第5章電鍍及化學鍍

1、表面工程表面工程第五章第五章 電鍍及化學鍍電鍍及化學鍍5.1 5.1 電鍍電鍍5.2 5.2 合金電鍍合金電鍍5.3 5.3 復合鍍復合鍍5.4 5.4 電刷鍍電刷鍍5.5 5.5 化學鍍化學鍍2022-2-63/335.1 5.1 電鍍電鍍電解：電解：在外加直流電源在外加直流電源的作用下，電解質(zhì)的的作用下，電解質(zhì)的陰陽離子兩極發(fā)生氧陰陽離子兩極發(fā)生氧化還原反應的過程。化還原反應的過程。（1 1）電解與電鍍）電解與電鍍電解電解CuCl2溶液示意圖溶液示意圖陰極（陰極（還原還原反應）反應）: :陽極（陽極（氧化氧化反應）反應）: :Cu2+ + 2e Cu2Cl2e Cl2 2022-2-64/

2、33電鍍：電鍍：是指利用電解原理，電解液中的金屬離子還原，是指利用電解原理，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程。并沉積到零件表面形成有一定性能的金屬鍍層的過程。銅的電解精煉：銅的電解精煉：粗銅粗銅（含（含Zn、 Fe ）純銅純銅硫酸銅溶液硫酸銅溶液硫酸銅溶液硫酸銅溶液銅銅鍍件鍍件目的目的: : 耐蝕、耐磨、裝飾、釬焊及電、磁、光學耐蝕、耐磨、裝飾、釬焊及電、磁、光學 一般為幾微米到幾十微米一般為幾微米到幾十微米鍍銅鍍銅2022-2-65/33（2 2）電鍍裝置及原理）電鍍裝置及原理（以鍍銅為例）兩電極：兩電極：陰極還原反應：陰極還原反應： Cu 2+2eCu

3、(形成鍍層形成鍍層)陽極氧化反應：陽極氧化反應：Cu 2eCu2+(陽極溶解陽極溶解)外電路：外電路：直流電源、導線直流電源、導線電鍍液：電鍍液：含有鍍層金屬離含有鍍層金屬離子的電解質(zhì)溶液子的電解質(zhì)溶液電鍍的結(jié)果，硫酸銅溶液的濃度保持不變電鍍的結(jié)果，硫酸銅溶液的濃度保持不變2022-2-66/33（3 3）電鍍液）電鍍液主鹽：主鹽：提供金屬離子，析出金屬易溶于水的鹽類提供金屬離子，析出金屬易溶于水的鹽類絡合劑：絡合劑：鍍液的重要成分。鍍液的重要成分。能與主鹽的陽離子絡合而能與主鹽的陽離子絡合而成金屬絡離子。在電鍍過程中，能有效地促進陰極極化成金屬絡離子。在電鍍過程中，能有效地促進陰極極化作用，

4、提高電解液的均鍍能力和深鍍能力，從而使鍍層作用，提高電解液的均鍍能力和深鍍能力，從而使鍍層結(jié)晶細致光滑；對保證鍍層質(zhì)量和電解穩(wěn)定性起重要作結(jié)晶細致光滑；對保證鍍層質(zhì)量和電解穩(wěn)定性起重要作用。如在氰化物電鍍液中用氰化物作絡合劑，在無氰電用。如在氰化物電鍍液中用氰化物作絡合劑，在無氰電鍍液中用銨鹽、焦磷酸鹽、次氨（基）三乙酸等作絡合鍍液中用銨鹽、焦磷酸鹽、次氨（基）三乙酸等作絡合劑。劑。導電鹽：導電鹽：提高鍍液的導電能力提高鍍液的導電能力緩沖劑：緩沖劑：穩(wěn)定穩(wěn)定pHpH值值陽極活化劑：陽極活化劑：促進陽極溶解的助溶陰離子促進陽極溶解的助溶陰離子添加劑：影響金屬離子在陰極析出的成分。添加劑：影響金屬

5、離子在陰極析出的成分。光亮劑、光亮劑、整平劑、晶粒細化劑、潤濕劑、應力消除劑、鍍層硬化整平劑、晶粒細化劑、潤濕劑、應力消除劑、鍍層硬化劑等劑等2022-2-67/33n金屬還原的基本條件和可能性金屬還原的基本條件和可能性還原條件：本身的電化學性質(zhì)還原條件：本身的電化學性質(zhì) 金屬的還原電位與氫還原電位的相對大小金屬的還原電位與氫還原電位的相對大小2022-2-68/33離子的放電順序離子的放電順序陰離子：陰離子：陽離子：陽離子：與金屬活動順序相反。即與金屬活動順序相反。即K +、Ca2+ 、Na + 、Mg2+ 、Al3+ 、 Zn2+ 、 Fe2+ Sn2+ 、Pb2+ (H+) Cu2+ 、

6、Fe3+ 、 Hg2+ 、 Ag+. 得得e e能力依次能力依次增強增強除除AuAu、PtPt外的金屬做電極放電能力外的金屬做電極放電能力陰離子。即：陰離子。即：失失e e 能力依次能力依次減弱減弱 K 、Ca 、 Na Cu 、 Hg 、 Ag S2、I 、 Br 、 Cl 、OH 、 NO3 、SO4 22022-2-69/33（4 4）電鍍過程三個步驟）電鍍過程三個步驟液相傳質(zhì)：液相傳質(zhì)：金屬的水合離子或絡離子從溶液金屬的水合離子或絡離子從溶液內(nèi)部遷移到陰極表面；內(nèi)部遷移到陰極表面；電化學還原：電化學還原：前置轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移前置轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移 金屬離子在進行電化學還原前，其主要存在形式在

7、陰極附近金屬離子在進行電化學還原前，其主要存在形式在陰極附近或表面發(fā)生化學轉(zhuǎn)化，或表面發(fā)生化學轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c電極反應的形式轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c電極反應的形式，該過程為前，該過程為前置轉(zhuǎn)換；置轉(zhuǎn)換； 然后金屬離子再以此形式在陰極表面得到電子，還原為金屬然后金屬離子再以此形式在陰極表面得到電子，還原為金屬原子，稱電荷轉(zhuǎn)移。原子，稱電荷轉(zhuǎn)移。電結(jié)晶：電結(jié)晶：晶核的形成和生長晶核的形成和生長2022-2-610/33（5 5）影響電鍍層質(zhì)量的基本因素）影響電鍍層質(zhì)量的基本因素鍍層金屬的本性鍍層金屬的本性鍍液鍍液 各種成分及濃度各種成分及濃度電鍍規(guī)范電鍍規(guī)范 電流密度、波形、溫度及攪拌等電流密度、波形、溫度及攪

8、拌等pH值及析氫值及析氫基體金屬及表面質(zhì)量基體金屬及表面質(zhì)量前處理前處理 精整和清理精整和清理潔凈、活性的晶體表面潔凈、活性的晶體表面 2022-2-611/33l 鍍鋅鍍鋅l 鍍銅鍍銅l 鍍鎳鍍鎳l 鍍鉻鍍鉻l 鍍錫鍍錫l 鍍銀鍍銀l 鍍金鍍金常用單金屬電鍍常用單金屬電鍍2022-2-612/335.2 5.2 合金電鍍合金電鍍n電鍍合金始于電鍍合金始于1835183518451845年。年。n2020世紀世紀2020年代起還很少應用于工業(yè)。年代起還很少應用于工業(yè)。n目前目前230230多種電鍍合金體系，應用約有多種電鍍合金體系，應用約有3030余種余種 例：黃銅例：黃銅, ,白銅白銅,Zn

9、-Sn,Pb-Sn,Zn-Cd,Ni-Co,Zn-Sn,Pb-Sn,Zn-Cd,Ni-Co Ni-Sn, Cu-Sn Ni-Sn, Cu-Sn-Zn-Zn定義：兩種或兩種以上的元素共沉積所形成的定義：兩種或兩種以上的元素共沉積所形成的鍍層為合金電鍍。鍍層為合金電鍍。2022-2-613/33（1 1）合金共沉積的條件）合金共沉積的條件兩種金屬中至少有一種金屬能從其鹽的水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。溶液中沉積出來。共沉積的兩種金屬的沉積電位必須十分接共沉積的兩種金屬的沉積電位必須十分接近。近。2022-2-614/33（2 2）實現(xiàn)共沉積的方法）實現(xiàn)共沉積的方法 改變鍍液

10、中金屬離子的濃度比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，使其電位負移，降低較貴金屬離子濃度，使其電位負移，使兩者的電使兩者的電位接近位接近。 采用適當?shù)呐浜蟿┎捎眠m當?shù)呐浜蟿?使平衡電位相差大的金屬離子實現(xiàn)共沉積的最有使平衡電位相差大的金屬離子實現(xiàn)共沉積的最有效方法。效方法。 采用特定的添加劑采用特定的添加劑 某種添加劑可能對某些金屬沉積起作用，使之實現(xiàn)某種添加劑可能對某些金屬沉積起作用，使之實現(xiàn)共沉積。共沉積。2022-2-615/33（3 3）合金電鍍的特點）合金電鍍的特點與熱冶金合金相比，主要

11、特點：與熱冶金合金相比，主要特點： 容易獲得容易獲得高熔點與低熔點高熔點與低熔點金屬組成的合金，如金屬組成的合金，如Sn-Ni。 可獲得熱熔可獲得熱熔相圖沒有相圖沒有的合金的合金,-銅錫合金。銅錫合金。 容易獲得組織致密、性能優(yōu)異的容易獲得組織致密、性能優(yōu)異的非晶態(tài)非晶態(tài)合金，如合金，如Ni-P。 在相同合金成分下，電鍍合金與熱熔合金比，在相同合金成分下，電鍍合金與熱熔合金比，硬度高硬度高，延展性差。延展性差。2022-2-616/33與單金屬鍍層相比，主要特點：與單金屬鍍層相比，主要特點： 合金鍍層結(jié)晶更細致，鍍層更平整、光亮。合金鍍層結(jié)晶更細致，鍍層更平整、光亮。 可以獲得非晶結(jié)構(gòu)鍍層，如

12、可以獲得非晶結(jié)構(gòu)鍍層，如 Ni-PNi-P鍍層。鍍層。 合金鍍層具有單金屬所沒有的特殊物理性能。合金鍍層具有單金屬所沒有的特殊物理性能。 合金鍍層可具備比組成它們的單金屬層更耐磨、耐蝕、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，并有更高硬度和強度。更耐高溫，并有更高硬度和強度。 不能從水溶液中單獨電沉積的不能從水溶液中單獨電沉積的W W，MoMo，TiTi，V V等金屬可等金屬可與鐵族元素（與鐵族元素（FeFe，CoCo，NiNi）共沉積形成合金。）共沉積形成合金。 通過成分設計和工藝控制，可得到不同色調(diào)的合金鍍通過成分設計和工藝控制，可得到不同色調(diào)的合金鍍層，具有更好的裝飾效

13、果。層，具有更好的裝飾效果。2022-2-617/335.3 5.3 復合鍍復合鍍定義：將固體微粒子加入鍍液中與金屬或合金定義：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合材料的過共沉積，形成一種金屬基的表面復合材料的過程，又稱分散鍍或彌散鍍。程，又稱分散鍍或彌散鍍。固體微粒：固體微粒：金屬氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等金屬氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等尼龍、聚四氟乙烯、聚氯乙烯尼龍、聚四氟乙烯、聚氯乙烯石墨以及不溶于鍍液的金屬粉末。石墨以及不溶于鍍液的金屬粉末。特殊功能：特殊功能：大大擴大了鍍層的應用范圍和效果。大大擴大了鍍層的應用范圍和效果?？捎秒婂兎ê突瘜W鍍法獲

14、得，近年都在蓬勃發(fā)展?？捎秒婂兎ê突瘜W鍍法獲得，近年都在蓬勃發(fā)展。2022-2-618/335.4 5.4 電刷鍍電刷鍍 定義：電鍍的一種特殊方式，不用鍍槽，只需在定義：電鍍的一種特殊方式，不用鍍槽，只需在不斷供應電解液的條件下，用一支鍍筆在工件表不斷供應電解液的條件下，用一支鍍筆在工件表面上進行擦拭，從而獲得電鍍層。面上進行擦拭，從而獲得電鍍層。又叫選擇電鍍、無槽電鍍、涂鍍、筆鍍、擦鍍等2022-2-619/33（1 1）原理與特點）原理與特點 l原理同電鍍原理同電鍍電沉積過程電沉積過程l供電鍍液供電鍍液+ +鍍筆鍍筆+ +擦試擦試電鍍層電鍍層2022-2-620/33（1 1）設備簡單、工

15、藝靈活、操作方便，可以在現(xiàn)場作業(yè)。）設備簡單、工藝靈活、操作方便，可以在現(xiàn)場作業(yè)。（2 2）可以局部電鍍。）可以局部電鍍。（3 3）鍍層種類多，結(jié)合強度高。）鍍層種類多，結(jié)合強度高。（4 4）沉積速度快，生產(chǎn)效率高。槽鍍的）沉積速度快，生產(chǎn)效率高。槽鍍的10101515倍。倍。 耗電量幾十分之一。耗電量幾十分之一。（5 5）操作安全，對環(huán)境污染小。）操作安全，對環(huán)境污染小。（6 6）勞動強度大，消耗陽極包纏材料。）勞動強度大，消耗陽極包纏材料。特點：特點：2022-2-621/33（2 2）電刷鍍設備）電刷鍍設備專用直流電源、鍍筆及供液、集液裝置專用直流電源、鍍筆及供液、集液裝置專用直流電源專

16、用直流電源 030V， 0150A鍍筆：陽極、絕緣手柄、散熱裝置鍍筆：陽極、絕緣手柄、散熱裝置2022-2-622/33（3 3）刷鍍?nèi)芤海┧㈠內(nèi)芤航饘匐x子含量高、導電性好、性能穩(wěn)定、分散覆蓋能力好金屬離子含量高、導電性好、性能穩(wěn)定、分散覆蓋能力好1)1)刷鍍?nèi)芤旱姆N類刷鍍?nèi)芤旱姆N類 預處理溶液預處理溶液: : 預處理溶液可分為電凈液和活化液兩類預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。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?；罨海河糜谌コ饘俦砻娴难趸ず推趯印?電鍍?nèi)芤弘婂內(nèi)芤? : 單金屬電鍍液和合金電鍍液。單金屬電鍍液和

17、合金電鍍液。 退鍍?nèi)芤和隋內(nèi)芤? : 可把舊鍍層或不合格的鍍層去掉。可把舊鍍層或不合格的鍍層去掉。 鈍化液鈍化液2022-2-623/332)2)刷鍍?nèi)芤旱奶匦运㈠內(nèi)芤旱奶匦?金屬離子的含量較高。金屬離子的含量較高。 鍍液的溫度范圍比較寬。鍍液的溫度范圍比較寬。 鍍液的性質(zhì)比較穩(wěn)定。鍍液的性質(zhì)比較穩(wěn)定。 均鍍能力和深鍍能力較好。均鍍能力和深鍍能力較好。 鍍液的毒性與腐蝕性較小。鍍液的毒性與腐蝕性較小。2022-2-624/33（4 4）刷鍍工藝）刷鍍工藝鍍前預處理鍍前預處理 表面整修、清理、電凈、活化表面整修、清理、電凈、活化鍍件刷鍍鍍件刷鍍 刷鍍打底層、工作層刷鍍打底層、工作層鍍后處理鍍后處

18、理 清除殘積物及防護方法清除殘積物及防護方法2022-2-625/33（5 5）應用）應用 n刷鍍技術(shù)設備簡單，操作容易，鍍層結(jié)合牢固，刷鍍技術(shù)設備簡單，操作容易，鍍層結(jié)合牢固，經(jīng)濟效益顯著經(jīng)濟效益顯著n機械行業(yè)、電力、電子、化工、紡織等部門機械行業(yè)、電力、電子、化工、紡織等部門n機械設備的維修，改善零部件的表面理化性能機械設備的維修，改善零部件的表面理化性能n沉積的厚度小于沉積的厚度小于0.2 mm，采用刷鍍比其它維，采用刷鍍比其它維修方法經(jīng)濟修方法經(jīng)濟2022-2-626/335.5 5.5 化學鍍化學鍍（自催化鍍、無電解鍍）（自催化鍍、無電解鍍）定義：定義：在沒有外電流通過的情況下，利用

19、化學方法使溶液中在沒有外電流通過的情況下，利用化學方法使溶液中的金屬離子還原為金屬，并沉積在基體表面，形成鍍的金屬離子還原為金屬，并沉積在基體表面，形成鍍層。層。（1 1）原理與特點）原理與特點Mn+通過液相中的還原劑通過液相中的還原劑R在材料表面上還原沉積在材料表面上還原沉積關(guān)鍵：還原劑的選擇和使用關(guān)鍵：還原劑的選擇和使用 一般次磷酸鹽和甲醛、硼氫化物一般次磷酸鹽和甲醛、硼氫化物實質(zhì)：實質(zhì)：無外加電場的電化學過程無外加電場的電化學過程 Mn+neM2022-2-627/33特點（與電鍍比較）特點（與電鍍比較） 不需外電源驅(qū)動不需外電源驅(qū)動； 均鍍能力好均鍍能力好，形狀復雜，有內(nèi)孔、內(nèi)腔的鍍，形狀復雜，有內(nèi)孔、內(nèi)腔的鍍件均可獲得均勻的鍍層；件均可獲得均勻的鍍層； 孔隙率低孔隙率低； 鍍液鍍液通過維護、調(diào)整通過維護、調(diào)整可反復使用可反復使用，但使用周，但使用周期是有限的；期是有限的； 可在金屬、非金屬以及有機