特种加工技术---第四章：电化学加工.pptVIP

* §第四章 电化学加工 Electrochemical Machining 按照电化学加工的技术原理，可以分为： 1 电解加工：基于金属阳极的电化学溶解原理来去除多余 材料的减材制造工艺。 2 电镀、涂镀加工：基于金属阳离子的阴极电沉积原理的一 种增材制造工艺。 第一节 电化学加工原理及分类 一、电化学加工的基本原理 1 电化学加工过程 阳极铜片 阴极铜片 CuCl2 电解液中的电化学反应原理图 2 电解质溶液 凡是溶于水后能导电的物质称为电解质，电解质的水溶液 即为电解质溶液。 酸性电解质溶液 碱性电解质溶液 中性电解质溶液 3 电极电位 考虑如下两种实验场景 ZnSO4 Zn CuSO4 Cu 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， 它是金属在本身的盐溶液的溶解和沉积相平衡时的电位差，也称 平衡电极电位，其大小与金属的活泼性有关。 到目前为止，一种金属和它的盐溶液之间双电层的电极电位 还不能直接测定，但是可以用盐桥的办法测出两种不同电极 之间的电位差，生产实践中规定采用一种电极作标准和其他 电极比较得出相对值，称为标准电极电位。 通常采用标准氢电极为基准，人为规定它的电极电位为零。 课本P79页列出了多种元素的标准电极电位。即在25?C时，把 金属放在此金属离子的有效质量份数为1g/L的溶液中，此金属 的电极电位与标准氢电极的电极电位之差，用U0表示。 结论：金属越活泼，其标准电极电位的代数值就越小，反之， 金属越不活泼，其标准电极电位的代数值就越大。 当金属离子的有效质量分数发生变化时，电极电位也随之 发生变化。 “能斯特”公式： n: 金属电化学反应的化合价； a：离子的有效质量分数； 引出问题： 金属浸入其他任何电解液时会产生双电层和电位差吗？ 考虑如下的实验场景 铁片 铜片 NaCl e 阳极铁片 阴极铜片 NaCl e e 4 电极的极化 在电化学过程中通常发生两种极化现象：浓差极化和电化学极化 1）浓差极化：在电化学反应过程中，阳极金属不断溶解的条件之 一是生成的金属离子需要越过双电层，再向外迁移并扩散。然而， 离子迁移扩散的速度是有一定限度的。在外电场的作用下，如果 阳极表面的液层中的金属离子迁移扩散的速度较慢而来不及扩散 到溶液中去，就会在阳极表面造成离子堆积，引起电位值增大 （代数值增大），这就是浓差极化。 阳极铁片 阴极铜片 NaCl e e 在阴极上，由于水化离子的移动速度很快，因此阴极的浓差极化 很小，在电化学加工过程中一般不予考虑。 消除浓差极化的措施： 一般说来，凡是能加速阳极表面金属离子扩散与迁移的措施都能 在一定程度上改善浓差极化。 提高电解液的流动速度增加搅拌效果； 提高电解液的温度； 5 金属的钝化和活化 在电解加工中经常出现一种钝化现象，使得电解速度减慢。 例如，铁在硝酸钠溶液中电解时，如果极间间隙达到一定数值 后，铁的溶解速度就会显著下降，这就是钝化。 钝化形成的原因：金属与溶液作用后在金属表面形成了一层紧密 的极薄的膜，通常是由氧化物、氢氧化物或盐组成，从而使金属 表面失去了原来具有的活泼性质，使其溶解过程变慢。 使金属钝化膜破坏的过程称为活化。金属活化后，新鲜的金属 表面露出，可以进一步的参与电解过程，从而使加工速度提高。 二 电化学加工的分类 第一类 电解加工 第二类 电镀，涂镀和电铸加工 第三类 电化学与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺， 例如 电解磨削，超声电解等 第二节 电解加工 一 电解加工的过程及特点 ▲ 工具 工件 电解液 - + 电解加工原理图 电解加工的特点： 1 加工范围广； 2 电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5-10倍； 3 表面质量良好，可以达到Ra1.25-2.5um和±0.1mm的加工精度; 4 由于加工中不存在机械切削力，因此不会产生因切削力引起 的残余应力和变形，也不会存在飞边和毛刺； 5 加工中工具阴极在理论上不会损耗，可长期使用； 电解加工的局限性： 1 不易达到较高的精度和稳定性； 2 工具电极（阴极）的设计制造很困难，不适合单件小批量生产； 3 电解加工附属设备较多，占地面积大，加工机床较贵； 4 电解产物需要妥善处理，否则会污染环境； 我国的一些专家提出选用电解工艺的三原则：1）适合于难加工 材料；2)适合于相对复杂零件的加工；3）适合于批量较大的工件 加工；上述三原则都满足时，电解加工工艺比较合理。 二 电解加工的电极反应 电解加工的电极反应相当复杂，而且影响因素众多。 1 电极反应 以NaCl溶液电解加工铁基合金为例，来讲述电解加工的电极反应 阳极反应 发生氧化反应 阴极反应 2 电解加工过程的电能利用 阴极 阳极 电源电压 阴极极化电压 阳极极化电压 欧姆