电化学加工精要.ppt

§第四章 电化学加工 Electrochemical Machining 包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。虽然有关的基本理论在 19 世纪未已经建立 , 但真正在工业上得到大规模应用 , 还是 20 世纪 30~50 年代以后的事。目前 , 电化学加工已经成为我国民用、国防工业中的一个不可或缺的加工手段。 第一节 电化学加工的原理及分类 当两铜片接上约10V的直流电源并插入CuCl2 的水溶液中(此水溶液中含有OH- 和CI-负离子及H+和Cu+正离子),即形成通路。导线和溶液中均有电流流过。在金属片(电极)和溶液的界面上,必定有交换电子的反应,即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动,Cu2+正离子移向阴极,在阴极上得到电子而进行还原反应,沉积出铜。 在阳极 表面 Cu 原子失掉电子而成为 Cu2+ 正离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称之为电化学反应,利用这种电化学作用为基础对金属进行加工 图4.1中阳极上为电解蚀除,阴极上为电镀沉积,常用以提炼纯Cu 的方法即电化学加工 , 其实任何两种不同的金属放入任何导电的水溶液中 , 在电场作用 下 , 都会有类似情况发生。与这一反应过程密切相关的概念有电解质溶液 , 电极电位、电极的极化、钝化、活化等。 凡溶于水后能导电的物质叫做电解质 , 如盐酸 (HCl) 、硫酸 (H2S04) 、氢氧化钠(NaOH) 、氢氧化铵(NH40H)、食盐 (NaCl) 、硝酸纳 (NaNO3) 、氯酸纳 (NaC103) 等酸、 碱、盐都是电解质。电解质与水形成的溶液为电解质溶液简称为电解液。电解液中所含电解质的多少即为电解液的质量分数。 由于水分子是极性分子 , 可以和其它带电的粒子发生微观静电作用。例如 NaC1, 它是 一种电解质 , 是结晶体。组成 NaCl 晶体的粒子不是分子 , 而是相间排列的 Na+ 离子和 Cl- 离 子 , 叫做离子型晶体。把它放到水里 , 就会产生电离作用。这种作用使 Na+ 和Cl-离子之间的静电作用减弱 , 大约只有原来静电作用的1/80 。 ( 二 ) 电解质溶液 因此、Na+ 、 CI- 离子一个个、一层层地 被水分子拉人溶液中。在这种电解质水溶液中 , 每个纳离子和每个氯离子周围均吸引着一些水分子 , 成为水化离子 , 这过程称为电解质的电离 , 其电离方程式简写为 NaCl → Na++ Cl- ( 二 ) 电解质溶液 NaCl 在水中能 100% 电离 , 称为强电解质。强酸、强碱和大多数盐类都是强电解质 , 它 们在水中都完全电离。弱电解质如铵 (NH3) 、醋酸 (CH3COOH) 等在水中仅小部分电离成 离子 , 大部分仍以分子状态存在 , 水也是弱电解质 , 它本身也能微弱地离解为正的氢离子(H+) 和负的氢氧根离子 (OH-), 导电能力都很弱由于溶液中正负离子的电荷相等 , 所以整个溶液仍保持电的中性。 ( 三 ) 电极电位 因为金属原子都是由内层为带正电荷的金属阳离子所组成的。即使没有外接电源,当金属和它的盐溶液接触时,经常发生把电子交给溶液中的离子,或从后者得到电子的现象。这样,当金属上有多余的电子而带负电时,溶液中靠近金属表面很薄的一层则有多余的金属离子而带正电。随着由金属表面进入溶液的金属离子数目增加,金属上负电荷增加,溶液中正电荷增加,由于静电引力作用,金属离子的溶解速度逐渐减慢 , ( 三 ) 电极电位 与此同时,溶液中的金属离子亦有沉积到金属表面上去的趋向,随着金属表面负电荷增多 ,溶液中金属离子返回金属表面的速度逐渐增加，最后这两种相反的过程达到动态平衡。 对化学性能比较活泼的金属(如铁 ),其表面带负电 , 溶液带正电 , 形成一层极薄的“双电层 ”,如图4.3所示,金属愈活泼，这种倾向愈大。 ( 三 ) 电极电位 在给定溶液中建立起来的双电层 , 除了受静电作用外 , 由于离子的热运动 , 使双电层的离子层获得了分散的构造 , 如图 4.3 所示。只有在界面上极薄的一层 , 具有较大的电位差 UO ( 三 ) 电极电位 由于双电层的存在 , 在正、负电层之间 , 也就是金属和电解液之间形成电位差。产生在金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极电位 ,因为它是金属在本身盐溶液中的溶解和沉积相平衡时的电位差 ,所以又称为平衡电极电位。 ( 三 ) 电极电位 ( 三 ) 电极电位 ( 三 ) 电极电位 ( 三 ) 电极电位 当离子质量分数改变时 , 电极电位也随着改变 , 可用 “ 能斯特公式 ” 换算 U’=U0±0.059/n㏒10a U’---平衡电极电位差 U0--