§ ХVI.3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ АНОДНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Для изменения размеров и формы, а также состояния поверхности металлических изделий используют электрохимические способы обработки, при которых производится электроокисление металлических изделий: электрохимическая размерная обработка, электрохимическое полирование и анодирование.

Электрохимическая размерная обработка металлов и сплавов.

Анодная обработка изделий для придания им требуемой формы получила название электрохимической обработки металлов (ЭХОМ). Этот способ обработки металлов во многих случаях имеет важные достоинства, так как позволяет обрабатывать детали сложной конфигурации и металлы, которые механически или вообще не могут быть обработаны, или обрабатываются с большим трудом (например, очень твердые металлы и сплавы). Кроме того, инструмент (катод) при этом не изнашивается, а обработка не влечет изменения структуры металла. К недостаткам ЭХОМ относится большой расход энергии, поэтому этот метод не применяется для обработки обычных металлов, сплавов и изделий простой конфигурации. Как и при обычном электролизе с растворимыми анодами, при ЭХОМ происходит анодное растворение металла: На катоде, который при электрохимической обработке называют инструментом, обычно выделяется водород:

Особенностью ЭХОМ по сравнению с другими методами электролиза является высокая скорость растворения металлов. Плотность тока при электрохимической обработке металлов в сотни и тысячи раз выше плотности тока других электрохимических процессов. Для обеспечения высоких скоростей процесса (высоких плотностей тока) при относительно невысоких напряжениях необходимо снизить омическое падение напряжения и поляризацию электродов. Омическое падение напряжения уменьшается снижением зазора между электродами (до 0,1 мм) и использованием раствора электролита с высокой электрической проводимостью.

К особенности анодных процессов относится пассивность металлов, при которой резко падает скорость анодного растворения металла, несмотря на увеличение анодной поляризации. Как видно из рис. XVI.6, при увеличении анодной поляризации растет плотность анодного тока. При некоторой поляризации, равной потенциал анода становится равным потенциалу

Рис. XVI.6. Поляризационная кривая металлического анода при пассивации металла

пассивации после этого анодный ток начинает резко уменьшаться до минимального значения . Скорость анодного процесса начинает снова возрастать лишь после достижения потенциала при котором начинается новый процесс, например выделение кислорода. Всю анодную кривую можно разделить на несколько областей. В области происходит активное растворение металла, в области — пассивация металла и падение скорости процесса, в области — пассивное состояние металла, при котором скорость анодного растворения очень мала, и в области протекает новый анодный процесс. Причиной пассивности металлов является адсорбция кислорода, образование оксидных пленок на поверхности металла или действие обоих факторов. Из-за наличия адсорбированного кислорода или оксидной пленки растворение металла тормозится.

Для предотвращения пассивации металла процесс необходимо вести в активной области, т. е. снижать анодную поляризацию. Существенную роль при электрохимической обработке металлов играет концентрационная поляризация, так как при высоких скоростях растворения металла и малом расстоянии между электродами может происходить быстрое изменение концентрации продуктов реакции в межэлектродном пространстве. Для снижения концентрационной поляризации и предотвращения пассивации анода необходимо принудительно с высокой скоростью выводить продукты анодного растворения металла из зазора между анодом и катодом.

Схема электрохимической обработки металла представлена на рис. XVI.7. Обрабатываемое изделие служит анодом и растворяется при прохождении тока. К отрицательному полюсу источника тока подключается катод (инструмент), обычно изготавливаемый из стали. На катоде выделяется водород. Между электродами сохраняется небольшой зазор, по мере растворения анода передвигают катод, чтобы сохранить малое расстояние между анодом и катодом. В зазор между электродами подается под давлением раствор электролита, в данной установке через полость в центре катода. Раствор электролита выносит из межэлектродного пространства продукты анодного растворения и газообразные продукты катодной реакции. Последние затем удаляются в атмосферу, а продукты растворения тем или иным способом выводятся из раствора электролита. В качестве растворов электролитов для обработки сталей и многих цветных металлов (никель, медь, кобальт, титан) и их сплавов применяется раствор ; для обработки алюминия, цинка, олова и

Рис. XVI.7. Схема электрохимической обработки металла: 1 — раствор электролита; 2 — катод (инструмент); 3 — анод (изделие)

их сплавов — раствор для обработки молибдена и вольфрама — раствор NaOH.

В настоящее время ЭХОМ используется для обработки лопаток турбин, штампов и пресс-форм, твердых и тугоплавких металлов и сплавов, получения и обработки отверстий и полостей, для фрезерования, точения и шлифования различных изделий, заточки инструмента.

Электрохимическое полирование

представляет собой анодную обработку металла для создания ровной и блестящей поверхности. Изделие, имеющее микро- и макронеровности, является анодом электролизера. Катодом служит металл, химически не растворимый в растворе электролита. В качестве растворов электролитов используют растворы фосфорной, хромовой, серной, уксусной, плавиковой кислот и др. В процессе электрополировки происходит анодное растворение металла на макро- и микровыступах, в результате чего поверхность становится гладкой и блестящей. На катоде выделяется водород. Механизм электрополировки окончательно не выяснен. Эффект электрополирования обычно связывается с действием вязкой пленки, образующейся в прианодном слое, затрудняющем растворение металла в углублениях по сравнению с растворением на выступах, а также поочередным пассивированием и активированием металла.

По сравнению с механической полировкой электрополировка менее трудоемка, лучше поддается автоматизации, позволяет обрабатывать металлы, которые трудно полировать механически. Кроме того, при электрополировке не происходит искажения структуры металла. Электрополировка широко используется для изучения структуры металлов и сплавов, а также в промышленности для обработки нержавеющей и углеродистой сталей, никеля, алюминия, меди и ее сплавов.

Анодное оксидирование (анодирование)

широко применяется для обработки алюминия. Алюминиевое изделие играет роль анода электролизера. Электролитом служит раствор серной, хромовой, борной или щавелевой кислот, катодом может быть металл, не взаимодействующий с раствором электролита, например свинец. На катоде выделяется водород, на аноде происходит образование оксида алюминия . Суммарный процесс на аноде можно представить следующим уравнением:

Механизм реакции имеет сложный характер. Электродная реакция протекает в несколько стадий. Наряду с образованием оксида происходит его частичное растворение в кислоте:

В результате пленка становится пористой, через поры пленки проникают ионы и процесс роста пленки продолжается. Полученная пленка имеет ценные свойства. Она весьма пориста, причем размеры пор очень малы. Вследствие этого пленка может быть пропитана различными составами, повышающими коррозионную стойкость поверхности. Красители также могут придать поверхности разнообразную окраску, что используется при декоративной обработке алюминия.

Оксидная пленка весьма тверда, поэтому после анодирования повышается износостойкость металла. Пленка имеет высокое электросопротивление. Так, на алюминии высокой чистоты удается получить пленки с удельным электросопротивлением 1014 Ом «см. Поэтому оксидирование используется для получения изолирующих слоев на алюминиевых лентах, применяемых в конденсаторах.

Кроме алюминия производят также электрохимическое оксидирование магния и меди.