·10^-3 с. При этом i_НАЧ=50 А/см², i_КОН=32 А/см². В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с аналогом уменьшился в 1,25 раза.

4. Операция - электрохимическое полирование поверхности пластинчатых галев ткацких станков, выполненных штамповкой из стали 60Г с последующей механической шлифовкой. Состав электролита: 45% Н₃PO₄+41% H₂SO₄+14% Н₂O, температура электролита t_эл=80°С. Определены следующие временные параметры: t_И.ОПТ=2,5·10^-3 с; длительность паузы t_П=1,5·10^-3 с. При этом i_НАЧ=100 А/см², i_КОН=75 А/см².

В результате обработки относительный расход электроэнергии по сравнению с аналогом уменьшился в 1,4 раза.

Способ электрохимического полирования поверхности металлов и сплавов, включающий подачу 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, отличающийся тем, что длительность импульса ограничивается оптимальным временем t_{имп.опт}, 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:
i_нач=(1,3-2)·i_кон.