ALLM (Физико-химическое обоснование режимов электрохимического полирования меди)

1.ВВЕДЕНИЕ

Среди разнообразных способов обработки металлов с непосредственным применением электричества одно из важнейших мест занимает электрохимическое полирование (далее ЭХП).

ЭХП - процесс анодного растворения металлов, в результате которого возникает блеск и улучшается микрогеометрия поверхности.

ЭХП было открыто Бейтелем (Германия) и независимо от него русским химиком Е.И. Шпитальским, который получил в 1910 году немецкий патент, а 19 января Е.И. Шпитальскому, работавшему в Московском университете, была выдана привилегия на « способ придания поверхностям металлов и гальванических осадков металлов полировано - блестящего вида».

В 1930 году Жаке опубликовал свой первый патент на способ получения Ni.

Ценность ЭХП не ограничивается лишь получением блестящих поверхностей металлов (что имеет большое практическое значение), оно оказывает благоприятное влияние на многие физико-химические и коррозионные свойства металлов.

Известно, например, что ЭХП улучшает оптические свойства металлов (коэффициент отражения света), механические свойства, уменьшает коэффициент трения между металлическими поверхностями, увеличивает способность металлов к пластической деформации в холодном состоянии, повышает магнитную проницаемость некоторых ферромагнитных материалов, устраняет явление холодной эмиссии. Кроме того, ЭХП широко используется в металлографии с целью изготовления шлифов для микроскопического исследования кристаллической структуры металлов и сплавов, при изучении микротвёрдости металлов, процессов окисления, коррозии, катализа, электроосаждения.

В промышленности ЭХП также находит самое широкое применение.

Что же касается технологии производства радиоэлектронных средств, то современная микроэлектроника была бы немыслима без ЭХП.

В настоящее время освоено ЭХП многих технически важных металлов и сплавов (более 30 металлов).

2.МЕСТО ПРОЦЕССОВ ЭХП МЕТАЛЛОВ В ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ И ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В ЧАСТНОСТИ

ОБЩЕЕ

Процесс ЭХП может быть использован для исследовательских технологических целей и для нужд промышленности.

Возможность и целесообразность использования ЭХП в исследовательской работе определяется следующими соображениями.

Многие методы лабораторных исследований в той или иной мере основаны на изучении поверхности металла, соприкасающегося с внешней средой. Это относится к оптическим, магнитным и электрохимическим свойствам и к электродной дифракции. Коррозия и сопротивление к истиранию также во многом зависят от состояния поверхности.

При изучении ряда свойств материалов прибегают к микроскопическому анализу, так как между структурой металла и его свойствами существует определённая зависимость. Для исследования микроструктуры поверхность рассматривают в отражённом свете с помощью микроскопа. Обычно подготовка поверхности образцов к такому исследованию состоит в последовательном шлифовании и полировании её.

Однако проведённые в последнее время работы показали, что механическое полирование не является безупречным способом подготовки образцов. В процессе полирования в большей или меньшей степени искажается структура поверхности металла, что приводит к возникновению наклёпанного слоя. Результаты исследований, проведённые в таких условиях, не могут дать точного представления об истинном строении и свойствах металла.

Применение ЭХП в качестве метода подготовки образцов для исследования позволяет получить более правильное представление о строении и тех свойствах металла, которые связаны с состоянием его поверхности, например, при исследовании с электронным микроскопом.

Целесообразность применения ЭХП в промышленности связана с улучшениями эксплуатационных свойств детали и экономическими преимуществами в результате замены механического полирования.

На ряде заводов ЭХП используется для декоративной отделки изделий. Полируются различные детали техники (медицинская аппаратура, товары народного потребления, ювелирные изделия, панели радиоаппаратуры).

Хорошие результаты дало применение ЭХП в инструментальном производстве, а также для отделки деталей, работающих в условиях трения.

Наряду с этим производственная практика выявила недостатки, присущие этому процессу. Достигаемая ЭХП интенсивность сглаживания поверхности металла незначительна. При полировании деталей больших размеров не удаётся получить зеркального блеска. Интенсивный и равномерный блеск достигается, главным образом, на чистых металлах и благородных сплавах. Декоративный вид ЭХП поверхности зависит также от структуры металла и его предшествующей механической обработки. Всё это необходимо учитывать при выборе объектов для полирования.

Далее приводятся некоторые области практического применения ЭХП.

1. ДЕКОРАТИВНАЯ ОТДЕЛКА ИЗДЕЛИЙ

Одной из возможностей ЭХП является придание блеска поверхности металла, независимо от класса чистоты его. Лучший декоративный вид поверхности достигается при ЭХП изделий цилиндрической или сферической формы, хуже - плоских изделий, особенно больших размеров.

Если ЭХП является заключительной операцией технологического процесса, необходимо принимать меры к повышению стойкости полированных деталей против коррозии. Это относится, прежде всего, к стальным деталям.

Применение ЭХП для защитно-декоративной отделки деталей в гальванических цехах позволяет сократить количество операций и переходов и улучшить качество продукции за счёт повышения прочности сцепления гальванических покрытий.

Так как при ЭХП происходит растворение обрабатываемого металла, то толщина гальванических покрытий может быть на 2-3 мк больше, чем это предусматривается требованиями, предъявляемыми к готовой продукции. Вследствие этого продолжительность покрытия деталей в гальванических ваннах несколько увеличивается.

Особенный интерес представляет применение ЭХП для декоративной отделки драгоценных металлов - золота и серебра. В этом процессе потери металла сводятся до минимума, так как он остаётся в электролите и может быть в дальнейшем извлечён из раствора. Полирование серебра может производиться в той же ванне, что и серебрение деталей. Преимущество такого процесса очевидно.

1. ПОЛИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ

Благоприятное влияние, которое оказывает ЭХП на фрикционный свойства металла, позволяет использовать этот процесс для чистовой обработки деталей, работающих в условиях трения.

В производственной практике для полирования таких деталей используется электролит, содержащий H₃PO₄, H₂SO₄, CrO₃. Температура раствора 50 - 60°, анодная плотность тока 40 - 50 А/дм², продолжительность электролиза 5 - 10 минут.

В результате ЭХП в 5 - 6 раз уменьшалось время приработки изделий из углеродистой стали марки сталь 10.

В некоторых случаях полирование механическим способом не представляется возможным, так как детали либо очень мелкие, либо имеют сложную структуру.

Применение ЭХП для обработки деталей позволило исключить операции механического полирования, улучшить качество поверхности деталей, понизить производительность разного рода машин и снизить потери сырья.

Применение ЭХП в некоторых других отраслях промышленности для обработки деталей, работающих в условиях трения, также дало положительные результаты.

2.3 ПОЛИРОВАНИЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Стойкость режущего инструмента зависит от свойств металла, из которого он изготовлен, а также чистоты и состояния поверхностей у режущих граней.

При изготовлении режущего инструмента и его эксплуатации он неоднократно подвергается шлифованию абразивами. В процессе шлифования, под влиянием местного разогрева, происходят структурные изменения поверхностного слоя металла. Результатом этих изменений является понижение твёрдости и появление шлифовочных трещин. Всё это приводит к ухудшению эксплуатационных качеств режущего инструмента, снижению его стойкости.

С целью повышения стойкости режущего инструмента в промышленности используется химическое или электрохимическое травление, которое удаляет поверхностный деформированный слой металла. Но такой способ часто приводит к коррозии неповрежденных слоёв металла, а при химическом травлении и увеличению шероховатости режущих граней.

В последнее время для чистовой обработки режущего инструмента находит место ЭХП, имеющее существенное преимущество перед обработкой инструментов травлением.

При ЭХП растворение поверхностного слоя металла не сопровождается коррозией всей остальной его массы.

Толщина удаляемого слоя может быть выдержана с достаточной точностью, что позволяет сохранить требуемые размеры инструмента. Благодаря преимущественному растворению микровыступов, повышается чистота поверхности режущих граней и улучшаются условия их работы. Последнее обстоятельство является причиной облегчения сбегания стружки и уменьшению нагрева инструмента в процессе резания.

Наиболее широкое применение нашло ЭХП свёрл. Результаты испытаний показывают, что ЭХП приводит к повышению стойкости свёрл. Наибольшее повышение наблюдается для свёрл, изготовленных из углеродистой стали.

ЭХП оказывает благоприятное влияние на стойкость инструментов предназначенных как для обработки металлов, так и для обработки древесины. Эффективность ЭХП тем больше, чем больше время обработки инструмента.

Ещё одна особенность ЭХП в том, что оно способствует уменьшению мощности, затрачиваемой на обработку резанием. Таким образом, ЭХП способствует энергосбережению.

ЭХП режущих инструментов производится по такой же технологической схеме, как и полирование других деталей.

1. ПОЛИРОВАНИЕ МЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

При полировании мерительного инструмента ЭХП может выполнять роль доводочной операции.

Помимо строгого соблюдения режимов электролиза, большое значение в этом случае имеет расположение электродов в ванне.

Неравномерность распределения силовых линий по поверхности объекта при ЭХП приводит к искажению его формы. Опыты показали, что при точном соблюдении режима электролиза удаётся производить инструмент, удовлетворяющий требованиям 1 и 2 класса точности.

1. ЗАТОЧКА И НАПРАВКА ИНСТРУМЕНТА

В медицинской промышленности ЭХП применяют для направки некоторых хирургических инструментов. Инструменты завешивают в ванну под током так, чтобы в электролите находилась лишь рабочая часть инструмента. Длительность электролиза зависит от ширины режущей кромки, угла заострения и обычно составляет 0,5 - 5 мин.

Обычно направка и заточка инструмента должна проводиться с сохранением требуемых углов заострения. Может производиться в обычном полировочном электролизёре.

1. ПОВЫШЕНИЕ ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Процесс анодного растворения может быть использован для повышения чистоты поверхности деталей.

Интенсивность сглаживания микронеровностей зависит от природы металла, чистоты его поверхности и условий электролиза.

В процессе ЭХП металл растворяется не только на микровыступах, но и на микровпадинах. Повышение исходной чистоты поверхности металла приводит к уменьшению скорости сглаживания.

Большая продолжительность процесса и значительный съём металла при ЭХП указывают на то, что ЭХП нецелесообразно применять для чистовой обработки грубых поверхностей (то есть сначала нужно обработать механически, а затем передать на ЭХП).

1. ВЫВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА

На механически полированной поверхности небольшие дефекты металла - линии, раковины, трещины, инородные включения, - часто не могут быть обнаружены визуальным просмотром. В тех случаях, когда детали не несут нагрузок, и полирование преследует лишь цели декоративной отделки, такое положение не влечёт за собой неприятных последствий. Если полируемые детали несут значительные нагрузки, то наличие пороков на их поверхности может привести к поломке деталей. В этих случаях необходимо принимать специальные меры для своевременного обнаружения дефектов.

ЭХП является своеобразным методом дефектоскопии. В результате анодного растворения металла удаляется поверхностный слой его, скрывающий дефекты. Размеры пор, трещин и раковин увеличиваются настолько, что их можно заметить даже невооружённым глазом.

Отчётливо видны становятся неметаллические включения, вокруг которых растравливается металл.

ЭХП может быть использовано при контроле качества сварных швов на деталях, для выявления поверхностных трещин, получающихся при термической обработке деталей.

1. ПОЛИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК И ПОЛУФАБРИКАТОВ

ЭХП может быть использовано не только в качестве окончательной операции, но и для обработки заготовок и полуфабрикатов. Оно может заменить обычное химическое травление для удаления поверхностных включений и продуктов коррозии. Улучшаются свариваемость и штампуемость металлов (повышение способности к пластической деформации).

Большой интерес представляет получение ЭХП тонких металлических проволок. Изготовление их, особенно из легко окисляющихся металлов путём протяжки, сопряжено со значительными технологическими трудностями. ЭХП на специальной установке удаётся уменьшить диаметр проволок от 13 мк до нескольких микрон. Полученные таким путём проволоки из тория, урана и ниобия отличались высокой чистотой поверхности и продолжительное время не тускнели.

1. ЭХП В ПРОИЗВОДСТВЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В ЧАСТНОСТИ

Большинство из приведённого ранее для машиностроения имеет место и при производстве радиоэлектронных средств. Однако здесь требуется гораздо большая точность, а следовательно, и более точный технологический расчёт процессов.

3.СОСТАВЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ МЕДИ

Наибольшее применение для ЭХП меди и её сплавов получили электролиты на основе ортофосфорной кислоты.

П ри исследовании влияния различных факторов на процесс полирования меди, замечено, что между концентрацией ортофосфорной кислоты и плотностью тока существует определённая зависимость. Чем выше концентрация кислоты в электролите, тем ниже значение предельной плотности тока на кривых анодной поляризации и тем меньше может быть рабочая плотность тока, при которой происходит полирование.

С уменьшением концентрации кислоты сужается диапазон напряжений, ограничивающих участок предельного тока.

Здесь приводятся следующие зависимости продолжительности полирования от концентрации кислоты:

УДЕЛЬНЫЙ ВЕС ЭЛЕКТРОЛИТА ПРИ 15°С	НАЧАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ТОКА В А/дм2	ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛИРОВАНИЯ В МИН.
1,55	1,5	17
1,50	2,0	13
1,40	3,5	10
1,30	7,5	6
1,20	10,5	4

Повышение температуры и перемешивание электролита усиливает диффузию анодных продуктов, следствием чего является повышение плотности тока, при которой происходит скачок анодного потенциала.

В перемешивающемся растворе кислоты удельного веса 1,09 скачок потенциала наблюдается при 20° и плотности тока 20 А/дм², при 30° и 16,5 А/дм² и при 40° и 18 А/дм². В том же электролите при воздушном перемешивании скачок анодного потенциала происходит при температуре 20 и 30° и, соответственно, при 19,5 и 27 А/дм². При 40° скачка потенциала не наблюдается даже при плотности тока 90 А/дм².

Благоприятное влияние оказывает на процесс полирования накопление в растворе ионов меди. В таблице 3.1 приведены данные о влиянии концентрации меди на продолжительность процесса полирования.

Содержание H3PO4 - 1000 г/л			Содержание H3PO4 - 585 г/л
Начальная плотность тока 1,8 А/дм2			Начальная плотность тока 7,5 А/дм2
Содержание меди в электролите, г/л	Продолжительность полирования, мин.	Содержание меди в электролите, г/л		Продолжительность полирования, мин.
5	13	5		6
10	12	10		5
40	10	20		4

Таблица 3.1