Электрохимические методы обработки в машиностроении

Физико-химические основы                                       электрохимической обработки

В основе электрохимической обработки (ЭХО) лежат окислительно-восстановительные процессы, протекающие на электродах при пропускании через электролит постоянного электрического тока (рис. 3.1). В совокупности эти процессы называют электролизом. Электролиз протекает при наличии источника питания 2, электролита 1 и двух металлических проводников (электродов) 3 и 4, помещённых в электролит.

Окислением называют процесс отдачи веществом электронов. При электролизе окислительные процессы идут на аноде, в результате чего анод передаёт электроны во внешнюю цепь.Восстановлением называется процесс присоединения электронов атомами вещества. При этом степень окисления металла понижается. Восстановительные процессы при электролизе протекают на катоде. Они связаны с присоединением электронов из внешней цепи.

Окислительно-восстановительные процессы на электродах проходят в среде электролита под действием электрического тока без непосредственного контакта между электродами. Электролитом называют вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на положительно и отрицательно заряженные ионы. Образующиеся в электролите ионы под действием разности электрических потенциалов электродов, создаваемой источником напряжения, перемещаются, что соответствует прохождению в электролите электрического тока. Положительные ионы, называемые катионами, движутся от анода к катоду. Отрицательные ионы — анионы идут от катода к аноду.

Любая окислительно-восстановительная реакция, проходящая в системе «электроды — электролит», представляет собой единство процессов окисления и восстановления, идущих одновременно и без отрыва одного от другого. В то же время результаты этих процессов в электролите, на катоде и аноде по их значимости в реализации целевого назначения создаваемой электрохимической обработки существенно различаются между собой. В связи с этим для понимания общей системы процессов электролиза и выработки рекомендаций по направленному выбору условий обработки на каждом из элементов системы целесообразно рассмотреть процессы, идущие при электролизе в электролите, на аноде и на катоде, раздельно, условно независимо друг от друга.

Процессы, идущие в электролите

Электролитами при ЭХО являются водные растворы солей (NaCl, NaNО₃, Na₂SО₄, КСl и др.), кислот (НСl, H₂SО₄, HNО₃ и др.), щелочей (NaOH, КОН, NH₄OH и др.). Используются при ЭХО и более сложные электролиты.

Основным процессом, идущим в электролите, является диссоциация растворённого в нём вещества на ионы. Например, по схеме

NaCl«Na⁺ + Cl^‑.

При отсутствии разности потенциалов на аноде и катоде в растворе устанавливается равновесие между положительно и отрицательно заряженными ионами. Раствор остаётся нейтральным.При создании разности потенциалов на электродах, то есть подключения их к источнику напряжения, катионы Na⁺ начинают двигаться к катоду, а анионы Cl^- — к аноду. Движение ионов при создании разности потенциалов соответствует прохождению через электролит электрического тока.

Кроме диссоциации молекул растворённого вещества в водном растворе, хоть и в небольшом количестве, но происходит диссоциация молекул воды на ионы с образованием катионов водорода Н⁺ и анионов гидроксид-иона ОН^‑:

H₂O « H⁺ + OH^-.

При приложении напряжения к электродам ионы водорода H⁺начинают перемещаться к катоду, а ионы гидроксильной группы OH^- — к аноду.

В электролите ионы различных видов и потенциалов могут вступать друг с другом во взаимодействие, образуя новые растворимые или нерастворимые вещества. Растворимые вещества вновь диссоциируют на ионы, а нерастворимые — выпадают в осадок.

Например, образующиеся при диссоциации соли катионы металла Meⁿ⁺ могут вступать в реакцию с анионами гидроксильной группы ОH^-, образуя растворимое или нерастворимое основание по реакции

Meⁿ⁺ + nOH^- = Me(OH)_n.

Конкретные процессы, проходящие в электролитах, состоящих из ионов различных видов, определяются составом электролитов и условиями протекания процесса (состава и температуры электролита, материалов электродов, потенциала напряжения на электродах, концентрации и т. д.).