電化學(xué)加工省公開課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

第四章電化學(xué)加工.9.30材料1第1頁(yè)概述電化學(xué)加工： ElectrochemicalMachining，ECM 是特種加工一個(gè)主要分支 理論建立：19世紀(jì)末 大規(guī)模應(yīng)用：20世紀(jì)30~50年代 當(dāng)前：較為成熟，廣泛應(yīng)用。依據(jù)加工原理，三大類：(1)利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理去除工件材料。(2)利用電化學(xué)陰極沉積原理進(jìn)行鍍覆加工。(3)利用電化學(xué)加工與其它加工方法相結(jié)合電化學(xué)復(fù)合加工。2第2頁(yè)第一節(jié)電化學(xué)加工原理及分類電源銅片CuCl2水溶液：

負(fù)離子：OH－和Cl－ 正離子：H＋和Cu2+導(dǎo)電通路--電流，自由電子定向運(yùn)動(dòng)銅片電極和溶液界面上將發(fā)生得失電子電化學(xué)反應(yīng)。 溶液中Cu2+正離子向陰極移動(dòng)，在陰極表面得到電子而發(fā)生還原反應(yīng)，沉積出銅。

在陽(yáng)極表面，Cu原子失去電子而發(fā)生氧化反應(yīng)，成為Cu2+正離子進(jìn)入溶液。在陰、陽(yáng)極表面發(fā)生得失電子化學(xué)反應(yīng)即稱為電化學(xué)反應(yīng)。利用這種電化學(xué)反應(yīng)作用加工金屬方法就是電化學(xué)加工。陽(yáng)極上為電化學(xué)溶解，陰極上為電化學(xué)沉積。CuCl2水溶液一、電化學(xué)反應(yīng)過程3第3頁(yè)電解質(zhì)：溶于水，導(dǎo)電物質(zhì)酸、堿、鹽電解質(zhì)溶液，電解液：電解質(zhì)+水=溶液電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)：電解液所含電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)電解質(zhì)電離：水：極性分子，微觀靜電作用，消弱離子晶體表面帶電離子之間靜電作用力，一層一層地被拉入水中。分類：強(qiáng)電解質(zhì)：100%電離；弱電解質(zhì)：小部分電離，大部分分子狀態(tài)。二、電解質(zhì)溶液4第4頁(yè)三、電極電位1、原電池： 金屬與電解質(zhì)之間：

電子-離子交換NaCl5第5頁(yè)2、雙電層：動(dòng)態(tài)平衡：由金屬表面進(jìn)入溶液金屬離子速度——溶液中金屬離子沉積到金屬表面速度原因：正、負(fù)電荷吸引與排斥作用活潑金屬：金屬負(fù)電，溶液正電不活潑金屬：反之傾向：與活潑程度相關(guān)任何一個(gè)金屬插入含該金屬離子水溶液6第6頁(yè)3.電極電位任何一個(gè)金屬插入含該金屬離子水溶液中，在金屬/溶液界面上都會(huì)形成雙電層（正、負(fù)電層），從而形成一定電位差，這種電位差就稱之為該金屬電極電位。因溶解——沉積相平衡，平衡電極電位7第7頁(yè)4.標(biāo)準(zhǔn)電極電位所謂標(biāo)準(zhǔn)電極電位是指金屬在給定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，相對(duì)一個(gè)統(tǒng)一電位參考基準(zhǔn)所含有平衡電極電位值?；鶞?zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)氫電極——零標(biāo)準(zhǔn)條件：25℃,1g/L溶液（相同金屬離子），與標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位差，U0。8第8頁(yè)9第9頁(yè)10第10頁(yè)離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變時(shí)電極電位：能斯特公式：11第11頁(yè)四、電極極化1.濃差極化 在電解加工時(shí)，金屬離子從陽(yáng)極表面溶解出，越過雙電層，逐步由陽(yáng)極金屬/溶液界面向溶液深處擴(kuò)散，于是陽(yáng)極金屬/溶液界面處陽(yáng)極金屬離子濃度比本體溶液中陽(yáng)極金屬濃度高，濃度差越大，陽(yáng)極表面電極電位越高。

主要發(fā)生在陽(yáng)極上。 消除方法：攪拌等。12第12頁(yè)2.電化學(xué)極化一個(gè)電極反應(yīng)過程包含反應(yīng)物質(zhì)遷移、傳遞，反應(yīng)物質(zhì)在電極/溶液界面上得失電子等。假如反應(yīng)物質(zhì)在電極/溶液界面上得失電子速度，即電化學(xué)反應(yīng)速度落后于其它步驟所進(jìn)行速度，則造成電極表面電荷積累，其規(guī)律是使陽(yáng)極電位更正，陰極電位更負(fù)。將因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)速度遲緩而引發(fā)電極極化現(xiàn)象稱作電化學(xué)極化

13第13頁(yè)五、金屬鈍化和活化1)全部處于活化溶解狀態(tài)[見圖(a)]2)活化—鈍化—超鈍化改變過程[見圖(b)]3)活化—不完全鈍化—超鈍化狀態(tài)[見圖(c)]

(a)整個(gè)區(qū)域都是活化溶解(b)存在鈍化區(qū)(c)存在不完全鈍化區(qū)三種經(jīng)典陽(yáng)極極化曲線圖鈍化原理：成相理論：緊密極薄膜，氧化物、氫氧化物或鹽吸附理論：氧吸附層。實(shí)際上：二者進(jìn)而有之，一方為主。活化：使鈍化膜破壞過程。電解磨削。14第14頁(yè)第二節(jié)電解加工電解加工是特種加工技術(shù)中應(yīng)用最廣泛技術(shù)之一，尤其適合于難加工材料、形狀復(fù)雜或薄壁零件加工。15第15頁(yè)一、電解加工過程及其特點(diǎn)電解加工機(jī)理及過程

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理將工件加工成形一個(gè)特種加工方法。16第16頁(yè)電解加工特點(diǎn)與其它加工方法相比，電解加工含有以下特點(diǎn)。(1)加工范圍廣。(2)生產(chǎn)率高，且加工生產(chǎn)率不直接收加工精度和表面粗糙度限制。(3)加工質(zhì)量好：精度，粗糙度。(4)無機(jī)械切削力：可用于加工薄壁和易變形零件。(5)工具陰極無損耗。17第17頁(yè)標(biāo)準(zhǔn)電極電位高低決定在一定條件下對(duì)應(yīng)金屬離子參加電極反應(yīng)次序。最負(fù)：首先在陽(yáng)極反應(yīng)最正：首先在陰極反應(yīng)二、電解加工中電極反應(yīng)例子：鋼-NaCl水溶液中電解18第18頁(yè)電解加工過程中電能利用：電解液電阻陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)抵消極化反電勢(shì)陽(yáng)極極化十分嚴(yán)重：造成析氧19第19頁(yè)三、電解液電解液作用電解液是電解池基本組成部分，是產(chǎn)生電解加工陽(yáng)極溶解載體。正確地選取電解液是電解加工最基本條件。電解液主要作用是：(1)與工件陽(yáng)極及工具陰極組成進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)電極體系，實(shí)現(xiàn)所要求電解加工過程， 同時(shí)所含導(dǎo)電離子也是電解池中傳送電流介質(zhì)，這是其最基本作用。(2)排除電解產(chǎn)物，控制極化，使陽(yáng)極溶解能正常連續(xù)進(jìn)行。(3)及時(shí)帶走電解加工過程中所產(chǎn)生熱量，使加工區(qū)不致過熱而引發(fā)沸騰、蒸發(fā)，以確保正常加工。20第20頁(yè)慣用電解液及其選擇標(biāo)準(zhǔn)1)電解液選擇標(biāo)準(zhǔn)2)慣用電解液當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)踐中慣用電解液為中性電解液中NaCl、NaNO3及NaClO3三種。3)低濃度復(fù)合電解液如前所述，近年開發(fā)低濃度復(fù)合電解液在改進(jìn)鈦合金加工及鎳基鑄造合金表面質(zhì)量以及提升鐵基合金或金屬加工精度上有顯著效果。21第21頁(yè)電解液流動(dòng)形式電解液流動(dòng)形式圖22第22頁(yè)出口布局23第23頁(yè)國(guó)慶節(jié)快樂！24第24頁(yè)四、電解加工基本規(guī)律（一）生產(chǎn)率及其影響原因1、金屬電化學(xué)當(dāng)量與生產(chǎn)率

法拉第電解定律：K----質(zhì)量電化學(xué)當(dāng)量(g/A.h)

----體積電化學(xué)當(dāng)量(mm3/A.h)K=

查表25第25頁(yè)實(shí)際蝕除量： 小于理論值：陽(yáng)極析出氧氣、氯氣等；高價(jià)離子 大于理論值：難電解微粒，或者晶界腐蝕，成塊沖刷脫落實(shí)際蝕除量：電流效率關(guān)系：蝕除量-電化學(xué)當(dāng)量：正比26第26頁(yè)27第27頁(yè)2.電流密度與生產(chǎn)率關(guān)系va--金屬陽(yáng)極（工件）蝕除速度蝕除速度：與該處電流密度成正比 普通：10~100A/cm2

過大：火花放電，甚至短路28第28頁(yè)3.電極間隙大小與蝕除速度蝕除速度與電極間隙成反比。間隙?。汗ぜ晃g除速度大

過?。夯鸹ǚ烹?，電解產(chǎn)物，尤其是H排氣不暢，反而引發(fā)短路，或者降低蝕除速度29第29頁(yè)假如陰極固定：時(shí)間增加——加工間隙增大——蝕除速度降低30第30頁(yè)31第31頁(yè)（二）精度成形規(guī)律陰極進(jìn)給速度vc端面平衡間隙

b法向平衡間隙n側(cè)面間隙

s32第32頁(yè)平衡間隙理論應(yīng)用：1）計(jì)算電極間隙2）計(jì)算陰極形狀、尺寸3）分析加工精度4）選擇加工參數(shù)：電極間隙、電源電壓、進(jìn)給速度等33第33頁(yè)（三）表面質(zhì)量Ra1.25~0.16微米1）合金成份、金相組織及熱處理狀態(tài)—很大2）工藝參數(shù)：電流密度高——均勻電解液流速低——產(chǎn)物排出，氣泡，導(dǎo)熱流速過高——流場(chǎng)不均勻電解液溫度——高：局部脫落；低：鈍化3）陰極表面條紋、刻痕34第34頁(yè)五、提升電解加工精度路徑（一）脈沖電流加工1）利用脈沖間隔時(shí)間，經(jīng)過電解液流動(dòng)與沖刷，使電導(dǎo)率（氫氣分布）均勻化；2）氫氣斷續(xù)析出，攪拌電解液，排出電解產(chǎn)物。（二）小間隙電解加工 提升加工精度和生產(chǎn)率。35第35頁(yè)（三）改進(jìn)電解液 復(fù)合電解液：加熱少許Na2MoO4、NaWO4

低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（低濃度）電解液： 精度顯著提升 加工效率較低（四）混氣電解加工

精度高36第36頁(yè)混入氣體作用：1、增加了電解液電阻，降低了雜散腐蝕。2、降低了電解液密度和粘度，增加流速，均勻流場(chǎng)。缺點(diǎn)：生產(chǎn)率降低1/3-1/2；但縮短了陰極工件設(shè)計(jì)周期需要從屬供氣設(shè)備。37第37頁(yè)六、電解加工基本設(shè)備（一）直流電源 晶閘管整流電源

晶閘管脈沖電源 大功率集成組件IGBT脈沖電源38第38頁(yè)（二）機(jī)床(1)機(jī)床剛性強(qiáng)(2)進(jìn)給速度穩(wěn)