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第4章 电化学加工 第一节 电化学加工原理及分类 电子导体（金属） 自由电子定向移动而形成电流 离子导体（溶液） 溶液中的正负离子移动而形成电流 电化学反应 阳极：氧化 溶解 Cu→Cu2+ + 2e 阴极：还原 沉积 Cu2+ + 2e → Cu 电化学反应 在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应 电解质溶液 电解质：溶于水后能导电的物质 电解质溶液：电解质+水，简称电解液 电解质电离：如，离子型晶体NaCl NaCl → Na+ + Cl- 强电解质：在水中100%电离 强酸、强碱、大多数盐类 弱电解质：仅有一部分电离 氨(NH3) 、醋酸(CH3COOH) 电极电位 电极电位 电极电位的形成 金属、电解质溶液 双电层的形成 电极电位 标准氢电极 标准电极电位：25 ℃时，金属与该金属离子的有效质量分数为1g/l的溶液中。 （表4-1） 原电池和电解 原电池：电极电位差 电极材料相同，电解液不同（盐桥） 电解液相同，电极材料不同 电解：直流电源、电极、电解液 电极电位与离子质量份数的关系 能斯特公式 U’=U0±（0.059/n)lga U’—平衡电极电位差（V） U0—标准电极电位差（V） N —电极反应得失电子数 a —离子的有效质量分数 “+”号用于计算金属； “-”号用于计算非金属 电极的极化 两极间无电流通过时：平衡电极电位 两极间有电流通过时： 阳极：电极电位→向正移 阴极：电极电位→向负移 极化现象：电流密度增大时，两极电位增大的现象 超电位： 极化后的电极电位与平衡电极电位之差 产生超电位的原因： 浓差极化（在阳极） 电化学极化（在阴极） 钝化现象 成相理论 在表面形成薄膜（氧化物、氢氧化物或盐类） 吸附理论 在表面形成氧的吸附层 活化 电化学加工的分类 电化学加工的分类 第二节 电解加工（ECM） 电解加工过程 工件：接正极，阳极溶解 工具：接负极，阴极还原 工作液：NaCl电解液 电解加工的工艺条件 工具和工件之间保持很小的间隙0.1～1mm 电解液从加工间隙不断高速（6 ～ 30m/s）流过 工件阳极和工具阴极接直流电源（10 ～ 24V) 电解加工的特点 1）加工范围广 不受金属材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等各种复杂型面。 2) 生产率高 约为电火花加工的5～10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) 加工表面质量好 可以达到较好的表面粗糙度(Ra1.25～0.2μm)和±0.1mm左右的平均加工精度。 4) 无残余应力无变形 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) 工具不损耗 加工过程中阴极工具在理论上不会耗损，可长期使用。 电解加工的主要缺点和局限性 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。 4) 电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。 电解加工时的电极反应 电解加工钢：电解液，14%～18%的NaCl水溶液 阳极反应：失去电子被氧化 可能反应： Fe—2e →Fe+2 （-0.59V） Fe—3e→ Fe+3 （-0.323V） 4OH-—4e→O2↑+2H2O （0.867V） 2Cl-—2e→Cl2 ↑ （1.334V） 实际反应： Fe—2e →Fe+2 化合反应： Fe+2+2OH-→Fe（OH）2↓ （墨绿色的絮状物 ） 沉淀物的氧化： 4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3↓ （黄褐色沉淀） 电解加工时的电极反应 阴极反应：得到电子被还原 可能反应： 2H+ +2e →H2↑ （-0.42V） Na+ +e →Na↓ (-2.69V) 实际反应： 2H++2e → H2↑ 电解加工过程中的电能利用 U=Ua+UR+Uc Uc 阴极反应压降：电化学极化 UR 电解液电阻的压降UR=IR Ua 阳极反应压降： 阳极极化 三 电解液 内容： 电解液的作用与要求 三种常用的电解液的特性 电解液对加工过程的影响 电解液的流速和流向电解液出水口的布局 电解液的作用 作为到电介质传递电流 在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行 及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起到更新和冷却作用 电解液的要求 具有足够的蚀除速度 具有较高的加工精度和表面质量 阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物 希望：性能稳定、操作安全、对设备腐蚀小及价格便宜等