NO145442B - Fremgangsmaate og apparat for fremstilling av verktoeyselektroder for elektrokjemisk-slipebehandling - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører fremgangsmåte.av det slag som

er angitt i innledningen til patentkrav 1, for å gjøre et elektrisk ikke-ledende, porøst slipelegeme elektrisk ledende,

samt et apparat for å gjennomføre denne fremgangsmåten. For-

målet er å fremstille elektroder for elektrokjemisk slipe-behandling (nedenfor kalt "EC-AM").

EC-AM er definert som en behandlingsprosess hvor to bestemte behandlingsvirkninger utføres samtidig på et arbeidsstykke: Den elektrolytiske oppløsning av materiale fra det ledende arbeidsstykke ved å føre en elektrisk strøm med høy tetthet mellom arbeidsstykket og en verktøyselektrode gjennom en elektro-lytt som tjener som elektrokjemisk behandlingsmedium, og den mekaniske sliping av verktøysflaten mot flaten av arbeidsstykket.

Ved de avsluttede trinn etter behandlingsprosessen, kan man gjennomføre bare den mekaniske del under benyttelse av samme verktøy, for å gi det behandlede legeme en blank overflate.

Det er ønskelig at verktøyet (elektroden) har god elektrisk ledningsevne og mekanisk styrke.

Typiske verktøyselektroder som er blitt brukt tidligere for behandlingsprosesser av denne type, er metallbundet diamant-eller andre slipehjul som har relativt god ledningsevne. Disse materialer har imidlertid ikke tilfredsstillende bindingsstyrke. Slipepartikler er tilbøyelig til å løsne forholdsvis hurtig

fra den ledende bærer og verktøyet underkastes en betydelig slitasje i løper av en behandlingsoperasjon. J tillegg er de forholdsvis kostbare å fremstille og vanskelig å forme.

For å fjerne disse vanskeligheter er det blitt fore-slått å bruke en strømløs eller kjemisk pletteringsteknikk i verktøysfremstillingen, som kan utnyttes effektivt til å gi elektrisk ledningsevne på slipelegemer som har en tilstrekkelig bindings styrke og har andre fordeler, men er elektrisk ikke-ledende eller har dårlig ledningsevne. Slipelegemet med indre forbundne porer impregneres med en kjemisk pletteringsløsning slik at et ledende belegg bygger seg opp på veggpartiene til porene ved kjemisk reduksjon av et metall fra løsningen. Ved kjente fremgangsmåter blir imidlertid den kjemiske pletteringsløsning kontinuerlig tvunget gjennom slipelegemet, f.eks. hjulet, ved å utøve en trykkforskjell på motstående sider av det porøse legemet. Løsningen som således pas-serer hurtig gjennom legemet slik at bare en liten del av den utfører den kjemiske reduksjon inne i legemet og må føres i omløp inntil en ønsket mengde eller tykkelse av det metalliske belegg er oppnådd på poreveggene. Metallreduksjonen fra løsningen kan også opptre i om-løpskanalene og karene ogTesultereTi at en betydelig andel av det reduktive metall i løsningen forbrukes utenfor slipelegemet som skal gjøres ledende. I tillegg til lav fremstillingshastighet og dårlig utnyttelse av pletteringsløsningen, har den kjente fremgangsmåte den ulempe, at utstyret kan forurenses hurtig og gi opphav til spesielle vedlikeholdsproblemer.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en forbedtet fremgangsmåte hvormed den kjemiske plettering av et poTØst slipelegeme for å gjøre det ledende, kan gjennomføres effektivere og mer økonomisk enn ved kjente metoder, og hvor et antall EC-AM-verktøyselektroder med jevnt god kvalitet kan fremstilles.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe et apparat for gjennomføring av denne fremgangsmåte.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved hjelp av den fremgangsmåte som er beskrevet i patentkrav 1.

Ethvert slipemateriale som er kommersielt tilgjengelig kan behandles

i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse. Det kan således være tale om forglassete, silikat-,gummi-, gummiforsterkete, harpiks-, harpiksforsterkete, skjellak- eller oksyklorid-slipematerialerav si liciumicarbid, borkarbid, aluminiumsoksyd, - irkonoksyd, sinkoksyd, titanoksyd, diamant etc. Et legeme med en slik slipe- og bindings-sammensetning og dessuten en større finhet enn 100 mesh og med en porøsitet mellom 10 og 60 % foretrekkes generelt for fremstilling av et EC-AM-verktøy for høy ytelse.

Løsningen for kjemisk plettering kan som vanlig inneholde et reduksjonsmiddel såvel som et metallsalt for det metall som skal reduseres. Det første og væsken som inneholder det siste blir ifølge den foreliggende oppfinnelse fortrinnsvis blandet sammen umiddelbart før impregnering i slipematerialet på en måte som vil bli beskrevet nedenfor. Det følger at ved hvert impregneringsforløp, må en gitt mengde med meget aktiv løsning være innesluttet i porene i et forutbestemt tidsintervall, nemlig inntil det reduktive metallsalt som finnes i løsningen er stort sett fullstendig deplettert, slik at metallet er avsatt på materialets porevegger.

Den kjemiske plettering blir selvsagt utført etter forskjellige former for forbehandling, såsom rensing, og akti-vering, som er vel kjent i forbindelse med kjemisk plettering.

Et apparat for å gjennomføre den foreliggende oppfinnelse er beskrevet i .patentkrav 2.

Ifølge et ytterligere trekk ved den foreliggende oppfinnelse, blir avløps-løsningen som trekkes ut av det porøse materialet ført til en tank for etterbehandling, hvori den gjenværende hovedkomponent (pletteringsmetallet) skilles ut elektrokjemisk og gjenvinnes og en løsning som inneholder de andre komponentene føres til en sedimenteringstank hvori eri hovedkomponent eller hovedkomponentene kan ut-vinnes for ny bruk.

Disse og andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil bli beskrevet nærmere nedenfor i forbindelse med enkelte utførelsesformer som er vist i de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk riss som illustrerer en utførelses-form av et apparat ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et skjematisk riss av et apparat som ligner på apparatet ifølge fig. 1, men som dessuten omfatter midler for å for-andre impregneringsretningene til den kjemiske pletteringsløsning, fig. 3 viser et skjematisk riss som illustrerer en modifisert form av apparatet ifølge fig. 2, mens fig. 4 viser et skjematisk . riss av en ytterligere utførelses-form av et apparat ifølge oppfinnelsen. 1 fig. 1 er det vist et<tra>"formet kar 1 og et deksel 2 som holdes tett sammen slik at det dannes et kjemisk pletteringskammer 10 hvori et porøst slipelegeme 3 i form av et hjul, som skal gjøres ledende, er holdt på plass ved hjelp av en elastisk bærering 3a slik at kammeret 10 deles i et øvre og et nedre rom som vist. En innløpskanal la for væske ved bunnen av kammeret 1 er tilkoblet den øverste åpning 4a til en sylinder 4 som intermittent tilfører en kjemisk pletteringsløsning under trykk til kammeret 10. En til-bakeløpsventil 5 er anbragt ved den øverste ende av kanalen 4a for å hindre tilbakeløp av væsken til sylinderen 4. En andre tilbakeløps-ventil 6 er anordnet ved en innløpsåpning 4b for væske til sylinderen 4 . Et stempel 7, som kan føres frem og tilbake i sylinderen 4, drives ved rotasjon av en veiv 8 som er koblet til en stempelstang 9 ved hjelp av en veivaksel 8a. To forrådsbeholdere 11 og 12 inneholder adskilt to forskjellige sett bestanddeler for en kjemisk pletteringsløsning og de er forbundet med sylinderen 4 gjennom en kanal 13 til innløpsåpningen 4b, idet det finnes ventiler lia hhv. 12a for innstilling av blandingsforholdet mellom disse bestanddeler. Dekselet 2 er forsynt med en ventilatoråpning 2a som har en vifte 14 og det har dessuten en utløpsåpning 2b som over en kanal 15 fører til en tank 16 for behandling av løsningen slik at brukt løsning slippes ut av kammeret 10. Et par elektrolyseelektroder 17 og 18 er plassert i tanken 16 og forbundet med hhv. den positive og den nega-tive klemme til en likestrømskilde 19. Katoden 18 er plassert i be-røring med et utskiftbart endeløst, porøst belte eller duk 20 for opptak av metallavleiringen fra den brukte løsning og å føre den bort fra tanken 16 for gjenvinning. Behandlingstanken 16 er over en kanal 21 som inneholder en ventil 22 forbundet med en sedimenteringstank 2 3 hvori den brukte løsningen underkastes sedimentering for gjenvinning av en ytterligere komponent.

Under drift vil rotasjonen av veiven 8 føre stempelet 7 frem og tilbake i sylinderen 4. Når stempelet 7 beveges nedad vil det oppstå undertrykk i sylinderen 4 over stempelet. Følgelig vil ventilen 5 lukkes og ventilen 6 åpne og det trekkes løsning inn i sylinderen gjennom kanalen 13. Når kobberplettering skal utføres kan forrådsbeholderen 11 oppta en løsning som inneholder kobbersulfat, kalium-natriumtartrat og natriumhydroksyd, mens forrådsbeholderen 12 kan oppta formalin som reduseringsmiddel. Ventilene lia og 12a innstil-les slik at de nevnte bestanddeler trekkes inn i sylinderen 4 i et bestemt blandingsforhold.

Sammenblanding skjer i sylinderen 4. Mengden av oppløsning som trekkes inn i sylinderen 4 bestemmes selvsagt av stempelets 7 slag. Siden slaget kan fastsettes nøyaktig, kan også mengden bestemmes nøyaktig etter ønske.

Når stempelet begynner å bevege seg oppad, lukkes ventilen 6 på grunn av et økende trykk i sylinderrommet, som åpner ventilen 5. Mengden av pletteringsløsning som lagres i sylinderen 4 føres nå under trykk inn i behandlingskammeret 10. En liten del av det kan bli tvunget gjennom legemet 3 mens resten fyller legemet fullstendig, slik at metall avsettes ved reduksjon fra løsningen på veggpartiene til porene i legemet 3.

Som nevnt foran, forutgås den kjemiske pletteringsprosess ved forbehandlinger som er kjent i forbindelse med kjemisk plettering.

For eksempel kan legemet etter grundig rensing bli impregnert med en løsning av stannoklorid for at det skal avsettes stanno-joner (øm-fintliggjøring). Etter vasking kan legemet bli impregnert méd en løs-ning av palladiumklorid for avsetting av palladium som et aktiverende eller katalytisk middel (reduksjonskimer) for å oppta metallet ved den kjemiske plettering. Disse forbehandlinger, dvs. rensingen, øm-fintliggjøringen og katalyseringen, kan foretas med adskilte bad i overensstemmelse med det som er vanlig ved kjemisk plettering.

Etter en forutbestemt bevegelse oppad mot den øverste ende av sylinderen 4 stopper stempelet 7 og kan så holdes i ro i en viss tid slik at den impregnerte løsning beholdes i porene i legemet 3 inntil metallinnholdet er blitt vesentlig deplettert. Stempelet 7 kan deretter føres nedad slik at ny løsning i samme mengde trekkes inn i sylinderen 4 gjennom tilførselskanalen 13. Siden formalinen frem-bringer reduksjonsreaksjonen umiddelbart, er det ønskelig å lagre den adskilt fra de andre bestanddeler og føre dem sammen umiddelbart forut for innføringen i legemet 3 på den måte som er illustrert og beskrevet.

En representativ løsning for kjemisk kobbérplettering inneholder

10 g/l kobbersulfat (2.56 g/l kobber), 50 g/l kalium-natrium-tartrat,

15 g/l natriumhydroksyd og 25 cm 3/l formalin (381 formaldehyd).

Ved anvendelse av en løsning med slik sammensetning i et eksempel med det apparat som er beskrevet i fig. 1, ble en gitt mengde av løs-ningen ført inn i et porøst slipelegeme og holdt der i fem minutter, hvoretter det ble ført bort under trykk. Løsningen som kom ut var transparent og inneholdt 0.6 g/l kobbersulfat (160 mg/l kobber),

50 g/l kalium-natrium-tartrat, 14 g/l kaliumhydroksyd og 9 g/l formalin. Den brukte løsning ble ført gjennom kanalen 15 til tanken 16

og hydrogen og andre gassaktige reaksjonsprodukter ble ført ut av kammeret 10 ved hjelp av viften 14 i kanalen 2a.

Et enkelt pletteringsforløp med et enkelt strøk av stempelet 7 er ikke tilfredsstillende for å gjøre legemet 3 tilstrekkelig ledende. Således utføres fornyelse av løsningen i kammeret 10 ved å føre stempelet 7 frem og tilbake et forutbestemt antall ganger, avhengig av naturen, størrelsen og andre egenskaper ved det slipelegemet 3

som skal gjøres ledende.

Den brukte løsning i tanken 16 elektrolyseres. Kobber som blir elek-trolytisk avsatt fra løsningen på beltet 18 transporteres av dette til et gjenvinningssted. Kobberkonsentrasjonen på 160 mg/l i løs-ningen kan reduseres til 0.2 mg/l.

Med ventilen 22 åpen blir den behandlete løsning ført gjennom kanalen 21 over i sedimenteringstanken 23 hvor det ved tilsetning av 40 g kaliumklorid pr. liter løsning oppnås en sedimentering av kalium-tartrat, hvorfra kalium-natriumtartrat kan gjenvinnes.

Hovedbestanddelene i pletteringsløsningen kan således gjenvinnes i vesentlig grad, .hvilket tillater fremgangsmåten å bli utført økonomisk uten å gi opphav til forurensning av omgivelsene.

Mens tilførselsretningen for løsning alltid er den samme ved utførel-seseksemplet ifølge fig. 1, kan denne retning skiftes for hvert enkelt.impregneringsforløp eller etter et visst antall forløp. Dette kan oppnås ved å benytte et apparat som vist i fig. 2, hvor de samme henvisningstal1 betegner samme deler som i fig. 1. Utførelses-formen ifølge fig. 2 omfatter en tilførselsledning 24 for væske og en tømmeledning 25, som begge kommuniserer med behandlingskammeret 10 som vist, idet de løper gjennom en elektromagnetisk styrt ventil

26. Periodisk energisering av ventilens spole 26a synkronisert med forskyvningen av stempelet 7 åpner ventilene 26b og 26c alternativt slik at impregnerings retningen til løsningen gjennom slipelegemet 3

i kammeret 10 veksles periodisk. Apparatet i fig. 2 omfatter også

et oppsamlingskar 27 for løsning, som er forsynt med en vakuumpumpe 28 som drives ks synkront med stempelet 7 for å muliggjøre den inter-

mittente fornyelse av løsningen gjennom legemet 3 i behandlingskammeret 10. Tømmeledningen 25 er også forsynt med en tilbakeslags-ventil 29.

Behandlingskammeret 10 vist i fig. 3 er forsynt med tre ledninger 30, 31 og 32 som kommuniserer henholdsvis med kammerets overdel, under-del og sidedel. Disse ledninger kan tjene vekselvis som tilførsels-og tømmeledninger og kan benyttes som alternative tilførsels- og tømmeledninger, avhengig av naturen til det slipelegemet som skal gjøres ledende, for å sikre gjennomføringen av en optimal plettering. Det er også mulig å tilføre en trykkgass (fortrinnsvis inert) gjennom ledningen 32 og å tillate løsningen å tømmes gjennom ledningen 30 eller 31, eller alternativt å utøve et undertrykk gjennom ledningen 32 for å fjerne brukt løsning gjennom denne før ny løsning tilføres.

I fig. 4 er det vist en alternativ utførelsesform av et apparat i-følge oppfinnelsen, hvor en sylinder 110 danner et behandlingskammer hvori et slipelegeme 103, igjen i form av et hjul, som skal behandles, er montert på en bærering 103a. Ved denne utførelsesform er det anbragt en hengselanordning 133 for å plassere hjulet 103 som har en aksel 103b påsatt, mot bæreringen 103a.

Hjulet 103 er igjen plassert slik at det skiller kammeret 110 i et øvre rom 110-1 og et nedre rom 110-11. I det nedre rom 110-11 er det anordnet et stempel 107 som kan føres frem og tilbake mellom de stillinger som er antydet med den heltrukne linje og den strek-prikkete linje 107<*.>

Kammeret 110 er forsynt med en innløpsåpning 110a, en overstrømnings-åpning 110b og tømmeåpninger 110c og 110d. Innløpsåpningen 110a er forbundet med et forrådskar 134 med pletteringsløsning over en til-bakeløpsventil 135 og en manuelt betjent ventil 136. Tømmeåpningen 110c er forsynt med en manuelt styrt ventil 137 som vanligvis er lukket.

Under drift blir ventilen 136, etter at hjulet 103 er satt på plass, først åpnet og stempelet 107 senket til den stilling som er vist med heltrukket linje slik at pletteringsløsning føres inn i kammerets nedre rom 110-11. Ventilen 136 blir deretter lukket og stempelet 107 føres oppad en strekning A 1, som er litt større enn tykkelsen på<V>iiiil^t lftV til Ae>n <zt i 1 1 i ti a sni pt anoitt tnfid «?trfiV-T>-ri Wftt li nie 107". Trykket som utvikler seg i rommet 110-11 forårsaker en grundig impregnering av hjulet 103 med pletteringsløsning. Siden hjulets 103 indre flater allerede er blitt katalysert ved en forbehandling som beskrevet ovenfor, reduseres løsningen som føres inn i porene slik at det dannes metallavsetninger på de katalyserte veggdeler av porene og den kjemiske plettering fortsetter over hele det porøse området av hjulet 103.

Når en reduksjon eller stopp i utviklingen av gassdannelsen iakttas, hvilket indikerer at pletteringskomponenten er stort sett oppbrukt, kan stempelet 107 føres ytterligere oppad med en strekning Al for å fornye impregnerings løsningen og tillate den nye løsning å bli opp-tatt i hjulet 103 i en ny forutbestemt tidsperiode, inntil deplette-ring finner sted. Den brukte løsning som strømmer ut samles opp gjennom overløpsrøret 110b i en oppsamlingstank (ikke vist) av den type som er beskrevet foran. Dette forløp gjentas inntil stempelet når den stilling som er angitt med 107', hvoretter hjulet 102 fjernes for vasking og tørking.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for å gjøre et elektrisk ikke-ledende porøst slipelegeme elektrisk ledende, for dannelse av en elektro-kjemisk slipeelektrode ved utnyttelse av kjemisk avleiring, hvor det porøse slipelegeme blir inn-satt med en kjemisk avleirings-løsning som inneholder et reduksjonsmiddel og et metallsalt som skal reduksjons-avleires slik at det dannes et metallisk belegg på poreveggene i det porøse slipelegeme,karakterisert vedat en forutbestemt mengde kjemisk avleirings-løsning tilføres på en gang til hele porelegemet og blir holdt i ro der, at løsningen holdes i porene i en bestemt tid, slik at metall-komponenten i løsningen kan avsettes tilnærmet fullstendig på poreveggene, at hele restløsningen trekkes ut av porene på en gang, hvoretter en ny, frisk mengde løsning tilføres porene, hvilket gjentas et forutbestemt antall ganger, for oppbygging av den ønskete tykkelse på metallbelegget.

2. Apparat for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende et behandlingskammer for opptak av et porøst slipelegeme, en forrådsbeholder for avleiringsløsning og en forbindelsesanordning mellom behandlingskammeret og forrådsbeholderen, for tilførsel og bortførsel av løsning,karakterisert vedat forbindelsesanordningen er koblet direkte til behandlingskammeret (10; 110 I) og opp-viser en sylinder (4, 110 II) med et stempel (7,107) (fig.l,<fi>g.4).

3. Apparat i samsvar med krav 2,karakterisert vedat forrådsbeholderen omfatter en første beholder (11) for et reduksjonsmiddel og en andre beholder (12) for en metall-salt-oppløsning og at det finnes sperreventiler (lia,11b) for å åpne og lukke for begge beholdere samtidig (fig.l).

4. Apparat i samsvar med krav 2 eller 3,karakterisert vedat behandlingskammeret (10,110 I) er forbundet med en løsnings-behandlingstank (16) for gjenvinning av gjenværende metallkomponenenter fra den brukte løsning.

5. Apparat i samsvar med et av kravene 2-4,karakterisert vedat sylinderen (4) er forbundet med såve] behandlingskammerets (10) lokk (2) som med dets bunn (1) ved J6lpav ledninger ovier (26*.26b) (figm2 S Vent^erfSa,5bJ