За секунды: полировка металлов электричеством

Меня всегда привлекали технологии, относительно доступные для обычного человека, и в то же время несколько необычные и незнакомые широкому кругу людей.

Когда говорят об обработке с применением жидкостей и электричества, большинство сразу думает о гальванике, более продвинутые вспоминают об электроэрозионной обработке, в то время как существует ещё одна интересная технология — электролитно-плазменная обработка.

Дальше мы обзорно поговорим о ней, а желающие смогут задуматься о применении её в своих проектах.

▍ Что это такое?

Суть электролитно-плазменной обработки заключается в том, что производится обработка металлических и полупроводниковых изделий (нержавеющие и углеродистые стали, медные и алюминиевые сплавы, латунь, цинк и даже кремний) в водных растворах солей. Для обработки медных и стальных сплавов применяются 3-5% водные растворы сульфата аммония и хлористого аммония, для обработки других металлов применяются растворы с содержанием солей в них не более 10%.

Под воздействием электрического тока вокруг всей поверхности обрабатываемой детали образуется пароплазменная оболочка, а сама обработка происходит весьма интенсивно ввиду воздействия на деталь химически активных веществ окружающей среды и электрических разрядов: среднее время полировки составляет от 2 до 5 минут, а снятие заусенцев длится не более 20 секунд.

Технология является весьма высокопроизводительной и позволяет получать на выходе изделия с высокой чистотой поверхности, без вклинившихся в них частичек абразива, хорошо обезжиренные.

Процесс протекает с большой скоростью и позволяет в большинстве случаев эффективно заменить обработку детали кислотами. Кроме того, его скорость приблизительно в 3-4 раза превышает механические способы обработки, и в 5-6 раз обработку кислотами.

▍ Подробности технологии

При обработке детали она подключается к положительному полюсу источника тока (т. е. является анодом), а ванна с электролитом, в которую погружена обрабатываемая деталь, к отрицательному полюсу (т. е. является катодом). Вся установка может работать в нескольких режимах в зависимости от плотности тока и напряжения, при этом в общем случае систему протекающих процессов можно описать законами электрохимии только при условии применения относительно низких плотностей тока и напряжения, при превышении же порогового значения эти законы перестают действовать и вокруг анода возникает плазменное облако.

Технология электролитно-плазменной полировки подразумевает использование высоких напряжений, что может быть опасно для жизни! Вся информация статьи даётся только в познавательных целях, автор ни к чему не призывает и не гарантирует. При интересе к этой теме рекомендуется тщательно ознакомиться с соответствующей литературой.

Режимы работы:

• Электролиз: протекает в условиях плотности тока до 0,5 А/см и величины напряжения примерно до 60 V.
• Если напряжение повышается и находится в пределах от 60 до 70 V, то вокруг анода начинает образовываться пульсирующее (до 100 Гц) плазменное облако, пока ещё неустойчиво существующее (процесс представляет собой разложение воды на гремучую смесь, которая периодически пробивается разрядом и взрывается, а полость, которую заполняла газовая смесь, схлопывается, электролит снова касается электрода и всё повторяется).
• При повышении напряжения до 200 V наблюдается возникновение стабильной пароплазменной оболочки, при этом плотность тока составляет 0,5-1 A/см. Этот режим и является основным режимом для полировки, где толщина пароплазменной оболочки составляет до 50 мкм (толщина является переменной и изменяющейся во времени).
• Дальнейшее повышение напряжения приводит к переходу в так называемый «электрогидродинамический» режим, который отличается полным отрывом пароплазменной оболочки от электрода, увеличением её толщины, соответственно, увеличением сопротивления в приэлектронной зоне, пропаданием эффекта полировки. В общем случае можно сказать, что выход на этот режим происходит в зависимости от типа и состава электролита при разных напряжениях, где общей тенденцией является выход на него при более низких напряжениях при, соответственно, более высоких значениях концентрации электролита. Ещё один любопытный момент заключается в том, что выход на этот режим происходит при более низких напряжениях, если напряжение увеличивается со скоростью более 50 V/сек.

Для достижения эффективного процесса стараются добиваться максимальной тепловой нагруженности детали (но не превышая критические значения тепла, при которых происходит уже снижение стабильности пароплазменной оболочки), где критические значения находятся в пределах следующей прикладываемой мощности: .

Для возможности применения более широкого диапазона напряжений можно варьировать концентрации электролита, увеличивая площадь обрабатываемой поверхности или медленно повышая напряжение до нужного уровня.

Кстати говоря, низкое качество обработки поверхности говорит о том, что к ней прикладывается недостаточная мощность. Кроме того, на качество обработки влияют также температура, концентрация и состав электролита, длительность обработки и величина питающего напряжения — рассмотрим их подробнее.

Как можно было бы догадаться, одним из существенных факторов, влияющих на процесс, является оптимальный подбор электролита. При этом электролит одного типа может совершенно не влиять на материал другого типа, например, нержавеющая сталь хорошо полируется в сульфате аммония (1-10%), в то время как углеродистые стали совершенно не подвержены такой полировке тем же самым электролитом!

Также сульфатом аммония хорошо полируются медные сплавы, при этом их поверхность становится коричневой и блестящей (оксидируется). Если нужен ещё более хороший результат, то он достигается с помощью применения раствора хлористого аммония и лимонной кислоты, при этом результат представляет собой именно полированную поверхность, без образования окисной плёнки.

Ещё возможно применение вещества под названием Трилон Б, которое применяется в энергетике для смягчения воды. В электролите, состоящем из этого вещества и водного раствора сульфата аммония (0,1-0,8%), отлично полируются медные сплавы, бронза, латунь. При питающем напряжении в 260 V процесс идёт весьма интенсивно — весь цикл полировки до неплохих результатов занимает не более 60 секунд!

В науке хорошо изучены электролиты, состоящие из одного — максимум двух компонентов (для применения в целях электроплазменной полировки), в то время как более сложные смеси изучены недостаточно.

Говоря об оптимальных значениях питающего напряжения, можно сказать, что обработка нержавеющей стали производится при напряжении в 230 V, алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются в диапазоне 270-290 V, медные сплавы — вплоть до 260 V.

Говоря же о температуре, можно упомянуть, что хороших результатов можно добиться только при хорошо прогретом электролите, температура которого должна находиться в диапазоне приблизительно 70-90°С. При этом нужно учитывать (помимо отслеживания собственно эффективности протекания процесса), какую максимальную температуру активные компоненты электролита могут выдерживать без разложения (скажем, соли аммония разлагаются при повышении температуры более 85°С).

Кроме перечисленных факторов, естественно было бы предположить, что время обработки также будет оказывать существенное влияние. И это действительно так: в первые 90-120 секунд происходит уменьшение шероховатости поверхности примерно в два раза, в то время как дальнейшее продолжение обработки уже не даёт такого существенного сглаживания микрорельефа и только увеличивает зеркальность поверхности (хорошее качество полировки медных сплавов достигается как раз в диапазоне от 60 до 90 секунд).

Также на качество полировки существенно влияет и форма самого изделия, которая в идеале должна быть плоской, но не обязательно. Тем не менее, оптимальные результаты достигаются, если изделие не содержит существенных полостей, которые необходимо закрывать временными затычками, чтобы процесс протекал стабильно и не происходило разрушение пароплазменной оболочки.

▍ Для чего можно применять?

С помощью этой технологии можно производить как полировку поверхности, так и снятие технологических заусенцев, глубокое обезжиривание и удаление старых лакокрасочных покрытий, а также заточку инструментов.

Причём это хорошо работает как для маленьких объектов:

Так и относительно больших:

Получающееся качество хорошо иллюстрирует следующая картинка:

Картинка: PLOTNIKOV90

Картинка взята отсюда, там ещё много их, из разряда «было-стало».

Но это всё несколько скучно, поэтому мы подумаем о более интересных применениях! :-)

Некоторое время назад мы рассматривали сочетания методов, с помощью которых домашние любители могут изготавливать собственные изделия из металлов, где ключевым элементом является получение расплавленного металла на дому — это могут быть как разнообразные красивости (например, статуэтки), так и вполне себе утилитарные детали технических устройств. Вкратце: это не так сложно, как может показаться на первый взгляд — для этого достаточно бытовой микроволновки. Об этом вот здесь написано подробнее.

Однако кроме расплавления металла необходимо получить форму, в которую этот металл заливается. Вот здесь один из самодельщиков подробно и пошагово разобрал технологию изготовления подобной формы с использованием бытового FDM 3D-принтера. Вкратце: будущая литейная деталь распечатывается на 3D-принтере с использованием PLA-пластика, после чего засыпается песком, трамбуется и устанавливается в духовку обычной кухонной плиты, плита нагревается, и пластик вытекает из формы, после чего форма готова к заливке металла.

После заливки и остывания мы получаем деталь, которая далеко не отличается гладкостью поверхности, и с этим нужно что-то делать (танцы с ацетоном, как при ABS, или лимоненом, как при PLA, уже не помогут). И здесь нам может прийти на помощь эта технология (электролитно-плазменная полировка), которая позволяет буквально за считаные секунды получить гладкую полированную поверхность металлов, причём коэффициент отражения этой поверхности (если верить литературным источникам) может достигать 73%! (другими словами, очень сильно выглаживается поверхность, которая начинает приближаться по гладкости к зеркальной).

Причём интересно не только это, а также и то, что подобное качество поверхности достигается буквально за секунды, что заставляет пристально присмотреться к возможности конвейерной штамповки (даже на дому) металлических статуэток и деталей механизмов! Стартап? Почему бы и нет…

▍ Список использованной литературы

1. И. С. Куликов, С. В. Ващенко, А. Я. Каменев — «Электролитно-плазменная обработка материалов».
2. В. В. Баковец, О. В. Поляков, И. П. Долговесова — «Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов».
3. Л. Я. Попилов — «Электрофизическая и электрохимическая обработка металлов».
4. Б. А. Артамонов и др. — «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов».

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх