現(xiàn)代表面工程技術(shù).ppt

第四章表面技術(shù)概論 第一節(jié)表面技術(shù)的重要性 表面技術(shù)是直接與各種表面現(xiàn)象或過(guò)程有關(guān)的 能為人類造?；虮蝗藗兝玫募夹g(shù) 表面工程技術(shù)日益得到重視 1 社會(huì)生產(chǎn) 生活的需要 腐蝕損失2 5 2 通過(guò)表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量 耐蝕耐磨3 節(jié)約貴重材料4 實(shí)現(xiàn)材料表面復(fù)合化 解決單一材料無(wú)法解決的問(wèn)題5 良好的節(jié)能 節(jié)材效果6 促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展 應(yīng)用實(shí)例 汽車輕量化 鋁合金 表面耐磨問(wèn)題突出 表面耐磨涂層火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室 需承受2000 3300 溫度和巨大的熱焰流沖擊 應(yīng)用實(shí)例2 問(wèn)題 飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿 由于具有音速數(shù)倍的速度 并與大氣層摩擦 即所謂氣動(dòng)加熱 其溫度高達(dá)4000 5000 絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度 解決問(wèn)題的方法 依靠各種形式的隔熱涂層 防火涂層和燒蝕涂層 隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物 氧化鋁 氧化鋯 氧化釷等 燒蝕涂層 有機(jī)材料加石英纖維 陶瓷纖維或碳纖維 應(yīng)用實(shí)例3 人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制問(wèn)題 衛(wèi)星表面受太陽(yáng)照射的一面溫度可達(dá) 200 沒(méi)有被太陽(yáng)照射的一面溫度可低到 200 應(yīng)用實(shí)例4 航天飛機(jī)外殼的防熱材料和涂層 如美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈與航天公司開(kāi)發(fā)了一種LI 900全氧化硅絕熱氈 特性 重量輕 整個(gè)體積的95 都是空的 為防水 耐蝕以及散熱 表面加涂了一種碳化硅涂層 該涂層可把90 的入射熱反射掉 而剩下10 幾乎都被氧化硅氈所隔絕 應(yīng)用實(shí)例5 在太陽(yáng)能的利用中 必須利用涂層來(lái)吸收太陽(yáng)光譜中所有波段的能量 如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co Al2O3作為太陽(yáng)能吸熱器 使對(duì)太陽(yáng)能的吸收率可達(dá)95 表面技術(shù)倍受重視的原因 材料物理 化學(xué)性能及其變化都從表面開(kāi)始 隨著器件的微型化 表面 體相的原子比增大 會(huì)出現(xiàn)許多新的特性 材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)等 世界各發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)表面工程高度重視 如美國(guó)工程科學(xué)院在為美國(guó)國(guó)會(huì)提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的9項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中 有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究 一 使用表面技術(shù)的目的 1 提高材料抵御環(huán)境作用能力 耐蝕性 2 賦予材料表面某種功能特性 包括光 電 磁 熱 聲 吸附 分離等等各種物理和化學(xué)性能 3 實(shí)施特定的表面加工來(lái)制造構(gòu)件 零部件和元器件等 電鑄 電刷鍍 表面技術(shù) 表面技術(shù)主要通過(guò)表面涂覆和表面改性技術(shù)來(lái)提高材料抵御環(huán)境作用能力和賦予材料表面某種功能特性 表面涂覆 主要采用各種涂層技術(shù) 表面改性技術(shù) 用機(jī)械 物理 化學(xué)等方法 改變材料表面的形貌 化學(xué)成分 相組成 微觀結(jié)構(gòu) 缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài) 表面工程技術(shù)的目的和作用 表面工程技術(shù)的主要目的 通過(guò)表面處理使材料表面按人們希望的性能進(jìn)行改變 表面工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分 不削弱基體材料強(qiáng)度的條件下 通過(guò)物理手段或化學(xué)手段賦予材料表面以特殊的性能 從而滿足工程技術(shù)上對(duì)材料提出的要求的技術(shù) 表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能 二 與表面現(xiàn)象有關(guān)的一些表面技術(shù) 1 表面濕潤(rùn)和反濕潤(rùn)技術(shù)2 表面催化技術(shù)3 膜技術(shù)4 表面化學(xué)技術(shù) 第二節(jié)表面技術(shù)的分類 按學(xué)科特點(diǎn)分為 1 表面合金化 包括噴焊 堆焊 離子注入 激光溶敷 熱滲鍍等 2 表面覆層與覆膜技術(shù) 包括熱噴涂 電鍍 化學(xué)轉(zhuǎn)化處理 化學(xué)鍍 氣相沉積 涂裝 堆焊 金屬染色 熱浸鍍等 3 表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù) 包括激光 電子束熱處理技術(shù)以及噴丸 輥壓等表面加工硬化技術(shù) 表面技術(shù)分類 按照作用原理分類 1 原子沉積 沉積物以原子 離子 分子和粒子集團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層 如電鍍 化學(xué)鍍 物理氣相沉積 化學(xué)氣相沉積等 2 顆粒沉積 沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層 如熱噴涂 搪瓷涂敷等 3 整體覆蓋 涂層4 表面改性 用機(jī)械 物理 化學(xué)等方法 改變材料表面的形貌 化學(xué)成分 相組成 微觀結(jié)構(gòu) 缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài) 材料表面工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)分 電鍍 化學(xué)鍍 熱滲鍍 熱噴涂 堆焊 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜 涂裝 表面著色 氣相沉積 三束 改性以及表面熱處理 形變強(qiáng)化和襯里等13類 表面技術(shù)的廣義涵義 1 表面技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論2 表面處理技術(shù) 它又包括表面覆蓋技術(shù) 表面改性技術(shù)和復(fù)合表面處理技術(shù)三部分3 表面加工技術(shù)4 表面分析和測(cè)試技術(shù)5 表面工程技術(shù)設(shè)計(jì) 第三節(jié)表面技術(shù)的應(yīng)用 一 表面技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性2 5 損失作用 防護(hù) Zn Ni 耐磨 硬Cr 復(fù)合鍍層 強(qiáng)化 復(fù)合鍍層 修復(fù) Fe 裝飾 Cr 等 二 表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用工具 模具 電鑄 三 表面技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用光學(xué)特性 電學(xué)特性 磁學(xué)特性 熱學(xué)特性 化學(xué)特性 能量轉(zhuǎn)換 太陽(yáng)能電池材料 磁記錄材料 Co Ni 雙金屬 防護(hù)涂層四 表面技術(shù)在人類適應(yīng) 保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應(yīng)用抗菌滅菌TiO2 磷灰石 生物醫(yī)學(xué)材料 人工骨 材料表面工程是一門(mén)新興的邊緣學(xué)科 材料表面工程是一門(mén)新的邊緣學(xué)科 它涉及到諸如表面物理學(xué) 表面化學(xué) 金屬學(xué) 陶瓷學(xué) 高分子學(xué) 傳熱學(xué) 傳質(zhì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的理論 而且其本身也溶入了諸多學(xué)科的新技術(shù) 思考題 1材料表面工程技術(shù)為什么能得到社會(huì)的重視獲得迅速發(fā)展 2表面工程技術(shù)的目的和作用是什么 3為什么說(shuō)表面工程是一個(gè)多學(xué)科的邊緣學(xué)科 第四章表面技術(shù)第三節(jié)表面科學(xué)的某些基本概念和理論 一 固體材料及其表面 1 固體材料固體材料是工程技術(shù)中最普遍使用的材料 按照材料特性 可將它分為金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料 相的概念相 物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu) 相是系統(tǒng)中均勻的 與其他部分有界面分開(kāi)的部分 均勻的是指這部分的成分和性質(zhì)從給定范圍或宏觀來(lái)說(shuō)是相同的 或是以一種連續(xù)的方式變化 也就是沒(méi)有突然的變化 在一定溫度和壓力下 含有多個(gè)相的系統(tǒng)為復(fù)相系 兩種不同相之間的交界區(qū)稱為 相 界面 2 材料表面 固體材料的界面有三種 表面 固體材料與氣體或液體的分界面晶界 或亞晶界 多晶材料內(nèi)部成分 結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒 或亞晶 之間的界面相界 固體材料中成分 結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面 表面技術(shù)研究的對(duì)象是表面 對(duì)于固體材料與氣體界面 又有兩種不同的對(duì)象 1 清潔表面 2 實(shí)際表面 清潔表面 清潔表面 經(jīng)過(guò)諸如離子轟擊 高溫脫附 超高真空中解理 蒸發(fā)薄膜 場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā) 化學(xué)反應(yīng) 分子束外延等特殊處理后 保持在10 6Pa 10 9Pa超高真空下外來(lái)沾污少到不能用一般表面分析方法探測(cè)的表面 實(shí)際表面 實(shí)際表面 暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面 或者經(jīng)過(guò)一定加工處理 如切割 研磨 拋光 清洗等 保持在常溫和常壓 也可能在低真空或高溫 下的表面 二 表面晶體學(xué) 固體材料通常以晶態(tài)和非晶態(tài)形式存在于自然界 1 理想表面結(jié)構(gòu) 理想表面是一種理論的結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面 忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影響表面上原子的熱運(yùn)動(dòng)以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)散現(xiàn)象表面外界環(huán)境的作用等 因而把晶體的解理面認(rèn)為是理想表面 2 清潔表面結(jié)構(gòu) 1 清潔表面的一般情況依熱力學(xué)的觀點(diǎn) 表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài) 達(dá)到這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種 自行調(diào)整 原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同依靠表面成分偏析和表面對(duì)外來(lái)原子或分子的吸附兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)表面組分與材料內(nèi)部不同 晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部 一般大約要經(jīng)過(guò)4 6個(gè)原子層之后才與體內(nèi)基本相似 所以晶體表面實(shí)際上只有幾個(gè)原層子范圍 晶體表面的缺陷 平臺(tái) 臺(tái)階 扭折 表面吸附 表面空位 位錯(cuò) TLK模型 單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射 LEED 等表面分析結(jié)果所證實(shí) 表面弛豫 晶體的三維周期性在表面處突然中斷 表面上原子的配位情況發(fā)生變化 并且表面原子附近的電荷分布也有改變 使表面原子所處的力場(chǎng)與體內(nèi)原子不同 因此表面上的原子會(huì)發(fā)生相對(duì)于正常位置的上下位移以降低體系的能量 表面馳豫的最明顯處是表面第一層原子與第二層之間距離的變化 越深入體相 弛豫效應(yīng)越弱 并且是迅速消失 3 實(shí)際表面結(jié)構(gòu) 1 實(shí)際表面的一般情況a 表面粗糙度從宏觀看 經(jīng)過(guò)切削 研磨 拋光的固體表面似乎很平整 然而從微觀角度觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏 同時(shí)不可能有裂縫 空洞等 2 貝爾比層和殘余應(yīng)力 固體材料經(jīng)過(guò)切削加工后 在幾個(gè)微米或者十幾個(gè)微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化 即造成一定程度的晶格畸變 這種晶格的畸變隨深度變化 在最外約5nm 10nm厚度可能會(huì)形成一種非晶態(tài)層 稱為貝爾比層 其成分為金屬和它的氧化物 而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性 材料經(jīng)各種加工 處理后普遍存在殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力按其作用范圍分為 宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力兩類 殘余應(yīng)力 3 表面氧化 吸附和沾污 外來(lái)原子吸附在表面上形成覆蓋層 并往往能使表面重構(gòu) 吸附層原子或分子在晶體表面是有序排列還是無(wú)序排列 與吸附的類型 吸附熱 溫度等因素有關(guān) 4金屬的化學(xué)處理 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù) 金屬的化學(xué)處理法是通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)手段 使金屬表面形成穩(wěn)定的化合物膜層的方法 這種經(jīng)過(guò)化學(xué)處理生成的膜層稱之為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜 化學(xué)成膜處理的機(jī)理是金屬與特定的腐蝕液接觸而在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 由于濃差極化作用和陰極極化作用等 使金屬表面生成一層附著力良好的 能保護(hù)金屬不易受水和其他腐蝕介質(zhì)影響的化合物膜 由于化學(xué)轉(zhuǎn)化膜是金屬基體直接參與成膜反應(yīng)而成的 因而膜與基體的結(jié)合力比電鍍層和化學(xué)鍍層這些外加膜層大得多 成膜的典型反應(yīng)可用下式表示 式中 M為參加反應(yīng)的金屬或鍍層金屬 A為介質(zhì)中的陰離子 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜分類 l 氧化物膜 金屬在含有氧化劑的溶液中形成的膜 其成膜過(guò)程叫氧化 2 磷酸鹽膜 金屬在磷酸鹽溶液中形成的膜 其成膜過(guò)程稱為磷化 3 鉻酸鹽膜 金屬在含有鉻酸或鉻酸鹽的溶液中形成的膜 俗稱鈍化 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜幾乎在所有的金屬表面都能生成 目前工業(yè)上應(yīng)用較多的是鐵 鋁 鋅 2 轉(zhuǎn)化膜形成的基本方式 使金屬表面生成轉(zhuǎn)化膜通常有兩種方式 一種是在處理液中不含重金屬離子 而使金屬表面的金屬與陰離子反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化膜 這種使用的處理劑稱為非成膜型處理劑 其使用實(shí)例有磷酸鐵 鉛酸鹽等 另一種是在處理液與底材金屬之間雖然也發(fā)生了某種程度的溶解現(xiàn)象 但主要還是依靠處理液本身含有的重金屬離子的成膜作用 此種使用的處理劑稱為成膜型處理劑 其使用實(shí)例是磷酸鋅 磷酸錳等 轉(zhuǎn)化膜的基本用途 防銹防銹用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜主要用于以下兩種情況 對(duì)部件有一般的防銹要求 如涂防銹油等 轉(zhuǎn)化膜作為底層很薄時(shí)即可應(yīng)用對(duì)部件有較高的防銹要求 部件又不受撓曲 沖擊等外力作用 轉(zhuǎn)化膜要求均勻致密 且以厚者為佳 耐磨 耐磨用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜廣泛地應(yīng)用于金屬與金屬面互相摩擦的部位 表面上的磷酸鹽膜層具有很小的摩擦系數(shù) 因此減少了金屬面間的摩擦阻力 這種磷酸鹽膜層還具有良好的吸油作用 在金屬接觸面間產(chǎn)生了一緩沖層 從化學(xué)和機(jī)械兩個(gè)方面保持了基體 從而減小磨損 涂裝底層作為涂裝底層的化學(xué)膜要求膜層致密 質(zhì)地均勻 薄厚適宜 晶粒細(xì)小 塑性加工金屬材料表面形成磷酸鹽膜后再進(jìn)行塑性加工 例如進(jìn)行鋼管 鋼絲等冷拉伸 是磷酸鹽膜層最新的應(yīng)用領(lǐng)域之一 采用這種方法對(duì)鋼材進(jìn)行拉拔時(shí)可以減小拉拔力 延長(zhǎng)拉拔模具壽命 減少拉拔次數(shù) 該法在擠出工藝 深拉延工藝等各種冷加工方面均有廣泛的應(yīng)用 絕緣等功能性膜磷酸鹽膜層是電的不良導(dǎo)體 所以很早就用它作為硅鋼板絕緣層 這種絕緣層的特點(diǎn)是占空系數(shù)小 耐熱性良好 而且在沖裁加工時(shí)可減少工具的磨損等 用溶膠一凝膠制得的膜 目前大多是功能性的 4 轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 當(dāng)前 世界上有關(guān)金屬的化學(xué)成膜技術(shù)發(fā)展非常迅速 每月發(fā)表的有關(guān)專利文獻(xiàn)就達(dá)數(shù)十篇之多 從目前看 化學(xué)成膜技術(shù)今后的主要發(fā)展動(dòng)向是 1 化學(xué)表面處理技術(shù)必須與新的涂裝技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng) 即開(kāi)發(fā)和研制適合于新型涂料和涂裝方式的化學(xué)處理劑 2 開(kāi)發(fā)研制對(duì)金屬件無(wú)需清理即可形成保護(hù)轉(zhuǎn)化膜的化學(xué)處理劑 3 開(kāi)發(fā)研制不產(chǎn)生污染的化學(xué)處理劑 4 開(kāi)發(fā)研制能簡(jiǎn)化工藝 縮短流程的化學(xué)處理劑 5 開(kāi)發(fā)研制應(yīng)用于大型構(gòu)件的化學(xué)處理劑 6 開(kāi)發(fā)具有更致密 保護(hù)性能更好的轉(zhuǎn)化膜 7 開(kāi)發(fā)具有更高硬度 更耐磨的轉(zhuǎn)化膜 8 開(kāi)發(fā)具有特殊功能的轉(zhuǎn)化膜 鋁和鋁合金的陽(yáng)極氧化 鋁合金重量輕 比強(qiáng)度高 導(dǎo)電 導(dǎo)熱性比鋼鐵好得多廣泛用于建筑 航空 機(jī)械 交通 儀器儀表及日用工業(yè)等領(lǐng)域通常鋁和鋁合金表面存在30 50A的自然氧化膜 在pH為4以下和9以上時(shí)不穩(wěn)定陽(yáng)極氧化可提高鋁合金的耐蝕性 耐磨性 裝飾性 或作為電鍍 涂層的底層 鋁陽(yáng)極化機(jī)理 氧化膜的生成反應(yīng) 電化學(xué)反應(yīng) 和溶解反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng) 同時(shí)發(fā)生Al 3eAl3 6OH 3H2O 3O2 2Al3 3O2 Al2O3 Q 電解液必須具有導(dǎo)電能力和一定溶解氧化膜的能力膜層結(jié)構(gòu) 阻擋層和多孔層組成內(nèi)部阻擋層為致密無(wú)孔且少水的Al2O3外層多孔層由孔隙和孔壁組成 膜組成為Al2O3 Al OH x SO4 y 膜的生長(zhǎng)過(guò)程 通電瞬間 由于氧和鋁有很強(qiáng)的親和力 迅速形成一層致密無(wú)孔的阻擋層 100 150A 它具有很高的絕緣電阻氧化鋁體積比鋁原子體積大故發(fā)生膨脹 阻擋層變得凹凸不平 造成電流分布不均勻 凹處電阻小電流大 在電場(chǎng)作用下發(fā)生氧化膜的電化學(xué)及化學(xué)溶解 凹處加深逐漸變成孔穴 繼而形成孔隙 鋁和鋁合金陽(yáng)極氧化工藝 前處理脫脂 堿蝕 出光 化學(xué)或電化學(xué)拋光陽(yáng)極氧化硫酸法 草酸法 鉻酸法 混酸法氧化膜的著色 封閉 脫脂 配方氫氧化鈉8 12g L 磷酸三鈉40 60g L 硅酸鈉25 35g L 溫度60 70oC 時(shí)間3 5min目的 除去鋁表面的油脂和氧化膜 堿蝕 配方氫氧化鈉50 100g L 葡萄糖酸鈉1 5g L 溫度40 80oC 時(shí)間0 5 3min目的 除去脫脂中殘存的自然氧化膜 滲入基體表面層的污物 脫脂的殘余液 消除模具痕跡 劃傷等缺陷 調(diào)整和整平基體表面 使其均勻一致 改善覆蓋層的結(jié)合力 Al2O3 2NaOH2NaAlO2 H2O2Al 2NaOH 2H2O2NaAlO2 3H2 中和出光 配方一般 30 50 體積比 硝酸溶液高硅鋁合金和鑄鋁合金 HNO3 HF 1 3目的 堿蝕后 鋁表面仍殘留有不溶于堿的銅 錳 硅 鐵等合金元素 俗稱掛灰 出光的目的是消除掛灰 化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光 化學(xué)拋光工藝磷酸70 80g L 硝酸3 5g L 硝酸銅0 05 0 1g L 冰醋酸5 15g L 溫度80 100oC 時(shí)間0 5 4min電化學(xué)拋光工藝磷酸53g L 硫酸14g L 鉻酸9g L 溫度80oC 電流密度16A dm3 時(shí)間1 2min目的 獲得光亮平滑的表面 提高裝飾效果機(jī)理 酸氧化作用形成氧化膜 同時(shí)又被酸溶解 達(dá)動(dòng)態(tài)平衡 磷酸粘度高 生成的磷酸鋁粘膜層在微觀凸出處 粘膜層薄 氣體攪拌使溶液更新容易 溶解快 在凹處粘膜層厚 對(duì)流更新緩慢 溶解慢 從而達(dá)到整平的目的 硫酸陽(yáng)極氧化工藝 純鋁氧化硫酸150g L 鋁離子 5g L 溫度15 25oC 電壓15 18V 電流密度1 1 5A dm2寬溫氧化硫酸140g L 鋁離子 5g L 酒石酸40g L 草酸15g L 溫度15 45oC 電壓15 18V 電流密度1 2A dm2快速氧化硫酸280 320g L 鋁離子 5g L 硫酸鎳8 10g L 溫度25 30oC 電壓15 18V 電流密度2 3A dm2 各成分的作用和工藝參數(shù)的影響 硫酸濃度 濃度 100g L 對(duì)氧化膜溶解作用小 槽電壓升高 阻擋層增厚 著色性能降低 濃度過(guò)高 溶解作用大 膜生成率下降 阻擋層和孔隙變薄 硬度 耐磨 耐蝕性降低 酒石酸和草酸 采用低濃度的硫酸 加入酒石酸和草酸 有機(jī)二元酸吸附在氧化膜表面 形成一層使H 濃度大為降低的緩沖層 致使膜的溶解速度降低 可擴(kuò)大溫度范圍 節(jié)省能源 同時(shí)可提高膜層性能 鎳離子 提高氧化速度 擴(kuò)大電流密度和溫度的上限值 Al3 新配電解液時(shí)需加入1g L 才能獲得正常的氧化膜 可能是硫酸對(duì)氧化膜溶解能力太強(qiáng)的緣故 電流密度 升高電流密度就提高了膜層的生成率 密度太高 電流效率降低 溶液溫升加快 氧化膜溶解加快 對(duì)于形狀復(fù)雜的制件 電流密度不均勻會(huì)造成膜厚度不均勻 電流密度低于0 5A dm2 生產(chǎn)力降低 電壓 電壓升高 阻擋層增厚 耐蝕性提高 但孔隙率降低 影響著色性能 電壓過(guò)高 電流密度增加 將導(dǎo)致氧化膜燒焦或形成疏松的膜 且能耗增大 溫度 陽(yáng)極氧化是放熱過(guò)程 若膜電阻一定 電流增加2倍 發(fā)熱增加4倍 溫度升高 膜溶解加劇 膜層帶白且疏松 膜性能變劣 著色性不好 攪拌 為保障陽(yáng)極氧化質(zhì)量 除強(qiáng)制冷凍外尚需攪拌電解液 使膜層附近液層的熱量迅速散開(kāi) 防止局部過(guò)熱 利于得到均勻一致的膜層 時(shí)間 通常30 40分鐘 60分鐘后膜增長(zhǎng)很慢 90分鐘后不再增厚 氧化膜的著色 氧化膜的多孔層具有很高的化學(xué)活性著色可提高產(chǎn)品的裝飾性 耐蝕性和功能性著色方法有機(jī)染料和無(wú)機(jī)金屬鹽浸漬著色法 物理 化學(xué)吸附電解發(fā)色法 氧化的同時(shí)進(jìn)行著色電解著色法 氧化后再著色 電解著色法硫酸鎳25 30g L 硼酸30 35g L 硫酸氨25g L pH4 5 5 5 溫度20 35oC 交流電壓10 15V 時(shí)間2 10min顏色 淺青銅 青銅 古銅 黑色 氧化膜的封閉處理 氧化膜具有高孔隙率和吸附性 容易受到污染和腐蝕介質(zhì)的侵蝕無(wú)論著色與否 都必須進(jìn)行封閉處理機(jī)理利用氧化膜的水化反應(yīng) 蒸汽法利用吸附阻化 無(wú)機(jī)鹽封閉法利用有機(jī)物屏蔽 浸油 涂漆 沸水或水蒸氣封閉法Al2O3 nH2OAl2O3 nH2O純水 pH6 9 溫度90 100oC 時(shí)間15 30min無(wú)機(jī)鹽封閉法硫酸鎳4 2g L 硫酸鈷0 7g L 醋酸鈉4 8g L pH4 5 5 5 溫度80 85oC 時(shí)間15 20min 鋼鐵的磷化處理 原理鋼鐵在磷化液中發(fā)生微電池反應(yīng)Fe 2H3PO4Fe H2PO4 2 H2Fe Me H2PO4 2MeHPO4 FeHPO4 H2Fe Me H2PO4 2MeFe PO4 2 H2重排Me H2PO4 2MeHPO4 H3PO43MeHPO4Me3 PO4 2 H3PO4 磷化工藝流程 除油溫水洗冷水洗浸蝕冷水洗表面調(diào)整 活化 磷化處理冷水洗封閉 填充 冷水洗熱水洗干燥浸油或涂裝 磷化配方 高溫工藝 磷酸二氫錳鐵鹽30 45g L 硝酸錳15 25g L 溫度95 98 時(shí)間15 30min控制 游離酸 點(diǎn) 6 9 總酸度 點(diǎn) 40 58 Mn2 8 5 12g L Fe2 Fe3 0 5g L P2O514 19g L NO3 6 5 11g L 總酸度 提高總酸度能加速磷化速度 細(xì)化膜層 過(guò)高則膜薄 過(guò)低速度慢且結(jié)晶粗燥游離酸 游離酸高 磷化速度慢 膜層晶粒粗大多孔 耐蝕性降低 游離酸度低 膜層薄 Mn2 提高膜硬度 附著力和耐蝕性 使膜顏色加深 結(jié)晶均勻 Fe2 高溫液中易氧化成Fe3 繼而形成磷酸鐵沉淀 導(dǎo)致游離酸度升高 P2O5 加快磷化速度并使膜層致密 含量低 膜不致密且耐蝕性差 甚至不能成膜 含量過(guò)高結(jié)晶粗糙 附著力降低 白灰多 NO3 催化劑 加快磷化速度 提高膜層致密性 雜質(zhì) SO42 Cl 將降低磷化速度 磷化膜多孔 耐蝕性差 不能超過(guò)0 5g L Cu2 在鋼鐵上發(fā)生置換 使工件發(fā)紅 耐蝕性降低 磷化后的封閉 磷化膜多孔 易吸附鹽類 需用去離子水洗封閉配方重鉻酸鉀30 50g L 碳酸鈉2 4g L 溫度80 95oC 時(shí)間5 15min 第六章材料表面處理技術(shù)第五節(jié)電鍍 電刷鍍和化學(xué)鍍 一 電鍍的概念及分類 電鍍是一種用電化學(xué)方法在鍍件表面上沉積所需形態(tài)的金屬覆層工藝 電鍍?cè)?是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中 以被鍍基體金屬為陰極 通過(guò)電解作用 使鍍液中欲鍍金屬的陽(yáng)離子在基體金屬表面沉積出來(lái) 形成鍍層的一種表面加工方法 例如Zn2 2eZn 金屬離子還原反應(yīng) Ni2 2eNi 電鍍的目的 是改善材料的外觀 提高材料的各種物理化學(xué)性能 賦予材料表面特殊的耐蝕性 耐磨性 裝飾性 焊接性及電 磁 光學(xué)性能等 鍍層一般為幾微米到幾十微米厚 電鍍工藝設(shè)備較簡(jiǎn)單 操作條件易于控制 鍍層材料廣泛 成本較低 因而在工業(yè)中廣泛應(yīng)用 是材料表面處理的重要方法 鍍層按使用性能分類 防護(hù)性鍍層 例如鋅 鋅 鎳 鎳 鎘 錫等鍍層 作為耐大氣及各種腐蝕環(huán)境的防腐蝕鍍層 防護(hù) 裝飾性鍍層 例如Cu Ni Cr鍍層等 既有裝飾性 亦有防護(hù)性 裝飾性鍍層 例如Au及Cu Zn仿金鍍層 黑鉻 黑鎳鍍層等 耐磨和減磨鍍層 例如硬鉻 松孔鍍 Ni SiC Ni 石墨 Ni PTFE復(fù)合鍍層等 電性能鍍層 例如Au Ag鍍層等 既有高的導(dǎo)電率 又可防氧化 避免增加接觸電阻 磁性鍍層 例如軟磁性能鍍層有Ni Fe Fe Co鍍層 硬磁性能有Co P Co Ni Co Ni P等 可焊性鍍層 例如Sn Pb Cu Sn Ag等鍍層 可改善可焊性 在電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用 耐熱鍍層 例如Ni W Ni Cr鍍層 熔點(diǎn)高 耐高溫 修復(fù)用鍍層 一些造價(jià)較高的易磨損件 或加工超差件 采用電鍍修復(fù)尺寸 可節(jié)約成本 延長(zhǎng)使用壽命 例如可電鍍Ni Cr Fe層進(jìn)行修復(fù) 鍍層按與基體金屬之間的電化學(xué)性質(zhì)分類 陽(yáng)極性鍍層和陰極性鍍層凡鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為負(fù)時(shí) 鍍層是陽(yáng)極 稱陽(yáng)極性鍍層 如鋼上的鍍鋅層 鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為正時(shí) 鍍層呈陰極 稱陰極鍍層 如鋼上的鍍鎳層 鍍錫層等 鍍層按組合形式分類 單層鍍層 如Zn或Cu層 多層金屬鍍層 例如Cu Sn Cr Cu Ni Cr鍍層等 復(fù)合鍍層 如Ni Al2O3 Co SiC等 若按鍍層成分分類 可分為 單一金屬鍍層 合金鍍層及復(fù)合鍍層 如何合理選用鍍層 首先要了解鍍層是否具有所要求的使用性能 然后按照零件的服役條件及使用性能要求 選用適當(dāng)?shù)腻儗?還要按基材的種類和性質(zhì) 選用相匹配的鍍層 例如陽(yáng)極性或陰極性鍍層 特別是當(dāng)鍍層與不同金屬零件接觸時(shí) 更要考慮鍍層與接觸金屬的電極電位差對(duì)耐蝕性的影響 或摩擦副是否匹配 另外要依據(jù)零件加工工藝選用適當(dāng)?shù)腻儗?例如鋁合金鍍鎳層 鍍后常需通過(guò)熱處理提高結(jié)合力 若是時(shí)效強(qiáng)化鋁合金 鍍后熱處理將會(huì)造成過(guò)時(shí)效 此外 要考慮鍍覆工藝的經(jīng)濟(jì)性 二 電鍍的基本原理 電鍍是指在直流電的作用下 電解液中的金屬離子還原 并沉積到零件表面形成有一定性能的金屬鍍層的過(guò)程電解液主要是水溶液 也有有機(jī)溶液和熔融鹽 從水溶液和有機(jī)溶液中電鍍稱為濕法電鍍 從熔融鹽中電鍍稱為熔融鹽電鍍非水溶液 熔融鹽電鍍雖已部分獲得工業(yè)化應(yīng)用 但不普遍 電沉積的基本條件 金屬離子以一定的電流密度進(jìn)行陰極還原時(shí) 原則上 只要電極電位足夠負(fù) 任何金屬離子都可能在陰極上還原 實(shí)現(xiàn)電沉積 但由于水溶液中有氫離子 水分子及多種其它離子 使得一些還原電位很負(fù)的金屬離子實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)沉積過(guò)程 所以金屬離子在水溶液中能否還原 不僅決定于其本身的電化學(xué)性質(zhì) 還決定于金屬的還原電位與氫還原電位的相對(duì)大小 若金屬離子還原電位比氫離子還原電位更負(fù) 則電極上大量析氫 金屬沉積極少 金屬還原的可能性 金屬離子還原析出的可能性是獲得鍍層的首要條件 而要獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的鍍層 還要有合理的鍍液組成和合理的工藝控制 三 電鍍?nèi)芤杭肮に嚳刂?1 鍍液構(gòu)成 主鹽 絡(luò)合劑 導(dǎo)電鹽 緩沖劑 陽(yáng)極活化劑 鍍液穩(wěn)定劑 特殊添加劑1 主鹽 沉積金屬的鹽類 有單鹽 如硫酸銅 硫酸鎳等 有絡(luò)鹽 如鋅酸鈉 氰鋅酸鈉等 2 絡(luò)合劑 配合劑與沉積金屬離子形成絡(luò)合物 改變鍍液的電化學(xué)性質(zhì)和金屬離子沉積的電極過(guò)程 對(duì)鍍層質(zhì)量有很大影響 是鍍液的重要成分 常用絡(luò)合劑有氰化物 氫氧化物 焦磷酸鹽 酒石酸鹽 氨三乙酸 檸檬酸等 3 導(dǎo)電鹽 其作用是提高鍍液的導(dǎo)電能力 降低槽端電壓提高工藝電流密度 例如鍍鎳液中加人Na2SO4 導(dǎo)電鹽不參加電極反應(yīng) 酸或堿類也可作為導(dǎo)電物質(zhì) 4 緩沖劑 在弱酸或弱堿性鍍液中 pH值是重要的工藝參量 加人緩沖劑 使鍍液具有自行調(diào)節(jié)pH值能力 以便在施鍍過(guò)程中保持pH值穩(wěn)定 緩沖劑要有足夠量才有較好的效果 一般加人30 40g L 例如氯化鉀鍍鋅溶液中的硼酸 5 陽(yáng)極活化劑 在電鍍過(guò)程中金屬離子被不斷消耗 多數(shù)鍍液依靠可溶性陽(yáng)極來(lái)補(bǔ)充 使金屬的陰極析出量與陽(yáng)極溶解量相等 保持鍍液成分平衡 加人活性劑能維持陽(yáng)極活性狀態(tài) 不會(huì)發(fā)生鈍化 保持正常溶解反應(yīng) 例如鍍鎳液中必須加人Cl 以防止鎳陽(yáng)極鈍化 6 鍍液穩(wěn)定劑 許多金屬鹽容易發(fā)生水解 而許多金屬的氫氧化物是不溶性的 生成金屬的氫氧化物沉淀 使溶液中的金屬離子大量減少 電鍍過(guò)程電流無(wú)法增大 鍍層容易燒焦 7 特殊添加劑 為改善鍍液性能和提高鍍層質(zhì)量 常需加人某種特殊添加劑 其加入量較少 一般只有幾克每升 但效果顯著 特殊添加劑 光亮劑 可提高鍍層的光亮度 晶粒細(xì)化劑 能改變鍍層的結(jié)晶狀況 細(xì)化晶粒 使鍍層致密 例如鋅酸鹽鍍鋅液中 添加環(huán)氧氯丙烷與胺類的縮合物之類的添加劑 鍍層就可從海綿狀變?yōu)橹旅芏饬?整平劑 可改善鍍液微觀分散能力 使基體顯微粗糙表面變平整 潤(rùn)濕劑 可以降低金屬與溶液的界面張力 使鍍層與基體更好地附著 減少針孔 應(yīng)力消除劑 可降低鍍層應(yīng)力 鍍層硬化劑 可提高鍍層硬度 掩蔽劑 可消除微量雜質(zhì)的影響 2 金屬的電鍍過(guò)程 當(dāng)直流電通過(guò)兩電極及兩極間含金屬離子的電解液時(shí) 金屬離子在陰極上還原沉積成鍍層 而陽(yáng)極氧化將金屬轉(zhuǎn)移為離子 Cu2 溶液內(nèi)部 Cu2 陰極表面 Cu2 陰極表面 2e Cu 金屬 電鍍槽中電化學(xué)反應(yīng)示意圖 金屬沉積過(guò)程 1 傳質(zhì)步驟 液相中的反應(yīng)粒子 金屬水化離子或配合離子 向陰極表面?zhèn)鬟f的步驟 有電遷移 擴(kuò)散及對(duì)流三種不同方式 2 前置化學(xué)步驟 研究表明 直接參加陰極電化學(xué)還原反應(yīng)的金屬離子往往不是金屬離子在電解液中的主要存在形式 在還原之前 離子在陰極附近或表面發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化 然后才能放電還原為金屬 3 電荷轉(zhuǎn)移步驟 反應(yīng)粒子在陰極表面得到電子形成吸附原子或吸附離子的過(guò)程稱為電荷轉(zhuǎn)移步驟 又稱為電化學(xué)步驟 這里主要發(fā)生電荷從陰極表面轉(zhuǎn)移到反應(yīng)粒子的過(guò)程 這是電沉積過(guò)程的重要步驟 4 結(jié)晶步驟 吸附原子通過(guò)表面擴(kuò)散到達(dá)生長(zhǎng)點(diǎn)而進(jìn)人晶格 或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并長(zhǎng)大成晶體 3 金屬離子的放電位置 金屬離子在陰極沉積能得到均勻的鍍層 但從微觀上看 離子在表面上放電的幾率不相同 這是由于基體金屬表面存在大量階梯 棱邊 扭結(jié)點(diǎn) 空穴等缺陷 對(duì)于金屬離子的放電位置 通過(guò)什么途徑進(jìn)人晶格 有兩種理論 1 直接轉(zhuǎn)移機(jī)理 2 表面擴(kuò)散機(jī)理 4 金屬的電結(jié)晶 電結(jié)晶是在電化學(xué)作用下金屬離子從溶液中沉積出來(lái)形成晶體的過(guò)程 它具有一般結(jié)晶過(guò)程的規(guī)律 也有它的特殊規(guī)律 電結(jié)晶是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程 金屬離子能否還原 決定于陰極電位 在平衡電位下 金屬離子不會(huì)在陰極上沉積 若外加電場(chǎng)使陰極電位偏離平衡電位并向負(fù)方向移動(dòng) 即產(chǎn)生一定的過(guò)電位 還原速度將大于氧化速度 金屬離子便會(huì)在陰極上沉積 所以金屬離子的電結(jié)晶需要有一定的過(guò)電位 過(guò)電位影響電沉積層的形成和性質(zhì) 對(duì)電結(jié)晶機(jī)理的研究有重要作用 電極反應(yīng)與極化 單鹽鍍液中金屬離子的還原單鹽鍍液中的金屬離子以水化離于形式存在 在陰極上的還原可分為三個(gè)過(guò)程 1 金屬離子水化數(shù)的降低或水化層的重排 2 金屬離子還原 3 吸附原子失去剩余的水化分子進(jìn)人金屬晶格 金屬陽(yáng)極的溶解多數(shù)鍍種都采用可溶性陽(yáng)極 陽(yáng)極金屬發(fā)生氧化反應(yīng) 產(chǎn)生金屬離子 產(chǎn)生的離子數(shù)量應(yīng)與陰極上析出的數(shù)量相等 才能保持鍍液穩(wěn)定 5 影響電鍍層質(zhì)量的基本因素 電鍍層的質(zhì)量體現(xiàn)于它的物理化學(xué)性能 力學(xué)性能 組織特征 表面特征 孔隙率 結(jié)合力和殘余內(nèi)應(yīng)力等方面 這些特性除取決于鍍層金屬的本性外 還受到鍍液 電鍍工藝 基體金屬及前處理工藝等的影響 鍍液的影響 配離子的作用 配離子使陰極極化作用增強(qiáng) 所以鍍層比較致密 鍍液的分散能力也較好 整平能力較高 主鹽濃度的影響 主鹽濃度增大 濃差極化降低 導(dǎo)致結(jié)晶形核速率降低 所得組織較粗大 這種作用在電化學(xué)極化不顯著的單鹽鍍液中更為明顯 稀溶液的分散能力比濃溶液好 附加鹽的作用 除可提高鍍液的電導(dǎo)性外 還可增強(qiáng)陰極極化能力 有利于獲得細(xì)晶的鍍層 添加劑的作用 添加劑在鍍液中的作用有兩種主要方式 形成膠體吸附在金屬離子上 阻礙金屬離子放電 增大陰極極化作用 吸附在陰極表面上 阻礙金屬離子在陰極表面上放電 或阻礙放電離子的擴(kuò)散 影響沉積結(jié)晶過(guò)程 并提高陰極極化作用 電鍍參數(shù)影響 電流密度的影響 每種鍍液有它最佳的電流密度范圍 提高電流密度 必然增大陰極極化作用 使鍍層致密 鍍速升高 但電流密度過(guò)大 鍍層會(huì)被燒黑或燒焦 電流密度過(guò)低 鍍層晶粒粗化 甚至不能沉積鍍層 電流波形的影響 電流波形對(duì)鍍層質(zhì)量的影響 在某些鍍液中非常明顯 例如單相半波或全波整流用于鍍鉻時(shí) 鍍鉻層是灰黑色的 而三相全波整流的波形與穩(wěn)壓直流相似 它們的電鍍效果和質(zhì)量沒(méi)有明顯區(qū)別 周期換向電流的作用 周期性地改變直流電流方向可適當(dāng)控制換向周期 電鍍時(shí)間和退鍍時(shí)間 可使鍍層均勻 平整 光亮 因?yàn)橥隋儠r(shí) 可去除劣質(zhì)鍍層和鍍件凸出處較厚的鍍層 周期換向還可減弱陰 陽(yáng)極的濃差極化作用 溫度的影響 通常溫度升高 陰極極化作用降低 鍍層結(jié)晶粗大 但允許提高電流密度上限 并使陰極電流效率提高 改善鍍層韌性和鍍液的分散能力 減少鍍層吸氫量 不同的鍍液有其最佳溫度范圍 攪拌的影響 攪拌增強(qiáng)電解液的流動(dòng) 降低陰極的濃差極化 使鍍層結(jié)晶粗大 但攪拌允許提高電流密度 這可抵消降低濃差極化的作用 并提高生產(chǎn)率 攪拌還可增強(qiáng)整平劑的效果 pH值及析氫的影響 pH值的影響 鍍液的pH值影響氫的放電電位 堿性?shī)A雜物的沉淀 沉積金屬的配合物或水化物的組成 以及添加劑的吸附程度 在酸性溶液中 氫過(guò)電位隨pH值的增大而升高 而在堿性溶液中情況恰好相反 因此在弱酸及弱堿電鍍液中 控制pH值是很重要的 pH值對(duì)硬度和應(yīng)力的影響 可能主要是通過(guò)夾雜物的性質(zhì)和分布起作用的 析氫的影響 陰極上金屬沉積時(shí) 總伴隨著氫氣的析出 氫氣析出的原因是金屬離子的沉積電位較負(fù) 或者氫的析出過(guò)電位較低 氫的析出對(duì)鍍層質(zhì)量的影響是多方面的 其中以氫脆 針孔 起泡最為嚴(yán)重 基體金屬對(duì)鍍層的影響 基體金屬性質(zhì)的影響 鍍層的結(jié)合力與基體金屬的化學(xué)性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 如果基體金屬電位負(fù)于沉積金屬電位 就難以獲得結(jié)合良好的鍍層 甚至不能沉積 若材料 如不銹鋼 鋁等 易于鈍化 不采取特殊活化措施也難以得到高結(jié)合力鍍層 基體材料與沉積金屬其晶體結(jié)構(gòu)相匹配時(shí) 利于結(jié)晶初期的外延生長(zhǎng) 易得到高結(jié)合力的鍍層 表面加工狀態(tài)的影響 鍍件表面過(guò)于粗糙 多孔 有裂紋 鍍層亦粗糙 在氣孔 裂紋區(qū)會(huì)產(chǎn)生黑色斑點(diǎn) 或鼓泡 剝落現(xiàn)象 鑄鐵表面的石墨有降低氫過(guò)電位的作用 氫易于在石墨位置析出 阻礙金屬沉積 前處理的影響 鍍件電鍍前 需對(duì)鍍件表面作精整和清理 去除毛刺 夾砂 殘?jiān)?油脂 氧化皮 鈍化膜 使基體金屬露出潔凈 活性的晶體表面 這樣才能得到健全 致密 結(jié)合良好的鍍層 前處理不當(dāng) 將會(huì)導(dǎo)致鍍層起皮 剝落 鼓泡 毛刺 發(fā)花等缺陷 四 合金電鍍 兩種或兩種以上的元素共沉積所形成的鍍層為合金鍍層 通常其最小組分應(yīng)大于1 而某些鍍層 合金含量雖少于1 但對(duì)鍍層性能影響大 也可稱為合金鍍層 已研究過(guò)的電鍍合金體系已超過(guò)230多種 在工業(yè)上獲得應(yīng)用的約有30余種 比單金屬鍍層種類多 合金鍍層比單金屬鍍層具有許多獨(dú)特而優(yōu)異的性能是電鍍技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一 1 電鍍合金的特點(diǎn) 1 容易獲得高熔點(diǎn)與低熔點(diǎn)金屬組成的合金 如Sn Ni合金 2 可獲得熱熔相圖沒(méi)有的合金 銅錫合金 3 容易獲得組織致密 性能優(yōu)異的非晶態(tài)合金 如Ni P合金 4 在相同合金成分下 電鍍合金與熱熔合金比 硬度高 延展性差 合金鍍層的主要特點(diǎn) 與單金屬鍍層相比 合金鍍層有如下主要特點(diǎn) 合金鍍層結(jié)晶更細(xì)致 鍍層更平整 光亮 可以獲得非晶結(jié)構(gòu)鍍層 如Ni P鍍層 合金鍍層具有單金屬所沒(méi)有的特殊物理性能 例如導(dǎo)磁性 減摩性 自潤(rùn)滑性 釬焊性 合金鍍層可具備比組成它們的單金屬層更耐磨 耐蝕 更耐高溫 并有更高硬度和強(qiáng)度 但延展性和韌性通常有所降低 不能從水溶液中單獨(dú)電沉積的W Mo Ti V等金屬可與鐵族元素 Fe Co Ni 共沉積形成合金 通過(guò)成分設(shè)計(jì)和工藝控制 可得到不同色調(diào)的合金鍍層 例如銀合金 彩色鍍鎳及仿金合金等 具有更好的裝飾效果 2 合金電鍍?cè)?1 合金共沉積的條件 兩種金屬離子共沉積除需具備單金屬沉積的基本條件外 還應(yīng)具備以下兩個(gè)基本條件 兩種金屬中至少有一種金屬能從其鹽的水溶液中沉積出來(lái) 有些金屬如W Mo等不能從其鹽的水溶液中沉積出來(lái) 但它可以借助誘導(dǎo)沉積與鐵族金屬共沉積 共沉積的兩種金屬的沉積電位必須十分接近 如果相差太大 電位較正的金屬優(yōu)先沉積 甚至完全排斥電位較負(fù)的金屬析出 2 實(shí)現(xiàn)共沉積的方法 1 改變鍍液中金屬離子的濃度比 增大較活潑金屬離子的濃度 使其電位正移 或降低較貴金屬離子濃度 使其電位負(fù)移 使兩者的電位接近 2 采用適當(dāng)?shù)慕j(luò)合劑 這是使平衡電位相差大的金屬離子實(shí)現(xiàn)共沉積的最有效方法 3 采用特定的添加劑 某種添加劑可能對(duì)某些金屬沉積起作用 使之實(shí)現(xiàn)共沉積 五 復(fù)合鍍 復(fù)合鍍是將固體微粒子加入鍍液中與金屬或合金共沉積 形成一種金屬基的表面復(fù)合材料的過(guò)程 鍍層中 固體微粒均勻彌散地分布在基體中 故又稱為分散鍍或彌散鍍 任何金屬鍍層都可以成為復(fù)合鍍層的基體材料 研究較多的有鎳 銅 鐵 鉆 鉻 鋅 銀 金 鉛 鎳 磷 鎳 硼 鎳 鐵 鋁 錫 銅 錫等 固體微粒主要有金屬氧化物 碳化物 硼化物 氮化物等無(wú)機(jī)化合物分散劑 尼龍 聚四氟乙烯 聚氯乙烯等有機(jī)分散劑 石墨以及不溶于鍍液的金屬粉末都可作分散劑 由于固體粒子的共沉積 賦予鍍層一些特殊的功能 大大擴(kuò)大了鍍層的應(yīng)用范圍和效果 復(fù)合鍍層可用電鍍法和化學(xué)鍍法獲得 1 復(fù)合鍍層的沉積機(jī)理 固體微粒先經(jīng)過(guò)消除雜質(zhì) 潤(rùn)濕處理和表面活性劑處理后 加入鍍液中 形成均勻的懸浮液 分散粒子會(huì)吸附表面活性劑和鍍液中各種離子 包括將被沉積的金屬離子 當(dāng)微粒子表面凈吸附結(jié)果是正離子占優(yōu)勢(shì)時(shí) 即微粒子表面帶正電荷后 才有可能與金屬離子共沉積形成復(fù)合鍍層 電鍍法實(shí)施的復(fù)合鍍過(guò)程的步驟 在電場(chǎng)作用下 帶正電荷的微粒子有向陰極靠近的傾向 但固體微粒的電泳速度與攪拌形成的運(yùn)動(dòng)相比是微弱的 在攪拌的作用下 微粒子被帶到陰極表面 與陰極表面碰撞并被陰極表面俘獲 在電場(chǎng)作用下 微粒吸附在陰極表面上 這是一種弱吸附 在靜電場(chǎng)力作用下 粒子脫去水化膜 與陰極表面直接緊密接觸 形成化學(xué)吸附的強(qiáng)吸附 未形成強(qiáng)吸附的粒子在液流沖擊下又會(huì)脫附離開(kāi)陰極 吸附與脫附處于動(dòng)態(tài)平衡 微粒吸附的金屬離子及未被吸附的金屬離子在陰極上放電沉積進(jìn)入晶格 固體微粒子被沉積金屬埋沒(méi)而鑲嵌在鍍層中 形成金屬 固體微粒復(fù)合鍍層 微粒被沉積金屬掩埋固定所需時(shí)間愈短 微粒的共沉積量愈大 2 復(fù)合鍍的條件 粒子在鍍液中是充分穩(wěn)定的 既不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng) 也不會(huì)促使鍍液分解 粒子在鍍液中要完全潤(rùn)濕 形成分散均勻的懸浮液 為此 粒子都需經(jīng)過(guò)親水處理 特別是那些疏水粒子 更應(yīng)作充分的親水處理 并要降低鍍液的表面張力 這樣才能形成懸浮性好的鍍液 鍍液的性質(zhì)要有利于固體粒子帶正電荷 即利于粒子吸附陽(yáng)離子表面活性劑及金屬離子 粒子的粒度要適當(dāng) 粒子過(guò)粗 易于沉淀 且不易被沉積金屬包覆 鍍層粗糙 粒子過(guò)細(xì) 易于結(jié)團(tuán)成塊 不能均勻懸浮 通常使用0 1 10um的粒子 但以0 5 3um最好 要有適當(dāng)?shù)臄嚢?這既是保持微粒均勻懸浮的必要措施 也是使粒子高效率輸送到陰極表面并與陰極碰撞的必要條件 3 復(fù)合鍍層的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 1 耐磨性鍍層將硬質(zhì)粒子加入到Ni Co Cr Co Ni Ni P Ni B等鍍層中 可大幅度地提高金屬或合金鍍層的耐磨性 例如Ni P SiC的耐磨性隨SiC含量增加而迅速升高 即磨損量減少 復(fù)合鍍層的性能由鍍層金屬的特性和粒子特性共同決定 鍍層的硬度隨粒子含量及粒子硬度升高而升高 所以在耐磨性復(fù)合鍍層中加人的粒子大多選用金剛石 WC Al2O3 ZrO2 TiC SiC Cr3C2等粒子 這種高耐磨性復(fù)合鍍層在中 高溫條件下更顯示其獨(dú)特的耐磨性能 在航空 機(jī)械 汽車等工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用 2 減摩復(fù)合鍍層 將剪切強(qiáng)度低 摩擦系數(shù)小的固體粒子加入到某些金屬和合金中 可形成具有自潤(rùn)滑功能的減摩復(fù)合鍍層 常用Ni Cu Pb等作基體金屬 用石墨 氟化石墨 聚四氟乙烯 PTFE MoS2和六方氮化硼等作分散劑 例如PTFE本身的摩擦系數(shù)僅為0 05 加人到Ni P鍍層中形成Ni P PTFE復(fù)合鍍層 與淬火鋼配副對(duì)磨時(shí) 干摩擦系數(shù)為0 36 0 40 明顯低于Ni P鍍層的摩擦系數(shù) 0 60 0 63 當(dāng)這種復(fù)合鍍層相互對(duì)磨時(shí) 干摩擦系數(shù)僅為0 2 Ni BN在800 高溫下仍有很低的摩擦系數(shù) 可用于鋼廠的水平連鑄機(jī)上 在宇航 真空和無(wú)油潤(rùn)滑的條件下 軸承 導(dǎo)軌等摩擦副是這類減摩復(fù)合鍍層充分發(fā)揮其自潤(rùn)滑功能的地方 3 耐蝕復(fù)合鍍層 通常 固體粒子加入鍍層中形成復(fù)合鍍層 鍍層的孔隙率會(huì)明顯增大 粒子量愈高 粒子愈粗 孔隙率愈高 這就降低陰極性鍍層的防護(hù)功能 耐蝕性降低 但在有些情況下 固體粒子卻可提高鍍層的耐蝕性 例如在鋼件上 用鋁粉和鋅共沉積形成Zn AI復(fù)合鍍層 Zn是陽(yáng)極性鍍層 Zn鍍層中的AI粉表面包裹著氧化膜 在腐蝕電池中仍為陰極 導(dǎo)電性差 故抑制了Zn的腐蝕 六 電刷鍍 電刷鍍是電鍍的一種特殊方式 不用鍍槽 只需在不斷供應(yīng)電解液的條件下 用一支鍍筆在工件表面上進(jìn)行擦拭 從而獲得電鍍層 所以 刷鍍又稱無(wú)槽鍍或涂鍍 1 電刷鍍的原理與特點(diǎn) 直流電源的正極通過(guò)導(dǎo)線與鍍筆相聯(lián) 負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線和工件相聯(lián) 當(dāng)電流方向由鍍筆流向工件時(shí)為正向電流 正向電流接通時(shí)發(fā)生電沉積 電流方向從工件流向鍍筆時(shí)為反向電流 反向電流接通時(shí)工件表面發(fā)生溶解 由于刷鍍無(wú)需電鍍槽 兩極距離很近 所以常規(guī)電鍍的溶液不適用來(lái)作刷鍍?nèi)芤?刷鍍?nèi)芤褐械慕饘匐x子的濃度要高得多 因此需要配制特殊的溶液 完整的刷鍍過(guò)程還應(yīng)包括預(yù)處理過(guò)程 預(yù)處理過(guò)程包括 鍍前工件表面的電清洗和電活化工序 這些處理都使用同一電源 只是鍍筆 溶液 電流方向等工藝條件不同而已 刷鍍具有以下特點(diǎn) 鍍層結(jié)合強(qiáng)度高 在鈦 鋁 銅 鉻 高合金鋼和石墨上也具有很好的結(jié)合強(qiáng)度 設(shè)備簡(jiǎn)單 工藝靈活 操作方便 可以在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè) 可以進(jìn)行槽鍍困難或?qū)崿F(xiàn)不了的局部電鍍 例如對(duì)某些重量重 體積大的零件實(shí)行局部電鍍 生產(chǎn)效率高 刷鍍的速度是一般槽鍍的10 15倍 輔助時(shí)間少 且可節(jié)約能源 是糟鍍耗電量的幾十分之一 操作安全 對(duì)環(huán)境污染小 刷鍍的溶液不含氰化物和劇毒藥品 可循環(huán)使用 耗量小 不會(huì)因大量廢液排放而造成污染 2 刷鍍?nèi)芤?預(yù)處理溶液 預(yù)處理溶液可分為電凈液和活化液兩類 電凈液 用于清洗工件表面的油污活化液 用于去除金屬表面的氧化膜和疲勞層 使基體金屬的晶格顯露出來(lái) 電鍍?nèi)芤?根據(jù)鍍層的成分 金屬電鍍?nèi)芤悍譃閱谓饘匐婂円汉秃辖痣婂円?每類金屬電鍍液又根據(jù)其沉積速率 鍍液的性質(zhì) 鍍層的性能等特點(diǎn)分成許多品種 退鍍?nèi)芤?可把舊鍍層或不合格的鍍層去掉 鈍化液 刷鍍?nèi)芤旱奶匦?金屬離子的含量較高 如鍍Ni液中離子含量53 55g l 鍍液的溫度范圍比較寬 鍍液的性質(zhì)比較穩(wěn)定 在刷鍍過(guò)程中雖然金屬離子不斷沉積 但由于電極上的電阻熱使溶液不斷蒸發(fā) 綜合結(jié)果使離子濃度下降并不大 因而pH值變化也不大 均鍍能力和深鍍能力較好 鍍液的毒性與腐蝕性較小 3 刷鍍工藝簡(jiǎn)介 1 工藝過(guò)程 刷鍍工藝過(guò)程包括工件表面的準(zhǔn)備階段和刷鍍兩個(gè)階段 準(zhǔn)備階段的主要目的是提高鍍層的結(jié)合強(qiáng)度 刷鍍階段的主要目的是獲得質(zhì)量符合要求的鍍層 2 水沖洗問(wèn)題 在電凈 活化工序之間均采用自來(lái)水沖洗 在最后一道活化工序和刷鍍過(guò)渡層工序之間以及刷鍍過(guò)渡層與工作層工序之間 一般采用蒸餾水沖洗 3 刷鍍前無(wú)