1、,第六章 電化學(xué)加工,2,主要內(nèi)容,6.1 電化學(xué)加工的基本原理及分類 6.2 電解加工 6.3 電解磨削 6.4 電鑄、涂鍍及復(fù)合鍍加工,第六章 電化學(xué)加工,3,第六章 電化學(xué)加工,6.1 電化學(xué)加工的基本原理及分類,圖6-1 電解液中的電化學(xué)反應(yīng),1、電化學(xué)加工的原理 （1）電化學(xué)加工過(guò)程,電化學(xué)加工包括從工件上去除金屬的電解加工和向工件上沉積金屬的電鍍、涂覆加工兩大類。,當(dāng)兩個(gè)銅片接上直流電形成導(dǎo)電通路時(shí)，導(dǎo)線和溶液中均有電流流過(guò)，在金屬片（電極）和溶液的界面上就會(huì)有交換電子的反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。,4,第六章 電化學(xué)加工,溶液中的離子將作定向移動(dòng)： 正離子移向陰極并在陰極上得到電子而進(jìn)行

2、還原反應(yīng)； 負(fù)離子移向陽(yáng)極并在陽(yáng)極上失去電子進(jìn)行氧化反應(yīng)（也可能是陽(yáng)極金屬原子失掉電子而成為正離子進(jìn)入溶液。,圖6-1 電解液中的電化學(xué)反應(yīng),5,第六章 電化學(xué)加工,圖6-1 電解液中的電化學(xué)反應(yīng),溶液中正、負(fù)離子的定向移動(dòng)稱為電荷遷移。 在陽(yáng)、陰電極表面發(fā)生得失電子的化學(xué)反應(yīng)稱為電化學(xué)反應(yīng)。 利用電化學(xué)反應(yīng)原理對(duì)金屬進(jìn)行加工的方法即電化學(xué)加工。 （圖6-1中陽(yáng)極上為電解蝕除，陰極上為電鍍沉積，常用以提煉純銅） 與這一反應(yīng)密切相關(guān)的概念有：電解質(zhì)溶液、電極電位、電極的極化、鈍化、活化等。,6,第六章 電化學(xué)加工,（3）電極電位,當(dāng)把金屬插入其鹽溶液中時(shí)，金屬表面的離子與溶液中極性水分子相互吸引

3、而發(fā)生水化作用，即： 一方面使金屬表面上部分金屬離子進(jìn)入溶液而把電子留在金屬表面上（金屬溶解）； 另一方面，溶液中的金屬離子從金屬表面上得到電子，還原為金屬原子沉積在金屬表面上（金屬離子的沉積 ） 。,7,第六章 電化學(xué)加工,金屬的電極電位：金屬與其鹽溶液界面上的電位差稱為金屬的電極電位 。 金屬與溶液間電位差的大小，取決于金屬的性質(zhì)，溶液中離子的濃度和溫度。 金屬越活潑，電位越低；越不活潑，電位越高。 在同一種金屬電極中，金屬離子濃度越大，電位越高，濃度越小，電位越低。溫度越高，電位越高，溫度越低，電位越低。,8,第六章 電化學(xué)加工,標(biāo)準(zhǔn)電極電位：電極電位的絕對(duì)值是無(wú)法測(cè)定的，通常選定一個(gè)電

4、極作為標(biāo)準(zhǔn)，將各種待測(cè)電極與它相比較，就可得到各種電極的電極電位相對(duì)值。 國(guó)際應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）選定“標(biāo)準(zhǔn)氫電極”作為比較標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定25 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電位為零。,9,第六章 電化學(xué)加工,（4）電極的極化,電極極化的概念：陽(yáng)極的電極電位向正移（代數(shù)值增大）、陰極的電極電位向負(fù)移（代數(shù)值減?。┑默F(xiàn)象，稱為電極的極化。 超電位：極化后的電極電位與平衡電位的差值稱為超電位。 濃差極化：離子的擴(kuò)散、遷移步驟緩慢引起的電極極化。主要發(fā)生在陽(yáng)極上。 電化學(xué)極化：由電化學(xué)反應(yīng)緩慢引起的電極極化。主要發(fā)生在陰極上。,10,第六章 電化學(xué)加工,（5）金屬的鈍化和活化,陽(yáng)極鈍化：在電解加工中，使金屬

5、陽(yáng)極溶解過(guò)程的超電位升高和電解速度減慢的現(xiàn)象。,金屬鈍化的原因，主要有成相理論和吸附理論兩種。,成相理論認(rèn)為，金屬與溶液作用后在金屬表面上形成了一層緊密的極薄的膜，通常是由氧化物、氫氧化物或鹽組成，從而使金屬表面失去了原來(lái)具有的活潑性質(zhì)，使溶解過(guò)程減慢。,吸附理論認(rèn)為，金屬的鈍化是由于金屬表面形成了氧的吸附層引起的。,11,第六章 電化學(xué)加工,金屬的活化：使金屬鈍化膜破壞的過(guò)程稱為活化。 引起活化的因素很多，例如：把溶液加熱，通入還原性氣體或加入某些活性離子等等，也可以采用機(jī)械辦法破壞鈍化膜，電解磨削就是利用了這一原理。,12,2、電化學(xué)加工的分類,第六章 電化學(xué)加工,第類是利用電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程

6、中的陽(yáng)極溶解來(lái)進(jìn)行加工，主要有電解加工和電化學(xué)拋光等。,第類是利用電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的陰極沉積來(lái)進(jìn)行加工，主要有電鍍、電鑄等。,第類是利用電化學(xué)加工與其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工工藝進(jìn)行加工，目前主要有電解磨削、電化學(xué)陽(yáng)極機(jī)械加工(其中還含有電火花放電作用)。,13,陽(yáng)極溶解,陰極沉積,復(fù)合加工 工藝,第六章 電化學(xué)加工,電化學(xué)加工分類,14,第六章 電化學(xué)加工,電解液的主要作用 A、作為導(dǎo)電介質(zhì)傳遞電流； B、在電場(chǎng)的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使陽(yáng)極溶解能順利而有效地進(jìn)行； C、及時(shí)把加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量帶走的任務(wù)，起到更新和冷卻的作用。,15,NaCl 電解液屬于強(qiáng)電解質(zhì)，適應(yīng)范圍

7、廣，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是電解能力強(qiáng)，散腐蝕能力強(qiáng)，使得離陰極工具較遠(yuǎn)的工件表面也被電解，成型精度難于控制，復(fù)制精度差；對(duì)機(jī)床設(shè)備腐蝕性大，故適用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。 NaCl 電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)常在20%以內(nèi)，一般為14%-18%，當(dāng)要求高的時(shí)候可用較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以減少雜亂腐蝕。常用的溫度為2535C，但加工鈦合金時(shí)要在40C以上。,第六章 電化學(xué)加工,電解液的種類：分為中性、酸性和堿性三種鹽溶液。其中中性的腐蝕性較小，使用安全，應(yīng)用最廣。 常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三種。,(二) 三種常用的電解液,16,2、NaNO3電解液 NaNO3電解液是一種鈍化

8、型電解液，陽(yáng)極極化曲線如圖所示。,第六章 電化學(xué)加工,圖 鋼在NaNO3電解液中的極化曲線,17,NaNO3電解液在濃度低于30%時(shí)，對(duì)設(shè)備、機(jī)床腐蝕性很小，使用安全。但生產(chǎn)效率低，需較大電源功率，另外加工時(shí)在陰極有氨氣析出，所以NaNO3會(huì)被消耗。故適用于成型精度要求較高的工件加工。,第六章 電化學(xué)加工,18,第六章 電化學(xué)加工,3、NaClO3電解液 NaClO3電解液的散蝕能力小，故加工精度高，對(duì)機(jī)床、設(shè)備等的腐蝕很小，廣泛地應(yīng)用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一種強(qiáng)氧化劑，雖不自燃，但遇熱分解的氧氣能助燃，因此使用時(shí)要注意防火安全。 同時(shí)在使用過(guò)程中， NaClO3電解液中

9、的Cl離子不斷增加，電解液有消耗，且Cl離子增加后雜亂腐蝕作用增加，故在加工過(guò)程中要注意Cl離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。,19,第六章 電化學(xué)加工,4、電解液中加添加劑 幾種電解液都有一定缺點(diǎn)，為此，在電解液中使用添加劑是改善性能的重要途徑。 如：NaCl+磷酸鹽； NaNO3+ NaCl,圖電解液的流向a)正向流動(dòng)b)反向流動(dòng)c)橫向流動(dòng),第六章 電化學(xué)加工,21,M溶解或析出物質(zhì)的量 g； V 溶解或析出物質(zhì)的體積 mm3； K 被電解物質(zhì)的質(zhì)量化學(xué)當(dāng)量 g/(Ah)； - 被電解物質(zhì)的體積化學(xué)當(dāng)量 mm3/(Ah)； I 電解(電鍍)電流 A； t - 電解(電鍍)時(shí)間 h。,電解加工的生產(chǎn)率，

10、以單位時(shí)間內(nèi)去除的金屬體積或質(zhì)量來(lái)衡量，用mm3/min或g/min來(lái)表示。 (1)電化學(xué)當(dāng)量對(duì)生產(chǎn)率的影響 由實(shí)踐得知，電解時(shí)工件陽(yáng)極上溶解或析出的物質(zhì)的量與電解電流 I 和電解時(shí)間 t 成正比，亦即與電量（Q=It）成正比，其比例系數(shù)稱為電化學(xué)當(dāng)量。這一規(guī)律即所謂法拉第電解定律。 用質(zhì)量計(jì) M=KIt 用體積計(jì) V=It,四、電解加工的基本規(guī)律,第六章 電化學(xué)加工,1、生產(chǎn)率及其影響因素,22,法拉第電解定律可用來(lái)根據(jù)電量計(jì)算任何被電解金屬或電鍍金屬的數(shù)量，并在理論上不受電解液濃度、溫度、壓力、電極材料及形狀等因素的影響。 例：某廠用氯化鈉電解液加工一種碳鋼零件，加工余量為22200mm3

11、，要求5min電解加工完一個(gè)零件，求需要多大電流？如有5A容量的直流電源，電解時(shí)間需多少？（已知碳鋼的=133 mm3/（A.h） ）。,第六章 電化學(xué)加工,23,第六章 電化學(xué)加工,混氣電解加工 加工原理：將一定壓力的氣體用混氣裝置使它與電解液混合在一起，使電解液成分為包含無(wú)數(shù)氣泡的氣液混合物，然后送入加工區(qū)進(jìn)行電解加工。,24,第六章 電化學(xué)加工,1-工件 2-陰極工具 3-擴(kuò)散部 4-混合部 5-引導(dǎo)部,圖混氣電解加工示意圖,25,第六章 電化學(xué)加工,混合氣體的作用： 1）增加電解液中的電阻率，減少雜散腐蝕，使電解液向非線性方面轉(zhuǎn)化。,2）降低電解液的密度和粘度，增加流速，均勻流場(chǎng)。,圖

12、混氣電解加工型孔,26,第六章 電化學(xué)加工,優(yōu)點(diǎn)：電解加工成形精度高 ；陰極工具設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)單；可利用小功率電源加工大面積的工件。,缺點(diǎn)： 生產(chǎn)率低，較不混氣時(shí)降低1/31/2； 需要附屬供氣設(shè)備，要有足夠壓力的氣源、管道及良好的抽風(fēng)設(shè)備等，使用成本高。,a) 不混氣 b) 混氣 圖 混氣電解加工效果對(duì)比,27,1 型孔加工:形狀復(fù)雜、尺寸較小的四方、六方、橢圓、半圓等形狀的通孔和盲孔，機(jī)械加工很困難，可采用電解加工；,圖 端面進(jìn)給式型孔加工示意圖,關(guān)鍵雜散腐蝕(錐度)控制 使用鈍化型電解液 混氣電解加工 電極的絕緣處理,為提高加工速度,采用陰極內(nèi)圓錐面(高1.5-3.5mm)增加加工面積；,

13、第六章 電化學(xué)加工,28,圖 增液孔的設(shè)置,關(guān)鍵電極的設(shè)計(jì)和制作 使用鈍化型電解液和混氣電解加工 使用反拷方法制作電極 噴液孔槽的設(shè)計(jì)，注意流場(chǎng)的均勻性；加開增液孔,2 型腔加工：對(duì)模具消耗較大、精度要求不太高的礦山機(jī)械、農(nóng)機(jī)、拖拉機(jī)等所需的鍛模已逐漸采用電解加工。,第六章 電化學(xué)加工,29,圖 套料陰極工具,3 套料加工：加工等截面、大面積異形孔；等截面、薄形零件下料。,圖4.33 異形零件,1mm左右銅片，焊接、可更換,第六章 電化學(xué)加工,30,4 葉片加工：用套料方法加工形狀復(fù)雜、精度高、批量大的整體葉輪；,電解加工:不受材料硬度和韌性限制，直接在輪坯上加工出葉身型面，一個(gè)完成后退出陰極

14、，分度后加工下一個(gè)。加工周期大大縮短、生產(chǎn)率高、表面粗糙度小、葉輪強(qiáng)度高、質(zhì)量好。電解加工整體葉輪在我國(guó)已得到普遍應(yīng)用。,葉片加工特點(diǎn):渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓器、汽輪機(jī)等葉身型面形狀較復(fù)雜、要求精度高，加工批量大，機(jī)械加工困難； 傳統(tǒng)方法:將精密鍛造、機(jī)械加工、拋光后鑲到葉輪輪緣的槽中，再焊接而成，加工量大,周期長(zhǎng)，且質(zhì)量不易保證；,第六章 電化學(xué)加工,31,圖 固定式陰極深孔擴(kuò)孔原理,5 深孔擴(kuò)孔加工：利用固定的長(zhǎng)電極擴(kuò)孔； 設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單 ：一套夾具完成定位、導(dǎo)電、輸液； 生產(chǎn)率高：整個(gè)加工面同時(shí)電解； 陰極比工件長(zhǎng)，電源功率要大； 進(jìn)、出口處表面粗糙度及尺寸精度不一致； 工件較長(zhǎng)時(shí)陰極剛度不足；,第六章 電化學(xué)加工,32,6 深孔擴(kuò)孔加工:利用短電極移動(dòng)擴(kuò)孔； 優(yōu)點(diǎn)：陰極較短，容易制造且不受電源功率限制; 缺點(diǎn)：需要機(jī)床的有效長(zhǎng)度大于工件長(zhǎng)度,圖 4.37 移動(dòng)式陰