第四章 电化学加工
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第四章 电化学加工2010
b．工件的加工精度和表面质量高 • 由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用，磨削 由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用， 力和磨削热都很小， 力和磨削热都很小，不会产生磨削裂纹和 烧伤现象， 烧伤现象，因而能提高加工表面质量和加 工精度，一般表面粗糙度可优于Ra0.16µm。 工精度，一般表面粗糙度可优于 。
c．砂轮的磨损量小 • 普通刃磨时，碳化硅砂轮磨削硬质合金其磨损量 普通刃磨时， 为硬质合金质量的4～6倍，电解磨削时仅为硬质 为硬质合金质量的4 合金切除量的50% 100%； 50%～ 合金切除量的50%～100%；与普通金刚石砂轮磨削 相比，电解磨削砂轮的损耗速度仅为它们的1/5 1/5～ 相比，电解磨削砂轮的损耗速度仅为它们的1/5～ 1/10，可显著降低成本。 1/10，可显著降低成本。 • 采用电解磨削加工不仅比单纯用金刚石砂轮磨削 时效率提高2 而且大大节省金刚石砂轮， 时效率提高2～3倍，而且大大节省金刚石砂轮， 一个金刚石导电砂轮可用5 一个金刚石导电砂轮可用5～6年。
2. 电解加工的特点
（1）加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制， ）加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制， 可加工硬质合金、耐热合金等； 可加工硬质合金、耐热合金等； （2）电解加工的生产率高，约为电火花加工的 ）电解加工的生产率高，约为电火花加工的5~10倍； 倍 （3）加工过程中工具阴极理论上不耗损，可长期使用； ）加工过程中工具阴极理论上不耗损，可长期使用； (4）不易达到较高的精度和加工稳定性， (4）不易达到较高的精度和加工稳定性，难以实现窄 小孔的加工； 缝、小孔的加工； （5）电极工具设计与制造麻烦，工件必须是导电材料； ）电极工具设计与制造麻烦，工件必须是导电材料； （6）电解液对设备与环境有腐蚀和污染作用，需要防 ）电解液对设备与环境有腐蚀和污染作用， 腐和无害化处理。 腐和无害化处理。
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
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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+
精密加工第4章 电化学加工
3）电极极化
平衡电极电位是没有电流通过电极时的情况, 当有电流通过时,电极的平衡状态遭到破坏,使阳极 的电极电位向正移(代数值增大),阴极的电极电位 向负移(代数值减小),这种电极电位偏离了无电流 通过电极的电极电位情况称为电极极化. 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位 (过电位). i
1 2 电极极化曲线 -V 电位 +V i-电流密度;1-阴极;2-阳极
据电化学加工原理，可将电化学加工分为三类：
利用阳极溶解
电解：通过电化学反应从工件表面去除金属． 电解抛光：通过电化学反应从工件表面去除金属毛刺．
利用阴极上的沉积作用
电镀：在工件表面沉积金属：材料表面装饰保护．
电铸：在阴极上沉积实现附着加工． 电刷镀：
复合电镀：
复合加工
Fe+2 + 2e
Fe （沉积，还原反应）
随着金属表面负电荷的增多，溶液中Fe+2 返回金 属表面的速度逐渐增加。最后，这两种相反的过 程达到动态平衡。
对于化学性能比较活泼的金属（如铁），其表面 带负电，溶液带正电，形成一层极薄的“双电 层”，金属越活泼，这种倾向越大。
活泼金属的双电层
不活泼金属的双电层
电解磨削：
各种电化学方法的比较
工艺名称 电解加工 电解磨削 电铸加工 电镀与 电刷度
电化学 电化学 电化学 电化学 去除加工 去除加工 附着加工 附着加工 加工原理 机械磨削 阴极沉积 阴极沉积 作用 阳极溶解 剥取沉积 附着在表 电解作用 层 面
电化学方法与传统加工方法相比所具有的特点:
① 可对任何硬度、强度、韧性的金属材料进行加工，加工 难加工材料时，其优点更为突出。 ② 加工过程中不存在机械切削力和切削热作用，故加工后 表面无残余应力和冷硬层，也无毛刺 、棱边，表面质量 好。 ③ 大面积上可同时进行加工，也无需粗精分开，故一般具 有较高的生产率。 ④ 加工过程监测与自动控制、工具的准确设计、加工精度 的提高，以及电化学作用的产物（气体或废液）的处理 等都是亟待解决的问题。
第四章 电化学加工
Fe
+ + + +
-
-
+ + + +
FeCl2
活泼金属 Fe双电层
第一节 电化学加工原理及分类
（三）电极电位
双电层现象 动态过程(不活泼金属) Cu2+ + 2e → Cu Cu→ Cu2+ + 2e 标准电极电位
-
+ +
Cu
+ +
+ + + +
CuSO4
-
不活泼金属 Cu双电层 e
形状和尺寸； b.根据工件的形状尺寸要求，设计工具阴极尺寸及修正量； c.分析加工误差产生的主要原因； d.选择合理的加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速 度等。
• 平衡间隙理论的最重要的应用就是设计阴极尺寸。
⑤影响加工间隙的因素
△b=ηωσUR/Vc
• 1)电流效率η • 2)电导率σ
• 3)加工电压U
速度，加工电压要大于或等于两部分电势之和。一部 分是电解液电阻形成的欧姆电压；另一部分是进行阳 极反应和阴极反应所必须的电压，它由阴阳极本身的 电极电位和极化产生的各种超电位组成。
• 电压利用：5%-30%抵消极化产生的超电位；
70%-95%用于克服间隙电解液的电阻
。
• 电流效率：与阳极极化程度有关。
简化计算：
UR=U-2
• 蚀除速度与该处的电流效率、被电解物质的体积电化学当 量、电导率、电解质的欧姆电压成正比，而与加工间隙成 反比。
2.精度成形规律
①端面平衡间隙
vc vc
△0
设加工起始间隙为△0，如果 阴极不动，加工间隙逐渐增 加，蚀除速度逐渐减小。如果
特种加工技术第4章电化学加工
）没有电极损耗。4）工具和工件之间没有宏观作用力。5 ）无需分粗、精加工，生产率高。6）加工表面质量较好 。
局限性：1）加工稳定性和加工精度难以控制。2 ）杂散腐蚀严重。3）工具电极的设计和制造要求 高。4）设备投资大，设备的防腐、密封等要求较 高。5）电解产物处理困难，而且有许多影响环保 的因素。
图4-1 电化学加工原理
电化学加工原理
加工过程 活化和钝化 电极电位 电极极化 电解质溶液
将两片铜片作为电极，接上约12 V的直流电 ，并浸入CuCl2的水溶液中，电解质中的离子将 作定向运动，Cu2+离子将向阴极（负极）移动 ，并在阴极得到电子，还原成铜原子而沉积 在阴极表面。相反，在阳极表面不断有铜原 子失去电子，变成Cu2+离子而进入溶液（溶 解）。其实，任何两种不同的金属放入任何 导电的水溶液作，在电场的作用下都会有类 似的情况发生。阳极表面失去电子（氧化反 应）产生阳极溶解、蚀除，称为电解；阴极 得到电子（还原反应）金属离子还原成为原 子，沉积到阴极表面，称为电镀。
择加工参数的重要基础。 绝对精度是指工件的形状和尺寸相对其 设计图纸要求的偏差量。它取决于阴极
型面精度和加工间隙大小及均匀性。
重复精度是指用同一阴极加工出来的一
批零件的形状和尺寸的偏差量。它取决于 加工间隙的稳定性，工件和工具的安装误 差也有影响。
对粗糙度的影响：工件材料、工具电极、电 解液等。一般可达Ra1.25-0.016 mm。 1）工件材料成分越复杂、组织越疏松、晶 粒越粗大，则加工表面粗糙度越差。
一种金属与其盐溶液之间的电极 电位无法直接测量，但是盐桥法 可以测量出两种不同电极电位的 差。元素在25℃时的标准电极电 位，把金属放在此金属离子的有 效质量浓度为1 g/L的溶液中，此 电极的电位与标准氢电极的电位 差，作为标准电极电位，用U0表
局限性：1）加工稳定性和加工精度难以控制。2 ）杂散腐蚀严重。3）工具电极的设计和制造要求 高。4）设备投资大，设备的防腐、密封等要求较 高。5）电解产物处理困难，而且有许多影响环保 的因素。
图4-1 电化学加工原理
电化学加工原理
加工过程 活化和钝化 电极电位 电极极化 电解质溶液
将两片铜片作为电极，接上约12 V的直流电 ，并浸入CuCl2的水溶液中，电解质中的离子将 作定向运动，Cu2+离子将向阴极（负极）移动 ，并在阴极得到电子，还原成铜原子而沉积 在阴极表面。相反，在阳极表面不断有铜原 子失去电子，变成Cu2+离子而进入溶液（溶 解）。其实，任何两种不同的金属放入任何 导电的水溶液作，在电场的作用下都会有类 似的情况发生。阳极表面失去电子（氧化反 应）产生阳极溶解、蚀除，称为电解；阴极 得到电子（还原反应）金属离子还原成为原 子，沉积到阴极表面，称为电镀。
择加工参数的重要基础。 绝对精度是指工件的形状和尺寸相对其 设计图纸要求的偏差量。它取决于阴极
型面精度和加工间隙大小及均匀性。
重复精度是指用同一阴极加工出来的一
批零件的形状和尺寸的偏差量。它取决于 加工间隙的稳定性，工件和工具的安装误 差也有影响。
对粗糙度的影响：工件材料、工具电极、电 解液等。一般可达Ra1.25-0.016 mm。 1）工件材料成分越复杂、组织越疏松、晶 粒越粗大，则加工表面粗糙度越差。
一种金属与其盐溶液之间的电极 电位无法直接测量，但是盐桥法 可以测量出两种不同电极电位的 差。元素在25℃时的标准电极电 位，把金属放在此金属离子的有 效质量浓度为1 g/L的溶液中，此 电极的电位与标准氢电极的电位 差，作为标准电极电位，用U0表
先进制造技术4电化学加工
三、电解液 三种常用的电解液
（1）NaCl电解液 其电解液中Cl-为活性离子，阳极工件表面不易产生 钝化膜，具有导电能力强、加工速度高、表面粗糙 度值小、价格便宜等优点。使用最为广泛。 其主要缺点是杂散腐蚀严重，故复制精度低。 （2）NaNO3电解液 是一种钝化型电解液，其阳极极化曲线如图4-5所示。 B E lg i C D
U O 钢在NaNO3电解液中的钝化 图4-5 钢在
A
三、电解液
与NaCl相比，NaNO3具有成型精度高，对机床腐蚀 小等优点。其主要缺点是电流效率和生产率都低， 使用中 NaNO3有消耗。
a) Nacl电解液加工 电解液加工
NaNO3电解液加工
图4-6 杂散腐蚀能力比较
三、电解液
（3）NaClO3电解液 是一种钝化型电解液，具有加工精度高，对机床设 备等锈蚀作用很小的优点，而且还具有同NaCl相近 高的加工效率等优点。其主要缺点是价格贵（是 NaCl的5倍），使用时应注意防火。 （4）电解液中加添加剂 采用在电解液中添加添加剂的方法改变其缺点，如 在NaCl溶液中加入少量磷酸盐，可提高其加工精度， 在NaNO3 溶液中加入少量NaCl可提高加工生产率。
一、电解加工过程及其特点
一、电解加工过程及其特点 电解加工与其他加工方法相比较， 电解加工与其他加工方法相比较，具有下述特点
（1）加工范围广 不受金属材料本身力学性能的限制，可加工硬质合 金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度 及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等复杂型面。 （2）生产率较高 约为电火花加工的5 ~ 10 5 10倍，在某些情况下，比切 削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工 精度和表面粗糙度的限制。 （3）可以达到较好的表面粗糙度（Ra 1.25 ~ 0.2 µm）和±0.1 mm左右的平均加工精度。 （4）不存在机械切削力 不会产生残余应力和变形，无热影响，无飞边毛刺。 （5）阴极工具在理论上不会损耗，可长期使用
第四章、电化学加工
1 ie
2 为电荷迁移。
ei
➢ 在阳、阴电极表面发生得失电子
Cl－
OH－
Cu2＋ H＋
的化学反应称为电化学反应。 ➢ 利用电化学反应原理对金属进行
加工的方法即电化学加工。 （图
1—阳 极 ； 2—阴 极
图4-1 电解液中的电化学反应
4-1中阳极上为电解蚀除，阴极上 为电镀沉积，常用以提炼纯铜）
5
第四章 电化学加工
电解加工的生产率，以单位时间内去除的金属量来衡 量，用mm3/min或g/min表示。
（1）电化学当量对生产率的影响
电化学当量愈大，生产率愈高。
理论电蚀量
m KIt
实际电蚀量
m KIt
V It
V It
（K-质量化学当量； W-体积化学当量）
28
第四章 电化学加工
（２）电流密度对生产率的影响
称之为双曲线常数。
C U R
30
第四章 电化学加工
但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液 流动受阻、蚀除物排除不畅，以至产生局部短路，反 而使生产率下降，因此间隙较小时应加大电解液的流 速和压力。
电解加工中，加工间隙的变化有如下规律：
2URt 20
31
第四章 电化学加工
例：用温度30℃、质量分数为15%的NaCl电解液，对某 一碳钢零件进行固定式阴极电解扩孔，起始间隙为 0.2mm（单边，下同），电压为12V。求刚开始的蚀除 速度和间隙为1mm时的蚀除速度，并求间隙由0.2mm 扩大到1mm所需的时间。
e i 2 溶液中的离子将作定向移动：
Cu2＋ H＋
Cl－
OH－
➢ 正离子移向阴极并在阴极上得 到电子而进行还原反应；
第4章_电化学加工
1）加工范围广
不受金属材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、 不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工 叶片、锻模等各种复杂型面。
2) 生产率高
约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下，比切削加工的生产 率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。
3) 加工表面质量好
金属的电化学当量与生产率的关溶解，从而多消耗了一些电
荷。所以引入电流效率：
实际金属蚀除量
理 论 计算蚀 除 量100 %
➢ 为此，实际蚀除量为： 质量 m = KIt 体积 V = It
表4-5 一些常见金属的电化学当量
金属名称
铁
第4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。 (2) 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 (3) 利用电化学加工与其他加工方法相结合的电
两极间无电流通过时：平衡电极电位 两极间有电流通过时：
阳极：电极电位→向正移 阴极：电极电位→向负移
极化现象：电流密度增大时，两极电位增 大的现象
❖ 超电位： 极化后的电极电位与平衡电极 电位之差
产生超电位的原因：
浓差极化（在阳极） 电化学极化（在阴极）
阴极 -V
i
电位
阳极 +V
钝化现象
电解加工的基本规律
（一）生产率及其影响因素
1.金属的电化学当量 2.电流密度 3.电极间隙大小和蚀除速度的关系
（二）精度成形规律
不受金属材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、 不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工 叶片、锻模等各种复杂型面。
2) 生产率高
约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下，比切削加工的生产 率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。
3) 加工表面质量好
金属的电化学当量与生产率的关溶解，从而多消耗了一些电
荷。所以引入电流效率：
实际金属蚀除量
理 论 计算蚀 除 量100 %
➢ 为此，实际蚀除量为： 质量 m = KIt 体积 V = It
表4-5 一些常见金属的电化学当量
金属名称
铁
第4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。 (2) 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 (3) 利用电化学加工与其他加工方法相结合的电
两极间无电流通过时：平衡电极电位 两极间有电流通过时：
阳极：电极电位→向正移 阴极：电极电位→向负移
极化现象：电流密度增大时，两极电位增 大的现象
❖ 超电位： 极化后的电极电位与平衡电极 电位之差
产生超电位的原因：
浓差极化（在阳极） 电化学极化（在阴极）
阴极 -V
i
电位
阳极 +V
钝化现象
电解加工的基本规律
（一）生产率及其影响因素
1.金属的电化学当量 2.电流密度 3.电极间隙大小和蚀除速度的关系
（二）精度成形规律
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4
4.1 电化学加工原理及分类 4.1.1 电化学加工的基本原理（基本概念）
一、电化学加工过程（重点）
二、电解质溶液 三、电极电位（重点） 四、电极的极化（重点） 五、金属的钝化和活化（重点）
4.1.2 电化学加工的分类
5
1、电化学加工过程
• 在CuCl2水溶液中插入两个铜片，并加上10V直流电，导 线和溶液中就会有电流流过。在金属和溶液之间必定存 在交换电子的反应，即电化学反应。
特种加工
第4章 电化学加工
2
问题？
如何将材 料去除的？ 电化学 加工
加工机理？
设备和 工艺如何？
要注意哪 些问题？
3
电化学加工
• 名称：电化学加工 Electrochemical Machining(ECM) • 简介：利用电化学反应进行的金属去除和沉积的加工， 主要有两大类： – 去除金属的电解加工 – 沉积金属的电镀、涂覆、电铸加工 • 起源：理论建立 19世纪末 广泛应用 20世纪30~50年代 我国开始应用 20世纪50年代 • 应用：炮管膛线，喷气发动机叶片，汽车拖拉机型腔模具。
9
3、电极电位 — （1）双电层
金属原子 = 带正电荷的金属阳离子 + 带负电的电子
• 即使没有外接电源，金属与其盐溶液间也会产生得失电子的现象 ，例如Fe与FeCl2水溶液接触，由于：Fe+2在晶体中的能级 > Fe+2 在溶液中的能级，Fe失去电子形成Fe+2进入到溶液。
Fe
e
Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+
FeCl2
10
Fe2+ Fe2+
Fe2+
3、电极电位 — （2）平衡电极电位
• 由于双电层的存在，在正、负电层之间，也就是金属和 电解液之间形成电位差。 • 产生在金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极 电位。 • 由于这是金属在其本身的盐溶液中的溶解和沉积相平衡 时的电位差，又称为平衡电极电位。
16
3、电极电位 — （8）电化学加工基本原理
任何两种金属（如Fe/Cu）插入到某一电解液（如NaCl ）中时，这两种金属都会各自与电解液形成双电层，从而金 属间产生电位差，活泼金属Fe的电位负于较不活泼的金属 Cu。 若用导线将二者接通，则会由电流流过，这就是原电池 。Fe原子就会失去电子成为离子进入到溶液中。这一过程 是自发溶解，很慢。
Fe Fe Fe Fe Fe
Fe Fe Fe Fe
e e
SO42Fe2+ SO4 Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+ SO4
22-
Cu2+ Cu Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu Cu Cu Cu
Cu Cu2+ Cu Cu Cu Cu Cu2+ Cu2+ Cu2+
SO42SO42SO42SO42-
双电层除了受静电力作用外， 由于分子、离子的热运 动， 其构造并不象电容器那 样生成紧密的两个带电层， 而是使双电层的离子层 获得了分散的构造， 只有在界面上极薄的一 层具有较大的电位差 Ua。
U
分散层 b
紧密层 a
双电层电位分布
Ub
13
Ua
溶液
3、电极电位 — （5）标准电极电位
电解加工过程及特点 电解加工基本原理 电解液 电解加工过程的基本规律 提高电解加工精度的途径 电解加工的基本设备 电解加工工艺及应用
28
4.2.1 电解加工过程及特点 1. 过程 电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶 解，将工件加工成形的。 ②
工具阴极
③ 工件阳极
① 直流电源 (10~20V)
Fe Fe Fe Fe
Fe Fe Fe
e e e e e
Fe2+
Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+
e e e e
Fe2+
Fe
Fe
Fe Fe Fe Fe
e
e
e
同时Fe+2得到电子而沉积， 最终达到动态平衡。 金属表面带负电荷， 金属表面外层溶液中有一层 金属离子，带正电荷， 即“双电层”。 金属越活泼，这种趋势越大。
阳极
i
e
e
i
阴极
Cu
+
Cu
Cl
-
H
+
Cu
OH
6
1、电化学加工过程(续)
电化学加工概念 • 在阳、阴电极表面发生得失电子的反应称为电化学反 应。 • 利用电化学反应（以电化学作用为基础）对金属进行 加工方法就称为电化学加工。 – 阳极上电解蚀除 – 阴极上电镀沉积
7
2、电解质溶液
电解质 凡溶于水后能导电的物质
• 到目前为止，金属和其盐溶液之间的双电层的电位 差还不能直接测定， 但是可以用盐桥的方法测出两种不同电极间的电位 差。
• 生产中规定，采用一种电极作为标准和其它电极比 较得出的相对值，称为标准电极电位。 通常是以标准氢电极为基准。
• 标准电极电位是判定电化学加工中电化学反应的依 据。
14
3、电极电位 —（ 6）标准电极电位表
23
5、金属的钝化与活化 — （2）活化
• 任何能够使金属钝化膜破坏的过程称为活化。
• 活化方法： – 电解液加热 – 通入还原性气体 – 加入某些活性离子 – 机械方法，如电解磨削
24
4.1.2 电化学加工的分类
• 按其作用原理分三大类： –1.利用电化学阳极溶解来进行加工， 如电解加工、电解抛光；
• 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位。 超电位的大小与电流密度有关。
• 极化有两种： – 浓差极化：由离子的扩散、迁移缓慢引起的。 – 电化学极化：由于电化学反应缓慢而引起的。
19
4、电极的极化 — （1）极化过程 •
(1) (3)
阳极极化过程：
金属原子
外电场克服金属晶体的作用力
金属离子
电解质与水形成的溶液 电解质溶液(电解液)
电解液的质量分数 电解液中所含有电解质的多少 强电解质 凡是在水中能100%溶解的电解质为 强电解质(如NaCl)；
弱电解质
只有小部分电离成离子，大部分以 分子状态存在的电解质，如氨NH3、
醋酸CH3COOH、水。
8
3、电极电位 • “双电层” • 电极电位/平衡电极电位 • 标准电极电位 • 外电场加速电极反应
11
3、电极电位 — （3）双电层的电位性质
若金属离子在金属上的能级比在溶液中的低，例如Cu，Cu+2在晶 体中的能级 < Cu+2在溶液中的能级，Cu+2存在于晶体中比在溶
液中更稳定，则金属表面带正电，溶液薄层带负电。
即金属越不活泼，这种趋势越大。而活泼金属与之相反。
Fe
e
Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+
e e e e
Fe2+
e
e e
Fe Fe Fe Fe
SO42-
Cu Cu Cu Cu Cu2+ Cu2+ Cu2+ SO42-
e
e
e
Cu2+
Cu2+
SO42-
Fe2+ Fe2+
Fe2+
FeCl2
SO42-
SO42-
SO42-
CuSO4
12
活泼金属的双电层
不活泼金属的双电层
3、电极电位 — （4）双电层的电位分布
30
3.缺点 （1）不易达到较高的加工精度和加工稳定性，为 什么？ （2）电极工具的设计修正麻烦，不适于单件生产 ； （3）附属设备多，占地面积大，机床要防腐，造 价高； （4）废弃工作液需要无害化处理。
31
4.2.2 电解加工的电级反应
• 电解加工的电极反应是比较复杂的，原因是： – 工件材料不是纯金属，是多种金属元素的合金， 并且其金相组织也不完全一致。 – 电解液也不是该金属的盐溶液 – 电解液的浓度、温度、压力及流速都会对电解加 工有影响 • 下面的内容： – 1. 以钢在NaCl水溶液的电解为例，分析其电极反 应(质量分数14%～18%) – 2. 分析电解加工中的电能利用
④ 电解液泵 0.5~2MPa
⑤ 电解液 NaCl
29
2.优点
（1）加工范围广； （2）电解加工的生产率较高，电火花的5~10倍，有 时高于切削加工； （3）可以达到较好的表面粗糙度(Ra1.25~0.2)和 100µm左右的平均加工精度； （4）加工过程中不存在机械切削力，没有残余应力 和变形，没有毛刺； （5）工具电极理论上不损耗，可长期使用。
+
从电极表面液层扩散 水化离子 离开阳极表面区
水分子
ห้องสมุดไป่ตู้
(2)
•
阴极极化过程：
(1) 水化氢离子(H3O+) 双电层 阴极表面
(2)
(3) (4)
H3O+ → H2O + H+ H+ + e → H H + H → H2
20
4、电极的极化 — （2）浓差极化
• 在阳极，金属不断溶解，但溶解的条件是生成的离子需 要越过双电层，再向外扩散。 • 如果：生成离子速度 > 扩散和迁移速度， 则： 阳极表面金属离子堆积，电位值增大， 这就是： 浓差极化。
32
(1) 钢在NaCl水溶液中的电极反应
• 阳极反应： (查表得U0，能斯特公式算出U’)
U
'
U
0
4.1 电化学加工原理及分类 4.1.1 电化学加工的基本原理（基本概念）
一、电化学加工过程（重点）
二、电解质溶液 三、电极电位（重点） 四、电极的极化（重点） 五、金属的钝化和活化（重点）
4.1.2 电化学加工的分类
5
1、电化学加工过程
• 在CuCl2水溶液中插入两个铜片，并加上10V直流电，导 线和溶液中就会有电流流过。在金属和溶液之间必定存 在交换电子的反应，即电化学反应。
特种加工
第4章 电化学加工
2
问题？
如何将材 料去除的？ 电化学 加工
加工机理？
设备和 工艺如何？
要注意哪 些问题？
3
电化学加工
• 名称：电化学加工 Electrochemical Machining(ECM) • 简介：利用电化学反应进行的金属去除和沉积的加工， 主要有两大类： – 去除金属的电解加工 – 沉积金属的电镀、涂覆、电铸加工 • 起源：理论建立 19世纪末 广泛应用 20世纪30~50年代 我国开始应用 20世纪50年代 • 应用：炮管膛线，喷气发动机叶片，汽车拖拉机型腔模具。
9
3、电极电位 — （1）双电层
金属原子 = 带正电荷的金属阳离子 + 带负电的电子
• 即使没有外接电源，金属与其盐溶液间也会产生得失电子的现象 ，例如Fe与FeCl2水溶液接触，由于：Fe+2在晶体中的能级 > Fe+2 在溶液中的能级，Fe失去电子形成Fe+2进入到溶液。
Fe
e
Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+
FeCl2
10
Fe2+ Fe2+
Fe2+
3、电极电位 — （2）平衡电极电位
• 由于双电层的存在，在正、负电层之间，也就是金属和 电解液之间形成电位差。 • 产生在金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极 电位。 • 由于这是金属在其本身的盐溶液中的溶解和沉积相平衡 时的电位差，又称为平衡电极电位。
16
3、电极电位 — （8）电化学加工基本原理
任何两种金属（如Fe/Cu）插入到某一电解液（如NaCl ）中时，这两种金属都会各自与电解液形成双电层，从而金 属间产生电位差，活泼金属Fe的电位负于较不活泼的金属 Cu。 若用导线将二者接通，则会由电流流过，这就是原电池 。Fe原子就会失去电子成为离子进入到溶液中。这一过程 是自发溶解，很慢。
Fe Fe Fe Fe Fe
Fe Fe Fe Fe
e e
SO42Fe2+ SO4 Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+ SO4
22-
Cu2+ Cu Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu Cu Cu Cu
Cu Cu2+ Cu Cu Cu Cu Cu2+ Cu2+ Cu2+
SO42SO42SO42SO42-
双电层除了受静电力作用外， 由于分子、离子的热运 动， 其构造并不象电容器那 样生成紧密的两个带电层， 而是使双电层的离子层 获得了分散的构造， 只有在界面上极薄的一 层具有较大的电位差 Ua。
U
分散层 b
紧密层 a
双电层电位分布
Ub
13
Ua
溶液
3、电极电位 — （5）标准电极电位
电解加工过程及特点 电解加工基本原理 电解液 电解加工过程的基本规律 提高电解加工精度的途径 电解加工的基本设备 电解加工工艺及应用
28
4.2.1 电解加工过程及特点 1. 过程 电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶 解，将工件加工成形的。 ②
工具阴极
③ 工件阳极
① 直流电源 (10~20V)
Fe Fe Fe Fe
Fe Fe Fe
e e e e e
Fe2+
Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+
e e e e
Fe2+
Fe
Fe
Fe Fe Fe Fe
e
e
e
同时Fe+2得到电子而沉积， 最终达到动态平衡。 金属表面带负电荷， 金属表面外层溶液中有一层 金属离子，带正电荷， 即“双电层”。 金属越活泼，这种趋势越大。
阳极
i
e
e
i
阴极
Cu
+
Cu
Cl
-
H
+
Cu
OH
6
1、电化学加工过程(续)
电化学加工概念 • 在阳、阴电极表面发生得失电子的反应称为电化学反 应。 • 利用电化学反应（以电化学作用为基础）对金属进行 加工方法就称为电化学加工。 – 阳极上电解蚀除 – 阴极上电镀沉积
7
2、电解质溶液
电解质 凡溶于水后能导电的物质
• 到目前为止，金属和其盐溶液之间的双电层的电位 差还不能直接测定， 但是可以用盐桥的方法测出两种不同电极间的电位 差。
• 生产中规定，采用一种电极作为标准和其它电极比 较得出的相对值，称为标准电极电位。 通常是以标准氢电极为基准。
• 标准电极电位是判定电化学加工中电化学反应的依 据。
14
3、电极电位 —（ 6）标准电极电位表
23
5、金属的钝化与活化 — （2）活化
• 任何能够使金属钝化膜破坏的过程称为活化。
• 活化方法： – 电解液加热 – 通入还原性气体 – 加入某些活性离子 – 机械方法，如电解磨削
24
4.1.2 电化学加工的分类
• 按其作用原理分三大类： –1.利用电化学阳极溶解来进行加工， 如电解加工、电解抛光；
• 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位。 超电位的大小与电流密度有关。
• 极化有两种： – 浓差极化：由离子的扩散、迁移缓慢引起的。 – 电化学极化：由于电化学反应缓慢而引起的。
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4、电极的极化 — （1）极化过程 •
(1) (3)
阳极极化过程：
金属原子
外电场克服金属晶体的作用力
金属离子
电解质与水形成的溶液 电解质溶液(电解液)
电解液的质量分数 电解液中所含有电解质的多少 强电解质 凡是在水中能100%溶解的电解质为 强电解质(如NaCl)；
弱电解质
只有小部分电离成离子，大部分以 分子状态存在的电解质，如氨NH3、
醋酸CH3COOH、水。
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3、电极电位 • “双电层” • 电极电位/平衡电极电位 • 标准电极电位 • 外电场加速电极反应
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3、电极电位 — （3）双电层的电位性质
若金属离子在金属上的能级比在溶液中的低，例如Cu，Cu+2在晶 体中的能级 < Cu+2在溶液中的能级，Cu+2存在于晶体中比在溶
液中更稳定，则金属表面带正电，溶液薄层带负电。
即金属越不活泼，这种趋势越大。而活泼金属与之相反。
Fe
e
Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+
e e e e
Fe2+
e
e e
Fe Fe Fe Fe
SO42-
Cu Cu Cu Cu Cu2+ Cu2+ Cu2+ SO42-
e
e
e
Cu2+
Cu2+
SO42-
Fe2+ Fe2+
Fe2+
FeCl2
SO42-
SO42-
SO42-
CuSO4
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活泼金属的双电层
不活泼金属的双电层
3、电极电位 — （4）双电层的电位分布
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3.缺点 （1）不易达到较高的加工精度和加工稳定性，为 什么？ （2）电极工具的设计修正麻烦，不适于单件生产 ； （3）附属设备多，占地面积大，机床要防腐，造 价高； （4）废弃工作液需要无害化处理。
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4.2.2 电解加工的电级反应
• 电解加工的电极反应是比较复杂的，原因是： – 工件材料不是纯金属，是多种金属元素的合金， 并且其金相组织也不完全一致。 – 电解液也不是该金属的盐溶液 – 电解液的浓度、温度、压力及流速都会对电解加 工有影响 • 下面的内容： – 1. 以钢在NaCl水溶液的电解为例，分析其电极反 应(质量分数14%～18%) – 2. 分析电解加工中的电能利用
④ 电解液泵 0.5~2MPa
⑤ 电解液 NaCl
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2.优点
（1）加工范围广； （2）电解加工的生产率较高，电火花的5~10倍，有 时高于切削加工； （3）可以达到较好的表面粗糙度(Ra1.25~0.2)和 100µm左右的平均加工精度； （4）加工过程中不存在机械切削力，没有残余应力 和变形，没有毛刺； （5）工具电极理论上不损耗，可长期使用。
+
从电极表面液层扩散 水化离子 离开阳极表面区
水分子
ห้องสมุดไป่ตู้
(2)
•
阴极极化过程：
(1) 水化氢离子(H3O+) 双电层 阴极表面
(2)
(3) (4)
H3O+ → H2O + H+ H+ + e → H H + H → H2
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4、电极的极化 — （2）浓差极化
• 在阳极，金属不断溶解，但溶解的条件是生成的离子需 要越过双电层，再向外扩散。 • 如果：生成离子速度 > 扩散和迁移速度， 则： 阳极表面金属离子堆积，电位值增大， 这就是： 浓差极化。
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(1) 钢在NaCl水溶液中的电极反应
• 阳极反应： (查表得U0，能斯特公式算出U’)
U
'
U
0