電化學加工應(yīng)用

(1)模具型腔加工：電解加工適應(yīng)難加工材料(高鎳合金鋼、粉末合金)、復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。電解加工在模具制造領(lǐng)域中已占據(jù)了重要地位。

(2) 葉片型面加工：這類加工效率高，生產(chǎn)周期短;加工質(zhì)量好;但設(shè)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(chǎn)線上已采用此方案，國內(nèi)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)計制造方便，且適用范圍廣，大大縮短了生產(chǎn)準備周期，因而可適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)趨勢，彌補電解加工在小量、單件加工時經(jīng)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(yīng)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(yīng)用于眾多領(lǐng)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(nèi)的紋波，不僅提高了加工速度，而且還遏制了間隙內(nèi)的電弧和防止污物沉積于陰極。在調(diào)壓方面，使用了飽和感抗器調(diào)壓和晶閘管調(diào)壓兩種方式。前者更適應(yīng)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(zhì)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(nèi)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(nèi)難免會產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(yīng)用陽極溶解的電化學反應(yīng)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(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，且生產(chǎn)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(jīng)過適當?shù)靥幚恚ㄓ檬?、導電漆、化學鍍處理，或經(jīng)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(yīng)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(chǎn)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(shè)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(shù)，即在雙面敷銅板的一面形成所需加工的正的圖形，并設(shè)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(shù)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(zhì)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(diào)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(zhì)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(yīng)用電解加工方法對炮膛進行加工，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機的葉片，筒形零件、花鍵孔、內(nèi)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(shè)計，促進了電解加工工藝的進一步發(fā)展。

隨著科技的發(fā)展，面向精密微機電器件的微細加工技術(shù)已經(jīng)成為各國研究的熱點。微細加工技術(shù)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(yīng)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(yīng)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 。

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(zhì)溶液)或離子導體/離子導體界面結(jié)構(gòu)、界面變化過程與反應(yīng)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(nèi)外兩側(cè)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(jīng)的信息傳遞以及細胞膜的結(jié)構(gòu)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(nèi)器官的生理規(guī)律及其變化過程的實際應(yīng)用。由上可見，電化學是生命科學中最基礎(chǔ)的一門相關(guān)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(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。當前世界上十分關(guān)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(guān)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(chǎn)生電勢差,從而使電子的流動,產(chǎn)生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變成電能的裝置。所以，根據(jù)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(zhì)溶液中。

2、用導線連接后插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路。

3、要發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

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(yīng)的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在原電池的負極和正極上發(fā)生，從而在外電路中產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhì)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(jù)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(zhì)——有無氧化還原反應(yīng)。

（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(zhuǎn)化為化學能的裝置。

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

發(fā)生電解反應(yīng)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(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)中

④兩電極形成閉合回路

電解過程中的能量轉(zhuǎn)化（裝置特點）：

陰極：一定不參與反應(yīng) 不一定是惰性電極

陽極：不一定參與反應(yīng) 也不一定是惰性電極

電解結(jié)果：

在兩極上有新物質(zhì)生成

電解池電極反應(yīng)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(yīng)關(guān)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(zhì)溶液復原—加適量水。

②電解電解質(zhì)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(zhì)溶液復原—加適量電解質(zhì)。

③放氫生堿型（活潑金屬的無氧酸鹽），pH變大。電解質(zhì)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(zhì) 溶液復原—加陽離子相同的堿或氧化物。

內(nèi)容簡介

《電化學基礎(chǔ)》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(lǐng)域應(yīng)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(nèi)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。