电化学加工省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第四章电化学加工.9.30材料1第1页概述电化学加工： ElectrochemicalMachining，ECM 是特种加工一个主要分支 理论建立：19世纪末 大规模应用：20世纪30~50年代 当前：较为成熟，广泛应用。依据加工原理，三大类：(1)利用电化学阳极溶解原理去除工件材料。(2)利用电化学阴极沉积原理进行镀覆加工。(3)利用电化学加工与其它加工方法相结合电化学复合加工。2第2页第一节电化学加工原理及分类电源铜片CuCl2水溶液：

负离子：OH－和Cl－ 正离子：H＋和Cu2+导电通路--电流，自由电子定向运动铜片电极和溶液界面上将发生得失电子电化学反应。 溶液中Cu2+正离子向阴极移动，在阴极表面得到电子而发生还原反应，沉积出铜。

在阳极表面，Cu原子失去电子而发生氧化反应，成为Cu2+正离子进入溶液。在阴、阳极表面发生得失电子化学反应即称为电化学反应。利用这种电化学反应作用加工金属方法就是电化学加工。阳极上为电化学溶解，阴极上为电化学沉积。CuCl2水溶液一、电化学反应过程3第3页电解质：溶于水，导电物质酸、碱、盐电解质溶液，电解液：电解质+水=溶液电解液质量分数：电解液所含电解质质量分数电解质电离：水：极性分子，微观静电作用，消弱离子晶体表面带电离子之间静电作用力，一层一层地被拉入水中。分类：强电解质：100%电离；弱电解质：小部分电离，大部分分子状态。二、电解质溶液4第4页三、电极电位1、原电池： 金属与电解质之间：

电子-离子交换NaCl5第5页2、双电层：动态平衡：由金属表面进入溶液金属离子速度——溶液中金属离子沉积到金属表面速度原因：正、负电荷吸引与排斥作用活泼金属：金属负电，溶液正电不活泼金属：反之倾向：与活泼程度相关任何一个金属插入含该金属离子水溶液6第6页3.电极电位任何一个金属插入含该金属离子水溶液中，在金属/溶液界面上都会形成双电层（正、负电层），从而形成一定电位差，这种电位差就称之为该金属电极电位。因溶解——沉积相平衡，平衡电极电位7第7页4.标准电极电位所谓标准电极电位是指金属在给定统一标准环境条件下，相对一个统一电位参考基准所含有平衡电极电位值。基准：标准氢电极——零标准条件：25℃,1g/L溶液（相同金属离子），与标准氢电极电位差，U0。8第8页9第9页10第10页离子质量分数改变时电极电位：能斯特公式：11第11页四、电极极化1.浓差极化 在电解加工时，金属离子从阳极表面溶解出，越过双电层，逐步由阳极金属/溶液界面向溶液深处扩散，于是阳极金属/溶液界面处阳极金属离子浓度比本体溶液中阳极金属浓度高，浓度差越大，阳极表面电极电位越高。

主要发生在阳极上。 消除方法：搅拌等。12第12页2.电化学极化一个电极反应过程包含反应物质迁移、传递，反应物质在电极/溶液界面上得失电子等。假如反应物质在电极/溶液界面上得失电子速度，即电化学反应速度落后于其它步骤所进行速度，则造成电极表面电荷积累，其规律是使阳极电位更正，阴极电位更负。将因为电化学反应速度迟缓而引发电极极化现象称作电化学极化

13第13页五、金属钝化和活化1)全部处于活化溶解状态[见图(a)]2)活化—钝化—超钝化改变过程[见图(b)]3)活化—不完全钝化—超钝化状态[见图(c)]

(a)整个区域都是活化溶解(b)存在钝化区(c)存在不完全钝化区三种经典阳极极化曲线图钝化原理：成相理论：紧密极薄膜，氧化物、氢氧化物或盐吸附理论：氧吸附层。实际上：二者进而有之，一方为主。活化：使钝化膜破坏过程。电解磨削。14第14页第二节电解加工电解加工是特种加工技术中应用最广泛技术之一，尤其适合于难加工材料、形状复杂或薄壁零件加工。15第15页一、电解加工过程及其特点电解加工机理及过程

电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解原理将工件加工成形一个特种加工方法。16第16页电解加工特点与其它加工方法相比，电解加工含有以下特点。(1)加工范围广。(2)生产率高，且加工生产率不直接收加工精度和表面粗糙度限制。(3)加工质量好：精度，粗糙度。(4)无机械切削力：可用于加工薄壁和易变形零件。(5)工具阴极无损耗。17第17页标准电极电位高低决定在一定条件下对应金属离子参加电极反应次序。最负：首先在阳极反应最正：首先在阴极反应二、电解加工中电极反应例子：钢-NaCl水溶液中电解18第18页电解加工过程中电能利用：电解液电阻阳极反应阴极反应抵消极化反电势阳极极化十分严重：造成析氧19第19页三、电解液电解液作用电解液是电解池基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解载体。正确地选取电解液是电解加工最基本条件。电解液主要作用是：(1)与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应电极体系，实现所要求电解加工过程， 同时所含导电离子也是电解池中传送电流介质，这是其最基本作用。(2)排除电解产物，控制极化，使阳极溶解能正常连续进行。(3)及时带走电解加工过程中所产生热量，使加工区不致过热而引发沸腾、蒸发，以确保正常加工。20第20页惯用电解液及其选择标准1)电解液选择标准2)惯用电解液当前生产实践中惯用电解液为中性电解液中NaCl、NaNO3及NaClO3三种。3)低浓度复合电解液如前所述，近年开发低浓度复合电解液在改进钛合金加工及镍基铸造合金表面质量以及提升铁基合金或金属加工精度上有显著效果。21第21页电解液流动形式电解液流动形式图22第22页出口布局23第23页国庆节快乐！24第24页四、电解加工基本规律（一）生产率及其影响原因1、金属电化学当量与生产率

法拉第电解定律：K----质量电化学当量(g/A.h)

----体积电化学当量(mm3/A.h)K=

查表25第25页实际蚀除量： 小于理论值：阳极析出氧气、氯气等；高价离子 大于理论值：难电解微粒，或者晶界腐蚀，成块冲刷脱落实际蚀除量：电流效率关系：蚀除量-电化学当量：正比26第26页27第27页2.电流密度与生产率关系va--金属阳极（工件）蚀除速度蚀除速度：与该处电流密度成正比 普通：10~100A/cm2

过大：火花放电，甚至短路28第28页3.电极间隙大小与蚀除速度蚀除速度与电极间隙成反比。间隙小：工件被蚀除速度大

过小：火花放电，电解产物，尤其是H排气不畅，反而引发短路，或者降低蚀除速度29第29页假如阴极固定：时间增加——加工间隙增大——蚀除速度降低30第30页31第31页（二）精度成形规律阴极进给速度vc端面平衡间隙

b法向平衡间隙n侧面间隙

s32第32页平衡间隙理论应用：1）计算电极间隙2）计算阴极形状、尺寸3）分析加工精度4）选择加工参数：电极间隙、电源电压、进给速度等33第33页（三）表面质量Ra1.25~0.16微米1）合金成份、金相组织及热处理状态—很大2）工艺参数：电流密度高——均匀电解液流速低——产物排出，气泡，导热流速过高——流场不均匀电解液温度——高：局部脱落；低：钝化3）阴极表面条纹、刻痕34第34页五、提升电解加工精度路径（一）脉冲电流加工1）利用脉冲间隔时间，经过电解液流动与冲刷，使电导率（氢气分布）均匀化；2）氢气断续析出，搅拌电解液，排出电解产物。（二）小间隙电解加工 提升加工精度和生产率。35第35页（三）改进电解液 复合电解液：加热少许Na2MoO4、NaWO4

低质量分数（低浓度）电解液： 精度显著提升 加工效率较低（四）混气电解加工

精度高36第36页混入气体作用：1、增加了电解液电阻，降低了杂散腐蚀。2、降低了电解液密度和粘度，增加流速，均匀流场。缺点：生产率降低1/3-1/2；但缩短了阴极工件设计周期需要从属供气设备。37第37页六、电解加工基本设备（一）直流电源 晶闸管整流电源

晶闸管脉冲电源 大功率集成组件IGBT脉冲电源38第38页（二）机床(1)机床刚性强(2)进给速度稳