Elektropoleerimine

Elektropoleerimine (inglise keeles electropolishing, electrochemical polishing) on keemiline pinnatöötluse viis metallurgias, kus elektrokeemilise reaktsiooni tulemusena eemaldatakse töödeldava metalli pinnalt selle osakesi. Protsessi peaeesmärk on mittesobilike pinnadetailide eemaldamine töödeldava metalli pinnalt, mille tulemusena väheneb metalli pinnakaredus. Mittesobivate lisandite ja pinnadetailide eemaldumisel suureneb töödeldava detaili korrosioonikindlus ja puhtus. Elektropoleeritud detailid leiavad rakendust nii ravimi- ja toiduainetetööstustes, meditsiinis, biokeemias kui ka paljudes tehnilistes lahendustes ja autotööstuses.^[1]

Protsess

Protsessi kirjeldus

Elektropoleerimise skeem: 1 – elektrolüüt, 2 – katood, 3 – töödeldav metall (anood), 4 – töödeldava metalli osake, mis liigub katoodile, 5 – metalli pind enne töötlust, 6 – metalli pind pärast töötlust

Elektropoleerimise käigus juhitakse elektrolüüti sukeldatud metallist läbi elektrivoolu, mille tulemusena eemaldatakse detaili pinnalähedastest aladest metalliosakesi. Protsess on vastupidine galvaanilisele katmisele, mille käigus toimub tooriku katmine metalliioonidega lahusest toorikule. Elektropoleerimise käigus aga töödeldavat metalli lahustatakse ja metalliosakesed jäävad lahusesse.^[1]

Elektropoleerimine viiakse läbi elektrokeemilises rakus, kus töödeldav katseobjekt (anood) ja roostevabast terasest vastaselektrood (katood) on ühendatud vooluallika külge. Plastikust või metallist elektropoleerimisanum on seejuures täidetud sobiva elektrolüüdiga ning protsessi läbiviimiseks peavad olema elektroodid sukeldatud elektrolüüti. Elektrolüüt valitakse vastavalt töödeldavale metallile, kuid enamik neist on viskoossed vedelikud, mis sisaldavad erinevates kogustes kontsentreeritud happeid.

Elektrovoolu rakendamisel juhitakse metalliioonid anoodilt läbi elektrolüüdi katoodile. Anoodil toimub metalli oksüdeerumine ning selle intensiivne lahustumine. Katoodil toimub hapniku redutseerumine ja vesiniku eraldumine. Elektropoleeritud detaili kvaliteet ja eemaldatava metallikihi paksus sõltub rakendatavast voolutugevusest, elektrolüüdi valikust ja efektiivsusest ning protsessi kestusest. Keskmiselt on võimalik elektropoleerimise käigus eemaldada 10–40 μm paksune materjalikiht.^[2]

Protsessi läbiviimine roostevaba terase elektropoleerimise näitel

Lõpp- produkti kõrge kvaliteedi saavutamiseks tuleb elektropoleerimisprotsessi läbi viia kolmes etapis: ^[1]

1. Detaili ettevalmistamine ja puhastamine – selle käigus puhastatakse toorik protsessi segavatest lisanditest (õlid, rasvad, õhuke oksiidikiht)
2. Detaili elektropoleerimine – õhukese materjalikihi eemaldamine
3. Lõpptöötlus – lisandite ja kõrvalproduktide eemaldamine elektropoleeritud detaililt ning objekti kuivatamine

Detaili ettevalmistamine ja puhastamine

Metallist detaili puhastamine koosneb kahest osast, esmalt puhastatakse detail sobiva aluselise lahusega või mingi kindla lahustiga ning seejärel viiakse läbi happes söövitamise protsess.^[1]

Detailide puhastamine sobiva lahustiga eemaldab detaili pinnalt õlid, rasvad ja sõrmejäljed, mis võisid tekkida töödeldava detaili valmistamise käigus. Happes söövitamine eemaldab aga õhukese oksiidikihi ja puhastamise käigus tekkinud aluselise kile. Mustus ja ebavajalikud lisandid töödeldaval detailil takistavad elektropoleerimisprotsessi ning mõjutavad seejärel väga olulisel määral lõpp- produkti kvaliteeti.

Detaili elektropoleerimine

Elektropoleerimise käigus eemaldatakse anoodelektroodilt õhuke materjalikiht, mille tulemusena väheneb töödeldava detaili pinnakaredus ja paranevad erinevad pinnaomadused. Eemaldunud metalliioonid jäävad lahusesse ning moodustuvad erinevaid metallisoolasid. Protsessi käigus tekib ka teisi kõrvalreaktsioone, mis võivad tekitada mõningaid kõrvalprodukte ning seeläbi mõjutada lõppsaaduse kvaliteeti.^[1]

Kõige tavalisem elektropoleerimislahus koosneb peamiselt kontsentreeritud väävel- ja fosforhappest. Voolutihedus protsessi käigus jääb 5–25 A/dm² vahemikku ning ajaliselt võib kesta 2–20 minutit. Kuna elektropoleerimist sooritatakse kõrgetel voolutihedustel ja kasutatakse kontsentreeritud happeid, siis selleks, et protsess ei oleks ohtlik operaatorile ega ümbritsevale keskkonnale, tuleb protsess kindlasti läbi viia tõmbekapis ning hoolikalt jälgida kõiki kontsentreeritud hapete käsitlemise ohutusnõudeid. Pärast elektropoleerimist tuleb töödeldud detail kindlasti loputada suure koguse destilleeritud veega ning seejärel neutraliseerida naatriumhüdroksiidiga. Ebapiisav loputamine võib põhjustada detaili edasise söövituse, nii et detail võib muutuda kasutuskõlbmatuks.

Lõpptöötlus

Lõpptöötluse käigus eemaldatakse lämmastikhappega elektropoleerimise käigus detailile tekkinud kõrvalproduktid ja lisandid. Peamisteks kõrvalproduktideks on raskete metallide fosfaadid ja sulfaadid, mida lihtsalt destilleeritud veega loputades on väga raske eemaldada. Kõrvalproduktide eemaldamine on samuti väga oluline, et töödeldud detaili pind oleks ühtlane ja pidev, korrosiooni kindel ning puhas.^[1]

Kuna töödeldud detaili pind peab jääma puhas ja ei tohi sisaldada töötlemisel kasutatud kemikaalide jälgesid, siis selleks loputatakse detaili korduvalt kuuma destilleeritud veega enne täielikku kuivatamist. Detailid peavad kuivama võimalikult kiiresti ja täielikult, et vältida plekkide tekkimist, selleks kasutatakse kuumutatud õhuga kambreid ja tsentrifugaalkuivateid.

Elektropoleerimisest saadav kasu

Elektropoleeritud detailid ja pinnad omavad väga mitmeid kasulikke omadusi: ^[3]

1. Dekoratiivne väljanägemine ja läikivad pinnad ka väga keeruka kujuga detailidel
2. Suure puhtusastmega detailid
3. Viimistletud pindu on lihtsam puhastada ja puhtana hoida
4. Korrosioonikindluse paranemine
5. Elektrijuhtivuse paranemine
6. Bakterite kasvu vähenemine siledatele pindadele
7. Hõõrdumise vähenemine kokkupuute pindadel

Elektropoleerimine vs. mehaaniline poleerimine

Kuigi silmaga vaadates tunduvad elektropoleeritud ja mehaaniliselt poleeritud pinnad väga sarnased, siis tegelikult lähemalt uurides on erinevusi märgata. Mehaanilist poleerimist kasutatakse peamiselt metallist detaile läikiva ja dekoratiivse välimuse andmiseks. Selle tulemusena aga tekivad pinnakattes mikroskoopilised kriimud ja defektid ning pind võib saastuda abrasiiv materjaliga. Mehaanilise poleerimise käigus tekitatakse pinnakihti pinge, mis võib põhjustada detaili metallurgiliste omaduste halvenemist ning seeläbi detaili mittesobivust mingisse kindlasse keskkonda. Suurte ja keeruka kujuga detailide mehaaniline poleerimine võib sageli olla väga keerukas ja aega nõudev protseduur. Elektropoleerimine on võrreldes mehaanilise poleerimisega tunduvalt kiirem ja lihtsam protseduur, mis võimaldab saada puhtaid ja ühtlaselt siledaid pindu ka väga keeruka kujuga detailidel.^[1]

Rakendused

Autotööstus

Autotööstuses elektropoleeritakse mitmesuguseid roostevabast terasest detaile. Peamiselt töödeldakse väljalasketorusid, radiaatorivõresid, iluvõresid, kõlarite detaile ja põrkeraudu. Töötlust sooritatakse nii dekoratiivsel eesmärgil kui ka parema korrosioonikindluse saavutamiseks.^[3]

Farmaatsiatööstus

Farmaatsiatööstuses kasutatakse elektropoleerimist peamiselt steriilsete seadmete ja vahendite töötlemiseks, mida kasutatakse erinevate ravimite valmistamiseks. Elektropoleeritud pinnad aitavad vähendada produktide (geelid, pulbrid) kleepumist seadmete sisepindadele ning vähendada ühtlasi ka bakterite kasvu riski. Seega saadakse steriilsed ja mitte nakkuvad pinnad seadme sisemustes.^[3]

Elektroonika

Elektroonikatööstuses uuritakse ja otsitakse pidevalt erinevaid uus meetodeid, kuidas parandada teatud detailide või kontaktide juhtivust, et seeläbi tõsta seadme jõudlust. Üheks lahenduseks on elektropoleeritud kontaktid, kus pinnakareduse vähenemine ja mittesobilikest lisanditest vabanemine võimaldab ära hoida elektrivoolu liikumise häiritust. Elektropoleeritud detailid juhivad elektrivoolu paremini ning seeläbi vähendavad seadme ülekuumenemise riski. Elektropoleerimist kasutatakse ka pooljuhtide tööstuses erinevate mikrokiipide välispindade töötlemiseks.^[3]

Meditsiin

Meditsiini valdkonnas rakendatakse elektropoleerimist väga erinevatele detailidele nagu näiteks mitmetele operatsiooni vahenditele, steriilsetele töövahenditele, nõeltele ja kehasisestele implantaatidele. Töödeldavad detailid on steriilsed, mikrokaredad ja lisandite vabad. Töötlemise käigus antakse detailidele esteetiline välimus ning väga hea korrosioonikindlus.^[3]

Viited

1. A. K. Brussels, „ Electropolishing Stainless Steels,“ in Materials and Applications Series, Vol. 11, pp 2 – 9 (2010, Euro Inox).
2. V. Palmieri, „Fundamentals of electrochemistry – the electrolytic polishing of metals: application to copper and niobium,“ ISSTITUTO NAZIONALE FISICA NUCLEARE, Laboratori Nazionali di Legnaro.
3. J. Swain, „The then and now of electropolishing,“ in Surface World, Anopol Ltd (2010).