Коррозия с целью: электрохимическая обработка деталей, атом за атомом.

Опубликовано пользователемStainless Steel World Americas Publisher 12 февраля 2024 г.и

Рассматривая различные навыки, процедуры, материалы и системы в области коррозионной инженерии, разумно предположить, что основная часть этой работы направлена ​​на предотвращение или сдерживание коррозии. Однако существует метод удаления материала, который использует принципы коррозии и электрохимии для «обратного проектирования» работы в области коррозионной инженерии с целью выполнения того, что можно приравнять к «контролируемой коррозии» металлических деталей в виде процесса удаления материала. Этот уникальный процесс известен как электрохимическая обработка (ЭХО), а также его более совершенная версия, называемая импульсной электрохимической обработкой (ЭХО).

 

Кирк Джино Аболафия, менеджер по техническому маркетингу и продажам, Voxel Innovations.

 

В этой статье будет рассмотрено, как этот уникальный процесс удаления материала использует принципы коррозии в своих интересах, отличительные преимущества электрохимической обработки, а также то, как электрохимия может быть применена для обработки важных деталей, используемых в энергетической, аэрокосмической и медицинской отраслях.

 

В упрощенном виде коррозия — это химический процесс, при котором очищенный металл превращается в более химически стабильный оксид. В подавляющем большинстве случаев коррозия является нежелательным результатом, поскольку она может привести к ослаблению химических связей металла, вызывая изменение цвета, потерю материала в окружающую среду и его ослабление.

 

С другой стороны, электрохимическая обработка использует свойства коррозии и электролиза для создания уникальных преимуществ, недоступных при традиционных методах обработки, таких как обработка твердых материалов, отсутствие нагрева, бесконтактное удаление материала, высокая повторяемость и сверхчистая обработка поверхностей.

 

PECM — это бесконтактный, нетермический метод удаления материала, обеспечивающий высокую воспроизводимость результатов, обработку мелких деталей и получение идеально гладких поверхностей.

 

• Обработка твердых материалов: Электрохимическая обработка (ЭХО) не учитывает твердость материала, а его химические свойства — хотя она не может обрабатывать непроводящие материалы, такие как пластмассы, она способна обрабатывать твердые материалы, такие как никелевые суперсплавы, с той же скоростью, что и медь.
• Бесконтактное удаление материала без нагрева: поскольку в процессе электрохимической обработки не используется нагрев или контакт, он позволяет обрабатывать термочувствительные участки детали или тонкостенные элементы, которые в противном случае могут быть подвержены деформации инструмента.
• Высокая повторяемость: отсутствие нагрева или контакта также приводит к минимальному или полному отсутствию износа инструмента, что обеспечивает электрохимической обработке высокую повторяемость, делая ее особенно выгодной для обработки больших объемов деталей.
• Сверхчистая обработка поверхностей: упомянутое выше отсутствие нагрева или контакта также позволяет электрохимической обработке одновременно обрабатывать и финишировать детали, что может сократить количество этапов, необходимых для обработки готового компонента; электрохимическая обработка способна создавать поверхности с шероховатостью Ra до 0,005,4 мкм.
• Для понимания принципа работы процесса электрохимической обработки (ЭХО) лучше всего сначала разобраться в четырех ключевых компонентах этой технологии: катоде, аноде, электролитической жидкости и источнике питания.
• Катод (инструмент): Также называемый электродом, инструмент в электрохимической обработке проектируется как приблизительно обратная форма предполагаемой формы обрабатываемой детали. Другими словами, для каждого проекта используется свой уникальный, изготовленный на заказ инструмент. Он опускается на деталь во время обработки, но никогда не соприкасается с ней.
• Анод (заготовка): Анод может быть изготовлен из любого проводящего материала, но электрохимическая обработка лучше всего подходит для обработки более прочных материалов, таких как высокоэнтропийные сплавы, сплавы на основе хрома и никелевые суперсплавы, поскольку этот процесс учитывает только химические свойства анода, а не его прочность. Хотя электрохимическая обработка часто используется для деталей, близких к окончательной форме (будь то штампованные, черновые или литые), она также может применяться для обработки прутков или заготовок для придания им желаемой формы.
• В процессе обработки электролитическая жидкость пропускается через микроскопический зазор между катодом и анодом (также называемый межэлектродным зазором, или IED), и эта жидкость одновременно выполняет две важные функции. Во-первых, заряженная электролитическая жидкость действует как катализатор электрохимической реакции. Кроме того, она действует как промывочное средство, удаляющее продукты сгорания и тепло из обрабатываемой области, обеспечивая гладкую поверхность.

 

Источник питания подает в электролитическую жидкость необходимый ток для проведения электрохимической реакции, причем сила тока напрямую коррелирует со скоростью удаления материала в процессе. Электрохимическая обработка (ЭХО) — это процесс с низким напряжением (5-50 В) и высоким током (25-150 А/см² или 160-970 А/дюйм²). Это главное отличие традиционной ЭХО от более совершенной ПЭХО; источники питания в ЭХО подают непрерывный постоянный ток, тогда как в ПЭХО используются более точные «импульсы» мощности для повышения точности.

 

Благодаря этому базовому пониманию технологии пользователи теперь могут понять, как электрохимическая обработка удаляет материал заготовки атом за атомом.

 

В процессе электрохимической обработки поверхность анода «обрабатывается» путем предварительного окисления, при котором данный атом теряет один или несколько электронов, изменяя свою атомную структуру и отсоединяясь от других атомов. Хотя это удаление материала происходит в микроскопическом масштабе, процесс электрохимической обработки позволяет как обработать, так и довести деталь до идеального состояния за довольно короткий промежуток времени.

 

Это окисление происходит потому, что электрический ток от источника питания, проходящий через жидкость, вызывает дисбаланс электронов между отрицательно заряженным катодом (инструментом) и положительно заряженным анодом (заготовкой).

 

В результате электрического заряда положительно заряженные катионы удаляются с поверхности анода (вместе со своими электронами) и осаждаются на отрицательно заряженной поверхности катода. Однако эти катионы связываются с кислородом и водородом, образуя нейтрализованные гидроксиды металлов, а не осаждаются на отрицательно заряженном катоде. Одновременно с этим окислением происходит восстановление, при котором электроны образуются с ионами водорода на поверхности катода, образуя газообразный водород — еще один побочный продукт электрохимической реакции.

 

На рисунке показана последовательность реакций с помощью гипотетического уравнения, в котором медь (Cu) растворяется в электрохимической реакции, превращаясь в катионы меди (II) и их 2 электрона. В конце процесса электрохимического осаждения они превратятся в гидроксиды меди и водород, которые являются отходами, подлежащими удалению.

 

Это процесс окисления — основная реакция в ЭХМ, — в ходе которой молекулы меди на поверхности расщепляются на катионы (в данном случае, катион меди(II)) и свободные электроны:

Cu→Cu+2+2e–

 

Это процесс восстановления, в котором свободные электроны соединяются с ионами водорода и образуют газообразный водород, который является еще одним побочным продуктом реакции:

 

2e(-) + 2H(+)→H2

 

Вот «окислительно-восстановительная» формула, объясняющая обе эти одновременные реакции:

 

Cu + 2H+ → Cu + 2+H2

 

Положительно заряженные катионы металлов притягиваются к отрицательно заряженному катоду (инструменту) и — при нормальных условиях — прикрепляются к поверхности катода. Однако при электрохимической обработке они превращаются в нейтральные гидроксиды, взаимодействуя с водородом и кислородом в воде электролитного раствора, который обычно состоит из воды и соли, например, NaCl.

 

Вот окончательная формула, в которой катионы меди, свободные электроны и водород/кислород в воде превращаются в гидроксиды меди и газообразный водород:

 

Cu+2+2e-+2H2O→Cu(OH)2+H2

 

Отсутствие контакта между катионами металла и поверхностью катода является еще одной причиной, по которой катод (инструмент) не изнашивается в процессе электрохимической обработки. Жидкость удерживает эти нейтрализованные гидроксиды в качестве отходов и действует как промывочная жидкость, удаляя эти отходы.

 

Например, технология PECM от Voxel Innovations использует закон Фарадея, который гласит, что химические реакции протекают быстрее всего там, где плотность тока максимальна; создавая уникальные, индивидуально подобранные катоды и изменяя межэлектродный зазор (IEG), технология PECM обеспечивает дополнительный уровень контроля над электрохимической реакцией для получения заданных геометрических форм на обрабатываемой детали.

 

В качестве краткого пояснения: пожалуйста, имейте в виду, что это все еще упрощенное, перефразированное изложение основных аспектов данной технологии, и что на точность и скорость процесса влияют многие другие переменные, которые не будут обсуждаться в следующих разделах, такие как плотность тока, размер IEG и pH электролита.

Костный имплантат из нитинола, изготовленный методом электрохимической обработки под давлением (PECM). Этот процесс позволяет обрабатывать биосовместимые металлические сплавы, такие как нитинол, с высокой точностью и качеством поверхности.

Ключевые области применения PECM

Электрохимическая обработка находит применение в ряде критически важных отраслей промышленности, включая энергетику, производство медицинских изделий и аэрокосмическую промышленность, где допуски, качество материалов и поверхности деталей требуют применения передовых производственных процессов.

 

Например, производители аэрокосмической техники ищут новые способы оптимизации процесса производства лопаток турбин, ракетных сопел, теплообменников, дисков и многого другого. Поскольку для этих применений в области электрохимического осаждения из газовой фазы часто требуются уникальные материалы, способные выдерживать экстремальные условия — такие как высокие температуры и нагрузки, — одновременно отвечающие требованиям к малому весу и высокому качеству поверхности, — эти детали могут иметь сложные конструктивные и материальные свойства, что оправдывает использование альтернативных методов производства, таких как электрохимическое осаждение из газовой фазы.

 

Теплообменники для аэрокосмической отрасли являются хорошим примером критически важных компонентов со сложной конструкцией, для которых может потребоваться использование PECM (плазмохимически управляемых материалов). Производители работают над улучшением теплопередающих свойств этих деталей за счет увеличения количества охлаждающих элементов на единицу объема, что дополнительно усложняет конструкцию деталей.

 

Традиционные методы механической обработки не всегда идеально подходят для таких теплообменников, поскольку все более тонкостенные элементы могут подвергаться термической деформации или вибрации инструмента, усиливаемой прочностью материалов (таких как никелевые суперсплавы, включая инконель). Однако технология PECM является эффективным способом создания высокоплотных тонкостенных охлаждающих элементов на ответственных теплообменниках, поскольку химический процесс обработки игнорирует прочность материала заготовки и не создает на нем тепла или трения, что позволяет относительно легко обрабатывать тонкостенные элементы из инконеля.

 

Следует помнить, что в данном примере используется медь из-за ее структурной простоты; электрохимическая обработка обычно применяется для более сложных по структуре и труднообрабатываемых материалов, чем медь, таких как инконель, который обычно представляет собой композицию никеля, хрома, молибдена, марганца и других материалов. Однако основные этапы реакций в электрохимической обработке схожи для всех обрабатываемых материалов.

 

Например, компания Voxel Innovations продемонстрировала формирование стенок толщиной нержавеющая сталь    

 

Еще одно ценное применение технологии PECM можно найти в важнейших областях производства медицинских изделий, поскольку производители ортопедических имплантатов заинтересованы в следующем:

 

• Используйте труднообрабатываемые материалы, которые одновременно биосовместимы и прочны, например, некоторые титановые сплавы. нержавеющая сталь
• Разработка миниатюрных деталей для улучшения мобильности пациентов и минимизации инвазивности хирургических процедур.
• Производство деталей с идеально обработанной поверхностью позволяет минимизировать потенциальное цитотоксическое воздействие некоторых материалов, таких как никель.

 

Эти трудности усугубляются большими объемами деталей, необходимыми для запуска продукта, что создает дополнительную нагрузку на производителей. Такие компании, как Voxel Innovations, доказали, что PECM — это эффективный процесс обработки больших объемов труднообрабатываемых миниатюрных фиксирующих устройств с превосходным качеством поверхности (до 0,005–0,4 мкм Ra). Поатомное удаление материала заготовки обеспечивает PECM уникальный уровень точности, контроля и повторяемости, недоступный при использовании традиционных процессов.