Încălzirea electrolitului anodului (tratament cu electrolit-plasmă) - un set de procese termofizice și electrochimice pe suprafața anodului asociate cu fierberea locală a lichidului datorită eliberării de căldură Joule . În literatura în limba engleză, termenul de electroliză în plasmă sau (mai rar) efect anodic este folosit în principal pentru a descrie fenomenul .
Fenomenul de strălucire și încălzire a electrozilor în soluții de electroliți la densități mari de curent a fost observat în secolul al XIX-lea. Oamenii de știință Arthur Wenelt , Alexander Walter și Georg Simon Ohm au arătat că, ca urmare a efectului termic al curentului asupra unui electrod cu o suprafață relativ mică în jurul acestuia, are loc o fierbere locală a soluției cu formarea unui strat de vapori și deschiderea circuitul electric. Inductanța prezentă în circuit contribuie la apariția emf. și defalcarea stratului de gaz-vapori cu fenomene luminoase. S-a stabilit o natură diferită a descărcărilor electrice pe catod și anod, iar influența parametrilor circuitului electric și ai sursei de curent asupra acestora a fost dovedită cantitativ [1] [2] .
Atunci când unei celule electrochimice este aplicată o tensiune în intervalul 100-300 V, cu condiția ca suprafața anodului să fie de câteva ori mai mică decât suprafața catodului, în jurul anodului are loc fierberea locală a lichidului datorită eliberării de căldură Joule. Învelișul gaz-vapori rezultat previne contactul dintre metalul piesei de prelucrat și electrolit și, de asemenea, are rezistivitate electrică maximă în sistem, astfel încât devine un element de încălzire. Astfel, din punct de vedere al fizicii termice, procesul este analog cu fierberea filmului . Cea mai mare parte a energiei eliberate în carcasă este cheltuită pentru încălzirea electrolitului; prin urmare, în instalații sunt utilizate scheme cu circulație forțată a electrolitului prin schimbătorul de căldură. Conform diferitelor estimări, fluxul de căldură în anod nu depășește 15%, totuși, această cantitate de căldură este suficientă pentru a încălzi piesa la o temperatură în intervalul 400-1100 °C. Oprirea tensiunii din sistem permite călirea oțelurilor din electrolit. Conform datelor experimentale, cu un timp de prelucrare a unei piese de 1 minut la o temperatură de 750–800 °C, proprietățile mecanice obținute sunt comparabile cu cele din timpul tratamentului termic clasic - 60 HRC.
Temperaturile ridicate ale anodului fac posibilă saturarea suprafeței acestuia cu atomi de elemente ușoare conținute în substanțe donatoare dizolvate în electrolit. Majoritatea electroliților utilizați în practica AES conțin două componente. Ca primul dintre ele, cel mai des este folosită clorura de amoniu, care asigură conductivitatea electrică necesară a soluției și nu formează o crustă slab conducătoare pe suprafața anodului, ci se descompune termic și este îndepărtată în atmosferă. A doua componentă electrolitică este utilizată ca substanță donoră care asigură difuzia atomilor în probă. Pentru cimentare, se folosesc cel mai des aditivi electrolitici precum glicerol, acetonă, zaharoză și o serie de alte substanțe organice. Nitrurarea sau nitroendurirea se efectuează în electroliți cu un conținut ridicat de clorură de amoniu sau prin adăugarea unei soluții de amoniac, acid azotic sau sărurile acestuia. Se folosește și varianta saturației articulațiilor cu azot și carbon, pentru care se folosesc electroliți de compoziție complexă cu trei sau mai multe componente.
Principala diferență dintre AHE și metodele clasice de tratament chimico-termic este apariția unui număr de reacții electrochimice pe suprafața anodului, mecanismul și natura cărora rămân cel mai puțin studiat domeniu de cercetare. Pe suprafața piesei anodului au loc o serie de procese. Una dintre ele este dizolvarea suprafeței cu formarea de ioni de Fe(III). Dizolvarea anodului este un proces intens, care duce la netezirea marginilor ascuțite, la dizolvarea bavurilor, precum și la o reducere semnificativă a rugozității suprafeței piesei. Reducerea masei anodului poate fi de până la 7 mg/(min•cm²). Al doilea proces este formarea unui strat continuu de oxid pe suprafața anodului. Conform datelor de retrodifuzare a protonilor, concentrația de oxigen la suprafață crește de la 34,5 at.% la temperatura de tratament la 50 at.% la temperatura de încălzire de 950°C. În toate modurile de procesare, grosimea stratului de oxid nu depășește 9 µm. Stratul exterior de oxid are de obicei nu numai o rețea defectă, ci conține și pori cu grosimea de până la 100 nm și crăpături, ceea ce face posibilă transportarea ionilor de fier din probă în soluție, oxigen de la înveliș la stratul de suprafață al metalului. și, de asemenea, permite atomilor de azot sau de carbon să pătrundă ușor în metalul de bază. În prezent, este în general acceptat că procesul de formare a unui strat de oxid este similar cu oxidarea la temperatură înaltă a unui anod în vapori de apă și oxidarea electrochimică cu participarea anionilor electroliți. S-a demonstrat anterior că un astfel de strat are o bună rezistență la coroziunea atmosferică.
Procesele de difuzie a carbonului sunt, de asemenea, asociate cu reacții electrochimice care au loc pe suprafața anodului. S-a constatat că o creștere a concentrației de clorură de amoniu în electrolit duce la o creștere a grosimii stratului de difuzie. În același timp, concentrația de suprafață a carbonului din probă este determinată numai de substanța donoră și este maximă atunci când se folosește glicerol. Pentru toate substanțele donatoare, o creștere a concentrației lor în electrolit la 2% (greutate) duce la o creștere semnificativă a grosimii stratului de difuzie, o creștere suplimentară a conținutului lor în electrolit nu dă o creștere semnificativă a rata de difuzie și, de asemenea, reduce densitatea de curent în sistem. Cel mai probabil este următorul punct de vedere. Viteza de difuzie este limitată de grosimea stratului de oxid, deoarece oxigenul ocupă aceiași pori și defecte în rețeaua cristalină, de-a lungul căreia are loc procesul de difuzie a carbonului în oțeluri. O creștere a concentrației de clorură de amoniu duce la o creștere a densității curentului și, ca urmare, la dizolvarea accelerată a stratului de oxid. Acest lucru facilitează procesul de difuzie a carbonului. Adăugarea de componente care conțin carbon duce simultan la o creștere a concentrației acestora în învelișul gaz-vapor și la o scădere a conductivității electrice a soluției, ceea ce determină densitatea curentului în sistem. Prin urmare, în stadiul inițial de creștere a fracției din a doua componentă la 2% (masă), scăderea densității curentului nu este semnificativă și, ca urmare, grosimea stratului crește. Odată cu o creștere suplimentară a concentrației, scăderea densității de curent este semnificativă, ceea ce duce la stabilizarea procesului de difuzie.
Una dintre direcțiile promițătoare este saturarea simultană a oțelurilor cu azot și carbon. Pentru aceasta se folosesc electroliți apoși pe bază de uree. O analiză a distribuției concentrației elementului bazată pe retroîmprăștierea nucleară a arătat că azotul este localizat în principal într-un strat de suprafață subțire, a cărui grosime poate ajunge la 15 µm. În plus, s-a constatat o accelerare a procesului de difuzie a carbonului în materialul anodic în prezența azotului, deoarece acesta din urmă reduce temperatura de austenitizare. Probele nitrocarburate prezintă o rezistență mai mare la coroziune într-o atmosferă de ioni de sulfat. Astfel, variarea compoziției electrolitului face posibilă controlul proprietăților suprafeței piesei de prelucrat pentru a-i conferi complexul dorit de proprietăți fizico-chimice.
Prelucrarea se efectuează într-o cameră de lucru cilindrică axisimetrică, cu un flux longitudinal în jurul probelor de anod, cu electrolit alimentat printr-o țeavă situată în partea inferioară a camerei.
În partea superioară a camerei catodice, electrolitul se revarsă într-o tavă, de unde a fost pompat în continuare printr-un schimbător de căldură cu un debit de 3 l/min. Rata de consum de electroliți a fost determinată folosind un rotametru cu flotor RMF-0,16 ZhUZ. După aplicarea tensiunii, probele au fost scufundate în electrolit la o adâncime egală cu înălțimea probelor.
După saturare, probele sunt răcite în aer sau într-un electrolit (stingere), apoi spălate cu apă și uscate. În timpul răcirii în aer, pentru a evita exfolierea unei părți a stratului de oxid, tensiunea de încălzire a scăzut treptat până la o valoare care a furnizat temperatura minimă a probei (aproximativ 400°C) și a fost oprită.
Încălzirea cu electrolit anodic este utilizată pentru întărirea de mare viteză a suprafețelor pieselor, împreună cu tehnologiile de oxidare cu microarc , procesare cu laser , implantare ionică etc. un electrolit de lucru a fost cel mai studiat. Tratamentul electrochimic-termic anodic al oțelurilor și aliajelor face posibilă creșterea durității suprafeței, a rezistenței la uzură și a rezistenței la coroziune.