I HEMIJSKA OBRADA U V O D

Hemijska obrada (CHEMICAL MACHINING skraeno CIM) zasnovano je na hemijskim (elektrohemijskim) procesima ionskom rastvaranju metala u elektrolitskom rastvoru kiselina ili alkalija u vodi ali bez prisustva spoljnjeg izvora struje.

Hemijska obrada obuhvata slijedee metode obrade:

Hemijsko poliranje;

Duboko konturno nagrizanje;

Hemijsko mehaniku obradu.

1.1 HEMIJSKO POLIRANJE

Obradak se potapa u kadu sa nagrizajuim sredstvom. Elektrolit sa slabijom koncentracijom stvara na hrapavoj povrini obradka tanki film (koicu). Hemijski rastvor selektivno nagriza istaknute dijelove hrapave povrine gdje je taj film vrlo tanak.

Nagrizanje je sprijeeno u dolinama hrapavosti gdje je oksidni film deblji. Obradom se dobija visok sjaj i glatkoa povrine i to ogranieno samo kod istih metala i homogenih legura. Obrada se primjenjuje kod aluminija, bakra, mangana i njihovih legura, te elika ukljuujui nehrajue. Brzina odnoenja kree se oko 2 m/min. Proces se izvodi i do 10 minuta pri temperaturi od 40 do 150C sa skidanjem 50-150 gr/m. Sastav i koncentracija elektrolita zavise od materijala obradka. Za to postoje reepti raznih firmi. Kao jako oksidaciono sredstvo glevnu ulogu preteno igra duina kiselina (HNO3) kojoj se dodaju ublaivai nagrizanja i pojaivai zatiujueg dejstva tankog filma, sumpor hlorovodonina kiselina kod obrade mesinga, vodikov superoksid (H2O2) ili hromov trooksid (CrO3). U obzir dolazi i ipotreba fosforne (H3PO4), te octene kiseline (CH3COOH), odnosno viefazne kiselinske kupke.

1.2 DUBOKO KONTURNO NAGRIZANJE

Karaktristike operacije: Ova obrada metala i legura bazira se na odnoenju materijala sa povrine obradka hemijskim rastvaranjem u elektrolitskom rastvoru kiselina ili baza u vodi. Povrina koja se ne obrauje zatiuje se hemijskim otpornim maskama.

Obradak se potapa u kadu sa nagrizajuim sredstvom a nekad se nagrizajue sredstvo prska preko njega u zavisnosti od tipa ureaja.

Duboko konturno nagrizanje u inenjerskoj praksi esto se naziva hemijsko glodanje, hemisko struganje ili hemijsko presjecanje u zavisnosti od cilja operacije. Kod hemijskog glodanja dubokim konturnim nagrizanjem vri se stanjenje konstrukcije i tako otklanja suvini materijal, dok se kod hemijskog presjecanja konturnim nagrizanjem dobijaju odreeni konturni otvori. Postupak kod obje operacije hemijskog presjecanja zahtjeva vie faza odnoenja materijala.

Postupak se izvodi redoslijedno po fazama i to: prethodno ienje povrine, izolacija dijelova (prvo hemijsko glodanje a po potrebi dalje hemijsko presjecanje i hemijsko poliranje), ienje i kontrola obradka (sl.1). Nagrizanje se obino vri do dubine 6 mm (rjee 12 mm) jer se inae smanjuje tanost i glatkoa povrine.

Sl. 1 - Redoslijed faza hemijske obrade a) oiena ploa b)ploa djelimino pokrivena

maskom sa obje strane c) hemijsko glodanje d) gotova

obrada

U procesu obrade praktino materijal nije izloen nikakvim mehanikim ili termikim naprezanjima, to omoguava obradu veoma tankih dijelova debljine do 0,05 mm.

Nagrizanjem izraeni komadi mogu naknadno da se obrauju konvencionalnim metodama, te vare, lijepe i sl. Komadi se u kadi postavljaju na cca 250 mm do dna kada i nivoa elektrolita. Pri obradi cijelih povrina komade treba kretati a rastvor mjeati komprimiranim vazduhom, ime se ujedno hladi rastvor i doprinosi odravanju konstantne temperature koja se inae postie rashladnikom od cijevi. Stavljanje zatitnog sloja na mjestima gdje se ne vri nagrizanje predstavlja tekoe.

Zatitini slojevi moraju odreeno vrijeme tititi dio povrine i dobro prijanjati. Trebaju imati mehaniku vrstou, svojstvo da se lako nanose i skidaju te da su antikorozivni. Kao zatitini sloj esto se koriste perhlorvinilni lakovi i emajli, te poliamidni lakovi.

Prednosti metoda su slijedee:

Proizvoljni metal poslije proizvoljne termike obrade moe se nagrizati bez rizika deformacije, krivljenja, stvaranja zaostalih naprezanja ili bilo kojih mehanikih defekata;

Na obradku ne ostaju svrha niti bilo kakve zaostale pojave;

Metal moe biti skinut jednovremeno s velike povrine;

Moe biti izvreno mnogo operacija na najsloenijim povrinama, to nije lako ili nemogue postii, konvencionalnim obradama,

Moe se izvesti hemijsko presjecanje sitnih otvora.

Krajem 40-tih godina hemijsko udaljavanje neeljenih vikova metala poelo se primjenjivati u avionskoj i radioelektronskoj industriji a kasnije se proirilo i na raketnu industriju. U avionskoj i raketnoj industriji dubokim nagrizanjem vrilo se olakavanje korpusa aviona uz ouvanje zahtjevane vrstoe i krutosti, dok se u radioindustriji vrila izrada tampanih minijaturnih elektronskih ema i tzv. tampane montae. Duboko konturno nagrizanje primjenjuje se kod obrade aluminijskih i magnezijskih legura, titana, berilijuma i drugih metala. Postupak se koristi za obradu veih povrina u cjelini i lokalno, te za konturno nagrizanje unutranjih povrina uz neznatno smanjenje vrstoe (npr. u avionskoj i rakernoj industriji).

Postupak se moe koristiti za izradu rebrastih ploa iz lima, na tankim dijelovima i to bez deformacijama (npr. filteri sa mreom). Moe da se vri i konino nagrizanje postepenim potapanjem komada, te izrade sloenih profila, prstenova, klinastih elemenata i sl.

1.3 VRSTA ZATITINIH MASKI

Kod hemijskog glodanja velikih povrina i maloj tanosti izrade maski od 0,15 mm, koriste se obine zatitne maske debljine 30 -120 m. Zatitini sloj se na povrine obradka nanosi potapanjem ili spreovanjem (rjee kistom). Po suenju se forma povrine za nagrizanje obiljeava noem crtanjem ili ablonom, odakle se mehanikim greckanjem odstranjuje zatitni sloj. Kao zatitni sloj koriste se perhlorvinilni lakovi i emajli ili lakovi i emajli na bazi vinila, butola i neoprama (za elike i titanove legure).

Kod plitkog nagrizanja od 1,5 mm ili prosjecanje tzv. tampane montae (izrada sitnih dijelova od tankih limova debljine = 0,05 1,5 mm) i tampanih elektrinih ema (elektrine izolacione a hemijski otporne ploe koja nosi sistem provodnika od bekrene folije debljine =0,04 mm) u masovoj proizvodnji koriste se tampane maske sa ofsetnom tampom (max slike 1100x1100mm). Primjenom specijalnih visokoproizvodnih maima sa ekranom od laka moe se odtampati vie od 1800 ema. Nepokriti dio povrine se nagriza npr. rastvorom hlorida, eljeza ili persulfata amonijaka. Baznim rastvorom se kisalinsko-otporni sloj maske brzo uklanja i posle toga ispire vodom. Ovom maskom se postie tanost konture od 0,02 mm. Kod izrade tzv tampane montae i tampanih ema manjih dimenzija (max maske 70x120 mm), kada se trai vea tanost (0,002mm) koriste se foto-maske. Kod ove maske upotrebljava se kiselinsko-otporni sloj osjetljiv na ultravijoletno zraenje od koga taj sloj postaje jo otporniji prema hemijskom dejstvu. Takvim fotoosjetljivim materijalom pokrivaju se ravnomjernim slojem folije, pomou kista ili prskanjem ili za bolju ravnomjernost potapanja. Istovremeno pravi se fotografski negativ sa emom koja treba biti nagriena. Zatim pomou projekcijonog aparata stvara se lik na zatitnom sloju ploe tako kako se to radi pri obinoj foto-tampi. Izvorom ultravijoletnog zraenja pri eksponiranju eme slui elektrolua ili blic lampa. Vrijeme ekspozicije je nekoliko minuta. Na kraju slijedi hemijsko nagrizanje.

ELEKTROLITI

Kao elektroliti koriste se rastvori raznih nagrizajuih sredstava vee koncentracije. Koncentracija elektrolita moe da se da izrazom

Gdje je:

Gs teina soli,

Gv- teina vode.

esto se koristi i odreivanje koncentracije gustoom rastvora po Baume u stepenima Be.

Tablica 1 Karakteristike nagrizajuih sredstava

Sredstvo Koncentracija Temperatura C Brzina rastvaranja

mm/min Faktor nagrizanja fa Primjena

Fe CL3

NCL3:HNO3:H2O

12 18 Be

10 : 1 : 9

49 0,025

0,025 0,05

(1,5 -2) : 1 Al i legure

FeCL3

HNO3

42 Be

10 15 % (Vol)

49 0,025 2 : 1

(1,5 2) : 1

Hladno valjani elik

FeCL3

(NH4)S2O4

CUCL2

42 Be 49

32 - 49

55

0,05

0,025

0,014

(2,5 3) : 1

(2-3) : 1

(2,5 3) : 1

Bakar i legure

HNO3 10 - 15 % 38 0,013 0,025 (1 2 ) : 1 Kaljeni alatni elik

FeCL3 42 Be 55 0,025 (1,5 2) : 1 Si elik

Fe U3 42 Be 55 0,020 (1,5 2) : 1 Nehr. elik

HF

HF:HNO3:H2O

10 50 % (Vol)

razliito

38 49 - - Titani

NH4 HF2 10 -15 % (Vol) 26 32 0,0025 - Berilijum

HNO3 10 -15 % (Vol) 38 - 49 0,025 - Cink

TEHNOLOKI PARAMETRI OBRADE

Hemijska obrada dubokim nagrizanjem razlikuje se od obinog nagrizanja ili korozije visokim stepenom upravljanja procesom hemiskog djelovanja na materijal. Zahvaljujui tome ova obrada je ustvari proizvodni proces 61 62.

Proizvodnost obrade odnosno brzina nagrizanja zavisi od vrste i strukture materijala obradka, vrste i koncentracije elektrolita, temperature elektrolita i vremena djelovanja te udaljenja rastvorenog materijala. Poznato je da pri ovoj obradi materijal skida istovremeno sa cijele obraivane tj. Nezatiene povrine. Brzina nagrizanja sa poveanjem koncentracije raste do neke vrijednosti a onda opada. Obino se radi sa optimalnom brzinom nagrizanja da se ne ugrozi dobar kvalitet obrade 60. Temperatura je veoma bitan tehnoloki faktor. Porastom temperature elektrolita za svakih 10 brzina nagrizanja se priblino udvostruuje.

Meutim, poveanje temperature ima loe posljedice za tehnoloke karakteristike procesa. Zato se praktino za razne sluajeve obrade preporuuju odreene optimalne temperature elektrolita.

Odravanje te temperature nije jednostavno. Jedno grijanje kade nije dovoljno, treba znati tano stvorenu toplotu od reakcije obradak-rastvor. Nije jednostavno ni odravati konstantnost hemijskog sastava rastvora. Za poveanje proizvodnosti obrade i udaljavanje rastvorenog materijala sa obraivane povrine, obradak se esto obre a potrebna je i intenzivna kontrolisana cirkulacija. Cirkulacija je potrebna i zbog stvaranja vodika koji se idjelom lijepi na metal i ometa nagrizanje a izlaz u vazduh stvara eksplozivne smjese.

Oblik otvora (ljeba) formira se postepeno i dobijaju se u vremenskom intervaluekvidistantne povrine obrade ire od otvora u maski, u zavisnosti od faktora nagrizanja.Kod pravouglaste maske dobija se pravougli lijeb (otvor) sa neto zaobljenim ivicama, pa se zato za dobijanje lijeba sa otrim ivicama pravi maska sa radijusom na ivicama.

Sl. 2 a) Hemijsko glodanje evolucija povrine, irina otvora (lijeba)B

i rastojanje izmeu otvora C, b) hamijsko prosjecanje

evolucija povrine, c) evolucija ivice otvora

Tanost obrade zavisi od tanosti maske, dubine nagrizanja i faktora nagrizanja ( - odnos eonog i bonog nagrizanja). Nagrizanje se obino vri do dubine max. 6 mm (rjee 12 mm), jer se sa dubinom smanjuje tanost i glatkoa povrine.

Orjentaciona tanost dubine nagrizanja kod hemijskog glodanja za 1,5 mm i iznosi oko 0,05 mm a za >1,5 mm oko 0,075 0,1 mm, dok tanost otvora (prenika) iznosi oko 0,1 mm (kod grublje kontrole 0,8 mm). Kod hemijskog presjecanja orjentaciona tanost za limove debljine t = 0,05 mm iznosi priblino 0,05 0,08 mm, za t = 0,5 mm je priblino 0,05 0,1 mm a za t =1,5 mm iznosi 0,15 0,3 mm.

Pri hemijskom glodanju minimalna irina otvora (lijeba) B=2 + (1,5-3 mm) gdje se pri dubini nagrizanja 3 mm uzima dodatak od 1,5 mm. Minimalno rastojanje otvora kod obine maske C 2 3 mm. Meutim, kod tampanih i foto maski mogu se postii i manje vrijednosti za irinu i rastojanje otvora (B = C 0,015 mm). Tanost nagriene gravure kod upotrebe obine i tampane maskedostie do 0,02 mm, dok se kod foto maske moe postii tanost od 0,002 mm.

Kvalitet obraene povrine najvie zavisi od reima obrade a posebno od nagrizajueg sredstva i od mikrostrukture povrinskog sloja prije obrade. Treba izbjegavati nagrizajua sredstvakoja nejednako nagrizaju (pojava djelomino masne ili porozne povrine). Na povrinski sloj poslije nagrizanja utie prethodna tejnoloka i termika obrada. Tako na hrapavost utie poetna hrapavostpovrine. Kod povrina iji povrinski sloj sadrivee zaostale unutranje naponepo nagrizanju dobija se vea hrapavost (npr. kod odlivaka, odpresaka i otkovaka hrapavost je vea nego kod valjanih dijelova).

Termiki obraene povrine pri nagrizanju daju daju manju hrapavost. Poveanjem brzine nagrizanja smanjuje se hrapavost. Mehanike i fizike osobijne metala poslije nagrizanja ostaju iste.

PRIMJERI PRIMJENE

Hemijsko glodanje ili graviranje koristi se za obradu relativno velikih povrina kada se zahtjeva smanjenje teine na kompleksnim, korpusnim dijelovima bez hitnijeg smanjenja vrstoe i krutosti konstrukcije a naroito ako se redi o tankim stijenama krtih i tvrdih mnterijala. Tipian primjer primjene hamijskog glodanja u ovom smislu jesu konstrukcije u avionskoj i raketnoj industriji..

Nadalje, hemijsko glodanje koristi se pri graviranju pliih udubljenja sloene forme. Karakteristian primjer je izrada rebrastih ploa od lima na tankim dijelovima i to bez deformacije. Hemijskim glodanjem izradjuje se kontinualni i stepenasti konus. Kontinualni konus dobija se postepenim kontinualnim izvlaenjem dijela iz kade a stepenasti konus pri periodinom povlaenju potopljenog dijela tako da se na povrini dobija stepenica do stepenice. Hemijsko prosjecanje koristi se za prosjecanje i perforaciju sloenih sitnijih dijelova od tankog lima koji se preteno koriste u radio i elektronskoj industriji.

Tipian primjer primjene hemijske obrade je masovna izrada tzv.tampane montae od tankog lima

Sl. 3 - Dijelovi izraeni hemijskom obradom

(sloene ablone, nikolovane maske za obradu poluprovodnika panel oscilografa i drugih elektronskih uredjaja, filteri sa mreom od tankog lima t = o,o5 mm, reetke za elektronsku industriju, maske za televizore, listovi dijafragmi fotoaparata, profilni limovi za transformatore i si.). Drugi tipian primjer primjene hemijske obrade jeste masovna i velikoserijska izrada tampanih elektrinih eme. Sutina primjene hemijske obrade pri izradi tampane montae a i tampanih minijaturnih elektrinih ema je pomo masovnoj proizvodnji elektronskih aparatura a ne minijaturizacije, kako se nekad smatra. tampani dijelovi pogodni su za montau i ne zahtjevaju tenu pripremu. Neki primjeri tampane montae dati su na slici 3.

II HEMIJSKO - MEHANIKE OBRADE MATERIJALA

Skidanje i odnoenje materijala vri se na osnovu hemijskih odnosno elektrohemijskih reakcija izmedju obradjivane povrine i sredine bez prisustva spoljnjeg izvora struje, a uz istovremeno mehaniko dejstvo na povrinu obradka. Mehaniko dejstvo odnosi stvorene produkte iz zone obrade i pospjeuje izvodjenje procesa odnoenja materijala.

Potapanjem povrine metala u odredjenom rastvoru

metalnih soli dolazi do jonskog rastvaranje povrinskog sloja obradka i tako estice metala prelaze u rastvor. Pri toj elektrohemijskoj reakciji nastaju i nusprodukti, jer se estice izdvojene iz elektrolita taloe u obliku oksidnih spojeva na povrini obradka.

Sl. 4 Hemijsko mehanike obrade a)Otrenje alata b)bruenje c)rezanje

Da se proces zbog toga ne prekine potrebno je mehaniko odstranjivanje nataloenog sloja oksida na povrini obradka. Mehaniko ienjepovrine vri se elektriki neutralnim alatom. Tako pri potapanju eline legure u rastvor bakarnih soli dolazi do prelaza gvoa u rastvor i istiskivanja bakra iz rastvora soli. Bakar se tada taloi na povrini obradka pa ga treba mehaniki skinuti. U daljem tekstu daje se krai opis nekih operacija.

2.1 HEMIJSKO-MEHANIKO OTRENJE ALATA Alat od tvrdog metala otri se tako de kobalt iz alata prelazi u

rastvor i istiskuje bakar uslijed ega se povrinski sloj tvrde legure raskida. Bakar se u tankom sloju taloi na povrini alata i taj se sloj odstranjuje koturom za buenje koji se nalazi u smjesi abrazivnog praka i elektrolita bakar-sulfat (si.4a). Pri ovoj obradi alat vri pritisak na obrtni kolut.

2.2 HEMIJSKO-MEHANIKO BRUENJE Obrada se vri uz prisustvo ranije opisane elektrohemijske

reakcije tako to se predmet radijalno pomjera u odnosu na obrtni, ravni kotur ze bruenje. Predmet i kotur neleze se u smjesi abrazivnog praka i rastvora bakar-sulfata (si.4b).

2.3 HEMIJSKO-MEHANIKO REZANJE Obrada se vri dejstvom elektrohemi jske reakcije i mehanikim

djelovanjem tankog metalnog ili abrazivnog kotura koji se nalazi zajedno sa obradkom u smjesi obrazivnog praka i rastvora bakar-sulfata. Pri tome kotur-alat vri obrtno i posmano pomjeranje (si. 4c).