7电化学加工技术.doc

电化学加工技术 早在1834年，法拉弟就发现了金属阳机溶解的基本定律，为电解加工奠定了理论基础。但导20世纪20年代，前苏联人Wladimir Gusseff提出将金属阳极溶解原理应用于零件制造的设想，并进行了初步试验。但由于当时的技术水平的限制而难以发展。二战以后，为了对喷气发动机及人造卫星等所使用的具有高硬度和高韧性的难加工材料进行加工，为了适应时代的要求。美国对电化学加工进行了重新估价，研制出最早的电化学加工机。1956年，在美国芝加哥工业博览会上展出了第一台电解加工机床，标志电化学加工技术正是诞生。电化学加工现已用于打孔、切槽、雕模、去毛刺等方面。目前，电化学加工已经成为民用、国防工业中的一个不可缺少的重要加工手段。 7.1 电化学加工原理及分类 7.1.1 电化学加工原理 一 电化学加工过程 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应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动，Cu+2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Cu+2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。 二 电解质溶液 凡溶于水后能导电的物质均叫做电解质，如盐酸(HCl)、硫酸(HzS04)、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—离于，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。因此，Na+、Cl—离子一个个、一层层地被水分子拉入溶液中。在这种电解质水溶液中，每个钠离子和每个氯离子周围均吸引着一些水分于，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和负的氢氧根离子，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，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7-2所示，金属愈活泼，这种倾向愈大。 若金属离子在金属上的能级比在溶液中的低，即金属离子存在于金属晶体中比在溶液中更稳定，则金属表面带正电，靠近金属表面的溶液薄层带负电，也形成了双电层，如图7-3所示。金属愈不活泼，则此种倾向也愈大。 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。 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。 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定，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—种电极作标准和其它电极比较得出相对值，称为标准电极电