Плазменная обработка металла в электролите: как это работает

Схема электролитно-плазменной обработки

В электролитно-плазменной технологии обрабатываемое изделие является анодом, к нему подводится положительный потенциал от источника питания, а катодом является рабочая ванна. 


Электролитно-плазменный режим

В зависимости от приложенного напряжения при прохождении электрического тока через водный раствор электролита наблюдаются различные режимы электрических процессов вблизи анода.

Первый режим обычный электролиз, при котором происходит перенос ионов металла и наблюдается газовыделение в зависимости от состава электролита и материала электродов, и описывается классической электрохимией.

С повышением напряжения на электродах до 60–70 В устанавливается переходный или коммутационный режим, когда вокруг активного электрода (анода) периодически, с частотой порядка 100 Гц, образуется пароплазменная оболочка, приводящая к запиранию тока в течение 10-4 с.

При напряжении более 200 В вокруг анода образуется устойчивая пароплазменная оболочка, характеризующаяся малыми колебаниями тока при U=const. В этой области напряжений (200–350 В) происходит процесс электролитно-плазменной обработки. По всей обрабатываемой поверхности происходят импульсные электрические разряды. Совместное воздействие на поверхность детали химически активной среды и электрических разрядов приводит к возникновению эффекта полирования и очистки поверхности изделий.


Технологический процесс плазменной обработки (полировки) для полуавтоматизированной линии

Перед полированием изделие может быть подготовлено путём абразивной механической шлифовки (например, с помощью пескоструйной, барабанной или вибрационной установки). Это позволит сократить время электролитно-плазменного полирования при наличии заусенцев и других дефектов изделия.

Плазменное полирование проходит в 7 основных стадий:

  1. Подготовка детали к обработке
  2. Ручная загрузка на подвеску
  3. Автоматизированные операции:
    1. подача напряжения на поднятую подвеску
    2. медленное опускание в электролит
    3. выдержка 2–5 минут
    4. подъем подвески с деталями
    5. отключение напряжения
  4. Промывка в теплой воде
  5. Сушка тёплым воздухом
  6. Ручная выгрузка
  7. Контроль

Изделие устанавливается на специальную подвеску, обеспечивается надежный электрический контакт. Затем подаётся рабочее напряжение, и деталь медленно погружается в предварительно подогретый электролит.

В процессе полировки поддерживается температура электролита 60–90 0С путем подачи насосом охлажденного электролита из подготовительной ванны в рабочую. После обработки в течение 2–5 минут изделие поднимается из ванны и напряжение отключается. Затем производится промывка изделия в теплой воде и сушка теплым воздухом. Проверяется качество обработанной поверхности, наличие заусенцев и острых кромок.



Технические характеристики

Для обработки нержавеющих сталей и медных сплавов используют 3–5% водные растворы сульфата аммония и хлористого аммония. При обработке других металлов и сплавов применяются водные растворы солей с концентрацией не выше 10%. Средняя длительность полировки составляет 2–5 минут, а снятие заусенцев 5–20 секунд. 

Время: до 5 мин.

Плотность тока: 0,20,6 A/см2

Температура: 6090 °С

Напряжение: 200350 B

Скорость съёма до 3 мкм/мин.

Кислотность раствора: 48 pH

Концентрация солей в электролите: 0,510%

Достигаемая шероховатость до Ra 0,01 мкм

В ходе реализации многочисленных проектов проведена оптимизация технологии полировки с учетом габаритов и формы изделия, наличия отверстий и полостей, расположения на подвеске, исходного состояния поверхности, состава материала и электролита, позволяющая получать высокое качество поверхности при минимальных энергетических затратах.

Для объяснения эффекта полировки в литературе принята электрофизическая модель процесса, т.е. предполагается, что сглаживание шероховатостей осуществляется вследствие микроразрядов на выступах поверхности. Что же касается электрохимических процессов, то они считаются менее существенными. Однако, практика полировки различных металлов показала, что процесс весьма чувствителен к составу электролита. Причем, для каждого металла для получения эффекта полировки необходимо подобрать отдельный (специальный) электролит. Разработаны составы растворов для полировки низкоуглеродистых, малолегированных сталей, медных сплавов, латуней, хрома и других металлов и сплавов.

Таким образом, установлено, что процесс полировки носит ярко выраженный электрофизический и электрохимический характер. С целью снижения расхода электроэнергии применяется экранирование поверхностей различными электроизоляционными материалами (наиболее эффективны экраны из фторопласта).


Обработка при струйных течениях электролита

С помощью электролитно-плазменной обработки эффективно решаются многие задачи финишной обработки металлических изделий. Вместе с тем остается нерешенным ряд технологических вопросов, которые ограничивают широкое применение электролитно-плазменной полировки в производственных условиях:

  1. Ограничение размеров обрабатываемых изделий, которое связано:
    1. ограниченными габаритами рабочей ванны;
    2. величина электрического тока, которая может превышать допустимы пределы;
  2. Обработаны длинномерные изделия (ленты, трубы, проволока и др.);
  3. Невозможно обрабатывать внутреннюю поверхность пустотелого изделия или поверхность в глубоких отверстиях и полостях.

Для решения указанных задач представляется эффективным использование струйных течений электролита, которые дают возможность существенно расширить технологический спектр электролитно-плазменного воздействия и номенклатуру обрабатываемых деталей.

Схема установки для электролитно-плазменной полировки крупногабаритного изделия (листа) струей электролита. 1 — технологическая ванна;   2 — электродвигатель;  3 — центробежный погружной насос;  4 — направляющее сопло  (насадка);   5 — струя электролита; 6 — полируемое изделие с механизмом программиру-емого перемещения; 7 — источник постоянного тока; 8 — электролит.

Схема установки для электролитно-плазменной полировки снаружи  или внутри крупногабаритных изделий цилиндрической формы струей электролита. 1 — технологическая ванна;  2 — нагнетательный насос; 3 — электродвигатель;  4 — гибкий шланг;  5 — гайка;  6 — реверсивный низкооборотный двигатель;  7 — спрейер;  8 — изделие;  9 — винт.

 

 

Схема установки для электролитно-плазменной полировки длинномерных изделий (труб и лент) струей электролита. 1 — накопительная ванна;  2 — технологическая ванна;  3 — насос; 4 — электродвигатель; 5 — тканевая насадка; 6 — электродвигатель.

Схема установки для электролитно-плазменной полировки изделий сложной формы при интенсификации обменных процессов с помощью затопленной струи электролита. 1 — технологическая ванна;   2 — изделие сложной формы; 3 — механоактиватор;    4 — электродвигатель;   5 — подъемно-опускное устройство.