电化学加工

第六章电化学加工2主要内容6.1电化学加工的基本原理及分类6.2电解加工6.3电解磨削6.4电铸、涂镀及复合镀加工第六章电化学加工3第六章电化学加工6.1电化学加工的基本原理及分类ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋图6-1电解液中的电化学反应1、电化学加工的原理（1）电化学加工过程电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片（电极）和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。4第六章电化学加工溶液中的离子将作定向移动：正离子移向阴极并在阴极上得到电子而进行还原反应；负离子移向阳极并在阳极上失去电子进行氧化反应（也可能是阳极金属原子失掉电子而成为正离子进入溶液。ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋图6-1电解液中的电化学反应5第六章电化学加工ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋图6-1电解液中的电化学反应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为电化学反应。利用电化学反应原理对金属进行加工的方法即电化学加工。（图6-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜）与这一反应密切相关的概念有：电解质溶液、电极电位、电极的极化、钝化、活化等。6第六章电化学加工（3）电极电位当把金属插入其盐溶液中时，金属表面的离子与溶液中极性水分子相互吸引而发生水化作用，即：一方面使金属表面上部分金属离子进入溶液而把电子留在金属表面上（金属溶解）；另一方面，溶液中的金属离子从金属表面上得到电子，还原为金属原子沉积在金属表面上（金属离子的沉积）。7第六章电化学加工金属的电极电位：金属与其盐溶液界面上的电位差称为金属的电极电位。金属与溶液间电位差的大小，取决于金属的性质，溶液中离子的浓度和温度。金属越活泼，电位越低；越不活泼，电位越高。在同一种金属电极中，金属离子浓度越大，电位越高，浓度越小，电位越低。温度越高，电位越高，温度越低，电位越低。8第六章电化学加工标准电极电位：电极电位的绝对值是无法测定的，通常选定一个电极作为标准，将各种待测电极与它相比较，就可得到各种电极的电极电位相对值。国际应用化学协会（IUPAC）选定“标准氢电极”作为比较标准。规定25℃时，标准氢电极的电极电位为零。9第六章电化学加工（4）电极的极化电极极化的概念：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）的现象，称为电极的极化。超电位：极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位。浓差极化：离子的扩散、迁移步骤缓慢引起的电极极化。主要发生在阳极上。电化学极化：由电化学反应缓慢引起的电极极化。主要发生在阴极上。10第六章电化学加工（5）金属的钝化和活化阳极钝化：在电解加工中，使金属阳极溶解过程的超电位升高和电解速度减慢的现象。金属钝化的原因，主要有成相理论和吸附理论两种。成相理论认为，金属与溶液作用后在金属表面上形成了一层紧密的极薄的膜，通常是由氧化物、氢氧化物或盐组成，从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质，使溶解过程减慢。吸附理论认为，金属的钝化是由于金属表面形成了氧的吸附层引起的。11第六章电化学加工金属的活化：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等，也可以采用机械办法破坏钝化膜，电解磨削就是利用了这一原理。122、电化学加工的分类第六章电化学加工第Ⅰ类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等。第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等。第Ⅲ类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。13阳极溶解阴极沉积复合加工工艺第六章电化学加工电化学加工分类14第六章电化学加工电解液的主要作用A、作为导电介质传递电流；B、在电场的作用下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行；C、及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务，起到更新和冷却的作用。15NaCl电解液属于强电解质，适应范围广，价格便宜。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。NaCl电解液的质量分数常在20%以内，一般为14%-18%，当要求高的时候可用较低的质量分数，以减少杂乱腐蚀。常用的温度为25~35°C，但加工钛合金时要在40°C以上。第六章电化学加工电解液的种类：分为中性、酸性和碱性三种盐溶液。其中中性的腐蚀性较小，使用安全，应用最广。常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3三种。(二)三种常用的电解液162、NaNO3电解液NaNO3电解液是一种钝化型电解液，阳极极化曲线如图所示。第六章电化学加工图钢在NaNO3电解液中的极化曲线17NaNO3电解液在浓度低于30%时，对设备、机床腐蚀性很小，使用安全。但生产效率低，需较大电源功率，另外加工时在阴极有氨气析出，所以NaNO3会被消耗。故适用于成型精度要求较高的工件加工。第六章电化学加工18第六章电化学加工3、NaClO3电解液NaClO3电解液的散蚀能力小，故加工精度高，对机床、设备等的腐蚀很小，广泛地应用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一种强氧化剂，虽不自燃，但遇热分解的氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。同时在使用过程中，NaClO3电解液中的Cl离子不断增加，电解液有消耗，且Cl离子增加后杂乱腐蚀作用增加，故在加工过程中要注意Cl离子质量分数的变化。19第六章电化学加工4、电解液中加添加剂几种电解液都有一定缺点，为此，在电解液中使用添加剂是改善性能的重要途径。如：NaCl+磷酸盐；NaNO3+NaCl图电解液的流向a)正向流动b)反向流动c)横向流动第六章电化学加工21M—溶解或析出物质的量g；V–溶解或析出物质的体积mm3；K–被电解物质的质量化学当量g/(A·h)；--被电解物质的体积化学当量mm3/(A·h)；I–电解(电镀)电流A；t--电解(电镀)时间h。电解加工的生产率，以单位时间内去除的金属体积或质量来衡量，用mm3/min或g/min来表示。(1)电化学当量对生产率的影响由实践得知，电解时工件阳极上溶解或析出的物质的量与电解电流I和电解时间t成正比，亦即与电量（Q=It）成正比，其比例系数称为电化学当量。这一规律即所谓法拉第电解定律。用质量计M=KIt用体积计V=ωIt四、电解加工的基本规律第六章电化学加工1、生产率及其影响因素22法拉第电解定律可用来根据电量计算任何被电解金属或电镀金属的数量，并在理论上不受电解液浓度、温度、压力、电极材料及形状等因素的影响。例：某厂用氯化钠电解液加工一种碳钢零件，加工余量为22200mm3，要求5min电解加工完一个零件，求需要多大电流？如有5A容量的直流电源，电解时间需多少？（已知碳钢的ω=133mm3/（A.h））。第六章电化学加工23第六章电化学加工混气电解加工加工原理：将一定压力的气体用混气装置使它与电解液混合在一起，使电解液成分为包含无数气泡的气液混合物，然后送入加工区进行电解加工。24第六章电化学加工1-工件2-阴极工具3-扩散部4-混合部5-引导部图混气电解加工示意图25第六章电化学加工混合气体的作用：1）增加电解液中的电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线性方面转化。2）降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。图混气电解加工型孔26第六章电化学加工优点：电解加工成形精度高；阴极工具设计与制造简单；可利用小功率电源加工大面积的工件。缺点：生产率低，较不混气时降低1/3~1/2；需要附属供气设备，要有足够压力的气源、管道及良好的抽风设备等，使用成本高。a)不混气b)混气图混气电解加工效果对比271型孔加工:形状复杂、尺寸较小的四方、六方、椭圆、半圆等形状的通孔和盲孔，机械加工很困难，可采用电解加工；图端面进给式型孔加工示意图关键杂散腐蚀(锥度)控制①使用钝化型电解液②混气电解加工③电极的绝缘处理为提高加工速度,采用阴极内圆锥面(高1.5-3.5mm)增加加工面积；第六章电化学加工28图增液孔的设置关键电极的设计和制作①使用钝化型电解液和混气电解加工②使用反拷方法制作电极③喷液孔槽的设计，注意流场的均匀性；加开增液孔2型腔加工：对模具消耗较大、精度要求不太高的矿山机械、农机、拖拉机等所需的锻模已逐渐采用电解加工。第六章电化学加工29图套料阴极工具3套料加工：加工等截面、大面积异形孔；等截面、薄形零件下料。图4.33异形零件1mm左右铜片，焊接、可更换第六章电化学加工304叶片加工：用套料方法加工形状复杂、精度高、批量大的整体叶轮；电解加工:不受材料硬度和韧性限制，直接在轮坯上加工出叶身型面，一个完成后退出阴极，分度后加工下一个。加工周期大大缩短、生产率高、表面粗糙度小、叶轮强度高、质量好。电解加工整体叶轮在我国已得到普遍应用。叶片加工特点:涡轮发动机、增压器、汽轮机等叶身型面形状较复杂、要求精度高，加工批量大，机械加工困难；传统方法:将精密锻造、机械加工、抛光后镶到叶轮轮缘的槽中，再焊接而成，加工量大,周期长，且质量不易保证；第六章电化学加工31图固定式阴极深孔扩孔原理5深孔扩孔加工：利用固定的长电极扩孔；设备简单、操作简单：一套夹具完成定位、导电、输液；生产率高：整个加工面同时电解；阴极比工件长，电源功率要大；进、出口处表面粗糙度及尺寸精度不一致；工件较长时阴极刚度不足；第六章电化学加工326深孔扩孔加工:利用短电极移动扩孔；优点：阴极较短，容易制造且不受电源功率限制;缺点：需要机床的有效长度大于工件长度图4.37移动式阴极深孔扩孔原理圆锥型阴极因加工间隙及流速均匀，加工效果好；工件圆柱形阴极圆锥形阴极第六章电化学加工337电解倒棱去毛刺：工件与阴极工具通过绝缘柱连接，保持3-5mm距离，使电解液通过；20V电压、1分钟完成加工。图齿轮的电解去毛刺第六章电化学加工348电解刻字：用于淬火(高硬度)、薄壁、高精度及表面不允许破坏零件的刻字或花纹；间隙内滴入少量钝化型电解液，1-3秒完成；图电解刻字示意图第六章电化学加工