第9章非金屬材料電鍍(1)

1、第一節(jié) 概述第二節(jié) 鍍前處理第三節(jié) 化學(xué)鍍 非金屬表面金屬化后，可以獲得導(dǎo)電、導(dǎo)磁、耐磨、抗老化、耐熱、可焊接等性能和不同色澤的金屬外觀，從而使非金屬材料的裝飾性和功能性增強(qiáng)、使用范圍拓寬。近年來(lái)非金屬材料電鍍作為一種成熟的表面處理技術(shù)，已在從日用品、家用電器到高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國(guó)防工業(yè)的眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述非金屬表面金屬化的方法有非金屬表面金屬化的方法有噴鍍、電鍍(包括化學(xué)鍍)、直空蒸鍍、陰極濺射或離子鍍等多種工藝?？梢杂卸喾N前處理方法使非金屬表面形成金屬化導(dǎo)電層，如噴涂、浸掛、氣相沉積、銀和燒滲等等。應(yīng)用最廣泛的是化學(xué)鍍。它通常包括以下幾個(gè)工序：消除應(yīng)力、除油、粗化

2、、敏化、活化、化學(xué)鍍。 由于非金屬材料通常是不導(dǎo)電的，無(wú)法直接用電沉積方法沉積金屬層，因而進(jìn)行非金屬電鍍的前提是使工件表面獲得一定的導(dǎo)電性，以及如何使鍍層與金屬基體有良好的結(jié)合力，所以，鍍前預(yù)處理成為整個(gè)電鍍工藝的關(guān)鍵。第二節(jié)第二節(jié) 鍍前處理鍍前處理2.1 消除應(yīng)力消除應(yīng)力 消除應(yīng)力工序主要針對(duì)塑料制品而言。當(dāng)設(shè)計(jì)不合理或加工成型不當(dāng)時(shí)，塑料制品會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從面使鍍層結(jié)合力下降、開(kāi)裂、以至脫落，因此塑料制品在電鍍前應(yīng)先消除內(nèi)應(yīng)力。 生產(chǎn)中多用極性溶劑浸泡法檢查塑料制品是否存在內(nèi)應(yīng)力。即將塑料制品在極性溶劑中浸泡2min5min后取出，觀察其麥面是否出現(xiàn)細(xì)微裂紋。以裂紋的出現(xiàn)表征內(nèi)應(yīng)力的存在，

3、裂紋越多越粗，內(nèi)應(yīng)力越大。表10-1列出了一些常用塑料的檢驗(yàn)溶劑。 表表91 某些常用塑料的內(nèi)應(yīng)力檢驗(yàn)溶劑某些常用塑料的內(nèi)應(yīng)力檢驗(yàn)溶劑材材 料料檢檢 驗(yàn)驗(yàn) 溶溶 劑劑有機(jī)玻璃沸水苯乙烯及其共聚物冰醋酸、煤油聚酰胺(尼龍66、尼龍1016等)正庚烷聚碳酸酯、聚砜、聚苯醚等四氯化碳ABS塑料(1)冰醋酸(2)甲基乙基酮和丙酮的混合溶劑2.2 除油除油 除油的目的是清除制品表面在模壓、存放和運(yùn)輸過(guò)程中殘留的脫模劑和油污，以保證非金屬制品能在下一個(gè)工序中均勻地進(jìn)行表面粗化。 非金屬材料的除油與金屬一樣，可用有機(jī)溶劑或堿性除油溶液除油。采用的有機(jī)溶劑應(yīng)對(duì)非金屬材料無(wú)破壞作用，不發(fā)生溶解、溶脹、銀紋和龜裂

4、、氧化等現(xiàn)象。生產(chǎn)中常用的有乙醇、丙酮、甲醇、三氯乙烯等。采用的堿性除油液應(yīng)含有起潤(rùn)濕、緩蝕等作用的表面活性劑、溶液溫度不能超過(guò)塑料粘流化溫度，即不能使塑料發(fā)生塑性變形。生產(chǎn)中為方便起見(jiàn)，對(duì)塑料制品常選用鋼鐵件除油液，在5070 的溫度下使用。表9-2出了一些常用的除油工藝。 表表9-2 非金屬材料除油工藝非金屬材料除油工藝成成 分分 及及 操操 作作 條條 件件配配 方方123氫氧化鈉 NaOH/gL-1碳酸鈉 Na2CO3/gL-1磷酸鈉 Na3PO4/gL-1焦磷酸鉀 K4P2O7 /gL-1OP乳化劑 /gL-1海鷗洗滌劑 /mLL-1十二烷基磺酸鈉 /gL-1溫度 /時(shí)間 /min2

5、03030402030135555303030301505510303050516070352.3 表面粗化表面粗化 粗化的目的是提高零件表面的親水性和形成適當(dāng)?shù)拇植诙?，以保證鍍層有良好的結(jié)合力。它是決定鍍層結(jié)合力的關(guān)鍵工序。由于粗化是針對(duì)光滑而憎水的表面工序，故生產(chǎn)中主要應(yīng)用于塑料制品。 粗化方法主要有機(jī)械粗化、化學(xué)粗化和有機(jī)溶劑粗化粗化方法主要有機(jī)械粗化、化學(xué)粗化和有機(jī)溶劑粗化。就提高鍍層結(jié)合力而言，粗化效果為；化學(xué)粗化有機(jī)溶劑粗化機(jī)械粗化。在工業(yè)生產(chǎn)中，要根據(jù)材料特點(diǎn)和生產(chǎn)條件選擇適當(dāng)?shù)拇只椒?，有時(shí)也可采用幾種方法的組合。近年來(lái)，用量最大的ABS塑料已不采用機(jī)械粗化和有機(jī)溶劑粗化。 非

6、金屬材料種類繁多，其電鍍工藝也有所區(qū)別，但主要區(qū)別在于前處理中的粗化工藝不同。因此，以目前應(yīng)用最多的ABS塑料為例介紹粗化工藝，同時(shí)適當(dāng)給出其他非金屬的粗化工藝。 2.3 敏化敏化 敏化是繼粗化之后又一重要工序。敏化處理是使非金屬表面吸附一層容易氧化的物質(zhì)，以便在活化處理時(shí)被氧化，在制品表面上形成“催化膜”。 常用的敏化劑為二價(jià)錫鹽和三價(jià)鈦鹽。一般采用二氯化錫的酸性溶液或二價(jià)錫的絡(luò)合堿性溶液。表93 敏化溶液組成及工藝條件組成及工藝條件12345氯化亞錫三氯化鈦HClNaOH酒石酸鉀鈉金屬錫條溫度時(shí)間10100 1050 1根18253min10 40 1根18253min100 150170

7、1根18253min5050 607018253min10 100 6070 18253min2.5 活化活化 活化處理是用含有催化活性金屬如銀、鈀，鉑、金等的化合物溶液，對(duì)經(jīng)過(guò)敏化處理的工件表面進(jìn)行再次處理的過(guò)程。其目的是為了在非金屬表面產(chǎn)生一層催化金屬層，作為化學(xué)鍍時(shí)氧化還原反應(yīng)的催化劑?；罨^(guò)程的實(shí)質(zhì)：敏化后的工件表面與含有貴金屬離子溶液相接觸時(shí)，這些貫金屬離子很快被二價(jià)錫離子還原成金屬微粒，使其緊緊附著在工件表面上。 其反應(yīng)為: 2Ag Sn2 Sn42Ag Pd2 Sn2 Sn4 Pd這些催化活性金屬微粒，是化學(xué)鍍的結(jié)晶中心，故活化又名“核化”。 3.1 概述概述 依賴電解液中的還原

8、劑將被鍍金屬離子在自催化表面還原為金屬原子并形成鍍層的過(guò)程叫化學(xué)鍍。 (1)化學(xué)鍍不使用電源，以還原劑與被鍍金屬離子的電位差為動(dòng)力，為了得到致密的鍍層，使用絡(luò)合劑阻滯還原過(guò)程，并形成一定程度的極化，同時(shí)也為了控制反應(yīng)速度。 (2)化學(xué)不存在分散能力的問(wèn)題，也不存在邊角效應(yīng)等電鍍中常出現(xiàn)的問(wèn)題，只要能與溶液接觸，就可獲得質(zhì)量一致的鍍層。 (3) 化學(xué)鍍?nèi)芤褐械倪€原劑與被鍍金屬離子需不斷補(bǔ)充。3.2 化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍鎳 化學(xué)鍍鎳可使用各種還原劑，如硼氫化鉀、次磷酸鈉等。目前工業(yè)應(yīng)用常選用次磷酸鈉。3.2.1化學(xué)鍍鎳液的配方組成化學(xué)鍍鎳液的配方組成 目前應(yīng)用廣泛的化學(xué)鍍鎳溶液，大致可分為酸性鍍液及堿性

9、鍍液兩種?；瘜W(xué)鍍鎳液的主要成分是可溶性鎳鹽、絡(luò)合物、還原劑、緩沖劑、促進(jìn)劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)濕劑及光亮劑等。(1)主鹽主鹽 化學(xué)鍍鎳液的主鹽是提供金屬鎳離子的可溶性鎳鹽，在化學(xué)還原反應(yīng)中是氧化劑的角色，可供采用的有硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳、氨基磺酸鎳、次磷酸鎳等。由于成本的原因，大多數(shù)選用硫酸鎳作為主鹽。 有足夠的主鹽，可以維持比較高的沉積速度保證鎳離子的 充 分 補(bǔ) 給 ， 但 也 不 能 太 多 ， 大 約 在 鎳 含 量 6 g / L -10g/L(NiSO46H2O 在25g/L-45g/L)范圍比較合理。而且主鹽與絡(luò)合劑、主鹽與還厚劑的比例都有一個(gè)合理范圍。Ni2與H2PO2的摩爾比應(yīng)在0

10、.30.45之間(相當(dāng)于NiSO46H2O與NaH2PO2H2O的質(zhì)量比為1:1左右)。圖9-1 鎳離子濃度對(duì)沉積速度及磷含量的影響1-沉積速度，2-磷含量(2)還原劑還原劑 化學(xué)鍍鎳中，多數(shù)使用次磷酸鈉做為還原劑。它提供化學(xué)還原反應(yīng)中還原鎳離子所需要的電子。一般次磷酸鈉的含量為20g/L40g/L圖9-2次磷酸鈉濃度對(duì)沉積速度的影響（3） 絡(luò)合劑絡(luò)合劑 為了使鍍液穩(wěn)定及獲得性能良好的化學(xué)鍍鎳層，必須選擇適當(dāng)?shù)慕j(luò)合劑及確定合理的用量范圍。絡(luò)合劑的用量不僅與鍍液中鎳離子的濃度有關(guān)，也與該絡(luò)合物能夠與鎳形成的配位健的數(shù)目有關(guān)。 一般的配方組成中除了有一個(gè)主絡(luò)合劑之外，還配以其他的輔助絡(luò)合劑。不同種

11、類的絡(luò)合劑及絡(luò)合劑的使用量不同，對(duì)化學(xué)鍍鎳的沉積速度影響很大(見(jiàn)圖93)。圖圖93 不同絡(luò)合劑對(duì)沉積速度的影響不同絡(luò)合劑對(duì)沉積速度的影響乳酸羥基乙酸甘氨酸琥珀酸水楊酸鄰苯二酸NiCl26H2O 30g/LNaH2PO2H2O 10g/L 合理地選擇絡(luò)合劑及絡(luò)合劑用量可以在同樣條件下，下得到更高的鍍層沉積速度。另外恰當(dāng)?shù)倪x擇絡(luò)合體系，也是鍍液穩(wěn)定及鍍液延長(zhǎng)壽命的先決條件。 隨著化學(xué)鍍鎳液工作時(shí)間的延長(zhǎng)，還原劑的分解產(chǎn)物亞磷酸根不斷累積，很容易產(chǎn)生亞磷酸鎳的白色沉淀(NiHPO37H2O)。絡(luò)合劑可以抑制亞磷酸鎳的沉淀，提高鍍液對(duì)亞磷酸根的容忍量。（4 4）緩沖劑）緩沖劑 化學(xué)鍍鎳的過(guò)程中除了有鎳

12、和磷的析出之外，還有氫離子的產(chǎn)生，鍍液的pH值會(huì)不斷降低，這不但使沉積速度放慢，也會(huì)對(duì)鍍層含磷量產(chǎn)生影響，因此，在化學(xué)鍍鎳溶液中必須加入緩沖劑。一般弱酸及弱酸鹽或多元弱酸都可能形成一個(gè)理沖體系。（5）穩(wěn)定劑）穩(wěn)定劑 盡管一個(gè)良好的絡(luò)合劑體系，已經(jīng)保證了化學(xué)鍍鎳液的穩(wěn)定性，但是往往由于在鍍液工作過(guò)程中，其他不規(guī)范的操作因素，如局部過(guò)熱(加熱方式不當(dāng))，局部pH值過(guò)高(調(diào)整補(bǔ)充不當(dāng))，其他活化物的進(jìn)入或形成(鍍液被污染或缺乏足夠的連續(xù)過(guò)濾)等都會(huì)觸發(fā)自催化的還原反應(yīng)在這個(gè)局部地區(qū)激烈進(jìn)行，進(jìn)而迅速蔓延，致使整個(gè)鍍液自發(fā)分解。因而必須加入穩(wěn)定劑。 穩(wěn)定劑可以是某些重金屬離子(如Pb2、Sn2、Cd2等)，也可以是某些含氧酸根(如AsO2、IO3、BrO3、MoO42等)，也可以是含疏的化學(xué)物(如硫脲、硫代硫酸鹽、硫氰酸鹽等)，或某些不飽和有機(jī)酸(如馬來(lái)酸，甲叉丁二酸等)。 穩(wěn)定劑可以在一定程度上阻止鍍液自發(fā)分解的發(fā)生。但如果穩(wěn)定劑過(guò)量，則會(huì)成為鍍液的毒化劑，使鍍液不能起鍍。表94 穩(wěn)定劑對(duì)化學(xué)鍍鎳液的作用穩(wěn)定劑含量/mgL沉積速度m /hPbCl2試驗(yàn)時(shí)間/s空白Pb2+KIO3順丁烯二酸反丁烯二酸012010010016816131563288無(wú)限160143（6）促進(jìn)劑）促進(jìn)劑 在化學(xué)鍍鎳液中能提高鎳沉積速度的成分稱為促進(jìn)劑。它的作用機(jī)理是