Электрохимическая обработка металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ТРЭА»

РЕФЕРАТ

На тему:

«Электрохимическая обработка металлов»

Выполнила: ст. гр.524

Проверил преподаватель

кафедры «ТРЭА»

Ермакова Л.П.

Рязань,2006.

Содержание.

Введение

Электрохимическая обработка металлов

Электрохимическое обезжиривание

Схема электрохимической обработки отверстий сложных конфигураций в деталях

Светолучевой станок для обработки алмазных фильтров

Световой луч (лазер)

Список литературы

Введение

Электрохимическая обработка металлов - группа методов, предназначенных для придания обрабатываемой металлической детали определенной формы, заданных размеров или свойств поверхностного слоя. Осуществляется в электролизерах (электролитических ваннах, электрохимических ячейках специальных станков, установок), где обрабатываемая деталь является либо анодом (анодная обработка), либо катодом (катодная обработка), либо тем и другим попеременно. Основной вид катодной электрохимической обработки металлов - гальваностегия.

Электрохимическая обработка металлов применяют для маркирования изделий. Нужные знаки на металлической поверхности получают локальным изменением цвета в результате очень неглубокого травления (или оксидирования) либо в результате рельефного травления. Получили развитие комбинированные методы обработки, в которых электрохимической воздействие на металл совмещено с какими-либо другим (например, механическим, эрозионным, лазерным).

Электрохимическая обработка металлов

Основной вид катодной электрохимической обработки металлов - гальваностегия.

Анодными методами электрохимической обработка металлов являются различные виды электрохимического травления, полирование, формообразование, размерная обработка, оксидирование и другие. Во всех анодных процессах происходит либо растворение металла (локализованное в определенных местах или равномерное по всей поверхности), либо превращение поверхностного слоя металла в оксидный или другой слой.

Электрохимическое травление (ЭХТ). Термин объединяет несколько технологий, основанных на анодном растворении металла. ЭХТ применяют для очистки поверхности всевозможных деталей, проволоки, лент, труб от разнообразных загрязнений (оксидных, жировых и других) в качестве предварительной обработки перед нанесением покрытий, прокаткой и др. ЭХТ для очистки от загрязнений производят в растворах кислот, обычно содержащих различной добавки (например, ингибитор коррозии), в щелочных растворах или расплавах при постоянном или переменном токе. ЭХТ подвергают практически любые металлы и сплавы. ЭХТ используют для осуществления так называемого электрохимического фрезерования с целью получения заданного "рисунка" на поверхности детали локальным анодным растворением металла. Места, которые не должны подвергаться растворению, покрывают слоем фоторезисторного материала или специальным трафаретом. Таким образом можно производить обработку деталей типа печатных плат, перфорирование, а также травление в декоративных целях. Анодным травлением удаляют заусенцы и скругляют острые кромки.

Важная область использования ЭХТ - развитие поверхности (увеличение удельной площади поверхности). Наиболее широкое промышленное применение имеет травление алюминиевой фольги в хлоридных растворах для электролитических конденсаторов; этот процесс позволяет повысить удельную поверхность в сотни раз и увеличить удельную емкость конденсаторов, уменьшить их размеры. Развитие поверхности методом ЭХТ применяют для улучшения адгезии металла к стеклу или керамике в электронной технике, копировального слоя к печатным формам в полиграфии, усиления сцепления покрытия с металлом при эмалировании металлических изделий и других. Анодным травлением снимают дефектные гальванические покрытия с деталей с тем, чтобы возвратить их в производство, а также при регенерации металлических пластин офсетных биметаллических печатных форм.

ЭХТ применяют в практическом металловедении; широко известно анодное травление металлографических шлифов для выявления микроструктуры сплавов. При этом травление проводят в таких условиях, когда достаточно резко проявляется различие скоростей растворения разных по хим. и фазовому составу компонентов сплава. В результате избирательного ЭХТ могут быть выявлены границы фаз, сегрегация фосфора в стали, дендритная структура титановых сплавов, сетка трещин в хромовом гальванопокрытии, оценена склонность нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии.

Электрохимическое полирование (ЭХП) заключается в преимущественном анодном растворении выступов на шероховатой поверхности и приводит к достижению низкой шероховатости (электрохимическое сглаживание) или зеркального блеска поверхности (глянцевание). Глянцевание улучшает декоративные сввойства изделия, придает поверхности высокую отражательную способность. ЭХП и сглаживание поверхности применяют для повышения эксплуатационной надежности, долговечности и других эксплуатационных свойств деталей. Положительное влияние ЭХП на изделие объясняется несколькими причинами: 1) удаление дефектного (деформированного, имеющего трещины, повышенное содержание вредных элементов) поверхностного слоя, образовавшегося при механической, термической, электрической обработке изделия; 2) уменьшение шероховатости поверхности и сглаживание профиля поверхности; 3) образование тонкой поверхностной оксидной пленки, предохраняющей металл от коррозионного воздействия среды.

Анодное растворение в режимах ЭХП тонкого поверхностного слоя металла, загрязненного радиоактивными веществами, - один из основных методов радиохимической дезактивации оборудования. При ЭХП обычно удаляется слой металла от 2,5 до 80 мкм. Конечная шероховатость поверхности определяется исходной шероховатостью, продолжительностью ЭХП, условиями проведения процесса (температура, плотность тока), составом электролита (растворы щелочей, солей, но чаще всего смеси кислот). Получению высокого качества ЭХП мешают большие размеры кристаллитных зерен, неравномерная структура, наличие неметаллических включений (напр., карбидов), глубокие следы прокатки, окалинные загрязнения, слишком высокая начальная шероховатость поверхности.

Анодное формообразование (ЭХФ) используют для изготовления деталей с заданными формой, размерами и качеством поверхности. При ЭХФ деталь получают в условиях, когда форма катода-инструмента копируется на аноде-заготовке. Процесс проводится в потоке электролита (обычно растворы солей, например NaNO3) при плотностях тока в десятки А/см2, межэлектродном расстоянии порядка 0,1 мм. По мере растворения анода-заготовки катод с помощью специального механизма продвигается в направлении растворения. В отличие от традиционной механической обработки, ЭХФ характеризуется отсутствием механического контакта между инструментом и деталью, низкими температурой и давлением в рабочей зоне, отсутствием износа инструмента и заусенцев на обработанной детали. ЭХФ пригодно для обработки легкодеформируемых деталей, хрупких и твердых материалов, обработки в труднодоступных местах.

Электрохимическим растворением с помощью вращающегося дискового электрода или другого катода-инструмента производят разрезание заготовок из различных металлов и сплавов, тонкостенных труб, металлических монокристаллов, полупроводниковых материалов.

Разновидность электрохимическая обработка металлов - электролитный нагрев с целью термической или химико-термической обработки деталей (нагрев с последующей закалкой в электролите, науглероживание, азотирование поверхностного слоя). Этот вид обработки проводится в таком режиме, когда растворение металла крайне мало, а сильный нагрев происходит при прохождении тока через парогазовый приэлектродный слой, который возникает из-за вскипания электролита около электрода при высоких значениях плотности тока и напряжения.

Электрохимическое оксидирование имеет две основных разновидности: получение барьерных тонких (толщиной до мкм) и пористых толстых (до нескольких сотен мкм) анодных оксидных пленок. Барьерные пленки получают в растворах электролитов типа Н3ВО3, не растворяющих оксиды, обычно в два этапа. На первом этапе - в гальваностатических условиях; при этом напряжение увеличивается во времени, а толщина оксидной пленки пропорциональна прошедшему количеству электричества. После достижения заданного напряжения режим изменяют на вольтостатический: ток снижается во времени, диэлектрические свойства оксидной пленки повышаются. Одна из наиболее важных областей применения барьерных оксидных пленок - получение диэлектрического слоя электролитических конденсаторов.

Пористые анодные оксидные пленки выращивают в агрессивных по отношению к оксиду электролитах, например в 15%-ной H2SO4, при постоянном напряжении. Такие пленки состоят из двух слоев: тонкого барьерного и значительно более толстого пористого. Они широко применяются в качестве декоративно-защитных покрытий. Для улучшения защитных свойств после оксидирования пористые пленки подвергают операции "наполнения" ("уплотнения"), чаще всего обработкой в горячей воде. Для повышения декоративных свойств пористые пленки на алюминии окрашивают в разные цвета, подвергая обработке растворами красителей или дополнительной электрохимической обработке переменным током в электролитах, содержащих соли Сu, Ni, Sn.

Новое направление электрохимическая обработка металлов - микродуговое оксидирование, то есть формирование анодной оксидной пленки в условиях протекания электрических микроразрядов на аноде, что расширяет возможность получения оксидных покрытий с различными полезными свойствами.

Если в сосуд с токопроводящей жидкостью ввести твердые проводящие пластинки (электроды) и подать на них напряжение, возникает электрический ток. Такие токопроводящие жидкости называются проводниками второго рода или электролитами. К их числу относятся растворы солей, кислот или щелочей в воде (или в других жидкостях), а также расплавы солей.

Электрохимическое обезжиривание

Электрохимическое обезжиривание (процесс удаления жиров и масел с поверхности изделия) может происходить на катоде, на аноде и может быть комбинированным - на катоде с последующим кратковременным переключением на анод.

Процесс электрохимического обезжиривания на катоде заключается в омылении жиров гидроксильными ионами, концентрация которых у катода бывает повышенной благодаря выделению газообразного водорода, способствующего механическому отрыву капелек жиров и масел.

При поляризации обрабатываемых изделий облегчается удаление с их поверхности жировых загрязнений: при увеличении поляризации уменьшается прочность прилипания масла к обрабатываемой поверхности и увеличивается смачиваемой металла водой.

Механизм процесса анодного обезжиривания аналогичен катодному, но скорость обезжиривания на аноде меньше, что объясняется меньшей щелочностью у анода и тем, что выделяющийся на аноде кислород слабее воздействует на обделение жиров и масел от поверхности изделий.

Схема электрохимической обработки отверстий сложных конфигураций в деталях

Носителями тока в электролитах служат положительные и отрицательные частицы - ионы, на которые расщепляются в растворе молекулы растворенного вещества. При этом положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду - катоду, отрицательные - к положительному электроду - аноду. В зависимости от химической природы электролита и электродов эти ионы либо выделяются на электродах, либо вступают в реакцию с электродами или растворителем. Продукты реакций либо выделяются на электродах, либо переходят в раствор. Это явление получило название электролиза.

Электролиз широко применяется в промышленности для изготовления металлических слепков с рельефных моделей, для нанесения защитных и декоративных покрытий на металлические изделия, для получения из расплавленных руд металлов, для очистки металлов, для получения тяжелой воды, в производстве хлора и др.

Одна из новых областей промышленного применения электролиза - электрохимическая размерная обработка металлов. Она основана на принципе растворения металла под действием тока в водных растворах солей.

Светолучевой станок для обработки алмазных фильтров

При электрохимической размерной обработке электроды располагают в электролите на очень близком расстоянии друг от друга (50-500 мкм). Между ними под давлением прокачивают электролит. Благодаря этому металл растворяется чрезвычайно быстро, и если поддерживать постоянным расстояние между электродами, то на заготовке (аноде) можно получить достаточно точное отображение формы электрода-инструмента (катода).

Таким образом, с помощью электролиза можно сравнительно быстро (быстрее, чем механическим методом) изготавливать детали сложной формы, разрезать заготовки, делать в деталях отверстия или пазы любой формы, затачивать инструмент и т. д.

К преимуществам электрохимического метода обработки следует отнести, во-первых, возможность обрабатывать любые металлы, независимо от их механических свойств, во-вторых, то, что электрод-инструмент (катод) в процессе обработки не изнашивается.

Электрохимическая обработка производится на электрохимических станках. Их основные группы: универсальные копировально-прошивочные - для изготовления штампов, пресс-форм и других изделий сложной формы; специальные - для обработки лопаток турбин; заточные и шлифовальные - для заточки инструмента и плоского или профильного шлифования труднообрабатываемых металлов и сплавов.

электрохимический обработка металл деталь

Световой луч (лазер)

Вспомните "Гиперболоид инженера Гарина" А. Н. Толстого. Идеи, еще недавно считавшиеся фантастическими, становятся реальностью. Сегодня световым лучом прожигают отверстия в таких прочных и твердых материалах, как сталь, вольфрам, алмаз, и это уже никого не удивляет.

Всем вам приходилось, конечно, ловить солнечные зайчики или фокусировать линзой солнечный свет в маленькое яркое пятно и выжигать им разные рисунки на дереве. А вот на стальном предмете вы не сможете таким образом оставить какой-либо след. Конечно, если бы удалось сконцентрировать солнечный свет в очень маленькую точку, скажем, в несколько микрометров, то тогда удельная мощность (т. е. отношение мощности к площади) была бы достаточной, чтобы расплавить и даже испарить в этой точке любой материал. Но солнечный свет невозможно так сфокусировать.

Чтобы с помощью линзы сфокусировать свет в очень малое пятно и получить при этом большую удельную мощность, он должен обладать минимум тремя свойствами: быть монохроматическим, т. е. одноцветным, распространяться параллельно (иметь малую расходимость светового потока) и быть достаточно ярким.

Линза фокусирует лучи различного цвета на разном расстоянии. Так, лучи синего цвета собираются в фокус дальше, чем красного. Так как солнечный свет состоит из лучей различного цвета, от ультрафиолетового до инфракрасного, то и точно сфокусировать его не удается - фокусное пятно получается размытым, относительно большим. Очевидно, что монохроматический свет дает значительно меньшее по площади фокусное пятно.

Газовый лазер, применяемый для резки стекла, тонких пленок и тканей. В ближайшем будущем такие установки будут применяться для раскроя металлических заготовок значительной толщины.

Из геометрической оптики известно, что диаметр пятна света в фокусе тем меньше, чем меньше расходимость светового луча, падающего на линзу. Поэтому-то для поставленной нами цели необходимы параллельные лучи света.

И наконец, яркость нужна для того, чтобы создать в фокусе линзы большую удельную мощность.

Ни один из обычных источников света не обладает этими тремя свойствами одновременно. Источники монохроматического света маломощны, а мощные источники света, такие, как, например, электрическая дуга, имеют большую расходимость.

Однако в 1960 г. советские ученые - физики лауреаты Ленинской и Нобелевской премий Н. Г. Басов и А. М. Прохоров одновременно с лауреатом Нобелевской премии американским физиком Ч. Таунсом создали источник света, обладающий всеми необходимыми свойствами. Его назвали лазер, сокращенно от первых букв английского определения принципа его работы: light amplification by stimulated emission of radiation, т. е. усиление света с помощью стимулированного излучения. Другое название лазера - оптический квантовый генератор (сокращенно ОКГ).

Известно, Что всякое вещество состоит из атомов, а сам атом состоит из ядра, окруженного электронами. В обычном состоянии, которое называется основным, электроны так расположены вокруг ядра, что их энергия минимальна. Чтобы вывести электроны из основного состояния, необходимо сообщить им извне энергию, например, осветить. Поглощение электронами энергии происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Поглотившие энергию электроны переходят в возбужденное состояние, которое является неустойчивым. Через некоторое время они вновь возвращаются в основное состояние, отдавая поглощенную энергию. Этот процесс происходит не одномоментно. При этом оказалось, что возврат одного электрона в основное состояние и выделение- им при этом кванта света ускоряет (стимулирует) возврат в основное состояние других электронов, которые также выделяют кванты, и притом точно такие же по частоте и длине волны. Таким образом, мы получаем усиленный монохроматический луч.

Принцип работы светолучевого станка рассмотрим на примере ОКГ из искусственного рубина. Этот рубин получен синтетическим путем из окиси алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома.

В качестве внешнего источника энергии применяется импульсная лампа 1, подобная той, что используют для вспышки при фотографировании, но значительно более мощная. Источником питания лампы служит конденсатор 2. При излучении лампы атомы хрома, находящиеся в рубине 3, поглощают кванты света с длинами волн, которые соответствуют зеленой и синей частям видимого спектра, и переходят в возбужденное состояние. Лавинообразный возврат в основное состояние достигается с помощью параллельных зеркал 4. Выделившиеся кванты света, соответствующие красной части спектра, многократно отражаются в зеркалах и, проходя через рубин, ускоряют возврат всех возбужденных электронов в основное состояние. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него луч выводится наружу. Этот луч имеет очень малый угол расхождения, так как состоит из квантов света, многократно отраженных и не испытавших существенного отклонения от оси квантового генератора (см. рис. на стр. 267).

Такой мощный монохроматический луч с малой степенью расходимости фокусируется линзой 5 на обрабатываемую поверхность и дает чрезвычайно маленькое пятно (диаметром до 5-10 мкм). Благодаря этому достигается колоссальная удельная мощность, порядка 1012-1016 Вт/см2. Это в сотни миллионов раз превышает мощность, которую можно получить при фокусировании солнечного света.

Такой удельной мощности достаточно, чтобы в зоне фокусного пятна в тысячные доли секунды испарить даже такой тугоплавкий металл, как вольфрам, и прожечь в нем отверстие.

Сейчас светолучевые станки широко применяются в промышленности для получения отверстий в часовых камнях из рубина, алмазах и твердых сплавах, в диафрагмах из тугоплавких труднообрабатываемых металлов. Новые станки позволили в десятки раз повысить производительность, улучшить условия труда и в ряде случаев изготавливать такие детали, которые другими методами получить невозможно.

Лазер не только производит размерную обработку микроотверстий. Уже созданы и успешно работают светолучевые установки для резания изделий из стекла, для микросварки миниатюрных деталей и полупроводниковых приборов и др.

Лазерная технология, в сущности, только появилась и на наших глазах становится самостоятельной отраслью техники. Можно не сомневаться, что с помощью человека лазер в ближайшие годы "освоит" десятки новых полезных профессий и станет трудиться в цехах заводов, лабораториях и на стройках наравне с резцом и сверлом, электрическими дугой и разрядом, ультразвуком и электронным лучом.

Список литературы

1. Ямпольский A.M., Травление металлов, М., 1980;

2. Анодные оксидные покрытия на металлах и анодная зашита, 2 изд., К., 1985;

3. Штанько В.М., Животовский Э.А., Электрохимическая обработка металлопродукции, М., 1986;

4. Грилихес С. Я., Электрохимическое и химическое полирование, Л., 1987;

5. Дураджи В.Н., Парсаданян А. С., Нагрев металлов в электролитной плазме, Киш., 1988;

6. Давыдов А.Д., Козак Е., Высокоскоростное электрохимическое формообразование, М., 1990.

7. http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4502.html

Размещено на Allbest.ru