Anodelektrolytuppvärmning (elektrolyt-plasmabehandling) - en uppsättning termofysiska och elektrokemiska processer på anodens yta associerade med lokal kokning av vätskan på grund av frigörandet av Joule-värme . I den engelskspråkiga litteraturen används främst termen plasmaelektrolys eller (mindre ofta) anodisk effekt för att beskriva fenomenet .
Fenomenet glöd och uppvärmning av elektroder i elektrolytlösningar vid höga strömtätheter uppmärksammades på 1800-talet. Forskarna Arthur Wenelt , Alexander Walter och Georg Simon Ohm visade att som ett resultat av den termiska effekten av ström på en elektrod med en relativt liten yta runt den, sker en lokal kokning av lösningen med bildandet av ett ångskikt och öppnandet av den elektriska kretsen. Induktansen som finns i kretsen bidrar till uppkomsten av emk. och nedbrytning av gas-ångskiktet med ljusfenomen. En annan karaktär av elektriska urladdningar på katoden och anoden har fastställts, och påverkan av parametrarna för den elektriska kretsen och strömkällan på dem har bevisats kvantitativt [1] [2] .
När en spänning i intervallet 100–300 V appliceras på en elektrokemisk cell, förutsatt att anodytan är flera gånger mindre än katodytan, sker lokal kokning av vätska runt anoden på grund av frigöring av Joule-värme. Det resulterande gas-ångskalet förhindrar kontakt mellan metallen i arbetsstycket och elektrolyten och har också den maximala elektriska resistiviteten i systemet, så det blir ett värmeelement. Sålunda, ur termisk fysiks synvinkel, är processen analog med filmkokning . Det mesta av energin som frigörs i skalet går åt till att värma elektrolyten; därför används system med forcerad cirkulation av elektrolyten genom värmeväxlaren i installationerna. Enligt olika uppskattningar överstiger inte värmeflödet in i anoden 15 %, men denna mängd värme är tillräcklig för att värma delen till en temperatur i intervallet 400–1100 °C. Att stänga av spänningen i systemet möjliggör härdning av stål i elektrolyten. Enligt experimentella data, med en bearbetningstid för en del i 1 min vid en temperatur på 750–800 °C, är de erhållna mekaniska egenskaperna jämförbara med dem under klassisk värmebehandling - 60 HRC.
Anodens höga temperaturer gör det möjligt att mätta dess yta med atomer av lätta element som finns i donatorämnen lösta i elektrolyten. De flesta av de elektrolyter som används i AES-praktiken innehåller två komponenter. Som den första av dem används oftast ammoniumklorid, vilket ger lösningens nödvändiga elektriska ledningsförmåga och inte bildar en dåligt ledande skorpa på anodytan, utan sönderdelas termiskt och avlägsnas i atmosfären. Den andra elektrolytkomponenten används som en donatorsubstans som säkerställer diffusion av atomer in i provet. För cementering används oftast elektrolyttillsatser som glycerol, aceton, sackaros och en rad andra organiska ämnen. Nitrering eller nitrohärdning utförs i elektrolyter med hög halt av ammoniumklorid, eller genom tillsats av en lösning av ammoniak, salpetersyra eller dess salter. Varianten av fogmättnad med kväve och kol används också, för vilken elektrolyter av komplex sammansättning med tre eller flera komponenter används.
Huvudskillnaden mellan AHE och klassiska metoder för kemisk-termisk behandling är förekomsten av ett antal elektrokemiska reaktioner på anodytan, vars mekanism och natur förblir det minst studerade forskningsområdet. Ett antal processer äger rum på ytan av anoddelen. En av dem är upplösningen av ytan med bildning av Fe(III)-joner. Anodupplösning är en intensiv process, vilket leder till utjämning av skarpa kanter, upplösning av grader, såväl som en betydande minskning av delens ytjämnhet. Anodmassareduktionen kan vara upp till 7 mg/(min•cm²). Den andra processen är bildandet av ett kontinuerligt oxidskikt på anodytan. Enligt protonåterspridningsdata ökar ytsyrekoncentrationen från 34,5 at.% vid behandlingstemperaturen till 50 at.% vid uppvärmningstemperaturen på 950°C. I alla bearbetningslägen överstiger inte oxidskiktets tjocklek 9 µm. Det yttre oxidskiktet har vanligtvis inte bara ett defekt gitter, utan innehåller även porer upp till 100 nm tjocka och sprickor, vilket gör det möjligt att transportera järnjoner från provet in i lösningen, syre från skalet till metallens ytskikt och tillåter även kväve- eller kolatomer att lätt tränga in i oädel metall. För närvarande är det allmänt accepterat att processen för bildning av ett oxidskikt liknar högtemperaturoxidation av en anod i vattenånga och elektrokemisk oxidation med deltagande av elektrolytanjoner. Det har tidigare visats att ett sådant skikt har god motståndskraft mot atmosfärisk korrosion.
Koldiffusionsprocesser är också associerade med elektrokemiska reaktioner som sker på anodytan. Det visade sig att en ökning av koncentrationen av ammoniumklorid i elektrolyten leder till en ökning av diffusionsskiktets tjocklek. Samtidigt bestäms ytkoncentrationen av kol i provet endast av donatorämnet och är maximal när glycerol används. För alla donatorämnen leder en ökning av deras koncentration i elektrolyten till 2 % (vikt) till en signifikant ökning av diffusionsskiktets tjocklek, en ytterligare ökning av deras innehåll i elektrolyten ger inte en signifikant ökning av diffusionshastighet och minskar också strömtätheten i systemet. Det mest troliga är följande synvinkel. Diffusionshastigheten begränsas av oxidskiktets tjocklek, eftersom syre upptar samma porer och defekter i kristallgittret, längs vilket processen för koldiffusion i stål äger rum. En ökning av koncentrationen av ammoniumklorid leder till en ökning av strömdensiteten och, som ett resultat, accelererad upplösning av oxidskiktet. Detta underlättar koldiffusionsprocessen. Tillsatsen av kolhaltiga komponenter leder samtidigt till en ökning av deras koncentration i gas-ångskalet och en minskning av lösningens elektriska ledningsförmåga, vilket bestämmer strömtätheten i systemet. Därför, i det inledande skedet av att öka andelen av den andra komponenten till 2% (massa), är minskningen av strömdensiteten inte signifikant, och som ett resultat ökar skikttjockleken. Med en ytterligare ökning av koncentrationen är minskningen av strömtätheten signifikant, vilket leder till stabilisering av diffusionsprocessen.
En av de lovande riktningarna är den samtidiga mättnaden av stål med kväve och kol. För detta används vattenhaltiga elektrolyter baserade på urea. En analys av grundämneskoncentrationsfördelningen baserad på nukleär återspridning visade att kvävet huvudsakligen är lokaliserat i ett tunt ytskikt, vars tjocklek kan nå 15 µm. Dessutom upptäcktes en acceleration av processen för diffusion av kol in i anodmaterialet i närvaro av kväve, eftersom det senare minskar austenitiseringstemperaturen. Nitrokarburerade prover visar större motståndskraft mot korrosion i en atmosfär av sulfatjoner. Att variera elektrolytens sammansättning gör det således möjligt att kontrollera egenskaperna hos arbetsstyckets yta för att ge det det önskade komplexet av fysikalisk-kemiska egenskaper.
Bearbetning utförs i en cylindrisk axelsymmetrisk arbetskammare med ett längsgående flöde runt anodproverna med elektrolyt tillförd genom ett rör placerat i botten av kammaren.
I den övre delen av katodkammaren rinner elektrolyten över i en bricka, varifrån den pumpades vidare genom en värmeväxlare med en flödeshastighet på 3 L/min. Elektrolytförbrukningshastigheten bestämdes med användning av en RMF-0,16 ZhUZ flottörrotameter. Efter att spänning applicerats nedsänktes proverna i elektrolyten till ett djup lika med höjden på proverna.
Efter mättnad kyls proverna i luft eller i en elektrolyt (släckning) och tvättas sedan med vatten och torkas. Under kylning i luft, för att undvika exfoliering av en del av oxidskiktet, minskade värmespänningen gradvis till ett värde som gav provets lägsta temperatur (ca 400°C) och stängdes av.
Anodelektrolytuppvärmning används för höghastighetshärdning av delars ytor, tillsammans med teknik för mikrobågeoxidation, laserbearbetning , jonimplantation , etc. Användningen av AHE för höghastighetsförkolning, nitrering, borrning, nitrokarburering och/eller härdning i en fungerande elektrolyt har studerats mest. Anod elektrokemisk-termisk behandling av stål och legeringar gör det möjligt att öka ythårdhet, slitstyrka och korrosionsbeständighet.