Электролитно-плазменная полировка нержавеющей стали (электроплазменная полировка) - процесс обработки поверхности нержавеющей стали в основе которого лежат физические явления, происходящие на поверхности обрабатываемого металла, погруженного в электролит, под действием постоянного тока напряжением в сотни вольт, когда над обрабатываемой поверхностью образуется пароплазменная оболочка, то есть тонкая пленка из ионизированного пара и газа, образующихся в результате локального кипения электролита.
Процесс электролитической плазменной полировки нержавеющей стали сравнительно недавно стал применяться в промышленности, но все больше и больше пользуется популярностью как у производителей так и у заказчиков готовой продукции.
Технология плазменной полировки в электролите считается экологически чистой. Это альтернатива обычному процессу электрохимической полировки. В растворах электролита не используют кислоты или токсичные вещества, а используют экологически безопасные низкоконцентрированные водные растворы с разными неорганическими солями. Уровень блеска обработанной поверхности нержавеющего сплава зависит от концентрации электролита, а также от напряжения.
В связи с быстро возрастающими требованиями заказчиков к качеству обработки поверхностей изделий из нержавейки, с одной стороны, и все более строгими экологическими и санитарными требованиями с другой, производители вынуждены закрывать старые производства и инвестировать в новые современные методы обработки поверхностей. По сравнению с классической электрохимией, это качественно и количественно другой процесс.
Сущность процесса электролитно-плазменной полировки
Схема плазменной полировки на первый взгляд может напоминать обычную электрополировку. Однако есть некоторые существенные отличия. Металлическая деталь, подлежащая обработке, погружается в электролит и анодно поляризуется, то есть подключается к плюсовому полюсу источника электрического тока. Противоэлектрод подключается к минусовому полюсу источника питания. Основные отличия заключаются в величине напряжения и химическом составе электролита. Высококонцентрированная смесь кислот, используемая при электрополировании, заменяется низко концентрированным водным раствором химически нейтральных солей. Из-за высокого значения напряжения между электродами по всей обрабатываемой поверхности образуется тонкая газовая пленка. Пленка образуется из выпаренной воды и газа (кислорода), не производит электричество и отделяет поверхность металла от электролита. Таким образом, электрический ток прерывается и электрическая цепь размыкается. Тем не менее, если напряжение между электродами достаточно велико (несколько сотен вольт), газовая пленка ионизируется из-за высокой величины электрического поля тонкой пленке. Поэтому электрический ток протекает через эту пленку в виде тлеющего разряда. На поверхность металла влияют столбы тлеющих разрядов. Столбы разряда всегда направлены к вершинам профиля поверхности, поскольку расстояние между поверхностью металла и стенкой электролита здесь наименьшее. Таким образом, пик поверхности быстро удаляется. При удалении на материале одного пика поверхности столб разряда перемещается в другой поверхностный пик, где толщина парогазовой пленки меньше. Таким образом, поверхность становится более гладкой. При правильном химическом составе электролита и соответствующих параметрах процесса обработанная поверхность становится блестящей.
Преимущества электролитно-плазменной полировки нержавеющей стали
Одним из преимуществ этой технологии есть возможность обработки металлических деталей сложной и неправильной формы. При этом отсутствует экранирующий эффект, как при электрохимической полировке – вся поверхность металла обрабатывается равномерно, включая сквозные отверстия. Следующим преимуществом процесса плазменной полировки является безвредный состав электролита. Электролиты основываются на экологически безопасных растворах разных неорганических солей. Водные растворы концентрацией 4-6% готовят растворением гранулята в воде без дополнительного требования к качеству.
Инновационный процесс плазменной полировки является решением в таких сферах, как полировка поверхности, удаление заусенцев и очистка благодаря многочисленным преимуществам, таким как:
- выравнивание микронеровностей (< 0,01 мкм);
- минимальная съемка материала;
- возможна обработка любых контуров;
- достижение небывалой степени глянца;
- не требует предварительной обработки или очистки заготовок;
- экологически чистые электролиты состоят на 98% из H2O;
- отсутствие использования вредных для окружающей среды веществ или высококонцентрированных кислот;
- обработанные поверхности более устойчивы к коррозии, чем в исходном состоянии;
- самое низкое тепловое и механическое напряжение на поверхности (t < 100 °C);
- нельзя ожидать цитотоксических эффектов на поверхностях, полированных плазмой.
Параметры влияющие на уровень блеска обрабатываемой поверхности нержавеющей стали
Существует несколько основных параметров процесса, которые влияют на свойства процесса, а также на свойства обработанной поверхности. Параметры процесса, которые можно изменять независимо, являются: напряжение, время обработки, температура и концентрация электролита. Все эти параметры определяют величину плотности электрического тока, являющуюся основным надежным параметром процесса. Значение скорости удаления материала в процессе зависит в основном только от значения густоты тока, поэтому, таким образом, параметры процесса также косвенно влияют на свойства обработанной поверхности.
Напряжение
Рабочее напряжение является важнейшим параметром, определяющим качество полированной поверхности. Экспериментально установлено, что существует минимальное пороговое значение напряжения для каждого металла, при котором можно получить достаточно высокое качество обработки поверхности, но ниже которого поверхность начинает ухудшаться. При обработке нержавеющих сталей возможно понижение напряжения до 230 В без потери качества обработки.
Увеличение напряжения до более 350 В нежелательно. При таком значении уже возможно попадание в область электрогидродинамического режима, когда происходит разрыв плазмо-газового слоя и электролитно-плазменная обработка становится невозможна.
Температура
Температурные условия в приэлектродной зоне и электролите играют существенную роль в процессе полировки нержавеющих металлов и сплавов. Высокого качества поверхности можно добиться только в определенном интервале температур электролита. Связь микрорельефа с нагреванием раствора объясняется температурной зависимостью таких свойств жидкости, как электропроводность, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания и вязкость, влияющих на устойчивость плазмо-газового слоя, отвечающего за механизм удаления микронеровностей с поверхности нержавеющей стали.
Достаточно высокого качества обработки поверхности нержавейки можно добиться только в хорошо прогретом электролите. А понижение температуры электролита уже ниже 70 ℃ приводит к заметному ухудшению качества поверхности. Так, например, при полировании низкоуглеродистых марок нержавеющей стали на поверхности могут образовываться темные пятна и появляются небольшие разводы. Кроме того, в некоторых случаях при снижении температуры электролита до 40 ℃ вместо полировки имеет место нагрев образцов.
Чрезмерное повышение температуры электролита выше 90 ℃ может привести к понижению качества полученной поверхности. Кроме того, некоторые электролиты, содержащие соли аммония, хлоридную кислоту и другие вещества при нагревании свыше 85 ℃ разлагаются, образуя летучие продукты, требующие частой корректировки раствора.
Время обработки
Качество полировки пропорционально ее продолжительности. При увеличении продолжительности обработки уменьшается шероховатость поверхности, а отражательная способность повышается, что является хорошим результатом. Но дальнейшее увеличение длительности полировки со 120 до 240 с приводит к незначительному уменьшению шероховатости поверхности и меньшему увеличению коэффициента отражения. Это существенно не улучшает качество полировки и не оправдывает дополнительные энергозатраты. Быстрое уменьшение шероховатости в первые 90-120 с связано с тем, что идет активное локальное сглаживание микрорельефа в местах наибольших выступов и впадин, при этом площадь реальной поверхности уменьшается на порядок. Дальнейшее увеличение продолжительности обработки не дает столь существенного изменения шероховатости поверхности и не ведет к активному снятию металла, а лишь придает поверхности зеркальный блеск.
При подборе соответствующего состава электролита можно добиться очень высокого качества полировки за 90-120 с. Окончательную обработку поверхности нержавейки можно производить в ванной со специальным электролитом для достижения хорошего сглаживания и с использованием меньшей плотности тока.
Форма изделия и его геометрические размеры
На технико-экономические и качественные показатели электролитно-плазменной полировки нержавеющей стали влияют размеры и форма обрабатываемой поверхности. Геометрические характеристики детали влияют прежде всего на такие параметры процесса, как энергетические затраты, скорость погружения изделия в электролит и температура нагрева изделия.
К существенным факторам, определяющим качество полировки нержавеющей стали, относится внешний размер изделия, являющийся ограничивающим условием. Габариты обрабатываемой детали должны быть такими, чтобы при полном погружении в электролит изделие не касалось стенок и дна рабочей ванны. Площадь его поверхности должна быть в несколько раз меньше поверхности ванночки. Максимально возможная площадь полировки определяется объемом рабочей ванны и электрической мощности трансформатора. Изделия больших размеров могут обрабатываться с погружением до половины с последующим переворотом и повторной обработкой, а небольшой коричневый налет, остающийся на месте предела погружения, устраняется дополнительной кратковременной обработкой. Форма и толщина изделий в значимой степени определяют тепловые и гидродинамические свойства процесса обработки. Для нормального протекания технологического процесса толщина стенок изделий не должна превышать нескольких миллиметров, а форма изделия должна иметь плоскую форму. Внутри глубоких отверстий (когда глубина превышает диаметр отверстия) образуются застойные зоны и полировка стенок не происходит, поэтому перед отделкой отверстия необходимо закрывать заглушками, иначе они вносят существенную нестабильность в формирование гидродинамических потоков электролита вокруг обрабатываемой детали. Наличие глубоких отверстий, углублений, полостей и щелей размером до 10 мм, а также подвешивание мелких деталей друг над другом на расстоянии менее 100 мм приводит к резкому увеличению потребляемого тока и срыву процесса полировки.
В чем отличие электролитно-плазменной полировки от электрохимической ?
Процесс плазменной полировки по конструкции машины аналогичен электрополированию. Деталь, подлежащая полировке, подвергается электрическому контакту для использования в качестве анода и в обоих случаях погружается в электролитическую ванну.
Есть три основных отличия от процесса электрополировки:
- Во-первых, это напряжение электрической ванны, должно быть выше 200 вольт, чтобы вспыхнуть плазму под водой. Полученную поверхностную плотность тока сравнима с электрополировкой. Однако типичное удаление материала при плазменной полировке со скоростью 1 мкм/мин в 10-30 раз меньше, чем при электрополировании.
- Вторым важным отличием является состав электролита, требующий лишь небольшой доли растворенных солей в воде для процесса плазменной полировки.
- Третье отличие состоит в том, что к этому времени удалось обнаружить нетоксичные комбинации солей для создания стабильной плазмы и получения особого полировального эффекта. Поскольку при плазменной полировке используются только экологически чистые химикаты, это позволит избежать проблем, связанных с опасными условиями труда по сравнению с традиционными методами полировки. Кроме того, плазменная полировка экологически безопасна благодаря использованию нетоксичных химикатов в низкой концентрации. Любая же разработка дополнительных электролитов, специфичных для конкретного материала, осуществляется с учетом воздействия на окружающую среду, возможного загрязнения материалов и их утилизации.
Экологичность электролитно-плазменной полировки нержавеющей стали по сравнению с другими типами обработки
В процессе производства изделий из нержавеющей стали, вода используется на многих этапах, таких как мойка, очистка, полоскание и т.д. Водные растворы с различными химическими компонентами используются для различных химических и электрохимических процессов, таких как пищеварение, процессы гальваники, электрохимическая полировка и т.д. В результате образуется большое количество промышленных отходов, которые нужно утилизировать соответствующим образом для предотвращения загрязнения окружающей среды. Это очень важный этап производственного процесса, поскольку такие отходы могут содержать патогены, тяжелые металлы, токсичные остатки, наличие которых даже в малых концентрациях может оказать значительное влияние на окружающую среду.
В процессе химической и электрохимической полировок в качестве электролита используется многокомпонентный, высококонцентрированный раствор кислот и солей в первом методе, и различные виды кислот во втором методе. Использование кислоты как основного компонента электролита требует особого способа утилизации отходов такого производства, поскольку кислоты считаются опасными для окружающей среды и в процессе обычной утилизации могут повредить канализационную систему, поскольку они являются высококорродирующими химикатами. Для утилизации подобных отходов существует много специально разработанных процессов, требующих больших затрат энергии, места для проведения цикла очистки и хранения химикатов, а также времени для проведения очистки. Это приводит к уменьшению экономичности производства, что может привести к отказу от подобных процессов утилизации.
В отличие от высококонцентрированных растворов кислот и солей, электролит, используемый при электролитно-плазменной полировке нержавеющей стали, представляет собой низко концентрированный раствор соли (до 10%) с различными примесями, содержание которых не превышает 1-3%. Это означает, что неправильная утилизация этих отходов, хотя и несет угрозу окружающей среде, угрозы разрушения канализационной инфраструктуры нет. Также важно отметить, что соли, используемые в электролите, такие как сульфат аммония и хлористый аммоний, являются удобрениями и пищевыми добавками, использование которых безопасно для человека. Это означает, что после процесса очистки электролита от загрязнений, образованных во время электролитно-плазменной обработки, водные растворы этих солей не представляют угрозы окружающей среде в таких пропорциях, как растворы кислот.
Это делает электроплазменную полировку экологичным методом по сравнению с другими методами финишной обработки нержавеющего металла. Хотя он и требует энергозатрат и специальной установки для очистки отходов, неочищенные отходы оказывают менее негативное влияние на окружающую среду.