Pengasinan Elektrokimia (ECM): Kinematika, Dinamika & Desain Alat Diujungkan

Dalam artikel ini kita akan membahas tentang pengasinan elektrokimia (ECM):- 1. Arti dan Cara Kerja Pengasinan Elektrokimia (ECM) 2. Elektrokimia Proses ECM 3. Kinematika dan Dinamika 4. Efek Panas dan Pembentukan Gelembung H2 5. Efek ECM pada Permukaan Akhir 6. Desain Alat ECM 7. Elektrolit yang Digunakan 8. Pabrik Pengasinan Elektrokimia 9. Efek ECM pada Bahan 10. Karakteristik ECM.

Isi:

1. Arti dan Cara Kerja Pengasinan Elektrokimia (ECM)
2. Elektrokimia Proses ECM 
3. Kinematika dan Dinamika ECM
4. Efek Panas dan Pembentukan Gelembung H2 dalam ECM 
5. Efek ECM pada Permukaan Akhir 
6. Desain Alat ECM
7. Elektrolit yang Digunakan dalam ECM
8. Pabrik Pengasinan Elektrokimia
9. Efek ECM pada Bahan 
10. Karakteristik ECM

1. Arti dan Cara Kerja Pengasinan Elektrokimia (ECM)

Pengasinan elektrokimia adalah salah satu proses pemotongan tak konvensional yang paling potensial. Meskipun ini adalah proses baru untuk pemrosesan logam, prinsip dasarnya telah lama dikenal. Proses ini dapat dianggap sebagai kebalikan dari elektroplating dengan beberapa modifikasi. Lebih lanjut, ini didasarkan pada prinsip elektrolisis.

Dalam logam, listrik diantrik oleh elektron bebas, tetapi telah terbukti bahwa dalam elektrolit konduksi listrik dicapai melalui gerakan ion. Jadi, aliran arus melalui elektrolit selalu diiringi oleh gerakan materi.

Prinsip elektrolisis telah digunakan selama lama untuk elektroplating di mana tujuannya adalah menyetorkan logam pada workpiece. Tetapi karena dalam pengasinan elektrokimia tujuannya adalah menghapus logam, workpiece terhubung ke terminal positif, dan alat ke terminal negatif. Gambar 6.25 menunjukkan workpiece dan alat yang berbentuk sesuai, celah antara alat dan workpiece penuh dengan elektrolit yang sesuai. Ketika arus dilewatkan, larutan anoda terjadi.

Namun, laju larutan lebih besar di tempat celah lebih kecil dan sebaliknya karena densitas arus berbanding terbalik dengan celah. Sekarang, jika alat diberikan gerakan ke bawah, permukaan workpiece cenderung mengambil bentuk yang sama dengan alat, dan pada keadaan setara, celah seragam, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.25. Jadi, bentuk alat direproduksi dalam pekerjaan.

Dalam proses pengasinan elektrokimia, alat diberikan gerakan pemasukan konstan. Elektrolit dipompa pada tekanan tinggi melalui alat dan celah kecil antara alat dan workpiece. Elektrolit dipilih sedemikian rupa sehingga anoda larut tetapi tidak ada penyetoran pada katoda (alat). Urutan arus dan tegangan adalah beberapa ribu ampere dan 8-20 volt. Celah dalam urutan 0,1-0,2 mm.

Dalam mesin tipikal, laju penghapusan logam sekitar 1600 mm³/menit untuk setiap 1000 amp. Sekitar 3 kWh diperlukan untuk menghapus 16 x 10³ mm³ logam, yang hampir 30 kali energi yang diperlukan dalam proses konvensional (tentu saja, ketika logam mudah dipotong). Namun dengan ECM, laju penghapusan logam tidak bergantung pada kekerasan workpiece. Jadi, ECM menjadi menguntungkan ketika bahan workpiece memiliki kemampuan pemotongan yang sangat rendah atau bentuk yang akan dipotong rumit.

Tidak seperti sebagian besar proses konvensional dan tak konvensional lainnya, di sini praktis tidak ada aus alat. Meskipun tampaknya, karena pemotongan dilakukan secara elektrokimia, alat tidak mengalami gaya, kenyataannya adalah alat dan workpiece ditundukkan pada gaya yang sangat besar yang dipelihara oleh fluida tekanan tinggi dalam celah.

2. Elektrokimia Proses ECM:

Proses elektrolisis diatur oleh dua hukum yang diusulkan oleh Faraday:

(i) Jumlah perubahan kimia yang dihasilkan oleh arus listrik, yaitu, jumlah bahan apa pun yang larut atau disetorkan, proporsional dengan jumlah listrik yang dilewatkan.

(ii) Jumlah zat yang berbeda yang larut atau disetorkan oleh jumlah listrik yang sama proporsional dengan bobot ekuivalen kimia mereka. Dalam bentuk kuantitatif, dua hukum Faraday menyatakan bahwa –

Ketika tubuh logam direndam dalam elektrolit (Gambar 6.27), atom logam meninggalkan tubuh dan menjadi ion dan ion pindah ke tubuh dan menjadi atom. Proses berlanjut secara berkelanjutan dan kesetimbangannya dipertahankan. Ada perbedaan potensi antara titik pada permukaan tubuh logam (elektroda) dan titik bersebelahan dalam elektrolit.

Perbedaan potensi ini dikenal sebagai potensi elektroda. Potensi elektroda bervariasi tergantung pada kombinasi elektroda-elektrolit. Jika dua elektroda berbeda (A dan B) direndam, perbedaan potensi antara elektroda ini akan ada karena potensi A dan B terhadap elektrolit umum berbeda. Perbedaan potensi ini adalah gaya gerak listrik (emf) sel, yang dihasilkan oleh elektroda dan elektrolit. Ini dijelaskan dalam Gambar 6.27. Misalnya, jika elektroda Fe dan Cu direndam dalam larutan garam dapur (Gambar 6.28a), potensi elektroda adalah –

Sifat proses elektrolisis bergantung pada elektrolit yang digunakan. Untuk memahami bagaimana ECM terwujud, mari kita pertimbangkan larutan air natrium klorida sebagai elektrolit. Ketika perbedaan tegangan diterapkan di seluruh elektroda (Gambar 6.28b) reaksi pada anoda dan katoda adalah-

Air menerima dua elektron dari elektroda dan, sebagai akibatnya, gas hidrogen dihasilkan dan ion hidroksil dihasilkan. Ion logam positif cenderung bergerak menuju katoda dan ion hidroksil negatif tertarik menuju anoda. Kemudian, ion logam positif bereaksi dengan ion hidroksil yang bermuatan negatif untuk membentuk hidroksida besi (II) sebagai-

Hidroksida besi (II) ini membentuk endapan yang tidak larut. Jadi, dengan kombinasi elektroda logam-elektrolit semacam ini, anoda larut dan H₂ dihasilkan pada katoda, meninggalkan bentuk katoda tidak berubah. Ini adalah karakteristik paling penting dari elektrokimia proses ECM. Perlu dicatat bahwa untuk ECM pilihan elektroda dan elektrolit harus sedemikian rupa sehingga tidak ada penyetoran pada salah satu elektroda dapat terjadi.

Bobot ekuivalen gram logam diberikan oleh ԑ = A / Z, di mana A adalah bobot atom dan Z adalah valensi ion yang dihasilkan. Menggunakan ini dalam persamaan (6.20), kita dapatkan laju penghapusan massa dalam bentuk –

Ketika anoda terbuat dari logam campuran alih-alih logam murni, laju penghapusan dapat ditemukan dengan mempertimbangkan muatan yang diperlukan untuk menghapus satuan volume setiap elemen. Jika bobot atom dan valensi (ion yang sesuai yang masuk ke elektrolit) adalah A₁, A₂, A₃,… dan Z_1, Z₂, Z₃,…, masing-masing, dan komposisi (berdasarkan berat) logam campuran adalah x₁% elemen 1, x₂% elemen 2,…, maka volume v cm³ logam campuran mengandung vρx_i /100 gram dari elemen ke-i, di mana ρ adalah densitas keseluruhan logam campuran dalam g / cm³.

Muatan yang diperlukan untuk menghapus semua elemen ke-i dalam volume v adalah –

3. Kinematika dan Dinamika ECM:

Gambar 6.31 menunjukkan sekumpulan elektroda dengan permukaan datar dan paralel. Werk (elektroda atas) dipasok dengan kecepatan konstan ƒ dalam arah -y (normal terhadap permukaan elektroda).

Masalah dianggap satu dimensi dan jarak instantaneous permukaan werk dari permukaan alat diambil sebagai y. Dengan mempertimbangkan werk sebagai logam murni, laju penghapusan logam werk diberikan oleh persamaan (6.23). Jika overvoltage adalah ΔV, densitas arus yang mengalir melalui elektrolit diberikan oleh –

Di mana K adalah konduktivitas elektrolit. Sekarang, penghapusan bahan werk menyebabkan permukaan werk menyusut (dalam arah y) relatif terhadap permukaan asli dengan kecepatan yang diberikan oleh Q’, di mana Q’ adalah laju volume penghapusan logam werk per satuan area permukaan werk. Jadi, laju yang celah antara werk dan permukaan alat berubah adalah –

Kita akan menyelidiki beberapa kasus dasar:

Tanpa Pemasukan:

Pemasukan Konstan:

Celah yang terus meningkat tidak diinginkan dalam proses ECM. Jadi, dalam praktiknya, elektroda diberikan kecepatan pemasukan konstan dengan magnitudo yang sesuai. Jadi, dalam persamaan (6.28), ƒ konstan. Jelas, ketika laju pemasukan ƒ sama dengan kecepatan penyusutan permukaan elektroda karena penghapusan logam, celah tetap konstan. Celah ini (yang bergantung pada kecepatan pemasukan) disebut celah setara (y_e). Jadi, untuk celah setara, persamaan (6.28) menghasilkan –

Gambar 6.32b menunjukkan plot y̅ versus t̅ untuk berbagai nilai celah awal. Terlihat bahwa celah selalu mendekati nilai setara terlepas dari kondisi awal.

Gerakan Pemasukan Miring terhadap Permukaan:

Ketika vektor kecepatan pemasukan miring terhadap permukaan (Gambar 6.33), komponen pemasukan normal terhadap permukaan adalah ƒ cos θ. Dalam kasus ini, celah setara diberikan oleh λ / (ƒ cos θ).

Pemotongan Permukaan Tidak Rata:

Ketika permukaan kerja tidak rata diberi ECM, logam dihapus dari semua bagian permukaan (tidak seperti operasi pemotongan lainnya). Bagian yang meluaskan ke luar (bukit) lebih dekat dengan permukaan alat dan dipotong lebih cepat daripada bagian yang meluaskan ke dalam (lubang). Jadi, proses ECM memiliki efek meratakan ketidakteraturan.

Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.34, posisi permukaan kerja setara (y̅ = 1) dapat dianggap sebagai permukaan workpiece akhir yang diinginkan. Simpangan dari permukaan yang diinginkan ini adalah cacat yang ditandai oleh kedalaman atau tinggi non-dimensi (δ̅), tergantung pada apakah cacat adalah lembah atau bukit. Karena δ = y – y_e,

Secara teoretis, akan memakan waktu tak terhingga untuk menghapus cacat sepenuhnya; dalam praktiknya, segera δ̅ di bawah nilai yang diizinkan yang ditetapkan sebelumnya, proses selesai. Gambar 6.35 menunjukkan bagaimana bukit dan lembah diratakan.

4. Efek Panas dan Pembentukan Gelembung H₂ dalam ECM:

Parameter dan properti yang berbeda diasumsikan seragam di seluruh wajah elektroda. Namun, dalam praktiknya, tidak demikian. Variasi properti ini mempengaruhi proses pemotongan. Juga, konduktivitas elektrolit berubah saat elektrolit mengalir di seluruh celah karena – (i) kenaikan suhu elektrolit, (ii) evolusi gelembung hidrogen, dan (iii) pembentukan endapan, efek terakhir yang kecil.

Karena aliran listrik, suhu elektrolit bertambah secara bertahap dan konduktivitas berubah, resulting in non-uniformity in the current den­sity along the direction of electrolyte flow. Apart from this, bubbles are formed since hydrogen is generated during machining. These bubbles are swept by the electrolyte, and the concentration of such bubbles tends to increase along the direction of electrolyte flow. As a result, the overall conductivity and the current density vary along the same direction. The resultant effect of these causes the equilibrium gap between the electrodes to vary.

5. Efek ECM pada Permukaan Akhir:

Since, in general, a very good surface finish is desired in the parts machined by ECM, a study of the possibilities that may result in a bad finish is important.

The surface finish is adversely affected by the:

(i) Selective Dissolution:

In alloys, the different constituents have varying electrode potentials. In pure metals too, the dissolution potentials at the grain boundaries are different from those inside the grains. Let us consider the work surface (with two constituents A and B) shown in Fig. 6.38a. In this figure, the voltage profile across the gap has also been shown. Let the dissolution potential of the constituent B (V_dB) be greater than the dissolution potential of the constituent A (V_dA).

So, the required potential difference between a point on the surface and the adjacent electrolyte for ECM to start must be either V_dA or V_dB, depending on the local constituent. Since the whole anode surface is equipotential and the electrolyte potential varies across the gap as shown, the surface of a grain of B must project away from the surface of the constituent A (to meet the electrolyte with a lower potential) so that a larger difference, V_dB is achieved. Thus, in the steady state, the work surface will be uneven and not very smooth.

When the potential gradient is higher, the unevenness is less. Figure 6.38b shows two situations with different potential gradients, the other parameters remaining the same. It is obvious from this figure that the height of the projection of a grain of the constituent B is less when the potential gradient is higher. An approximate expression of the projection height can also be derived as follows. From Fig. 6.38b,

(ii) Sporadic Breakdown of Anodic Film:

The main reason for the sporadic breakdown of the anodic film is the gradual fall in the potential difference between the work surface and the electrolyte in the region away from the machining area. Figure 6.39 shows the variation of the surface potential of the anode in this region. Here, till the point P_1, the potential is enough to cause the dissolution of all the phases. At P₁, the available potential falls below the dissolution potential of one phase, and so the anode stops dissolv­ing.

Beyond P_1, the anode surface potential continues to drop and an increasing number of phases stop dissolving, resulting in an uneven surface. Ultimately, when only a few phases remain active and dissolve a concentration of the elec­tric field results since the active phases occupy a small proportion of the anode surface. This field concentration causes these phases to dissolve very rapidly, forming deep pits as shown in Fig. 6.39. Beyond the point P₂, the anode surface potential drops to such a low value that no dissolution takes place.

(iii) Flow Separation and Formation of Eddies:

The presence of hills and valleys on the anode surface may cause a separation of electrolyte flow and eddy formation. In these eddies, separated from the main stream, a large concentration of the metal ions may build up, resulting in a high concentration over potential in the eddies.

This introduces a localized variation in the removal rates, and consequently an uneven finished surface. Apart from the presence of hills and valleys, the flow separation may be caused by an improper design of the tool and the electrolyte flow path. So, a great care has to be taken in designing the electrolyte flow path in a tool.

(iv) Evolution of H₂ Gas:

The flowing electrolyte collects the evolving hydrogen gas generated at the cathode. The presence of H₂ in the electrolyte reduces the specific conductivity of the solution. This effect increases as the H₂ concentration goes on increasing downstream, and the overall effect is a deterioration of the surface finish.

Apart from the foregoing four mechanisms, there are some other sources of surface deterioration. But since their importance is of a lower magnitude, we shall not discuss them.

6. Tool Design of ECM:

There are two major aspects of tool design.

These are:

(i) Determining the tool shape so that the desired shape of the job is achieved for the given machining conditions.

(ii) Designing the tool for considerations other than (i), e.g., electrolyte flow, insulation, strength, and fixing arrangements.

Theoretical Determination of Tool Shape:

When the desired shape of the machined work piece surface is known, it is possible to theoretically determine the required geometry of the tool surface for a given set of machining conditions.

Let the applied potential, the overvoltage, and the feed rate be V, ΔV, and ƒ, respectively. The equilibrium gap between the anode and the cathode surfaces can be expressed as –

Design for Electrolyte Flow:

A sufficient electrolyte flow between the tool and the work piece is necessary to carry away the heat and the products of machining and to assist the machining process at the required feed rate, producing a satisfactory surface finish. Cavita­tion, stagnation, and vortex formation should be avoided since these lead to a bad surface finish. One basic rule is that there should be no sharp comers in the flow path. All corners in the flow path should have a radius of at least 0.7-0.8 mm.

The initial shape of a component generally does not comply with the tool shape and only a small fraction of the area is close to the tool surface at the beginning. The problem of supplying the electrolyte over such an area is usually solved by the flow restriction techniques.

In many situations, when the initial work shape conforms to the tool shape,

A tool with an electrolyte supply slot is simple to manufacture, but such a slot leaves small ridges on the work. However, the ridges can be made very small by making the slot sufficiently narrow. Of course, the slot width should be enough to provide an adequate flow. The flow from a slot takes place in a direction perpendicular to the slot and the flow at the end is poor. Therefore, the slot should be terminated near the corners of the work piece surface as shown in Fig. 6.43a.

The distance between the tip of the slot and the corners should be at least 1.5 mm, whereas a slot with a width 0.7-0.8 mm is recommended. When a work piece comer is rounded, the slot end should be made larger as shown in Fig. 6.43b. The shape and location of the slot should be such that every portion of the surface is supplied with electrolyte flow and no passive area exists. Figure 6.44 shows two situations where the passive areas exist since the slot design is faulty.

In Fig. 6.44a, the passive area is not getting the supply because of the presence of outside space between the slot and this area, whereas in Fig. 6.44b, the passive area is created since there is a sharp bend in the slot (and the fact that the flow is normal to the slot). The correct designs are as shown in Fig. 6.45. Sometimes, a reverse flow tool is used to cut accurately and produce superior surfaces, but this process is more complex and expensive and is not generally recommended.

The techniques for controlling the electrolyte flow when the initial work surface does not conform to the tool shape are illustrated in Fig. 6.46. The general rules for putting a flow restrictor can be stated as follows. The flow restrictor must be adjacent to the area of initial close proximity (between the tool and the work surface) and should not increase the flow path appreciably. Also, it must be at the electrolyte entry or exit position.

Design for Insulation:

The areas on a tool where electrochemical machining is not desirable have to be insulated. In die sinking also, the tool should be properly insulated to minimize stray machining. Figure 6.47 shows the ECM process without and with a proper insulation. Figure 6.48 illustrates die sinking without and with a proper insulation.

The insulation must be tough and securely bonded to the tool surface. It can be provided by securing the reinforced solid plastic material to the toll with epoxy resin cement and plastic screws. Sometimes, the insulation can also be done by applying a synthetic rubber coating on the artificially oxidized copper tool surface. For this, a hot chemical oxidizing solution is used. The boundaries of the insulation layer should not be exposed to a high velocity electrolyte flow as this may tend to tear up the glued layer.

7. Electrolytes Used in ECM:

An electrolyte in ECM performs three basic functions, viz.:

(i) Completing the electrical circuit and allowing the large currents to pass,

(ii) Sustaining the required electrochemical reactions,

(iii) Carrying away the heat generated and the waste product.

The first function requires the electrolyte, ideally, to have a large electrical conductivity. The second function requires the electrolyte to be such that at the anode the work piece material is continuously dissolved, and a discharge of the metal ion on the cathode should not occur. Generally, the cationic constituent of the electrolyte is hydrogen, ammonia, or alkali metals. The dissolution of the anode should be sustained at a high level of efficiency.

Also, the electrolyte must have a good chemical stability. Apart from all these, the electrolyte should be inexpensive, safe, and as noncorrosive as possible. Generally, an aqueous solution of the inorganic compounds is used. Table 6.4 lists the electrolytes used for various types of alloys.

8. Electrochemical Machining Plant:

A few important points should be kept in mind when designing an electrochemical machine. These include the stiffness and the material of the components. Though, at a first glance, it appears that the machining force is negligible as there is no physical contact between the tool and the work piece surface, very large forces may develop between them due to the high pressure of the electrolyte required to maintain an adequate flow velocity through the narrow gap.

So, the machine must possess enough rigidity to avoid any significant deflection of the tool which may destroy the accuracy of the parts being machined. A change of temperature may also cause some relative displacement between the tool and the work piece, and the design should take care of it.

To avoid corrosion, wherever possible, the nonmetallic materials should be used. When strength and stiffness are required, the plastic coated metals should be used. The material used to hold the work piece is exposed to anodic attack, and Ti appears to be most suitable because of its passivity. When different metals are in contact in the presence of the electrolyte, especially when the machine is idle, corrosion may occur.

To minimize this, the metals in contact should be so chosen that they do not differ much in their electrochemical behaviour. The slide ways cannot be protected permanently, and so they are heavily coated with grease. Sometimes, a corrosion protection may be provided by applying a small electrical potential in such a direction that the whole structure becomes more noble electrochemically. This is commonly known as cathodic protection.

The pump is the most important element of the ancillary plant. Generally, the positive displacement pumps (similar to gear pumps) made of stainless steel are used. The tank for the electrolyte, the pipeline, and the valves are normally made of PVC. 

9. Effects of ECM on Materials:

In contrast with the conventional machining processes, the material removal during ECM is smooth and gentle. As a result, the maximum residual compressive stress is very low in the work piece surface. Moreover, the depth of the work hardened surface layer is negligible. When the depth of the work hardened surface layer is about 0.5 mm and 1.5 mm for turning and milling, respectively, that in ECM is only about 0.001 mm. Similarly, the order of magnitude of the residual stress in a surface machined by a conventional process is about 50 kg / mm², whereas that with ECM is almost zero.

This results in a 10-25% lower fatigue strength of the parts produced by ECM. This is because the micro crack tips are exposed at the surface produced by ECM and also because the process leaves a stress-free surface. For increasing the fatigue strength, some mechanical processes (e.g., mechanical polishing, glass bead blasting, and vapour blasting) can be used.

10. Characteristics of ECM: