Файл: Учебное пособие для студентовзаочников. Компьютерная версия. 2е изд., перер и доп. Челябинск юурГУ, 2006. 89 с. З. И. Поляков и др., 1986. Издво Челябинского политехнического инсти тута имени Ленинского комсомола.pdf

31
При разработке типовых и оригинальных технологических процессов следует учитывать такие особенности электроэрозионной обработки, как малое силовое воздействие на заготовку, практическое отсутствие затруднений при обработке высокопрочных и закаленных сталей и сплавов, возможность обра- ботки прецизионных отверстий, возможность обработки в труднодоступных местах.
2. Электрохимические методы обработки металлов
2.1 Общие сведения
Пропускание электрического тока через систему «катод-электролит- анод» при определенных условиях сопровождается химическими процессами, изменяющими размеры, форму и качество поверхности электродов. Способы обработки металлов и сплавов, основанные на применении этих процессов, на- зываются электрохимическими (ЭХО).
Характерным примером электрохимической обработки является операция прошивки ручья сложной формы в штампе (рис. 2.1, см. с. 32). Заготовка штам- па подключается к положительному полюсу (анод) источника технологическо- го тока, электрод-инструмент — к отрицательному (катод). Между электродами прокачивается электролит. В результате химических реакций часть металллa анода в виде непрочных металлогидратных соединении (например, Fe(ОН
3
)) переходит в электролит и уносится потоком из зоны обработки. Благодаря это- му на обрабатываемой заготовке образуется полость, являющаяся негативным изображением поверхности катода. Подобные процессы получили название процессов анодно-гидравлической обработки (АГО).
В некоторых случаях продукты химических реакций носят характер пле- нок, покрывающих анод. Поток электролита оторвать от анода такие пленки не может. Процессы, в которых для удаления продуктов реакции применяется ме- ханическое воздействие инструмента на деталь, называют электрохимикомеха- нической обработкой.
2.2 Физико-химические процессы на электродах и электролите
При растворении молекулы щелочей, кислот и солей диссоциируют на положительно и отрицательно заряженные ионы-катионы К
n и анионы А
n
, где n
— число, выражающее валентность иона. Так, например, образование ионов сопровождается растворением в воде хлористого натрия (NaCl), серной кисло- ты (H
2
SO
4
), гидроксила калия (KOH):
NaCl
↔Na
+
+Cl
-
;
H
2
SO
4
↔2H
+
+(SO
4
)
2-
;
KOH
↔K
+
+(OH)
-
В диссоциированном состоянии находится незначительное число молекул растворителя, например, воды:
H
2
O
↔2H
+
+(OH)
-

32
↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓ шлам газ
Рис. 2.1 Схема электрохимической (анодно-гидравлической) обработки:
1 — электрод-инструмент; 2 — электрод-деталь;
3 — источник технологического тока.
Между несоприкасающимися электродами, опущенными в ионосодержа- щие растворы, под действием внешней э.д.с. протекает электрический ток. Но- сителями электронов в таком растворе являются ионы. Вещества с ионной про- водимостью называются электролитами. В более широком смысле электроли- тами называют растворы диссоциирующих веществ, проводящие электриче- ский ток. В практике ЭХО, как правило, применяются растворы электролитов в воде.
Металлы (кроме щелочноземельных), погруженные в электролит при от- сутствии внешней э.д.с. находятся в состоянии равновесия: число ионов метал- ла, переходящих с электрода в раствор в единицу времени равно числу ионов, восстанавливающихся на том же электроде. Потенциал
ϕ между электродом и электролитом при отсутствии тока в цепи «электрод-электролит» называется равновесным. Равновесный потенциал электрода можно измерить лишь, сопос- тавляя его с потенциалом какого-либо стандартизованного электрода. Таким электродом является специальный электрод, на котором протекает лишь реак- ция восстановления водорода. Потенциал такого водородного электрода принят за ноль. Равновесные потенциалы металлических электродов при t = 25

33
давлении 1 кгс/см
2
, измеренные относительно потенциала водородного элек- трода, называются стандартными электродными потенциалами и обозначают- ся
ϕ
0в
Химические реакции, вызывающие изменение формы и размеров элек- трода, идут лишь при приложении к электроду внешней э.д.с., нарушающей равновесное состояние. Величина этой э.д.с. зависит от ряда условий, в том числе от материала электрода, величины его стандартного потенциала
(табл. 2.1).
Таблица 2.1
Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов
Металл
Натрий Алюминий Хром Железо Водород Титан
Ион металла Na
+
Al
3+
Cr
3+
Fe
3+
Н
+
Ti
3+
ϕ
0в
–2,71 –1,67 –0,71
–0,36 0,0000
+0,72
При подаче напряжения технологического тока на электродах и в элек- тролите протекают реакции, схемы которых показаны на рис. 2.1 (на примере электролита NaCl и металлов, сплавы которых наиболее часто встречаются в машиностроении).
С точки зрения формообразования важнейшими являются реакции элек- тролиза — анодного растворения металла детали. Характер этих реакций зави- сит от режима ЭХО. При размерной электрохимической обработке встречаются два основных режима электролиза: режимы транспассивации и анодной акти- вации.
В режиме транспассивации поверхность анода покрыта тончайшей пас- сивной пористой пленкой из оксидов и гидроксидов металлов (Me
m
O
n
,
Me(OH)
n
). Наиболее подвижные анионы (Br
–
, F
–
, Cl
–
) проникают сквозь поры пленки и образуют с металлом анода легко растворимые соединения (например,
FeCl
2
, TiBr
2
). Эти соединения переходят в электролит с образованием катионов
Me
n+
. В электролите протекают необратимые реакции типа
Me n+
+n(OH)
–
→Me(OH)
n
↓.
Нерастворимые продукты реакции выпадают в осадок. При этом актив- ные ионы (Cl
–
, Fe
–
, Br
–
) практически не расходуются. Лишь незначительная часть их убывает вместе с водой, входящей в состав осаждающихся гидрооки- сей.
В режиме анодной активации на поверхности анода пассивных пленок нет. Под действием э.д.с. источника технологического тока электроны с анода переходят в электролит. При этом ослабляется связь поверхностных ионизиро- ванных атомов анода с кристаллической решеткой. Ионизированные атомы ме- талла образуют с анионами и гидроокислом легко растворимые комплексы типа
{Me(OH)
n–
}A
m–
. Эти комплексы переходят в электролит диссоциируют в нем с образованием катионов Me
n+
. Как и в режиме транспассивации, катионы Me
n+

34
реагируют с имеющимися в растворе анионами (ОН)
–
. Образующиеся при этом нерастворимые гидроксилы Me(OH)
n выпадают в осадок.
Образование анодных пассивных пленок наиболее вероятно при ЭХО сталей в растворах щелочей, хлоратной (HСlO
3
n H
2
O), нитратной (НNO
3
) ки- слоте и их солей (например, NaClO
3
). Анодное растворение в этих электроли- тах идет в режиме транспассивации.
Режим анодной активации характерен для ЭХО металлов в растворах со- лей хлороводородной (НСl), фтороводородной (НF), бромоводородной (HBr)
кислоты. Наиболее часто применяются натриевые и калиевые соли этих кислот
(NaCl, КCl,КBr).
Некоторые металлы (например, титан) покрываются пористыми пассив- ными пленками в большинстве применяемых электролитов. Обработка этих ме- таллов идет в режиме транспассивации.
Тип режима анодного растворения зависит так же и от ряда других фак- торов (от анодной плотности тока, локальной неоднородности электролита и т.д.). В реальных процессах из-за неравномерности припуска и по другим при- чинам значительно колеблется величина межэлектродного промежутка. При сложной конфигурации электродов не всегда удается создать одинаковые для всех точек анода условия обмена электролита. В застойных зонах повышается концентрация продуктов анодного растворения и ионов (ОН)
–
. Поэтому плот- ность тока и состав электролита, а, следовательно, и режим анодного растворе- ния в разных точках анода различны. Транспассивный режим по сравнению с активационным требует больших затрат энергии, съем металла в этом режиме меньше. Поэтому растворение разных участков анода в различных режимах может вызвать разный съем металла и ухудшение точности обработки. Во из- бежание этого при высоких требованиях к точности применяются электролиты, обеспечивающие транспассивные режимы растворения по всей обрабатывае- мой поверхности анода. Высокое качество и точность обработки в транспас- сивном режиме обеспечиваются и другимимеханизмами, рассматриваемыми ниже.
При больших плотностях тока на аноде также идет реакция выделения кислорода (см. рис. 2.1, см. с. 32). Это повышает расход энергии, увеличивает вероятность образования прочных пассивных пленок, снижает к.п.д. процессов
ЭХО. Кроме того, атомарный кислород может вступить в реакцию соединения с водородом, выделяющимся на катоде, что часто приводит к взрыву. Для пре- дупреждения взрывов электрохимические станки снабжаются вытяжной венти- ляцией. Реакция восстановления водорода
H
+
+e
→H; H+H=H
2
↑ является важнейшей катодной реакцией процессов ЭХО. Восстановление иона водорода (разряд иона) заключается в отрыве с катода и присоединении элек- трона. Мерой энергии, затрачиваемой на этот процесс, является потенциал раз- ряда
ϕ
н
. В условиях, обычных для ЭХО, потенциалы разряда катионов металлов более отрицательны, чем потенциал разряда водорода (например,
ϕ
Na
=2,71В, а

35
ϕ
H
=0,415В). На разряд ионов металлов требуется больше энергии, чем на разряд ионов водорода, поэтому ионы металла на катоде не восстанавливаются и фор- ма катода-инструмента в процессе обработки не изменяется.
Масса водорода, восстанавливаемого на катоде, пропорциональна току I
a и времени t
∫
−
×
=
t
2
C
0 3
H
Idt
10 625
,
0
M
. (2.1)
При растворении 1 см
3
железа (7,85 г) расходуется 6,3 г воды с образова- нием 0,28 г водорода (3 л при нормальном давлении и комнатной температуре).
Объем реально выделяющегося водорода возрастает при больших токах, интенсифицирующих реакцию диссоциации воды. Анионы (ОН)
–
, образовав- шиеся в результате этой реакция, при определенных условиях в электролите и придают ему свойства щелочи.
Этот процесс называется защелачиванием.
Защелачивание может носить общий и локальный характер. В первом случае концентрация ионов (ОН)
–
повышается не только в межэлектродном за- зоре (МЭП), но и в баке. Во втором случае концентрация, (OH)
–
увеличивается лишь в отдельных местах МЭП (на участках, удаленных от входа потока элек- тролита, и в застойных зонах).
С наибольшей скоростью электродные реакции на железе и ряде его сплавов протекают в кислых электролитах. В этих растворах концентрация во- дородных ионов выше концентрации ионов гидроксила. Ионы водорода более подвижны, что позволяет работать при больших токах.
Так как степень кислотности или щелочности электролита влияет на про- изводительность и точность обработки, этот показатель качества раствора сле- дует нормировать при разработке техпроцесса и контролировать при эксплуа- тации оборудования.
Степень щелочности электролита численно характеризуется десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, взятым с обратным знаком. Этот параметр называется водородным показателем рН. Величины рН изменяются в пределах от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН = 7 (в этом случае lgC
H+
= lgC
(OH)–
). Для кислых растворов рН < 7 (lgC
H+
> lgC
(OH)–
). Для щелочных рН > 7 (lgC
H+
< lgC
(OH)–
). В основе критерия щелочности растворов лежит закон деиствующих масс, согласно которому произведение концентрации ионов C
H+
и
C
(OH)–
в воде при определенной температуре есть величина постоянная.
При ЭХО стали и ряда сплавов на основе железа в щелочных электроли- тах на поверхности деталей образуются темные пористые пленки. Более 90% массы этих пленок составляют негидратированные соединения
γFe
2
O
3
и незна- чительное количество FeO, остальные — адсорбированная и кристаллизацион- ная вода, а также до нескольких процентов кристаллических щелочей и солей
(KOH, NaOH, NaCl и др. в зависимости от состава электролита). Аналогичные пленки наблюдаются и при обработке в кислых электролитах, в связи с выделе- нием на аноде кислорода. Такие пленки пассивны, т.е. препятствуют дальней- шему ходу анодных реакций. Скорость анодного растворения металлов зависит от подвижности ионов. Чем выше температура электролита, тем подвижнее ио-