Podstawy Technik Wytwarzania, cz. II

Transkrypt

1 Podstawy Technik Wytwarzania, cz. II dr inż. Marcin Słoma Zakład Mikrotechnologii i Nanotechnologii

2 OBRÓBKA EROZYJNA GŁADKOŚCIOWA 2

3 SPOSOBY OBRÓBKI EROZYJNEJ GŁADKOŚCIOWEJ Głównymi sposobami obróbki erozyjnej gładkościowej, są polerowanie elektrolityczne lub elektrochemiczne oraz polerowanie chemiczne. Przy polerowaniu elektrolitycznym wykorzystuje się zjawiska elektrochemiczne, zachodzące na powierzchni anody i w jej otoczeniu, określane jako proces anodowego roztwarzania metali. Obróbka odbywa się przy przepływie prądu elektrycznego w elektrolitach. Polerowanie chemiczne wykonuje się bez udziału prądu, w roztworze zawierającym silne związki utleniające. W skali mikro proces polerowania chemicznego ma również charakter elektrochemiczny, co wynika z różnych potencjałów elektrochemicznych metali. 3

4 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Polerowanie elektrolityczne jest chemiczną metodą wykańczania powierzchni, w której metal w skali atomowej usuwany jest z powierzchni przedmiotu. Podstawowym celem jest zmniejszenie mikrochropowatości powierzchni. Polerowanie elektrochemiczne odsłania strukturę pierwotną materiału (krystaliczną i fazową). Zastosowanie tego procesu redukuje zjawisko przylegania osadów i zwiększa wydajność czyszczenia powierzchni. Stosowane jest także w celu gratowania, rozjaśnienia i pasywacji powierzchni. Ze względu na zachodzące zjawiska można uznać że jest to proces odwrotny do galwanicznego wytwarzania powłok. 4 Źródło: Poligrat UK Limited

5 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Zalety: - brak niepożądanych efektów polerowania mechanicznego, jak naprężenia mechaniczne i cieplne, cząstki wbite w powierzchnię, ślady po obróbce, - w pełni zachowana odporność korozyjna (do 20 razy wyższa niż przy obróbce ściernej), - możliwość obróbki drobnych elementów o skomplikowanych kształtach, - mechaniczna twardość powierzchni nie ma wpływu na wydajność procesu. Wady: - proces chemiczny (zagrożenie dla zdrowia, zanieczyszczenia), - dokładna kontrola parametrów procesu które są zmienne w czasie, - możliwość obróbki jedynie materiałów elektroprzewodzących. 5

6 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Układ do polerowania elektrolitycznego - Źródło zasilania przekształca prąd zmienny w prąd stały o niskim napięciu. - Zbiorniki procesowe (wanny) wykonane są z tworzyw sztucznych lub wyłożone ołowiem. - Katoda wykonana jest z ołowiu, miedzi lub stali nierdzewnej. - Elementy obrabiane mocowane na wieszakach wykonanych z tytanu, miedzi lub brązu stanowią anodę. - Obie elektrody zanurzone są w elektrolicie: H3PO4, HNO3, H2SO4, HCl, Na2Cr2O7, Na2SO4, NaCl,... 6

7 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Zjawiska obróbkowe - Proces anodowy: wyzwolenie atomów metali z sieci krystalicznej do elektrolitu i reakcje chemiczne. - Proces katodowy: osadzanie metali, wydzielanie wodoru. - Wytworzenie lepkich warstw odpowiadających za usuwanie makro występów (gruba) i polerowanie (cienka). - Selektywne roztwarzanie wierzchołków nierówności (mniejszej grubości warstwy na ich grzbietach). - Efekt ostrzowy - koncentracja ładunków elektrycznych na wierzchołkach zwiększających lokalnie gęstość prądu. 7

8 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Parametry technologiczne - Skład elektrolitu (zwykle wodny roztwór kwasów i soli). - Temperatura elektrolitu T - Gęstość prądu If=I/f [A/dm2], stosunek natężenia prądu do powierzchni polerowanego elementu - Czas trwania procesu t Na stabilność i wydajność procesu wpływają: przyłożony potencjał i skład elektrolitu, temperatura i prędkość polerowania, a nawet orientacja próbki w stosunku do katody. Po zakończeniu procesu element polerowany należy natychmiast wypłukać: kilkukrotnie w wodzie destylowanej lub roztworze z metanolem/etanolem i wysuszyć. 8

9 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Parametry technologiczne Mosiądz: H3PO g/l, Cr2O3 120 g/l; T=70 C, If=60 A/dm2, t=60 s. Stal wysokostopowa: H3PO4 40 %, H2SO4 40 %, Cr2O3 3 %; T=50 80 C, If=30 50 A/dm2, t=3 5 min. Stopu aluminium 6013 [Al Mg1Si0,8CuMn]: HNO3 30 %, CH3OH 70 %; T=30 C, 20 V. Stal nierdzewna: H2SO4 96 %, H3PO4 4 %; T=40 75 C, If=5 25 A/dm2, t=2 20 min. 9

10 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Krzywa polaryzacji If A B C V A: trawienie anody, gromadzenie produktów roztwarzania, wzrost rezystancji i spadek natężenia prądu. B: polerowanie, tworzenie błony powierzchniowej (wodorotlenki, tlenki), wzrost rezystancji w czasie. C: erozja, intensywne wydzielanie tlenu, odsłonięcie powierzchni metalu. 10

11 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Efekty Źródło: Poligrat UK Limited i R. Spitzke Oberflächen- und Galvanotechnik GmbH & Co KG 11

12 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Zastosowania Polerowanie elektrolityczne stosuje się w końcowej fazie wytwarzania narzędzi elektrotechnicznych, medycznych, jako przygotowanie do nakładania powłok dekoracyjnych, do wybłyszczanie biżuterii, galanterii metalowej, luster z Al, elementów aparatury chemicznej i armatury hydraulicznej, do polerowania zgładów metalograficznych. 12 Źródło: Poligrat UK Limited i Elektropol-R

13 POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE Elektrolityczne polerowanie miedzi i mosiądzu 13 Źródło ECM, Metalline Chemical Corporation

14 POLEROWANIE CHEMICZNE Polerowanie chemiczne polega na wygładzaniu powierzchni elementów ze stopów metali poprzez ich zanurzenie w roztworze zawierającym silny utleniacz. Zadaniem utleniacza jest spowodowanie dyfuzji jonów metali do roztworu i ich związanie z resztą kwasową. Obróbka odbywa się bez udziału prądu, ale elementarne zjawiska mają charakter podobny do polerowania elektrolitycznego. Tak samo powstaje błona powierzchniowa oraz lepka warstwa, która różnicuje intensywność reakcji, zwłaszcza procesy dyfuzyjne. Przykład warunków technologicznych przy polerowaniu elementów z mosiądzu: kwas octowy 60 %, H3PO4 25 %, HNO3 15 %, T=55 C, t=5 120 s. 14

15 TRAWIENIE ELEKTROLITYCZNE Skutecznym i ekonomicznym procesem oczyszczania powierzchni z resztek zanieczyszczeń powodujących korozję jest chemiczne lub elektrochemiczne trawienie. Trawienie poprawia wygląd powierzchni: - wygładza zarysowania i ostre krawędzie, - usuwa przebarwienia w miejscach spawania, cięcia lub zgrzewania, - zapewnia właściwy stopień przygotowania powierzchni przed bardziej zaawansowanymi procesami finalnej obróbki wyrobu, takimi jak pasywacja lub elektropolerowanie. 15 Źródło: Elektropol-R

16 TRAWIENIE ELEKTROLITYCZNE Trawienie usuwa z wierzchniej warstwy metalu zabrudzenia, rdzę a przede wszystkim zgorzel po spawaniu. W efekcie uzyskuje się jednorodną szaro-matową powierzchnię materiału. Po wytrawieniu na powierzchni metalu wytwarza się warstwa tlenków chromu, która znacznie zwiększa odporność chemiczną proces ten nazywany jest pasywacją. Bardzo często trawienie jest procesem wstępnym przed polerowaniem elektrochemicznym. źródło: ECM 16

17 POLEROWANIE CHEMICZNE vs TRAWIENIE element oczyszczony, trawiony, polerowany 17 Źródło: Elektropol-R

18 PASYWACJA ELEKTROLITYCZNA Naturalna odporność antykorozyjna stali może okazać się niewystarczająca, gdyż spontanicznie tworzona szczelna warstwa tlenków chroniąca metal przed korozją jest bardzo cienka i podatna na mechaniczne uszkodzenia. W niesprzyjających warunkach (wilgotność, zasolenie, czynniki agresywnych) uszkodzona warstwa pasywacyjna odtworzy się i rozpoczyna się proces korozji. Samoczynna pasywacja stali nierdzewnej zwykle zachodzi spontanicznie w obecności tlenu zawartego w powietrzu lub w wodzie. Proces ten jednak może trwać kilka dni zanim warstwa pasywna osiągnie pełną grubość. Dlatego stosuje się proces chemicznej pasywacji która prowadzi do dziesięciokrotnego wzrostu grubości ochronnej warstwy tlenków na powierzchni wyrobu. Pasywacja nie modyfikuje kształtu obrabianej powierzchni a jedynie zmienia jej właściwości podwyższając odporność względem korozji. 18

19 PASYWACJA ELEKTROLITYCZNA Celem elektropolerowania jest wygładzenie powierzchni wyrobu, lecz najczęściej proces ten jest prowadzony w ten sposób, że obrobiona powierzchnia ulega równocześnie głębokiej anodowej pasywacji, dzięki czemu zostaje w znacznym stopniu zabezpieczona przed korozją. W przypadku stali chromoniklowej elektropolerowanie prowadzi dodatkowo do zwiększenia koncentracji atomów chromu na powierzchni metalu (gdyż żelazo i nikiel ulegają strawieniu szybciej), dzięki czemu obrobiona powierzchnia ulega dodatkowemu utwardzeniu. 19 Źródło: Elektropol-R, ECM

20 PASYWACJA ELEKTROLITYCZNA Pasywacja miedzi i mosiądzu Wykonanie procesu oczyszczania i pasywacji miedzi i mosiądzu umożliwia usunięcie zabrudzeń i przebarwień po lutowaniu z powierzchni detali. Wytworzona warstwa pasywna nie zawiera związków kompleksowych oraz chromu sześciowartościowego i nie wpływa negatywnie na proces lutowania. 20 Detal surowy, detal wstępnie oczyszczony oraz detal po pasywacji., źródło: ECM

21 Przykłady polerowania, pasywacji itp. Źródło: ECM, Braumax, 21

22 PASYWACJA Źródło: Pinetrest, Alex Shaw, 22

23 POLEROWANIE HYBRYDOWE Techniki hybrydowe obróbki dokładnościowo-gładkościowej polegają na łączeniu różnych technik. Jako przykłady można podać szlifowanie oraz honowanie elektrochemiczne. Są to techniki, w których wykorzystuje się równocześnie zjawiska obróbki ściernej oraz roztwarzania elektrochemicznego. Honowanie elektrochemiczne - w roztworze NaCl lub NaNO3, - osełki diamentowe o spoiwie metalowym, - element obrabiany (anoda) a osełki (katoda). Występuje efekt synergii, czyli wydajność obróbki jest większa niż suma efektów technik składowych. 23

24 HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE 24

25 HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu cienkiej warstwy wierzchniej wyrobu stalowego (0,2 5 mm) do temperatury austenityzacji (ok. 100 C powyżej temperatury przemiany AC3), i następnie szybkim chłodzeniu przez natrysk wody lub emulsji hartowniczej, w celu uzyskania struktury martenzytycznej na powierzchni wyrobu i struktury nie zahartowanej pod powierzchnią. W zależności od sposobu grzania wyrobów stalowych rozróżniamy następujące sposoby hartowania: - płomieniowe - indukcyjne - kąpielowe, - kontaktowe - elektrolityczne 25

26 HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE Hartowanie płomieniowe 26

27 HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE Hartowanie indukcyjne 27

28 HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE Hartowanie indukcyjne 28

29 grafit.mchtr.pw.edu.pl/mars/ptw2 29