Электрохимическая размерная обработка металлов в домашней мастерской

Физические и химические процессы, происходящие при прохождении постоянного тока через электропроводящую жидкость (электролит) можно использовать в том числе и для более или менее точной формообразующей или отделочной обработки металлических заготовок, в том числе и из хрупких, твёрдых металлов, механическая обработка которых затруднена. Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) действует весьма деликатно, не оставляя в деталях остаточных напряжений, не деформируя тонкие заготовки. В отличие от травления химического, ЭХРО оперирует куда как менее агрессивными и дорогими химикатами, что упрощает и удешевляет процесс, снижает требования к материалам и мерам безопасности. ЭРХО широко применяется в лабораторной практике, не повредит и в любительском электровакуумном деле.

1. Общие положения

При прохождении тока через электролит происходит растворение металла, подключённого к положительному полюсу источника питания (аноду), с образованием переходящих в электролит химических соединений и выделением кислорода. Металл с детали на вспомогательный электрод не переносится, переходя только в электролит в виде раствора или взвеси. Вспомогательный электрод не расходуется и может быть выполнен из любой коррозионно-стойкой стали.

Скорость съёма металла зависит от электрических параметров и температуры электролита и в целом, может быть достаточно высокой.

Шероховатость поверхности после ЭХРО зависит от состава электролита, токового, температурного и временного режимов. Общее правило: чем меньше плотность тока, ниже температура электролита и дольше процесс, тем более гладкой удаётся обработанная поверхность.

2. Рецепты

Табл. 2.1. Состав электролита и режим ЭХРО некоторых металлов [1]. Отмечена вероятная опечатка

Как видно, ничего запредельного — сравнительно слабые водные растворы доступных и неядовитых химикатов, температуры, близкие к комнатным, но как и для работ гальванических, нужно иметь низковольтный и сильноточный выпрямитель.

Вот что тов. Коленко [1] пишет о точности составления растворов: теоретически, каждому обрабатываемому металлу или сплаву соответствует свой наилучший состав электролита и режим обработки, однако в лабораторной практике обходятся рецептами усреднёнными — скрупулёзно их придерживаться необходимости нет.

Табл. 2.2. Для примера и сравнения — рецепты чисто химического травления коррозионно-стойких сталей [1], без пропускания электротока. Как видим, это смеси вполне концентрированных кислот, часто подогретые

Попробуем средствами ЭХРО вытравить из нержавеющего листа 0,2 мм небольшую деталь — потенциальный электрод для самодельной газоразрядной лампы [2].

3. Практическая работа. Электрический аналог травления

Фото 3.1. Несколько заготовок из листа вырезал ножницами по металлу, размер — чуть больше детали

Фото 3.2. Выводы из нержавеющей проволоки Ø 0,5 мм приварил контактной сваркой [3]

Фото 3.3. Детали с выводами

Фото 3.4. Защитную маску выполним из воска — расплавил его в нержавеющей ёмкости, макнул заготовки с проволочинами, остудил на воздухе, макнул ещё разок. Хватает два-три слоя, но макать нужно быстро, а остужать хорошо, иначе воск жидкий разогреет и расплавит предыдущие слои и толщина маски может даже уменьшиться

Фото 3.5. Изолированные воском проволоки

Фото 3.6. Для простоты, примем форму детали по имеющейся под рукой линейке-шаблону с набором овалов — приложил, несколько раз обвёл контур шилом

Фото 3.7. Собрал гальваническую микрованну в 250 мл химическом стакане, удачно нашёлся и второй электрод — полоса нержавейки, сравнительно плотно вкладывающаяся в ёмкость. Стакан снабжён шкалой, и вместе с электрическими настольными весами — это всё, что потребовалось для приготовления электролита

Источник тока — самодельный лабораторный блок питания (БП), установленный режим — 5…6 вольт, около 1.5 ампер. Температура электролита комнатная, к концу работы ёмкость несколько нагревается.

Фото 3.8. Первая неудачная заготовка — слишком малый ток приводит к увеличению длительности процесса, повышению температуры электролита. Воск начал оплавляться, и в первую очередь на нетеплоёмких проволочках — их проело, и эксперимент оборвался, заготовку пришлось выламывать, как почтовую марку из блока

Фото 3.9. Меньший овал вытравливал с уменьшенным количеством электролита, так, чтобы проволочины были над его поверхностью, электролит комнатной температуры, ток задал повыше. Всё получилось культурно, условный рез весьма чистый, без заметных на ощупь зазубрин, на всё ушло около 20 минут. Воск легко счищается острым лезвием, а его остатки смываются бензином или ацетоном

4. Промежуточные результаты

— Эй, гражданина! Ты туда не ходи, ты сюда ходи.

Х/ф «Джентльмены удачи».

▍ 4.1. Защитные маски

Прежде всего: плавить воск в посудине — дело долгое. Использовать открытый огонь — ни-ни! Это прямая и короткая дорога к пожару: воск горюч, а воск, закипевший и выплеснувшийся на огонь, вспыхивает как бензин. Поэтому только водяная баня или маломощная (вариант — кухонная на первой передаче и через ЛАТР) электроплитка с массивным чугунным блином-конфоркой и неусыпный контроль. Для запланированной работы заготовки, конечно, лучше обрабатывать группой.

Фото 4.1. Для экспериментов и работ стихийных, хотелось бы способ подготовки побыстрее. На фото — мгновенное покрытие одним слоем воска металлической заготовки-пластинки. Железку обезжирил ацетоном и, удерживая пинцетом, подогрел строительным феном. Стоит прикоснуться к горячей поверхности кусочком воска, как он тает и растекается

Фото 4.2. Тончайший слой воска — защита весьма непрочная, легко отслаивающаяся в процессе работы. Контур детали был также процарапан швейной иглой через самодельный трафарет

Фото 4.3. Ещё один неудачный вариант защитной маски — акриловая эмаль в аэрозольном баллончике. Слишком тонкая и хрупкая плёнка, игла её скалывает кусками

Фото 4.4. Наиболее надёжный вариант защитной маски — рисование её вручную битумным лаком, старым добрым (стеклянным) рейсфедером, с последующей ретушью. Полностью повторяет фрагмент известного процесса изготовления печатных плат радиолюбителями прошлой (позапрошлой) эпохи. Увы, очень длителен и кропотлив, трудно получить небольшие зазоры, а это увеличение и без того немалого рабочего тока

▍ 4.2. Электропитание процесса

К слову о рабочем токе. Первые эксперименты проводились с лабораторным стабилизированным блоком питания (БП), с током нагрузки до 3 ампер, по возможности не слишком его истязая. Мелкие детали с тончайшим процарапанным контуром удавались периодически, обработка заготовок чуть более крупных, с большей открытой поверхностью, растягивалась до часов, любая защитная маска в течение такого времени работала плохо — несмотря на некоторые вольности в режимах и составе электролита [1], рабочий ток лучше держать ненамного меньше рекомендуемого (Табл. 2.1.).

Оценим положенный по уставу ток для вырезания средствами ЭХРО овала 5х2.8 см (Фото 3.9., больший из них) — периметр 12.73 см, рабочая (свободная от защитной маски) поверхность при ширине процарапанной иглой канавки 0,1 мм — 0.13 см2. Рекомендуемый рабочий ток для нержавеющей стали (Табл. 2.1.), при плотности тока 65 А/см2 — 8 с хвостиком ампер!

Фото 4.5. Для экспериментов, к накальному низковольтному трансформатору на живую нитку собрал из более или менее подходящих имевшихся элементов, мостовой выпрямитель с ёмкостным фильтром. Батарею подсохших банок-конденсаторов пришлось неделю тренировать — наращивать им изоляцию через резистор 10 кОм. На выходе получилось около 13 вольт, максимальный длительный ток нагрузки без радиаторов на диодах В-25 — 6…7 ампер. Регулировка — автотрансформатором

5. Итого

Общие выводы: нужен большой, близкий к расчётному, ток, что очень ускоряет и облегчает процесс. Электролит быстро изнашивается и загрязняется нерастворимыми хлопьями, прилично нагревается. Ток и скорость растворения анода при этом падает. При длительной работе на малых токах в обеднённом горячем и грязном электролите любая защитная маска почти неизбежно повреждается. Быстрый же процесс при больших плотностях тока и в прохладном электролите, выдерживает и несколько слоёв воска.

На вспомогательном электроде происходит интенсивное газообразование.

В целом, способ электрохимического вытравливания неплохо работает, воск более или менее устойчив к электролиту и процессу, быстро застывает, эластичен, на нём легко процарапываются тонкие ровные линии, но наносить его окунанием долго. Приваренные, для экономии основного материала, проволочины очень уязвимы, их изоляция легко повреждается — лучше делать листовые заготовки выше уровня электролита или приваривать полоски.

Фото 5.1. Несколько деталей из жёсткой нержавейки 0,2 мм, вытравленных ЭХРО, с защитной маской

Получение простых деталей сравнительно легко, но более или менее мелкие и сложные элементы удаются плохо — воск и составы на его основе к гладкой железке липнут неважно и при любой возможности стараются отслоиться. Маски из лакокрасочных материалов более стойки, но наносить их вручную муторно.

Перспективным представляется выжигание на маске из тонкой акриловой эмали (аэрозольные баллончики) контура детали маломощным лазерным ЧПУ гравёром — быстро, точно, сравнительно недорого. Такой способ применяют для домашнего изготовления печатных плат.

В качестве сильноточного источника питания напрашивается небольшой сварочный инвертор, тем более что многие из них имеют штатный переключатель «ММА-TIG» (сварка штучными покрытыми электродами — сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона), меняющий вольт-амперную характеристику и понижающий слишком высокое для нас напряжение (Табл. 2.1.) до более приемлемого (ММА — 40…90 В против TIG — 25…30 В).

Изготовление мелких серий деталей может быть выполнено аналогично электроискровой обработке — фасонным инструментом-контрэлектродом, с изолированной нерабочей частью.

Фото 5.2. Силуэт детали сварил контактной сваркой из нержавеющей полосы и всклень залил термоклеем в корытце из оргстекла. Торец залитого электрода зачистил. Заготовку с приваренным выводом приложил к инструменту через дистанцирующие прокладки и закрепил канцелярской резинкой (Фото 1). Испытания показали работоспособность способа, но и полную непригодность термоклея в качестве заливки-изоляции — не отводит тепло, плавится, отвратительно шлифуется. Хорошо здесь будет работать эпоксидная смола, изготовить простые электроды-«точки» и другие подобные формы для прошивки отверстий можно попробовать из запаянной в стекло проволоки, например, [4]

Подытожим: ЭХРО требует кропотливой возни, мощного источника питания и изрядного расхода химикатов, пусть и не таких уж дорогих и редких. Имеет смысл связываться с ней в сложных лабораторных случаях — обработка по месту твёрдых и капризных металлов и сплавов, их тонких пластин.

6. Дополнительные материалы

1. Коленко Е. А. Технология лабораторного эксперимента. Справочник. «Политехника». Санкт-Петербург. 1994 г.
2. Декоративная газоразрядная лампа с символами. Конспект автора.
3. Контактная сварка для мелочей. Конспект автора.
4. Электровакуумные работы в домашней мастерской. Впаи в молибденовое стекло. Конспект автора.

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, июнь, 2025 г.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻