Lucidatura elettrochimica di superfici metalliche
Questo procedimento risulta affidabile per migliorare, in una sola fase, le caratteristiche funzionali di un gran numero di superfici.
Tra gli utilizzi industriali di tale tecnica si evidenziano quelli nel settore farmaceutico, della carta ed alimentare.
di Ruggero Rigatti
Un pezzo entra in contatto con l'ambiente circostante soprattutto attraverso la sua superficie.
Le caratteristiche superficiali, a prescindere da densità, conducibilità e carico di rottura, determinano in modo preminente il comportamento funzionale.
Per quanto riguarda le superfici metalliche, bisogna citare come elementi determinanti la topografia, la struttura cristallina, la composizione dei materiali e lo stato energetico degli strati vicini alla superficie.
Il miglioramento qualitativo di una superficie metallica avviene principalmente grazie alla scelta di un materiale di base pregiato o grazie alla possibilità di riportare un rivestimento che corrisponda alle esigenze.
Un ulteriore passo è rappresentato dalla lucidatura elettrochimica che offre per molte problematiche un'altra possibilità interessante sia dal punto di vista economico che tecnico, per migliorare la qualità superficiale di in pezzo, asportando gli strati danneggiati dalle lavorazioni e meno pregiati in confronto al materiale di base.
Le qualità superficiali del materiale di base vengono così utilizzate inalterate e contemporaneamente le superfici vengono ottimizzate nel loro aspetto topografico ed energetico.
INFORMAZIONI BASE SULLA LUCIDATURA ELETTROCHIMICA
La lucidatura elettrochimica secondo le norme DIN 8590 fa parte dei procedimenti di finitura che asportano materiale con passaggio di elettricità ed è descritto nelle norme VDI 3401 foglio 2.
Il principio della lucidatura elettrochimica è il contrario di quello della deposizione galvanica.
Consiste in una esportazione di materiale con dissoluzione selettiva della superficie del pezzo inserita anodicamente entro un elettrolita, sotto l'azione di una fonte esterna di corrente.
La dissoluzione del metallo avviene in condizioni geometricamente spiananti senza attacco intergranulare e senza effetti meccanici, termici o chimici sul materiale.
Sotto l'effetto della corrente di lucidatura l'elettrolita, durante il procedimento di lucidatura, forma sulla superficie dei pezzi il cosiddetto film di lucidatura, uno strato povero d’acqua, viscoso, con elevata resistenza alla diffusione.
Punte di rugosità con dimensioni inferiori allo spessore del film di lucidatura, vengono preferibilmente asportate e da questo risulta una levigatura ed un livellamento in campo micro.
Strutture macroscopiche vengono levigate ed arrotondate sulla superficie, ma non livellate.
Lo spessore degli strati da asportare con la lucidatura elettrochimica è esattamente riproducibile mediante densità di corrente e tempo di lavorazione ed in pratica è circa 5 .-, 50 mm.
Rappresentazione schematica che mostra il livellamento progressivo di una superficie metallica sottoposta a lucidatura elettrochimica.
La maggior parte dei metalli e delle leghe tecnicamente utilizzabili possono essere trattati con la lucidatura elettrochimica, operazione in cui solitamente si impiegano elettroliti costituiti da miscele di acidi minerali concentrati.
Le condizioni di lavorazione, la costruzione degli impianti e le attrezzature corrispondono più o meno a quelle impiegate in galvanotecnica.
PROPRIETA' FUNZIONALI DELLE SUPERFICI LUCIDATE ELETTROCHIMICAMENTE
Caratteristiche delle superfici
La lucidatura elettrochimica elimina strati superficiali danneggiati e resi impuri da materiali estranei unicamente alle tensioni ed alle microcricche in essi contenute, in modo che la superficie finale sia costituita dalla struttura di base pura e non danneggiata del materiale di volta in volta in questione.
La superficie lucidata elettrochimicamente è metallicamente pura, levigata e compatta in campo micro ed inoltre rivela uno sviluppo notevolmente ridotto in confronto alle superfici trattate meccanicamente.
Estensione reale della superficie di acciaio inossidabile
Tale superficie si trova ad un livello di energia potenziale basso e di regola è esente da tensioni locali di trazione e compressione.
In campo macro è contraddistinta da una certa ondulazione residua, la cui dimensione dipende dallo stato iniziale delle superfici, dalla durata della lucidatura elettrochimica e dalla finezza della struttura cristallina.
Questa ondulazione residua di solito non è significativa per il comportamento funzionale delle superfici, ma dà tuttavia una falsa immagine della qualità superficiale, se per la sua definizione vengono indicati esclusivamente i valori di rugosità.
Questi rappresentano dati geometrici e non sono determinanti per il confronto del comportamento funzionale delle superfici, che sono state ottenute con procedimenti differenti.
Il grado di lucentezza delle superfici lucidate elettrochimicamente è di regola più elevato di quello delle superfici lucidate meccanicamente, tuttavia - a causa della ondulazione residua - non si ha un effetto di lucentezza a specchio, ma una riflessione leggermente diffusa.
Le superfici lucidate elettrochimicamente sono esenti in tutta la loro estensione, anche nelle zone, più difficilmente accessibili, da bave, lamelle e bavette incluse e microcricche.
Miglioramento delle caratteristiche funzionari delle superfici
Tenendo presente l'argomento principale e la molteplicità dei casi in cui la lucidatura elettrochimica viene impiegata per migliorare le caratteristiche tecniche superficiali, dobbiamo sottolineare che ci è impossibile in questa sede trattare esaurientemente tutti gli aspetti della questione.
Il seguente elenco di miglioramenti tecnici ottenuti per mezzo della lucidatura elettrochimica non vuol essere una delimitazione, ma un incentivo alla ricerca di ulteriori soluzioni applicative in problemi concreti con questo tipo di trattamento.
Abbiamo pertanto effettuato una scelta e deciso di esaminare più da vicino i miglioramenti riguardanti resistenza alla corrosione passività, pulizia, formazione di depositi, citando esempi pratici di applicazioni.
Con la lucidatura elettrochimica si diminuisce l'usura sulle superfici di scorrimento e negli accoppiamenti di materiale metallo/plastica.
Inoltre la lucidatura elettrochimica viene impiegata per aumentare la resistenza a fatica grazie all'eliminazione dell'origine delle cricche, per ridurre le perdite per irradiazione negli assorbitori solari e scambiatori di calore, per diminuire le perdite di temperatura nei gas liquidi, per migliorare le caratteristiche elettriche nella tecnica dell'alta frequenza, per eseguire il pretrattamento prima di processi di deposizione galvanica, chimica o fisica, per migliorare le caratteristiche tecniche di brasatura e saldatura ed anche per migliorare la velocità di degasaggio negli impianti sotto ultravuoto.
Un settore molto importante di applicazione per la lucidatura elettrochimica è rappresentato dalla sbavatura fine di superfici e spigoli nel campo della meccanica di precisione, nella costruzione di macchine, nell'elettrotecnica, nell'idraulica e nell'industria pneumatica.
Più avanti vengono descritti alcuni esempi di miglioramenti qualitativi che si possono ottenere con la lucidatura elettrochimica e che sono significativi particolarmente per il miglioramento delle qualità funzionali delle superfici di acciaio inossidabile.
RESISTENZA ALLA CORROSIONE E PASSIVITA'
Le superfici lucidate elettrochimicamente, a causa dell'eliminazione di elementi locali come impurità, difetti strutturali e tensioni, hanno la miglior resistenza alla corrosione possibile per il materiale di volta in volta impiegato.
Durante la lucidatura elettrochimica sulla superficie dei pezzi si libera ossigeno, che si arricchisce nel film di lucidatura e porta alla formazione di strati passivi contenenti ossidi subito dopo aver disinserito la corrente di lucidatura.
Per i vari materiali non sussiste il pericolo dell'infragilimento da idrogeno, poiché per tutta la durata dei procedimento la superficie dei pezzi non viene a contatto con l'idrogeno.
La lucidatura elettrochimica crea specialmente sulle superfici di acciaio inossidabile le premesse ideali per una formazione dello strato passivo, in cui un leggero arricchimento degli elementi di lega Cromo e Nichel sulla superficie lucidata rappresenta un ulteriore vantaggio.
L'elevata passività delle superfici lucidate elettrochimicamente porta alla soppressione delle reazioni catalitiche delle superfici metalliche con i mezzi circostanti ed i fenomeni negativi da ciò risultanti.
Specialmente nel campo della chimica dei polimeri, della biochimica, della farmaceutica e della tecnica nucleare l'elevata purezza e passività delle superfici lucidate elettroliticamente è di determinante importanza.
Come per esempio per le esigenze più elevate riguardo alla corrosione e passività delle superfici vogliamo citare la tecnica medica.
Qui solo con la lucidatura elettrochimica si possono ottenere la necessaria resistenza alla corrosione per lungo tempo e la tollerabilità (il non-rigetto) dei tessuti protesi metalliche interne ed agli impiantati.
PULIZIA E FORMAZIONE DI DEPOSITI
I procedimenti di adesione, che influenzano grandemente la pulizia e la formazione di depositi, vengono determinati non tanto dalla struttura macroscopica della superficie quanto dalla microstruttura dallo stato energetico dello strato dei materiale superficiale.
Il livellamento e la compattezza in campo micro, unitamente ad una drastica diminuzione della superficie reale e del contenuto energetico potenziale, conferiscono alle superfici lucidate elettrochimicamente un comportamento favorevole ineguagliabile per quanto riguarda la pulizia ed il suo mantenimento.
Non ci sono praticamente possibilità di "ancoraggio" per i depositi e quindi la formazione degli stessi viene o impedita dall'inizio oppure i depositi che si formano in seguito a condizioni sfavorevoli vengono eliminati senza lasciar residui con una spesa limitata.
L'impiego di superfici lucidate elettrochimicamente porta vantaggi in tutti quei casi in cui la formazione di depositi crea problemi e la pulizia veloce ed ineccepibile è un fattore necessario per il cambio di prodotti oppure quando la massima pulizia e la sterilità rappresentano la premessa necessaria al mantenimento della qualità dei prodotto.
Differenza tra tubo lucidato meccanicamente (incrostato) e lucidato elettrochimicamente (che non si incrosta e riduce i problemi di cessione)
Esempi scelti dall'industria
LUCIDATURA ELETTROCHIMICA COME TECNICA CHE MINIMIZZA FENOMENI D'INCROSTAZIONE
Importanza dello stato energetico superficiale.
Se confrontiamo due tubazioni allo stesso livello energetico, una con rugosità Ra 2,3 micron ed una con rugosità Ra 0,23 micron, si vede che un prodotto pulente come un tensioattivo cationico lascia nella prima tubazione un residuo di 1 mg/mq e nella seconda un residuo di 0,5 mg/mq; ciò significa che pur riducendo la rugosità di 10 volte il residuo superficiale si riduce solamente della metà.
Diverso è il caso invece di tubazioni con differente livello energetico; si è potuto rilevare che, se prendiamo due tubazioni, una con differenza di potenziale 540 mV ed una con differenza di potenziale 100 mV, a partità di Ra, si passa da un residuo di tensioattivo cationico pari a 10 mg/mq ad un residuo pari a 0,5 mg/mq.
Ciò indica quanto significativo possa essere il livello energetico dei materiali agli effetti del fenomeno di adesione ed in ultima analisi a quello di incrostazione.
La lucidatura elettrochimica è la tecnica che consente di ottenere superfici con il minimo livello energetico possibile e quindi che minimizza i fenomeni di incrostazione.
Da qui derivano le molteplici applicazioni nell'industria dei polimeri (reattori), nell'industria chimica ed alimentare(scambiatori, concentratosi), nell'industria farmaceutica ed elettronica.
LUCIDATURA ELETTRO-CHIMICA NELL'INDUSTRIA DELLA CARTA
La formazione di depositi comporta per le macchine della carta difetti e diminuzione della qualità della carta. La lucidatura elettrochimica delle superfici a contatto con il materiale di produzione impedisce efficacemente la formazione di depositi con il risultato che pur ottenendo qualità di carta costantemente elevate si possono realizzare velocità di produzione di circa il 10% superiori, riduzione dei livello di scarti, riduzione dei tempi per si per fermate, ecc.
Sulla base di questi risultati i produttori leader di macchine per la carta a livello mondiale provvedono a far trattare elettrochimicamente i componenti dei loro impianti che possono essere lunghi fino a 12 m. La liscivia nera, un prodotto di scarto, della produzione di cellulosa, viene concentrata in scambiatori di calore a fascio tubiero prima della combustione per risparmiare energia.
Nel caso di scambiatori di calore con superfici trattate chimicamente o meccanicamente si hanno notevoli problemi a causa delle formazioni di depositi, che richiedono regolarmente pause per la pulizia e portano ad un maggiore consumo d'energia.
L'impiego di tubi lucidati elettrochimica mente limita molto la formazione di depositi ed in impianti che funzionano ormai da cinque anni è stato possibile ammortizzare la spesa in circa sei mesi con il solo risparmio energetico.
LUCIDATURA ELETTRO-CHIMICA NELL'INDUSTRIA FARMACEUTICA
In impianti di produzione degli emo-derivati si sono avuti scarti a causa di contaminazione da elementi pirogeni. Si è potuto stabilire che con il sistema automatico di pulizia gli impianti produttivi venivano disinfettati fra una carica e l'altra, ma i depositi di batteri già morti non venivano risciacquati ed asportati completamente dalle superfici.
Infezioni secondarie derivanti dall'aria portavano alla decomposizione di questi depositi e, in seguito, alla contaminazione delle cariche successive.
Per quanto concerne la durata della pulizia nel tempo sono state realizzate innumerevoli prove sul comportamento di materiali differenti, sottoposti a diversi trattamenti superficiali; queste prove hanno portato all'introduzione generalizzata di superfici di acciaio inossidabile pregiato lucidate elettrochirnicamente.
Il comportamento di tali superfici anche dopo anni di impiego non ha creato problemi di alcun tipo.
Un ulteriore caso risolto brillantemente con la lucidatura elettrochimica in campo farmaceutico è rappresentato dall' inquinamento particellare che si riduce da 10 a 40 volte rispetto a quello verificatosi in apparecchiatura finite meccanicamente.
LUCIDATURA ELETTROCHIMICA NELL'INDUSTRIA ELETTRONICA
Le più recenti innovazioni in questo settore per la produzione di microchips rendono assolutamente necessaria l'eliminazione di particelle di dimensioni submicroniche.
Questo risultato si ottiene oggi con notevole sicurezza solo con tecniche di lavorazione che impiegano gas, solventi e acque demineralizzate trasportate entro tubazioni, serbatoi e componenti lucidati elettrochimicamente.
OSSERVAZIONI FINALI
La soluzione di problematiche speciali per mezzo della lucidatura elettrochimica richiede solitamente un adattamento del procedimento alle altre condizioni, perché la struttura del materiale e le precedenti fasi di lavorazione influenzano i risultati ottenibili molto di più di quanto non avvenga con altri procedimenti di finitura superficiale.
Questa complessità dell'impiego del procedimento ha come conseguenza che nel campo della lucidatura elettrochimica si ha poca letteratura che possa essere d'aiuto per la soluzione di problemi concreti.
Accanto ad applicazioni semplici, in generale di tipo estetico, alla portata di molti operatori, si hanno oggi applicazioni per le quali la tecnologia ha compiuto e compie ogni giorno progressi notevoli.
In questi casi la soluzione più semplice ed economica è quella di prospettare il problema a ditte specializzate che operano da molto tempo nel settore.
