Скорость анодного растворения

Лекция 3

Технологические параметры размерной электрохимической обработки

Напряжение на электродах

Напряжение, подаваемое на электроды U, (В), определяется как сумма эффективного напряжения, непосредственно затрачиваемого на анодное растворение U_эл, потери напряжения в двойных электрических слоях катода и анода DUи потери напряжения при прохождении электрического тока через заготовку DU_з:

U = U_эл + DU + DU_з, (3.11)

Потери напряжения в заготовке DU_зпринимают во внимание только тогда, когда заготовка имеет большие размеры, а её конструкция не позволяет разместить токопроводы вдоль всей длины. В этом случае DU_знаходится в диапазоне 4…5 В, и его следует учитывать в расчётах.

Потери напряжения в двойном электрическом слое DUопределяют как разность электродных потенциалов анода j_а и катода j_к с учётом значений их поляризации при прохождении электрического тока.

DU = j_а – j_к = (j_ар + Dj_а) – (j_кр + Dj_к). (3.12)

При отсутствии точных данных по значениям j_а и j_к с достаточной для практических расчётов точностью принимают j_а = 2,5…4 В и j_к = – 1,5 В.

Процесс электрохимического растворения начинается, как правило, при значениях U, превышающих суммарный потенциал поляризации электродов DU. На практике это соответствует примерно значению U_эл более 3…5 В. Большинство операций ЭХРО осуществляется при U = 9…12 В; при обработке титановых сплавов — 18…30 В.Превышение значения более 30 В приводит к возникновению электрического пробоя межэлектродного промежутка.

Напряжение, необходимое для прохождения тока в электролите, а соответственно для осуществления анодного растворения, определяется формулой

U_эл = I ´R_эл,

где I— сила тока в электролите, А.

При этом сопротивление электролита рассчитывается по формуле

, (3.13)

где g_эл— удельная электропроводность электролита, См/м; d— межэлектродный зазор, м; R_эл— сопротивление электролита в межэлектродном промежутке, Ом; S— площадь обработки, м².

Исходя из этого эффективное напряжение, затрачиваемое непосредственно на анодное растворение U_эл (В), можно определить по формуле

. (3.14)

Возможность использования представленных формул для расчёта значения напряжения U, которое нужно подать на электроды для реализации процесса ЭХРО, затруднено в связи со сложным характером процессов поляризации электродов при прохождения тока и нелинейным характером изменения в связи с этим значения составляющей DU. Учёт этих изменений проводят на основе изучения поляризационных катодной и анодной кривых, устанавливающих связь между напряжением U, подаваемым на электроды, и силой тока I в электролите.

Сила тока в электролите и анодная поляризационная кривая

Зависимость силы токаI в электролите от напряжения U на электродахпри электролизе имеет сложный характер. Связано это с тем, что процесс электролиза не является одномоментным актом, а состоит из последовательно проходящих физико-химических процессов, называемых стадиями. Каждая стадия характеризуется определённой скоростью, зависящей от напряжения на электродах. От этого напряжения существенно зависят и соотношения между скоростями процессов на отдельных стадиях. В связи с этим скорость анодного растворения материала u_рустанавливается равной скорости прохождения процесса на той её стадии, скорость которой наименьшая. Поскольку скорости прохождения стадий электролиза существенно меняются и по величине, и по соотношению в зависимости от прикладываемого к электродам напряжения, вид зависимости I – U может существенно изменяться при изменении значения U.

Для описания зависимости силы тока I в электролите от напряжения на электродах U используют поляризационные катодные и анодные кривые. Вид поляризационной кривой зависит от материала электрода и условий проведения электролиза. На рис. 3.15 приведена обобщённая анодная поляризационная кривая, учитывающая все возможные виды и стадии протекания процессов электрохимического растворения анода при электрохимической обработке, свойственные анодам, изготовленным из разных металлов.

Участок АВ на обобщённой поляризационной кривой называют активной областью ЭХРО. Точка А этой кривой соответствует равновесному электрическому потенциалу на аноде j_ар, при достижении которого начинается электролиз. При значениях напряжения на электродах, соответствующих участку АВ, происходит растворение материала анода.Однако сила тока здесь незначительна, а потому высокой скорости анодного растворения u_р в этой зоне достичь не удаётся. Из-за низкой производительности область напряжений на участке АВ используется редко.

При напряжениях на электродах, соответствующих точке В, на поверхности анода начинают образовываться устойчивые оксидные плёнки. Толщина этих плёнок на участке напряжений ВС растёт с ростом напряжения U на электродах. Появление анодных плёнок вызвано тем, что скорость образования продуктов анодного растворения при данном режиме обработки превышает скорость их удаления с поверхности заготовки и перехода в электролит. Плохо растворимые соединения вблизи анода и на его поверхности накапливаются и препятствуют взаимодействию электрода с электролитом. Сопротивление прохождению тока в связи с этим по мере роста напряжения возрастает, а сила тока I в электролите падает.Эти процессы вызывают уменьшение скорости растворения анода. Явление образования оксидных плёнок на аноде получило название «пассивация анода».

Участок CDполяризационной кривой характеризуется равновесием между скоростями роста и растворения оксидной плёнки. При напряженияхj_а, соответствующих этому участку, сила тока в электролите мала, процесс электрохимического растворения анода протекает медленно.

Дальнейшее увеличение потенциала анода (участок DF)характеризуется разрушением оксидной плёнки, ростом силы тока и повышением скорости растворения анода. На этом участке можно получить большую силу тока I и соответственно высокую производительность обработки. Именно этот участок поляризационной кривой используют для ЭХРО. После прохождения точки Fпри обработке некоторых материалов может снова начаться уменьшение силы тока и наступить электрический пробой межэлектродного промежутка (короткое замыкание). Растворение анода при этом прекращается.

В ЭХРО используют разность потенциалов между электродами в диапазоне U = 6…30 В, но при обработке струей электролита (струйная обработка, см. рис. 3.6, б) значения U повышают до 100…800 В. Для разных металлов и сплавов пассивация (точка В на рис. 3.15) наступает при различных напряжениях U, значения которых кроме того зависят от химического состава электролита, его температуры и условий течения жидкости в межэлектродном промежутке.

При обработке коррозионностойких сталей и некоторых сплавов пассивация поверхности заготовки вообще не наступает, а ток растёт с ростом Uдо электрического пробоя промежутка. Такие стали и сплавы называют слабо пассивирующимися. В противоположность им титан, вольфрам и ряд сплавов этих металлов характеризуются значительной пассивацией, что приводит к повышению энергоёмкости процесса ЭХРО, снижению производительности обработки и необходимости создания условий ЭХРО, затрудняющих образование пассивирующей плёнки.

В расчётах технологических параметров ЭХРО наряду с силой тока I часто используют характеристику «плотность тока» r_i, которая характеризует интенсивность энергетического воздействия на заготовку и не зависит от площади обрабатываемой поверхности:

r_i = I/S.

Обычно применяемые плотности тока находятся в диапазоне от 5 до 100 А/см². При r_i< 5 А/см² поверхность заготовки, как правило, покрывается прочной пассивной плёнкой и процесс прекращается. В области r_i>100...200 А/см² трудно стабилизировать состав и температуру электролита в зазоре (электролит быстро насыщается продуктами реакции). При r_i= 400...600 А/см² наступают диффузионные ограничения: даже при наибольших возможных давлении и скорости прокачки электролита ионы растворившегося металла и газа не успевают отводиться от электродов и сила тока падает.

Скорость анодного растворения

Скоростью анодного растворения называют линейную скорость растворения вещества при электролизе u_р (м/с) в направлении движения подачи. Зависимость u_р от параметров процесса электролиза находят, используя первый закон Фарадея, следующим образом.

При прошивания отверстия диаметром D с непрерывным поступательным движением подачи электрода-инструмента D_s за время τ электрод проходит в направлении движения подачи расстояние l(рис. 3.16). Скорость подачи электрода-инструмента u_s принимается постоянной.

При исходной площади прошиваемого отверстия S за время τ будет растворён материал массой m_ф равной

m_ф = k_эх k_вт I t = r_m ℓ S.

Отсюда, подставив в уравнение вместо I его величину из закона Ома U_эл/R_эл, можно получить среднюю скорость электрохимического растворения материала u_р:

u_р=ℓ/t = k_эхk_втU_эл/(R_элr_mS).

В связи со сложным характером зависимости силы тока в электролите от напряжения на электродах Uпри расчёте скорости анодного растворения материала используют не значение напряжения на электродах, а падение напряжения в электролите U_эл.

После подстановки в полученную зависимость значения R_элиз формулы (3.13) будем иметь

u_р = k_втk_эхγ_элU_эл/(ρ_mδ). (3.15)

Из формулы (3.15) вытекает, что скорости анодного растворения материала при прочих равных условиях обработки на участках заготовки, характеризующихся разными межэлектродными зазорами, обратно пропорциональны величинам этих зазоров, то есть

(3.16)

Отсюда же следует, что электрохимическое растворение анода происходит при любой величине зазора.

В зависимости от припуска и начального межэлектродного зазора средняя скорость растворения u_р в методах ЭХРО находится в пределах 0,001…0,01 мм/с.

Проведённые выкладки показывают, что для достижения максимальной скорости растворения и производительности ЭХРО следует работать с минимально возможным межэлектродным зазором. Однако при чрезмерно малом зазоре резко возрастает гозонаполнениемежэлектродного промежутка, затрудняется прокачка через него электролита и удаление из него продуктов электролиза. В таких условиях производительность обработки падает.

Существует оптимальное значение межэлектродного зазора, которое в большинстве схем ЭХРО находится в диапазоне 0,1…0,5 мм. Значение этого зазора поддерживается при обработке движением подачи D_s, характеристикой которой является скорость подачи электрода-инструмента u_s. Скорость подачи электрода-инструмента u_s представляет собой элемент режима обработки и устанавливается на электрохимическом оборудовании исходя из того, что она не может превышать при принятых условиях обработки значения максимально возможной физической скорости растворения материала: u_s ≤ u_р.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1378; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!