Електрохімічне розчинення металів

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

ЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ РОЗЧИНЕННЯ МЕТАЛІВ

Мета роботи: Ознайомитися з обладнанням для електрохімічної розмірної обробки електропровідних матеріалів. Визначити швидкості електрохімічного розчинення металів.

Прилади та матеріали:

1.Лабораторна установка для електрохімічного розчинення металів (електролізер).

2.Електроліт на основі NaС1.

3.Заготовки.

Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитися з правилами техніки безпеки при роботі на електролізері.

2. Ознайомитися з устроєм та призначенням електролізера.

3. Підготувати металічну трубку (алюміній, мідь, сталь або будь-який катод-інструмент). Бокову поверхню трубки покрити електроізоляційним лаком.

4. Підготувати деталь з Ст0; Ст1 або Ст2 розміром 30x30x3.

5. Підімкнути деталь до аноду, а інструмент до катоду, занурити в електроліт на основі NaС1.

6. Інструмент-катод розташувати перпендикулярно поверхні деталі-анода та закріпити в штативі з можливістю переміщення.

7. Встановити зазор між деталлю-анодом та катодом-інструментом близько 0,3 мм.

8. Струм розряду підбирається з умови, щоб його густина не перевищувала j < 100 А/см².

9. Увімкнути джерело живлення і продовжувати процес протягом 8-10 хвилин.

10.Після вимкнення струму деталь та інструмент виймають з електролітичної ванни, промивають та просушують.

11.Провести вимірювання глибини випрацюваного отвору.

12.Провести розрахунок швидкості лінійного розчинення сталі за формулою

13.Провести розрахунок теоретичної швидкості лінійного розчинення сталі V_t, за формулою (3.13).

14.Провести розрахунок виходу по струму η:

15.Зробити висновки з роботи.

Теоретичні відомості

Під розмірною електрохімічною обробкою розуміють процес отримання деталі потрібної форми та розмірів за рахунок анодного розчинення металу.

1 - деталь; 2 - інструмент; 3 - робоча рідина

Рисунок 3.1 - Схема електрохімічної обробки

При розмірній електрохімічній обробці (ЕХО) видалення металу відбувається під дією електричного струму в середовищі електроліту без безпосереднього контакту між інструментом та заготовкою. В основі процесу ЕХО лежить явище анодного розчинення металів. Анодне розчинення може відбуватися в електролітах різного складу, в тому числі в неагресивних електролітах - водних розчинах хлориду натрію, нітрату натрію та ін. Ці солі дешеві та безпечні для обслуговуючого персоналу.

Під дією струму матеріал анода розчинюється в електроліті і у вигляді продуктів обробки виноситься з проміжку потоком електроліта. Внаслідок реакції утворюються газоподібні продукти, що видаляються в атмосферу. Катод, який є інструментом, практично не зношується, що є однією з позитивних особливостей процесу ЕХО.

При розчиненні у воді солей, лугів та кислот відбувається дисоціація їх молекул на позитивні (катіони) та негативні (аніони) іони. Молекули води поляризуються та розташовуються у вигляді сфери навколо іона.

Якщо електроди занурені в електроліт, то на їх поверхні відбувається зворотна реакція Ме Ме^п+ + ne^-, де n - валентність метала; Меⁿ⁺ - іон в розчині; е^- - електрон. На поверхні металу виникає позитивний заряд і до нього притягуються негативно заряджені іони з розчину. На межі електроліту з металом утворюється подвійний електричний шар, подібний до того, що виникає на обкладинках конденсатора. Один шар являє собою електричні заряди в металі (+), другий - іони в розчині (-). За рахунок цього на електродах виникають різкі зміни електричного потенціалу. Перебіг процесу ЕХО стає можливим, якщо прикласти зовнішню напругу, що перевищує різницю φ_а-φ_к де φ_а - зміна потенціалу на аноді, а φ_к - зміна потенціалу на катоді. При підімкненні електродів до джерела живлення іони починають рухатися в електричному полі через міжелектродний проміжок від електрода до електрода.

На катоді відбувається прискорене розкладання молекул води з виділенням молекулярного водню:

Н₂О Н⁺ +ОН^- (3.1)

Н⁺ + Н⁺ Н₂ (3.2)

На аноді спрацьовує така схема переходу металу у нерозчинний гідроксид:

Ме - ne^- Меⁿ⁺ (3.3)

Меⁿ⁺ + nОН^- Ме(ОН). (3.4)

Одночасно утворюється молекулярний кисень:

2ОН^- Н₂О + O (3.5)

O + O O² (3.6)

Таким чином, внаслідок реакції на катоді виділяється газ (водень), а на аноді осад (гідроксид металу) та газ (кисень). Продукти обробки виносяться потоком електроліту з проміжку. При великій силі струму можливі також інші реакції, під час яких на поверхні анода можуть утворюватись оксиди. Вони знижують швидкість розчинення метала з заготовки та погіршують її оброблюваність.

Об'єм металу при розмірній електрохімічній обробці

При протіканні на електроді тільки одного електрохімічного процесу, наприклад розчинення металу, процес описується законом Фарадея

m=k*I*t (3.7)

де m - маса матеріалу, розчиненого з анода;

І - струм;

t - час проходження струму через електроліт;

k - коефіцієнт пропорційності.

Коефіцієнт k називають електрохімічним еквівалентом

(3.8)

де А - атомна вага;

n - валентність;

F=9600 кг-єкв - число Фарадея.

Тут k виражається в кг/А·с. Електрохімічний еквівалент k_c будь-якого сплаву можна знайти через еквіваленти k елементів, що входять до нього, та масовий вміст у відсотках (ε) в сплаві

(3.9)

Таблиця 3.1 - Розрахункові значення електрохімічного еквіваленту деяких сплавів

Матеріал	kc, Мг/Ас
Сталь45	0,223
Сталь 12Х18Н9Т	0,165
Жаротривкі сплави	0,26-0,29
Титанові сплави	0,158-0,162
Алюмінієві сплави	0,092-0,093

Реально кожен сплав має свій електрохімічний еквівалент (тобто свою швидкість електрохімічного розчинення), за рахунок якого в процесі обробки виникають поглиблення та виступи, що формують мікропрофіль та шорсткість поверхні.

Для практичних цілей необхідно знати швидкість подачі інструмента при виготовленні деталей. Якщо в рівнянні (3.7) масу матеріалу записати через площу оброблюваної ділянки S та переміщення 1 електрода-інструмента до деталі, то m=S1ρ_мат, де р_мат— густина матеріалу.

Силу струму можна виразити через площу ділянки S та густину струму І=jS. Тоді рівняння (3.7) матиме вигляд

S·l·ρ_мат=k·j·S·t (3.10)

Прийнявши до уваги, що 1/t = V, де V — швидкість подачі інструмента, рівняння (3.10) матиме вигляд

V=j· k/ ρ_мат (3.11)

Густина струму згідно з законом Ома може бути виражена через напругу U та питому провідність χ. Враховується тільки та частина напруги, яка використовується для протікання електрохімічних реакцій. Сюди не входять втрати напруги на електродах та струмопровідних ланках:

j=U· χ/d (3.12)

З урахуванням формул (3.11) та (3.12) закон анодного розчинення може бути записаний у вигляді

V=k· χ·U/S·ρ_мат (3.13)

Якщо площа S в зазорі не змінюється в процесі анодного розчинення, то режим ЕХО стаціонарний, у випадку зміни S - нестаціонарний. В залежності (3.13) враховується дія тільки електричного поля. Однак, як випливає з визначення процесу, необхідною умовою його протікання є видалення продуктів обробки з прианодної та прикатодної зон. У більшості випадків це досягається примусовим прокачуванням електроліту.

Якщо вимірювати масу металу, що розчинена з анода, то вона буде менша, ніж отримуємо за формулою закону Фарадея (3.7). Це зумовлено тим, що частина енергії витрачається на побічні реакції на електродах, утворення газів, вторинні реакції. Ці втрати можна врахувати введенням коефіцієнта, який називають виходом по струму η. Вихід по струму являє собою відношення дійсної та теоретично очікуваної кількості розчиненої речовини та характеризує частку корисного використання струму. Тоді закон анодного розчинення (3.13) перетворюється:

V= η · k · χ · U/d · ρ_мат (3.14)

Вихід по струму при ЕХО залежить від ряду взаємопов'язаних факторів - густина струму, матеріал заготовки, швидкість прокачування, температура та ступінь залуженості електроліту тощо.

Вихід по струму визначається експериментально. При використанні електролітів на основі хлориду натрію вихід по струму для конструкційних низьколегованих сталей η = 0,8-0,85; для жаротривких сплавів η = 0,85-0,93; для титанових сплавів η = 0,83-0,85.

Для нормального перебігу електрохімічних реакцій необхідно забезпечити інтенсивне винесення продуктів обробки з міжелектродного проміжку, тому електроліт повинен протікати зі швидкістю, достатньою, для захоплення та видалення твердих та газоподібних частинок, що виникають в ході реакції. При розрахунку швидкості слід враховувати властивості електроліту, його в'язкість, склад, стабільність характеристик та ін.

Електроліт може мати ламінарний та турбулентний характер протікання. При ламінарному протіканні рідина не перемішується та винесення продуктів обробки з міжелектродного проміжку відбувається повільніше, ніж у випадку турбулентного протікання. Однак розрахунок ламінарного потоку значно простіший і в технічних розрахунках звичайно враховують ламінарне протікання.

Якщо швидкість електроліту мала, то частина продуктів обробки не встигає залишити міжелектродний проміжок та буде накопичуватись поблизу робочої поверхні електрода-інструмента та заготовки.

Правила техніки безпеки

Відповідно до діючих нормативів, приміщення, в яких працюють електрохімічні верстати, відносять до категорії підвищеної вибухонебезпечності. Це зумовлюється виділенням в процесі анодного розчинення водню. Тому не дозволяється встановлювати верстати та ємності для електролітів у підвалах та інших приміщеннях, в яких накопичується водень. Необхідна зовнішня витяжна вентиляція з ванн із електролітом та з приміщення електролітної. Якщо верстати розташовані всередині цеху, то слід підключити їх до загальної витяжної вентиляції. Ділянки, що містять декілька верстатів для ЕХО, повинні бути оснащені сигналізаторами наявності водню, налагодженими на його гранично допустимий об'ємний вміст у повітрі (~0,5%). В процесі анодного розчинення виділяються також хлор та інші газоподібні продукти реакції, що небезпечні для здоров'я.

Перед початком роботи необхідно перевірити працездатність верстата, оснастки, інструмента, навести порядок на робочому місці, звільнивши проходи. Під час роботи оператор має знаходитись на гумовому коврику або на дерев'яній гратці. Забороняється паління та присутність у приміщенні сторонніх осіб. Після закінчення роботи оператор повинен від'єднати верстат від джерела живлення, прибрати робоче місце, зняти спецодяг, вимити руки з милом.

Необхідно також виконувати загальні вимоги електробезпеки.

Зміст протоколу

1.Назва роботи.

2.Мета роботи.

3.Теоретичні відомості.

4.Загальна схема установки, її опис.

5.Призначення установки.

6.Режими роботи.

Т. Хід виконання та результати виконаної роботи.

8. Висновки та пояснення отриманих результатів у вигляді таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 – Результати

Матеріал заготовки
Густина матеріалу, г/см^3
Електроліт (концентрація), %
Зазор, мм
Площа розчинення, см^-*
Робочий струм, А
Густина струму, А/см^2
Час обробки, хв
Глибина отриманого отвору, мм
Середня швидкість обробки, мм/хв
Розрахована швидкість обробки (3.13), мм/хв
Вихід по струму
Висновок

Контрольні запитання

1.Які фізичні явища мають місце в процесі електрохімічної обробки?

2.Які хімічні реакції мають місце на аноді та катоді?

3.Як розрахувати об'єм металу, що розчиняється з анода?

4.Як визначається електрохімічний еквівалент для сплавів?

5.Як визначається швидкість подачі інструмента?

6.Що таке вихід по струму і які його значення?

7.Які функції електроліту?

8.Правила безпеки при електрохімічному розчиненні.

Константи, необхідні для роботи

Матеріал	ρ, кг/м^3	k, г/А	Катіон	Питома швидкість зйому, мм^3/А·хв
Залізо		1,04	Fe^2^+	2,21
		0,695	Fe^3^+	1,58
Нікель		1,095	Ni^2+	2,06
		0,73	Ni^3+	1,37
Алюміній		0,335	А1^3+	2,07
Мідь		2,372	Cu	4,43
		1,186	Cu^2+	2,215
Сталь		0,971	Fe^2^+	2,16
Х18Н9Т

Розчин	Концентрація	ρ1, кг/м^3	χ, См/м
Хлористий натрій		1034,5
		1070,7
		1108,7
		1147,7
Азотнокислий натрій		1067,4
		1142,6
Сірчанокислий натрій		1140,6
Соляна кислота		1010(2,4%)
		1025 (5,4%)
Сірчана кислота		1015(2,3%)
		1035 (5,2%)
Луг		1055 (5,1%)
		1110(10,1%)

Дата добавления: 2015-08-28