СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки материалов и может быть применено в процессах электролитно-плазменного полирования изделий и при удалении медных покрытий со стальных деталей в различных областях техники: в машиностроении, в электротехнической промышленности, в приборостроении и в декоративных целях при производстве товаров народного потребления. Способ синхронной обработки заключается в том, что одновременно осуществляется полирование алюминиевого изделия, служащего активным электродом в электролитной плазме при анодном процессе, и удаление медного покрытия со стальных деталей, служащих катодом.

Известно (Дураджи В.Н., Парсаданян А.С. Нагрев металлов в электролитной плазме. - Кишинев. Штиинца. 1988), что анодный процесс в электролитах состоит из нескольких режимов. Первый режим процесса, наблюдаемый на активном электроде (площадь поверхности анода не менее чем в два раза меньше поверхности катода) при прохождении электрического тока небольшой плотности в неподвижном электролите, представляет собой низковольтный электролиз. С повышением напряжения на электродах электролитической ячейки до 60-70 В и плотности тока до 10-16 А/см² возникает коммутационный режим, характеризуемый тем, что вокруг активного электрода периодически образуется парогазовая оболочка, приводящая к запиранию тока в течение 10^-3-10^-4 с. Третий режим процесса - режим нагрева в электролитной плазме возникает при напряжениях свыше 80-90 В, когда образуется стационарная парогазовая оболочка вокруг активного электрода, плотность тока уменьшается до 0,8-1,5 А/см², температура активного электрода может изменяться от 400 до 1100°С. Дальнейшее увеличение напряжения на электродах ячейки (в пределах от 250 до 350 В) после установления режима нагрева приводит к росту интенсивности свечения электрических разрядов, толщины парогазовой оболочки. При этом температура анода может становиться меньше 100°С, величина электрического тока в цепи уменьшается в 2-2,5 раза, т.е. устанавливается четвертый режим анодного процесса электрогидродинамический.

Во всех этих режимах происходит полирование поверхности активного электрода (Дураджи В.Н., Брянцев И.В., Товарков А.К. Исследование эрозии анода при воздействии на него электролитной плазмой. - Электронная обработка материалов, 1978, №5, с.13-17). Коммутационный режим требует больших энергетических затрат и используется в исключительных случаях. В режиме нагрева осуществляется термическая и химико-термическая обработка, что приводит к изменению структуры металлического изделия. Поэтому в настоящее время в промышленности для полирования металлических деталей используется электрогидродинамический режим, при котором температура детали не превышает 100°С и плотность тока на активном электроде составляет 0,4-0,6 А/см².

При реализации способа полировки в электролитной плазме используют в основном водные растворы солей (при необходимости в зависимости от материала активного электрода можно использовать водные растворы кислот и щелочей). В случаях полирования изделий из алюминия или алюминиевых сплавов используют водный раствор хлористого аммония или хлористого натрия (Дураджи В.Н., Брянцев И.В., Товарков А.К. Исследование эрозии анода при воздействии на него электролитной плазмой. - Электронная обработка материалов, 1978, №5, с.13-17), а также хлористого калия, щавелевую кислоту и глицерин (патент BY №7291, публ. 2005 г.) при температуре электролита 60-90°С.

Медные покрытия, как правило, не применяются в качестве самостоятельного покрытия ни для декоративных целей, ни для защиты стальных деталей от коррозии. Это связано с тем, что медь в атмосферных условиях легко окисляется, покрываясь налетом окислов.

Однако благодаря хорошему сцеплению осажденной меди с различными металлами медное покрытие применяется в многослойных защитно-декоративных покрытиях в качестве промежуточного подслоя, а также для защиты стальных деталей от цементации, а также нанесенных в виде фольги на печатные платы.

Для удаления медных покрытий используется электрохимический способ анодного растворения в различных растворах. В работе (авторское свидетельство СССР №1696614, публ. 1978 г.) для удаления медных покрытий, нанесенных в виде фольги на печатные платы, используется водный раствор, содержащий сернокислый аммоний, сернокислую медь, перекись водорода, тиомочевину, серную кислоту, диметилформамид, при плотности тока 30-40 А/дм².

В работе (патент RU №2104339, публ. 1998 г.) для электрохимического удаления медных покрытий используется водный раствор, содержащий нитрат натрия и уксусную кислоту, при плотности тока 4-5 А/дм² и напряжении на ванне 2,4-2,5 В. Предложенный раствор позволил улучшить технологические характеристики процесса удаления медного покрытия и предотвратить растравливание стальной основы.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение технологических возможностей за счет обработки алюминиевых и алюминийсодержащих сплавов, а также увеличение номенклатуры обрабатываемых деталей.

Поставленная задача решается таким образом, что путем полирования алюминиевого активного электрода в электрогидродинамическом режиме анодного процесса при напряжении на электродах электролитической ванны 250-340 В синхронно осуществляется удаление медненного слоя со стального катода. В качестве электролита используется водный раствор, содержащий хлористый аммоний, хлористый калий и щавелевую кислоту при следующем соотношении компонентов (вес.%):

хлористый аммоний - 5-10;

хлористый калий - 1-6;

щавелевая кислота - 1-4;

вода - остальное.

Технический результат достигается следующим образом. Алюминиевый или алюминийсодержащий анод и медненный стальной катод погружаются в электролитическую ванну, и на них подают напряжение 250-340 В при анодной плотности тока 0,4-0,7 А/см², при температуре водного раствора электролита 60-90°С, при этом в качестве электролита используют водный раствор, содержащий хлористый аммоний, хлористый калий и щавелевую кислоту при следующем соотношении компонентов (вес.%):

хлористый аммоний - 5-10;

хлористый калий - 2-6;

щавелевая кислота - 1-4;

вода - остальное.

Время обработки зависит от толщины медненного слоя и может изменяться от одной до нескольких минут.

Примеры конкретной реализации способа

Пример 1. Активный электрод изготовлялся в виде пластин размером 60×15×3,5 мм и прутков диаметром 8 мм, длиной 60 мм из алюминия А7. Медненный катод выполнен из нержавеющей стали 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Толщина медненного слоя составляет 4-6 мкм. Электроды погружают в электролит состава (вес.%):

хлористый аммоний - 10;

хлористый калий - 4;

щавелевая кислота - 3;

вода - остальное.

Электролит нагрет до температуры 60°С-90°С, напряжение на электродах 300 В при плотности тока на активном аноде 0,5-0,6 А/см², время обработки - 2 мин. После обработки поверхность алюминиевого анода имеет равномерный зеркальный блеск, а со стального катода удален медный слой как с внутренней стороны, так и с внешней.

Пример 2. Активный электрод изготовлялся в виде пластин размером 60×15×3,5 мм из сплава Д1. Медненный катод выполнен из нержавеющей стали 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Толщина медненного слоя составляет 8-10 мкм. Электроды погружают в электролит того же состава. Электролит нагрет до температуры 60-80°С, напряжение на электродах 300 В при плотности тока на активном аноде 0,5-0,6 А/см², время обработки - 3 мин. После обработки поверхность анода имеет равномерный зеркальный блеск, а со стального катода полностью удален медненный слой.

Таким образом, изобретение позволяет осуществить полирование активного электрода из алюминиевого или алюминийсодержащего сплава до зеркального блеска с синхронным удалением медненного слоя с поверхности стального катода.