电化学加工技术课件.ppt

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1、第四章电化学加工技术电化学加工（ElectrochemicalMachining简称ECM）包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。4.1电化学加工的原理与分类一.电化学加工的原理1.电化学加工过程图4-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH－和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子Cu+2。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子

2、将作定向移动，Cu+2正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu+2正离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(图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)的方法即电化学加工。图4-1电解液中的电化学反应2.电解质溶液凡溶于水后能导电的物质叫做电解质；如盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、氢氧化钠(NaOH)、食盐(NaCl)、硝酸钠(NaNO3)、氯酸钠(NaClO3)等酸、碱、盐都是电解质。电解质与水形成的

3、溶液为电解质溶液，简称为电解液。3.电极电位当金属和它的盐溶液接触时，即使没有外接电源，也会发生把电子交给溶液中的离子或从后者得到电子的现象。这样，当金属上有多余的电子而带负电时，溶液中靠近金属表面很薄的一层则有多余的金属离子而带正电。这个过程是可逆的，最后这两种相反的过程达到动态平衡。对化学性能比较活泼的金属(如铁)，其表面带负电，溶液带正电，形成一层极簿的“双电层”，如图4-2所示，金属愈活泼，这种倾向愈大。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，这种在金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极电位，因为它是金属在本身盐溶液中的溶解和沉积相平衡时的

4、电位差，所以又称为平衡电极电位。若金属离子在金属上的能级比在溶液中的低，即金属离子存在于金属晶体中比在溶液中更稳定，则金属表面带正电，靠近金属表面的溶液薄层带负电，也形成了双电层，如图4-4所示。金属愈不活泼，则此种倾向也愈大。到目前为止，一种金属和其盐溶液之间双电层的电位差还不能直接测定，但是可用盐桥的办法测出两种不同电极间的电位之差，生产实践中规定采用一种电极作标准和其它电极比较得出相对值，称为标准电极电位。通常采用标准氢电极为基准，人为地规定它的电极电位为零。表4-l为一些元素的标准电极电位，即在25℃时，把金属放在此金属离子的有效质量浓度为1g/l的溶液中，此金属的电极电位

5、与标准氢电极的电极电位之差，用U0表示。当离子质量浓度改变时，电极电位也随着改变，可用“能斯特公式”换算，下式是在25℃时的简化式式中—平衡电极电位差（V）；—标准电极电位差（V）；n—电极得失电子数，即离子价数；—离子的有效质量分数；“+”用于计算金属，“-”用于计算非金属的电极电位。4.电极的极化以上讨论的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)，这种现象称为极化，如图4—5所示。极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位，随着电流密度的增加，超电位也增加。（1）浓差

6、极化在阳极过程中，金属不断溶解的条件之一是生成的金属离子需要越过双电层，再向外迁移并扩散。然而扩散与迁移的速度是有一定限度的，在外电场的作用下，如果阳极表面液层中金屑离子的扩散与迁移速度较慢，来不及扩散到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起了电位值增大(即阳极电位向正移)，这就是浓差极化。（2）电化学极化电化学极化主要发生在阴极上，从电源流入的电子来不及转移给电解液中的H+离子而在阴极上积累过多的电子，使阴极电位向负移，从而形成了电化学极化。5.金属的钝化和活化金属在某些电解液中电解时，当电流密度增加到一定值后，金属的溶解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧下降，使铁成稳

7、定状态不再溶解。电解过程中的这种现象称阳极钝化（电化学钝化），简称钝化。钝化原因：成相理论和吸附理论。成相理论认为，金属与溶液作用后在金属表面上形成了一层紧密的极薄的膜，通常是由氧化物、氢氧化物或盐组成，从而使金属表面夫去了原来具有的活泼性质，使溶解过程减慢。吸附理论认为，金属的钝化是由于金属表面形成了氧的吸附层引起的。它可以上氧原子、氧离子、氢氧根离子等。活化的方法：1）把溶液加热；2）通入还原性气体或加入某些活性离子等等；3）采用机械办法破坏钝化膜；4）电源反接。