Электронная почта
Сделать заказ
Назад в меню
Фазлутдинов К.К.
19.07.2023 (обновленно 19.07.2023)
944 просмотров

Химическое полирование металлов

Среди немеханических способов полировки металлов выделяют химическую и электрохимическую.

В зависимости от толщины снимаемого слоя поверхности и поставленных задач различают следующие методы обработки при химической полировке:

  • глянцевание, которое придает блеск поверхности и выравнивает субнеровности при толщине снимаемого слоя менее 1 мкм;
  • полирование, которое сглаживает неровности при толщине снимаемого слоя от 1 до 10 мкм;·
  • шлифование (химический ремонт), при котором снимаемый слой металла имеет толщину от 10 до 200 мкм и выше, и одновременно сглаживаются неровности поверхности.

В большинстве случаев, химическая полировка используется для декоративной отделки поверхности деталей, подготовки поверхности перед осаждением гальванических покрытий и удаления мелких заусенцев.

Основные преимущества химической полировки:

  • В отличие от механической обработки, производительность химической полировки не зависит от физико-механических свойств металла и конфигурации заготовки. В некоторых случаях она даже превышает производительность механических методов.
  • После химической полировки на поверхности деталей меньше оседает и удерживается загрязнений из-за особенностей рельефа.
  • Поверхность становится более устойчивой к коррозии.
  • Химическая полировка устраняет дефектный поверхностный слой металла, возникший после предварительной механической обработки.
  • В особых условиях, в которых работает пневмогидроаппаратура и клапаны искусственного сердца, надежность работы изделий повышается после химической полировки. Физико-механические свойства поверхности также улучшаются.
  • Процесс химической полировки прост и не требует значительных капитальных вложений.

Недостатки химической полировки:

  • низкая живучесть растворов (6-18 дм2/л), высокая стоимость как самих растворов, так и их утилизации, отсутствие возможности корректировки;
  • невозможность регулирования толщины удаленного слоя металла и, в результате, невозможность полирования прецизионных деталей;
  • использование концентрированных кислот, вредных веществ и выделение вредных, токсичных газов (NO, NO2), паров кислот в больших объемах.

Недостаточная информация о теоретических основах механизма химической полировки является одной из главных причин ее ограниченного применения для сплавов на основе железа, хрома и никеля в промышленных масштабах. В то же время химполировка меди дает неплохие результаты. По сравнению с электрохимической полировкой химполировка позволяет получить меньшую отражательную способность, относительное сглаживание и минимально достижимую шероховатость поверхности более Ra 0,2 мкм.

В основе саморастворения металла в среде лежит механизм многостадийной электрохимической коррозии. По этому признаку электрохимическое и химическое полирование являются аналогичными процессами. При этом химическую полировку можно рассматривать как частный случай электрохимической. В обоих случаях происходит анодное растворение металла в первую очередь на микровыступах, что приводит к сглаживанию поверхности и повышению ее отражательной способности. Однако, в отличие от электрохимической полировки, при химической растворение металла происходит за счет токов саморастворения в присутствии окислителей без применения внешнего источника тока.

Электрохимическое растворение металла (Me) происходит при установлении необратимого электродного потенциала. Это происходит в несколько стадий.

Анодную стадия заключается в образовании сольватированных ионов металла (Men+ * mH2O) в электролите, а также электронов на поверхности металла:

Me + mH2O = Men+mH2O + ne

Ассимиляция электронов на катодной стадии происходит путем их соединения с ионами (не данного металла) или молекулами раствора, которые являются деполяризаторами (окислителями). Окислители D способны к восстановлению по реакции

ne + D = [Dne]

На рисунке 1 приведена схематически анодная поляризационная кривая пассивирующегося металла.

Химическое полирование

Рисунок 1 - Зависимость скорости коррозии i от потенциала φ.

Кривая имеет следующие участки:

  • AC - участок описываемом уравнением Тафеля. На нем идет растворение с заметной скоростью, металл полностью активен. С ростом анодного потенциала скорость электрохимической реакции будет логарифмически расти до достижения критического потенциала φкр.
  • CD – переходная область. При дальнейшем росте потенциала положительнее φкр скорость растворения металла упадет. Это связывается с адсорбцией кислорода на поверхности и блокировкой активных центров металла. При дальнейшем повышении потенциала поверхность закроется пассивным слоем полностью.
  • DH – область пассивного состояния. В этой зоне скорость растворения металла незначительна, увеличение потенциала еще больше в положительную сторону не приводит к ее увеличению.
  • HG – область перепассивации/транспассивного состояния (только для некоторых металлов). Начинается при достижении и превышении потенциала перепассивации φпп. Металлы при этом переходят в раствор в виде комплексов, имея более высокую степень окисления, чем в области AC.
  • GE – область за зоной перепассивации. Анодная реакция снова затормаживается. В точке E с потенциалом φO2 начинается выделение кислорода.
  • EL – вновь логарифмическая анодная кривая.

Активное растворение металла последовательно многостадийно. В нем участвуют компоненты раствора:

  • Адсорбция анионов раствора mA на поверхности металла Me с образованием поверхностного комплекса металла (MeAm)адсm−

Me + mA ⇄ (MeAm)адсm−;

  • Электрохимическая стадия, определяющая переход поверхностного комплекса (MeAm)адсm− в раствор и скорость всего процесса:

(MeAm)адсm− → (MeAm)(m−n) + ne;

  • Распад комплекса (MeAm)(m−n) в растворе на простые ионы – катионы Men+ и анионы mA

(MeAm)(m−n) ⇄ Men+ + mA

Самопроизвольная анодная реакция осуществляется за счет ионизации металла, а самопроизвольная катодная – за счет восстановления кислорода, ионов водорода, молекул воды и других компонентов–окислителей, присутствующих в растворе.

Перейдем теперь непосредственно к механизму химического полирования. Основные разработки по химической полировке железа, хрома, никеля и их сплавов связаны с концентрированными составами на основе серной, азотной, соляной, фосфорной, фтористоводородной, щавелевой и уксусной кислот с окислителями, например, перекись водорода и хромовый ангидрид. Во всех этих растворах получаемая после обработки отражательная способность поверхности низкая, шероховатость снижается до Ra 1,25–0,63 мкм.

В кислотных растворах на основе азотной, соляной, серной или ортофосфорной кислот с добавками водорастворимых полимеров и ПАВ результаты лучше, но только для нержавеющей стали.

Существует несколько аспектов теорий химического полирования металлов, что в той или иной степени связано с явлением пассивации, рассмотренном выше.

  • Адсорбционно-пленочная теория. В приповерхностном слое образуется вязкий слой продуктов реакции. Эффект полирования совпадает с образованием на поверхности оксидной пленки и последующим ее восстановлением, в частности, азотистой кислотой. Травление под действием микрогальванопар подавляется отдельными добавками-ингибиторами. Ингибирование объясняется адсорбцией добавок на активных анодных участках микрогальванопары.
  • Теория пассивирующих пленок. Местные коррозионные токи, вызванные микрогальванопарами, способствуют созданию на поверхности металла оксидного пассивирующего слоя, который оказывает значительное влияние на растворение металла. Процесс химической полировки связан с диффузионными ограничениями в приповерхностном слое и непрерывным формированием/растворением тонкой оксидной пленки. Для достижения эффекта полирования скорости этих процессов должны быть близки.
  • Теория активного растворения металла (при химическом полировании сталей 10, 12Х18Н10Т и ЭИ-448 в водных растворах серной, азотной и соляной кислоты с добавками полиакриламида, ОП-10 и красителя кислотного оранжевого). В теории было установлено и подтверждено экспериментально, что блескообразование в процессе химического глянцевания наблюдается в области активного растворения металла (область АС на рисунке 1). Оно идет за счет сглаживания субнеровностей благодаря образованию на поверхности металла пленок хелатных комплексных соединений. При химическом шлифовании и полировании основные процессы также идут в области активного растворения металла. При этом комплекс водорастворимых органических соединений способствует образованию вязкого диффузионного слоя, который накапливается во впадинах профиля поверхности, где растворение металла протекает с диффузионными ограничениями. Т.е. затормаживается. Сглаживание поверхности обусловлено большей доступностью выступов с точки зрения диффузии и прекращается тогда, когда радиус кривизны выступов становится равным толщине диффузионного слоя.

Таким образом, механизм химполирования имеет э/х природу, основанную на коррозионных процессах. Повышение степени блеска поверхности связано с подавлением травления и образованием пассивных пленок, улучшающих электрохимическую однородность поверхности. Выраженное сглаживание же связано с наличием диффузионных ограничений.

Составы растворов для химической полировки:и
Компонент растворов Номер раствора
1 2 3 4 5 6 7 8 9
г/л массовая доля, % объемная доля, % Массовая доля, % г/л ил
Фосфорная кислота 930-950 1300-1400 - - 60-65 59-67 1300-1400 1500-1600 780
Серная - - - 1,8 - - 200-250 - 160
Азотная 280-290 - 2,2 - 10-12 18-22 110-150 60-80 60
Соляная - - - - - - - - -
Уксусная 250-260 - - - 23-25 15-19 - - -
Азотнокислый калий - 450-500 - - - - - - -
Перекись водорода - - 10,5 10,5 - - - - -
Спирт этиловый - - 2,8-3,0 2,8-3,0 - - - - -
Карбоксиметилцеллюлоза - - - - - - 0,8 - 0,8г
Азотнокислая медь - - - - - - - -
Борная кислота - - - - - - - -
Тиомочевина - - - - - 0,01 - - -
Конец статьи
Нажмите на звезду
Средняя оценка: 5,00
Всего оценок: 3
Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО "НПП Электрохимия". Любое копирование информации возможно только с разрешения владельца сайта. Размещение активной индексируемой ссылки на https://zctc.ru обязательно.