Работа № 16. Электрохимическое полирование металлов

Цель работы – изучение процесса электролиза, основных правил разряда ионов на электродах и количественных закономерностей при протекании электродных процессов. Знакомство с практикой электрохимических измерений. Практическое применение электролиза для электрохимического полирования металлов, исследование механизма этого процесса и определение параметров оптимального режима электрополирования, обеспечивающего наилучшее качество поверхности.

Теоретическое введение

Электролиз с растворимым анодом широко применяется для различных технологических целей, например для очистки металлов от примесей, электрофрезерования или для обработки поверхности металлов. В последнем случае в результате анодного растворения металлов при определенных значениях плотности тока и напряжения в электролизере, а также при применении электролитов определенного состава происходит выравнивание поверхности металла анода вплоть до зеркального блеска. В результате этого процесса не только улучшается качество обработки поверхности самого металла, но и, если оно имеется, покрытия на металле, за счет удаления внешнего неравномерного слоя покрытия или дефектов на металле, возникших при его механической обработке. После электрополирования благодаря большей однородности поверхности увеличивается коррозионная стойкость металлов.

При анодном растворении начиная с некоторых значений потенциалов электрода скорость растворения металла, т.е. количество ионов, переходящих в раствор в единицу времени, становится больше скорости отвода ионов. В результате в прианодном слое концентрация ионов металлов возрастает и образуется слой электролита с повышенной вязкостью, что приводит к уменьшению скорости движения ионов и к снижению общей величины тока. Однако толщина этого вязкого слоя не везде одинакова вследствие шерохова­тости поверхности металла, поэтому на ее выступах, где толщина слоя меньше, скорость растворения будет больше, что и приводит к выравниванию поверхности изделия. При дальнейшем повышении потенциала начинается процесс элект­ролиза воды с интенсивным выделением на аноде кислорода, пузырьки которого срывают вязкий слой. Вследствие этого величина тока воз­растает, а качество электрополирования снижается.

Факт образования вязкого слоя, а следовательно и возможности полирования, можно установить по вольт-амперной харак­теристике электролизера – зависимости . Наличие вязкого слоя, а также границы его существования определяются «провалом» на вольт-амперной кривой.

Существование вязкого слоя, обеспечивающее эффект полирования, зависит не только от режима, например, от напряжения на клеммах электролитической ванны, но и от состава электролита. Как правило, для увеличения вязкости применяют очень концентрированные кислоты. Поэтому при работе с ними необходимо проявлять крайнюю осторожность.

Ниже приводятся составы электролитов, применяемых для электрополирования наиболее распространенных металлов и сплавов:

● алюминий и его сплавы: фосфорная кислота H₃PO₄ – 60%; серная кислота H₂SO₄ – 40%.;

● медь и ее сплавы: фосфорная кислота –75%, хромовый ангидрид Cr₂O₃ – 7,5%;

● никель и его сплавы: серная кислота – 70%;

● углеродистые и малолегированные стали: фосфорная кислота –75%, хромовый ангидрид – 5%;

● нержавеющие стали: фосфорная кислота – 43%, серная кислота –1,5%.

При электрополировании в ряде случаев не удается добиться зеркальной поверхности по следующим причинам:

1) из-за образования питтингов (мест точечной коррозии) вследствие длительной задержки пузырьков кислорода на поверхности металла;

2) из-за образования непрозрачных и окрашенных плёнок, состоящих из оксидов или солей, вследствие неправильного режима электрополирования или неоптимального состава электролита;

3) из-за плохой предварительной механической обработки металла, оставляющей глубокие царапины на его поверхности;

4) из-за при­сутствия в электролите взвешенных частиц, которые дают направленное движение пузырькам кислорода, вследствие чего на по­верхности металла образуются полосы.

Оборудование

1. Выпрямитель переменного тока ВС-24.

2. Электролизер со свинцовыми катодами и раствором электроли­та (70% Н₂S0₄).

3. Миллиамперметр.

4. Милливольтметр.

5. Пластинки металла (Ni) для полирования (аноды).