特种加工第四章PPT课件

1、一、电化学加工的基本原理（一）电化学加工过程 电荷迁移 电化学反应 阳极溶解 阴极沉积 电化学加工第1页/共35页 任何两种不同的金属放入任何导电的水溶液中，即使没有外加电场，自身将成为“原电池”。第2页/共35页（二）电解质溶液 凡溶于水后能导电的物质叫做电解质。电解质与水形成的溶液称为电解质溶液，简称电解液。NaClNaCl 强电解质 弱电解质 NH3 CH3COOH 电中性第3页/共35页（三）电极电位第4页/共35页 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的

2、电位差，所以又称为平衡电极电位。第5页/共35页 到目前为止，一种金属和其盐溶液之间双电层的电位差还不能直接测量，但是可用盐桥的办法测出两种不同电极间的电位之差，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，称为标准电位电极。第6页/共35页 标准电极电位是以标准氢原子作为参比电极，即氢的标准电极电位值定为0，与氢标准电极比较，电位较高的为正，电位较低者为负。如氢的标准电极电位H2H+ 为0.000V，锌标准电极电位Zn Zn2+ 为-0.762V,铜的标准电极电位Cu Cu2+为+0.337V。 金属浸在只含有该金属盐的电解溶液中，达到平衡时所具有的电极电位，叫做该金属的平衡电极

3、电位。当温度为25，金属离子的有效浓度为1mol/L（即活度为1）时测得的平衡电位，叫做标准电极电位。 离子活度又称为离子的有效浓度。a=fc c为实际离子浓度，f为活度系数。第7页/共35页 当有效离子浓度改变时，电极电位也随着改变，可用“能斯特公式”换算， 上式中E表示平衡电极电位差，E0表示标准电极电位差，R和F分别表示气体常数和法拉第常数，T是绝对温度，n为参与电极反应的电子数。1889年由Nernst（德）提出，故名。nFRTEE3026. 20第8页/共35页（四）电极的极化 当有电流通过时，电极的平衡状态遭到破坏，使阳极的电极电位向正移（代数值增大）、阴极的电极电位向负移（代数值

4、减小），这种现象称为极化。 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位。 在电解过程中若离子的扩散、迁移步骤缓慢而引起电极极化称浓差极化，由于电化学反应缓慢而引起的电极极化成为电化学极化。 第9页/共35页1.浓差极化 在外电场的作用下，如果阳极表面液层中金属离子的扩散与迁移速度较慢，来不及扩散到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起了电位值增大，这就是浓差极化。 在阴极上，由于水化氢离子的移动速度很快，一般情况下，阴极上氢的浓差极化是很小的。浓差极化主要产生在阳极上。 第10页/共35页 凡能加速电极表面离子的扩散与迁移速度的措施，都能使浓差极化减少，例如提高电解液流速以增强其搅拌作用，

5、升高电解液温度等。第11页/共35页 电化学极化主要发生在阴极上，从电源流入的电子来不及转移给电解液中的氢离子，因而在阴极上积累过多的电子，使阴极电位向负移，从而形成了电化学极化。 在阳极上，金属溶解过程的电化学极化一般是很小的，但当阳极上产生析氧反应时，就会产生相当严重的电化学极化。第12页/共35页 电解液的流速对电化学极化几乎没有影响，电化学极化仅仅取决于反应本身，即取决于电极材料和电解液成分，此外还与温度、电流密度有关。温度升高，反应速度加快，电化学极化减小。电流密度愈高，电化学极化越严重。第13页/共35页第14页/共35页（五）金属的钝化和活化 在电解加工过程中还有一种叫做钝化的现

6、象，它使金属阳极溶解过程的超电位升高，使电解速度减慢。电解过程中的这种现象称阳极钝化（电化学钝化），简称钝化。 成相理论 吸附理论第15页/共35页 使金属钝化膜破坏的过程称为活化。引起活化的因素很多。例如：把溶液加热、通入还原性气体或加入某些活性离子等，也可以采用机械办法破坏钝化膜。 把电解液加热可以引起活化，但温度过高会使电解液蒸发过快，绝缘材料膨胀、软化和损坏等，因此只能在一定温度范围内使用。第16页/共35页 在使金属活化的多种手段中，以氯离子的作用最为引人注目。Cl具有很强的活化能力，这是因为Cl对大多数金属亲和力比氧大， Cl吸附在电极上使钝化膜中的氧排出，从而使金属表面活化。第1

7、7页/共35页二、电化学加工的分类第一类：1.电解加工（阳极溶解）：用于形状、尺寸加工2.电解抛光（阳极溶解）：用于表面加工，去毛 刺第18页/共35页第二类：1. 电镀（阴极沉积）：用于表面加工，装饰2.局部涂镀（阴极沉积）：用于表面加工，尺寸修复3.复合电镀（阴极沉积）：用于表面加工，磨具制造4. 电铸（阴极沉积）：用于制造复杂形状的电极，复制精密、复杂的花纹模具第19页/共35页第三类：1.电解磨削，包括电解珩磨、电解研磨（阳极溶解，机械刮除）：用于形状、尺寸加工，超精、光整加工，镜面加工2.电解电火花复合加工（阳极溶解、电火花蚀除）：用于形状、尺寸加工3.电化学阳极机械加工（阳极溶解、

8、电火花蚀除、机械刮除）：用于形状、尺寸加工，高速切断、下料第20页/共35页第二节 电解加工一、电解加工过程及其特点 电解加工是利用金属阳极的电化学溶解原理来去除金属的。 电解抛光 距离较大 电解液静止不动 形状 尺寸 加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，两极间保持一个较小的间隙，间隙内通入具有一定压力并高速流动的电解液，用以冲走电解产物。通电后，两极间就形成电场，随着工件阴极的不断进给，阳极就不断溶解，最后获得所需要的工件形状。 第21页/共35页第22页/共35页第23页/共35页电解加工的优点： 1)加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制。 2)生产率较高，约为电火花加工的51

9、0倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 3)可以达到较好的表面粗糙度（Ra1.250.2m）和0.1mm左右的平均加工精度。 4)由于加工过程中不存在机械切削力，所以不会产生由切削力所引起的残余应力和变形，没有飞边毛刺。 5)加工过程中阴极工具在理论上不会损耗，可长期使用。第24页/共35页电解加工的缺点： 1)不易达到较高的加工精度和加工稳定性。 2)电极工具的设计和修正比较麻烦，因而很难适用于单件生产。 3)电解加工的附属设备较多，占地面积较大，机床要有足够的刚性和防腐性能，造价较高。一次性投资较大。 4)电解产物需进行妥善处理，否则将

10、污染环境。此外，工作液及其蒸气还会对机床、电源、甚至厂房造成腐蚀，也需要注意防护。第25页/共35页选用电解加工工艺的三原则： 1、难加工材料的加工 2、形状相对复杂零件的加工 3、大批量零件的加工第26页/共35页第27页/共35页二、电解加工时的电极反应（一）钢在NaCl水溶液中电解的电极反应（1）阳极反应 Fe2eFe2+ U=0.59V Fe3eFe3+ U=0.323V 4OH4eO2 U=0.867V 2Cl2eCl2 U=1.334V Fe22OHFe(OH)2（墨绿色） Fe(OH)22H2OO24Fe(OH)3（黄褐色）第28页/共35页（2）阴极反应 2H2eH2 U0.4

11、2V NaeNa U2.69V NaCl本身不消耗 寿命长 用电解加工法加工合金钢时，若钢中各合金元素的平衡电极电位相差较大，则电解加工后表面粗糙度将变大。就碳钢而言，随着钢中含碳量的增加，加工后表面粗糙度将变大。这是又由于钢中存在 Fe3C相，其电极电位与石墨的平衡电位接近。 高碳钢、铸铁或经表面渗碳后的零件不适于电解加工。第29页/共35页（二）电解加工过程中的电能利用第30页/共35页 如果极化程度不大，阳极电极电位比溶液中所有阴离子的电极电位低的多，则金属的溶解是唯一的阳极反应，电流大部分用于金属溶解，电流效率接近100。 若阳极极化比较严重，以致电极电位与溶液中的某些阴离子相差不多，则电流除用于阳极溶解以外，还消耗于一些副反应，电流效率将低于100。 若阳极极化十分严重，阳极的电极电位高于溶液中的某些阴离子，则阳极就不会溶解，阳极反应将主要是电极电位最低的某种阴离子的氧化反应，这时的电流效率为零。第31页/共35页 一般来说，当用氯化钠电解液加工铁基合金时，电流效率为95100，加工镍基合金和钛合金时电流效率为7085。当采用NaNO3、NaClO3等电解液加工时，电流效率随电流密度、电解液的浓度和温度剧烈变化。第32页/共35页作业1. 电解加工是利用什么原理使工件加工成形的？ 2.