電化學加工微米級加工

隨著科技的發(fā)展，面向精密微機電器件的微細加工技術已經成為各國研究的熱點。微細加工技術主要有聚焦離子束、電子束、激光微細加工、微細電火花加工以及微細電化學加工等。電化學加工的原理是利用電化學反應去除工件材料，理論上可以達到離子級的加工精度，但由于存在雜散腐蝕、加工穩(wěn)定性差等缺陷，因此加工精度不夠高。將電化學加工應用于微細加工必須提高定域蝕除能力，解決微能脈沖加工電源、工具電極制作以及加工狀態(tài)的檢測控制等問題 。

(1)模具型腔加工：電解加工適應難加工材料(高鎳合金鋼、粉末合金)、復雜結構的優(yōu)勢。電解加工在模具制造領域中已占據了重要地位。

(2) 葉片型面加工：這類加工效率高，生產周期短;加工質量好;但設備、陰極均較復雜，須采用三頭或斜向進給機床、復合雙動陰極。國外自動生產線上已采用此方案，國內開始試制。

(3)型孔及小孔加工

4. 槍、炮管膛線加工：傳統(tǒng)的槍管膛線制造工藝為擠線法，該法生產效率高，但擠線沖頭制造困難，毛坯材料損耗嚴重，且校正、電鍍、回火等輔助工序較多。

5. 整體葉輪加工：通常整體葉輪多為不銹鋼、鈦合金或高溫耐熱合金等難切削材料;再加之其為整體結構且葉片型面復雜，使得其制造非常困難。

6. 電解去毛刺：電解去毛刺的加工間隙較大，加工時間又很短，因而工具陰極不需要相對工件進給運動，即可采用固定陰極加工方式，機床不需要工作進給系統(tǒng)及相應的控制系統(tǒng)。

7. 數(shù)控展成電解加工：數(shù)控展成電解加工工具陰極形狀簡單(棒狀、球狀及條狀)，設計制造方便，且適用范圍廣，大大縮短了生產準備周期，因而可適應多品種、小批量生產趨勢，彌補電解加工在小量、單件加工時經濟性差的缺點。

8. 微精電解加工：目前微精電解加工還處于研究和試驗階段，其應用還局限于一些特殊的場合，如電子工業(yè)中微小零件的電化學蝕刻加工(美國IBM公司)、微米級淺槽加工(荷蘭飛利浦公司)、微型軸電解拋光(日本東京大學)已取得了很好的加工效果，精度已可達微米級。

電化學加工(Electrochemical Machining，ECM)是特種加工的一個重要分支，目前已成為一種較為成熟的特種加工工藝，被廣泛應用于眾多領域。

電化學加工使用硅整流的穩(wěn)壓電源，并以全波整流取代了過去的半波整流，保持5%以內的紋波，不僅提高了加工速度，而且還遏制了間隙內的電弧和防止污物沉積于陰極。在調壓方面，使用了飽和感抗器調壓和晶閘管調壓兩種方式。前者更適應目前電化學加工的水平。電源規(guī)格分為3檔：小型電源，電流為50～500安，用于加工小孔、去除毛刺、拋光和用于中小型的陰極進行電解車削；中型電源，電流為1000～5000安，用于加工中等面積（50～150厘米2）的型孔和型腔；大型電源，電流為10000～40000安，用于加工大型零件，加工面積可達200～1000厘米2或更大一些。通常使用的電壓范圍為12～20伏。對硬質合金、鎢、銅、銅鋅合金等材料進行電解加工時，要求使用特殊電源。因為若用普通的直流電源進行加工，則這些材料點格中的某些原子不易離子化，而點格中的另一些原子卻受到大量腐蝕。例如，碳化鎢點格中的碳原子，在正電位條件下不能加工掉，而必須有負電位（即電源電流有負半波）；加工銅鋅合金用的電源，不但要有負半波，而且對電流的波形，正半波與負半波的間隔和排列方式都有一定的要求。使用特殊電源也可解決間隙內某些相對惰性離子的積聚以及由此改變間隙電阻和電場分布的問題，從而能有效地提高加工精度。

由于電化學加工時，間隙內難免會產生短路，通常電源系統(tǒng)都具有良好的短路保護功能，以使陰極和工件在產生火花和短路時不發(fā)生損傷。

電化學加工電解加工

利用陽極溶解的電化學反應對金屬材料進行成型加工的方法。

當工具陰極不斷向工件推進時，由于兩表面之間間隙不等，間隙最小的地方，電流密度最大，工件陽極在此處溶解得最快。因此，金屬材料按工具陰極型面的形狀不斷溶解，同時電解產物被電解液沖走，直至工件表面形成與陰極型面近似相反的形狀為止，此時即加工出所需的零件表面。

電解加工采用低壓直流電源（6～24伏），大工作電流。為了能保持連續(xù)而平穩(wěn)地向電解區(qū)供給足夠流量和適宜溫度的電解液，加工過程一般在密封裝置中進行。

電化學加工導電磨削

又稱電解磨削。是電解作用和機械磨削相結合的加工過程。導電磨削時，工件接在直流電源的陽極上，導電的砂輪接在陰極上，兩者保持一定的接觸壓力，并將電解液引入加工區(qū)。當接通電源后，工件的金屬表面發(fā)生陽極溶解并形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋轉的砂輪磨粒刮除，隨即又形成新的氧化膜，又被砂輪磨去。如此進行，直至達到加工要求為止。

電化學加工電化學拋光

又稱電解拋光。直接應用陽極溶解的電化學反應對機械加工后的零件進行再加工，以提高工件表面的光潔度。電解拋光比機械拋光效率高，精度高，且不受材料的硬度和韌性的影響，有逐漸取代機械拋光的趨勢。電解拋光的基本原理與電解加工相同，但電解拋光的陰極是固定的，極間距離大（1.5～200毫米），去除金屬量少。電解拋光時，要控制適當?shù)碾娏髅芏?。電流密度過小時金屬表面會產生腐蝕現(xiàn)象，且生產效率低；當電流密度過大時，會發(fā)生氫氧根離子或含氧的陰離子的放電現(xiàn)象，且有氣態(tài)氧析出，從而降低了電流效率。

電化學加工電鍍

用電解的方法將金屬沉積于導體（如金屬）或非導體（如塑料、陶瓷、玻璃鋼等）表面，從而提高其耐磨性，增加其導電性，并使其具有防腐蝕和裝飾功能。對于非導體制品的表面，需經過適當?shù)靥幚恚ㄓ檬?、導電漆、化學鍍處理，或經氣相涂層處理），使其形成導電層后，才能進行電鍍。電鍍時，將被鍍的制品接在陰極上，要鍍的金屬接在陽極上。電解液是用含有與陽極金屬相同離子的溶液。通電后，陽極逐漸溶解成金屬正離子，溶液中有相等數(shù)目的金屬離子在陰極上獲得電子隨即在被鍍制品的表面上析出，形成金屬鍍層。例如在銅板上鍍鎳，以含硫酸鎳的水溶液作電鍍液。通電后，陽極上的鎳逐漸溶解成正離子，而在陰極的銅板表面上不斷有鎳析出。

電化學加工電刻蝕

又稱電解刻蝕。應用電化學陽極溶解的原理在金屬表面蝕刻出所需的圖形或文字。其基本加工原理與電解加工相同。由于電刻蝕所去除的金屬量較少，因而無需用高速流動的電解液來沖走由工件上溶解出的產物。加工時，陰極固定不動。電刻蝕有以下4種加工方法。

①按要刻的圖形或文字，用金屬材料加工出凸模作為陰極，被加工的金屬工件作為陽極，兩者一起放入電解液中。接通電源后，被加工件的表面就會溶解出與凸模上相同的圖形或文字。

②將導電紙（或金屬箔）裁剪或用刀刻出所需加工的圖形或文字，然后粘貼在絕緣板材上，并設法將圖形中各個不相連的線條用導線在絕緣板背面相連，作為陰極。適于圖形簡單，精度要求不高的工件。

③對于圖形復雜的工件，可采用制印刷電路板的技術，即在雙面敷銅板的一面形成所需加工的正的圖形，并設法將圖形中各孤立線條與敷銅板的另一面相連，作為陰極。不適于加工精細且不相連的圖形。

④在待加工的金屬表面涂一層感光膠，再將要刻的圖形或文字制成負的照相底片覆在感光膠上，采用光刻技術將要刻除的部分暴露出來。這時陽極仍是待加工的工件，而陰極可用金屬平板制成。

電化學加工電解冶煉

利用電解原理，對有色和稀有金屬進行提煉和精煉。分為水溶液電解冶煉和焙鹽電解冶煉兩種。

水溶液電解冶煉在冶金工業(yè)中廣泛用于提取和精煉銅、鋅、鉛、 鎳等金屬。例如銅的電解提純：將粗銅（含銅99%）預先制成厚板作為陽極，純銅制成薄片作陰極，以硫酸和硫酸銅的混和液作為電解液。通電后，銅從陽極溶解成銅離子向陰極移動，到達陰極后獲得電子而在陰極析出純銅（亦稱電解銅）。粗銅中雜質如比銅活潑的鐵和鋅等會隨銅一起溶解為離子。由于這些離子與銅離子相比不易析出，所以電解時只要適當調節(jié)電位差即可避免這些離子在陽極上析出。比銅不活潑的雜質如金和銀等沉積在電解槽的底部。

中國在20世紀50年代就開始應用電解加工方法對炮膛進行加工，現(xiàn)已廣泛應用于航空發(fā)動機的葉片，筒形零件、花鍵孔、內齒輪、模具、閥片等異形零件的加工。近年來出現(xiàn)的重復加工精度較高的一些電解液以及混氣電解加工工藝，大大提高了電解加工的成型精度，簡化了工具陰極的設計，促進了電解加工工藝的進一步發(fā)展。

電化學是研究電子導體(或半導體材料)/離子導體(一般為電解質溶液)或離子導體/離子導體界面結構、界面變化過程與反應機理的一門科學。生命現(xiàn)象最基本的過程是電荷運動，生物電的起因是由于細胞膜內外兩側存在電勢差，很多生命現(xiàn)象如人或動物的肌肉運動、細胞的代謝作用、神經的信息傳遞以及細胞膜的結構與功能都可用電化學原理來解釋。生物電池、心電圖、腦電圖等則是利用電化學方法模擬生物體內器官的生理規(guī)律及其變化過程的實際應用。由上可見，電化學是生命科學中最基礎的一門相關學科，因而研究生物電化學具有極其重要的意義。

電化學在化工、冶金、機械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫(yī)學、材料、能源、金屬腐蝕與防護、環(huán)境科學等科技領域獲得了廣泛的應用。當前世界上十分關注的研究課題, 如能源、材料、環(huán)境保護、生命科學等等都與電化學以各種各樣的方式關聯(lián)在一起。

電化學原電池

原電池是利用兩個電極之間金屬性的不同,產生電勢差,從而使電子的流動,產生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應不能逆轉，即是只能將化學能轉換為電能，簡單說就即是不能重新儲存電力，與蓄電池相對 。

原電池是將化學能轉變成電能的裝置。所以，根據定義，普通的干電池、燃料電池都可以稱為原電池。

組成原電池的基本條件：

1、將兩種活潑性不同的金屬（即一種是活潑金屬一種是不活潑金屬），或著一種金屬與石墨（Pt和石墨為惰性電極，即本身不會得失電子）等惰性電極插入電解質溶液中。

2、用導線連接后插入電解質溶液中，形成閉合回路。

3、要發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應。

原電池工作原理

原電池是將一個能自發(fā)進行的氧化還原反應的氧化反應和還原反應分別在原電池的負極和正極上發(fā)生，從而在外電路中產生電流。

原電池的電極的判斷：

負極：電子流出的一極；發(fā)生氧化反應的一極；活潑性較強金屬的一極。

正極：電子流入的一極；發(fā)生還原反應的一極；相對不活潑的金屬或其它導體的一極。

在原電池中，外電路為電子導電，電解質溶液中為離子導電。

原電池的判定：

（1）先分析有無外接電路，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池；然后依據原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：看電極——兩極為導體且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極）；看溶液——兩極插入溶液中；看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸；看本質——有無氧化還原反應。

（2）多池相連，但無外接電源時，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。

電化學電解池

電解池是將電能轉化為化學能的裝置。

電解是使電流通過電解質溶液（或熔融的電解質）而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。

發(fā)生電解反應的條件：

①連接直流電源

②陰陽電極 陰極：與電源負極相連為陰極

陽極：與電源正極相連為陽極

③兩極處于電解質溶液或熔融電解質中

④兩電極形成閉合回路

電解過程中的能量轉化（裝置特點）：

陰極：一定不參與反應 不一定是惰性電極

陽極：不一定參與反應 也不一定是惰性電極

電解結果：

在兩極上有新物質生成

電解池電極反應方程式的書寫：

陽極：活潑金屬—電極失電子（Au,Pt,Ir 除外）；惰性電極—溶液中陰離子失電子

注：失電子能力：活潑金屬（除Pt Au）>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(NO3 ->SO4 2-)>F-

陰極：溶液中陽離子得電子

注：得電子能力：Ag >Hg2 >Fe3 >Cu2 >H （酸）>Pb2 >Sn2 >Fe2 >Zn2 >H2O（水）>Al3 >Mg2 >Na >Ca2 >K （即活潑型金屬順序表的逆向）

對應關系：陽極連電源正極，陰極連電源負極（可見高中教材*《化學選修·四》）

規(guī)律：鋁前（含鋁）離子不放電，氫（酸）后離子先放電，氫（酸）前鋁后的離子看條件。

四類電解型的電解規(guī)律①電解水型（強堿，含氧酸，活潑金屬的含氧酸鹽），pH由溶液的酸堿性決定，溶液呈堿性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。電解質溶液復原—加適量水。

②電解電解質型（無氧酸，不活潑金屬的無氧酸鹽，），無氧酸pH變大，不活潑金屬的無氧酸鹽PH不變。電解質溶液復原—加適量電解質。

③放氫生堿型（活潑金屬的無氧酸鹽），pH變大。電解質溶液復原—加陰離子相同的酸。

④放氧生酸型（不活潑金屬的含氧酸鹽），pH變小。電解質 溶液復原—加陽離子相同的堿或氧化物。

內容簡介

《電化學基礎》不僅系統(tǒng)闡述了電化學基本原理和電化學研究方法，還重點介紹了電化學領域應用的幾個主要方面和目前研究的熱點問題，如電化學工業(yè)、電化學傳感器、金屬腐蝕、生物電化學、化學電源等。具有知識層次明確，內容編排由淺入深、循序漸進的特點。本書不僅可作為電化學專業(yè)的研究生教材，還可供科研院所從事電化學研究的人員閱讀參考，此外也是高校本科生進一步探討電化學問題的參考書。