电化学加工技术

1037 电化学加工技术早在1834年，法拉弟就觉察了金属阳机溶解的根本定律，为电解加工奠定了理2020WladimirGusseff提出将金属阳极溶解原理1956段。电化学加工原理及分类电化学加工原理当两铜片接上约10V的直流电源并插入CuCl2的水溶液中(此水溶液中含有OH—和Cl—负离子及H+和Cu+2正离子)，如图7-1所示，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响，即电化学反响。溶Cu+沉积出铜。在阳极外表Cu原子失掉电子而成为Cu+2正7-1电解液中的电化学反响1——阳极2——阴极离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极外表发生得失电子的化学反响称之为电化学反响，利用这种电化学作用为根底对金7-1电解液中的电化学反响1——阳极2——阴极凡溶于水后能导电的物质均叫做电解质，如盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化铵(NH4OH)、食盐(NaCl)、硝酸钠(NaNO3)、氯酸钠(NaClO3)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。由于水分于是极性分子，可以和其它带电的粒子发生微观静电作用。例如NaCl，它是一种电解质，是结晶体。组成NaCI晶体的粒子不是分子，而是相间排列的Na+离子和C1—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。因此，Na+、Cl—离离方程式简写为NaClNaClNaCl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。弱电解质如氨(NH3)、醋酸(CH3COOH)等在水中仅小部为正的氢离子和负的氢氧根离子，导电力气都很弱。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。由于金属原子都是由外层带负电荷的自由电子和带正电荷的金属阳离子所组成最终这两种相反的过程到达动态平衡。对化学性能比较活泼的金属(如铁)，其外表带7-2所示，金属愈活泼，这种倾向愈大。假设金属离子在金属上的能存在于金属晶体中比在溶液中近金属外表的溶液薄层带负电，7-3所示。金属愈不活泼则此种倾向也愈图7-2活泼金属的双电层 图7-3不活泼金属的双电层大。U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7-4所示。只有在界面上极薄的一层，具有较大的电位差。Ua

分散层电位差7-4双电层的电位分布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。也随着转变。双电层和电位差。用任何两种金属例如Fe和Cu插入某一电解液(如NaCl中时，该两金属外表分别与电解液形成双电层，两金属之间存在确定的电位差，其中较活泼的金属Fe的电位负于较不活泼的金属Cu均处于可逆的平衡状态。当两金属电极间有导线接通时，即有电流流过，成为一个原一端向CuFe原子成为Fe离子而连续溶入电解液，Fe一端称为原电池的阳极。这种自发的溶解过程是很慢的。阴极快速供给电子，加速阴极反响。图中e为电子流淌的方向，i为电流的方向。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，随着电流密度的增加，超电位也增加。缓慢而引起的电极极化称为电化学极化。l.浓差极化在阳极过程中，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，再向外迁移并集中。然而集中与迁移的速度是有确定限度的，在外电场的作用下，假设阳极外表液层中金属离子的集中与迁移速度较慢，来不及集中到溶液中去，使阳极外表小的。高电解液流速以增加其搅拌作用，上升电解液温度等。2.电化学极化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H+化。时，就会产生相当严峻的电化学极化。化学极化减小。电流密度愈高，电化学极化也愈严峻。在电解加工过程中还有一种叫钝化的现象，它使金属阳极溶解过程的超电位升高，使电解速度减慢。例如铁基合金在硝酸钠(NaNO3)电解液中电解时，电流密度增稳定状态不再溶解。电解过程中的这种现象称阳极钝化(电化学钝化)，简称钝化。吸附着氧原子或氧离子。削就是利用了这一原理。绝缘材料的膨胀、软化和损坏等，固此只能在确定温度范围内使用。使金属活化的多种手段中，以氯离子(Cl—)的作用最引人留意。Cl—具有很强的活化力气，这是由于Cl—Cl—吸附在电极上使钝化膜中的氧排出，从而使金属外表活化。电解加工中承受NaCl电解液时生产率高就是这个道理。电化学加工的分类1类是利用电化学阳极溶解来进展加工，主要有电解加工、电解抛光等；第2类是利用电化学阴极沉积、涂覆进展加工，主要有电镀、涂镀、电铸等；第3类是利用，电化学加工与其它加工方法相结合的电阳极机械加工(还包含有电火花放电作用)。其分类状况如表7-1所示。类别 加工方法〔及原理〕电解加工(阳极溶解类别 加工方法〔及原理〕电解加工(阳极溶解)1电解抛光(阳极溶解)电镀(阴极沉积)局部涂覆(阴极沉积)2复合电镀(阴极沉积)电铸(阴极沉积)电解磨削(阳极溶解、机械刮削)3 电解电火花复合加工(阳极溶解、电火花蚀除)加工类型用于外形、尺寸加工用于外表加工，装饰用于制造简洁外形电极，复制周密、简洁的花纹模用于外形、尺寸加工电化学阳极机械加工(阳极溶解、火花蚀除、机械刮削)用于外形、尺寸加工、高速切断、下料电化学加工的特点锈是其另一缺点。电解加工不能有选择地腐蚀成所需要的零件外形和尺寸。电解加工原理及特点7-5电化学加工原理示意图电解加工是在电解抛光的根底上进展起来的。电解加工原理如图7-5所示。电解液由泵送到工具和工件之间的狭小间隙，该间隙(0.1~0.5mm)5～50m/s的速度流经它们的初始间隙时，假设工件接直流电源(10~20V)7-5电化学加工原理示意图度(0.5~3.0mm/min)的电流密度为25~50A/cm2，在加工大面积时，全部加工电流可达10000~40000A。7-6电解加工成型原理电解加工成型模型如图7-6所示，图中的细竖线表示通过阴极(工具)与阳极(工件7-6电解加工成型原理在加工刚开头时，阴极与阳极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也常较高，阳极溶解速度也就较快，见图7-6a。由于工具相对工件不断进给，工件外表就不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件外表形成与阴极工作面根本相像的外形为止，如图7-6b所示。特点：加上范围广，不受金属材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火种简洁型面。电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5～10倍，在某些状况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直承受加工精度和外表粗糙度的限制。可以到达较好的外表粗糙度(Ra1.25~0.2 m)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剩余应力和变形，没有飞边毛刺。5)加工过程中阴极工具在理论上不会耗损，可长期使用。电解加工的主要弱点和局限性为；不易到达较高的加工精度和加工稳定性．这是由于影响电解加工间隙电场和孔和窄缝还比较困难。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。造价较高。对电解加工而言，一次性投资较大。电解产物需进展妥当处理，否则将污染环境。例如重金属Cr+6离子及各种金属气还会对机床、电源、甚至厂房造成腐蚀，也需要留意防护。成为摆在人们面前的一个重要问题。我国的一些专家提出选用电解加工工艺的三原电解加工比较合理。电解加工机理一、电解加工时的电极反响有影响，现以在NaCI水溶液中电解加工铁基合金为例分析电极反响。电解加工钢件时，常用的电解液是质量分数为14％~18％的NaCI水溶液，由于NaCI和水(H2O)的离解，在电解液中存在着H+、OH—、Na+、CI—四种离于，现分别讨论其阳极反响及阴极反响。阳极反响(公式7-1)计算出电极电位U’作为分析时参考。U”U0

0.059n

lga 〔7-1〕式中U’——平衡电极电位差〔V〕；U0——标准电极电位差〔V〕；n——电极反响得失电子数，即离子价数；a——离子的有效质量浓度。式中“+”号用于计算金属，“－”号用于计算非金属阳极外表每个铁原子在外电源作用下放出(被夺去)二价或三价铁离于而溶解进入电解液中。FeeFe2 U0.5VFeeFe3 U0.32V负的氢氧根离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氧气：O2

U0.86V负的氯离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氯气：CleCl2 U1.33VFe+2Fe+3的形式溶解，更不行能析出氧气和氯气。溶入电解液中的Fe+2又与OH－离子化合，生成Fe(OH)2，由于它在水溶液中的溶解度很小，故生成沉淀而离开反响系统Fe22OHFe(OH) 23 Fe(OH)2沉淀为墨绿色的絮状物，随着电解液的流淌而被带走。Fe(OH)2又渐渐为电解液中及空气中的氧气氧化为Fe(OH)。Fe(OH)3 4Fe(OH) 2HOO 4Fe(OH) 2 2 2 3阴极反响就可能性而言，阴极上可能发生如下反响：正的氢离子被吸引到阴极外表从电源得到电子而析出氢气2HeH U0.4V2正的钠离子被吸引到阴极外表，得到电子而析出NaNaeNa U2.6V极上只能是析出氢气，而不行能沉淀出钠。由此可见，电解加工过程中，在抱负状况下，阳极铁不断以Fe+2的形式被溶解，本身并不消耗，所以NaCI电解液的使用寿命长，只要过滤干净，适当添加水分，可长期使用。粗糙度值将变大。这是由于钢中存在Fe3C相，其电极电位接于石墨的平衡电位(U＝+0.37V)而很难电解。所以，高碳钢、铸铁或经外表渗碳后的零件均不适用于电解加工。7-7电解加工间隙内的电压安排7-7电解加工间隙内的电压安排1—阳极2—阴极Ua—阳极压降U—阴极压降cU—欧姆压降R欲在两极间形成确定加工电流使阳极到达较高的溶解速度，加工电压U要大于或等于(UR＝IR)；另一局部是进展阳极反响和阴极反响所必需的电压(Ua、Uc)，它由阴阳两极本身的电极电位和极化产生的7-7所a 示。当加工电压U等于或小于两极的电极反响所需的电压U及Ua U U a c加工以下几种材料时，相应的电极反响电压数值如下：铁基合金 0~1V；镍基合金 1~3V；钛合金 4~6V(例如20V)，其中的5％~3070％~95％的电压用以得多，则金属的溶解是唯一的阳极反响，电流大部用于金属溶解，电流效率接近100用于阳极溶解以外，还消耗于一些副反响，电流效率将低于100％。假设阳极极化格外＝95％～100％。加工镍基合金和钛合金的电流效率＝70％～85％。当承受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猛烈变化。电解加工设备一、直流电源电解加工中常用的直流电源为硅整流电源及晶闸管整流电源。硅整流电源中先用变压器把380V抗器调压；②自饱和式电抗器调压；③晶闸管调压。铁材料，也削减了电源的功率损耗。同时，晶闸管是无惯性元件，把握速度快，灵敏度高，有利于进展自动把握和火花保护。其缺点是抗过载力气差，较易损坏。脉冲电源。由于电解加工承受大电流，因而都承受晶闸管脉冲电源。二、机床源和电解液系统。它与—般金属切削机床相比，有其特别性，这些特别要求是：机床的刚性电解加工虽然没有机械切削力，但电解液有很高的压强，假设20~40kN。因变形，转变工具阴极和工件的相互位置，甚至造成短路烧伤。〔电极进给把握〕金属的阳极溶解量是与时间成正比的，进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响到加工精度。这对内孔、膛线、花键等的等截面零件加工的影响更为严峻，所以电解加工机床必需保证进给速度的稳定性。防腐绝缘电解加工机床常常与有腐蚀性的电解液相接触，故必需实行相应安全措施电解加工过程中产生大量的氢气，如不准时排解，可能因短路引它们集中并准时排解。三、工具及电解液阴极工具对加工后零件的外表粗糙度也有影响。钢、镍铜合金等。7-8的是冷锻和电镀成型。7-8电解液系统电解液系统在电化学加工中是必不行少的7-8所示。用于电化学加工的以密封与防腐比较简洁实现，故使用周期长。将堵塞加工间隙，引起局部短路，故对电解液的净化是格外必要的。电解液的净化方法很多，用得比较广泛的是自然沉淀法。由于金属氢氧化物是成沉淀面积，才能获得好的效果。100一200#效果好，制造和更换简洁。实践证明，电解加工中最有害的不是氢氧化物沉淀，而是一些固体杂质小屑或腐蚀冲刷下来的金属晶粒，必需将它们滤除。速高时，过滤效果好，但排渣比较麻烦，且噪声大，故很少应用。电解液在电解加工过程中，电解液的主要作用是：①作为导电介质接通工具与工件之间的电路，传递电流；②在电场作用下进展电化学反响，使阳极溶解能顺当而有把握的电解液对电解加工的各项工艺指标有很大影响。对电解液的根本要求具有足够的蚀除速度即生产率要高，这就要求电解质在溶液中有较高的溶解度和离解度，具有很高的电导率。例如NaCI水溶液中NaCI几乎能完全离解为Na+、Cl—离子，并与水的H+、OH—离子能共存。另外，电解液中所含的阴离子应具有较正的标准电位，如Cl—，ClO3—等，以免在阳极上产生析氧等副反响，降低电流效率。具有较高的加工精度和外表质量 电解液中的金属阳离子不应在阴极上产生中所含金属阳离子必需具有较负的标准电极电位(U0<-2V)，如Na+、K+等。当加工精度和外表质量要求较高时，应选择杂散腐蚀小的钝性电解液。阳极反响的最终产物应是不溶性的化合物这主要是便于处理，且不会使阳不溶性的阳极产物堵塞加工间隙而提出的。操作安全；对设备的腐蚀性小以及价格廉价等。三种常用电解液使用时较安全。故应用最普遍。最常用的有NaCI、NaNO3，NaCIO3三种电解液。氯化钠电解液中含有活性CI－离子，阳极工件外表不易生成钝化膜，所以具有较大的蚀除速度，而且没有或很少有析氧等副反响，电流效率高，加工外表粗糙度值也小。NaCl是强电解质，在水溶液中几乎完全电离，导电力气强，而且适用范围广，价格廉价，货源充分，所以是应用最广泛的一种电解液。NaCINaCI电解液的质量分数常在20％以内，一般为14％～18％，当要求较高的复制精度时，可承受较低的质量分数(5％～10％)，以削减杂散腐蚀。常用的电解液温度为25～35℃，但加工钛合金时，必需在40℃以上。33 3 NaNO3和NaCIO电解液是钝化型电解液，〔钝化型电解液见文献[1]81页〕。因NaNO和NaCIO33 3 3 和NaCIONaCIO3 电解加工的根本规律一、生产率及其影响因素电解加工的生产率，以单位时间内去除的金属量来衡量，用mm3/min或g/min表参数也有很大的影响。金属的电化学当量I和电解时间t成正比，用公式符号表示如下：mKIt (7-2)VIt (7-3)式中m——电极上溶解或析出物质的质量(g)V——电极上溶解或析出物质的体积(mm3)K——被电解物质的质量电化学当量(g/A.h)ω——被电解物质的体积电化学当量(mm3/A.h)I——电解电流(A)t——电解时间(h)。论上不受电解液浓度、温度、压力、电极材料、外形等因素的影响。这从机理上不难理解，由于电极上物质之所以能产生溶解或析出等电化学反响，就是由于电极和电解液间有电子得失交换，因此电化学反响的量必定和电子得失的数量成正比，而和其它(7-2)(7-3)计算时，应考虑到实际电解加工时阳极还可能消灭其它诸如析出氧、氯气体等，生成某些薄膜计算时必需乘以电流效率η，即mKIt (7-4)VIt (7-5)表7-2列出了一些常用金属的电化学当量。假设工件金属的电化学当量，便可表7-2局部金属的体积电化学当量金属种类 密度表7-2局部金属的体积电化学当量金属种类 密度ρ〔g/cm3〕铝 2.71钨 19.2铁 7.86钴 8.86镁 1.74铜 8.93镍8.9622.05鉻7.1631.499原子价n体积电化学当量ω(mm3/A.min)32.151.222.2231.4822.0524.3714.4322.2231.95钼10.2341.561.031.366钛4.541.65160.749锌7.1422.847电流密度由于电流I为电流密度i与加工面积A的乘积，因此式(7-5)可以写成：ViAt (7-6)V可以用加工面积A与电解掉的金属厚度h的乘积表示，即V=Ah，而阳极金属的蚀除速度va

h/t，因此：v h/tV/Ati (7-7)a越高。电解价格时的平均电流密度约为10~100A/cm2，电解液压力和流速较高时，可使电解液温度过高，甚至在间隙内会造成沸腾气化而引起局部短路。量计算蚀除速度，必需推导蚀除速度和电极间隙大小、电压等关系。电极间隙大小和蚀除速度的关系蚀除速度就越高。设电极间隙为Δ，电极面积为A，电解液的电阻率ρ为电导率σ的倒数，则蚀除速度可以用下式计算v a

U R (7-8)式中UR为电解液的欧姆电压降〔V〕。上式说明蚀除速度v 与电流效率η、体积电化学当量ω、电导率σ、欧姆电压降aRU成正比，而与电极间隙Δ成反比，即电极间隙越小，工件被蚀除的速度将越大。但脏物堵死而引起短路。R降低，可按式(7-8)进展定量计算。式(7-8)经积分推导，可求得电解时间t和加工间隙的关系式：22Ut2R 0式中Δ0为起始间隙。二、精度成形规律电解加工的加工精度包括三方面的内容：①复制精度

(7-9)是设计阴极和选择工艺参数的根底。②确定精度于：a．加工间隙的大小及其均匀性；b．阴极的型面精度。③重复精度隙的稳定性，在某些状况下，还取决于工件和阴极的装夹误差。a．加工间隙的大小、均匀性和稳定性；b．工具阴极型面的精度和安装精度；c．加工装备系统和把握精度。三、加工外表质量电解加工的外表质量主要指工件外表粗糙度和外表层的物理机械性能。①对外表粗糙度的影响Ra0.16~1.25m解加工外表粗糙度的因素较多，主要有工件材料、工具电极、电解液等。工件材料的影响假设工件材料的成分较简洁、金相组织构造较疏松、粗大，大了加工工件的外表粗糙度。工具电极的影响可以说电解加工是一种反拷贝加工，工具电极外表凸峰电凸面。因此，工具电极外表粗糙度将直接影响加工外表粗糙度。电解液的影响假设电解液流速过低，电解产物和氢气不能准时冲掉，而滞留降低加工外表粗糙度。也影响表层的物理机械性能。②对表层物理机械性能的影响的完好性，而且不影响其机械性能，有时甚至可提高其外表机械性能。总之，影响电解加工外表质量的因素较多，且这些因素之间的关系又比较简洁。提高加工外表质量。电解加工的应用实例铣、切割等加工。有关具体资料可参阅文献[1]、[2]、[8]等。电解磨削电解磨削的根本原理和特点高的生产率。与电解磨削相近似的还有电解珩磨和电解研磨。图7-9所示的是电解磨削原理图。导电砂轮1与直流电源的阴极相联，被加工工件2(硬质合金车刀)3，在电解和机械磨削的双重作用下，车刀的后刀面很快就被磨光。 7-9电解磨削原理图1导电砂轮2工件3电解液7-10电解磨削加工过程原理图1磨粒2结合剂3工件4阳极薄膜5间隙及电解液图7-101为磨料砂粒，2为导电砂轮的结合剂铜或石墨，3为被加工工件，4为电解产物(阳极钝化薄膜)，间隙中被电解液5布满。电流从工件3通过电解液5而流