Общая характеристика электрохимического процесса

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

К. Н. Рамазанов, А. Р. Хамзина, Ю. Г. Хусаинов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

В. В. Будилов, Э.Л. Варданян, В. Э. Галиев, А. Е. Колоденкова,

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по образованию по университетскому и политехническому
образованию в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению

профессор кафедры литейных и высокоэффективных технологий СамГТУ,

заведующий кафедры "высокоэнергетических процессов и агрегатов",Набережночелнинского института КФУ,

Б__ Теоретические основы электрохимических и электрофизических методов обработки металлов: учебное пособие / В. В. Будилов, Э.Л. Варданян, В. Э. Галиев, А. Е. Колоденкова, К. Н. Рамазанов, А. Р. Хамзина,Ю. Г. Хусаинов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. –Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 2015. –249 с.

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы электрофизических методов обработки материалов и деталей, показаны их особенности и преимущества. Подробно описаны физические процессы, происходящие в металлах при воздействии на обрабатываемую поверхность электрохимическими, электроэррозионными, лазерными, плазменными, электронно-лучевыми, вакуумными ионно-плазменными методами обработки.

Предназначено для подготовки бакалавров и магистров высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 15.03.01, 15.04.01 «Машиностроение», 15.03.05, 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и 24.03.05, 24.04.05 «Двигатели летательных аппаратов».

А также для инженерно-технических работников, использующих электрохимические и электрофизические методы обработки деталей для изделий машиностроения различного целевого профиля

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ........................................................................................................................................................................................
1.1. Общая характеристика электрохимического процесса............
1.2. Перенос электричества в растворах электролитов...................
1.3. Неравновесные явления в растворах электролитов.................
1.4. Электрохимическая термодинамика и кинетика.......................
1.5. Кинетика диффузионных электрохимических процессов......
1.6. Поляризация и перенапряжение..................................................
1.7. Законы Фарадея..............................................................................
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ..........................................
2.1. Сущность, классификация и кинематика процессов электроэрозионной обработки............................................................
2.2. Процессы, протекающие при электроискровом разряде.........
2.3. Стадии нагрева и охлаждения поверхностного слоя при электроэрозионной обработке.....................................................
2.4. Характеристика зон поверхностного слоя детали после электроэрозионной обработки.................................................
2.5. Образование шероховатости поверхности при электроэрозионной обработке.....................................................
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ............................................................
3.1. Передача энергии излучения обрабатываемым материалам...
3.2. Теплофизические показатели лазерной обработки..................
3.3. Методы теоретического исследования тепловых полей при лазерной обработке........................................................................
3.4. Кристаллизация и формирование первичной структуры металла, расплавленного в процессе лазерной обработки.............
3.5. Деформации и напряжения при лазерной обработке...............
3.6. Превращения в твердом состоянии.............................................
3.7. Технологическая прочность металлов при лазерной обработке.................................................................................................

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ.......................................................................
4.1. Электронный луч и его характеристики......................................
4.2. Взаимодействие электронного луча с металлами......................
4.3. Электроннолучевая сварка.............................................................
4.4. Электронно-лучевая прошивка отверстий..................................
4.5. Размерная обработка электронным лучом..................................
4.6. Электронно-лучевое испарение сталей и сплавов......................
ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ....................
5.1. Термические и гидродинамические параметры взаимодействия частиц с поверхностью изделия..............................
5.2. Пространственно-временные условия взаимодействия напыляемых частиц на поверхности подложки.................................
5.3. Формирование слоя покрытия и его свойства............................
5.4. Формообразование газотермических покрытий.........................
ГЛАВА 6. ОСАЖДЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА НА МЕТАЛЛЫ........................................................................................
6.1. Физические процессы в плазме. Приэлектродные процессы в газовых разрядах.....................................................................................
6.2. Дуговой разряд и процессы в плазменных ускорителях с испаряемым электродом......................................................................
6.3. Физико-химические процессы при взаимодействии частиц с поверхностью твердоготела………………………………………
6.4. Теоретические основы зарождения и роста покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда................................................
6.5. Ионное распыление поверхности металлов................................
6.6. Методика расчета технологических параметров при осаждении покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда.........
ГЛАВА 7. ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ИОННОМ АЗОТИРОВАНИИ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ.......................................................................
7.1. Тлеющий разряд, процессы на катоде и аноде. Условия зажигания тлеющего разряда................................................
7.2. Модели процесса взаимодействия источников азота (атомарный, ионный) с обрабатываемой поверхностью..................
7.3. Азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование)
7.4. Тепловые и диффузионные процессы при ионном азотировании в тлеющем разряде.........................................................
7.5. Фазовые и структурные превращения при ионном азотировании сталей и сплавов.............................................................
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................

В условиях, когда возможность обработки резания ограничена низкой обрабатываемостью металлов целесообразно применение электрохимических и электрофизических методов обработки. Качество и производительность обработки практически не зависит от механических свойств обрабатываемой поверхности (твердость, вязкость, хрупкость), а определяется теплофизическими свойствами металлов. Кинематика формообразования поверхности деталей данными методами обработки проста и позволяет обеспечивать точное регулирование процессов и их автоматизация. Электрохимические и электрофизические методы обработки основаны на взаимодействии электронного тока высокой плотности, концентрированных потоков энергии, потоков заряженных частиц с поверхности металлов.

Металлы – вещества, характеризующиеся высокой электропроводностью (σ = 10⁶ – 10⁹ ом^–1м^–1) и теплопроводностью, наличием кристаллической решетки, металлическим блеском и т.д. Сплавы – металлические, макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металл – неметалл) с характерными металлическими свойствами.

Металлы, как известно, имеет ряд специфических свойств (высокая электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, высокая отражательная способность электромагнитных волн, пластичность и т.д.), по существу, обусловленных наличием в металлах свободных электронов.

В металле внешние валентные электроны атомов коллективизированы и образуют газ или жидкость, заполняющие межионное пространство.

В данном учебном пособие рассматриваются теоретические основы электрохимической, электроэррозионной, лазерной, электронно-лучевой, плазменной, вауумно плазменной методов обработки

При электрохимической обработке (ЭХО) удаление металла происходит под действием электрического тока в среде электролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе процесса ЭХО лежит явление анодного растворения металлов. Анодное растворение может протекать в электролитах различного состава, в том числе в неагрессивных электролитах – водных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. Под действием тока в электролите материал анода растворяется и в виде продуктов обработки выносится из промежутка потоком электролита. В результате реакций образуются газообразные продукты, которые удаляются в атмосферу. Катод, который служит инструментом, не изнашивается, что является одной из положительных особенностей процесса ЭХО.

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки под воздействием электрических разрядов в результате электрической эрозии. Электрический разряд – высококонцентрированный в пространстве и во времени импульс электрической энергии, преобразуемой между электродом-инструментом (ЭИ) и электродом-заготовкой в тепловую. При этом в канале разряда протекают нагрев, расплавление и испарение материала с локальных поверхностей электродов ионизация и распад рабочей жидкости (РЖ).

В основе лазерной обработки материалов лежит способность лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого материала. Это связано с термическим эффектом поглощения светового излучения непрозрачными материалами. Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится в глубь металла посредством электронной теплопроводности проводимости. Таким образом, тепловые процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что и традиционные способы теплового воздействия на металлы. Это дает основание рассматривать распространение теплоты в металлах при лазерной обработке с классических позиций теории теплопроводности.

В основе электронно-лучевой процессов обработки лежат фазовые и структурные изменения в металлах при взаимодействии с электронами луча. В результате встречи потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов превращается в другие виды энергии. Величина мощности электронного луча Р ₀ является одной из важнейших энергетических характеристик электроннолучевых процессов и в значительной мере определяет возможности электроннолучевой технологии. При максимальном значении P ₀, которое достигает 10¹²... 10¹³ Вт/м², можно проводить размерную обработку материалов за счет их локального испарения в месте воздействия луча на изделие. При меньших значениях P ₀ (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой луча) проводят плавку, сварку, нагрев и термообработку в вакууме.

Вакуумные ионно-плазменные методы обработки часто связаны с различного вида электрическими разрядами. Обычно под электрическим разрядом понимается процесс протекания электрического тока через среду и изменением свойств этой среды под действием тока. Разряды могут отличаться внешними характеристиками: формой, характером свечения, временем существования и внутренними свойствами: видом вольт-амперной характеристики, наличием (Т_е ~ Т_i ~ Т_а) или отсутствием (Т_е >> Т_i ~ Т_а) локального термического равновесия между отдельными компонентами плазмы, равномерным или неравномерным распределением плотности тока. Даже в самом разряде его свойства вблизи электродов могут сильно отличаться от свойств в объеме. Наибольший интерес представляют искровой, тлеющий и дуговой разряды. Они характеризуются сильным искажением электрического поля объемным зарядом. Эти разряды различают по величине катодного падения потенциала U _к. Если U _к>> V_i – тлеющий, U _к£ V_i дуговой разряд.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Под действием тока в электролите материал анода растворяется и в виде продуктов обработки выносится из промежутка потоком электролита. В результате реакций образуются газообразные продукты, которые удаляются в атмосферу. Катод, который служит инструментом, не изнашивается, что является одной из положительных особенностей процесса ЭХО.

Для электродов-инструментов необходимо выбирать сплавы, обладающие коррозионной стойкостью, высокой электропроводностью, хорошей сопротивляемостью местному разрушению при коротких замыканиях, высокой адгезией к диэлектрическим покрытиям, достаточной механической прочностью и обрабатываемостью, низкой стоимостью. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют медь, медные сплавы, нержавеющие стали; в меньшей степени – титановые сплавы. Медь и ее сплавы имеют высокую электропроводность, свариваемость, удовлетворительную адгезию к покрытиям, достаточную механическую прочность.

Существуют различные схемы размерной ЭХО с подвижным электродом-инструментом (ЭИ) – п рошивание, углублений, полостей, отверстий (рис. 1.1).

При такой схеме электрод-инструмент 2 имеет одно рабочее движение – поступательное перемещение к детали 1. Система регулирования зазора поддерживает постоянным межэлектродный зазор h (т.е. имеет место стационарный режим). Через межэлектродный промежуток прокачивают электролит 3 со скоростью V _э.

Задача электрохимического метода – так организовать протекание химической реакции, чтобы следствием процесса явилось выделение или поглощение электрической энергии. Для этого:

1. не допускают непосредственного взаимодействия реагирующих веществ;

2. расчленяют единый процесс на два электродных акта: с отдачей электронов ионами Х^– и с получением электронов ионами М⁺.

3. создают пространственную направленность электронных переходов;

4. увеличивают пути электронных переходов до макроскопических размеров.

Рис. 1.1. Типовая схема размерной электрохимической обработки:

1 – обрабатываемая деталь; 2 – профильный инструмент-электрод (катод);

При осуществлении электрохимического процесса понятие системы включает не одну, а, по крайней мере, две или несколько соприкасающихся между собой фаз, которые разделены четкими поверхностями, при этом реагирующий компонент под влиянием тока существенно меняет свои свойства (например, при электроосаждении или ионизации металлов), либо образует совершенно новую фазу, отличную от исходных (выделение газообразных веществ на металлических электродах).

Процесс восстановления или окисления веществ на электродах, сопровождаемый приобретением или потерей электронов частицами вещества в результате электрохимической реакции, называется электролизом. Для электролиза необходима система, которая состоит из следующих элементов:

1. Раствора электролита – проводника второго рода, в котором реагирующие вещества диссоциированы на ионы, например Н⁺ и Cl^–.

2. Двух проводников первого рода, погруженных в раствор электролита, так называемых электродов. В этом случае при соответствующем направлении тока на границах фаз электрод – электролит будут идти процессы

что приведет к образованию новых химических веществ – газообразного водорода и хлора

3. Проводников первого рода, соединяющего электроды между собой, либо с внешним источником тока.

Электрод, на котором идет процесс приобретения электронов частицами вещества, носит название катода. Электрод, с которого электроны переходят во внешнюю цепь, называются анодом.

По предложению М. Фарадея (1833 г.), положительно заряженные атомы (Н⁺, Cu²⁺, Fe³⁺ и др.) получили название катионов, отрицательно заряженные (Cl^–, OH^– и др.) – анионов. При пропускании постоянного электрического тока частицы, несущие заряд, направляются к соответствующим электродам: анионы к аноду, катионы к катоду.

В качестве примера далее рассмотрены процессы, проходящие при электролизе в водном растворе хлорной медиCuCl₂с анодом из меди (рис. 1.2).

В воде молекулы хлорной меди диссоциируют на ионы по следующей схеме: СuС1₂ → Сu²⁺ + 2С1^–. При создании на электродах от источника питания разности потенциалов анионы хлора начинают двигаться к аноду, а катионы меди – к катоду. Электрическая цепь (источник питания – электрод-катод – электролит – электрод-анод – источник питания) при этом замыкается.

На катоде осуществляется процесс восстановления меди, т.е. присоединения электронов, а на аноде – окисления, т.е. отдача электронов.

Рис. 1.2. Схема электролиза меди в растворе CuCl₂

В целом электролиз водного раствора CuCl₂ при медном аноде можно представить в виде следующей схемы

Рассмотрим уравнения следующих окислительно-восстановительных реакций

Реакции (1.1), (1.2) отличаются от двух других тем, что в них происходит изменение степени окисления компонентов. Такие реакции называются окислительно-восстановительными.

Одним из наиболее фундаментальных законов природы является закон сохранения энергии. Его проявление в окислительно-восстановительных реакциях заключается в том, что в них помимо закона сохранения массы, наблюдающегося в любых химических реакциях, должен соблюдаться закон сохранения заряда. Закон сохранения заряда в окислительно-восстановительных реакциях проявляется в изменениях степеней окисления элементов, участвующих в ней.

Любое повышение степени окисления называется окислением, а любое понижение степени окисления – восстановлением. Окисление – oxidation (англ.), восстановление – reduction (англ.), окислительно-восстановительные реакции – redoxreactions.

Таким образом, отличительным признаком всякого электрохимического процесса, протекающего на границе фаз электрод – электролит в электролитных ваннах, является непременное участие электрона. Электрохимия – отрасль химической науки, изучающая наиболее общие законы превращения вещества в электролитах и на границе фаз электрод – электролит при поглощении либо отдаче молекулами, атомами или ионами электронов. Именно электронный переход и реакция между ионами и электронами на границе металл – раствор определяют наблюдаемые при электролизе превращения под действием электрической энергии в новые химические вещества в электролитных ваннах.

Всякий источник электрической энергии – элемент и потребитель энергии – ванна, характеризуются разностью электродных потенциалов и внутренним сопротивлением. ЭДС элемента и напряжение на клеммах электролизера зависят также от материала электродов и от состава и концентрации потенциал образующих ионов в растворе. Таким образом, напряжение и электродвижущая сила электрохимических систем существенно зависят от величины накладываемого тока, а также от состава и концентрации реагирующих на границе фаз электрод – электролит веществ.

Электрохимия – это отрасль химической науки, изучающая условия и механизм химического превращения частиц реагирующего вещества в электролитах и на межфазных границах с выделением во внешнюю цепь либо поглощением (от внешнего источника) электронов.