Электрохимические технологии

Размерная электрохимическая обработка.

Размерная электрохимическая обработка – это процесс получения из заготовки какой-либо детали требуемой формы и размера с использованием явления анодного растворения металла.

Технологические схемы

Обработка с неподвижными электродами. Схема технологического представлена на рис.

Рис.

1 – электрод – инструмент неподвижный;

2 – заготовка (обрабатываемое изделие);

3 – диэлектрик с открытыми участками.

- направление и скорость движения электролита.

При такой обработке на месте открытого участка появляется отверстие или углубление. Рабочий зазор – изменяется в процессе обработки (увеличивается) и процесс получается нестационарным. Это является недостатком.

Такая схема применяется для получения отверстий, удаления заусенцев, нанесения надписей.

Схема для прошивания отверстий, углублений, полостей сложной конфигурации (рис. ).

Рис.

1 - электрод – инструмент; 2 - обрабатываемое изделие.

Электрод – инструмент имеет поступательное перемещение со скоростью в указанном направлении, причем таким образам, что . Электрод – инструмент иногда выполняется полым, в нем делаются мелкие отверстия для подачи и отвода электролита.

Точение наружных и внутренних поверхностей (аналогия токарной обработки рис. ).

Рис.

Электрод – инструмент может иметь перемещение как поперек, так и вдоль, соответственно и .

Разрезание заготовок.

Рис.

Производительность не очень высокая. Применяется, когда нельзя использовать механическое воздействие, например, когда материал вязкий или хрупкий (крошится).

Шлифование поверхности (рис. ).

Рис.

Во всех схемах “+” всегда подается на обрабатываемую поверхность.

Размерная электрохимическая обработка обязательно применяется тогда, когда недопустимы механические усилия.

Механизм размерной электрохимической обработки.

Удаление металла происходит в среде электролита под действием электрического тока без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В этом случае удаляемый металл претерпевает химическую реакцию соединения с продуктами разложения воды. При этом образуются нерастворимые в воде соединения – гидрооксиды металлов в виде мелких твёрдых частичек. Эти соединения уносятся потоками электролита. Попутно, в результате разложения молекул воды, на аноде появляется кислород, на катоде водород. На катоде наблюдается только разложение воды, и он не изнашивается. В качестве электролита наиболее часто используются раствор поваренной соли (NaCl) и раствор нитрата натрия. Электрод – инструмент изготавливают из меди, бронзы или графита.

По первому закону Фарадея:

- масса растворенного металла,

- количество электричества

(Кл),

- электрофизический эквивалент

(кг/Ас)

- число Фарадея,

A – атомная масса,

n – валентность,

I – величина электрического тока,

τ – время обработки.

Окончательнополучаем:

.

Значения электрохимического эквивалента

Материал
Сталь 4,5 Титан Алюминий Медь Никель Цинк	0,223 ~0,16 ~0,091 0,329 0,304 0,34

На практике чаще пользуются скоростью линейного растворения – это фактически скорость перемещения электрода – инструмента в процессе обработки. Эта скорость дает значение о производительности процесса.

,

,

- плотность тока,

- площадь обрабатываемой поверхности,

,

- смещение электрода – инструмента,

- плотность обрабатываемого материала,

,

- напряженность электрического поля,

- удельная проводимость электролита.

Тогда скорость линейного растворения определится по формуле

,

Параметр - называется коэффициент выхода по току и учитывает отклонения от закона Фарадея, которые имеют место на практике. Численное значение этого коэффициента колеблется в пределах и зависит от вида электролита, формы и размеров электродов, величины напряжения. Если , это означает, происходит дополнительное удаление металла вследствие побочных химических реакций.

Для большинства расчетных схем напряжение берется в пределах . Для титанового сплава напряжение может достигать . Такое же напряжение используется при резке металлов. При шлифовке . Скорость электролита составляет .

Электролизные установки

Сущность электролизного технологического процесса (рис. ), заключается в том, что при протекании электрического постоянного тока через электролитическую ванну может иметь место одно из явлений:

· Либо происходит осаждение частиц вещества из электролита на электродах ванны (электроэкстракция)

· Либо имеет место перенос вещества с одного электрода на другой через электролит (электролитическое рафинирование)

В качестве электролита используется растворы солей, кислот и оснований как правило в воде.

В электролите имеет место ионная проводимость. При подаче напряжения на электроды ионы движутся к электродам, нейтрализуются и оседают на них. При этом имеет место либо электроэкстракция либо электролитическое рафинирование.

Основное значение имеет при выборе понятие нормального потенциала.

Если электрод изготовлен из такого же металла как электролит, то при некотором потенциале между электродом и электролитом нет ни первого, ни второго процесса. Такой потенциал называется нормальный.

Металл, электролит	Нормальный потенциал,В
Al N2 H Cu Ag Zn	-1.67 -2.71 0.34 0.8 -0.76

Если на электроды подать более отрицательный потенциал, то начинается электроэкстракция.

Если более положительный, то электролитическое рафинирование.

Электролиз применяют для получения или очистки металлов.

В количественном отношении электролизный процесс описывается тем же самым законом Фарадея.

U_эл=E_р+E_п+U_э+U_с

E_р - напряжение разложения

E_п – сумма анодного и катодного ПН

U_э – падение напряжения на электролите

U_с – падение напряжения на шинах контактов электродов

U_э = I∙R_вн

U_э =I∙(R_ш+R_к+R_э)

P_эл = I∙(E_p+E_п+U_э+U_с)

W = P_эл∙τ

τ – время технологического процесса

E_p – полезная работа

Эффективность электролизного процесса описывается массой вещества.

Сырьем для получения Znслужит цинковая обманка ZnS. Этот минерал сначала подвергают окислению, обжигу, а затем подвергают выщелачиванию.

ZnSO₄ + H₂O (5÷6%) Проводимость у такого раствора невысока, поэтому добавляют к этому раствору 10÷12% H₂SO₄

Электролитическая ванна выполнена из дерева или бетона и изолирована от земли.

Электролизный процесс проводится при t = 35÷40⁰C

j = 400÷600 А/м²

На катоде появляется ПН – 1,1 В (нормальный потенциал -0,76 В)

Возникает электроэкстракция – осаждение Zn на катоде.

η = 0,88÷0,94

1/g_э = 3500 кВт∙ч/т

τ = 40÷50 часов

После этого Zn сдирают с катода и переплавляют.

Получение Al

В качестве электролита используются не раствор, а расплав. В качестве сырья используется глинозем Al₂O₃

t_пл = 2050 ⁰С

Расплав этого материала имеет низкую проводимость. Поэтому в качестве электролита используют глинозем и криолит Na₃AlF₆

t_пл = 950 ⁰С

Ванны и электроды изготавливают из угля или графита.

I = 200÷250 кА

j = 7÷10 кА/м²

1/g_э = 14000÷16000 кВт∙ч/т

Гальванотехника

Это электротехнологический процесс осаждения металла на поверхность как металла, так и не металлических изделий с помощью электролиза.

Толщина покрытия не превышает десятков мкм.

Различают 2 разновидности:

· гальваностедия

· гальванопластика

Гальваностедия – омеднение, золочение, золочение, хромирование, никелирование…

Перед обработкой поверхность тщательно очищают, затем осуществляют травление кислотой H₂SO₄ , HCl. В качестве электролита используется раствор соли наносимого металла. Иногда добавляют кислоты и щелочи для повышения проводимости. Анод изготавливается из наносимого металла, изделие является катодом.

Происходит перенос металла с анода на катод, обработка происходит при небольших плотностях тока , не больше десятков А/м².

Гальванопластика – получение точных копий с изделий.