電化學(xué)加工

電化學(xué)加工(Electrochemical Machining，ECM)是特種加工的一個(gè)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(xué)加工使用硅整流的穩(wěn)壓電源，并以全波整流取代了過(guò)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(xué)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(jìn)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(dá)200～1000厘米2或更大一些。通常使用的電壓范圍為12～20伏。對(duì)硬質(zhì)合金、鎢、銅、銅鋅合金等材料進(jìn)行電解加工時(shí)，要求使用特殊電源。因?yàn)槿粲闷胀ǖ闹绷麟娫催M(jìn)行加工，則這些材料點(diǎn)格中的某些原子不易離子化，而點(diǎn)格中的另一些原子卻受到大量腐蝕。例如，碳化鎢點(diǎn)格中的碳原子，在正電位條件下不能加工掉，而必須有負(fù)電位（即電源電流有負(fù)半波）；加工銅鋅合金用的電源，不但要有負(fù)半波，而且對(duì)電流的波形，正半波與負(fù)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(duì)惰性離子的積聚以及由此改變間隙電阻和電場(chǎng)分布的問(wèn)題，從而能有效地提高加工精度。

由于電化學(xué)加工時(shí)，間隙內(nèi)難免會(huì)產(chǎn)生短路，通常電源系統(tǒng)都具有良好的短路保護(hù)功能，以使陰極和工件在產(chǎn)生火花和短路時(shí)不發(fā)生損傷。

(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(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。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(fù)雜，須采用三頭或斜向進(jìn)給機(jī)床、復(fù)合雙動(dòng)陰極。國(guó)外自動(dòng)生產(chǎn)線上已采用此方案，國(guó)內(nèi)開(kāi)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(yán)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(fù)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(shí)間又很短，因而工具陰極不需要相對(duì)工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即可采用固定陰極加工方式，機(jī)床不需要工作進(jìn)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(jiǎn)單(棒狀、球狀及條狀)，設(shè)計(jì)制造方便，且適用范圍廣，大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，因而可適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)趨勢(shì)，彌補(bǔ)電解加工在小量、單件加工時(shí)經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)。

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

中國(guó)在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始應(yīng)用電解加工方法對(duì)炮膛進(jìn)行加工，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)出現(xiàn)的重復(fù)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(jiǎn)化了工具陰極的設(shè)計(jì)，促進(jìn)了電解加工工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

電化學(xué)加工電解加工

利用陽(yáng)極溶解的電化學(xué)反應(yīng)對(duì)金屬材料進(jìn)行成型加工的方法。

當(dāng)工具陰極不斷向工件推進(jìn)時(shí)，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(yáng)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(shí)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(shí)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(guò)程一般在密封裝置中進(jìn)行。

電化學(xué)加工導(dǎo)電磨削

又稱電解磨削。是電解作用和機(jī)械磨削相結(jié)合的加工過(guò)程。導(dǎo)電磨削時(shí)，工件接在直流電源的陽(yáng)極上，導(dǎo)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(dāng)接通電源后，工件的金屬表面發(fā)生陽(yáng)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(jìn)行，直至達(dá)到加工要求為止。

電化學(xué)加工電化學(xué)拋光

又稱電解拋光。直接應(yīng)用陽(yáng)極溶解的電化學(xué)反應(yīng)對(duì)機(jī)械加工后的零件進(jìn)行再加工，以提高工件表面的光潔度。電解拋光比機(jī)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(jī)械拋光的趨勢(shì)。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(shí)，要控制適當(dāng)?shù)碾娏髅芏?。電流密度過(guò)小時(shí)金屬表面會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，且生產(chǎn)效率低；當(dāng)電流密度過(guò)大時(shí)，會(huì)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(xué)加工電鍍

用電解的方法將金屬沉積于導(dǎo)體（如金屬）或非導(dǎo)體（如塑料、陶瓷、玻璃鋼等）表面，從而提高其耐磨性，增加其導(dǎo)電性，并使其具有防腐蝕和裝飾功能。對(duì)于非導(dǎo)體制品的表面，需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)靥幚恚ㄓ檬?、?dǎo)電漆、化學(xué)鍍處理，或經(jīng)氣相涂層處理），使其形成導(dǎo)電層后，才能進(jìn)行電鍍。電鍍時(shí)，將被鍍的制品接在陰極上，要鍍的金屬接在陽(yáng)極上。電解液是用含有與陽(yáng)極金屬相同離子的溶液。通電后，陽(yáng)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(yáng)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(xué)加工電刻蝕

又稱電解刻蝕。應(yīng)用電化學(xué)陽(yáng)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(wú)需用高速流動(dòng)的電解液來(lái)沖走由工件上溶解出的產(chǎn)物。加工時(shí)，陰極固定不動(dòng)。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(yáng)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(huì)溶解出與凸模上相同的圖形或文字。

②將導(dǎo)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(gè)不相連的線條用導(dǎo)線在絕緣板背面相連，作為陰極。適于圖形簡(jiǎn)單，精度要求不高的工件。

③對(duì)于圖形復(fù)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(xì)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(fù)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(lái)。這時(shí)陽(yáng)極仍是待加工的工件，而陰極可用金屬平板制成。

電化學(xué)加工電解冶煉

利用電解原理，對(duì)有色和稀有金屬進(jìn)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(yù)先制成厚板作為陽(yáng)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(yáng)極溶解成銅離子向陰極移動(dòng)，到達(dá)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(huì)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(shí)只要適當(dāng)調(diào)節(jié)電位差即可避免這些離子在陽(yáng)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。

隨著科技的發(fā)展，面向精密微機(jī)電器件的微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。微細(xì)加工技術(shù)主要有聚焦離子束、電子束、激光微細(xì)加工、微細(xì)電火花加工以及微細(xì)電化學(xué)加工等。電化學(xué)加工的原理是利用電化學(xué)反應(yīng)去除工件材料，理論上可以達(dá)到離子級(jí)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(xué)加工應(yīng)用于微細(xì)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(cè)控制等問(wèn)題 。

電化學(xué)是研究電子導(dǎo)體(或半導(dǎo)體材料)/離子導(dǎo)體(一般為電解質(zhì)溶液)或離子導(dǎo)體/離子導(dǎo)體界面結(jié)構(gòu)、界面變化過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理的一門科學(xué)。生命現(xiàn)象最基本的過(guò)程是電荷運(yùn)動(dòng)，生物電的起因是由于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在電勢(shì)差，很多生命現(xiàn)象如人或動(dòng)物的肌肉運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的代謝作用、神經(jīng)的信息傳遞以及細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能都可用電化學(xué)原理來(lái)解釋。生物電池、心電圖、腦電圖等則是利用電化學(xué)方法模擬生物體內(nèi)器官的生理規(guī)律及其變化過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用。由上可見(jiàn)，電化學(xué)是生命科學(xué)中最基礎(chǔ)的一門相關(guān)學(xué)科，因而研究生物電化學(xué)具有極其重要的意義。

電化學(xué)在化工、冶金、機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫(yī)學(xué)、材料、能源、金屬腐蝕與防護(hù)、環(huán)境科學(xué)等科技領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前世界上十分關(guān)注的研究課題, 如能源、材料、環(huán)境保護(hù)、生命科學(xué)等等都與電化學(xué)以各種各樣的方式關(guān)聯(lián)在一起。

電化學(xué)原電池

原電池是利用兩個(gè)電極之間金屬性的不同,產(chǎn)生電勢(shì)差,從而使電子的流動(dòng),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(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，簡(jiǎn)單說(shuō)就即是不能重新儲(chǔ)存電力，與蓄電池相對(duì) 。

原電池是將化學(xué)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(huì)得失電子）等惰性電極插入電解質(zhì)溶液中。

2、用導(dǎo)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(gè)能自發(fā)進(jìn)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(fù)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(fù)極：電子流出的一極；發(fā)生氧化反應(yīng)的一極；活潑性較強(qiáng)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(duì)不活潑的金屬或其它導(dǎo)體的一極。

在原電池中，外電路為電子導(dǎo)電，電解質(zhì)溶液中為離子導(dǎo)電。

原電池的判定：

（1）先分析有無(wú)外接電路，有外接電源的為電解池，無(wú)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(dǎo)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(wú)氧化還原反應(yīng)。

（2）多池相連，但無(wú)外接電源時(shí)，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(xué)電解池

電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。

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

發(fā)生電解反應(yīng)的條件：

①連接直流電源

②陰陽(yáng)電極 陰極：與電源負(fù)極相連為陰極

陽(yáng)極：與電源正極相連為陽(yáng)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(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化（裝置特點(diǎn)）：

陰極：一定不參與反應(yīng) 不一定是惰性電極

陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(duì)應(yīng)關(guān)系：陽(yáng)極連電源正極，陰極連電源負(fù)極（可見(jiàn)高中教材*《化學(xué)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(qiáng)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(fù)原—加適量水。

②電解電解質(zhì)型（無(wú)氧酸，不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽，），無(wú)氧酸pH變大，不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽PH不變。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加適量電解質(zhì)。

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

內(nèi)容簡(jiǎn)介

《電化學(xué)基礎(chǔ)》不僅系統(tǒng)闡述了電化學(xué)基本原理和電化學(xué)研究方法，還重點(diǎn)介紹了電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的幾個(gè)主要方面和目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，如電化學(xué)工業(yè)、電化學(xué)傳感器、金屬腐蝕、生物電化學(xué)、化學(xué)電源等。具有知識(shí)層次明確，內(nèi)容編排由淺入深、循序漸進(jìn)的特點(diǎn)。本書不僅可作為電化學(xué)專業(yè)的研究生教材，還可供科研院所從事電化學(xué)研究的人員閱讀參考，此外也是高校本科生進(jìn)一步探討電化學(xué)問(wèn)題的參考書。