电化学加工技术

第四章电化学加工技术电化学加工（ElectrochemicalMachining简称ECM）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。4.1电化学加工的原理与分类一.电化学加工的原理1.电化学加工过程图4-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH－和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子Cu+2。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。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为电化学反应。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(图4-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜)的方法即电化学加工。图4-1电解液中的电化学反应ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋2.电解质溶液凡溶于水后能导电的物质叫做电解质；如盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、氢氧化钠(NaOH)、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。3.电极电位当金属和它的盐溶液接触时，即使没有外接电源，也会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。这个过程是可逆的，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，形成一层极簿的“双电层”，如图4-2所示，金属愈活泼，这种倾向愈大。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，这种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。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4-4所示。金属愈不活泼，则此种倾向也愈大。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一种电极作标准和其它电极比较得出相对值，称为标准电极电位。通常采用标准氢电极为基准，人为地规定它的电极电位为零。表4-l为一些元素的标准电极电位，即在25℃时，把金属放在此金属离子的有效质量浓度为1g/l的溶液中，此金属的电极电位与标准氢电极的电极电位之差，用U0表示。当离子质量浓度改变时，电极电位也随着改变，可用“能斯特公式”换算，下式是在25℃时的简化式lg059.00nUUlg059.00nUU式中—平衡电极电位差（V）；—标准电极电位差（V）；n—电极得失电子数，即离子价数；—离子的有效质量分数；“+”用于计算金属，“-”用于计算非金属的电极电位。U0U4.电极的极化以上讨论的平衡电极电位是没有电流通过电极时的情况，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，如图4—5所示。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。（1）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，再向外迁移并扩散。然而扩散与迁移的速度是有一定限度的，在外电场的作用下，如果阳极表面液层中金屑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(即阳极电位向正移)，这就是浓差极化。（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+离子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。5.金属的钝化和活化金属在某些电解液中电解时，当电流密度增加到一定值后，金属的溶解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧下降，使铁成稳定状态不再溶解。电解过程中的这种现象称阳极钝化（电化学钝化），简称钝化。钝化原因：成相理论和吸附理论。•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，从而使金属表面夫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。它可以上氧原子、氧离子、氢氧根离子等。活化的方法：1）把溶液加热；2）通入还原性气体或加入某些活性离子等等；3）采用机械办法破坏钝化膜；4）电源反接。二.电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。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)。电化学加工的类别如表1所示。表1电化学加工分类类别加工方法及原理应用Ⅰ电解加工(阳极溶解)电化学抛光(阳极溶解)用于形状尺寸加工用于表面加工Ⅱ电镀(阴极沉积)电铸(阴极沉积)用于表面加工用于形状尺寸加工Ⅲ电极磨削(阳极溶解、机械磨削)电解放电加工(阳极溶解、电火花蚀除)用于形状尺寸加工用于形状尺寸加工三.电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光等。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。4.2电解加工电解加工（ECM）是继电火花加工之后发展较快、应用较广泛的一项新工艺，目前在国内外已成功地应用于枪炮、航空发动机、火箭等的制造工业，在汽车、拖拉机、采矿机械的模具制造中也得到了应用，故在机械制造业中，已成为一种不可缺少的工艺方法。一、电解加工过程及其特点1．概念电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定的形状和尺寸加工成型的一种工艺方法。随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。图4-2电解加工原理图12345VA1—直流电源；2—工具电极；3—工件阳极；4—电解液泵；5—电解液－＋2．应具备的工艺条件：（1）工件阳极和工具阴极间保持很小的间隙，一般在0.1～1mm范围内；（2）电解液从加工间隙中不断高速（5～50m/s）流过（通常取6～30m/s），且间隙具有一定压力（0.5～2MPa）；（3）工件阳极和工具阴极分别和直流电源（10～24V）连接。3．电解加工成型原理电解加工成型原理如图4-7所示，图中的细竖线表示通过阴极（工具）与阳极（工件）间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度的大小。在加工刚开始时，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4-7a。由于工具相对工件不断进给，工件表面就不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状为止，如图4-7b所示。图4-2电解加工成型原理4．电解加工特点电解加工与其他加工方法相比较，具有下述特点：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）电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5-10倍，在某些情况下，比切削加工的生产串还高，且加工生产率不宣接受加工精度和表面粗糙度的限制。3）加工表面质量好。一般表面粗糙度为Ra1.25～0.2μm。4）加工过程中不会产生残余应力和变形，没有飞边毛刺。5）工具电极无损耗。加工过程中阴极工具在理论上不会耗损，可长期使用。电解加工的主要弱点和局限性为：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高。对电解加工而言，一次性投资较大。4）电解产物需进行三废处理，防止污染环境。二、电解加工时的电极反应电解加工时电极间的反应是相当复杂的，这主要是一般工件材料不是纯金属，而是多种金属元素的合金，其金相组织也不完全一致。所用的电解液往往也不是该金属盐的溶液，而且还可能含有多种成分。电解液的浓度、温度、压力及流速等对电极过程也有影响，现以在NaCl水溶液中电解加工铁基合金为例分析电极反应。在NaCl电解液中存在着H+、OH-、Na+、Cl-四种离子，现分别讨论其阳极反应及阴极反应。22eeFeFVU44.0033eeFeFVU036.00OHOeOH22244VU401.00222CleClVU3583.10（1）阳极可能的电化学反应根据电极反应过程的基本原理，电极电位最负的物质将首先在阳极反应。22)(2OHFOHFee3222)(42)(4OHFOOHOHFee22HeH00UNaeNaVU713.20按照电极反应的基本原理，电极电位最正的粒子将首先在阴极反应。（2）阴极可能的电极反应三、电解加工设备电解加工的基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分。1、直流电源电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源，其主要特点及应用见表2。表2直流电源的特点及应用分类特点应用场合硅整流电源1．可靠性、稳定性好；2．调节灵敏度较低；3．稳压精度不高国内生产现场占一定比例晶闸管电源1．灵敏度高，稳压精度高；2．效率高，节省金属材料；3．稳定性、可靠性较差国外生产中普遍采用，也占相当比例2、机床电解加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送电和电解液。它与一般金属切削机床相比，有其特殊要求：（1）有足够的刚性（2）稳定的进给速度（3）防腐绝缘与好的安全措施3、电解液系统（1）电解液的主要作用在电解加工过程中，电解液不仅作为导电介质传递电流，而且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，这一点与电火花加工的工作液的作用是不同的。同时电解液也担负着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。（2）对电解液的基本要求1）应是强电解质，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NaCl水溶液中NaCl几乎能完全离解为Na+、C1-离子，并与水的H+、OH-离子能共存。2）在工件阳极上应优先进行金属离子的阳极溶解，电解液中所含的阴离子应具有较正的标准电位，如Cl-等，以免在阳极上产生析氧等副反应，降低电流效率。3）电解液中的金属阳离子不应在阴极上产生放电反应而沉积到阴极工具上，以免改变工具的形状及尺寸。因此，在选用的电解液中所含金属阳离子必须具有较负的标准电极电位，如Na+、K+等。4）阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物，以便于净化处理。5）粘度要尽可能的低，以加快热量和产物的排出。6）电解液成分在加工中不消耗，以保证电解液的长期使用。7）对设备的腐蚀性小，对人体无害，价格便宜等。（3）电解液的特性杂散腐蚀性、电流效率曲线、非线性性（3）电解液的特性杂散腐蚀性、电流效率曲线、非线性性4．三种常用电解液性能电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。其中中性盐溶液的腐蚀性较小，使用时较为安全，故应用最广。常用的