История развития электрофизических и электрохимических методов обработки металлов

В 1831 году Фарадей открыл электромагнитную индукцию — принцип, который лежит в основе работы электрического трансформатора и электрогенератора. Это и многие другие важные открытия в области электричества и электрохимии были заслугой Майкла Фарадея. Результаты некоторых из его достижений используются и в наше время.

Однако ранее, создание первого источника тока – вольтова столба – привело к зарождению новой технологии, которая позднее получила название электрохимической [9, 10]. Уже в 1800 г. В. Никельсон и А. Карлейль (Англия) разложили воду с помощью тока, полученного в вольтовом столбе. Образование осадков металлов при электролизе растворов солей было обнаружено в опытах, проводимых В. Никольсоном и А. Карлейлем, В. Крюйкшенком (Англия), В. Грюнером, В. Бекманом (Германия), Ш.Б. Дезормом (Франция) и И. Ганом (Швеция). В 1807 г. X. Дэви (Англия) выделил натрий и калий электролизом расплавов.

В России В.В. Петров в 1802 г. создал самую мощную тогда батарею, состоявшую из нескольких последовательно соединенных гальванических элементов, и с ее помощью осуществил исследования по электролизу воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также органических соединений.

В 1838 г. российский академик Б.С. Якоби сообщил о разработанном им методе получения копий с рельефных изделий электролизом, получившим название «гальванопластика». Открытие Б.С. Якоби вызвало большой интерес. Уже в 1839 г. гальванопластика применялась для печатания государственных бумаг и изготовления художественных изделий. Князь П.Р. Багратион изучал золочение из железосинеродистых электролитов. Академик Э.Х. Ленц изготавливал медальоны методом гальванопластики, а его сын Р.Э. Ленц изучал электроосаждение железа.

В период с 1842 по 1844 г. в Петербурге было издано шесть книг в области гальванопластики, золочения и серебрения. Первой из них была книга А.Ф. Грекова (1842) «Теоретическое и практическое руководство к золочению, серебрению, платинированию, лужению». В 1844 г. князь В.Ф. Одоевский, писатель, композитор, критик, написал книгу «Гальванизм в техническом применении».

С 1844 г. метод Б.С. Якоби получает широкое применение для изготовления произведений искусства: статуй и барельефов для Эрмитажа, Зимнего дворца, Исаакиевского собора, Петропавловской крепости в Петербурге; медных копий фронтона Большого театра в Москве и др.

В 1847 г. метод Б.С. Якоби получил в России второе практическое применение – электролитическое рафинирование меди. В 1867 г. Э.Г. Федоровский предложил электрохимический метод получения бесшовных медных труб, в 1869 г. Е.И. Клейн – электролитический способ осаждения толстых слоев меди, нашедший применение при изготовлении государственных бумаг.

Электроосаждение металла на катоде лежит в основе электрохимического получения металлов из растворов (гидроэлектрометаллургия) или из расплавов, а также рафинирования (очистки) металлов.

Металлы, имеющие электроположительные значения потенциала, например серебро и золото, не растворяются и выпадают в виде частиц на дно электролизера (в шлам) из перешедших в раствор ионов. На катоде в первую очередь осаждаются металлы, имеющие электроположительные значения потенциала (основной металл, например медь). В результате электролиза очищаемый анодный металл растворяется и основной металл осаждается на катоде. Примеси, потенциал которых отрицательнее потенциала основного металла, остаются в растворе, а электроположительные (по потенциалу) примеси оказываются в шламе.

Важным шагом к открытию электролитического рафинирования было предложение Б.С. Якоби в 1840 г. использовать в гальванопластике растворимые аноды. В 1847 г. герцог М. Лейхтенбергский (Россия) высказал предположение о возможности электролитической очистки и разделения металлов. Практически применять электролитическое рафинирование меди стал Д. Р. Элькингтон в Америке с 1865 г. Промышленное производство возникло в Германии в 1878 г. В России производство рафинированной меди было организовано в начале 90-х гг. XIX в. на Кавказе (г. Келакент) и в Нижнем Новгороде.

В это же время началось электролитическое получение меди как заключительная стадия гидрометаллургического производства. При осаждении меди из растворов ее солей, полученных путем переработки руд, используются нерастворимые аноды.

Электрохимический метод применяется для рафинирования и очистки многих металлов (около 80 % выпускаемого никеля и значительная часть кобальта). При этом получается металл чистотой 99,99 % (никель) и 99,6 % (кобальт). При повторном рафинировании чистота металла повышается до 99,9999 %. Электролитическое рафинирование применяется также для получения чистого серебра (99,99 %) и золота (99,95 %).

В 80-х гг. XIX в. началась разработка электролитического метода получения цинка, а в 1909 г. в Германии - его крупномасштабное производство. В России исследование электролиза цинка проводилось с 1909 г., а первая установка для получения цинка была запущена в 1925 г.

Исследования, проведенные еще в начале 20-го в. в России под руководством П. П. Федотьева, а затем в СССР под руководством Р.И. Агладзе, привели к организации производства чистого марганца гидроэлектрометаллургическим методом в конце 1930-х гг. Под руководством Н. Т. Кудрявцева и А. В. Помосова в 1960-х гг. разработан электрохимический способ получения порошков металлов (меди, серебра, железа, никеля, цинка и свинца) [10].

Электролизом расплавов получают алюминий, магний, щелочные металлы, кальций, бериллий, титан, цирконий, тантал, бор и фтор. Впервые в 1807 г. X. Дэви и С. П. Власовым электролизом был получен калий и натрий. В 1890 г. К. Кестнер (Германия) разработал промышленный способ получения натрия электролизом расплава КаОН. В этом случае на катоде выделяется натрий, а на аноде - кислород и вода. В 1924 г. Г. Дауне (США) предложил проводить электролиз расплава NaCl-CaCl2, позднее был разработан промышленный способ получения натрия электролизом расплава хлоридов. Этот способ используется до сих пор.

В 1887 г. П.Л.Т. Эру (Франция) и Ч. Холл (США) предложили способ получения алюминия путем электролиза расплава глинозема в криолите. Анодами в электролизере служил графит, окисляющийся при проведении процесса. В России исследования электролитического метода получения алюминия проводились под руководством П.П. Федотьева, А.И. Беляева, Ю.В. Баймакова, П.Ф. Антипина и др. Первый завод по производству алюминия в СССР был сдан в эксплуатацию в г. Волхове в 1930 г. Полученный на катоде алюминий обычно подвергают электролитическому рафинированию с получением алюминия чистотой 99,95-99,995 %.

В 1886 г. А. Муассаном (Франция) был получен фтор электролизом смеси HF-KF с использованием платиновых электродов. Промышленное производство фтора началось в 40-х гг. 20-го в. Процесс проводят либо при температуре 100 °С в расплаве HF-2KF, либо при температуре 250°С в расплаве OT^F.

Широкое практическое использование электрохимическая технология получила после изобретения электромагнитных генераторов тока. В настоящее время электролиз водных растворов и расплавов лежит в основе электрохимии – направления техники, которое находится на стыке электротехники и химии.

3.2 Прикладное развитие электрохимического метода обработки

Свое начало электрохимия, как технологический метод, берет от процесса электролитического полирования, предложенного еще в 1911 г. известным русским химиком Е.И. Шпитальским. Практическое использование электрохимических методов обработки началось с 30-х годов 19 века (гальваностегия и гальванопластика).

В начале 20 века исследователями в России. Западной Европе, США были предложены различные способы и технологические схемы применения ЭХО для размерной обработки деталей, преимущественно на операциях копирования и прошиваний отверстий различной формы.

Российскими инженерами В.Н. Гусевым и Л.А. Рожковым в 1928 году известная к этому времени технологическая схема ЭХО была существенно усовершенствована, за счет принудительной интенсивной прокачки электролита через межэлектродное пространство (МЭП) и перемещения (подачи) электрод-инструмента (ЭИ) со скоростью, равной скорости анодного растворения (А.С. № 28384 от 21.03.28 г.). Это позволило увеличить плотность тока и уменьшить рабочие межэлектродные зазоры и, соответственно, повысить выходные технологические показатели ЭХО (точность, качество поверхности и производительность). В 1929 году В.Н. Гусев регистрирует базовый патент на свое выдающееся открытие, значительно опередившее свое время и довольно точно предопределившее особенности применения технологии ЭХО. Русский ученый первым разработал технологию анодной обработки металлов, что обеспечило ему особое место в истории электрохимической обработки.

В 1941 г. в журнале Международного электрохимического общества вышла знаменитая статья Берджесса. Позже, в 1950-е годы, произошел, пожалуй, самый значимый поворот в истории электрохимической обработки — данную технологию стали исследовать как метод формовки изделий из сплавов повышенной прочности. С этого момента множество компаний начали развивать анодную обработку металлов в качестве коммерчески применимой технологии, за чем последовало ее использование в промышленном производстве.

В 1941-1945 гг. В.Н. Гусеву, его сотрудникам Е.А. Дрозду, И.Я. Богораду и другим удалось разработать анодно-механический метод обработки. В 1947-1950 гг. определились три разновидности обработки металлов, использующей электрохимические явления: размерная электрохимическая, анодно-механическая и анодно-абразивная. В 1948 г. в лаборатории В.Н. Гусева была создана электрохимическая установка для обработки в потоке электролита, которая впервые была применена для изготовления отверстий в броневой стали [11].

Таким образом, работы, выполненные под руководством В.Н. Гусева (1904-1956 гг.), позволили установить основные закономерности управляемого съема материала при высокоскоростном анодном растворении металлов и сплавов, создать и внедрить в промышленное производство первые образцы соответствующего оборудования. Тогда же были проведены первые опыты по обработке турбинных лопаток. Через несколько лет в нашей стране впервые в мировой практике было осуществлено промышленное внедрение операций электрохимического формообразования.

В годы войны и, особенно в послевоенные годы электрохимическая обработка материалов стала получать все большее распространение на предприятиях оборонных отраслей промышленности.

«Традиционная» схема электрохимической обработки, получившая наибольшее распространение в 50-х – 70-х годах прошлого века, предполагала использование постоянного тока и непрерывную подачу электрода-инструмента и, как правило, активирующих электролитов (водные растворы галогеносодержащих солей щелочных металлов – NaCl, KCl, KBr и т.п.). Практическая реализация таких схем обуславливала относительно небольшие рабочие плотности тока (10…40 А/см²), и значительные межэлектродные зазоры (0,05…0,3 мм), не позволявшие добиться конкурентно высокой точности обработки и качества поверхности.

В 1959 г. компания Anocut Engineering Company (США) впервые на серийном оборудовании внедряет процесс традиционной схемы ЭХО на постоянном токе в производство.

В 1960-1970 гг. началось серийное использование ЭХО в аэрокосмической отрасли (индустрии), в инструментальном производстве (ковочные штампы) в СССР и в Западной Европе. К середине 60-х годов в авиационной промышленности СССР работало уже около 300 единиц электрохимического оборудования, а в семидесятых годах на передовых предприятиях авиадвигателестроения функционировали уже специализированные цехи и участки, в каждом из которых насчитывалось по 30 - 50 единиц оборудования. В этот период электрохимические технологии развиваются, и производится оборудование такими известными фирмами как Philips, Hitachi, Mitsubishi, AEG Eloteherm, Amchem и др.

В 1962 г в СССР был разработан технологический процесс в ЭНИМСе В.Ю. Вероманом, И.А. Байсуповым и др. для создания гаммы электрохимических станков по снятию заусенцев, плоскошлифовальных, для двусторонней обработки и копировально-прошивочных, работающих на постоянном токе [12]. В 1963 г. А.Н. Голдобиным, Ю.И. Коптеевым и др. было предложено сложно-контурное вырезание электродом – проволокой.

В 1965 г. начал выходить журнал «Электронная обработка материалов», а с 1968г. «Электрофизические и электрохимические методы обработки».

В 70-80-е гг. появилась возможность перейти на импульсные и импульсно-циклические методы обработки. В эти годы в Советском Союзе работали научные центры по развитию ЭХО на базе академической науки, отраслевых НИИ, высших учебных заведений, крупных промышленных предприятий в городах: Москве, Кишинёве, Туле, Ленинграде, Иваново, Казани, Куйбышеве, Ереване, Уфе, Новосибирске и т.д. Регулярно проводились Отраслевые, Всесоюзные и Международные конференции по электрофизическим и электрохимическим методам обработки. В Советском союзе были созданы и внедрены в производство электрохимические копировально-прошивочные станки: 4412, 4412ФЦ, 4420, 4420Ф4, 4420ФЦ, 4420Ф11, 4А420/Ф11, 4А420/Ф3, 4а420/Ф3М, 4421, 4421ФЦ, 4422, 4423, 4423ФЦ, МА4423, 4А423ФЦ, 4424, МА4424, АГЭ-10, АГЭ-11, АТ-80, АТ-90, СЭП902, СЭП902М, СЭП902МА, СЭП902П, СЭП902А, СЭХО-4А, СЭХО-41, Э-402, Э-460, Э-468, ЭГС-2, ЭГС-29, ЭКУ-150, ЭКУ-151, ЭКУ-152, ЭКУ-400, ЭКУ-1503, ЭРО-120, ЭХС-12М и др.

В 80 – 90-е гг. развитие получили более совершенные схемы импульсной и импульсно-циклической обработки в пассивирующих кислородосодержащих электролитах (водные растворы NaNO3, КNO3, NaClO3, Na2SO4 и т.п.), позволившие снизить погрешность обработки до 0,02…0,05 мм и шероховатость до Ra = 0,2…0,4 мкм.

В 1986 году в СССР вышел новый каталог-справочник “Электрофизические и электрохимические станки”. В Советском Союзе были проведены глубокие исследования теории процесса ЭХО (Ф.В. Седыкин, Ю. Н. Петров, В. Д. Кащеев и др.). Значительные успехи в разработке теоретических основ и совершенствовании технологии получены также В.П. Смоленцевым, И.И. Морозом, Д.З. Митяшкиным, Д.Т. Васильевым, Л.Б. Дмитриевым, Г.Н. Знигерманом, В.В. Бородиным, Г.Н. Зайдманом, В.А. Шманёвым, Ю.В. Головачёвым, В.Г. Филимошиным, А.К. Журавским, Д.Я. Длугачем, Г.А. Алексеевым, В.В. Любимовым, В.Ф. Орловым, Б.И. Чугуновым, Б.Н. Кабановым, Я.М. Колотыркиным, А.Г. Атанасянцем, А.И. Дикусаром, Г.Н. Зайдманом, Г.С. Доменте, Г.Р. Энгельгардтом и др. В этот период разработкой электрохимических станков занимались во многих странах мира: США (Chem-Form Ex-Cell-0, Cincinnati Milling Co, Anocut Eng), Великобритании (Mechem), Франции (Qualitex), Чехословакии (Vuma), Нидерландах (Philips), Японии (Mitsubishi Electric Co, Hitachi Ltd), Швейцарии (Chamilles), ФРГ (R. Bosch, AEG-ELOTHERM).