آماده سازی متالوگرافی توسط الکتروپولیش منوط به محدودیت هایی است که باید در نظر گرفته شود تا بتوان از این روش نتایج مربوط را حاصل نمود. به‌طور کلی مواد و تجهیزات در الکتروپولیش سمی می‌باشد، بسیار ی از این مواد قابل اشتعال می‌باشد و تنها اپراتوری که کاملا با روشهای آزمایشگاهی آشنا و این مواد آشنا می‌باشد می‌تواند با این تجهیزات و وسایل کار کند. شرایط الکترولیت برای بدست آوردن یک کیفیت سطح عالی برای آلیاژها و فلزات مختلف فرق می‌کند در نتیجه زمان قابل توجهی لازم است تا شرایط بهینه را برای الکتروپولیش آلیاژ بدست آورد.نتایج الکتروپولیش به میزان قابل توجهی به مراحل اولیه الکتروپولیش و یا شدت آندی یا کاتدی بودن زمینه آلیاژبستگی دارد. در آلیاژها زمینه راحتر حل می‌شود در صورتی که نقاط دیگر نسبت به زمینه کاتدی باقی می ماند در نتیجه این نقاط نسبتا برجسته تر می‌شوند. الکترولیت های مختلفی را باید برای بدست آوردن شرایط بهینه استفاده نمود مواد آلی و فلزات بکار رفته در تجهیزات سلول الکتروپولیش ممکن است با الکترولیت واکنش دهند. در آلیاژهای چند فازی از آنجا که سرعت حمله الکترولیت به ذرات فلزی و غیر فلزی متفاوت است از این رو ممکن است سطوح خاصی از نمونه به سختی اچ شود.

 

 

قبل از فرآیند الکتروپولیش لازم است نمونه سمباده زنی شود. سپس با استفاده از سمباده‌ای با مش بالا عملیات صیقل کاری بر روی سطح انجام می‌شود. سطحی که قرار است الکتروپولیش شود باید تمیز و عاری از هرگونه ناخالصی، چربی و روغن باشد، تا الکترولیت بتواند به راحتی با سطح نمونه در تماس قرار بگیرد به همین منظور باید نمونه‌ها را با پنس و انبر جا به جا نمود.

 

به طور کلی الکترولیت تا حد زیادی باید چسبانک و یک حلال برای فلز آند در الکتروپولیش باشد. الکترولیت باید به راحتی به آند حمله کند، همچنین بهتر است یک یا چند یون با شعاع بزرگ و مولکول‌های زیاد داشته باشد. یون‌ها باید به سادگی با یکدیگر مخلوط و پایدار شوند، بسیاری از الکترولیت‌ها دچار محدودیت در این قسمت می‌باشند.

 

متغییرهایی که باعث تغییر جریان در روش الکتروپولیش می شود، به دو دستهء متغیرهای اولیه و ثانویه تقسیم‌بندی می‌شود. متغییرهای اولیه عبارتند از:

الف- نسبت سطح آند به کاتد: با افزایش نسبت سطح کاتد به آند افزایش سرعت خوردگی در سطح آند اتفاق می‌افتد.

ب- نوع الکترود: با افزایش اختلاف پتانسیل شیمیایی بین کاتد و آند، سرعت الکتروپولیش متفاوت خواهد بود.

ج- عمق قرار گرفتن نمونه در الکترولیت: بسته به اینکه سطح آند در چه عمقی از الکترولیت قرار گرفته باشدمقدار چگالی جریان متفاوت خواهد بود.جریان در سطح الکترولیت نسبت به نقاط دیگر محلول بیشتر است.

د- مدت زمان استفاده از الکترولیت: با افزایش زمان الکتروپولیش یون‌ها به مرور تعدیل می‌شوند.

متغیرهای ثانویه عبارتند از:

الف- درجه حرارت حمام: با افزایش درجه حرارت چگالی جریان بیشتر می‌شود.

ب- سرعت همزدن الکترولیت: سرعت همزدن الکترولیت بر روی تشکیل و جدایش فیلم اکسیدی تاثیر گذار است.

ج- غلظت الکترولیت: نسبت‌های مختلف اسیدهای بکار رفته در محلول الکترولیت بر روی مقدار جدایش مواد از آند تاثیر گذار است.

د- فاصله آند و کاتد: افزایش یا کاهش فاصله آند و کاتد بر روی میزان نقل و انتقال یونها از آند به کاتد تاثیر گذار است با افزایش فاصله یونها مسیر طولانی تری را برای رسیدن به کاتد طی می‌کنند از این رو بر روی سرعت الکتروپولیش و مقدار جدایش مواد از آند می‌تواند تاثیر گذار باشد.

ه- مدت زمان الکتروپولیش: با افزایش زمان الکتروپولیش معمولا میتوان به کیفیت سطح مطلوب رسید البته لازم به ذکر است دست یابی به چنین کیفیت سطحی مستلزم کنترل دیگر پارامترهای الکتروپولیش می‌باشد.

موارد ذکر شده در بالا از جمله مهمترین متغیرهای فرایند الکتروپولیش می‌باشد.

روابط بین ولتاژ و جریان در الکتروپولیش برای فلزات مختلف متفاوت است. رابطه ساده ای که در آن عملیات پولیش‌کاری بیشتر رخ می‌دهد در رنج گسترده از ولتاژ و جریان می‌باشد که باعث تشکیل یک فیلم بر روی یک سطح می‌شود و یک جریان بسیار ضعیف در حال عبور می‌باشد بنابراین در این لحظه فقط اچ اتفاق می‌افتد اما پولیشکاری رخ نمی‌دهد عملیات پولیشکاری در ولتاژهای بالا اتفاق می‌افتد. یک رابطه ولتاژ و جریان زمانی پیچیده می‌شود که نمودار ولتاژ و جریان برای الکتروپولیش مطالبق شکل(۴) باشد.

شکل ۴- رابطه بین جریان و پتانسیل الکترود در الکترولیت‌ها

با توجه به شکل در ولتاژهای کم یک فیلم روی سطح آند تشکیل می‌شود در این مرحله فقط اچ بر روی سطح آند اتفاق می‌افتد. الکتروپولیش در ولتاژهای بالاتر رخ می‌دهد که در شکل نیز مشخص شده است.

شکل (۵) نمودار I-V را برای الکتروپولیش مس در الکترولیت اسید فسفریک نشان می‌دهد. با توجه به شکل پنچ منطقه مجزا را با ولتاژ مشخص می‌توان در نمودار مشاهده نمود. تنها در منطقه C-D نشان دهنده یک ثبات و پایداری در جریان با توجه به افزایش پتانسیل می‌باشد. در این مرحله تشکیل فیلم نازک اکسیدی که در مراحل قبل در حال شکل‌گیری بود، به حالت پایدار می‌رسد و پولیش‌کاری اتفاق می‌افتد. در طول فرآیند الکتروپولیش چگالی جریان ثابت می‌ماند.

شکل۵- ولتاژ سلول به صورت تابعی از چگالی جریان آند برای الکتروپولیش مس در محلول اسید H3PO4 با استفاده از یک مدار پتانسیومتری

قانون فارادی (Faraday’s Law) الکترولیز

حذف مواد در فرآیند الکتروپولیش را می‌توان با استفاده از قانون فارادی برای الکترولیزها به صورت رابطه (۲-۱) نشان داد.

(۲-۱)

که W وزن کلی از دست رفته، N ظرفیت الکترووالانسی فلز،F  فارادی ۹۶۵۰۰ کولن، M جرم مولکولی آند، I جریان فرایند، t زمان الکتروپولیش  و n ثابت می‌باشد. دو متغییری که جرم از دست رفته را تحت تاثیر قرار می‌دهد، جریان و زمان و الکتروپولیش می‌باشد.

مکانیزم الکتروپولیش

اگر چه مکانیزم الکتروپولیش به طور کامل شناخته نشده است، اما این فرآیند شامل دو مرحله همزمان، صافی و درخشندگی می‌باشد، همچنین رابطه بین ولتاژ و جریان بر روی نتایج الکتروپولیش اثر می‌گذارد که برای فلزات و الکترولیت های متفاوت فرق می‌کند. صافی سطح هنگامی بوجود می‌آید که پستی و بلندهایی یا سطوح خشن که در نتیجه عملیات مکانیکی به وجود آمده است، برطرف گردد. سطح خشن فلز آند در یک سلول الکترولیتی توسط یک لایه الکتروپولیش و چسبناک پوشیده می‌شود، که در نتیجه واکنش بین فلز و الکترولیت می‌باشد. این لایه به عنوان فیلم ژله‌ای الکتروپولیش که مقاومت الکتریکی این لایه بیشتر از محلول الکترولیت می‌باشد شناخته می‌شود، به همین دلیل عملیات صیقل سازی کنترل می‌گردد. در طول الکتروپولیش انحلال یون‌های فلزی در آند رخ می‌دهد و یون‌های فلزی در آند آزاد می‌شود و روی کاتد رسوب می‌کند. صیقل کاری بر روی سطح زمانی اتفاق می‌افتد که لایه پلیمری ضخیمی روی آند تشکیل شود. درخشندگی بر روی سطح زمانی اتفاق می‌افتد که لایه نازک روی آند تشکیل شود. قطعه کار در یک الکترولیت اسیدی غوطه ور می‌شود و از یک جریان مستقیم با استفاده از یک یکسو کننده استفاده می‌شود در این فرایند الکتروپولیش قطبش در محل آند رخ می‌دهد و یونهای فلزی از آند آزاد می‌شود گاز هیدروژن همچنین در کاتد شکل می‌گیرد و گاز اکسیژن ممکن است در آند تشکیل شود که بستگی به ولتاژ دارد. به عبارتی دیگر فرآیند الکتروپولیش قطعه فلزی را چه از جهت میکروسکوپی و چه از جهت ماکروسکوپی پرداخت می‌کند. پرداخت میکروسکوپی سبب درخشندگی و پرداخت ماکروسکوپی سبب صافی قطعه می‌شود. پليسه گيري به سبب آن كه چگالي جريان در برآمدگي ها بيشتر است و اكسي‍‍ژن از حفره‌ها محافظت مي كند، زودتر انجام مي‌شود. شکل۱ شماتیکی از مکانیزم روش الکتروپولیش را نشان می‌دهد.

بر اساس شکل (۱) مقاومت در نقطه  A نسبت به مقاومت در نقطه C کمتر می‌باشد زیرا فاصله بین نقطه A تا B کمتر از نقطه C تا D می‌باشد، که ضخامت این فیلم چسبناک کمتر می‌شود. جریان در نقطه A بیشتر از نقطه C می‌باشد. به همین دلیل فلز در نقطه A زودتر نسبت به نقطه C حل می‌شود، که باعث تولید سطح نسبت یکنواخت می‌شود. این عمل به راحتی قابلیت از بین بردن ناهمواری‌هایی بیش از ۱میکرومتر را دارا می‌باشد. درخشندگی در نتیجه از بین رفتن پستی و بلندی‌هایی در حدود ۱۰۰ نانومتر بوجود می‌آید این رفتار در نتیجه شکل گیری لایه نازکی از فیلم پسیو بر روی سطح فلز به وجود می‌آید. شرایط بهینه برای درخشندگی زمانی تشکیل می‌شود که لایه پسیو آندی بین شکاف‌ها و قله‌های ثانویه به وجود ‌آید.

شکل(۲) اثر فاصله از کاتد در الکتروپولیش را نشان می‌دهد. با توجه به شکل با افزایش فاصله از سطح کاتد مقاومت الکتریکی افزایش می‌یابد، از این رو  چگالی جریان در قله‌ها بیشتر از نقاط دیگر می‌باشد. شکل(۳) شماتیکی از سلول الکتروپولیش و اثر آن روی نمونه بعد از الکتروپولیش را نشان می دهد.

اهمیت روش الکتروپولیش نسبت به روش‌های مکانیکی پولیش‌کاری

اکثر سیستم‌های مکانیکی پرداخت‌کاری، برای دست یابی به سطحی صاف و براق، سطح بلورین فلز را لکه‌دار، خمیده و دچار خستگی می‌کنند و حتی گاهی باعث شکست آن می‌شوند. الکتروپولیش، فرآیند باربرداری از روی سطح را با ایجاد الگویی یک‌سویه که کاملاً خالی از هرگونه خستگی و انسداد است، انجام می‌دهد. در این روش، سطح، از دید میکروسکوپی صاف و در اغلب اوقات صیقلی است. علاوه بر این، در بسیاری از آلیاژهای فلزی و غیرفلزی، مقاومت در برابر خوردگی و غیرفعال‌سازی فلز نیز افزایش می‌یابد. چون قطعه در معرض اکسیژن ‌است، هیچگونه تردی هیدروژنی در قطعه رخ نمی‌دهد. در واقع الکتروپولیش، نوعی گرم و سرد کردن بدون خستگی است، که سطح قطعه را هیدروژن‌زدایی می‌کند.

مزیت دیگر الکتروپولیش آن است که باکتری نمی‌تواند روی سطحی خالی از هیدروژن به خوبی تکثیر شود. این امر الکتروپولیش را گزینه‌ای مناسب برای استفاده در پزشکی، داروسازی، نیمه هادی‌ها و صنایع غذایی می‌کند. ترکیبی از دو ویژگی عدم وجود خطوط جهت‌دار به سبب پرداخت مکانیکی و سطحی عاری از هیدروژن، به ایجاد سطحی کاملاً بهداشتی می‌انجامد که در آن هیچگونه باکتری یا آلودگی نمی‌تواند تکثیر یا انباشته شود.

تعریف الکتروپولیش

تعاریف مختلفی از الکتروپولیش وجود دارد. دو تعریف، که معمولا برای فرآیند الکتروپولیش به کار برده می‌شود به صورت ذیل بیان می‌شود:

الف) الکتروپولیش فرایندی است که در آن سطح فولاد، فولاد زنگ‌نزن، آلیاژهای مس و آلومینیم را در حمامی الکترولیتی، صاف، صیقلی، تمیز و پلیسه گیری می‌کند. این فرآیند، به طور انتخابی، زبری‌های فلز را می‌زداید و سطح فلز را برّاق‌تر می‌سازد.

ب) الکتروپولیش یا پرداخت الکتریکی به طور کلی در متالوگرافی، فولاد زنگ نزن، آلیاژهای مس،آلومینیم، منیزیم، زیرکونیوم و دیگر فلزاتی که پولیش‌کاری مکانیکی به سختی برای آنها قابل انجام است. الکتروپولیش می‌تواند به طور کامل همه آثار به جا مانده از پرداخت‌کاری مکانیکی، آسیاب‌کاری مکانیکی که در حین تولید نمونه‌ها به وجود می‌آید حذف کند.

کلیات کار

قطعه فلزی در محلول الکتروپولیش فرو می‌رود و به جریان مستقیم وصل می‌شود. قطعه فلزی به عنوان آند بوده و فلزی دیگر به عنوان کاتد عمل می‌کند. جریان مسقیم همراه با حرکت خود از آند  که قطبی شده است به سمت کاتد، یون‌ها را نیز با خود به کاتد منتقل کرده و فلز را با سرعتی کنترل شده صیقل می‌دهد. مقدار فلز برداشتی به نوع الکترولیت، دما، چگالی جریان و نوع آلیاژ تحت الکتروپولیش بستگی دارد.

مشخص شده که یک سطح صاف و بدون درز یک مولفه مکانیکی برای بهبود استحکام خستگی می‫باشد. پولیش‌کاری مکانیکی روشی زمان‌‌بر و چند مرحله‌ای برای رسیدن به کاهش زبری و درخشندگی می‌باشد. دقت در این روش پایین است و نمی‌توان از این روش برای یکنواختی و درخشندگی سطح در شکل‌های مختلف قطعات استفاده کرد. الکتروپولیش ‌فرآیندی الکتروشیمیایی می‌باشد که در نتیجه آن، سطحی با قابلیت پسیو شدن خوب با افزایش مقاومت به خوردگی، کاهش زبری و افزایش جلای سطح حاصل می‌شود. الکتروپولیش با ایجاد سطحی مقاوم در برابر خوردگی، جلوگیری از شکست هیدروژنی قطعه و ایجاد سطوح کاملا بهداشتی، توجه بسیاری از محققین را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده است. به طور کلی، الکتروپولیش فلز در یک محدوده مشخصی از جریان، که در آن انحلال آندی تحت یک مکانیسم انتقال جرم کنترل می شود، صورت می پذیرد. صافی سطح و درخشندگی سطح توسط یک انحلال آندی در یک الکترولیت مناسب انجام می‫شود. گونه‫های شیمیایی حاکم بر انتقال جرم مکانیسم کنترل برای صیقل دادن سطح هستند و وابسته به الکترود فلزی و الکترولیت می‫باشند.

الکتروپولیش اولین بار توسط مدسن در سال ۱۹۲۵ انجام شد. هدف از الکتروپولیش، بالابردن کیفیت سطح آبکاری شده بود. سه سال بعد برنز و وارنر برای تمیز کردن سطح یک نمونه‌ی فولادی، از فرآیند الکتروپولیش استفاده کردند که در پایان فرآیند به سطحی تمیز و درخشان دست یافتند. توسعه و تکامل فرآیند الکتروپولیش  به ‌طور گسترده توسط ژاکوت در سال ۱۹۳۵ روی آلیاژ مس و فلزات دیگر صورت گرفت. هدف از آن تحقیق میزان براقی سطح الکتروپولیش در غلظت‌های مختلف الکترولیت بود. مورال و همکاران در سال ۱۹۹۷ آلیاژ A356 را در محلول الکترولیت اسید پرکلریک و اسید نیتریک  الکتروپولیش کردند، آن‌ها گزارش کردند که پوسته پسیو تشکیل شده بعد از فرآیند الکتروپولیش ضخامت بیشتری نسبت به حالت اولیه دارد.

بسیاری از پژوهش ها در ارتباط با الکتروپولیش فلزاتی مثل آهن، کبالت و آلیاژهای پایه نیکل در الکترولیت‌های شامل یکی از اسیدهای پرکلریک، اسید سولفوریک و اسید فسفریک صورت گرفته است. شیگو پیشنهاد کرد که محتوای ۴۰ درصد به بالای اسید پرکلریک در مخلوط اسیدی برای صیقل الکتروشیمیایی تیتانیوم مناسب می باشد. در بعضی از پژوهش‫های گذشته غلظت‫های بالاتر (۶۰-۸۰ درصد حجمی) از اسید پرکلریک در مخلوط اسیدی برای صافی سطح و درخشندگی فولاد گزارش شده است. جین و همکاران در پژوهشی اثر پارامترهای مختلف الکتروپولیش را بر زبری سطح و سرعت الکتروپولیش ورق Nb بررسی کردند. آن ها گزارش کردند، الکتروپولیش خواص سطحی بسیار مطلوبی در سطح فلز ایجاد می کند و می‌تواند روش مناسبی برای رفع حفره و عیوب سطحی در ورقه های Nb باشد. ایزونو و همکاران در پژوهشی در ارتباط با تاثیر شکل کاتد در الکتروپولیش انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که شکل کاتد بر روی سرعت الکتروپولیش، یکنواختی و بهبود سطح موثر است. رفتار الکتروپولیش یک جزء فلزی می‫تواند به طور قابل توجهی با اضافه کردن مقدار کمی آب به الکترولیت تحت تاثیر قرار گیرد. آخرین یافته‌ها نشان می دهد حضور آب در محلول الکتروپولیش موجب ترکیب با کاتیون‫ها شده و به عنوان یک اکسیدان عمل می کند. اگر نفوذ مولکول های آب به آند عامل کنترل کننده سرعت باشد محدوده جریان الکتروپولیش باید با افزایش مقدار آب در محلول الکتروپولیش را افزایش یابد.