Wytrawianie elektrochemiczne i elektropolerowanie stali nierdzewnych
Podstawowe metody chemicznej obróbki powierzchniowej stali nierdzewnych to dekontaminacja, wytrawianie i pasywacja. Szczególnym typem obróbki są natomiast wytrawianie elektrochemiczne, które podobnie jak elektropolerowanie oprócz oddziaływania czynnika trawiącego (mieszaniny kwasów) stosuje dodatkowo zewnętrzne źródła prądu, które przyspiesza proces elektrochemiczny rozpuszczania warstwy wierzchniej.
Wytrawianie elektrolityczne, jak sugeruje nazwa wymaga zewnętrznego prostownika, który polaryzuje anodowo obrabiany element (podłączony do bieguna dodatniego) a drugą elektrodę stanowi obojętna katoda grafitowa lub ze stali nierdzewnej w formie pędzla lub blaszki z chłonnym suknem, włóknem szklanym. Prąd płynący przez układ powoduje kontrolowane rozpuszczanie stali nierdzewnej w miejscu styku, gdzie materiał jest zwilżany przez elektrolit. W zależności od przyłożonego napięcia i gęstości prądu dochodzi początkowo do wytrawiania a przy wyższych napięciu i gęstości prądu polerowania powierzchni. W obszarze styku dochodzi do gwałtowanego wzrostu temperatury elektrolit, który może łatwo osiągnąć temperaturę 100°C. Elektrolit prawie wrze na powierzchni stali i emitowany jest dym oraz para a sama stal również nagrzewa się w miejscu obróbki. Elektrolitem jest silny kwas fosforowy (zwykle 20-50%), co bardziej upodabnia ten proces do elektropolerowania niż zwykłego trawienia chemicznego stali nierdzewnej.
Wytrawianie elektrolityczne opracowano na potrzeby wytrawiania spoin, jako alternatywa dla procesów trawienia chemicznego z użyciem past i żeli. W porównaniu do trawienia chemicznego (pastą) wytrawianie elektrolityczne jest szybszym procesem głównie z powodu wysokiej temperatury elektrolitu i elementu w obszarze obróbki. Kolejną istotną zaletą procesu wytrawiania elektrolitycznego jest jego niezależność od temperatury zewnętrznej w przeciwieństwie do wytrawiania z użyciem past i żeli, których efektywność ściśle zależy od temperatury otoczenie. Dodatkowo wytrawianie elektrolityczne nie zwiększa chropowatości powierzchni w odróżnieniu do klasycznego wytrawiania chemicznego. Szybki proces wytrawiania elektrolitycznego raczej ją zmniejsza podobnie jak proces elektropolerowania. Najistotniejszą wadą wytrawiania elektrochemicznego jest jego pracochłonność wynikająca z konieczności ręcznej obróbki wszystkich miejsc i jej czasochłonności. Decyduje to o wysokim koszcie procesu. Dodatkowo urządzenia do wytrawiania elektrochemicznego są dużo droższe niż środki chemiczne do trawienia. Mało efektywna jest także obróbka miejsc trudno dostępnych oraz obróbka elementów w pozycji pionowej lub elementów skierowanych w dół, co wynika z łatwego spływania elektrolitu (o niskiej lepkości) z obszaru obróbki. Z powyższych względów wytrawianie elektrolityczne stosowane jest preferencyjnie do obróbki małych serii elementów i niewielkich detali, co nie wyklucza jednak możliwości stosowania tego procesu dla dużych konstrukcji o wysokich wymaganiach jakościowych połączeń spawanych.
Elektropolerowanie podobnie jak wytrawianie elektrolityczne opiera się na jednoczesnym oddziaływaniu elektrolitu oraz zewnętrznego źródła prądu, z tą różnicą, że w elektropolerowaniu cały element obrabiany zanurzony jest w kąpieli elektrolitu. Element obrabiany stanowi również anodę, co powoduje równomierny i kontrolowany proces korozji powierzchni – równomiernego usuwania warstwy wierzchniej materiału. Elektrolitem w tej metodzie jest gorąca (<50°C) mieszanina kwasów siarkowego i fosforowego. W obu omawianych metodach przyłożone zewnętrzne źródło prądu sprawia, że ładunki elektryczne preferencyjnie koncentrują się na wzniesieniach nierówności profilu chropowatości, co przyspiesza ich prewencyjne roztwarzanie w porównaniu do obszarów położonych niżej. W efekcie dochodzi do wygładzenia profilu chropowatości powierzchni i zmniejszenia parametrów opisujących profil powierzchni (Ra, Rz, itd.). Powierzchnia staje się jasna i wybłyszczona oraz dobrze odbija obraz.
Metoda znajduje szerokie zastosowanie, jako końcowa obróbka powierzchni, zarówno dla zwiększenia odporności korozyjnej elementów spawanych (od małych elementów do dużych zbiorników) jak i dla uzyskania atrakcyjnego efektu wizualnego - wybłyszczenia całej powierzchni obrabianych wyrobów. Jest też często stosowana w aplikacjach o wysokich wymaganiach higienicznych, np. w przemyśle spożywczym i farmaceutycznych, gdzie decydującym czynnikiem doboru technologii wykańczania jest bardzo dobra podatność do czyszczenia powierzchni elektropolerowanych.
Zarówno elektropolerowanie jak i wytrawianie elektrolityczne w wyniku wydajnego zmniejszenia chropowatości powierzchni, usuwania metalicznych zanieczyszczeń i innych osadów powierzchniowych zapewniają wzrost odporności korozyjnej powierzchni spoin do poziomu powierzchni z wykończeniem 2B.
Gatunki stali nierdzewnych, które dają najlepszy efekt wizualny po elektropolerowaniu, wytrawianiu elektrolitycznym to austenityczne 1.4301 i 1.4401. Stosując inne gatunki będzie trudno uzyskać porównywalny wygląd powierzchni, co dla stali austenitycznych.
Literatura
[1]. Z. Brytan, Vademecum Stali Nierdzewnej, SSN, 2014
[2]. J.R. Davis, Stainless Steels, ASM Specialty Handbook, ASM International, 1994