Электрохимическое полирование нержавеющей стали

Металлическому изделию можно придать блеск различными способами. Для этого не обязательно использовать специальные покрытия, можно воспользоваться методом полировки. Она может быть механической, например, с помощью наждачных кругов, химической — когда металл погружают в специальный раствор, а также электрохимической. В этом случае сочетается воздействие химических компонентов и электроразрядов, которые запускают определенные реакции или усиливают их. Электрохимическая полировка металлов может быть выполнена и в обычных домашних условиях, если собрать все необходимое оборудование.

Описание процесса

Во время электрохимического полирования обрабатываемая поверхность металла приобретает зеркальный блеск. Также уменьшаются имеющиеся шероховатости. Процесс происходит следующим образом:

• Деталь считается анодом, то есть, электродом, несущим положительный заряд. Ее необходимо поместить в ванну со специальным составом.
• Еще один важный компонент — катоды, которые необходимы для осуществления реакции.
• В результате воздействия протекает реакция, и происходит растворение. Оно неравномерно, сначала удаляются самые заметные шероховатости, которые выступают над поверхностью больше всего. Одновременно происходит полировка — изделие приобретает зеркальный блеск.

Удаление заметных больших неровностей называется макрополированием, а сглаживание мелких дефектов — это микрополирование. Если эти процессы во время проведения обработки протекают одновременно и равномерно, то изделие приобретает блеск и гладкость. Возможно и такое, что блеск будет получен без сглаживания или наоборот. Два вида полирования не обязательно связаны.

Химическая полировка металла приводит к тому, что на поверхности обрабатываемой детали во время процесса образуется особая пленка. По составу она может быть оксидной или гидроксидной. Если она равномерно охватывает всю поверхность, это создает условия для микрополирования. При этом внешняя часть покрытия, располагающаяся на поверхности, непрерывно растворяется. Чтобы получить возможность провести микрополирование, необходимо обеспечить поддержание равновесия между непрерывным образованием покрытия и растворением, во время работы с деталью толщина слоя должна оставаться неизменной. Это позволит электронам обрабатываемого металла и применяемого состава в процессе взаимодействовать без опасности растворения металлического изделия в агрессивной среде.

Макрополирование тоже напрямую зависит от образующейся пленки. Она покрывает изделие неравномерно, на выступающих неровностях этот слой более тонкий, поэтому они быстрее растворяются, за счет воздействия тока.

СОВЕТ: эффективность общего воздействия полирующего состава можно повысить, если использовать для обработки электролиты, содержащие в своем составе соли слабо диссоциирующих кислот, которые увеличивают общее сопротивление покрытия.

Кроме этого играет роль механическое воздействие, заключающееся в перемешивании. Может уменьшаться толщина пленки или диффузный слой. Некоторые используемые электролиты выполняют свою функцию только при нагреве, также общее правило, которое действует для всех составов — при нагревании снижается нейтрализация, а скорость растворения пленки повышается. Плотность тока и уровень напряжения также входят в число факторов, оказывающих серьезное влияние на процесс. Например, если необходимо провести полировку медных изделий, то для нее подбирается состав с фосфорной кислотой и устанавливается предельный режим тока без образования кислорода. Именно поэтому важно точно соблюдать все необходимые параметры, чтобы добиться качественной полировки.

Оборудование и химикаты

Для работы с различными металлами необходимо подобрать соответствующие электролиты, которые помогут добиться нужного результата:

• Чаще всего применяются составы на основе кислоты различного вида — серной, фосфорной или хромовой.
• Глицерин может быть добавлен для увеличения общей вязкости, если это потребуется.
• Сульфоуреид выступает в роли ингибитора травления.
• Для очистки различных изделий после проведения процедуры могут применяться различные растворители или щелочные средства. Нередко используются составы с поверхностно-активными действующими веществами.

Пропорции создания хим состава

Полировка проводится в специальных ваннах. Важно помнить, что их составляющие относятся к токсичным веществам и опасны для здоровья, особенно если используется нагрев, поэтому обращаться со всеми компонентами необходимо с максимальной осторожностью, соблюдая положенную технику безопасности.

Изделия из цветных или черных металлов можно обрабатывать при помощи универсального состава, который окажет необходимое воздействие. Для этого следует добавить все компоненты, соблюдая пропорции. Ортофосфорная кислота составляет основу — 65%. Серной кислоты должно быть 15% и 14% обычной воды. Хромовый ангидрид занимает 6%.

Нержавеющую сталь можно полировать схожим составом, только воды в нем должно быть 13%, а еще следует добавить глицерин в соотношении 12%. Детали могут находиться в ванне до получаса, хотя штампованным изделиям требуется меньше времени для обработки.

Область применения

Химическая полировка металла используется, чтобы придать поверхности зеркальный блеск. Такое действие может быть направлено на придание деталям более привлекательного облика, если они находятся на виду и являются частью какой-то конструкции. Помимо эстетического назначения, полировка служит не только для красоты. С ее помощью можно избавить деталь от неровностей и шероховатостей, а также защитить от воздействия ржавчины, кислот и различных атмосферных явлений.

Преимущества и недостатки

Разные виды полировки имеют свои особенности, у электрохимической также есть плюсы и минусы:

• Этот способ благоприятно влияет на все свойства стали, увеличивая устойчивость к воздействию коррозии, а также облегчая проведение вытяжки и штамповки. Именно поэтому полировку такого типа часто используются как в лабораторных исследованиях, так и непосредственно для проведения различных работ в промышленности.
• Электрохимическая полировка является более дешевым и быстрым способом обработки металлических изделий. Если механический метод занял бы несколько часов, то с воздействием химикатов и электричества можно закончить дело за несколько минут, получив качественный результат.
• Полировка с электрохимическим воздействием незаменима при работе со сложными деталями, которые имеют различные полости и отверстия.

Химическая полировка металлов кроме преимуществ, имеет некоторые недостатки. Практически каждый существующий металл требует для проведения работы с ним специального состава, поэтому для разных изделий необходимо делать индивидуальные растворы. Также важно правильно подобрать соотношение компонентов, температуру нагрева, плотность тока — от этого напрямую зависит качество полученного результата. Перед проведением такой обработки может потребоваться предварительное механическое шлифование. Кроме того, процедура требует повышенного расхода электроэнергии. Однако при определенных условиях достоинства метода вполне перевешивают его недостатки, позволяя проводить полировку.

Электрохимическая полировка – это процесс обработки поверхности детали путем погружения ее в кислотный раствор. Металлическое изделие подключается к положительно заряженному аноду, и через электролит пропускается ток с напряжением 10–20 В. В результате металл покрывается оксидной или гидроксидной пленкой, под которой происходит полировка путем сглаживания выступающих микронеровностей. Примерно такой же эффект дает химполировка, но здесь заготовки не подвергаются влиянию электрического тока.

Качество работы зависит от однородности материала. Полирование чистых металлов приводит к получению гладкого блестящего изделия. Полировка сложных сплавов не дает такого результата. По окончании работы обработанная поверхность повышает свою чистоту шероховатости на 2 класса.

Полирование деталей ведется только после их визуального осмотра. Не допускается наличие на них глубоких царапин или раковин, поскольку такие дефекты не устраняются в процессе полировки. Оптимальным вариантом является работа с цилиндрическими деталями. Плоские заготовки хуже поддаются полировке.

По окончании процедуры изделия приобретают ряд положительных качеств: у них увеличивается коррозионная стойкость, повышается прочность поверхностного слоя и понижается коэффициент трения.

Технология электрохимического полирования металла

При электрополировке металла его поверхность становится блестящей. Технологический процесс состоит из ряда операций:

1. Предварительно заготовка подвергается механической обработке с целью доведения шероховатости поверхности до 6–7 класса.
2. Промывка для удаления грязи.
3. Обезжиривание.
4. Подсоединение к положительно заряженному электроду.
5. Электрохимическое полирование.
6. Промывка в щелочной среде с целью устранения кислотных остатков.
7. Сушка. Для этого используется горячий воздух или опилки.
8. Выдержка деталей в горячем масле, подогретом до температуры 120 °C.

При полировке происходит устранение неровностей с поверхности детали. Поэтому любой процесс сопровождается:

1. Макрополированием. При этом идет растворение крупных выступающих вершин.
2. Микрополированием. Сглаживаются мелкие неровности.

Погружаемое в электролит изделие покрывается оксидной пленкой, которая является защитной средой между металлом и электролитом. В продолжение всего процесса она постоянно растворяется и образуется вновь. Правильность технологического процесса заключается в том, чтобы ее толщина оставалась стабильной.

Непосредственно под пленкой происходит полировка металла. Осуществляется она за счет обмена электронами и ионами между анодом и электролитом. Толщина формируемой пленки всегда меньше на выступающих частях вершин неровностей. Именно здесь и происходит усиленное растворение металла. В углублениях слой пленки толще, и здесь обмен заряженных частиц уменьшенный.

Существуют другие факторы, влияющие на скорость полирования поверхности:

• ­ перемешивание электролита;
• ­ повышение его температуры;
• ­ увеличение силы тока и напряжения.

Все эти факторы уменьшают поверхностный слой, что ускоряет полировку.

Для каждого изделия существует свой временной режим. В зависимости от продолжительности процедуры пропорционально увеличивается снимаемый слой металла. Этого не следует допускать, потому что шероховатость поверхности, выйдя на свой уровень, остается неизменной. Происходит ненужное растворение слоя изделия, что не оказывает влияния на качество поверхности.

Электролитно-плазменное полирование

Во время электролитно-плазменного полирования наблюдаются схожие процессы. Однако тут в качестве среды используются растворы солей аммония. Под воздействием высокого напряжения 200–350 В на поверхности детали, которая является анодом, образуется парогазовая оболочка. Формируется она за счет вскипания электролита. Через нее постоянно протекает электрический ток, вызывая появление плазменных разрядов, которые оказывают влияние на сглаживание поверхности. В результате время полировки составляет до 5 мин., а устранение небольших заусенцев – несколько секунд.

Важным условием является поддержание высокой температуры химической среды. Она необходима для создания условий пленочного кипения. Однако и превышать верхний предел нельзя. Например, для низкоуглеродистой стали интервал температур составляет 70–90 °C. За пределами этого интервала снижается качество полировки.

Отличия электрополирования от химического

Электрополирование, как и электроплазменная обработка, отличается от химического процесса тем, что через электролит подается электрический ток.

При химическом полировании изделие опускается в емкость с химическим раствором кислоты или щелочи. Здесь происходит растворение поверхностного слоя. Это сопровождается бурным кипением содержимого сосуда. Деталь приобретает нужную шероховатость за несколько секунд. В отличие от электрополирования такой метод менее затратный. Здесь не требуется сложного оборудования. Но присутствуют и недостатки:

1. Сложность контроля над протеканием процесса.
2. Без применения электрического тока качество получаемого изделия ниже. У него отсутствует блеск. Поэтому такому способу обработки больше подвергаются изделия из цветного металла, имеющие сложную конфигурацию, которым не предъявляется высоких требований.

Применяемое оборудование и материалы

В качестве оборудования для электрополировки применяются ванны. Технология схожа с хромированием деталей.

Ванна имеет следующую конструкцию:

1. Наружный корпус.
2. Внутренний корпус.
3. Внутренняя часть ванны облицовывается термостойким материалом, способным противостоять химической среде. Применяется эмаль марки ЛК-1, фарфор, жаростойкое стекло, керамика.
4. Электронагреватели.
5. Между корпусами располагается водяная рубашка. Она необходима для регулировки температуры. На первой стадии подготовки электролита он нагревается до 120 °C. Рабочая же температура составляет 70–80 °C.
6. Подключаются трансформаторы с выпрямителями. С их помощью идет регулирование подачи электрического тока.

Ведется подбор электролита, который должен отвечать следующим характеристикам:

• ­ безопасностью в процессе применения;
• ­ хорошей способностью для качественного сглаживания поверхности металла;
• ­ длительностью работы;
• ­ возможностью полировки разных металлов.

Исследования показали, что оптимальным составом является смесь фосфорной кислоты, серной и хромового ангидрида. Использование такого электролита позволяет вести полировку сталей как инструментальных, так и легированных. Обработке поддаются медь, алюминий, а также нержавейка.

Присутствие кислот позволяет вести контроль над плотностью электрического тока. Фосфорное соединение его понижает, а серная кислота повышает. За счет правильного формирования концентрации смеси можно оптимально наладить проведение процесса полирования.

Остались вопросы? Обязательно задайте их в комментариях к статье!

Электрохимическое и химическое полирование применяется как для декоративной обработки поверхности после нанесения покрытий, так и в процессе обработки деталей.

Электрохимическое полирование.

При электрохимическом полировании микрорельеф поверхности получается значительно более гладким, чем при механической обработке.

Покрытия, получаемые при электрохимическом полировании беспористые и мелкокристаллические, что способствует снижению коэффициента трения и позволяет придать деталям специальные оптические свойства. В процессе электрохимического полирования поверхность металла становится блестящей в результате различной скорости растворения микровыступов и углублений.

Эффект электрохимического полирования объясняется образованием на металле поверхностной тонкой оксидной пленки, предотвращающей травление. Толщина пленки неодинакова на микровыступах и микровпадинах, вследствие чего раствор при электрохимическом полировании сильнее действует на те участки, где пленка тоньше, т.е. на микровыступы.

Качество электрохимического полирования зависит от плотности тока, температуры электролита, состава раствора и времени электролиза.

Наибольшее распространение при электрохимическом полировании нашли электролиты на основе фосфорной кислоты, серной и хромовой. Для повышения вязкости растворов вводят глицерин, и метилцеллюлозу. В качестве ингибиторов травления в электролиты электрохимического полирования добавляют сульфоуреид, триэтаноламин и др.

Химическое полирование.

Химический способ полирования имеет много общего с электрохимическим. Возникновение блеска на поверхности деталей здесь, как и при электрохимическом полировании, также связан с наличием тонкой пленки, предотвращающей травление в углублениях металла.

Преимущественное растворение выступов при химическом полировании достигается как за счет их повышенной химической активности, так и вследствие большей скорости диффузии ионов металла и свежего электролита.

Электрохимическое полирование стальных деталей.

Сравнительная характеристика процессов электрохимического и химического полирования.

Основными преимуществами процесса электрохимического полирования являются высокая производительность, хорошее сцепление гальванических покрытий с электрополированной поверхностью, возможность исключить операцию обезжиривания, необходимую при механической полировке.

К недостаткам процесса электрохимического полирования относятся необходимость в частой смене электролитов из-за отсутствия универсального для различных металлов; необходимость механической полировки поверхности перед электрохимическим полированием; повышенный расход электроэнергии.

Преимущество химического полирования перед электрохимическим в том, что не требуется применение источников постоянного питания. Химическому полированию подвергаются в основном латунные или алюминиевые детали любой сложной конфигурации и размеров, которые не требуют зеркального блеска.

Недостатки химического полирования по сравнению с электрохимическим — меньший блеск, большая агрессивность растворов и их недолговечность.

Составы электролитов для химического и электрохимического полирования металлов.

Большинство электролитов для электрохимического полирования стали, основаны на смесях растворов ортофосфорной и серной кислот с добавкой хромового ангидрида.

Электролит электрохимического полирования с содержанием 500–1100г/л фосфорной кислоты, 250–550г/л серной и 30 г/л хромового ангидрида является универсальным для электрохимического полирования всех видов стали, включая 12Х18Н9Т.
Режим электрохимического полирования: температура 60–80 0 С, плотность тока 15–80 А/дм 2 , время 1–10 минут.

Для электрохимического полирования стали 12Х18Н9Т возможно применять электролиты, содержащие ПАВ. Съем металла при электрохимическом полировании происходит интенсивнее в электролите: фосфорная кислота 730 г/л, серная – 580–725, триэтаноламин 4–6 г/л, катапин 0,5–1,0 при 60–80 0 С, плотность тока 20–50 А/дм 2 , время 3–5 минут.

Химическое полирование стали, в отличие от электрохимического, применяют реже, хотя проще в применении и имеет ряд преимуществ. Раствор для химического полирования стали 12Х18Н9Т содержит (г/л): серную кислоту 620–630, азотную 60–70, соляную 70–80, хлорид натрия 1-12, краситель кислотный черный 3М 3–5. Температура 70–75 0 С, время 5–10 минут.

Для электрохимического полирования меди и ее сплавов применяют растворы фосфорной кислоты с хромовым ангидридом: фосфорная кислота 850–900 г/л, хромовый ангидрид 100–150 г/л, температура 30–40 0 С, плотность тока 20–50 А/дм 2 .

Химическое полирование меди проводят в растворе (г/л) фосфорной кислоты 930–950, азотной 280–290 и уксусной 230–260 при комнатной температуре (в отличие от электрохимического) в течение 1–5 минут.

Электрохимическое полирование алюминия и его сплавов происходит в том случае, если скорость растворения оксидной пленки на поверхности превышает скорость ее образования. Электролит электрохимического полирования содержит смесь фосфорной кислоты (730–900г/л), серной (580–725г/л) и ПАВ (триэтаноламин 4–6 г/л, катапин БПВ 0,5 – 1,0 г/л). Режим электрохимического полирования: температура 60–80 0 С, плотность тока 10–50 А/дм 2 , время 3–5 минут.

Для электрохимического полирования сплавов алюминия с высоким содержанием кремния рекомендуется состав (масс. доли): плавиковая кислота 0,13; глицерин 0,54; вода 0,33. температура 20–25 0 С, плотность тока 20 А/дм 2 , время 10–15 минут.

Химическое полирование алюминиевых деформируемых сплавов проводят в растворе фосфорной кислоты 1500–1600 г/л с добавкой нитрата аммония 85–100 г/л при 95–100 0 С до 5 минут.

Электрохимическое полирование никеля проводят в электролите: 1000-1100 г/л серной кислоты при 20-30 0 С и плотности тока 20-40 А/дм 2 в течение 2-х минут.

Качество электрохимического и химического полирования деталей, как и всех гальванических процессов, зависит от подготовки поверхности (см. «Первые шаги в гальванике часть 2.») и точности выполнения технологических операций (состава электролита электрохимического полирования, режимов процесса).

При выполнении процессов электрохимического и химического полирования необходимо соблюдать технику безопасности (см. «Безопасная гальваника»).