電化學加工技術資料

1037 電化學加工技術早在1834年，法拉弟就覺察了金屬陽機溶解的根本定律，為電解加工奠定了理2020WladimirGusseff提出將金屬陽極溶解原理1956段。電化學加工原理及分類電化學加工原理當兩銅片接上約10V的直流電源并插入CuCl2的水溶液中(此水溶液中含有OH—和Cl—負離子及H+和Cu+2正離子)，如圖7-1所示，即形成通路。導線和溶液中均有電流流過。在金屬片(電極)和溶液的界面上，必定有交換電子的反響，即電化學反響。溶Cu+沉積出銅。在陽極外表Cu原子失掉電子而成為Cu+2正7-1電解液中的電化學反響1——陽極2——陰極離子進入溶液。溶液中正、負離子的定向移動稱為電荷遷移。在陽、陰電極外表發(fā)生得失電子的化學反響稱之為電化學反響，利用這種電化學作用為根底對金7-1電解液中的電化學反響1——陽極2——陰極凡溶于水后能導電的物質均叫做電解質，如鹽酸(HCl)、硫酸(HzS04)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化銨(NH4OH)、食鹽(NaCl)、硝酸鈉(NaNO3)、氯酸鈉(NaClO3)等酸、堿、鹽都是電解質。電解質與水形成的溶液為電解質溶液，簡稱為電解液。電解液中所含電解質的多少即為電解液的質量分數。由于水分于是極性分子，可以和其它帶電的粒子發(fā)生微觀靜電作用。例如NaCl，它是一種電解質，是結晶體。組成NaCI晶體的粒子不是分子，而是相間排列的Na+離子和C1—Na+和Cl—離子之間的靜電作用減弱，大約只有原來靜電作用的1/80。因此，Na+、Cl—離離方程式簡寫為NaClNaClNaCl在水中能100％電離，稱為強電解質。強酸、強堿和大多數鹽類都是強電解質，它們在水中都完全電離。弱電解質如氨(NH3)、醋酸(CH3COOH)等在水中僅小部為正的氫離子和負的氫氧根離子，導電力氣都很弱。由于溶液中正負離子的電荷相等，所以整個溶液仍保持電的中性。由于金屬原子都是由外層帶負電荷的自由電子和帶正電荷的金屬陽離子所組成最終這兩種相反的過程到達動態(tài)平衡。對化學性能比較活潑的金屬(如鐵)，其外表帶7-2所示，金屬愈活潑，這種傾向愈大。假設金屬離子在金屬上的能存在于金屬晶體中比在溶液中近金屬外表的溶液薄層帶負電，7-3所示。金屬愈不活潑則此種傾向也愈圖7-2活潑金屬的雙電層 圖7-3不活潑金屬的雙電層大。U在給定溶液中建立起來的雙電層，除了受靜電作用外，由于離子的熱運動．使雙電層的離子層獲得了分散的構造，如圖7-4所示。只有在界面上極薄的一層，具有較大的電位差。Ua

分散層電位差7-4雙電層的電位分布的溶解和沉積相平衡時的電位差，所以又稱為平衡電極電位。也隨著轉變。雙電層和電位差。用任何兩種金屬例如Fe和Cu插入某一電解液(如NaCl中時，該兩金屬外表分別與電解液形成雙電層，兩金屬之間存在確定的電位差，其中較活潑的金屬Fe的電位負于較不活潑的金屬Cu均處于可逆的平衡狀態(tài)。當兩金屬電極間有導線接通時，即有電流流過，成為一個原一端向CuFe原子成為Fe離子而連續(xù)溶入電解液，Fe一端稱為原電池的陽極。這種自發(fā)的溶解過程是很慢的。陰極快速供給電子，加速陰極反響。圖中e為電子流淌的方向，i為電流的方向。的平衡狀態(tài)遭到破壞，使陽極的電極電位向正移(代數值增大)、陰極的電極電位向負移(代數值減小)，這種現象稱為極化。極化后的電極電位與平衡電位的差值稱為超電位，隨著電流密度的增加，超電位也增加。緩慢而引起的電極極化稱為電化學極化。l.濃差極化在陽極過程中，金屬不斷溶解的條件之一是生成的金屬離子需要越過雙電層，再向外遷移并集中。然而集中與遷移的速度是有確定限度的，在外電場的作用下，假設陽極外表液層中金屬離子的集中與遷移速度較慢，來不及集中到溶液中去，使陽極外表小的。高電解液流速以增加其攪拌作用，上升電解液溫度等。2.電化學極化電化學極化主要發(fā)生在陰極上，從電源流入的電子來不及轉移給電解液中的H+化。時，就會產生相當嚴峻的電化學極化。化學極化減小。電流密度愈高，電化學極化也愈嚴峻。在電解加工過程中還有一種叫鈍化的現象，它使金屬陽極溶解過程的超電位升高，使電解速度減慢。例如鐵基合金在硝酸鈉(NaNO3)電解液中電解時，電流密度增穩(wěn)定狀態(tài)不再溶解。電解過程中的這種現象稱陽極鈍化(電化學鈍化)，簡稱鈍化。吸附著氧原子或氧離子。削就是利用了這一原理。絕緣材料的膨脹、軟化和損壞等，固此只能在確定溫度范圍內使用。使金屬活化的多種手段中，以氯離子(Cl—)的作用最引人留意。Cl—具有很強的活化力氣，這是由于Cl—Cl—吸附在電極上使鈍化膜中的氧排出，從而使金屬外表活化。電解加工中承受NaCl電解液時生產率高就是這個道理。電化學加工的分類1類是利用電化學陽極溶解來進展加工，主要有電解加工、電解拋光等；第2類是利用電化學陰極沉積、涂覆進展加工，主要有電鍍、涂鍍、電鑄等；第3類是利用，電化學加工與其它加工方法相結合的電陽極機械加工(還包含有電火花放電作用)。其分類狀況如表7-1所示。類別 加工方法〔及原理〕電解加工(陽極溶解類別 加工方法〔及原理〕電解加工(陽極溶解)1電解拋光(陽極溶解)電鍍(陰極沉積)局部涂覆(陰極沉積)2復合電鍍(陰極沉積)電鑄(陰極沉積)電解磨削(陽極溶解、機械刮削)3 電解電火花復合加工(陽極溶解、電火花蝕除)加工類型用于外形、尺寸加工用于外表加工，裝飾用于制造簡潔外形電極，復制周密、簡潔的花紋模用于外形、尺寸加工電化學陽極機械加工(陽極溶解、火花蝕除、機械刮削)用于外形、尺寸加工、高速切斷、下料電化學加工的特點銹是其另一缺點。電解加工不能有選擇地腐蝕成所需要的零件外形和尺寸。電解加工原理及特點7-5電化學加工原理示意圖電解加工是在電解拋光的根底上進展起來的。電解加工原理如圖7-5所示。電解液由泵送到工具和工件之間的狹小間隙，該間隙(0.1~0.5mm)5～50m/s的速度流經它們的初始間隙時，假設工件接直流電源(10~20V)7-5電化學加工原理示意圖度(0.5~3.0mm/min)的電流密度為25~50A/cm2，在加工大面積時，全部加工電流可達10000~40000A。7-6電解加工成型原理電解加工成型模型如圖7-6所示，圖中的細豎線表示通過陰極(工具)與陽極(工件7-6電解加工成型原理在加工剛開頭時，陰極與陽極距離較近的地方通過的電流密度較大，電解液的流速也常較高，陽極溶解速度也就較快，見圖7-6a。由于工具相對工件不斷進給，工件外表就不斷被電解，電解產物不斷被電解液沖走，直至工件外表形成與陰極工作面根本相像的外形為止，如圖7-6b所示。特點：加上范圍廣，不受金屬材料本身力學性能的限制，可以加工硬質合金、淬火種簡潔型面。電解加工的生產率較高，約為電火花加工的5～10倍，在某些狀況下，比切削加工的生產率還高，且加工生產率不直承受加工精度和外表粗糙度的限制。可以到達較好的外表粗糙度(Ra1.25~0.2 m)和±0.1mm左右的平均加工精度。4)由于加工過程中不存在機械切削力，所以不會產生由切削力所引起的剩余應力和變形，沒有飛邊毛刺。5)加工過程中陰極工具在理論上不會耗損，可長期使用。電解加工的主要弱點和局限性為；不易到達較高的加工精度和加工穩(wěn)定性．這是由于影響電解加工間隙電場和孔和窄縫還比較困難。電極工具的設計和修正比較麻煩，因而很難適用于單件生產。造價較高。對電解加工而言，一次性投資較大。電解產物需進展妥當處理，否則將污染環(huán)境。例如重金屬Cr+6離子及各種金屬氣還會對機床、電源、甚至廠房造成腐蝕，也需要留意防護。成為擺在人們面前的一個重要問題。我國的一些專家提出選用電解加工工藝的三原電解加工比較合理。電解加工機理一、電解加工時的電極反響有影響，現以在NaCI水溶液中電解加工鐵基合金為例分析電極反響。電解加工鋼件時，常用的電解液是質量分數為14％~18％的NaCI水溶液，由于NaCI和水(H2O)的離解，在電解液中存在著H+、OH—、Na+、CI—四種離于，現分別討論其陽極反響及陰極反響。陽極反響(公式7-1)計算出電極電位U’作為分析時參考。U”U0

0.059n

lga 〔7-1〕式中U’——平衡電極電位差〔V〕；U0——標準電極電位差〔V〕；n——電極反響得失電子數，即離子價數；a——離子的有效質量濃度。式中“+”號用于計算金屬，“－”號用于計算非金屬陽極外表每個鐵原子在外電源作用下放出(被奪去)二價或三價鐵離于而溶解進入電解液中。FeeFe2 U0.5VFeeFe3 U0.32V負的氫氧根離子被陽極吸引，丟掉電子而析出氧氣：O2

U0.86V負的氯離子被陽極吸引，丟掉電子而析出氯氣：CleCl2 U1.33VFe+2Fe+3的形式溶解，更不行能析出氧氣和氯氣。溶入電解液中的Fe+2又與OH－離子化合，生成Fe(OH)2，由于它在水溶液中的溶解度很小，故生成沉淀而離開反響系統(tǒng)Fe22OHFe(OH) 23 Fe(OH)2沉淀為墨綠色的絮狀物，隨著電解液的流淌而被帶走。Fe(OH)2又漸漸為電解液中及空氣中的氧氣氧化為Fe(OH)。Fe(OH)3 4Fe(OH) 2HOO 4Fe(OH) 2 2 2 3陰極反響就可能性而言，陰極上可能發(fā)生如下反響：正的氫離子被吸引到陰極外表從電源得到電子而析出氫氣2HeH U0.4V2正的鈉離子被吸引到陰極外表，得到電子而析出NaNaeNa U2.6V極上只能是析出氫氣，而不行能沉淀出鈉。由此可見，電解加工過程中，在抱負狀況下，陽極鐵不斷以Fe+2的形式被溶解，本身并不消耗，所以NaCI電解液的使用壽命長，只要過濾干凈，適當添加水分，可長期使用。粗糙度值將變大。這是由于鋼中存在Fe3C相，其電極電位接于石墨的平衡電位(U＝+0.37V)而很難電解。所以，高碳鋼、鑄鐵或經外表滲碳后的零件均不適用于電解加工。二、電解加工過程中的電能利用7-7電解加工間隙內的電壓安排7-7電解加工間隙內的電壓安排10a—陽極壓降Uc—陰極壓降—歐姆壓降速度，加工電壓U要大于或等電解液電阻形成的歐姆電壓(UR＝IR)；另一局部是進展陽極反響和陰極反響所必需的電壓(Ua、Uc)，它由陰陽兩極本身的電極電位和極化產生7-7所示。當加工電壓U等于或小于兩極的電極反響所需的電113U U U U U U a c a c鐵基合金 0~1V；鎳基合金 1~3V；鈦合金 4~6V(例如20V)，其中的5％~3070％~95％的電壓用以得多，則金屬的溶解是唯一的陽極反響，電流大部用于金屬溶解，電流效率接近100用于陽極溶解以外，還消耗于一些副反響，電流效率將低于100％。假設陽極極化格外＝95％～100％。加工鎳基合金和鈦合金的電流效率＝70％～85％。當承受NaNO3、NaClO3等電解液加工時，電流效率隨電流密度、電解液的濃度和溫度猛烈變化。電解加工設備一、直流電源電解加工中常用的直流電源為硅整流電源及晶閘管整流電源。硅整流電源中先用變壓器把380V抗器調壓；②自飽和式電抗器調壓；③晶閘管調壓。鐵材料，也削減了電源的功率損耗。同時，晶閘管是無慣性元件，把握速度快，靈敏度高，有利于進展自動把握和火花保護。其缺點是抗過載力氣差，較易損壞。脈沖電源。由于電解加工承受大電流，因而都承受晶閘管脈沖電源。二、機床源和電解液系統(tǒng)。它與—般金屬切削機床相比，有其特別性，這些特別要求是：機床的剛性電解加工雖然沒有機械切削力，但電解液有很高的壓強，假設20~40kN。因變形，轉變工具陰極和工件的相互位置，甚至造成短路燒傷?！搽姌O進給把握〕金屬的陽極溶解量是與時間成正比的，進給速度不穩(wěn)定，陰極相對工件的各個截面的電解時間就不同，影響到加工精度。這對內孔、膛線、花鍵等的等截面零件加工的影響更為嚴峻，所以電解加工機床必需保證進給速度的穩(wěn)定性。防腐絕緣電解加工機床常常與有腐蝕性的電解液相接觸，故必需實行相應安全措施電解加工過程中產生大量的氫氣，如不準時排解，可能因短路引它們集中并準時排解。三、工具及電解液陰極工具對加工后零件的外表粗糙度也有影響。鋼、鎳銅合金等。7-8的是冷鍛和電鍍成型。7-8電解液系統(tǒng)電解液系統(tǒng)在電化學加工中是必不行少的7-8所示。用于電化學加工的以密封與防腐比較簡潔實現，故使用周期長。將堵塞加工間隙，引起局部短路，故對電解液的凈化是格外必要的。沉淀面積，才能獲得好的效果。100一200#效果好，制造和更換簡潔。實踐證明，電解加工中最有害的不是氫氧化物沉淀，而是一些固體雜質小屑或腐蝕沖刷下來的金屬晶粒，必需將它們?yōu)V除。速高時，過濾效果好，但排渣比較麻煩，且噪聲大，故很少應用。電解液在電解加工過程中，電解液的主要作用是：①作為導電介質接通工具與工件之間的電路，傳遞電流；②在電場作用下進展電化學反響，使陽極溶解能順當而有把握的電解液對電解加工的各項工藝指標有很大影響。對電解液的根本要求具有足夠的蝕除速度即生產率要高，這就要求電解質在溶液中有較高的溶解度和離解度，具有很高的電導率。例如NaCI水溶液中NaCI幾乎能完全離解為Na+、Cl—離子，并與水的H+、OH—離子能共存。另外，電解液中所含的陰離子應具有較正的標準電位，如Cl—，ClO3—等，以免在陽極上產生析氧等副反響，降低電流效率。具有較高的加工精度和外表質量 電解液中的金屬陽離子不應在陰極上產生中所含金屬陽離子必需具有較負的標準電極電位(U0<-2V)，如Na+、K+等。當加工精度和外表質量要求較高時，應選擇雜散腐蝕小的鈍性電解液。陽極反響的最終產物應是不溶性的化合物這主要是便于處理，且不會使陽不溶性的陽極產物堵塞加工間隙而提出的。操作安全；對設備的腐蝕性小以及價格廉價等。三種常用電解液使用時較安全。故應用最普遍。最常用的有NaCI、NaNO3，NaCIO3三種電解液。氯化鈉電解液中含有活性CI－離子，陽極工件外表不易生成鈍化膜，所以具有較大的蝕除速度，而且沒有或很少有析氧等副反響，電流效率高，加工外表粗糙度值也小。NaCl是強電解質，在水溶液中幾乎完全電離，導電力氣強，而且適用范圍廣，價格廉價，貨源充分，所以是應用最廣泛的一種電解液。NaCI電解液的蝕除速度高，但其雜散腐蝕也嚴峻，故復制精度較差．NaCI電解液的質量分數常在20％以內，一般為14％～18％，當要求較高的復制精度時，可采用較低的質量分數(5％～10％)，以削減雜散腐蝕。常用的電解液溫度為25～35℃，但加工鈦合金時，必需在40℃以上。3NaNO3和NaCIO電解液是鈍化型電解液，〔鈍化型電解液見文獻[1]81頁〕。因33 3 3 NaNO和NaCIONaNO和NaCIONaCIO3 3 3 電解加工的根本規(guī)律一、生產率及其影響因素電解加工的生產率，以單位時間內去除的金屬量來衡量，用mm3/min或g/min表參數也有很大的影響。金屬的電化學當量I和電解時間t成正比，用公式符號表示如下：mKIt (7-2)VIt (7-3)式中m——電極上溶解或析出物質的質量(g)V——電極上溶解或析出物質的體積(mm3)K——被電解物質的質量電化學當量(g/A.h)ω——被電解物質的體積電化學當量(mm3/A.h)I——電解電流(A)t——電解時間(h)。論上不受電解液濃度、溫度、壓力、電極材料、外形等因素的影響。這從機理上不難理解，由于電極上物質之所以能產生溶解或析出等電化學反響，就是由于電極和電解液間有電子得失交換，因此電化學反響的量必定和電子得失的數量成正比，而和其它(7-2)(7-3)計算時，應考慮到實際電解加工時陽極還可能消滅其它諸如析出氧、氯氣體等，生成某些薄膜計算時必需乘以電流效率η，即mKIt (7-4)VIt (7-5)表7-2列出了一些常用金屬的電化學當量。假設工件金屬的電化學當量，便可表7-2局部金屬的體積電化學當量表7-2局部金屬的體積電化學當量金屬種類 密度ρ〔g/cm3〕鋁 2.71鎢 19.2鐵 7.86鈷 8.86鎂 1.74銅 8.93鎳8.9622.05鉻7.1631.499原子價n體積電化學當量ω(mm3/A.min)32.151.222.2231.4822.0524.3714.4322.2231.95鉬10.2341.561.031.366鈦4.541.65160.749鋅7.1422.847電流密度由于電流I為電流密度i與加工面積A的乘積，因此式(7-5)可以寫成：ViAt (7-6)V可以用加工面積A與電解掉的金屬厚度h的乘積表示，即V=Ah，而陽極金屬的蝕除速度va

h/t，因此：v h/tV/Ati (7-7)a越高。電解價格時的平均電流密度約為10~100A/cm2，電解液壓力和流速較高時，可使電解液溫度過高，甚至在間隙內會造成沸騰氣化而引起局部短路。量計算蝕除速度，必需推導蝕除速度和電極間隙大小、電壓等關系。電極間隙大小和蝕除速度的關系蝕除速度就越高。設電極間隙為Δ，電極面積為A，電解液的電阻率ρ為電導率σ的倒數，則蝕除速度可以用下式計算v a

U R (7-8)式中U為電解液的歐姆電壓降〔V〕。R上式說明蝕除速度va

與電流效率η、體積電化學當量ω、電導率σ、歐姆電壓降RU成正比，而與電極間隙Δ成反比，即電極間隙越小，工件被蝕除的速度將越大。但臟物堵死而引起短路。R降低，可按式(7-8)進展定量計算。式(7-8)經積分推導，可求得電解時間t和加工間隙的關系式：22UtR 0式中Δ0為起始間隙。二、精度成形規(guī)律電解加工的加工精度包括三方面的內容：①復制精度

(7-9)是設計陰極和選擇工藝參數的根底。②確定精度于：a．加工間隙的大小及其均勻性；b．陰極的型面精度。③重復精度隙的穩(wěn)定性，在某些狀況下，還取決于工件和陰極的裝夾誤差。a．加工間隙的大小、均勻性和穩(wěn)定性；b．工具陰極型面的精度和安裝精度；c．加工裝備系統(tǒng)和把握精度。三、加工外表質量電解加工的外表質量主要指工件外表粗糙度和外表層的物理機械性能。①對外表粗糙度的影響Ra0.16~1.25μm。影響電解加工外表粗糙度的因素較多，主要有工件材料、工具電極、電解液等。工件材料的影響假設工件材料的成分較簡潔、金相組織構造較疏松、粗大，大了加工工件的外表粗糙度。工具電極的影響可以說電解加工是一種反拷貝加工，工具電極外表凸峰電凸面。因此，工具電極外表粗糙度將直接影響加工外表粗糙度。電解液的影響假設電解液流速過低，電解產物和氫氣不能準時沖掉，而滯留降低加工外表粗糙度。也影響表層的物理機械性能。②對表層物理機械性能的影響的完好性，而且不影響其機械性能，有時甚至可提高其外表機械性能。總之，影響電解加工外表質量的因素較多，且這些因素之間的關系又比較簡潔。提高加工外表質量。電解加工的應用實例銑、切割等加工。有關具體資料可參閱文獻[1]、[2]、[8]等。電解磨削電解磨削的根本原理和特點高的生產率。與電解磨削相近似的還有電解珩磨和電解研磨。圖7-9所示的是電解磨削原理圖。導電砂輪1與直流電源的陰極相聯，被加工工件2(硬質合金車刀)3，在電解和機械磨削的雙重