Змістовний модуль 2. "Електрофізичні методи обробки" Навчальний елемент 2.1. "Нагрів струмопровідних матеріалів в електроліті." Лекція 10.

Тема 9. Нагрів струмопровідних матеріалів в електроліті.

1. Стадії процесу.

2. Переваги та недоліки методу.

3. Приклади операцій.

Метод нагріву металів в електроліті (Рис. 1) заснований на явищі нагріву катода (виробу) в процесі пропускання через електроліт постійного струму підвищеної напруги (200÷300 В). Анод – ванна з неіржавіючої сталі. Катод нагрівається в результаті виділення на нім водню, який утворює навколо катода газовий шар з високим омічним опором, що викликає виділення великої кількості тепла. Це тепло витрачається головним чином на нагрів катода. Неодмінною умовою розігрівання катода має бути різниця щільності струму на аноді і катоді. На аноді вона має бути менше, ніж на катоді.

Рис. 1. Нагрів струмопровідних матеріалів в електроліті.

1 – електроліт, 2 – деталь, 3 – ванна, 4 – пухирці водню.

Швидкість і інші характеристики нагріву залежать від складу електроліту, температури ванни, напруги, щільності струму і якості поверхні деталі, що нагрівається – катода.

У електролітах можна здійснювати як крізний, так і поверхневий нагрів деталей.

Залежність між напругою і силою струму в початковий період підкоряється закону Ома. При подальшому збільшенні напруги на катоді інтенсивно виділяються бульбашки водню і електроліт контактує з поверхнею катода тільки в окремих місцях. При утворенні бульбашок і їх відриві між електролітом і катодом виникають іскрові розряди, що приводять до коливання струму в ланцюзі (перша фаза нагріву). Бульбашки водню, що виділяються, локально ізолюють електроліт від катода. Тому проходження струму відбувається в окремих місцях катода. Це приводить до швидкого нагріву прилеглого до катода тонкого шару електроліту і утворенню парової оболонки навколо катода. У цей момент (друга фаза) сила струму знижується, що супроводиться конденсацією парової оболонки. Оболонка в другій фазі стає стійкою.

Електролітичні процеси, що протікають при пропусканні постійного струму через електроліти, супроводяться неперервним виділенням в газову оболонку іонів водню і металу, що обумовлює самостійну провідність газової оболонки. Електричний струм проходить через неї у вигляді іскрових розрядів (Рис. 2), що супроводжується різким локальним зростанням тискугазу і температури поверхні катода. Катод нагрівається в основному в другій фазі. Тому основні параметри процесу вибирають такими, щоб нагрівання катода в першій фазі було неможливе.

Рис. 2. Нагрів струмопрвідних матеріалів в електроліті.

І – початок процесу, ІІ – виділення ухирців водню, ІІІ – виникнення електричної дуги.

Переривчатість іскрових розрядів створює пульсуючі теплові потоки на поверхні катода. Із збільшенням ступеня іонізації газової оболонки біля катода збільшується частота розрядів і їх потужність, що дозволяє регулювати надходження теплоти у виріб. При малому ступені іонізації газової оболонки, наприклад при пониженій напрузі, зміна температури поверхні катода з часом відповідає криві I, а при великому ступені іонізації –-кривій ІІ. З цього слідує, що при нагріві металів в електроліті можуть бути створені різні умови розподілу теплоти по перетину.

Нагрів металу в електроліті проводиться при щільності струму 2÷6 А/см². З підвищенням температури електроліту підвищується його електропровідність, слабшає вплив чинників, які гальмують дисоціацію розчинених солей. З підвищенням температури електроліту відбувається підвищення ККД процесу, зменшується сила струму унаслідок збільшення газової оболонки навколо катода. Максимальний ККД спостерігається при температурі рідини 70 – 80 °С. При подальшому підвищенні температури відбувається інтенсивне кипіння електроліту на катоді, що супроводиться нестійкістю газової оболонки. Це приводить до пульсації струму в ланцюзі.

Підвищенню ККД процесу і підвищенню рівномірності нагріву сприяє штучна циркуляція електроліту у ванні. Цьому ж сприяє і зменшення відстані між анодом і катодом.

В якості електролітів можуть бути використані: 14 – 16 %-ний розчин вуглекислого натрію Na₂CО₃; 20 – 25% розчин вуглекислого калію Ксо₃; 25 – 30 % -ний розчин оцтовокислого калію Сн₂соок. Введення до складу електроліту різних солей дозволяє виділяти на катоді ті або інші елементи, тобто здійснювати дифузійні процеси, наприклад цементацію. Регулювання швидкості нагріву здійснюють, змінюючи напругу і силу струму, а також температуру і концентрацію електроліту. На характеристики нагріву різних матеріалів впливає тільки їх теплопровідність і не впливають магнітні і електричні властивості. Шляхом регулювання напруги можливе здійснення одноступінчатого і двоступінчатого режиму. Перший проводять при одному первинному значенні напруги з швидкостями нагріву 10 – 50 °С/с. Пониження швидкості нагріву, а також зменшення часу витримки при заданій температурі можна здійснити при двоступінчатому режимі, що реалізовується з використанням різної напруги. Кожній напрузі другого ступеня відповідає своя температура теплової рівноваги. При нагріві деталей в електроліті для отримання однорідного нагріву або оберігання від нагріву окремих ділянок виробів використовують екрани (тонкі пластини з вініпласту, фторопласту або вогнестійкої цегли). Пластмасові екрани розташовують на відстані 1 – 2 мм від катода.

Рис. 3. Схеми нагріву в електроліті.

Принципові схеми різних способів електролітного нагріву приведені на Рис.3. Всі схеми процесів (кінцевий, повний, місцевий і послідовний) можуть бути використані для нагріву заготовок під пластичну деформацію і термічну обробку.

Установки для нагріву складаються з перетворювача струму (електромашинного або тиристора), електролітної ванни (нагрівального пристрою), системи циркуляції і охолоджування електроліту, механізмів для завантаження, кріплення і вивантаження виробів. Вартість устаткування для нагріву в електроліті на 25 % нижче за вартість установок контактного нагріву і в 3 рази нижче за вартість високочастотного комплекту. Коефіцієнт корисної дії установок приблизно такий же, що і індукційних установок. Зниженню вартості нагріву за рахунок капітальних вкладень і експлуатаційних витрат сприятиме широке використання в якості перетворювачів струму потужних тиристорів.

Рекомендована література до НЕ 2.1.: [1–С.83-101, 3–С.175-193]