特種加工 第四章.ppt

1、第四章 電化學(xué)加工 Electrochemical Machining, ECM 第一節(jié) 電化學(xué)加工原理及分類 第二節(jié) 電解加工 第三節(jié) 電解磨削 第四節(jié) 電鑄、涂鍍及復(fù)合鍍加工,一、電化學(xué)加工的基本原理 （一）電化學(xué)加工過(guò)程 （二）電解質(zhì)溶液 （三）電極電位 （四）電極的極化 （五）金屬的鈍化和活化,一、電化學(xué)加工的基本原理 （一）電化學(xué)加工過(guò)程 電荷遷移 電化學(xué)反應(yīng) 陽(yáng)極溶解 陰極沉積 電化學(xué)加工,任何兩種不同的金屬放入任何導(dǎo)電的水溶液中，即使沒(méi)有外加電場(chǎng)，自身將成為“原電池”。,（二）電解質(zhì)溶液 凡溶于水后能導(dǎo)電的物質(zhì)叫做電解質(zhì)。電解質(zhì)與水形成的溶液稱為電解質(zhì)溶液，簡(jiǎn)稱電解液。 NaCl

2、NaCl 強(qiáng)電解質(zhì) 弱電解質(zhì) NH3 CH3COOH 電中性,（三）電極電位,由于雙電層的存在，在正、負(fù)電層之間，也就是金屬和電解液之間形成電位差。產(chǎn)生在金屬和它的鹽溶液之間的電位差稱為金屬的電極電位，因?yàn)樗墙饘僭诒旧睇}溶液中的溶解和沉積相平衡的電位差，所以又稱為平衡電極電位。,到目前為止，一種金屬和其鹽溶液之間雙電層的電位差還不能直接測(cè)量，但是可用鹽橋的辦法測(cè)出兩種不同電極間的電位之差，生產(chǎn)實(shí)踐中規(guī)定采用一種電極作標(biāo)準(zhǔn)和其他電極比較得出相對(duì)值，稱為標(biāo)準(zhǔn)電位電極。,標(biāo)準(zhǔn)電極電位是以標(biāo)準(zhǔn)氫原子作為參比電極，即氫的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值定為0，與氫標(biāo)準(zhǔn)電極比較，電位較高的為正，電位較低者為負(fù)。如氫的標(biāo)準(zhǔn)

3、電極電位H2H+ 為0.000V，鋅標(biāo)準(zhǔn)電極電位Zn Zn2+ 為-0.762V,銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位Cu Cu2+為+0.337V。 金屬浸在只含有該金屬鹽的電解溶液中，達(dá)到平衡時(shí)所具有的電極電位，叫做該金屬的平衡電極電位。當(dāng)溫度為25，金屬離子的有效濃度為1mol/L（即活度為1）時(shí)測(cè)得的平衡電位，叫做標(biāo)準(zhǔn)電極電位。 離子活度又稱為離子的有效濃度。a=fc c為實(shí)際離子濃度，f為活度系數(shù)。,當(dāng)有效離子濃度改變時(shí)，電極電位也隨著改變，可用“能斯特公式”換算， 上式中E表示平衡電極電位差，E0表示標(biāo)準(zhǔn)電極電位差，R和F分別表示氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，n為參與電極反應(yīng)的電子數(shù)。1889年

4、由Nernst（德）提出，故名。,（四）電極的極化 當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，電極的平衡狀態(tài)遭到破壞，使陽(yáng)極的電極電位向正移（代數(shù)值增大）、陰極的電極電位向負(fù)移（代數(shù)值減?。?，這種現(xiàn)象稱為極化。 極化后的電極電位與平衡電位的差值稱為超電位。 在電解過(guò)程中若離子的擴(kuò)散、遷移步驟緩慢而引起電極極化稱濃差極化，由于電化學(xué)反應(yīng)緩慢而引起的電極極化成為電化學(xué)極化。,1.濃差極化 在外電場(chǎng)的作用下，如果陽(yáng)極表面液層中金屬離子的擴(kuò)散與遷移速度較慢，來(lái)不及擴(kuò)散到溶液中去，使陽(yáng)極表面造成金屬離子堆積，引起了電位值增大，這就是濃差極化。 在陰極上，由于水化氫離子的移動(dòng)速度很快，一般情況下，陰極上氫的濃差極化是很小的。濃差極

5、化主要產(chǎn)生在陽(yáng)極上。,凡能加速電極表面離子的擴(kuò)散與遷移速度的措施，都能使?jié)獠顦O化減少，例如提高電解液流速以增強(qiáng)其攪拌作用，升高電解液溫度等。,電化學(xué)極化主要發(fā)生在陰極上，從電源流入的電子來(lái)不及轉(zhuǎn)移給電解液中的氫離子，因而在陰極上積累過(guò)多的電子，使陰極電位向負(fù)移，從而形成了電化學(xué)極化。 在陽(yáng)極上，金屬溶解過(guò)程的電化學(xué)極化一般是很小的，但當(dāng)陽(yáng)極上產(chǎn)生析氧反應(yīng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的電化學(xué)極化。,電解液的流速對(duì)電化學(xué)極化幾乎沒(méi)有影響，電化學(xué)極化僅僅取決于反應(yīng)本身，即取決于電極材料和電解液成分，此外還與溫度、電流密度有關(guān)。溫度升高，反應(yīng)速度加快，電化學(xué)極化減小。電流密度愈高，電化學(xué)極化越嚴(yán)重。,（五）金

6、屬的鈍化和活化 在電解加工過(guò)程中還有一種叫做鈍化的現(xiàn)象，它使金屬陽(yáng)極溶解過(guò)程的超電位升高，使電解速度減慢。電解過(guò)程中的這種現(xiàn)象稱陽(yáng)極鈍化（電化學(xué)鈍化），簡(jiǎn)稱鈍化。 成相理論 吸附理論,使金屬鈍化膜破壞的過(guò)程稱為活化。引起活化的因素很多。例如：把溶液加熱、通入還原性氣體或加入某些活性離子等，也可以采用機(jī)械辦法破壞鈍化膜。 把電解液加熱可以引起活化，但溫度過(guò)高會(huì)使電解液蒸發(fā)過(guò)快，絕緣材料膨脹、軟化和損壞等，因此只能在一定溫度范圍內(nèi)使用。,在使金屬活化的多種手段中，以氯離子的作用最為引人注目。Cl具有很強(qiáng)的活化能力，這是因?yàn)镃l對(duì)大多數(shù)金屬親和力比氧大， Cl吸附在電極上使鈍化膜中的氧排出，從而使金

7、屬表面活化。,二、電化學(xué)加工的分類,第一類： 1.電解加工（陽(yáng)極溶解）：用于形狀、尺寸加工 2.電解拋光（陽(yáng)極溶解）：用于表面加工，去毛 刺,第二類： 1. 電鍍（陰極沉積）：用于表面加工，裝飾 2.局部涂鍍（陰極沉積）：用于表面加工，尺寸修復(fù) 3.復(fù)合電鍍（陰極沉積）：用于表面加工，磨具制造 4. 電鑄（陰極沉積）：用于制造復(fù)雜形狀的電極，復(fù)制精密、復(fù)雜的花紋模具,第三類： 1.電解磨削，包括電解珩磨、電解研磨（陽(yáng)極溶解，機(jī)械刮除）：用于形狀、尺寸加工，超精、光整加工，鏡面加工 2.電解電火花復(fù)合加工（陽(yáng)極溶解、電火花蝕除）：用于形狀、尺寸加工 3.電化學(xué)陽(yáng)極機(jī)械加工（陽(yáng)極溶解、電火花蝕除、

8、機(jī)械刮除）：用于形狀、尺寸加工，高速切斷、下料,第二節(jié) 電解加工 一、電解加工過(guò)程及其特點(diǎn) 電解加工是利用金屬陽(yáng)極的電化學(xué)溶解原理來(lái)去除金屬的。 電解拋光 距離較大 電解液靜止不動(dòng) 形狀 尺寸 加工時(shí)，工件接直流電源的正極，工具接負(fù)極，兩極間保持一個(gè)較小的間隙，間隙內(nèi)通入具有一定壓力并高速流動(dòng)的電解液，用以沖走電解產(chǎn)物。通電后，兩極間就形成電場(chǎng)，隨著工件陰極的不斷進(jìn)給，陽(yáng)極就不斷溶解，最后獲得所需要的工件形狀。,電解加工的優(yōu)點(diǎn)： 1)加工范圍廣，不受金屬材料本身力學(xué)性能的限制。 2)生產(chǎn)率較高，約為電火花加工的510倍，在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗

9、糙度的限制。 3)可以達(dá)到較好的表面粗糙度（Ra1.250.2m）和0.1mm左右的平均加工精度。 4)由于加工過(guò)程中不存在機(jī)械切削力，所以不會(huì)產(chǎn)生由切削力所引起的殘余應(yīng)力和變形，沒(méi)有飛邊毛刺。 5)加工過(guò)程中陰極工具在理論上不會(huì)損耗，可長(zhǎng)期使用。,電解加工的缺點(diǎn)： 1)不易達(dá)到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。 2)電極工具的設(shè)計(jì)和修正比較麻煩，因而很難適用于單件生產(chǎn)。 3)電解加工的附屬設(shè)備較多，占地面積較大，機(jī)床要有足夠的剛性和防腐性能，造價(jià)較高。一次性投資較大。 4)電解產(chǎn)物需進(jìn)行妥善處理，否則將污染環(huán)境。此外，工作液及其蒸氣還會(huì)對(duì)機(jī)床、電源、甚至廠房造成腐蝕，也需要注意防護(hù)。,選用電解加工

10、工藝的三原則： 1、難加工材料的加工 2、形狀相對(duì)復(fù)雜零件的加工 3、大批量零件的加工,二、電解加工時(shí)的電極反應(yīng) （一）鋼在NaCl水溶液中電解的電極反應(yīng) （1）陽(yáng)極反應(yīng) Fe2eFe2+ U=0.59V Fe3eFe3+ U=0.323V 4OH4eO2 U=0.867V 2Cl2eCl2 U=1.334V Fe22OHFe(OH)2（墨綠色） Fe(OH)22H2OO24Fe(OH)3（黃褐色）,（2）陰極反應(yīng) 2H2eH2 U0.42V NaeNa U2.69V NaCl本身不消耗 壽命長(zhǎng) 用電解加工法加工合金鋼時(shí)，若鋼中各合金元素的平衡電極電位相差較大，則電解加工后表面粗糙度將變大。就

11、碳鋼而言，隨著鋼中含碳量的增加，加工后表面粗糙度將變大。這是又由于鋼中存在 Fe3C相，其電極電位與石墨的平衡電位接近。 高碳鋼、鑄鐵或經(jīng)表面滲碳后的零件不適于電解加工。,（二）電解加工過(guò)程中的電能利用,如果極化程度不大，陽(yáng)極電極電位比溶液中所有陰離子的電極電位低的多，則金屬的溶解是唯一的陽(yáng)極反應(yīng)，電流大部分用于金屬溶解，電流效率接近100。 若陽(yáng)極極化比較嚴(yán)重，以致電極電位與溶液中的某些陰離子相差不多，則電流除用于陽(yáng)極溶解以外，還消耗于一些副反應(yīng)，電流效率將低于100。 若陽(yáng)極極化十分嚴(yán)重，陽(yáng)極的電極電位高于溶液中的某些陰離子，則陽(yáng)極就不會(huì)溶解，陽(yáng)極反應(yīng)將主要是電極電位最低的某種陰離子的氧化反應(yīng)，這時(shí)的電流效率為零。,一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)用氯化鈉電解液加工鐵基合金時(shí)，電流效率為95100，加工鎳基合金和鈦合金時(shí)電流效率為7085。當(dāng)采用NaNO3、NaClO3等電解液加工時(shí)，電流效率隨電流密度、電解液的濃度和溫度劇烈變化。,作業(yè),