автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Электрохимическое маркирование с использованием фотоактивных и фотоуправляемых электрод-инструментов

V в

- в

ф На правах рукописи

ГЛЕБОВ Владимир Васильевич

УДК 621.9.047

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ МАРКИРОВАНИЕ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОАКТИВНЫХ И ФОТОУПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность 05.17.03 - Технология электрохимических процессов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОЧЕРКАССК 1998

Работа выполнена на кафедре "Технология электрохимических производств" Новочеркасского государственного технического университета, г. Новочеркасск, и на кафедре физики Донской государственной академии сервиса, г. Шахты.

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники РФ, академик МАН ВШ, доктор технических наук, профессор Кукоз Ф. И.,

кандидат технических наук, доцент Кирсанов С. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кудимов Ю.Н.,

кандидат технических наук, профессор Медведев В В. Ведущее предприятие: Шахтинский завод "Гидропривод"

Защита диссертации состоится 1998 г. в часов на

заседании диссертационного Совета Д 063.30.03 в Новочеркасском государственном техническом университете: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132, НГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новочеркасского государственного технического университета.

Автореферат разослан"

3 " рол ¿/л 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Ильин В.Ь.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Электрохимическое маркирование (ЭХМ) применяется в машиностроительной. электротехнической, радиоэлектронной, полиграфической и в других отраслях промышленности и способно решать задачи промышленного производства.

Одним из сдерживающих факторов более широкого применения ЭХМ является необходимость изготовления электрод-инструментов (ЭИ) или трафаретов для каждого вида наносимой информации. Это условие является неприемлемым при нанесении обширной и часто меняющейся информации, например, при изготовлении печатных плат, нанесении сложных рисунков. Для этих целей обычно применяются растровые ЭИ. Однако для расширения технологических возможностей, увеличения объема и сложности наносимой информации требуется уменьшать размеры и увеличивать количество элементов (секций) растровых (матричных) ЭИ. Это существенно усложняет задачу изготовления ЭИ, коммутации и управления секциями ЭИ, что приводит к увеличению технологических затрат и стоимости продукции.

Для решения этой проблемы представляется перспективным использование фотоактивных и фотоуправляемых ЭИ. Такие ЭИ имеют плоскую рабочую поверхность, что существенно упрощает гидродинамический режим протекания электролита; они могут применяться длительное время для нанесения любого вида информации. Между тем, до настоящего времени данных о технологии изготовления и применении таких ЭИ явно недостаточно.

Представляется также возможным применение фотоактивных ЭИ для электролитического способа получения фотографий. Этот способ имеет некоторые преимущества при решении отдельных задач. Фотоактивные и фото-управляемые ЭИ могут применяться для нумерации серийной продукции, изготовления фирменных табличек, товарных знаков, плат печатного монтажа, плоских фигурных деталей, декоративной и другой продукции, где требуется неглубокое электрохимическое фрезерование.

Таким образом, разработка фотоуправляемых методов коммутации секций растровых ЭИ и разработка ЭИ с фотоактивной полупроводниковой рабочей поверхностью, а также изучение технологических возможностей таких ЭИ является актуальной задачей при создании и внедрении прогрессивных электрохимических технологий.

Работа выполнена в соответствии с планом работ по научным направлениям Ш ТУ "Гальванотехника и электрохимическая обработка металлов" и ДГАС "Разработка современных методов обработки материалов, оптимиза-

ция технологических процессов, конструирование, изготовление и модерни зация приборов и изделий сферы сервиса".

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы - разработка технологии изготовления и изучение возможностей фотоактивных и фотоуправляемых ЭИ для ЭХМ и решения других задач электрохимической размерной обработки (ЭХРО). В соответствии с целью были определены задачи исследования:

1 Разработать способ электрохимической обработки, в котором ЭИ выполнен из фотоактивного полупроводникового материала, с токоподводом на его нерабочей поверхности, на которую воздействуют световым потоком, в соответствие с которым происходит ЭХРО.

2 Изучить возможность электролитического метода получения фотографий с использованием фотоактивных ЭИ.

3 Разработать способ фотоуправления секциями растрового ЭИ и исследовать технологические возможности метода ЭХМ с использованием такого ЭИ.

4 Исследовать возможность изготовления плат печатного монтажа подвижным фотоуправляемым секционным ЭИ. Установить закономерности растворения металлической фольги с основания печатной платы для определения необходимой скорости движения ЭИ.

5 Проанализировать влияние основных электрохимических факторов на точность и качество ЭХМ и определить возможные способы уменьшения погрешностей обработки.

6 Разработать конкретный технологический процесс для ЭХМ и передать его предприятию-заказчику для внедрения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1 Разработаны технологические основы нового направления в ЭХРО - применение фотоакгивных и фотоуправляемых ЭИ для электрохимического нанесения информации.

2 Результаты исследований показали большую перспективу использования фотоактивных и фотоуправляемых ЭИ для электрохимического маркирования и клеймения в поточном производстве изделий машиностроительной, электротехнической и других отраслей промышленности, а также на ремонтно-механических предприятиях.

3 Предложены наиболее рациональные условия и режимы ЭХРО плоских поверхностей большой площади с использованием сканирующего фото-управляемого секционного ЭИ.

4 Экспериментально подтверждена возможность получения фотографий

электрохимическим способом с использованием фотоактивного ЭИ.

5 Для увеличения плотности технологического тока фотоактивных ЭИ разработан способ изготовления ЭИ на основе сернистого кадмия.

6 Выявлены основные электрохимические факторы, влияющие на точность и качество ЭХМ, и предложены способы, позволяющие существенно уменьшить погрешности обработки.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НОВИЗНА

1 Применение фотоактивных и фотоуправляемых ЭИ позволяет заменить фотохимическую технологию на электрохимическую в различных отраслях промышленного производства: для изготовления плат печатного монтажа (ППМ), печатных форм и клише, фирменных табличек, фурниту ры, для гравирования различной декоративной продукции и изделий сферы сервиса. Технологические методы ЭХРО по сравнению с фотохимическими методами экологически более приемлемы, требуют меньшего количества технологических операций, используют менее агрессивные и более простые химические реагенты, экономически более целесообразны.

2 Разработан новый способ электрохимической обработки, в котором ЭИ выполнен из фотоактивного полупроводникового материала, с токоподво-дом на его нерабочей поверхности, на которую воздейств}тот световым потоком, в соответствии с которым происходит ЭХРО (защищен авторским приоритетом).

3 Предложен полупроводниковый способ получения видимого изображения с использованием фотоактивного ЭИ, в котором изображение формируется на токопроводящей поверхности, покрытой контрастной, по отношению к ней. металлической пленкой (защищен авторским приоритетом).

4 Разработан способ электрохимической обработки сканирующим матричным фотоуправлясмым ЭИ, который позволяет наносить обширную информацию на большую площадь обрабатываемой поверхности (защищен патентом РФ).

5 Показана возможность изготовления плат печатного монтажа фотоуправ-ляемым секционным ЭИ, при которой обработка фольгированного диэлектрика происходит при его поступательном движении относительно секционного ЭИ. Управление технологическим током каждой секции ЭИ осуществляется от конкретного фотоэлемента, в зависимости от его освещённости (способ изготовления защищен патентом РФ).

КОНСТРУКТОРСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1 Разработан ряд конструкций фотоуправляемых растровых ЭИ.

2 Разработаны основы технологии изготовления фотоактивных ЭИ из пла-

стин монокристаллического кремния. Такие ЭИ имеют низкую технолог! ческую плотность тока и мохут применяться там, где требуется неглубок электрохимическое фрезерование, в том числе для электролитическог получения фотографий.

3 Разработаны основы технологии сканирования фотоуправляемого растре вого ЭИ вдоль обрабатываемой поверхности, позволяющие наносить ос ширнуто меняющуюся информацию

4 Разработано технико-экономическое обоснование электрохимическог способа изготовления фирменных табличек по заказ)' АО НПО "Динамо' г. Москва.

5 Испытан в производственных условиях и внедрён в проектные работ! ШРМЗ ОАО "Ростовуголь" фотоэлектрохимический метод маркировани деталей и обработки гальванокопий, с предполагаемым экономические эффектом 30 миллионов рублей (в ценах 1997 г.).

6 Разработаны основы конструкторского решения оборудования для реали зации технологии изготовления плат печатного монтажа секционным фо тоуправляемым ЭИ.

7 Отдельные результаты работы используются на лабораторных и практиче ских занятиях для студентов ДГАС, г. Шахты.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы диссертации докладывались на научно-техническом семи наре "Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике", г Пенза, 1995 г., международном научном симпозиуме в области ремонта машин (посвященного памяти академика Ю. Н. Петрова), Республика Молдова г. Кишинев, 1996 г., третье!! всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" г. Нижний Новгород 1998 г. и ежегодных научных конференциях ДГАС, г. Шахты и НГТУ, г. Новочеркасск, в 1993-1998 годах.

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 2 таблицы, состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, содержащего 101 наименование и 2 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ литературных данных о существующих электрохимических способах маркирования изделий различного назначения. изготовлении плат печатного монтажа и получения фотографий.

Показано, что способы ЭХМ по виду формирования подразделяются на трафаретные и бестрафаретные. В зависимости от глубины и требуемого качества обработки ЭХМ осуществляется в проточном или в неподвижном (методом смачивания) электролите. Рассмотрены основные достоинства и недостатки каждого способа.

Установлено, что наиболее универсальным ЭИ для нанесения произвольной информации, в том числе для изготовления плат печатного монтажа, является растровый метод ЭХРО. Рассматриваются основные направления расширения технологических возможностей методов ЭХМ.

Анализ имеющихся данных в научно-технической литературе и результаты патентного поиска показывают, что в существующих электрохимических методах получения фотографий ЭИ либо сам подвергается травлению, либо служит подложкой для осаждения металла, что предполагает его одноразовое использование.

На основании проведенного анализа определены цели, обоснованы основные задачи исследования и возможные направления поисковых исследований.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ описаны методики исследований и экспериментальное оборудование.

Исследования проводились на специально сконструированных и изготовленных на кафедре физики ДГАС и в лаборатории ЭХРО НГТУ фотоактивных и фотоуправляемых ЭИ.

Фотоуправляемые ЭИ состояли из растрового (матричного) ЭИ, каждый элемент которого через схему усиления подсоединен к отдельном}' фотоэлементу. Фотоэлементы смонтированы на отдельной панели, причем их расположение было аналогично расположению элементов ЭИ. На эту панель при работе проецировалось световое изображение, в соответствие с которым происходила ЭХРО поверхности детали.

Фотоактивные ЭИ были получены с использованием промышленных монокристаллических кремниевых пластин, на одну из сторон которых вакуумным напылением на установках УВН-2М, УВН-74П-3 наносилось свето-проводящее покрытие, а также с использованием сульфида кадмия, нанесен-

ного на стеклянное основание с прозрачным проводящим покрытием из диок сида олова.

Рабочее напряжение между электродами определялось на основанш электрооптических параметров ЭИ непосредственно в электрохимическо! ячейке из условия достижения насыщения фототока. Изучение вольт амперных, спектральных и яркостных характеристик фотоактивных и фото управляемых ЭИ проводилось по стандартным методикам.

В качестве обрабатываемой поверхности обычно использовались алю миниевые и медные пластины. Электролит на основе хлористого или азотно

кислого натрия прокачивался со скоростью 0,5.....40 м/с, толщина межэлек

тродного зазора составляла от 0,06 до 1,0 мм, удельный съем металла опре делялся весовым методом на аналитических весах с ценой деления 10"* г. Ка чество и форма наносимой информации оценивались с помощью оптическот микроскопии.

Одной из основных проблем, возникающих при ЭХРО, является проблема повышения точности и качества формообразования. Анализ показывает, что наибольшее влияние на точность обработки при ЭХМ оказывает нагревание электролита ЛТи его степень газонаполнения С в МЭП. Для плоскопараллельного МЭП с длиной канала / и толщиной МЭЗ 6 получены оценочные выражения для расчёта этих величин:

л,

АТ = —--, (Г

Сиуэа

о =-(2;

к)1

где у- плотность тока;

С- удельная теплоёмкость электролита; и - скорость течения электролита; ;/,- плотность электролита;

а- эффективная электропроводность электролита; ;/г- плотность газа (водорода); к -электрохимический эквивалент газа (водорода).

Отсюда видно, что величина нагревания электролита и степень газонаполнения пропорциональны длине гидродинамического тракта МЭП /. На практике величина / для неподвижного ЭИ обычно не превышает 40....60 мм из-за резкого ухудшения качества обработки. По разработанным, с участием автора, способам ЭХРО величина / в формулах (1),(2) может быть уменьшена более чем в 100 раз, т.е. длина ЭИ в направлении движения электролита может быть меньше 0,01.... 1.0 мм, что практически исключает нагревание и

газонаполнение электролига в зоне обработки. Одновременно, используя принцип фотоуправления и скашгрования ЭИ, предложенные методы позволяют обрабатывать поверхности большой площади.

Все результаты исследований подвергались статистической обработке с применением ПЭВМ. В ряде исследований применялся метод функционального моделирования эксперимента.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены результаты исследований по разработке фотоуправляемых растровых ЭИ и их эксплуатационные показатели при различных режимах ЭХРО.

Основой для широкого применения растровых ЭИ послужил целый ряд факторов, к числу которых, в первую очередь, относятся простота их конструкции и технологии изготовления, надежность, меньшая стоимость. Исследования показали, что ненадежным звеном в расширении технологических возможностей таких ЭИ является система коммутации и управления секциями ЭИ.

Нами разработана и испытана простая и надежная система коммутации и управления секциями растрового ЭИ с использованием фотоэлементов, не содержащая механических, электромеханических, прижимных контактов и сложных тиристорных схем переключателей. С этой целью методом послойного склеивания эпоксидной смолой ЭД-5 из медных обмоточных проводов ПЭТВ, ПЭВ-1 с диаметром медной жилы 0,06 мм, 0,38 мм, 1,0 мм были изготовлены различные ЭИ. Плоские рабочие поверхности ЭИ были образованы торцами изолированных проводников, расположенных в виде прямоугольной матрицы, по схеме 4x7, 10x15, 7x42 и более элементов. Каждая секция ЭИ через усилитель на базе транзистора КТ315Б подсоединялась к фотоэлементу типа СФ2-1, ФД265А. Фотоэлементы были скомпонованы на плоской панели, причем их расположение соответствовало расположению соответствующих секций ЭИ. Усилители были настроены таким образом, что при подаче напряжения и отсутствии засветки фотоэлемента отсутствовал технологический ток через секцию ЭИ. Включение любой секции можно было производить путем засветки соответствующего фотоэлемента. Для осуществления процесса ЭХМ на матрицу фотоэлементов через фотопленку или фотошаблон проецировалось световое изображение, в соответствии с которым осуществлялась коммутация и прохождение технологического тока по соответствующим секциям ЭИ.

На практике при ЭХМ деталей необходимо менять не весь рисунок маркирования, а только часть его, связанную с нумерацией, типом и маркой изделия, обозначением варианта и категории исполнения, датой изготовления и т. д. Типичная фирменная табличка к оборудованию, выпускаемому на АО

НПО "Динамо", г. Москва показана на рис. 1. Для их изготовления в настоящее время применяют фотохимический способ, который требует большого количества технологических операций, химических реагентов, специального оборудования. Затем механически (ударным способом) на табличку наносится нумерация изделия, дата выпуска и т.д. Это приводит к деформации таблички, требует большого количества клейм и необходимость их постоянной заточки. Кроме этого, при такой технологии нельзя использовать тонкие пластины из отходов производства. Всё это приводит к повышению себестоимости изготовления продукции, что является экономически нецелесообразным, особенно при потребности в большом количестве таких табличек. На АО НПО "Динамо" ежегодно требуется 500 тысяч таких табличек. По предложению дирекции завода мы рассмотрели возможность электрохимического метода их изготовления. "

Для этой цели был изготовлен комбинированный ЭИ. На медной пластине толщиной 1см фотохимическим способом с травлением в хлорном железе в зеркальном изображении была нанесена неменяющаяся информация таблички. Знаки выполнены глубиной 0,2 мм. В местах необходимого нахождения меняющейся информации (нумерация) в пластине были сделаны сквозные отверстия, в которые вклеили растровые ЭИ соответствующих размеров. Затем рабочая поверхность очищалась, обезжиривалась, и полости заполнялись эпоксидной смолой. После сушки рабочую поверхность знаков шлифовали заподлицо с поверхностью диэлектрической пленки.

О ^ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА О

ТИП 1 1№ 1 1 РЕЖИМI 1 ▲

ЯЗ | | % Зф-50 Н7. | 1Р 44 ©

• 380/220 V А/Д КЛ.ИЗОЛ. | | [ |А .

ПАРАЛЛ.ОБМ. | | V 960 гат' ОЗке

О ТУ 16-92 ИРАК 526122.043 ТУ О 199Д г. О

Рисунок 1 - Фирменная табличка к оборудованию

Для маркирования использовался 10% ЫаС1 раствор, в качестве обрабатываемой детали использовались алюминиевые и медные пластины, плотность технологического тока составляла 5....40 А/см2 скорость протеканш электролита - 5...30 м/с, время изготовления одной таблички 30...60 е., для ю изготовления пригодны пластины любой толщины. Расчеты показывают, чт(

применение электрохимической технологии позволит уменьшить себестоимость изготовления одной таблички более чем в 4 раза. Технико-экономическое обоснование для проведения научно-исследовательской работы направлено на АО НПО "Динамо".

В производственных условиях разработанный способ испытан на ШРМЗ ОАО "Ростовуголь" непосредственно для маркирования ремонтного оборудования, а также для фотоэлектрохимической обработки гальванокопий. На гальваническом участке ШРМЗ выпускается декоративная продукция (типа гравюр), изготовленная гальваническим наращиванием меди в сернокислом электролите на рельефные формопластовые оттиски. Существующий технологический процесс позволяет наносить минимальный по ширине штрих размером 3 мм, что ограничивает возможности по нанесению сложных рисунков и надписей. Сущность разработанной, с участием автора, фотоэлектрохимической обработки заключается в том, что после гальванического наращивания металла проводят дополнительную обработку изделия методами ЭХРО. При этом на гальванокопии наносятся и усложняются дополнительные рельефные элементы и рисунки, различные эмблемы, мелкие знаки, надписи и т.д. Это приводит к улучшению эстетичного вида и качества, повышению потребительского спроса и конкурентоспособности продукции, расширению технологических возможностей по вытеку различных гальваноизделий. Фотоэлеюрохимический метод маркирования деталей и обработки гальванокопий внедрён в проектные работы ШРМЗ ОАО "Ростовуголь" с ожидаемым экономическим эффектом 30 миллионов рублей в год (в ценах 1997 года).

Для увеличения площади поверхности и улучшения качества обработки, независимо от формы и количества наносимых знаков, при одновременном уменьшении количества элементов ЭИ, с участием автора, разработан сканирующий фотоуправляемый матричный ЭИ (способ обработки защищен патентом РФ).

На рис.2 представлена блок-схема устройства, состоящая из блока формирования светового потока (БФСП) 1, матрицы фотоэлементов (МФ) 2, блока усиления технологического тока (БУТТ) 3, матричного ЭИ (МЭИ) 4, обрабатываемой детали (ОД) 5 и блока управления синхронным движением (БУСД) 6.

Устройство работает следующим образом. БФСП формирует световой поток, проецируемый на плоскость, в которой может перемещаться МФ. Ток от каждого фотоэлемента МФ усиливается БУТТ и подается на соответствующую секцию МЭИ. Количество и расположение секций МЭИ соответствует количеству и расположению элементов МФ. В зазор между МЭИ и ОД подается электролит. В процессе обработки осуществляется управляемое

БУСД синхронное перемещение МЭИ по поверхности ОД и МФ в плоскости проекции светового потока.

На рис.3 схематично представлено расположение фотоэлементов 1 на панели 2 МФ. При рабочем движении в плоскости проекции светового потока рабочие поверхности 3 фотоэлементов последовательно перекрывают все элементы проецируемого изображения. Направление рабочего движения указано стрелкой. Отношение скоростей перемещения МФ и МЭИ определяется отношением длины "Ь" МФ к соответствующей длине МЭИ.

Используя принцип сканирования ЭИ на установке (рис.2) мы показали возможность изготовления плат печатного монтажа. Известно, что электрохимические методы (анодное травление) по многим причинам более предпочтительны, чем традиционные фотохимические. Существует, однако, несколько факторов, сдерживающих более широкое их применение. Прежде всего, возникает специфическая проблема, связанная с тем, что происходит полное, до диэлектрического основания, травление фольги, что при методах ЭХРО может привести к образованию необработанных, токоизолирован-ных островков. Кроме этого, необходимо изготавливать ЭИ, трафарет или специальную программу для растрового ЭИ для каждого рисунка

печатной платы; при большой длине платы из-за тепло- и газовыделения в МЭП ухудшается качество обработки; необходимость получения проводящих проводников малой ширины (0,75 мм для 1-го класса и 0,10 мм для 5-го класса по плотности проводящего рисунка) также вызывает технологические трудности. Известные способы не позволяют полностью реализовать преимущества методов ЭХРО при изготовлении печатных плат.

1

>

2

3 6

>

5

Рисунок 2 - Блок-схема сканирующего фотоуправляемого матричного ЭИ

Для решения этих проблем, автором с соавторами, предложен способ (защищен патентом РФ) и разработаны основы конструкторского решения оборудования для изготовления печатных плат с использованием линейного секционного фото-управляемого ЭИ. Блок-схема лабораторной установки аналогична представленной на рис. 2. Необходимую скорость движения ЭИ иэи оценивали по формуле

иэи = •

(3)

где Км - удельный объёмный съём металла; И - толщина фольги. Секции ЭИ были изготовлены из медных обмоточных проводов ПЭВ-1 с диаметром жилы 0.35 мм. Для оценочных расчётов воспользуемся значением

К„= 2,2-

мм

/=0,31 мм.

А • мин

Обрабатывались платы с толщиной медной фольги

Рисунок 3 - Расположение фотоэлементов на панели матрицы фотоэлементов (МФ)

/7=35 мкм. При плотности тока у=40

А

получим значение иэ;г=7,8

мм

слг мин

Учитывая специфику обработки фольгированного диэлектрика, связанную со сквозной обработкой фольги и возможностью появления необработанных островков, большой разброс данных о величинах Км в разных источниках, а также изменение плотности тока с увеличением толщины МЭЗ в зоне обработки, для более точного определения скорости движения ЭИ была разработана специальная методика. Для этого на несоседние элементы ЭИ подавалось рабочее напряжение, а после обработки при помощи микроскопа ММУ-ЗУ4.2 изучались "ширина дорожки" и "неровности края" при различных скоростях движения ЭИ. На основании этих данных определялась оптимальная скорость движения ЭИ, которая составляла примерно 5 мм/мин.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты исследований пс разработке фотоактивных полупроводниковых ЭИ и их технологические показатели при различных режимах ЭХМ.

Для изучения возможностей изготовления ЭИ с фотоактивной рабочей поверхностью были отобраны промышленные монокристаллические кремниевые пластины диаметром 60 и 76 мм, толщиной 0,34...0,38 мм, в основном с кристаллическим направлением [111] и [100]. Степень легирования и удельная проводимость были различными, в наших экспериментах удовлетворительные результаты получались на пластинках марки КДБ-10 (111), КЭФ-20 (100) и некоторых других.

На одну из поверхностей пластины после освежения в плавиковой кислоте методом термического вакуумного напыления на установках УВН-2М, УВН-74П-3 наносился слой металла (Al, Ag, Cu. Ni) или оксид металла (Sn02, CdO). Для измерения оптических и электрических параметров наносимого покрытия рядом с полупроводниковой пластиной помещались "свидетели". "Свидетель" представлял собой стеклянную пластин)' с размещенными на ней контактными площадками. Процесс осаждения плёнок контролировался по величине Rq - "сопротивлению на квадрат" межцу контактными площадками на "свидетеле" (поверхность между контактными площадками имела форму квадрата, поэтом}' сопротивление между площадками Ro=p/d, где р -удельное сопротивление, a d- толщина плёнки, не зависит от ширины квадрата). Толщина наносимого слоя обычно составляла 0,01.... 1,0 мкм, коэффициент оптического протекания в красном свете составлял 10.....90%.

Затем по краям получаемой пленки на полупроводниковой пластине наносился слой меди для омического контакта (токоподвод). Исследования электрооптических свойств фотоактивного ЭИ проводились непосредственно в электрохимической ячейке в проточном 5% растворе NaCl (рис.4).

Сначала изучались вольт-амперные характеристики, по результатам которых были отобраны пластинки для дальнейших исследований. Одна из кремниевых пластин, удовлетворяющая необходимым условиям, имела диаметр 76 мм и толщину 0,38 мм (р-типа, р =0,8 Омм), на нерабочую поверхность которой в камере с давлением 10"4 Па и подогревом до 650 К была нанесена медная пленка толщиной 15 нм. Поверхностное сопротивление пленки составляло 1,9...2,2 Ом/ш, коэффициент оптического протекания в красном свете составлял 55...60%. Дополнительный слой меди шириной 0,5 см по периметру пленки имел толщину 0,3 мкм. На границе Cu-Si возникал р-п переход (барьер Шоттки), который в нашем эксперименте по ЭХМ был включен в обратном направлении.

Рисунок 4 Схема электрохимической ячейки для изучения фотоактивных ЭИ: 1 - обрабатываемая деталь; 2- диэлектрическая прокладка;

3-полупроводниковая пластина; 4- светоэлектропроводящая плёнка;

5-фотошаблон; 6- МЭП с электролитом

Для изучения технологических параметров ЭХМ в экспериментальной установке (рис. 4) устанавливался фотошаблон 5. Энергетическая освещенность Р составляла 0,2 Вт/см2, напряжение на электродах определялось из условия насыщения фототока и составляло 18 В, плотность технологического тока освещенных участков была 20 мА/см2, а темнового не превышала 0,03 мА/см2, толщина МЭЗ составляла 0,1 мм. При обработке медных пластин получались контуры знаков с шириной штриха менее 0,2 мм. Время обработки 5 минут, глубина обработки - до 2 мкм.

Низкая плотность технологического тока фотоакгивного кремниевого ЭИ позволяет применять его лишь там, где требуется неглубокая обработка (0,01...1,0 мкм). Устанавливая в экспериментальной установке (рис. 4) вместо фотошаблона 5 фотопленку мы показали возможность применения таких ЭИ для электрохимического способа получения фотографий, на специально изготовленных пластинах (способ получения изображения защищен патентом РФ).

Изображение формируется на обрабатываемой детали 1 (рис. 4), представляющей собой проводящую пластину с нанесенной на неё металлической плёнкой, имеющей цвет, контрастный по отношению к цвету пластины. Удовлетворительные результаты получены на медной пластине, на которую в гальванической ванне был нанесен слой никеля толщиной 0,2 мкм. Таким образом можно изготавливать различную декоративную продукцию, при этом для лучшей сохранности после обработки пластину необходимо покрыть защитным лаком.

Более высокая фотографическая чувствительность была получена на фотоактивных ЭИ, изготовленных на основе аморфного сульфида кадмия, нанесенного на стеклянную подложку 15x20 мм, покрытую прозрачным слоем диоксида олова. Сопротивление пленки составляло 450 Ом/о, оптическое пропускание в интервале длин волн 400-750 нм составляло 90%. Фоточувствительность увеличилась в раз, качество обработки осталось прежним (разрешение 0,2 мм). Тем не менее, определенные преимущества по сравнению с обычной фотографией предложенный способ имеет. Это прежде всего простота конструкции, фотографическая чувствительность в широком спектральном диапазоне, в том числе и в инфракрасном, а также возможность управления чувствительностью.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Проведён анализ существующих методов электрохимического маркирования деталей, проанализированы возможности этих методов и выявлены основные факторы, сдерживающие и ограничивающие более широкое их применение (низкая производительность, многооперационность, большое использование ручного труда, низкая управляемость качеством).

2 Разработаны и испытаны в лабораторных условиях различные конструкции фотоуправляемых растровых ЭИ, позволяющие оперативно менять рисунок наносимой информации, снижающие трудоёмкость изготовления изделий и использование ручного труда, улучшающие качество и износостойкость наносимой рельефной информации.

3 Разработан комбинированный ЭИ для изготовления различных фирменных табличек. Рабочая поверхность с рисунком неменяющейся информации изготовлена из медной пластины, в которую вставлены растровые ЭИ для нанесения на таблички сменной информации (нумерация, параметры изделия, дата изготовления). Выявлены наиболее рациональные условия и режимы ЭХРО по изготовлению таких табличек и составлено технико-экономическое обоснование для применения таких ЭИ в условиях серийного производства.

4 Установлено, что основными факторами, влияющими на точность и качество ЭХМ, являются процессы тепло- и газовыделения в МЭП. Эти факторы накладывают ограничения на возможность увеличения площади маркируемой поверхности. Для увеличения площади маркируемой поверхности, улучшения качества обработки и возможности оперативной замены информации предложен способ обработки, в котором эти проблемы решаются за счёт сканирования фотоуправляемого линейного секционного ЭИ по обрабатываемой поверхности (способ защищён патентом РФ), что позволяет обрабатывать поверхности больших площадей и наносить различную меняю-

щуюся информацию.

5 Для электрохимического фрезерования рельефного профиля, в том числе изготовления неглубоких пресс-форм, предложен способ электрохимической обработки (защищен авторским приоритетом), в котором ЭИ выполнен из кремниевой монокристаллической пластины. Для получения необходимого рельефного рисунка ЭИ освещают соответствующим образом распределённым световым потоком, при этом рисунок и глубина обработки пропорциональна освещённости. Такой ЭИ имеет низкую рабочую плотность тока (20 мА/см2) и, следовательно, процесс обработки идёт длительное время (около 5 минут для мелкого маркирования). Для увеличения плотности тока разработаны основы технологии по изготовлению фотоактивных ЭИ с использованием сульфида кадмия. Плотность тока увеличилась более чем в 100 раз, по сравнению с кремниевыми ЭИ.

6 Показана возможность получения фотографии электрохимическим методом с использованием фотоактивного ЭИ (способ защищен авторским приоритетом), в котором изображение формируется в процессе анодного растворения проводящей подложки, на которую нанесён проводящий слой, имеющий цвет контрастный по отношению к цвету подложки. Полученные фотографии имеют разрешение 0,2 мм.

7 Проанализированы основные причины, сдерживающие более широкое применение методов ЭХРО для изготовления плат печатного монтажа (возникновение невытравленных токоизолированных островков: необходимость изготовления ЭИ или трафарета для каждого рисунка платы; жёсткие требования по плотности рисунка и ширине проводящих полосок; процессы тепло- и газовыделения в МЭП). Разработаны основы конструкторского решения оборудования для изготовления печатных плат с использованием линейного секционного фотоуправляемого ЭИ. Во время обработки происходит посту пательное движение пластины вдоль ЭИ, что исключает образование невьггравленных островков, а управление секциями осуществляется от фотоэлементов, которые двигаются в плоскости светового изображения рисунка плат печатного монтажа (способ защищен патентом РФ). Скорость обработки составляет 5 мм/мин. Показана принципиальная возможность изготовления печатных плат любого класса по плотности проводящего рисунка (для 5-го класса ширина дорожки 0,10 мм).

8 Проведённые исследования методов ЭХРО с использованием фотоактивных и фотоуправляемых ЭИ показывают на возможность их применения в различных отраслях промышленного производства для ЭХМ, изготовления печатных плат, печатных форм и клише, различной декоративной продукции и плоских тонких деталей, что позволит создать экологически более приемлемую, малооперационную, менее трудоёмкую, ресурсосберегающую тех-

нологию по сравнению с используемой фотохимической и электромеханической технологией.

9 Испытаны в производственных условиях и внедрены в проектные работы ОАО ШРМЗ ОАО "Ростовуголь" фотоэлектрохимические методы маркирования деталей и обработки гальванокопий с предполагаемым экономическим эффектом 30 миллионов рублей (в ценах 1997г.).

10 Отдельные результаты работы внедрены в учебный процесс и используются студентами ДГАС на лабораторных и практических занятиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 A.c. 1771897 СССР. МКИ 5 В 23 НЗ/04, В 23 Н9/06. Способ электрохимической обработки. / Кирсанов С. В., Коноваленко В. В., Присяжнюк Ю. В., Глебов В. В. Опубл. БИ №40, 1992.

2 A.c. 1824623 СССР, МКИ G 03 F 7/00. Полупроводниковый способ получения видимого изображения. / Кирсанов C.B., Коноваленко В.В., Алиева Н.З., Даниленко И.Н., Присяжнюк Ю. В., Глебов В. В. Опубл. БИ №24, 1993.

3 Кирсанов С. В., Глебов В. В., Коноваленко В. В. Растровый фотоуправ-ляемый способ электрохимического маркирования. // Сборник научных трудов "Радиотехника", вып. 12. - Шахты: ШТИБО, 1995. -С. 95-96.

4 Глебов В. В. Фотоуправляемый способ коммутации растровых электрод-инструментов. // Тез. докл. научно-техн. семинара. "Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике". - Пенза, 1995. - С. 37-38.

5 Кукоз Ф. И., Глебов В. В., Кирсанов С. В., Коноваленко В. В. Способ электрохимического маркирования.// Электронная обработка материалов. 1995. №5-6. -С. 102-103.

6 Кирсанов С. В., Коноваленко В. В., Глебов В. В. Фотоэлектрохимическое клеймение деталей.//Сборник научных трудов "Радиоэлектроника и физико-химические процессы". Вып.20. - Шахты: ДГАС, 1996. -С. 167.

7 Глебов В. В., Кирсанов С. В., Коноваленко В. В. Изготовление печатных плат сканирующим фотоуправляемым электрод-инструментом.//Сборник научных трудов "Радиоэлектроника и физико-химические процессы". Вып.20. - Шахты: ДГАС, 1996. -С. 168-170.

8 Кукоз Ф.И., Глебов В.В., Кирсанов C.B., Коноваленко В.В. Метод получения фотографического изображения с использованием полупроводникового электрода. //Электрохимия. 1996. Т.32. -С. 1144-1145.

9 Кукоз Ф. И., Кирсанов С. В., Глебов В. В. Расширение возможностей размерной электрохимической обработки секционными катодами. //

Rezúmatele comunicárilor §tiin{ifice la simpozionul cu participare interna(ionalá, consacrut aniversárii a 75 de ani din ziua na§terii acad. Ju. Pctrov. - Chi§ináu, 1996. -P.21-22.

К) Патент на изобретение РФ №2089360 от 10.09.1997. МКП В 23Н 3/04, 9/06. Способ электрохимической обработки. /Глебов В. В., Кирсанов С. В., Коноваленко В. В., Присяжнюк Ю. В.

11 Патент на изобретение РФ № 2109417 от 20.04.1998. МКП 6 Н 05 К 3/06. Способ изготовления плат печатного монтажа. /Кукоз Ф. И.. Кирсанов С.В., Коноваленко В. В.. Глебов В. В.

12 Глебов В. В. Влияние длины гидродинамического тракта в плоскопараллельном канале на точность и качество электрохимической обработки // Радиотехника, оборудование и технология сервиса: Сборник научных трудов. Вып. 26 ч.2/ Под ред. к.т.н.. проф. В.В. Медведева. -Шахты: ДГАС. 1998. -С.98-102.

13 Глебов В. В. О возможности стабилизации скорости анодного съёма металла вдоль длины гидродинамического тракта. // Тез. докл. Всероссийской. на}чно-техн. конф. "Методы и средства измерений физических величин'. В 10 частях: Часть 2. -Нижний Новгород: НГТУ, 1998. -С. 30.

ЛР № 021045 от 11.04.96 г. Подписано в печать 15.09.98 г.

Формат бумаги 60x84/16. Печать оперативная. Уч.-изд.л. 1,18. Тираж 100. Заказ 761.

ДГАС. Лаборатория офсетной печати. 346500. Шахты, Ростовской обл., ул. Шевченко, 147.

¿р**, ^Лай-мл.. .У

< - - л , ^ , п » с,-' у .<? •

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Новочеркасский государственный технический университет

На правах рукописи

ГЛЕБОВ Владимир Васильевич

XV

Ч- >

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ МАРКИРОВАНИЕ

У

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОАКТИВНЫХ И ФОТОУНРАВЛЯЕМЫХ

ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность 05.17.03- Технология электрохимических процессов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: КУКОЗ Фёдор Иванович, Заслуженный деятель науки и техники РФ, академик МАН ВШ, профессор, доктор технических наук; КИРСАНОВ Самсон Васильевич, доцент, кандидат технических наук.

НОВОЧЕРКАССК 1998

АННОТАЦИЯ

Работа 119 е., 21 рисунок, 2 таблицы, 101 источник, 2 приложения.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ, АНОДНОЕ РАСТВОРЕНИЕ, МАРКИРОВАНИЕ, ФОРМООБРАЗУЮЩИЙ ТРАФАРЕТ, ГАЗООБРАЗОВАНИЕ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СТАНОК, ФОТОГРАФИЯ, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА.

Цель работы - обоснование, разработка технологических основ изготовления и изучение возможностей фотоактивных и фотоуправляемых электрод-инструментов для электрохимического маркирования и других задач электрохимической размерной обработки.

Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: высокая производительность, улучшение точности и качества процесса электрохимического маркирования, увеличение площади маркирования и плотности наносимого рисунка, возможность изготовления плат печатного монтажа и получения фотографического изображения электрохимическим методом.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................

Глава 1. Анализ состояния вопроса.......................................................... 9

1.1. Общие закономерности процесса ЭХРО................................... 9

1.2. Электродные процессы.............................................................. М

1.3. Особенности анодного растворения металла........................... ^

1.4. Электролиты для ЭХРО.............................................................

1.5.Станки и приспособления для ЭХМ. Типовые операции ЭХМ *5

1.6. Мелкое (цветное) маркирование............................................... ^

1.7. Глубокое маркирование............................................................. ^

1.8. Изготовление плат печатного монтажа..................................... 23

1.9. Электрохимические методы получения фотографий............... 29

1.10. Выводы .....................................................................................

Глава 2. Методика измерений и экспериментальное оборудование..... 33

2.1. Схема электрохимической установки для фотоуправляемого ЭХМ........................................................................................... 33

2.2. Система фотоуправления растровым ЭИ..................................

2.3. Влияние длины гидродинамического тракта на точность и качество электрохимической обработки...................................

2.4. Расширение технологических возможностей электрохимического фрезерования растровым ЭИ........................................... 45

2.5. Основы технологии для реализации способа ЭХРО с использованием сканирования фотоуправляемого растрового Эй .... 47

2.6. Методика изготовления и исследований фотоактивных монокристаллических кремниевых ЭИ...................................... ^ 1

2.7. Технология изготовления и конструкция фотоактивного ЭИ

на основе структуры БпОг/Сс^................................................... ^4

Глава 3. Исследования технологических возможностей и применение фотоуправляемых растровых ЭИ................................................... 57

3.1. ЭХМ и изготовление фирменных табличек и бирок................ 57

3.2. Фотоэлектрохимическая обработка гальванокопий................. 65

3.3. О возможности стабилизации скорости анодного съёма металла вдоль длины гидродинамического тракта....................... 67

3.4. Сканирующий фотоуправляемый растровый ЭИ..................... 70

3.5. Способ изготовления плат печатного монтажа........................ 73

3.6. Методика определения скорости сканирования ЭИ................. 78

Глава 4. Изготовление и исследования технологических возможностей фотоактивных ЭИ........................................................................ 80

4.1. Выбор полупроводникового материала для изготовления фотоактивного ЭИ...................................................................... 80

4.2. Методика определения толщины светопроводящего покрытия ........................................................................... 83

4.3. Исследования технологических возможностей фотоактивных монокристаллических кремниевых ЭИ для целей ЭХРО . 89

4.4. Способ электрохимической обработки с использованием фотоактивного ЭИ.......................................................................... 93

4.5. Определение разрешающей способности фотоактивного ЭИ . 95

4.6 Метод получения фотографического изображения с использованием фотоактивного ЭИ................................................... 99

4.7 Изучение структуры БпОг/СёБ/ электролит для целей фотоэлектрохимической размерной обработки......................... 100

Общие выводы............................................................................................ 102

Список литературы..................................................................................... 105

Приложения............................................................................ 115

ВВЕДЕНИЕ

Одним из методов электрохимической размерной обработки (ЭХРО) деталей является электрохимическое маркирование (ЭХМ), при котором на обрабатываемую поверхность наносятся различные знаки и изображения [1,2]. Электрохимическое нанесение информации применяется в машиностроительной, электротехнической, радиоэлектронной, полиграфической и в других отраслях промышленности при изготовлении изделий основного производства и товаров народного потребления.

Способы ЭХМ позволяют наносить информацию на детали любой формы и толщины, независимо от химического состава токопроводящей поверхности и её механических свойств. В отличии от механических, ударных способов маркирования, ЭХМ не вызывает деформации деталей и появления заусенцев. Наносимая информация сохраняется и не стирается длительное время при эксплуатации деталей в неблагоприятных условиях, при различных механических и химических воздействиях. Маркирование деталей необходимо проводить при ремонтно-восстановительных работах, на этапах обработки и сборки, где необходимо опознавание каждой детали. Отсутствие такой информации в процессе сборки, а также в процессе эксплуатации приводит к необходимости повторного установления отличительных признаков и свойств.

Существующие методы ЭХМ по разным причинам не всегда полностью удовлетворяют требованиям производства и обеспечивают необходимое качество обработки. Одним из сдерживающих факторов более широкого применения ЭХМ является необходимость изготовления электрод-инструментов ( ЭИ ) или трафаретов для каждого вида наносимой информации. Это условие является неприемлемым при нанесении обширной и часто меняющейся информации, например при изготовлении плат печатного монтажа ( НИМ ), нанесении сложных рисунков [3]. Для этих целей обычно применяют растровые (матричные) ЭИ [4].

Однако для расширения технологических возможностей, увеличения объёма и сложности наносимой информации требуется уменьшать размеры и увеличивать количество элементов (секций) растровых ЭИ. Это существенно усложняет проблемы изготовления ЭИ, коммутации и управления секциями ЭИ, что приводит к увеличению технологических затрат в стоимости продукции.

Ещё одной проблемой ЭХМ, характерной для всех процессов ЭХРО, является проблема повышения точности и качества формообразования. Точность ЭХРО в большинстве случаев лимитируется не точностью используемого оборудования, а точностью, обеспечиваемой собственно процессом анодного растворения [5]. Основные электрохимические погрешности обусловлены процессами шламо- и газонаполнения, а также выделением джоулевой теплоты в межэлектродном промежутке (МЭП). Для ЭХМ это накладывает жёсткие ограничения на возможность увеличения объёма наносимой информации и площади обрабатываемой поверхности.

При электрохимических методах изготовления ППМ возникает специфическая проблема, связанная с тем, что происходит полное, до диэлектрического основания, травление фольги, что может привести к образованию необработанных, изолированных от токоподвода островков. Существующие способы решения этой проблемы не позволяют в полной степени реализовать возможности изготовления ППМ электрохимическими методами с точностью, соизмеримой и превышающей точность, получаемую при традиционных фотохимических методах, хотя такая возможность имеется [3].

Электрохимические методы получения фотографического изображения с использованием полупроводниковых электродов представляют особый интерес, так как позволяют расширить чувствительность в широком спектральном диапазоне и создают возможность управления чувствительностью [6,7]. В существующих методах полупроводниковый материал либо сам подвергается травлению, либо является подложкой для осаждения металла из электролита. Для

улучшения качества и стойкости изображения, снижения стоимости технологического процесса необходимо выдвигать новые идеи и решить ряд научно-технических и инженерных проблем, некоторые из которых присущи всем методам ЭХМ.

Для решения перечисленных проблем, как показали наши поисковые исследования, представляется перспективным использование фотоактивных и фо-тоуправляемых ЭИ. Такие ЭИ имеют плоскую рабочую поверхность, что существенно упрощает гидродинамический режим протекания электролита; они могут применяться длительное время для нанесения любого вида информации. Однако до настоящего времени данных о технологии изготовления и применении таких ЭИ явно недостаточно.

Представляется также возможным применение фотоактивных ЭИ для электролитического способа получения фотографий непосредственно на обрабатываемой поверхности. В результате патентных поисков мы не обнаружили сведений о таких методах получения фотографий.

Фотоактивные и фотоуправляемые ЭИ могут применяться для нумерации серийной продукции, изготовления фирменных табличек, товарных знаков, плат печатного монтажа, печатных форм, клише, плоских фигурных деталей, фурнитуры, декоративной и другой продукции, где требуется неглубокая электрохимическая обработка.

Таким образом, разработка фотоуправляемых методов коммутации секций растровых ЭИ и разработка ЭИ с фотоактивной полупроводниковой поверхностью, а также изучение технологических возможностей таких ЭИ является актуальной задачей при создании и внедрении прогрессивных электрохимических технологий.

Исходя из этого нами была определена цель настоящей работы - обоснование, разработка технологических основ изготовления и изучение возможностей фотоактивных и фотоуправляемых ЭИ для ЭХМ и других задач ЭХРО.

В соответствии с целью были определены задачи исследования:

1. Разработать способ электрохимической обработки, в котором ЭИ выполнен из фотоактивного полупроводникового материала, с токоподводом на его нерабочей поверхности, на которую воздействуют световым потоком, в соответствии с которым происходит ЭХРО.

2. Изучить возможность электролитического метода получения фотографий с использованием фотоактивных ЭИ.

3. Разработать способ фотоуправления секциями растрового ЭИ и исследовать технологические возможности метода ЭХМ с использованием такого ЭИ.

4. Исследовать возможность изготовления плат печатного монтажа подвижным фотоуправляемым секционным ЭИ. Установить закономерности растворения металлической фольги с основания печатной платы для определения необходимой скорости движения ЭИ.

5. Проанализировать влияние основных электрохимических факторов на точность и качество ЭХМ и определить возможные способы уменьшения погрешностей обработки.

6. Разработать конкретный технологический процесс для ЭХМ и передать его предприятию-заказчику для внедрения.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ЭХРО

Решение задачи совершенствования методов, расширения технологических возможностей и улучшения качества обработки при ЭХМ основывается на понимании механизма электродных процессов и выявлении основных факторов, влияющих на точность ЭХРО.

В основе формообразования при ЭХРО лежит принцип анодного растворения обрабатываемой детали в растворе электролита. Съём металла происходит за счёт его окисления на аноде и перехода в ионное состояние с последующим возможным образованием в прианодных слоях электролита оксидов, гид-роксидов и твердофазных солевых соединений. Продукты реакции удаляются проточным электролитом, или оседают в углублениях (при мелком ЭХМ). Методы ЭХРО позволяют обрабатывать детали из любых металлов и полупроводниковых материалов, а также из жаропрочных, высокопрочных, коррозийно-стойких, магнитных, твёрдых и других сплавов, обработка которых механическими методами малоэффективна [1]; при этом ЭИ практически не изнашивается, а производительность обработки мало зависит от физико-химических свойств обрабатываемых материалов.

Тем не менее, преимущества ЭХРО в сравнении с другими методами обработки, её специфические особенности в настоящее время используются не в полной мере. Доля технологических операций, выполняемых электрофизическими и электрохимическими методами, в общем балансе металлообработки не превышает 2%. Это соотношение характерно и для зарубежного уровня технологии [8].

Основные закономерности и принципиальные возможности метода ЭХРО определяются процессами, проходящими на электродах, особенно на аноде, так как обрабатываемость данного металла в конкретном электролите оказывает

существенное влияние на производительность, энергоёмкость, точность обработки и шероховатость поверхности.

1.2. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Электродными процессами называются процессы, происходящие при потенциале электрода, отличном от равновесного. Анодное растворение металлов является разновидностью электродных процессов и характеризуется свойственными этим процессам закономерностями. Для протекания процесса ЭХРО необходимо смещение потенциала анода от его равновесного значения в положительную сторону.

Поляризация каждого из электродов равна разности гальвани-потенциалов на границе электрод-раствор при прохождении тока и его равновесным значением, и обусловлена конечной скоростью электродного процесса, который является разновидностью гетерогенной химической реакции и поэтому является некоторой функцией плотности тока: лЕ^лЕф [9]. Эта зависимость называется поляризационной характеристикой.

Величина поляризации определяется суммой диффузионного, химического, электрохимического и фазового перенапряжения, так как на каждом из этапов реакции происходит её торможение. Скорость электродного процесса определяется скоростью лимитирующей стадии, а общая поляризация лЕ^лЕтм [\0]. Данная стадия оказывается лимитирующей лишь в определённых условиях, и изменение этих условий может привести к смене лимитирующей стадии. Таким образом, чтобы управлять скоростью электрохимических процессов, необходимо определить лимитирующую стадию и знать закономерности, которым она подчиняется [11]. Эта задача чрезвычайно важная, поскольку уменьшение поляризации при заданной плотности тока позволяет существенно уменьшить энергоёмкость при ЭХРО.

В зависимости от того, какая из стадий ЭХРО является замедленной, раз-

личают режимы диффузионной кинетики, когда скорость процесса ограничивает диффузия ионов, и режим электрохимической кинетики, когда наименьшей является скорость реакции собственно электрохимическая.

Толщина диффузионного слоя SD определяется гидродинамическими условиями процесса ЭХРО и всегда уменьшается с ростом скорости течения электролита и. В ламинарном режиме локальная величина до возрастает вдоль линии движения электролита; в турбулентном режиме она более равномерна и меньше толщины вязкого подслоя [9]:

(и

и

где v - кинематическая вязкость электролита.

Характер течения жидкости определяется числом Рейнольдса:

(2)

v

где 8 - толщина межэлектродного зазора.

При Re< 1000 течение потока электролита имеет ламинарный характер, а при Re > 2000 возникает устойчивое турбулентное движение [9].

Создание теории интенсивных электрохимических процессов является в настоящее время одной из важнейших задач. В работе [12] рассматриваются уточнённые представления о механизме турбулентного переноса. Проблемам и методам электродиффузионной диагностики потоков за последние годы было посвящено несколько международных семинаров [13]. В работе Игнатькова Д.А. [14] обсуждаются новые представления о том, что в движущемся поверхностном слое существует сильновозбуждённое сдвигонеустойчивое состояние, подобное переохлаждённой жидкости (квазижидкое состояние), которое возникает вследствие сильных колебательных движений и смещений атомов в кристаллах, является диссипативным и обусловлено воздействием внешних (ударно-волновое нагружение на атомно-кристаллических структурных уровнях в моменты разряда или ионизац�