1.4. Электролитно-плазменная обработка

Электрический ток небольшой плотности (0,010,50) А/см², протекающий через ванну при низком напряжении, вызывает установление режима электролиза, закономерности которого достаточно подробно теоретически н экспериментально изучены во многих работах классической электрохимии [11, 12]. Этот процесс нашел широкое применение в промышленности для осуществления электрохимической обработки металлов и сплавов, а также для гальванического нанесения защитных покрытий.

При повышении напряжения на активном электроде электролитической ванны (электрод с меньшей поверхностью), устанавливается коммутационный режим. Впервые явление коммутации электрического тока на активном электроде наблюдал Н. Слугинов [13,14].

В работах И. 3. Ясногородского [15,16] отмечается, что при увеличении напряжения на электродах электролитической ванны между металлическим катодом и электролитным анодом возникают искровые разряды, сопровождающиеся характерным звуком. Жидкость, окружающая катод, начинает периодически пульсировать, что приводит к сильным колебаниям электрического тока в цепи, и его среднее значение с повышением напряжения падает. Автор называет эту первую фазу процесса " переходной". По мере повышения напряжения на электродах частота искровых разрядов у катода увеличивается, пульсация жидкости со временем прекращается, вокруг катода образуется устойчивая светящаяся оболочка и наступает вторая фаза процесса – рабочая. Напряжение, при котором наблюдается переход от первой фазы ко второй, называется критическим.

Механизм таких явлений на активном электроде представляется следующим [15, 16]. В начальный момент процесса в результате электролиза на катоде происходит обильное выделение пузырьков водорода, которые создают местное разобщение электролита с поверхностью активного электрода, благодаря чему в следующий период времени электрический ток проходит только по отдельным мостикам. Это приводит к быстрому нагреву слоя жидкости, прилегающего к катоду, и к образованию вокруг катода парогазовой оболочки. В результате этого жидкость оттесняется от катода. Величина электрического тока в этот момент времени снижается. Если отсутствуют условия для поддержания такого состояния, то образовавшаяся паровая рубашка конденсируется, и катод вновь контактирует с электролитом. Возникающая вокруг катода парогазовая оболочка имеет повышенное давление, сравнительно малую толщину и обладает самостоятельной проводимостью из-за насыщения ее ионами водорода и металла.

Процессы прохождения электрического тока через газовые промежутки, ограниченные металлом и электролитом, отличаются от хорошо исследованных процессов электрического разряда в газах между металлическими электродами и изучены пока недостаточно. В работах [15, 16] полагается, что из-за различия подвижности ионов в газе и электролите, электрические разряды в парогазовой оболочке имеют прерывистый характер. Основной формой разряда в парогазовой оболочке является искровой разряд, что обосновывается электроэрозионными явлениями на поверхности активного электрода [15-17]. Весьма существенное влияние на возникновение и протекание процесса нагрева катода оказывают состав и свойства электролита. Эффект образования парогазовой оболочки был получен и на аноде, но анод при этом не нагревается до высоких температур.

В работах [18-19] более конкретно описаны четыре стадии развития катодного процесса. На первой стадии с ростом напряжения происходит линейное изменение электрического тока в цепи. При подаче напряжения свыше (30...60) В происходит периодическое "запирание" тока, проходящего через электролитическую ванну, т.е. наблюдается коммутационный режим. Дальнейшее увеличение напряжения до 120 В для катодного процесса и до 240 В для анодного вызывает образование газовой пленки на отдельных участках активного электрода, в зоне которых возникает свечение, а на остальных участках активного электрода продолжается выделение газа в виде пузырьков. Этот период назван переходной или третьей стадией процесса. На всех этих стадиях осциллограммы обоих процессов имеют аналогичный вид. При достижении напряжения 240 В для катодного и 300 В для анодного процессов у активного электрода пузырьковое выделение газа прекращается и вместо него вокруг электрода образуется сплошная газовая оболочка, то есть наблюдается четвертая стадия процесса. Образовавшаяся газовая оболочка, отделяющая электролит от электрода, является, согласно [15-19], диэлектрической и термоизоляционной. Путем зондирования электролитической ванны определено [15-19], что в зоне газовой оболочки наблюдается скачок потенциала величиной (93...97) % от напряжения, приложенного к электродам. В результате образования этой оболочки электрический ток в цепи уменьшается в (2,5...4,0) раза. Механизм прохождения электрического тока через газовую оболочку представляется в [15-19] следующим: между активным катодом и водным раствором создается сильное электрическое поле, которое может вызвать пробой парогазовой оболочки в виде тонких струек электролита, т. е. образуются кратковременные «электролитные мостики», которые становятся основными проводниками электрического тока через оболочку. Образовавшийся «электролитный мостик» между активным электродом и водным раствором уничтожается и возникает вновь на соседнем участке, т.е. в течение некоторого времени вся нагреваемая поверхность активного электрода подвергается воздействию электрических разрядов. Мостиковый процесс при катодном нагреве с повышением напряжения на электродах до 300 В переходит в процесс со сплошным дуговым разрядом в парогазовой оболочке и колебания величины тока в цепи существенно уменьшаются. На этой стадии разряда отмечается высокая интенсивность нагрева активного электрода. В отличие от катодного процесса на аноде температура может достигать только (100...200)°С. Повышение приложенного напряжения свыше 300 В не приводит к возникновению сплошного дугового разряда, но в то же время «электролитные мостики» сохраняются и воздействуют на металл, подвергая его эрозионной полировке.

Значительное внимание теории катодного процесса уделено в работах [20, 21]. Авторы этих работ считают, что повышение напряжения на электродах ванны увеличивает выделение водорода при электролизе и приводит к переходу пузырькового слоя в сплошной, в результате чего активный электрод отделяется от электролита газовой оболочкой. Среднее время перехода пузырькового слоя в сплошной равно 2,1×10^-3 с, а толщина слоя составляет 50 мкм. Предположив, что слияние пузырьков и образование сплошного газового слоя идет не только за счет выделяющегося водорода, но и за счет теплового действия электрического тока, автор [20, 21] получил формулу для расчета времени перехода пузырькового слоя в сплошной:

где l – толщина пузырькового слоя, с – удельная теплоемкость раствора, "– плотность пара, t_k – температура нагрева катода, t – температура раствора, Н – удельная теплота парообразования, U – напряжение на электродах, j – плотность тока.

Напряжение на электродах ванны, при котором осуществляется переход пузырькового слоя в сплошной, зависит: от температуры водного раствора, температуры нагреваемой детали, ее теплоемкости, температуры кипения электролита, плотности водного раствора электролита и газа [20, 21]. Оно может быть определено из выражения:

где К – электрохимический эквивалент, d – плотность водорода.

Переход пузырькового слоя в сплошной аналогичен процессу превращения пузырькового кипения в пленочное. С целью определения площади соприкосновения электролита с поверхностью активного электрода используется известное в электрохимии уравнение равновесия пузырька на горизонтальной поверхности и для вычисления сопротивления сплошного газового слоя предлагается следующее выражение:

где – удельная электропроводность раствора, – угол смачивания, – коэффициент пропорциональности, g – ускорение свободного падения, S – площадь активного электрода.

В работе [22] показано, что анод, которым являлась тонкая проволока, также может быть нагрет до значительной температуры. Для анодного процесса также отмечаются две стадии процесса нагрева на активном электроде: переходная и стабильная. На вольтамперной характеристике, полученной для анодного процесса (рис. 1.1), можно выделить следующие области:

а) электрический ток возрастает линейно с увеличением напряжения на электродах ванны, то есть область, в которой протекает обычный электролиз и соблюдается закон Ома;

б) электрический ток изменяется не линейно и вольтамперная характеристика анодного процесса неустойчива. Электролит вблизи анода нагревается до температуры кипения и дальнейшее увеличение напряжения не вызывает роста электрического тока - это переходная стадия;

в) напряжение резко увеличивается, и электрический ток падает до малой величины, анод полностью окружен парогазовой пленкой. Это стабильная стадия.

Рис. 1.1– Усредненная вольт-амперная характеристика анодного процесса системы «электрод-электролит»

В области «обычного электролиза» температура активного электрода близка к температуре электролита. Переход от «нормального электролиза» к переходной стадии происходит при температуре активного электрода (100±2)° С. В третьей стадии, когда наступает пленочное кипение, температура достигает (165...620)° С. Эта стадия характеризуется, прежде всего появлением слоя паров водного раствора, окружающего горячий анод [12]. Жидкость при этом отталкивается от поверхности активного электрода под действием давления пара водного раствора.

Интересной особенностью процесса является то, что паровая пленка проводит электрический ток, в противном случае анодный эффект был бы невозможен. В [12] делается следующее предположение о механизме проводимости электрического тока через паровую пленку: так как пленка достаточно тонкая (0.2 мм), то градиент электрического потенциала достаточно высок, что вызывает ионизацию газа внутри нее и прохождение электрического тока обусловлено миграцией ионов газа. Эта ионизация может быть настолько интенсивной, что вызывает и видимый электрический разряд. Мерцающий характер свечения объясняется тем, что любая точка паровой пленки периодически приближается к поверхности активного электрода, вызывая увеличение проводимости в этой точке.

При определенных плотностях тока на активном электроде на границе «металл-электролит» концентрация ионов становится столь большой, что возникает ударная ионизация, вызывающая свечение электродов [23]. В результате появляется сложная система «жидкость-пар-газ-плазма-металл», увеличивающая активную поверхность электрода и этим облегчающая процесс ионизации ионов. С увеличением напряжения на электродах ванны число соударений настолько возрастает, что происходит электрический пробой газовой оболочки. Вследствие электрического пробоя периодически ликвидируется скопление зарядов у активного электрода. Поскольку электрический пробой возникает в местах с наибольшим градиентом поля, то искровой разряд непрерывно перемещается по поверхности активного электрода. С этого момента наряду с ионной проводимостью появляется электронная. С увеличением напряжения на электродах ванны происходит разогрев вначале отдельных точек активного электрода, а затем и всей его массы. Со временем процесс стабилизируется и между металлическим катодом и электролитным анодом возникает электрическая дуга.

Полирование в плазме электролита основано на использовании явлений, происходящих на и у поверхности электродов при приложении к ним повышенного напряжения постоянного тока. Процесс обеспечивает комплексное физическое и химическое воздействие на поверхность обрабатываемого изделия. Наибольшее распространение в настоящее время получила полировка изделий из нержавеющих сталей, но имеются также отработанные режимы и составы электролитов для полирования поверхностей из меди и ее сплавов, алюминия, углеродистых сталей.

Основные преимущества данного способа:

– широкая область применения: полирование, удаление заусенец, высокопроизводительная и эффективная очистка поверхности от любых загрязнений;

– использование в качестве инструмента электролита, что позволяет применять одно и то же оборудование для самых разнообразных по форме и размерам изделий;

– возможность совмещения в одном процессе очистки изделия и создания на его поверхности антикоррозионного покрытия;

– легкость автоматизации;

– экологическая чистота процесса (безвредные и низко токсичные электролиты).

При электролитно-плазменном полировании достигается высокая чистота поверхности детали, снимаются заусенцы, происходит качественная подготовка поверхности для последующего нанесения гальванических покрытий. В процессе полирования нержавеющих сталей уменьшается шероховатость поверхности на (2...3) класса за (0,5... 1,0) мин и достигается значение средней высоты микронеровностей R_a 1,6...0,2 при исходной величине R_a равной 6,3...0,8, а при увеличении времени обработки до (3...5) мин., шероховатость уменьшается на (4...5) классов и величина R_a достигает 0,20...0,05. Изделие приобретает яркий металлический блеск.

В качестве недостатков электролитно-плазменной обработки можно отметить следующее:

– необходимость усиления мер электробезопасности ввиду того, что при ЭПО применяются опасные для жизни человека напряжение и ток;

– невозможность применения ЭПО для обработки изделий с режущими кромками ввиду их закругления в процессе обработки;

– трудность обработки изделий сложной формы;

– невозможность непрерывного контроля процесса съема металла.

Из представленных выше материалов видно, что электролитно­плазменной обработке, как и другим методам, присущи свои достоинства и недостатки. Однако для решения задач, поставленных в настоящей работе, этот метод напрямую не может быть применен, так как он еще недостаточно изучен, не исследованы основные закономерности процесса, не определены основные физико-механические и эксплуатационные свойства поверхностей после ЭПО, нет научных рекомендаций по использованию ЭПО в производстве.

4. Выводы

1. Проведен анализ и систематизированы основные методы финишной отделки металлов при изготовлении изделий электронной техники.

2. Показано, что электролитно-плазменная обработка поверхностей металлов является одним из наиболее перспективных путей повышения их качественных характеристик и эффективности процессов.

3. Недостаточная изученность процесса, отсутствие систематических исследований по установлению основных закономерностей и научных рекомендаций по использованию сдерживает внедрение ЭПО в производство.