Polimento eletrolítico de aço inoxidável: explicado

Polimento eletrolítico de aço inoxidável: explicado

I. Princípio de funcionamento

1. A eletrólise utiliza a peça de polimento como ânodo e um metal insolúvel como cátodo. Quando ambos são imersos em um banho eletroquímico e é aplicada corrente contínua, ocorre a dissolução anódica seletiva, resultando em uma aparência altamente lisa e brilhante na superfície do aço inoxidável.

2. A ação eletrolítica garante que o aço inoxidável tenha uma cor consistente por dentro e por fora, limpo e brilhante com brilho duradouro. Forma uma película fina e viscosa na superfície, aumentando a resistência à corrosão.

II. Composição da Solução Eletrolítica e Condições do Processo

1. Ácido Fosfórico:

Ele se dissolve e forma uma película protetora de fosfato na superfície do aço inoxidável, evitando corrosão excessiva. A concentração ideal é em torno de 750mL/L.

(1) Se a concentração for muito alta, a resistência elétrica do banho aumenta, a viscosidade aumenta, levando a uma tensão necessária mais alta e a um nivelamento mais lento.

(2) Se a concentração for muito baixa, causará corrosão irregular na superfície do aço inoxidável devido à maior ativação e menores tendências de passivação.

2. Ácido Sulfúrico:

Como ativador, melhora a condutividade da solução, reduz a resistência, diminuindo assim a tensão do banho, economizando energia e aumentando a capacidade de dispersão e a eficiência da corrente anódica. A concentração ideal é 180~210mL/L.

(1) Se a concentração for muito alta, a superfície pode ficar excessivamente corroída, resultando em corrosão uniforme e densa.

(2) Se a concentração for muito baixa, isso causará corrosão severa e irregular.

3. Anidrido Crômico:

Forte oxidante, forma uma película de passivação na superfície para evitar a corrosão, contribuindo para uma superfície mais lisa. A concentração ideal é 50~60g/L.

(1) Se a concentração de anidrido crômico for muito baixa, será um desafio conseguir uma superfície brilhante.

(2) Se a concentração for muito alta, a sedimentação poderá ocorrer sob alta corrente, reduzindo a eficiência da corrente e levando a corrosão e outras formas de corrosão excessiva na superfície de polimento.

4. Glicerol (Glicerina):

Desempenha um papel significativo na inibição da corrosão. Reage com o ácido fosfórico formando complexos e derivados metálicos, tornando a superfície polida extremamente brilhante e delicada. O glicerol também evita a corrosão química do aço inoxidável no eletrólito.

(1) Se a concentração for muito baixa, apesar de uma superfície polida brilhante, a corrosão pode torná-la áspera.

(2) Com maior concentração, pode superar a rugosidade, resultando em uma superfície polida brilhante e delicada.

(3) Se a concentração for muito alta, poderá ser produzida espuma excessiva, afetando as operações e desperdiçando material.

5. Sacarina: Aumenta o brilho.

(1) A sacarina, quando envolvida em processos catódicos, pode ser adsorvida em superfícies metálicas, contribuindo para o brilho e brilho da superfície polida.

(2) Nos processos anódicos, a sacarina forma uma película de adsorção na superfície do ânodo, que protege a superfície do aço inoxidável da erosão eletrolítica quando não há corrente. Quando a energia é aplicada, as linhas elétricas rompem primeiro a película de isolamento nas partes elevadas, iniciando a dissolução, enquanto as áreas rebaixadas são efetivamente protegidas, resultando na dissolução seletiva para uma superfície lisa e brilhante.

6. Densidade atual:

(1) Em baixas densidades de corrente, o metal está em estado ativado, com a superfície polida sendo erodida. Os produtos de dissolução anódica são mínimos e a dissolução química domina a dissolução eletroquímica, levando a uma lisura deficiente.

(2) Quando a densidade de corrente ultrapassa o valor adequado, ocorre intensa evolução de oxigênio, causando superaquecimento e corrosão excessiva na superfície do metal, levando à dissolução irregular e aumento do consumo de energia elétrica.

7. Temperatura:

Um aumento moderado na temperatura pode acelerar o processo de nivelamento e melhorar a eficiência da corrente, aumentando assim a suavidade e o brilho da superfície.

(1) Uma temperatura muito baixa aumenta a viscosidade do eletrólito, tornando mais difícil a difusão dos produtos de dissolução anódica da superfície do metal para o eletrólito e o reabastecimento do ânodo.

(2) Uma temperatura muito alta aumenta a quantidade de metal dissolvido, produzindo vapor e gás no tanque que deslocam o eletrólito da superfície do metal, retardando paradoxalmente a taxa de dissolução do metal. A diminuição da viscosidade perto do eletrólito acelera a difusão dos produtos de dissolução, levando a taxas de dissolução aceleradas e impactando a suavidade da superfície.

III. Preparação da solução eletrolítica

A solução deve ser preparada de acordo com o conteúdo em volume (% (V)) ou mL/L e conteúdo em massa (% (p)) ou g/L na fórmula, que irá diferir no cálculo da dosagem.

1. Conteúdo de volume

Supondo que o volume do líquido do tanque seja 1000L, o cálculo da dosagem e as etapas de preparação são os seguintes.

a. Dosagem de ácido fosfórico: XmL/L×1000L=XL. Meça e adicione ácido fosfórico XL ao tanque.

b. Dosagem de ácido sulfúrico: XmL/L×1000L=XL. Meça e adicione gradualmente ácido sulfúrico XL ao ácido fosfórico enquanto agita.

c. Dosagem de água: XmL/L×1000L=XL. Coloque em um recipiente separado.

d. Dosagem de anidrido crômico: XmL/L×1000L=XL. Adicione o anidrido crômico pesado à água e mexa até que se dissolva em uma solução de ácido crômico.

e. Adicione gradualmente a solução de ácido crômico à solução de ácido fosfórico-sulfúrico, mexendo até ficar uniforme. A solução aparecerá amarela.

f. (1) Dosagem de gelatina: Xg/L×1000L=Xkg. Mexa a gelatina pesada em água quente até ficar uniforme e, em seguida, adicione-a lentamente em pequenos lotes à solução de ácido fosfórico-sulfúrico. Isto iniciará uma forte reação de redução e o eletrólito ficará amarelo-esverdeado.

(2) Adicione gradualmente a quantidade calculada de glicerina ao tanque enquanto mexe. Isto também iniciará uma forte reação de redução e produzirá excesso de espuma. Para evitar que a solução transborde devido à espuma, tenha especial cuidado ao adicionar glicerina. A solução também ficará verde-amarelada. Deixe esfriar sem ser perturbado.

2. Conteúdo em massa

a. Meça a gravidade específica dos ácidos fosfórico e sulfúrico utilizados, assumindo a densidade medida do ácido fosfórico d1=1,7g/mL, densidade do ácido sulfúrico d2=1,8g/mL.

b. Então, a partir das tabelas de dados químicos da densidade relativa de cada ácido, verifica-se que: em 100g de solução ácida, o teor de ácido fosfórico P1=86,25g, o teor de ácido sulfúrico P2=88g.

c. Calcule o volume necessário de ácido fosfórico V1 e ácido sulfúrico V2.

V=xdo×1000/pd (L)

Onde x é a porcentagem em massa do ácido na fórmula; fazer é a densidade da solução, tome o valor médio=1,65g/mL

d. Volume de água=1000-V1-V2

e. Dosagem de anidrido crômico.

Como o anidrido crômico é um ácido sólido, a massa necessária é calculada pela fórmula xd0×1000/100 (Kg).

f. Adicione a quantidade calculada de anidrido crômico à água necessária e mexa até dissolver.

g. Adicione a quantidade calculada de ácido fosfórico à solução de anidrido crômico e mexa até ficar uniforme.

h. Adicione gradualmente a quantidade calculada de ácido sulfúrico à solução da etapa g enquanto agita.

3. Medindo a densidade relativa da solução:

Depois que a solução preparada esfriar até a temperatura ambiente, meça sua densidade relativa usando um hidrômetro.

1. Se a densidade relativa exceder 1,7, adicione uma quantidade adequada de água ao eletrólito, diluindo-o até que a densidade relativa esteja na faixa de 1,6 a 1,7.

2. Se a densidade relativa estiver entre 1,6 e 1,7, mas o volume do eletrólito for insuficiente, reabasteça a quantidade necessária de ácido fosfórico, ácido sulfúrico e anidrido crômico de acordo com a falta de volume.

3. Se a densidade relativa estiver abaixo de 1,6 e o ​​volume já for suficiente ou ligeiramente excedido, aqueça o eletrólito a 80°C e evapore a umidade até que a densidade relativa atinja a faixa de 1,6 a 1,7.

4. Tratamento eletrolítico: Pendure uma placa de chumbo no cátodo e uma placa de aço inoxidável no ânodo. Na temperatura de 70 a 80°C, aplicar densidade de corrente de 60 a 80A/dm² com duração calculada em 40Ah/L.

Em seguida, inicie a produção experimental. Se a corrosão por corrosão aparecer na superfície da peça de trabalho ou o brilho da superfície não for satisfatório, a adição de anidrido crômico, gelatina e glicerina pode aumentar rapidamente o conteúdo de cromo hexavalente e cromo trivalente no eletrólito para os níveis necessários.

O tratamento eletrolítico pode tornar o eletrólito ligeiramente verde, indicando que uma certa quantidade de íons de níquel e cromo se dissolveu no eletrólito, permitindo uma produção experimental bem-sucedida.

4. Requisitos de manutenção e processo do eletrólito:

1. O aço inoxidável deve ser completamente desengraxado antes da eletrólise para evitar a contaminação do banho por óleo.

2. A densidade relativa da solução deve ser medida regularmente durante o uso e ajustada imediatamente.

3. Elementos metálicos de ferro, cromo e níquel em aço inoxidável se dissolvem no eletrólito durante o processo de eletrólise. Uma vez acumulados até certo ponto, aumentam a viscosidade e a resistência da solução, resultando em uma superfície sem brilho no aço inoxidável.

Você pode escolher entre dois métodos:

  • Dilua a solução com uma quantidade adequada de água para diminuir a acidez. Impurezas como ferro, cromo e níquel podem formar fosfatos localizados e precipitar. Remova o sedimento do fundo do banho, aqueça e evapore a água para restaurar a densidade relativa original.
  • Substitua parte da solução, de preferência retendo 20% da solução antiga e complementando com 80% da solução nova.

4. Limpeza das placas de chumbo do cátodo: Durante a eletrólise, a superfície da placa de chumbo do cátodo acumula uma espessa camada de impurezas, como ferro e níquel, dificultando a condutividade da superfície do cátodo e diminuindo a corrente. Isto prejudica a densidade da corrente anódica e afeta gravemente a qualidade da eletrólise. É crucial remover esses depósitos em tempo hábil para manter a fluidez do circuito.

5. Proporção da área cátodo-ânodo: A área do cátodo é mantida em 1/2 a 1/3,5 da área do ânodo para inibir o aumento do cromo trivalente. O excesso de cromo trivalente é oxidado em cromo hexavalente na superfície do ânodo. Uma superabundância de cromo trivalente pode levar ao envelhecimento eletrolítico.

6. Espaçamento entre eletrodos:

  • Uma grande distância aumenta a resistência, o consumo de energia e pode causar aquecimento da solução, afetando a qualidade da eletrólise.
  • Uma pequena distância pode causar curto-circuito e escurecimento do produto. A distância ideal entre o cátodo e o ânodo é de 100-300 mm.

7. Corte da fonte de alimentação durante a entrada e saída do tanque: A fonte de alimentação deve ser cortada quando as peças de trabalho são colocadas ou retiradas do tanque. Não é aconselhável transportar ou remover acessórios com eletricidade, pois isso pode resultar em faíscas elétricas, causar eletrólise e potencialmente inflamar uma mistura de gás hidrogênio e oxigênio agregado na superfície do tanque.

8. Controle a densidade de corrente anódica apropriada: A densidade de corrente anódica é proporcional à dissolução do metal. Escolher a densidade de corrente anódica correta e controlá-la dentro de uma determinada faixa de potencial anódico é essencial para uma boa qualidade de eletrólise.

  • Se a densidade da corrente anódica for muito baixa, a dissolução geral do ânodo ocorre na superfície da peça sem qualquer efeito.
  • B. Se a densidade da corrente anódica for muito alta, a membrana é perfurada, o oxigênio é rapidamente liberado na forma gasosa, ocorre superaquecimento da superfície, a dilatação do eletrólito se intensifica, a membrana fica arruinada, não existe mais e ocorre corrosão eletroquímica.

9. Controle a temperatura do banho:

  • A temperatura deve ser mantida dentro da faixa de processo prescrita para manter a taxa de nivelamento normal, reduzir a viscosidade do eletrólito, diminuir a espessura da membrana anódica, acelerar a difusão dos produtos de dissolução anódica, acelerar a convecção da solução, facilitar o desprendimento de bolhas de gás retidas no ânodo e evitar a ocorrência de manchas ou manchas.
  • Se a temperatura for muito alta, pode causar superaquecimento da solução, acelerando a conversão do cromo hexavalente em cromo trivalente (Cr 6+ +3e→Cr 3+), o que pode levar à corrosão superficial.
  • Se a temperatura for muito baixa, pode aumentar a viscosidade da solução e a espessura da membrana da superfície anódica, inibir a difusão dos produtos de dissolução anódica e reduzir significativamente o efeito de nivelamento.

10. Proporção ideal de cromo hexavalente e cromo trivalente: A solução deve manter uma cor verde-amarelada durante o processo de produção.

  • Se a cor for predominantemente amarela, indica que o eletrólito contém Cr 6+ em excesso. Adicione uma quantidade apropriada de gelatina ou glicerina para reduzir parcialmente o cromo hexavalente em cromo trivalente, ou use um cátodo grande e um ânodo pequeno para eletrólise para gerar cromo trivalente.
  • Se a cor for verde escura, significa que o eletrólito contém Cr 3+ em excesso. Dissolva uma quantidade proporcional de anidrido crômico em água e adicione-o à solução, ou use um ânodo grande e um cátodo pequeno para eletrólise para converter parcialmente o cromo trivalente em cromo hexavalente, o que também pode melhorar a qualidade da solução.

5. Medical Device Co., Ltd. Fluxo de processo

(1) Usando o método de ativação química, o aço inoxidável é levemente gravado antes da eletrólise para remover o filme passivo e ativar a superfície metálica.

Após ataque suave, não deve ser deixado no ar por muito tempo, deve ser imediatamente limpo, seco e transferido para eletrólise.

Processo de gravação suave: Ácido sulfúrico: 3% ~ 5% Temperatura: Temperatura ambiente Duração: 0,5 ~ 1min

(2) Componentes e condições de trabalho da solução eletrolítica

  • Ácido Fosfórico (H3PO4,85%) (d=1,65) (60%~70%) (Ótimo: 70%)
  • Ácido Sulfúrico (H2SO4,98%) (d=1,84) (8%~15%) (Ótimo: 12%)
  • Anidrido Crômico (CrO3) (5%~15%) (Ótimo: 12%)
  • Glicerol ou Gelatina – 12% (8g/L)
  • Água – Quantidade Restante
  • Temperatura (°C) – (50~100) (Ótimo: 50~70)
  • Tensão (V) – 10~20
  • Densidade de corrente anódica A/d㎡ – (10~55) (ideal: 15~30)
  • Densidade relativa da solução (g/cm 3) – 1,6~1,7
  • Duração (min) – 30~45 (com base no tamanho da peça)
  • Proporção da área de superfície do cátodo para o ânodo – (1~1,5):1
  • Material Catódico – Chumbo

4. Análise de problemas comuns no polimento eletrolítico de aço inoxidável

1. Marcas na superfície da peça de trabalho

A principal causa é a distribuição desigual da densidade de corrente. Existem vários fatores que influenciam esta distribuição desigual, incluindo:

1. Densidade de corrente inconsistente causada pela estrutura do aparelho. Modificar a estrutura do acessório para garantir um contato equilibrado e uniforme com a peça de trabalho pode ajudar. Idealmente, deveríamos aumentar a área de contato entre o acessório e a peça, garantindo ao mesmo tempo a qualidade do acessório.

2. A gravidade específica do fluido de polimento eletrolítico cai ou excede o valor máximo. Se ultrapassar a faixa de gravidade específica exigida, a superfície da peça estará sujeita a marcas. A gravidade específica ideal para o fluido eletrolítico é 1,72.

3. A alta temperatura pode aumentar a condutividade do fluido eletrolítico e melhorar o brilho da superfície da peça de trabalho. No entanto, também pode levar a uma distribuição desigual da densidade de corrente, resultando em marcas.

4. Peças retrabalhadas tendem a desenvolver marcas durante a segunda rodada de polimento eletrolítico. Para evitar isso, a duração e a corrente da segunda rodada de polimento devem ser reduzidas.

5. O escape inadequado de gás deve-se principalmente ao ângulo inadequado do acessório na peça de trabalho. A direção dos furos da peça deve ser para cima e o ângulo de fixação deve ser ajustado para permitir fácil dispersão do gás durante o polimento eletrolítico.

6. O tempo prolongado de polimento eletrolítico pode causar marcas devido ao excesso de corrosão. O polimento eletrolítico é um processo de nivelamento microscópico. Quando a superfície da peça atinge um nível microscópico de brilho e suavidade, a oxidação na superfície da peça é interrompida. Se a eletrólise continuar, ocorrerá corrosão excessiva, causando marcas.

7. Alta corrente pode resultar em pontos de corrosão. Se a corrente que passa pela peça durante o polimento eletrolítico for muito alta, a taxa de dissolução da superfície da peça excede a taxa de oxidação, resultando em corrosão excessiva e manchas de corrosão.

2. Queimaduras superficiais na peça de trabalho

Vários fatores podem levar a esse defeito:

1. Se a peça não estiver posicionada corretamente na fixação antes do polimento eletrolítico, ela poderá se soltar e oscilar durante o processo. Essa frouxidão pode levar a um mau contato com o aparelho ou contato direto com o cátodo do aparelho, causando curto-circuito e subsequentes queimaduras.

2. Se o operador não realizar um teste de curto-circuito no acessório após a montagem da peça e prosseguir diretamente para o polimento eletrolítico, poderá ocorrer um curto-circuito. Sem testes, é incerto se a peça montada está em contato com o cátodo. Se ocorrer contato, a peça pode queimar.

3. Podem surgir problemas de fixação após uso prolongado, especialmente quando o acessório entra em contato direto com a peça. Se os pontos de contato no acessório ficarem irregulares, a densidade de corrente suportada pela superfície de contato da peça durante a eletrificação pode variar, causando queimaduras em áreas com maior densidade de corrente.

3. Branqueamento, escurecimento e amarelecimento da superfície das peças

1. Branqueamento de superfície: A principal causa do branqueamento da superfície da peça são as operações subsequentes, principalmente durante o processo de cozimento no forno. Se a temperatura dentro do forno for muito alta e a umidade do ar e da superfície da peça não puder ser expelida com eficácia, o problema surge. Para atenuar esta situação, a temperatura do forno deve ser controlada em torno de 80±2°C, sendo preferível utilizar um forno com bom sistema de circulação de gás.

2. Escurecimento de superfície: Este fenômeno indesejável ocorre principalmente onde a peça entra em contato com o acessório e é predominantemente devido ao próprio acessório. Uma vez finalizado o polimento eletrolítico da peça anterior, a peça deverá ser retirada da fixação em ácido nítrico diluído a 10%. Após a remoção da peça, o acessório deve ser completamente limpo com água antes de passar para a próxima peça.

3. Amarelecimento da superfície: Este problema aparece principalmente onde a peça entra em contato com o acessório. Quando a área de contato entre a peça e o ânodo do acessório é relativamente pequena, o ponto de contato pode gerar altas temperaturas e calor durante o polimento eletrolítico. Como a área de contato não está em contato com o eletrólito para resfriamento, podem ocorrer queimaduras leves, resultando em amarelecimento. A solução para este problema envolve principalmente melhorias razoáveis ​​nos pontos de contato do acessório ou ajuste dos parâmetros de polimento eletrolítico.

4. Marcas pretas e queimadas na peça de trabalho

A formação dessas marcas se deve à alta corrente necessária para a peça eletrolítica, que ultrapassa a corrente máxima que o suspensor pode suportar. As soluções incluem:

1. Escolha de um material com melhor condutividade para o cabide:

Geralmente, a condutividade do cobre é mais de 20 vezes maior que a do titânio, portanto, os suportes de cobre têm uma condutividade mais forte do que os suportes de titânio e são menos propensos a formar marcas. Pode-se utilizar bronze fosforoso, pois apresenta boa elasticidade e dureza. Porém, a vida útil do suspensor e sua resistência à corrosão, onde o titânio se destaca, também devem ser consideradas.

2. Aumentando o número de pontos de suspensão:

Primeiro, determine a condição dos pontos de suspensão após a eletrólise. Se apenas pequenas marcas se formarem nas condições atuais, aumentar o número de pontos de suspensão poderá resolver o problema.

3. Reduzindo a tensão adequadamente:

Tensões mais altas aceleram o processo de emissão de luz, o que pode reduzir o tempo de eletrólise e aumentar a eficiência da produção. Por esta razão, as fábricas geralmente operam com tensões ligeiramente superiores às normais. No entanto, se a tensão ajustada for muito alta, poderá exceder a carga máxima do fio suspenso e criar marcas.

4. Diminuir ou controlar a temperatura do eletrólito:

Quando a temperatura do eletrólito é alta, a condutividade do suspensor diminui significativamente e a corrente exigida pela peça aumenta dramaticamente. Isso pode sobrecarregar o cabide e criar marcas. Neste caso, diminuir a temperatura do eletrólito pode resolver o problema. Se a temperatura exceder 80 graus e se formarem marcas, uma calha de resfriamento pode ser construída ao redor do tanque eletrolítico, com água circulante resfriando continuamente o eletrólito.

5. Análise de outras causas de defeitos de polimento

Defeitos de polimento Razões: Solução:
Presença de manchas ou pequenas manchas na superfície Presença de marcas de óleo ou ferrugem na superfície Limpe completamente para remover óleo e ferrugem.
Corrosão excessiva nas bordas e pontas da peça de trabalho Corrente excessiva, alta temperatura ou duração prolongada Ajuste os parâmetros correspondentes.
Listras brancas na superfície da peça de trabalho Solução eletrolítica densa Diluir com água até uma densidade de 1,72.
Qualidade variável de peças de trabalho da mesma ranhura Muitas peças de trabalho ou interferência mútua Reduza o número de peças de trabalho ou modifique os acessórios.
Espuma excessiva na superfície do eletrólito Peça suja Certifique-se de que a peça de trabalho esteja completamente limpa.
Superfície opaca com manchas brancas Alto teor de anidrido crômico Considere usar a solução eletrolítica ecologicamente correta
Custos exorbitantes de eletricidade Alta densidade de corrente Considere usar a solução eletrolítica ecologicamente correta
Faíscas observadas durante a eletrólise Mau contato entre o acessório e a peça de trabalho Altere os acessórios e aumente os pontos de contato.

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