2. Исследование процесса электролиза при взаимообкатывании электродных поверхностей

1. Гидродинамический режим движения электролита в межэлектродном промежутке

В рассматриваемом случае электролит при атмосферном давлении подается в узкую щель, образованную двумя вращающимися с одинаковой линейной скоростью поверхностями, и удерживается в этой щели силами межмолекулярного сцепления. Обычно соотношение геометрических размеров щели таково, что ее следует рассматривать в качестве капиллярного промежутка. Устойчивая область, заполнения электролитом, может быть названа активной зоной электролиза.

Полагая, что центробежная сила , удерживающая электролит на вращающейся поверхности электрода, вызвана силой капиллярного давления раскроем это равенство (расчетная схема изображена на рис. 9).

; ;

; или . (1)

Здесь: – масса элементарного объема электролита; – площадь элементарного участка поверхности; – радиус цилиндрических роликов; –капиллярное давление.

,

где Н/м − коэффициент поверхностного натяжения; − средняя кривизна поверхности электролита. Аппроксимируя свободную поверхность электролита цилиндрической поверхностью радиуса , получим

.

Рис. 9. Расчетная схема для определения величины активной зоны электролиза.

Тогда из (1) .

Радиус свободной поверхности электролита в активной зоне электролиза выражается через ее длину , величину максимального межэлектродного зазора и радиус роликов (рис. 9).

.

В окончательном виде выражение (1) следующее:

. (2)

Результаты экспериментального определения величины активной зоны электролиза при окружной скорости электродных поверхностей представлены в табл. 4.

Таблица 4

Влияние величины минимального межэлектродного зазора на длину активной зоны электролиза, образованной роликами радиусом .

Межэлектродный зазор , мм	Длина активной зоны электролиза , мм
0,1 0,2 0,4	15 16 20

Представленное на рис. 10 сопоставление расчетной (по формуле 2) и экспериментальной зависимостей показывает правильность методического подхода к решению задачи: силы капиллярного давления достаточно велики, чтобы выступать в качестве центробежных, удерживающих электролит в активной зоне электролиза. Меньшие значения , получаемые экспериментально, объясняются влиянием неучтенных расчетом силы тяжести, геометрических погрешностей изготовления, особенно, установки роликов, вибрациями электродов и другими факторами, характерными для реальных условий эксперимента.

Рис.10. Влияние минимального межэлектродного зазора, на длину активной зоны электролиза: 1−расчет по формуле 2, 2−эксперимент

На рис. 11 показано изменение абсолютной W и относительной V скоростей движения электролита по длине активной зоны электролиза. Максимальный градиент скорости по нормали к электродной поверхности имеет место в сечении, проходящем через точку свободной поверхности активной зоны электролиза, где электролит неподвижен в абсолютном движении (рис. 12)

Рис. 11. Изменение абсолютной W и относительной V скоростей электролита по длине активной зоны электролиза

Рис. 12. Изменение скорости электролита по нормали к электродной поверхности

В качестве характерного размера для вычисления числа Рейнольдса ( ) целесообразно принять расстояние от электродной поверхности до точки неподвижного электролита. Это расстояние также может быть выражено через геометрические параметры активной зоны

.

Сопоставление расчетной и экспериментальной зависимостей числа от величины минимального межэлектродного зазора представлено на рис. 13. Коэффициент кинематической вязкости 10-процентного раствора при температуре 20⁰С составляет .

Анализ графических зависимостей показывает:

− во-первых, при малых величинах мм число , вычисленное по экспериментальным данным, даже несколько увеличивается с ростом величины межэлектродного зазора, оставаясь в пределах ламинарного режима движения ( ≤1600).

Рис. 13. Зависимость числа от величины минимального межэлектродного зазора :1-расчет, 2 эксперимент.

Увеличение числа Рейнольдса можно, очевидно, объяснить определяющим влиянием точности изготовления и установки роликов на устойчивость потока в активной зоне электролиза. С увеличением минимального межэлектродного зазора влияние этих факторов снижается, что и приводит к росту числа .

Вышесказанное относится к сечению с максимальным градиентом скорости, т.е. к зоне максимального межэлектродного зазора. Интенсивность съема металла в этой области существенно ниже, чем в центре межэлектродного промежутка. Поэтому можно утверждать, что при электрохимической обработке по рассматриваемому методу, электролит в области максимального съема металла практически неподвижен относительно электродных поверхностей и движется в ламинарном режиме на периферии активной зоны электролиза. Турбулезация потока под действием внешних факторов (вибраций и т.п.) приводит к потере его устойчивости на свободной поверхности электролита, уменьшающий длину активной зоны электролиза, не изменяя характер движения электролита в межэлектродном промежутке.

При взаимообкатывании рабочих поверхностей зубьев электрода-инструмента и обрабатываемого колеса имеет место их взаимное проскальзывание. Относительная скорость скольжения максимальна в крайних точках и = 0 в полюсе зацепления. Следовательно, в переменном межэлектродном промежутке существует перемещение электролита относительно электродных поверхностей с максимальной скоростью .

В качестве примера определим число Рейнольдса для электролита в межэлектродном промежутке при обработке зубчатого колеса (Z = 16, m = 4 мм) с частотой вращения n = 280 об/мин, что соответствует максимальной производительности по съему металла анодной поверхности зуба заготовки.

В рассматриваемом случае максимальная скорость скольжения = 0,4 м/с, межэлектродный зазор = 0,2 мм. Коэффициент кинематической вязкости электролита , характерный размер (гидравлический диаметр щели) [31]

мм,

где = 34 мм − ширина зуба.

Тогда .

Критическое число Рейнольдса для рассматриваемого случая равно = 2200.

Полученый результат показывает, что перетекание электролита относительно полюса зацепления электродных поверхностей происходит в режиме ламинарного движения и практически никак не влияет на механизм процесса анодного растворения металла.

Особенности поведения электролита в межэлектродном промежутке позволяют назвать реализуемый электрохимический процесс статико-гидродинамическим электролизом (СГДЭ).

2. Механизм процесса электролиза в автономной электрохимической ячейке

На основании материалов п. 2.1 можно сделать допущение о том, что в пределах активной зоны электролиза каждому элементарному участку обрабатываемой поверхности соответствует элементарный объем электролита, и представить непрерывный быстропротекающий процесс в виде совокупности процессов электролиза в конечных объемах электролита. Названные здесь особенности статико-гидродинамического электролиза как быстропротекающего процесса в микрообъемах электролита требует специальных исследований с целью оптимизации режимов обработки.

В связи с тем, что измерения в промежутке между двумя вращающимися и взаимообкатывающимися электродными поверхностями выполнить сложно, было создано устройство (рис. 14), моделирующее автономную электрохимическую ячейку. Модель ячейки образована двумя трубчатыми электродами 1, 2, установленными в струбцине 3 из диэлектрического материала. Электроды в струбцине крепятся винтами 4. Электролит 5 в регулируемом межэлектродном зазоре принимает форму торового кольца и удерживается силами молекулярного сцепления. Температура в электрохимической ячейке замерялась термопарами 6. Изменение тока во времени регистрировалось шлейфным осциллографом.

Характер изменения тока во времени показан на рис. 15. Вид получаемых осциллограмм зависит от состава электролита и величины межэлектродного промежутка (табл. 5)

Рис. 14. Модель электрохимической ячейки

Рис. 15. Осциллограммы изменения электрического тока во времени для электролитов: а) 0,05% , б) 15% + 5%

Таблица 5

Изменение электрического тока во времени

Состав электролита	Межэлектродный зазор, мм	Время начала стабилизации электрического тока, с	Падение электрического тока, %
15%	0,2 0,55 1,0	0,2 0,44 0,6	21,4 30,0 33,3
15%	0,2 0,55 1,0	0,5 1,2 1,4	25,0 31,8 40,0
15% +5%	0,2 0,55 1,0	1,1 1,8 3,0	28,0 32,2 36,3
15% +5% +2%	0,2 0,55 1,0	0,2 0,3 0,4	12,0 16,6 22,7

Для объяснения экспериментально установленной закономерности была выдвинута рабочая гипотеза, согласно которой минимальная величина тока в начале процесса электролиза получается в результате инерционности возникновения двойного электрического слоя; после достижения своей максимальной величины ток начинает падать из-за увеличения количества шлама в электролите, уменьшения количества ионов и скорости их движения. Углубление знаний в данной области требует проведение специальных исследований.

Каждая автономная электрохимическая ячейка в процессе статико-гидродинамического электролиза образуется периодически и существует в течение рабочего периода цикла, равного времени ее нахождения в активной зоне электролиза. Следовательно, установленная закономерность изменения электрического тока во времени будет определять величину съема металла при обработке взаимообкатываемых поверхностей, т.е. производительность СГДЭ.

Для определения оптимальной по производительности частоты вращения электрода-инструмента были проведены две серии экспериментов на сателлитах из стали 20ХН3А, цементированных до HRC 56-63, в нескольких электролитах. Обработка сателлитов производилась на разных частотах вращения от 100 до 1000 об/мин. Время обработки на каждой частоте вращения выдерживалось постоянным и составляло 5 мин. Зубчатые колеса обрабатывались электродом-инструментом с внутренним зацеплением на полупромышленной установке.

Первая серия экспериментов сопровождалась замером температуры электролита до активной зоны электролиза и на выходе из зоны обработки. При этом было отмечено, что на выходе температура повышается незначительно, а повышение температуры на входе наблюдается после продолжительной работы и зависит от общего количества электролита в баках.

Определялось pH при работе на каждой частоте вращения. Исходная величина pH обоих электролитов составляла 6,4. По мере увеличения продолжительности процесса электролиза pH электролита на основе хлористого натрия возросло до 8,4, а с добавкой фтористого натрия до 6,6 единиц.

Результаты первой (рис. 16) и второй (рис. 17) серий экспериментов подтверждают существование оптимальной частоты вращения электрода-инструмента.

Несложные расчеты показывают, что для каждого электролита за время существования каждой автономной электрохимической ячейки при оптимальной частоте вращения через ячейку проходит максимальное количество электричества.

Рис. 16. Зависимость съема металла с обрабатываемой поверхности профиля зуба от частоты вращения взаимообкатываемых электродных поверхностей: 1- 10% водный раствор ; 2-водный раствор 10% и 2%

Рис. 17. Изменение съема металла с обрабатываемого профиля зуба сателлита при разных частотах вращения в электролитах: 1- 15% ; 2- 15% ; 3-15% + 5% ; 4-15% + 5% +2%

2.3. Газовыделение в процессе статико-гидродинамического электролиза

В ходе экспериментальных исследований механизма электролиза на модели автономной электрохимической ячейки нами наблюдалось газовыделение по истечении некоторого времени. При этом постоянными параметрами процесса электролиза были температура (в пределах погрешности замера) и время до начала выделения водорода по периметру катодной поверхности. Постоянство температуры объясняется тем, что продолжительность эксперимента составляла 20 с, а вода как основная составляющая электролита обладает большой удельной теплоемкостью. Мелкие пузырьки водорода по периметру катодной поверхности начинают зарождаться спустя некоторое время после начала процесса электролиза.

Из зоны электролиза газ вытесняется силами молекулярного взаимодействия и собирается по периметру катодной поверхности в виде пузырей, которые по мере увеличения их объема разрушаются. Механизм образования газообразного водорода хорошо изучен и включает 4 стадии этого процесса: 1-разложение молекул воды; 2-разряд, адсорбция атомов водорода поверхностью катода; 3-десорбция атомов водорода и рекомбинация в молекулы; 4-переход в газообразную фазу (выделение газообразного водорода).

Экспериментально установлено, что при сопоставимых условиях появление пузырьков водорода на периферии катода (4 стадия) наблюдается через (15…17) с. после начала процесса электролиза, а время нахождения участка обрабатываемой поверхности в активной зоне электролиза не превышает 0,3 с. В реальных условиях СГДЭ при обработке новых участков анода электролит в активной зоне электролиза также обновляется. Таким образом, образование пузырьков водорода и их выделение из электролита завершается в ванне и баке для сбора электролита.

Попадание водорода в анолит исключается еще и потому, что движение катионов водорода сориентировано по направлению к катоду, т. е. в противоположную сторону от обрабатываемой поверхности детали, а отсутствие турбулентно-кавитационных явлений в процессе СГДЭ исключает перемешивание электролита и перемещение водорода в сторону анодной поверхности и, как следствие, ее наводораживание.

Выполненные исследования показали, что водород в поверхностном слое деталей, прошедших обработку в процессе СГДЭ, отсутствует.

При других методах электрохимической обработки, когда электрохимическая ячейка существует длительное время, поверхности электродов имеют сложную конфигурацию и электролит прокачивается принудительно, появление наводораживания обрабатываемой поверхности в принципе возможно. Но и в этом случае наводораживание можно устранить, исключив застойные зоны в межэлектродном пространстве и согласовав скорость движения электролита со скоростью газовыделения.

Стабилизация процесса электролиза при обработке по новому методу явилась основной предпосылкой для проведения комплексных исследований, направленных на достижение высоких точности обработки и параметров шероховатости с формированием заданного микрорельефа обрабатываемой поверхности.