Quando i componenti metallici escono dalla produzione o dalla fabbricazione, in genere richiedono un qualche tipo di processo di finitura superficiale per migliorarne l’aspetto o le proprietà di resistenza alla corrosione.
Talvolta, questi trattamenti possono anche migliorare le proprietà elettriche o meccaniche del pezzo. Si tratta di una fase importante della produzione, che può avere un effetto significativo sulla durata e sulla funzionalità di un pezzo.
In questo articolo ci occupiamo di uno di questi processi: l’elettrolucidatura. Analizzeremo cos’è, come funziona e quali sono i suoi vantaggi rispetto ad altri metodi di trattamento. Cominciamo.
Cos’è l’elettrolucidatura?
L’elettrolucidatura, o lucidatura anodica, è un processo elettrochimico che utilizza l’elettricità per rimuovere un sottile strato dalla superficie dei metalli elettricamente conduttivi. La rimozione di questo sottile strato migliora la rugosità superficiale del metallo e la sua resistenza alla corrosione. I prodotti finiti appaiono lucidi e puliti, poiché vengono eliminati lo scolorimento e/o i materiali estranei incorporati da processi precedenti.
L’elettrolucidatura può rimuovere fino a 40 micrometri da una superficie, a seconda dei parametri del processo. In genere, però, l’elettrolucidatura viene utilizzata per rimuovere tra gli 8 e i 20 micrometri.
Esistono applicazioni in cui è necessaria un’asportazione di metallo molto ridotta. Gli aghi ipodermici sono un buon esempio. Per questi pezzi, un processo di lucidatura elettrolitica flash può sbavare i bordi e passivare i pezzi utilizzando una piccola quantità di corrente e una breve durata del processo.
La percentuale di finitura superficiale ottenuta dipende dalla finitura iniziale. L’elettrolucidatura consente di ridurre la rugosità media fino al 50%. Tuttavia, a causa di limitazioni pratiche, di solito si raggiunge una percentuale compresa tra il 25 e il 40%.
Tuttavia, man mano che il valore di Ra si riduce, il tasso di rendimento diminuisce. Ciò significa che un pezzo ben rifinito non potrà beneficiare dell’elettrolucidatura allo stesso modo di un pezzo relativamente più grezzo. Ad esempio, se dovessimo elettrolucidare una superficie metallica con un valore Ra di 10-15, riusciremmo a ottenere solo una riduzione di circa il 10%.
Il processo di elettrolucidatura viene spesso utilizzato anche come processo di finitura secondario per integrare la lucidatura meccanica. Mentre i metodi di lucidatura meccanica rimuovono le imperfezioni superficiali macroscopiche, l’elettrolucidatura rimuove le imperfezioni superficiali microscopiche.
Ad esempio, un pezzo di 70 Ra può beneficiare di circa il 40% se si utilizza subito l’elettrolucidatura, portando il valore finale di Ra a circa 40. Ma possiamo usare prima la lucidatura meccanica e ridurre il valore di Ra a 40, seguita da una riduzione del 40% con l’elettrolucidatura per ottenere un Ra finale di circa 20-25.
Come funziona il processo di elettrolucidatura?
Il processo di elettrolucidatura funziona secondo il principio della cella elettrolitica. Nel processo di elettrolucidatura, il pezzo da lavorare viene collegato al terminale positivo della cella e diventa l’anodo.
Un metallo adatto collegato al terminale negativo diventa il catodo. La cella in questo caso è solitamente un raddrizzatore di corrente continua che converte l’alimentazione in corrente alternata in corrente continua all’uscita.
Per comprendere il processo di elettrolucidatura, dividiamolo in tre fasi distinte. Queste sono:
- Preparazione della superficie
- Lucidatura elettrolitica
- Post-trattamento
Preparazione della superficie
L’elettrolucidatura richiede una superficie pulita per consentire una corrente elettrica uniforme. I contaminanti causano una densità di corrente non uniforme che porta a un’erosione non uniforme della superficie.
Ma la superficie può raccogliere contaminanti provenienti da processi precedenti o dalla manipolazione dei pezzi in officina. Può trattarsi di grasso, olio, sporco d’officina, impronte digitali o qualsiasi pellicola lasciata sul pezzo dopo la produzione. La quantità di contaminanti determina direttamente la qualità della finitura finale.
Pertanto, il primo passo consiste nel pulire a fondo la superficie da tutti i contaminanti. Il processo di pulizia inizia con un detergente alcalino e a solvente, seguito da un decapaggio. Dopo ogni processo, il pezzo viene risciacquato per rimuovere i residui del processo.
Lucidatura elettrolitica
Vista microscopica del processo di elettrolucidaturaIl materiale da lucidare è collegato al terminale positivo (anodo) e un altro metallo adatto è collegato al terminale negativo (catodo).
L’anodo e il catodo vengono immersi insieme in una soluzione elettrolitica adeguata. All’elettrodo positivo, il materiale sviluppa una carica positiva, si ossida e si dissolve nell’elettrolita. Le bave e gli angoli presentano una maggiore densità di corrente.
Questa fase rimuove il materiale a livello microscopico. Possiamo controllare con precisione lo spessore dello strato rimosso.
I seguenti fattori influenzano lo spessore dello strato rimosso e la qualità finale della superficie:
- Composizione del metallo e dell’elettrolita
- Contaminazione superficiale
- Temperatura dell’elettrolita
- Densità di corrente
- Il peso specifico dell’elettrolita
- Metodo di agitazione dell’elettrolita
Post-trattamento
Il processo di elettrolucidatura porta anche a una serie di reazioni indesiderate. I sottoprodotti di queste reazioni si depositano sulla superficie del metallo e devono essere puliti per ottenere un prodotto finale soddisfacente.
La mancata pulizia causerà problemi quali incoerenza, corrosione e macchie nel corso del servizio. Nel caso delle finiture in acciaio inox, per il post-trattamento si utilizza un trattamento con acido nitrico seguito da risciacquo a caldo.
Elettrolucidatura vs. galvanotecnica
L’elettrolucidatura è l’esatto contrario del processo di galvanizzazione. Nel processo di galvanizzazione, depositiamo un sottile strato di un metallo su un altro attraverso una reazione elettrochimica. Il metallo da rivestire diventa il catodo, mentre il metallo di deposito diventa l’anodo. In questo modo, l’anodo si dissolve e viene ricoperto dal catodo.
Nel processo di elettrolucidatura, poiché vogliamo rimuovere uno strato sottile, lo rendiamo l’anodo collegando il nostro pezzo al terminale positivo della cella. Il processo di elettrolucidatura è quindi noto anche come processo di placcatura inversa.
Il processo di elettrolucidatura viene talvolta paragonato al processo di passivazione. Tuttavia, né la passivazione naturale né quella chimica prevedono l’uso dell’elettricità per formare lo strato protettivo.
Applicazioni dell’elettrolucidatura
L’elettrolucidatura è un processo di trattamento superficiale economico e versatile. Per quanto riguarda i materiali, l’elettrolucidatura funziona con un lungo elenco di metalli.
Tra questi, i più diffusi sono l’alluminio, l’ottone, il rame, il molibdeno, il nichel, il titanio, il tungsteno e lo zirconio. Funziona anche con leghe di nichel, cobalto e rame. Anche la ghisa trae vantaggio dall’elettrolucidatura, anche se non molto. È comune anche l’elettrolucidatura degli acciai al carbonio per sbavare e migliorare la finitura superficiale prima della placcatura.
Ma forse l’uso più importante del processo è l’elettrolucidatura dell’acciaio inossidabile. In particolare gli acciai inossidabili della serie 300 e 400.
L’elettrolucidatura è essenziale per molte industrie. Vediamo alcuni di questi.
Industria medica
Nell’industria medica, l’elettrolucidatura viene utilizzata per pulire e sterilizzare in modo affidabile gli strumenti chirurgici. È inoltre necessario sbavare gli strumenti chirurgici prima di metterli in uso, perché altrimenti le parti potrebbero rompersi e danneggiare i pazienti.
Inoltre, le superfici elettrolucidate resistono alla crescita dei batteri e hanno una precisione ineguagliabile, che le rende altamente biocompatibili. Anche la migliore resistenza alla corrosione è un vantaggio per gli strumenti chirurgici.
Produzione automobilistica
L’elettrolucidatura di tubi, ingranaggi e linee di alimentazione riduce l’attrito e migliora le prestazioni e la durata dei componenti.
All’esterno, l’elettrolucidatura può rendere più lucidi e lisci i cerchi, le griglie, i componenti di scarico e le guide che resistono alla corrosione e durano a lungo.
Attrezzature di processo
Molte apparecchiature di processo industriale, come scambiatori di calore, recipienti di reattori, miscelatori, serbatoi di stoccaggio e tubi, beneficiano dell’elettrolucidatura.
Riduce l’attrito, la corrosione e le sollecitazioni superficiali, migliorando al contempo l’efficienza del trasferimento di calore, la qualità del flusso, la durata e la capacità di pulizia. In molte applicazioni, le superfici elettrolucidate hanno le stesse prestazioni di quelle in vetro.
Oltre a questi settori, i componenti elettrolucidati sono ampiamente utilizzati nell’industria aerospaziale, alimentare e delle bevande, nucleare, delle camere bianche, dei semiconduttori, del trattamento delle acque e degli elettrodomestici.
Vantaggi dell’elettrolucidatura
Come si è visto nelle sezioni precedenti, l’elettrolucidatura offre una serie di vantaggi in diverse applicazioni. Grazie ad essa è possibile migliorare il funzionamento, la finitura, l’adattamento e la durata della maggior parte delle parti metalliche. Vediamo come questo avviene discutendone i vantaggi. Alcuni di questi sono i seguenti:
- Elimina i difetti superficiali
- Riduce la rugosità della superficie
- Lavora con topografie superficiali complesse
- Migliora la resistenza alla corrosione
- Miglioramento della durata a fatica
- Parti ultraclean con aspetto decorativo
- Superficie resistente ai batteri
Elimina i difetti della superficie
Il processo è molto efficace per eliminare i difetti superficiali come fessure, crepe, microbave, abrasioni, macchie, scolorimento delle saldature e distacco. Sciogliendo lo strato più esterno di un pezzo, la maggior parte dei difetti superficiali viene attenuata o eliminata.
Riduce la rugosità della superficie
L’elettrolucidatura rimuove il metallo dai micropicchi di una superficie ruvida più velocemente di quanto non faccia con gli incavi (livellamento anodico). Questo riduce la loro altezza e rende la superficie complessiva più liscia. L’elettrolucidatura mirata può ridurre la rugosità della superficie fino al 50%.
Funziona con topografie superficiali complesse
La possibilità di lavorare con geometrie complesse è una delle caratteristiche più interessanti dell’elettrolucidatura. Mentre è possibile migliorare la finitura superficiale e la lucentezza di parti piane mediante lucidatura meccanica, fare lo stesso con geometrie complesse è sempre una sfida.
Con l’elettrolucidatura, invece, è possibile rimuovere dal pezzo uno spessore uguale su tutta la superficie. Questo include anche le rientranze e i canali interni.
Migliora la resistenza alla corrosione
L’acciaio inossidabile ha la capacità unica di formare una pellicola passiva per resistere alla corrosione. Questo fenomeno è noto come passivazione. Ma questa pellicola non è sufficiente per resistere alla corrosione in ambienti che contengono acqua di mare o altre sostanze chimiche corrosive.
L’elettrolucidatura può migliorare la resistenza alla corrosione dei componenti in acciaio inossidabile fino a 30 volte rispetto alla passivazione.
Miglioramento della vita a fatica
L’elettrolucidatura può anche migliorare la durata a fatica dei pezzi. Le parti che si allungano, si flettono, si piegano o si torcono in sequenza ciclica traggono vantaggio dall’elettrolucidatura nel modo seguente.
Ogni pezzo che esce dalla produzione presenta invariabilmente dei difetti. Se questi difetti si presentano sotto forma di intagli, buchi, fessure o cricche sulla superficie, il carico di fatica ne aggrava ulteriormente le condizioni, portando al cedimento.
L’elettrolucidatura di questi componenti elimina o riduce al minimo l’effetto di questi difetti superficiali. Il loro contributo all’innesco e alla propagazione delle cricche è ridotto, il che si traduce in una maggiore durata a fatica di questi componenti.
Parti ultraclean con aspetto decorativo
L’elettrolucidatura priva il metallo del suo strato esterno. In questo modo si espone lo strato puro sottostante. I pezzi che escono dall’elettrolucidatura sono quindi molto puliti ed esteticamente gradevoli.
Il processo rimuove anche qualsiasi materiale estraneo che possa essersi incastrato nel pezzo metallico durante la produzione o il post-trattamento.
Superficie resistente ai batteri
Le superfici elettrolucidate resistono alla crescita dei batteri, soprattutto quando si tratta di acciaio inossidabile. La carica elettrica alterata impedisce la crescita dei batteri e apre l’acciaio a una nuova serie di applicazioni.
Inoltre, le superfici lucidate eliminano i difetti superficiali, come fessure e cavità, dove l’attività battericida è normalmente poco efficace.
L’acciaio elettrolucidato può quindi essere utilizzato in applicazioni mediche come strumenti chirurgici, impianti e protesi. L’acciaio elettrolucidato può essere utilizzato anche in applicazioni alimentari e igieniche.