Файл: Де Барр, А. Е.pdf

циониой поляризации. Характер завихрений тогда воспроизво­ дится на поверхности детали как результат локальных различий в плотности тока.

6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ

При электрохимической обработке металл снимается с опре­ деленного участка. Инструмент подводится к определенным уча­ сткам детали, с которых должен быть удален металл, и в идеаль­ ном случае обработка не должна происходить за их пределами. На участках, подлежащих обработке, должна быть высокая плот­ ность тока, но за пределами этих участков плотность тока должна быть равна нулю. Однако плотность тока не уменьшается до нуля непосредственно за пределами проекции инструмента, но падает постепенно, асимптотически приближаясь к нулю.

Рассмотрим первоначальные условия обработки плоской де­ тали цилиндрическим электродом, ось которого параллельна плоскости детали (рис. 5.6, а). В начале обработки изменяются гео­ метрические параметры детали, но первоначальное распределение потенциала и тока может быть рассчитано. Эквипотенциальная линия показана на рис. 5.6, а, а распределение тока для трех зна­ чений Ыа (отношение минимального зазора к радиусу цилиндра) показано на рис. 5.6, б. Плотность тока на поверхности детали становится равной нулю только на бесконечно большом расстоя­ нии от электрода, но когда зазор намного меньше радиуса ци­ линдра, почти весь ток протекает через часть поверхности детали, закрываемую проекцией цилиндра. Если, однако, отношение за­ зора к радиусу цилиндра больше, чем 0,5 (как показано на рис. 5.6, а), то менее 50% тока будет расходоваться на обработку. Поэтому форма электрода точно воспроизводиться не будет.

Контур обрабатываемой полости не совсем соответствует форме инструмента. Проблема изготовления инструментов для обработки полостей заданной формы рассматривается в гл. 9, но некоторые ее аспекты целесообразно обсудить здесь. Распределение тока для цилиндрического электрода и плоской детали было рассмотрено при допущении, что потенциал в точке, расположенной вблизи межфазной границы металл—электролит, такой же, как и в точке по другую сторону этой границы; это можно рассматривать как первичное распределение тока. На поверхности раздела металл— раствор существует разность потенциалов, которая условно рас­ сматривается как сумма равновесного потенциала и перенапря­ жения. Равновесный потенциал будет постоянным для всех точек электрода и поэтому не будет влиять на распределение тока, хотя общий ток для данного приложенного напряжения будет меньше, чем в условиях, рассмотренных выше. К сожалению, перенапря­ жение зависит от плотности тока, поэтому поверхность внутри раствора уже не будет эквипотенциальной. Участки поверх­ ности детали, где плотность тока высока, будут иметь большее

Рис. 5.6. Линии постоянного потенциала между цилиндриче­ ским электродом и плоской деталью (а) и распределение основ­ ного тока на плоской детали, форма которой близка к форме цилиндрического электрода (б); b — минимальный зазор; а — радиус электрода

перенапряжение, чем участки с низкой плотностью тока, и, таким образом, имеется отклонение от первоначального распределения тока. Первоначальное распределение тока, рассчитанное для цилин­ дрического катода, показывает, что при малом межэлектродном зазоре большая часть тока протекает через участок детали, пред­ назначенный для обработки, а ток рассеяния, снижающий точ­ ность, составляет лишь небольшой процент. Поляризация может только ухудшить положение. Эффект поляризации будет зависеть не только от соотношения перенапряжение—ток, но и от удель­ ного сопротивления электролита. В электролите с высоким удель­ ным сопротивлением будут создаваться большие различия оми­ ческого падения напряжения

для равномерного покрытия в гальванотехнике применяют электролиты с высокой «рассеивающей способностью». Для электрохимической обработки требуются растворы с низкой «рассеивающей способностью». Вагнер, делая обзор проблем рас­ пределения тока в электрохимии, отмечает, что некоторые спе­

водимость электролита. Параметр k имеет размерность длины и, если он мал по сравнению с размерами электрода, то первона­ чальное распределение тока преобладает в области этих размеров; если k большое, то распределение плотности тока почти равно­ мерное.

В гальванотехнике необходимо принимать во внимание только параметры катода, поскольку анод расположен на большом рас­ стоянии от него, но, очевидно, при электрохимической обработке важны параметры обоих электродов. В электрохимической раз­ мерной обработке роль поляризациии можно только предпола­ гать, поскольку типовые значения величины k не могут быть вы­ числены, так как поляризационные кривые при высоких плотно­ стях тока еще не получены. Тем не менее известны случаи различия

результатов формообразования в растворах с одинаковой элек­ тропроводностью, но с различным составом. Итак, специалисты, занимающиеся электрохимической обработкой, считают, что в раз­ бавленном растворе (а следовательно, в растворе с большим со­ противлением) форма инструмента воспроизводится точнее, чем в концентрированном. Эти замечания свидетельствуют о существо­ вании формирующего параметра, который учитывает и поляри­ зацию, и сопротивление раствора.

Прохождение некоторого тока через участки поверхности де­ тали за пределами области, предназначенной для обработки, не­ желательно, потому что это может привести к образованию питтинга на поверхности. Рассмотрим, например, положение, иллю­ стрируемое рис. 5.7, где постоянное высокое значение плотности тока сохраняется в области минимального межэлектродного за­ зора и плотность тока падает асимптотически с увеличением рас­ стояния от инструмента.

Потенциал в точке А соответствует напряжению разложения тех составных частей обрабатываемого сплава, которые имеют наиболее высокое напряжение разложения. За пределами А при увеличении расстояния эти составные части не будут растворяться электрохимически. С ростом расстояния от электрода потенциал уменьшается; в точке В потенциал меньше, чем напряжение раз­ ложения всех составных частей сплава. За пределами точки В поэтому нет электрохимического процесса, а на отрезке А—В про­ исходит избирательное травление. Имеется несколько путей сни­ жения этого эффекта. Тщательным подбором смесей электролитов, например, можно снизить различия между напряжениями раз­ ложения составных частей сплава. Поскольку эффект травления зависит от времени, большие скорости подачи сократят площадь участков травления в областях с низкой плотностью тока.

Г л а в а 6

ЭЛЕКТРОЛИТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР ЭЛЕКТРОЛИТОВ -

Главная функция электролита — обеспечение переноса ионами электрических зарядов между анодом и катодом. Кроме того, ионы раствора активно принимают участие в электродных реакциях. Электролиты, используемые при электрохимической обработке, представляют собой главным образом водные растворы нейтраль­ ных солей, но в некоторых случаях можно использовать и другие типы электролитов.

Электролит принимает участие в непрерывном растворении материала детали, и, следовательно, состав электролита должен быть выбран таким образом, чтобы исключить возможность обра­ зования нерастворимых продуктов, которые могут пассивировать поверхность детали. Следовательно, от того, какие именно при­ сутствуют анионы или группы анионов в растворе, зависит свой­ ство электролита.

Электродная реакция, реализующаяся на катоде, также должна учитываться, поскольку разряд положительно заряженных ионов не должен подавлять процесс растворения анода. В частности, необходимо не допускать осаждение на катоде ионов металла из электролита, так как иначе изменится форма катода (и, следова­ тельно, детали). Поэтому катионы электролита не должны быть металлами, которые способны осаждаться на материалах, исполь­ зуемых в качестве инструмента (стали, меди и т. д.). Катионами обычно являются водород, щелочные металлы, такие как натрий или калий, либо ионы аммония.

Следовательно, основная функция электролита сводится к тому, чтобы начинать и поддерживать растворение анода с высокой про­ изводительностью. В то же время процесс должен быть таким, чтобы эффективность катодного осаждения ионов металла была ничтожно малой.

Плотности тока, используемые при электрохимической обра­ ботке, значительны (порядка 150 А с м - 2 ) , и поэтому во избежание больших потерь энергии используемые электролиты должны обла­ дать высокой электропроводностью. За основу их берут вещества, которые хорошо растворяются в воде, такие как сильные кислоты, основания или соли, полученные от соответствующих анионных и основных радикалов. Показатели проводимости для нескольких типичных электролитов, измеренные стандартным методом, приве-