41 第4章电化学加工(1) 完整 完成PPT课件
合集下载
特种加工4 电化学加工
钝化的原因：成相理论和吸附理论 成相理论：
在金属表面上形成了由氧化物、氢化物或盐组成的极薄的 膜，使金属表面失去了原有的活性。 吸附理论： 钝化是由金属表面形成氧的吸附层引起的。 实际二者兼而有之，不同条件下以某一原因为主。
21
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
5、金属的钝化与活化 — 2.活化
4.2.1 电解加工过程及特点 4.2.2 电解加工基本原理 4.2.3 电解液 4.2.4 电解加工过程的基本规律 4.2.5 提高电解加工精度的途径 4.2.6 电解加工的基本设备 4.2.7 电解加工工艺及应用
27
4.2 电解加工
第4章 电化学加工
4.2 电解加工
4.2.1 电解加工过程及特点 — 1.过程
Fe
Fe2+
Cu
15
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
3、电极电位 — 8.电化学加工基本原理(续)
电化学加工就利用这一原理，同时利用外电场的作用加剧 电子的移动，使Fe离子的溶解速度加快。
阳极
i
e
Fe
Fe2+
e
i 阴极
Cu
16
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
4、电极的极化
e e
Fe2+
e
Fe2+
e
Fe2+
Fe2+
e
Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e
Fe2+
Fe
Fe e Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e Fe2+
Fe Fe Fe Fe e Fe2+
在金属表面上形成了由氧化物、氢化物或盐组成的极薄的 膜，使金属表面失去了原有的活性。 吸附理论： 钝化是由金属表面形成氧的吸附层引起的。 实际二者兼而有之，不同条件下以某一原因为主。
21
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
5、金属的钝化与活化 — 2.活化
4.2.1 电解加工过程及特点 4.2.2 电解加工基本原理 4.2.3 电解液 4.2.4 电解加工过程的基本规律 4.2.5 提高电解加工精度的途径 4.2.6 电解加工的基本设备 4.2.7 电解加工工艺及应用
27
4.2 电解加工
第4章 电化学加工
4.2 电解加工
4.2.1 电解加工过程及特点 — 1.过程
Fe
Fe2+
Cu
15
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
3、电极电位 — 8.电化学加工基本原理(续)
电化学加工就利用这一原理，同时利用外电场的作用加剧 电子的移动，使Fe离子的溶解速度加快。
阳极
i
e
Fe
Fe2+
e
i 阴极
Cu
16
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
4、电极的极化
e e
Fe2+
e
Fe2+
e
Fe2+
Fe2+
e
Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e
Fe2+
Fe
Fe e Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e Fe2+
Fe Fe Fe Fe e Fe2+
第四章：电化学加工
考虑如下的实验场景
e
铁片
铜片
阳极铁片 e
e 阴极铜片
NaCl
NaCl
4 电极的极化
在电化学过程中通常发生两种极化现象：浓差极化和电化学极化
1）浓差极化：在电化学反应过程中，阳极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， 离子迁移扩散的速度是有一定限度的。在外电场的作用下，如果 阳极表面的液层中的金属离子迁移扩散的速度较慢而来不及扩散 到溶液中去，就会在阳极表面造成离子堆积，引起电位值增大 （代数值增大），这就是浓差极化。
使金属钝化膜破坏的过程称为活化。金属活化后，新鲜的金属 表面露出，可以进一步的参与电解过程，从而使加工速度提高。
二 电化学加工的分类
第一类 电解加工 第二类 电镀，涂镀和电铸加工 第三类 电化学与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺， 例如 电解磨削，超声电解等
第二节 电解加工
一 电解加工的过程及特点
m KIt
V It
m KIt
V It
根据法拉第电解定律，电解溶解或析出的物质的量只与该物质的 电化学当量，电解电流和电解时间有关。在理论上不受电解液浓 度，温度，压力，电极形状等因素的影响，与上述诸因素无关。
实际金属蚀除量
理论计算蚀除量 100 %
因此上述公式需要修正为：
m KIt V It
1 修复零件磨损表面、恢复几何尺寸、实施超差补救。
2 填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀、空洞等缺陷。例如机床 导轨、活塞液压缸等表面的修补。
3 大型、复杂、单个小批工件的表面镀镍、铜、锌、金、银等 防腐层、耐腐层等，用以改善表面性能。
四 电铸和涂镀（电镀）加工有何异同点？
相同点：两者的加工原理完全一样。
e
铁片
铜片
阳极铁片 e
e 阴极铜片
NaCl
NaCl
4 电极的极化
在电化学过程中通常发生两种极化现象：浓差极化和电化学极化
1）浓差极化：在电化学反应过程中，阳极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， 离子迁移扩散的速度是有一定限度的。在外电场的作用下，如果 阳极表面的液层中的金属离子迁移扩散的速度较慢而来不及扩散 到溶液中去，就会在阳极表面造成离子堆积，引起电位值增大 （代数值增大），这就是浓差极化。
使金属钝化膜破坏的过程称为活化。金属活化后，新鲜的金属 表面露出，可以进一步的参与电解过程，从而使加工速度提高。
二 电化学加工的分类
第一类 电解加工 第二类 电镀，涂镀和电铸加工 第三类 电化学与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺， 例如 电解磨削，超声电解等
第二节 电解加工
一 电解加工的过程及特点
m KIt
V It
m KIt
V It
根据法拉第电解定律，电解溶解或析出的物质的量只与该物质的 电化学当量，电解电流和电解时间有关。在理论上不受电解液浓 度，温度，压力，电极形状等因素的影响，与上述诸因素无关。
实际金属蚀除量
理论计算蚀除量 100 %
因此上述公式需要修正为：
m KIt V It
1 修复零件磨损表面、恢复几何尺寸、实施超差补救。
2 填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀、空洞等缺陷。例如机床 导轨、活塞液压缸等表面的修补。
3 大型、复杂、单个小批工件的表面镀镍、铜、锌、金、银等 防腐层、耐腐层等，用以改善表面性能。
四 电铸和涂镀（电镀）加工有何异同点？
相同点：两者的加工原理完全一样。
应用电化学41金属电沉积和电镀原理ppt课件
特点：它们的极化原因是电化学引起的，因此是电化学极 化，并可从简单盐中沉积出致密的镀层。
2）络离子的还原
设 氰化物镀铜电解液基本组成
CuCN 35g/L（0.4 mol/L） NaCN 48g/L （1.0 mol/L） Cu＋ 与CN－形成的络离子可能有[Cu(CN)2]-、 [Cu(CN)3]2-、 [Cu(CN)4]3-等不同形式，认为主要存在形式是[Cu(CN)3]2其在水中的电离平衡为：[Cu(CN)3]2-＝Cu＋＋3CN－
阴极性镀层 当镀层与基体金属形成腐蚀电池时，镀层因电位比基体更
正，基体金属首先受到腐蚀溶解，这时镀层为阴极性镀层。 阴极性镀层仅能对基体起到机械保护作用，不能起到电化
学保护作用，如：
铁上镀Sn： Sn2 /Sn －0.14V Fe2 /Fe －0.44V?
形成腐蚀电池时，Sn为阴极，Fe为阳极
(4) 电铸
提纯金属或湿法冶金
(5) 电加工 某些精密的零件，机械加工困难，可采用电加
工成型技术
(6) 表面处理 制备特殊用途材料如发泡镍、中空镍纤维等
(7) 高科技 如电沉积法制备一维纳米线
(8) 材料制备 制备催化材料、复合材料、金属膜材料等
常规电镀对电镀层的基本要求： 通常对电镀层要求：
镀层与基体结合牢固，一定的厚度及厚度均匀 镀层结构致密、孔隙率小等。 进一步要求：镀层内应力小、柔韧性好、有一定的硬度、
自行车轮镀铜镍铬； 吊灯等灯具电镀仿金镀层或仿银镀层； 仪器仪表盘装饰性电镀缎面镍；
功能性镀层 功能性镀层是具有特定功能和特定意义的镀层， 通常是只对 某一种零件和某一种特殊使用条件下所要求的特殊功能，因 此功能性镀层包括的项目较多，而且随着技术的发展和应用 的开发，今后还会越来越多，如： •耐磨镀层： 提高零件的表面硬度，增加抗磨损性能（如直 轴、曲轴、气缸， 纺织机械中的各种辊桶镀硬铬或喷涂陶磁 微粒）； •减磨镀层： 多用于滑动接触面，需要电镀韧性好的金属， 如轴瓦，轴套等镀Sn、Pb-Sn、Pb-In等；
2）络离子的还原
设 氰化物镀铜电解液基本组成
CuCN 35g/L（0.4 mol/L） NaCN 48g/L （1.0 mol/L） Cu＋ 与CN－形成的络离子可能有[Cu(CN)2]-、 [Cu(CN)3]2-、 [Cu(CN)4]3-等不同形式，认为主要存在形式是[Cu(CN)3]2其在水中的电离平衡为：[Cu(CN)3]2-＝Cu＋＋3CN－
阴极性镀层 当镀层与基体金属形成腐蚀电池时，镀层因电位比基体更
正，基体金属首先受到腐蚀溶解，这时镀层为阴极性镀层。 阴极性镀层仅能对基体起到机械保护作用，不能起到电化
学保护作用，如：
铁上镀Sn： Sn2 /Sn －0.14V Fe2 /Fe －0.44V?
形成腐蚀电池时，Sn为阴极，Fe为阳极
(4) 电铸
提纯金属或湿法冶金
(5) 电加工 某些精密的零件，机械加工困难，可采用电加
工成型技术
(6) 表面处理 制备特殊用途材料如发泡镍、中空镍纤维等
(7) 高科技 如电沉积法制备一维纳米线
(8) 材料制备 制备催化材料、复合材料、金属膜材料等
常规电镀对电镀层的基本要求： 通常对电镀层要求：
镀层与基体结合牢固，一定的厚度及厚度均匀 镀层结构致密、孔隙率小等。 进一步要求：镀层内应力小、柔韧性好、有一定的硬度、
自行车轮镀铜镍铬； 吊灯等灯具电镀仿金镀层或仿银镀层； 仪器仪表盘装饰性电镀缎面镍；
功能性镀层 功能性镀层是具有特定功能和特定意义的镀层， 通常是只对 某一种零件和某一种特殊使用条件下所要求的特殊功能，因 此功能性镀层包括的项目较多，而且随着技术的发展和应用 的开发，今后还会越来越多，如： •耐磨镀层： 提高零件的表面硬度，增加抗磨损性能（如直 轴、曲轴、气缸， 纺织机械中的各种辊桶镀硬铬或喷涂陶磁 微粒）； •减磨镀层： 多用于滑动接触面，需要电镀韧性好的金属， 如轴瓦，轴套等镀Sn、Pb-Sn、Pb-In等；
第4章电化学加工(1)
铜质阳极上有铜原子丢掉电子而成为Cu2+离子进入溶液，溶液中的Cu2+离 子移向阴极，并从阴极上得到电子而沉积到阴极上。
4.1.2 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
金属阳极电位＞溶液中所有阴离子的电极电位 →金属不能溶解（电流效率=0%)
4.2.2 电解液及其特性
1. 电解液的作用 2. 对电解液的要求 3. 常用电解液 4. 电解液参数对加工过程的影响 5. 电解液的流动形式
6. 电解液出水口的布局
1. 电解液的作用
作为导电介质，传递电流 在电场作用下产生电化学反应 排屑、散热
电流密度增加
阴极电子量增大
电子增加量＞ 2H + +2e → H2反应中消耗量
电子在阴极表面堆积
12V
--e
i
e
Cu
Cu
阴极电极电位向负移 CuCl2溶液中的电化学反应
4.1.5 金属的钝化
钝化（阳极钝化或电化学钝化）：金属阳极的溶 解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧 下降，成稳定状态不再溶解。
4Fe(OH) 2 +2H 2 O + O2 → 4Fe(OH) 3 ↓黄褐色沉 淀（铁锈）
阴极可能的反应
2H+ +2e → H 2 ↑ U'= -0.42V Na + + e → Na ↓ U'= -2.69V
电极电位最正的粒子将首先在阴极反应(电极反 应基本原理）
阴极产生的反应
4.1.2 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
金属阳极电位＞溶液中所有阴离子的电极电位 →金属不能溶解（电流效率=0%)
4.2.2 电解液及其特性
1. 电解液的作用 2. 对电解液的要求 3. 常用电解液 4. 电解液参数对加工过程的影响 5. 电解液的流动形式
6. 电解液出水口的布局
1. 电解液的作用
作为导电介质，传递电流 在电场作用下产生电化学反应 排屑、散热
电流密度增加
阴极电子量增大
电子增加量＞ 2H + +2e → H2反应中消耗量
电子在阴极表面堆积
12V
--e
i
e
Cu
Cu
阴极电极电位向负移 CuCl2溶液中的电化学反应
4.1.5 金属的钝化
钝化（阳极钝化或电化学钝化）：金属阳极的溶 解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧 下降，成稳定状态不再溶解。
4Fe(OH) 2 +2H 2 O + O2 → 4Fe(OH) 3 ↓黄褐色沉 淀（铁锈）
阴极可能的反应
2H+ +2e → H 2 ↑ U'= -0.42V Na + + e → Na ↓ U'= -2.69V
电极电位最正的粒子将首先在阴极反应(电极反 应基本原理）
阴极产生的反应
第四章 电化学加工PPT课件
一致，在工件上加工出和工具电极型面相反的形状。
电解加工示意图 1-主轴 2-工具 3-工件 4-直流电源
电解加工成型原理
Hale Waihona Puke 二、电解加工的特点1. 能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型面和型腔，如锻模、叶片等，设 备构成简单； 2. 可以加工高硬度、高强度和高韧性等难以切削加工的金属材料，如淬火钢、钛 合金、不锈钢、硬质合金等； 3. 加工过程中无切削力和切削热，工件不产生内应力和变形，适合于加工易变形 和薄壁类零件； 4. 加工后的零件无毛刺和残余应力，加工表面粗糙度Ra可以达到0.2～1.6µm，尺 寸精度：内孔可以达到±0.03～0.05mm、型腔可以达到±0.5～0.20mm； 5. 与其它加工方法相比，生产率较高； 6. 加工过程中工具电极（阴极）基本不损耗。 电解加工也存在如下的局限性：
2. 加工质量高。因为在加工过程中没有机械切 削力的存在，工件表面无残余应力、无变质层，也没 有毛刺及棱角。
3. 加工过程不分阶段。可以同时进行大面积加 工，生产效率高。
4. 电化学加工对环境有一定程度的污染。
第一节 电解加工的机理和基本规律
一、电解加工的机理
电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理实现金属零件的成型加工。 以工件为阳极、工具为阴极、两极之间加6-24v的直流电压，电解液以5-60m/s 的速度从两极之间的缝隙（约0.1-1mm）冲过，两极之间形成导电通路，两极和电 解液之间就有电流通过。金属工件表面在电化学反应的作用下，不断地溶解到电解 液中，电解产生物则被高速流动的电解液带走。随着工具电极向工件进给、工件材 料按工具电极型面的形状不断地溶解。最终使工件与工具电极之间各处的间隙趋于
一般情况下，工件材料不是纯金属，而是合金，其金相组织也不完全一致，电 解液的成分、温度、流速等因素对电解过程都有影响，使得电解加工中电极间的反 应极为复杂。
电解加工示意图 1-主轴 2-工具 3-工件 4-直流电源
电解加工成型原理
Hale Waihona Puke 二、电解加工的特点1. 能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型面和型腔，如锻模、叶片等，设 备构成简单； 2. 可以加工高硬度、高强度和高韧性等难以切削加工的金属材料，如淬火钢、钛 合金、不锈钢、硬质合金等； 3. 加工过程中无切削力和切削热，工件不产生内应力和变形，适合于加工易变形 和薄壁类零件； 4. 加工后的零件无毛刺和残余应力，加工表面粗糙度Ra可以达到0.2～1.6µm，尺 寸精度：内孔可以达到±0.03～0.05mm、型腔可以达到±0.5～0.20mm； 5. 与其它加工方法相比，生产率较高； 6. 加工过程中工具电极（阴极）基本不损耗。 电解加工也存在如下的局限性：
2. 加工质量高。因为在加工过程中没有机械切 削力的存在，工件表面无残余应力、无变质层，也没 有毛刺及棱角。
3. 加工过程不分阶段。可以同时进行大面积加 工，生产效率高。
4. 电化学加工对环境有一定程度的污染。
第一节 电解加工的机理和基本规律
一、电解加工的机理
电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理实现金属零件的成型加工。 以工件为阳极、工具为阴极、两极之间加6-24v的直流电压，电解液以5-60m/s 的速度从两极之间的缝隙（约0.1-1mm）冲过，两极之间形成导电通路，两极和电 解液之间就有电流通过。金属工件表面在电化学反应的作用下，不断地溶解到电解 液中，电解产生物则被高速流动的电解液带走。随着工具电极向工件进给、工件材 料按工具电极型面的形状不断地溶解。最终使工件与工具电极之间各处的间隙趋于
一般情况下，工件材料不是纯金属，而是合金，其金相组织也不完全一致，电 解液的成分、温度、流速等因素对电解过程都有影响，使得电解加工中电极间的反 应极为复杂。
电化学加工图文详解
拓展提高
（2）原模制造技术要求高。 （3）有时存在一定的脱模困难。
拓展提高
应用
（1）复制精细的表面轮廓花纹，如唱 片模、工艺美术品模及纸币、证券、邮票的 印刷版等。目前，电铸加工是唯一能满足生 产光盘原模复制精度要求的工艺技术。
拓展提高
（2）复制注塑用的模具、电火花型腔加 工用的工具电极。
（3）制造复杂、高精度的空心零件和薄 壁零件，如波导管等。
技能目标
1．掌握电解加工的应用； 2．掌握提高电解加工生产率的方法； 3. 了解电铸及电刷镀的应用。
一、电化学加工概述
电化学加工（electrochemical machining， ECM）是指通过电化学反应从工件上去除或在工 件上镀覆金属材料的特种加工方法，是特种加 工的一个重要分支，目前已成为一种较成熟的 特种加工工艺。
快，能保证满足各种维修性能的要求。
拓展提高
（4）
沉积速度快，生产效率高，但
必须采用高电流密度进行操作。
（5）
刷镀液不含氰化物和剧毒药品，
故操作安全，对环境污染小。
（6）
刷镀笔与工件之间必须保持一定的相对运动，因而一
般都需人工操作，劳动强度大，难以实现大批量及自动化
生产。
拓展提高 （1）
修复零件磨损表面，
（3） 所以应保证工具电极表面的表面粗糙度1）机 床刚度
高
6）安全措 施完备
2）进给速度 稳定性高
3）设 备耐蚀性
好
4）电气系统抗 干扰性强
5）大电流传 导性好
二、电解加工
1）机 床主体
5.电解加工机床的构成
2） 电解加 工电源
3） 电解液系统
二、电解加工
（4）制造表面粗糙度标准样块、反光镜、 表盘、异形孔喷嘴等特殊零件。
电化学加工
间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解 产物高速（5～50m/s）的电解液带走。
电解加工的成形原理如图4－7所示，图中的细竖线表示通 过阴极与阳极间的电流，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，电解液的流速也非常高，阳极溶解也就 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相似的形状为止，如图4－7b。
Ua－阳极压降 UR－欧姆压降 Uc－阴极压降 电解加 工时的浓差极化一般不大，所以Ua 、Uc主要取决于电化 学极化和钝化。
一般来说，当用氯化钠电解液加工铁基合金时，电流效率 η ＝95％～100％，加工镍基合金和钛合金的电流效率η ＝70％～80％。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。 三、电解液 （一）对电解液的基本要求 （1）具有足够的蚀除速度 （2）具有较高的加工精度和表面质量 （3）阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物 还有性能稳定、操作安全，对设备的腐蚀性小以及价 格便宜。 （二）三种常用电解液 中性盐溶液腐蚀性小，使用时较安全，应用普遍，常 用NaCl、NaNO3、NaClO3三种电解液。
z
q1
混合比越高，非线性性能越好。但混合比过高，增加了压 缩空气的消耗量，而且由于含气量过多，间隙电阻过大， 电解作用过弱还会产生短路火花。 气压：0.4～0.45MPa，液压：0.05MPa
电解加工的特点： 1）加工范围广，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、 耐热合金等高硬度、及韧性金属材料，并可以加工叶片、 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。 3）表面粗糙度较好（Ra1.25～0.2µm）和±0.1mm左右 的平均加工精度。 4）没有机械切削力，所以不会有残余应力和变形，没有 飞边毛刺。 5）加工过程中阴极工具理论上不会损耗，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较麻烦，难适用于单件生产。
4-1 第4章_电化学加工(1) 完整 完成
4
4.1 电化学加工原理与分类
活泼金属离子在金属晶格上的 能级高于在溶液中的能级(溶 能级高于在溶液中的能级 溶 液中更稳定)，金属离子溶解， 液中更稳定 ，金属离子溶解， 使其(Fe)表面带负电； 表面带负电； 使其 表面带负电 不活泼金属的离子在金属晶格 中比在溶液中更稳定， 中比在溶液中更稳定，表面 图4-2 原电池示意图 (Cu)则带正电荷 则带正电荷; 则带正电荷 ③ Fe、Cu插入同一电解液后 两金属表面分别与电解液 、 插入同一电解液后,两金属表面分别与电解液 插入同一电解液后 形成双电层、但电极电势不同,进而一定的电势差 进而一定的电势差； 形成双电层、但电极电势不同 进而一定的电势差； 电极用导线连接后构成一个原电池( 为阳极 为阳极、 ④ Fe、Cu电极用导线连接后构成一个原电池 Fe为阳极、 、 电极用导线连接后构成一个原电池 Cu 负极)，电子由Fe流向 负极 ，电子由 流向Cu, Fe原子失去电子而成为 原子失去电子而成为 流向 Fe2+进入溶液，这种自发的阳极溶解过程极其缓慢， 进入溶液，这种自发的阳极溶解过程极其缓慢， 电解加工时需外接直流电加速阳极的溶解速度； 电解加工时需外接直流电加速阳极的溶解速度；
②
图4-2 原电池示意图
金属与其盐溶液间的电势差称该金属的电极电势 平 金属与其盐溶液间的电势差称该金属的电极电势(平 电极电势 衡电极电势)，目前不能直接测量； 衡电极电势 ，目前不能直接测量； 电极电势小于不活泼金属(铜 ③ 活泼金属 (铁、铝)电极电势小于不活泼金属 铜、锰) 铁 电极电势小于不活泼金属 的电极电势；因为： 的电极电势；因为：
图4-1 电解(电镀)液中的 电化学反应原理
2) 阴、阳极表面得、失电子的化学反应 电化学反应； 阳极表面得、失电子的化学反应→电化学反应 电化学反应； 3) 利用电化学反应原理对金属进行加工的方法 电化学 利用电化学反应原理对金属进行加工的方法→电化学 电化学反应原理对金属进行加工的方法 加工; 加工
大学化学--第四章课件(1)
Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu 写成离子反应方程式则为
Zn+Cu2+(aq) = Zn2+(aq)+Cu 该反应的 ΔrGmθ= -212.31 kJ·mol-1 可见该氧化还原反应不仅可以自发进行，而且推动力 还很大。实验还证明反应速率也很快。 反应进行1mol最多可向环境做非体积功(电功)212.31KJ
电解： Zn2＋(aq) ＋ H2(g) ＝ Zn(s正极
规定:负极写在左边，正极写在右边，以双虚垂线( )表 示盐桥，以单垂线(|)表示两个相之间的界面。用“,”来 分隔两种不同种类或不同价态溶液。
一、原电池及氧化还原电对
将正极用Cu 板及CuSO4溶液替代，得到铜锌原电池 (丹尼尔电池)：（－）Zn | Zn2＋(c1) Cu2＋(c2) | Cu（＋）
如: (Zn2+/Zn); (Cu2+/Cu); (O2/OHˉ); (MnO4ˉ/Mn2+); (Cl2/Clˉ)等。
二、电极电势“φ”
1、电极电势的产生——双电层理论(Nernst)
各位同学，下午好！
第四章 电化学与金属腐蚀
电化学的研究对象 电化学是研究化学能与电能之间相互转化及在这种转 化过程中出现的有关现象的学科。
电化学涉及两类氧化还原反应，一类是ΔG<0，可以自 发进行的反应，这就是原电池反应；另一类是ΔG>0的 反应，不能自发进行，必须环境对它做功，通过电解 来实现，这就是电解池反应。 对于这两种反应，我们主要讨论反应的热力学、也介 绍反应的动力学，了解电化学反应的应用，这包括化 学电源、化学电沉积、电化学加工、电化学腐蚀与防 护等内容。
第四章 电化学与金属腐蚀
原电池：将氧化还原反应的化学能转变为电能的装置。
Zn+Cu2+(aq) = Zn2+(aq)+Cu 该反应的 ΔrGmθ= -212.31 kJ·mol-1 可见该氧化还原反应不仅可以自发进行，而且推动力 还很大。实验还证明反应速率也很快。 反应进行1mol最多可向环境做非体积功(电功)212.31KJ
电解： Zn2＋(aq) ＋ H2(g) ＝ Zn(s正极
规定:负极写在左边，正极写在右边，以双虚垂线( )表 示盐桥，以单垂线(|)表示两个相之间的界面。用“,”来 分隔两种不同种类或不同价态溶液。
一、原电池及氧化还原电对
将正极用Cu 板及CuSO4溶液替代，得到铜锌原电池 (丹尼尔电池)：（－）Zn | Zn2＋(c1) Cu2＋(c2) | Cu（＋）
如: (Zn2+/Zn); (Cu2+/Cu); (O2/OHˉ); (MnO4ˉ/Mn2+); (Cl2/Clˉ)等。
二、电极电势“φ”
1、电极电势的产生——双电层理论(Nernst)
各位同学，下午好！
第四章 电化学与金属腐蚀
电化学的研究对象 电化学是研究化学能与电能之间相互转化及在这种转 化过程中出现的有关现象的学科。
电化学涉及两类氧化还原反应，一类是ΔG<0，可以自 发进行的反应，这就是原电池反应；另一类是ΔG>0的 反应，不能自发进行，必须环境对它做功，通过电解 来实现，这就是电解池反应。 对于这两种反应，我们主要讨论反应的热力学、也介 绍反应的动力学，了解电化学反应的应用，这包括化 学电源、化学电沉积、电化学加工、电化学腐蚀与防 护等内容。
第四章 电化学与金属腐蚀
原电池：将氧化还原反应的化学能转变为电能的装置。
第四章 电化学加工
二、电解液 1. 主要作用：
◆ 作为导电介质传递电流；
◆ 在电场作用下进行电化学反应；
◆ 及时带走加工间隙内产生的电解产物及热量。
2. 基本要求：
◆ 保证足够的蚀除速度 即电解质有较高的溶解
度和离解度。
◆ 保证较高的精度和表面质量 即电解液中的金
属阳离子不应放电沉积到阴极工具上。
◆ 阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物 。 ◆ 具有性能稳定、操作安全、价格便宜及对设
结合进行加工
导电磨削
• 又称电解磨削。是电解作用和机械磨 削相结合的加工过程。导电磨削时，工件 接在直流电源的阳极上，导电的砂轮接在 阴极上，两者保持一定的接触压力，并将 电解液引入加工区。当接通电源后，工件 的金属表面发生阳极溶解并形成很薄的氧 化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速 旋转的砂轮磨粒刮除，随即又形成新的氧 化膜，又被砂轮磨去。如此进行，直至达 到加工要求为止。
电解加工的基本设备
• 直流电源：硅整流电源及晶闸管整流电源
• 机床：应有足够的刚度、进给速度稳定、防 腐绝缘、安全 • 电解液系统：
五、电解加工应用
该方法广泛应用在各种膛线、花键孔、深
孔、锻模、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及去
毛刺、倒角等加工。
第三节 电解磨削
一、电解磨削的原理及特点
原理：电解作用与机械磨削相
国内情况
• 中国在20世纪50年代就开始应用电 解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛 应用于航空发动机的叶片，筒形零件、 花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零 件的加工。近年来出现的重复加工精度 较高的一些电解液以及混气电解加工工 艺,大大提高了电解加工的成型精度,简化 了工具阴极的设计，促进了电解加工工 艺的进一步发展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Fe2+进入溶液，这种自发的阳极溶解过程极其缓慢，
电解加工时需外接直流电加速阳极的溶解速度；
5
4.1 电化学加工原理与分类
3)电极极化： ① 当接通电源且有电流流过
时，电极平衡状态被破坏, 阳极电极电势正移，阴极 电势负移/减小，这种现象 称为电极的极化； ② 极化后的电极电势与平衡电极电势之差称为超电势， 它随电流密度增加而增大（不利于电化学加工的顺 利进
5 电解加工的局限性： 1）加工精度和稳定性不易控制：影响间隙电场和流
场稳定性的参数多，难以控制，杂散腐蚀较严重； 目前还难以加工小孔和窄缝; 2）不适合单件生产：电极工具的设计修正比较麻烦; 3） 设备投资大：附属设备多，占地面积大，机床要 有足够的刚度和防腐性; 4）电解液污染环境，需妥善处理;
电解液的质量分数＋电解质类型 电化学加工效果
电解液中所含 电解质的多 少；
强电解质(强酸/碱及多数盐类)在水 中可100％电离，适于电化学加 工；
3
4.1 电化学加工原理与分类
2) 电极电势: ① 金属电极插入任何一种电解液
中，会得到/失去电子(离子)， 使金属与溶液界面上形成一定 的电荷分布(即双电层)，从而 形成一定的电位差；
隙: 0.1-1mm; ④ 电解液压力：0.5-2MPa; ⑤ 电解液温度一般30-40度，
不超过60度； ⑥ 电解液流速：5-50m/min，
带走电解产物及热量;
9
4.2.1 电解加工的 过程与特点
3 电解加工成形过程：
1）加工开始时，极间 距离近处电流密度大、 电解液流速高、工件 溶解速度较快；
第四章 电化学加工
电化学加工(Electrochemical Machining，ECM)是特 种加工的一个重要分支，目前已成为一种较为成熟 的特种加工工艺，被广泛应用于众多领域。
根据加工原理，电化学加工可分为以下三大类：
1）利用电化学阳极溶解的
原理去除工件材料：
＊电解加工＊电解抛光
2) 利用电化学阴极沉积的 原理进行镀覆加工：
＊复合镀 ＊电铸
3)电化学加工与其他加工方 法相结合的复合加工：
＊电解磨削 ＊电解电火花复合加工 ＊电化学阳极机械加工
1
4.1 电化学加工原理与分类
1 电化学加工原理与过程： 1) 铜电极＋直流电＋电解质溶液
→通路→电子迁移； ➢ 阳极表面铜原子失去电子→成
为正离子、进入溶液，为电解 过程； ➢ 正离子Cu2+ 移至阴极得电子→ 还原/沉积出铜，为电镀过程；
4.1 电化学加工原理与分类
4) 金属的钝化和活化: ➢ 钝化：电解过程中，电流
密度增加到一定值后，阳 极的溶解速度在大电流状 态下维持一段时间后急剧
成因
✓ 成相理论：认为金属与 溶液作用后形成一层紧 密的薄膜(氧化物、氢化 物或盐)，使金属表面失 去活性而减缓溶解；
下降（不再溶解）的现象， ✓ 吸附理论：认为金属表
图4-2 原电池示意图
② 金属与其盐溶液间的电势差称该金属的电极电势(平 衡电极电势)，目前不能直接测量；
③ 活泼金属 (铁、铝)电极电势小于不活泼金属(铜、锰) 的电极电势；因为：
4
4.1 电化学加工原理与分类
➢ 活泼金属离子在金属晶格上的
能级高于在溶液中的能级(溶
液中更稳定)，金属离子溶解，
使其(Fe)表面带负电；
图4-1 电解(电镀)液中的 电化学反应原理
2) 阴、阳极表面得、失电子的化学反应→电化学反应； 3) 利用电化学反应原理对金属进行加工的方法→电化学
加工;
2
4.1 电化学加工原理与分类
2 影响电化学加工效果的相关要素： ＊电解质溶液＊电极电势＊电极极化＊金属钝化与活化
1）电解质溶液： ➢ 电解质←溶于水后能导电的物质，酸、碱、盐等; ➢ 电解质溶液（电解液）←电解质的水溶液;
➢ 不活泼金属的离子在金属晶格
图4-2 原电池示意图
中比在溶液中更稳定，表面 (Cu)则带正电荷;
③ Fe、Cu插入同一电解液后,两金属表面分别与电解液
形成双电层、但电极电势不同,进而一定的电势差；
④ Fe、Cu电极用导线连接后构成一个原电池( Fe为阳极、
Cu 负极)，电子由Fe流向Cu, Fe原子失去电子而成为
③ 电解加工时，阳极与阴极都存在离子的扩散/迁移 及电化学反应两种过程，但所引起的电极极化类型 不同：浓差极化、电化学极化;
6
4.1 电化学加工原理与分类
a）浓差极化: ➢ 因电解液流速不足或局部受屏蔽，使电极表面金属离
子扩散/迁移速度缓慢、电极/溶液界面处离子浓度升 高(高于本体溶液浓度)而引起的极化； ➢ 浓差极化主要发生在阳极；浓差极化越严重（溶液浓 度差越大），则阳极溶解速度越低； ➢ 减小浓差极化←提高电解液流速/温度、增强搅拌； b）电化学极化: ➢ 由电化学本身反应速度 ( 电极与溶液界面上反应物得 失电子的速度)缓慢、造成电极表面电荷积累而引起的 极化; ➢ 电化学极化主要发生在阴极表面; ➢ 影响因素：电极材料、电解液成分、温度、电流密度 等；升温、降低电流密度可减小电化学极化； 7
图 4.7 电解加工成形原理
2）随电极的连续进给，工件表面逐渐被电解、电解产 物被电解液带走，直至工件与电极表面形状基本相 似，此时极间电流密度均匀、电解速度相同；
10
4.2.1 电解加工的过程与特点
4 电解加工的优点： 1）加工范围广：不受材料强度、硬度和韧性制约，可
加工高强度／硬度／韧性材料、复杂三维曲面、 薄壁件及异型件； 2) 生产率高：电火花的5-10倍，电流及加工面积足够 大时可高于切削加工；生产率不直接受加工精度 和表面粗糙度的限制，适于批量加工； 3) 加工质量好：无切削力/热引起的变形、残余应力、 加工硬化、飞边、毛刺及刀痕等 ；具有较好的表 面粗糙度(Ra1.25-0.2μm)和平均加工精度(±0.1mm 左右); 4) 工具阴极寿命长：理论上无损耗，可长期使用；
称阳极钝化；
面形成了氧的吸附层；
➢ 活化：使金属钝化膜破坏的过程； ➢ 活化措施：将电解液加热、加入还原性气体/活性
离子、机械方法等；
8
4.2 电解加工
1 电解加工原理：利用金属在电解液中的电化学阳极溶 解反应去除工件上多余的材料，将零件加工成形；
图4.6电解加工示意图
2 电解加工设备及条件： ① 直流电源：10-20V; ② 工件：接电源正极； ③ 电极进给，保持两极间