Електролітно-плазмове полірування нержавіючої сталі (електроплазмове полірування) - процес обробки поверхні нержавіючої сталі в основі якого лежать фізичні явища, що відбуваються на поверхні металу, що обробляється, зануреного в електроліт, під дією постійного струму напругою в сотні вольт, коли над оброблюваною поверхнею утворюється пароплазмова оболонка, тобто, тонка плівка з іонізованої пари і газу, що утворюються в результаті локального кипіння електроліту.
Процес електролітичного плазмового полірування нержавіючої сталі порівняно недавно став застосовуватися у промисловості але все більше і більше користується популярністю як у виробників так і в замовників готової продукції.
Технологія плазмового полірування в електроліті вважається екологічно чистою. Це альтернатива звичайному процесу електрохімічного полірування. В розчинах електроліту не використовують кислоти або токсичні речовини, а використовують екологічно безпечні низькоконцентровані водні розчини з різними неорганічними солями. Рівень блиску обробленої поверхні нержавіючого металу залежить від концентрації електроліту, і навіть від напруги.
У зв'язку з швидко зростаючими вимогами замовників до якості обробки поверхонь виробів із нержавійки, з одного боку, і все суворішими екологічними та санітарними вимогами з іншого, виробники змушені закривати старі виробництва та інвестувати у нові сучасні методи обробки поверхонь. Порівняно з класичною електрохімією це якісно та кількісно інший процес.
Суть процесу електролітно-плазмового полірування
Схема плазмового полірування на перший погляд може нагадувати звичайне електрополірування. Однак є деякі суттєві відмінності. Металева деталь, що підлягає обробці, занурюється в електроліт і анодно поляризується, тобто, підключається до плюсового полюса джерела електричного струму. Протиелектрод підключається до мінусового полюса джерела живлення. Основні відмінності полягають у величині напруги та хімічному складі електроліту. Висококонцентрована суміш кислот, що використовується при електрополіруванні, замінюється на низько концентрований водний розчин хімічно нейтральних солей. Через високе значення напруги між електродами по всій оброблюваній поверхні утворюється тонка газова плівка. Плівка утворюється з випареної води та газу (кисню), не проводить електрику та відокремлює поверхню металу від електроліту. Таким чином, електричний струм переривається і електричний ланцюг розмикається. Тим не менш, якщо напруга між електродами досить велика (кілька сотень вольт), газова плівка іонізується через високу величину електричного поля тонкої плівці. Тому електричний струм протікає через цю плівку у вигляді розряду, що тліє. На поверхню металу впливають стовпи розрядів, що тліють. Стовпи розряду завжди спрямовані до вершин профілю поверхні, оскільки відстань між поверхнею металу та стінкою електроліту тут найменша. Таким чином, пік поверхні швидко видаляється. При видаленні на матеріалі одного піку поверхні стовп розряду переміщається до іншого поверхневого піку, де товщина парогазової плівки менша. Таким чином, поверхня стає більш гладкою. При правильному хімічному складі електроліту та відповідних параметрах процесу оброблена поверхня стає блискучою.
Переваги електролітно-плазмового полірування нержавіючої сталі
Однією з переваг цієї технології є можливість обробки металевих деталей складної та неправильної форми. При цьому відсутній екрануючий ефект, як при електрохімічному поліруванні - вся поверхня металу обробляється рівномірно, включаючи наскрізні отвори. Наступною перевагою процесу плазмового полірування є нешкідливий склад електроліту. Електроліти ґрунтуються на екологічно безпечних розчинах різних неорганічних солей. Водні розчини концентрацією 4-6 % готують розчиненням грануляту у воді без додаткової вимоги до якості.
Інноваційний процес плазмового полірування є рішенням у таких сферах, як полірування поверхні, видалення задирок і очищення завдяки численним перевагам, таким як:
- вирівнювання мікронерівностей (< 0,01 мкм);
- мінімальне знімання матеріалу;
- можлива обробка будь-яких контурів;
- досягнення небувалого ступеня глянцю;
- не вимагає попередньої обробки або очищення заготовок;
- екологічно чисті електроліти складаються на 98% з H2O;
- відсутність використання шкідливих для навколишнього середовища речовин або висококонцентрованих кислот;
- оброблені поверхні більш стійкі до корозії, ніж у початковому стані;
- найнижча теплова та механічна напруга на поверхні (t < 100 °C);
- не можна очікувати цитотоксичних ефектів на поверхнях, полірованих плазмою.
Параметри які впливають на рівень блиску оброблюваної поверхні нержавіючої сталі
Існує кілька основних параметрів процесу, які впливають на властивості самого процесу, а також на властивості обробленої поверхні. Параметрами процесу, які можна змінювати незалежно, є: напруга, час обробки, температура та концентрація електроліту. Усі ці параметри визначають величину густини електричного струму, яка є основним надійним параметром процесу. Значення швидкості видалення матеріалу в процесі залежить в основному лише від значення густини струму, тому, таким чином, параметри процесу також опосередковано впливають на властивості обробленої поверхні.
Напруга
Робоча напруга є найважливішим параметром, що визначає якість полірованої поверхні. Експериментально встановлено, що існує мінімальне порогове значення напруги для кожного металу, при якому можна отримати досить високу якість обробки поверхні, але нижче якого якість поверхні починає погіршуватися. При обробці нержавіючих сталей можливе зниження напруги до 230 В без втрати якості обробки.
Збільшення напруги до понад 350 В є небажаним. При такому значенні вже можливе попадання в область електрогідродинамічного режиму, коли відбувається розрив плазмо-газового шару і електролітно-плазмова обробка стає не можлива.
Температура
Температурні умови у приелектродній зоні і в електроліті грають істотну роль в процесі полірування нержавіючих металів і сплавів. Високої якості поверхні можна досягти тільки в певному інтервалі температур електроліту. Зв'язок мікрорельєфу з нагріванням розчину пояснюється температурною залежністю таких властивостей рідини, як електропровідність, поверхневий натяг, крайовий кут змочування та в'язкість, які впливають на стійкість плазмо-газового шару, який відповідальний за механізм видалення мікронерівностей з поверхні нержавіючої сталі.
Достатньо високої якості обробки поверхні нержавійки можна досягти тільки в гарно прогрітому електроліті. А зниження температури електроліту вже нижче 70 ℃ призводить до помітного погіршення якості поверхні. Так, наприклад, під час полірування низьковуглецевих марок нержавіючої сталі на поверхні можуть утворюватися темні плями і з'являються невеликі розводи. Крім того, в деяких випадках при зниженні температури електроліту до 40 °С, замість полірування має місце нагрів зразків.
Надмірне підвищення температури електроліту вище 90 ℃ може призвести до зниження якості отриманої поверхні. Крім того, деякі електроліти, що містять солі амонію, хлоридну кислоту і інші речовини при нагріванні понад 85 ℃ розкладаються, утворюючи летючі продукти, що вимагає частого коригування розчину.
Час обробки
Якість полірування пропорційно її тривалості. При збільшенні тривалості обробки зменшується шорсткість поверхні, а відбивна здатність підвищується, що є гарним результатом. Але подальше збільшення тривалості полірування з 120 до 240 с призводить до незначного зменшення шорсткості поверхні, і меншого збільшення коефіцієнта відбиття. Це істотно не покращує якості полірування і не виправдовує додаткових енерговитрат. Швидке зменшення шорсткості в перші 90-120 с пов'язане з тим, що йде активне локальне згладжування мікрорельєфу в місцях найбільших виступів і западин, при цьому площа реальної поверхні зменшується на порядок. Подальше збільшення тривалості обробки не дає такої істотної зміни шорсткості поверхні і не веде до активного зняття металу, а лише додає поверхні дзеркальний блиск.
При підборі відповідного складу електроліту можна досягти надзвичайно високої якості полірування за 90-120 с. Остаточну обробку поверхні нержавійки можна проводити у ванній з спеціальним електролітом для досягнення гарного згладжування і з використанням меншої щільності струму.
Форма виробу та її геометричні розміри
На техніко-економічні та якісні показники електролітно-плазмового полірування нержавіючої сталі також впливають розміри та форма оброблюваної поверхні. Геометричні характеристики деталі впливають, перш за все, на такі параметри процесу, як енергетичні витрати, швидкість занурення виробу в електроліт і температура нагріву виробу.
До істотних факторів, що визначають якість полірування нержавіючої сталі, відноситься зовнішній розмір виробу, якій є обмежуючою умовою. Габарити оброблюваної деталі повинні бути такими, щоб при повному зануренні в електроліт виріб не торкався стінок і дна робочої ванни. Площа його поверхні повинна бути в кілька разів менше поверхні ванни. Максимально можлива площа полірування визначається обсягом робочої ванни і електричної потужності трансформатора. Вироби великих розмірів можуть оброблятись із зануренням до половини з подальшим переворотом і повторною обробкою, а невеликий коричневий наліт, який залишається на місці межі занурення, усувається додатковою короткочасною обробкою. Форма і товщина виробів в значній мірі визначають теплові та гідродинамічні характеристики процесу обробки. Для нормального протікання технологічного процесу, товщина стінок виробів не повинна перевищувати кількох міліметрів, а форма виробу має мати плоску форму. Усередині глибоких отворів (коли глибина перевищує діаметр отвору) утворюються застійні зони та полірування стінок не відбувається, тому перед обробкою отвори необхідно закривати заглушками, інакше вони вносять суттєву нестабільність в формування гідродинамічних потоків електроліту навколо оброблюваної деталі. Наявність глибоких отворів, заглиблень, порожнин і щілин розміром до 10 мм, а також підвішування дрібних деталей одне над одним на відстані менше 100 мм призводить до різкого збільшення споживаного струму і до зриву процесу полірування.
У чому відмінність електролітно-плазмового полірування від електрохімічного ?
Процес плазмового полірування за конструкцією машини аналогічний електрополіруванню. Деталь, що підлягає поліруванню, піддається електричному контакту для використання як анод і в обох випадках занурюється в електролітичну ванну.
Є три основні відмінності від процесу електрополірування:
- По-перше, це напруга електричної ванни, яка має бути вище 200 вольт, щоб спалахнути плазму під водою. Отриману поверхневу щільність струму можна порівняти з електрополіровкою. Однак типове видалення матеріалу при плазмовому поліруванні зі швидкістю 1 мкм/хв у 10 - 30 разів менше, ніж при електрополіруванні.
- Другою важливою відмінністю є склад електроліту, який потребує лише невеликої частки розчинених солей у воді для процесу плазмового полірування.
- Третя відмінність полягає в тому, що до цього часу вдалося знайти нетоксичні комбінації солей для створення стабільної плазми та отримання особливого полірувального ефекту. Оскільки при плазмовому поліруванні використовуються лише екологічно чисті хімікати, це дозволить уникнути проблем, пов'язаних із небезпечними умовами праці, порівняно з традиційними методами полірування. Крім того, плазмове полірування екологічно безпечне завдяки використанню нетоксичних хімікатів у низькій концентрації. А будь-яка розробка додаткових електролітів, специфічних для конкретного матеріалу, здійснюється з урахуванням впливу на довкілля, можливого забруднення матеріалів та їх утилізації.
Екологічність електролітно-плазмовго полірування нержавіючої сталі в порівнянні з іншими типами обробки
В процесі виробництва виробів з нержавіючої сталі, вода використовується на багатьох етапах, таких як миття, очищення, полоскання, тощо. Водні розчини з різними хімічними компонентами використовуються для різноманітних хімічних та електрохімічних процесів, наприклад травлення, процеси гальваніки, електрохімічне полірування та інше. В результаті цього утворюється велика кількість промислових відходів, які треба утилізувати відповідним чином для запобігання забруднення навколишнього середовища. Це дуже важливий етап виробничого процесу, оскільки такі відходи можуть містити патогени, важкі метали, токсичні залишки, наявність яких навіть у малих концентраціях може задати значного впливу на навколишнє середовище.
В процесі хімічного та електрохімічного полірувань в якості електроліту використовується багатокомпонентний, висококонцентрований розчин кислот і солей у першому методі, і різні види кислот у другому методі. Використання кислоти як основного компоненту електроліту вимагає особливого способу утилізації відходів такого виробництва, оскільки кислоти вважаються небезпечними для навколишнього середовища і в процесі звичайної утилізації можуть пошкодити каналізаційну систему, оскільки вони є високо кородуючими хімікатами. Для утилізації подібних відходів існує багато спеціально розроблених процесів, які вимагають великих затрат енергії, місця для проведення циклу очищення та зберігання хімікатів, а також часу, на проведення очищення. Це спричиняє зменшенню економічності виробництва, що може призвести до відмови від подібних процесів утилізації.
На відміну від висококонцентрованих розчинів кислот та солей, електроліт, який використовується при електролітно-плазмовому поліруванні нержавіючої сталі являє собою низько концентрований розчин солі (до 10%) з різними домішками, вміст яких не перевищує 1-3%. Це означає, що неправильна утилізація цих відходів, хоч і несе загрозу навколишньому середовищу, загрози руйнування каналізаційної інфраструктури нема. Також важливо відзначити, що солі, які використовуються в електроліті такі як сульфат амонію та хлористий амоній, є добривами та харчовими добавками, використання яких є безпечним для людини. Це означає, що після процесу очищення електроліту від забруднень, утворених під час електролітно-плазмового оброблення, водні розчини цих солей не несуть загрози навколишньому середовищу в таких пропорціях, як розчини кислот.
Це робить електроплазмове полірування екологічним методом у порівнянні з іншими методами фінішної обробки нержавіючого металу. Хоч він і вимагає енерговитрат та спеціальної установки для очищення відходів, неочищені відходи мають менш негативний вплив на навколишнє середовище.