特种加工第四章.pptx

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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电位差，所

2、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电位。当温度为2

3、5，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。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（代数值减小），这种现象称为极化。极化后的电极电位与平衡

4、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，升高电解液温度等。第11页/共35页 电化学极化主要发生在

5、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

6、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17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）：

7、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、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3

8、5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510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

9、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3

10、5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=0.59VFe3eFe3+U=0.323V4OH4eO2 U=0.867V2Cl2eCl2 U=1.334VFe22OHFe(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 U0.42VNaeNa 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

11、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，

12、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.电解加工的优点和缺点是什么？选用电解加工工艺的三原则是什么？第33页/共35页 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。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，间隙内有高速流动的电解液。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34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页