電鍍工(中級(jí))1-第一章課件

1、第一章 電化學(xué)基礎(chǔ)第一章 電化學(xué)基礎(chǔ) 主要掌握導(dǎo)體的分類、法拉第定律、電鍍電流、鍍層厚度、時(shí)間的基本概念和計(jì)算。了解電鍍?nèi)芤航M成、電鍍規(guī)范對(duì)電沉積過程的影響，理解電鍍過程中的電極電位、原電池理論并能將這些理論應(yīng)用到提高鍍層防腐能力等問題中去。第一章 電化學(xué)基礎(chǔ) 主要掌握導(dǎo)體的分類、法拉第定律、電鍍電流、鍍層厚度、第一節(jié)電鍍的基本定律一、法拉第定律導(dǎo)體按導(dǎo)電方式可分為如下兩類導(dǎo)體：依靠電子運(yùn)動(dòng)來傳導(dǎo)電流的導(dǎo)體，稱為第一類導(dǎo)體；依靠離子移動(dòng)來傳導(dǎo)電流的導(dǎo)體，稱為第二類導(dǎo)體。電解質(zhì)在水中發(fā)生如下電離反應(yīng)：1)在兩電極和外電路中，有自由電子沿著一定的方向移動(dòng)。2.電化學(xué)反應(yīng)1.兩類導(dǎo)體與電極反應(yīng)第一節(jié)

2、電鍍的基本定律一、法拉第定律導(dǎo)體按導(dǎo)電方式可2)在鍍液中，有陰離子和陽離子分別沿著相反的方向移動(dòng)。3)在電極與鍍液這兩類導(dǎo)體界面間有得失電子的電極反應(yīng)發(fā)生。作為電鍍工人必須掌握電極反應(yīng)的規(guī)律才能搞好生產(chǎn)。3.法拉第定律(電解定律)第一節(jié)電鍍的基本定律2)在鍍液中，有陰離子和陽離子分別沿著相反的方向移動(dòng)。3)(1)法拉第第一定律電解時(shí)，電極上所形成的產(chǎn)物m(析出或溶解的物質(zhì))的質(zhì)量與電流I和通電時(shí)間t成正比，也就是與通過的電荷量成正比。m=kIt=kQ（11）(2)法拉第第二定律電極上每析出(或溶解)1mol質(zhì)量的任何物質(zhì)，所需要的電荷量為96500C或26.8Ah。對(duì)于變價(jià)元素，因不同價(jià)態(tài)有不

3、同的摩爾質(zhì)量數(shù)值，所以它的電化摩爾質(zhì)量也不同。第一節(jié)電鍍的基本定律(1)法拉第第一定律電解時(shí)，電極上所形成的產(chǎn)物m(析出或溶表1-1常用金屬的電化摩爾質(zhì)量第一節(jié)電鍍的基本定律表1-1常用金屬的電化摩爾質(zhì)量第一節(jié)電鍍的基本定律1)通電時(shí)間越長(zhǎng)，鍍層厚度越厚。2)通電電流越大，鍍層厚度越厚。3)不同鍍種通過同樣的電流、時(shí)間，鍍層厚度是不同的。二、電流效率與電導(dǎo)根據(jù)法拉第定律，電鍍時(shí)在陰極上通過9600C或268Ah的電荷量就應(yīng)該獲得1mol質(zhì)量的金屬鍍層。1.電流效率第一節(jié)電鍍的基本定律2.電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)1)通電時(shí)間越長(zhǎng)，鍍層厚度越厚。2)通電電流越大，鍍層厚度電流通過任何導(dǎo)體時(shí)都會(huì)遇到一定的阻

4、力，這種阻力稱為電阻，用R來表示。(1)電解質(zhì)的本性不同的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率各不相同。(2)電解質(zhì)溶液的濃度在溶液中，電解質(zhì)濃度增大時(shí)，單位體積中離子數(shù)目增多，電導(dǎo)率應(yīng)當(dāng)增大；但是由于溶液中的離子彼此之間存在著一定的相互作用力，濃度的增大會(huì)引起離子間的吸引力增強(qiáng)，阻礙離子的運(yùn)動(dòng)，電導(dǎo)率又應(yīng)當(dāng)減小。(3)電解質(zhì)溶液的溫度溶液溫度升高，則溶液粘度減小，使離子的移動(dòng)速度加快，電導(dǎo)率隨之增大。第一節(jié)電鍍的基本定律電流通過任何導(dǎo)體時(shí)都會(huì)遇到一定的阻力，這種阻力稱為電阻，在電鍍中，提高鍍液的電導(dǎo)率，對(duì)于節(jié)約電能和改善鍍液的分散能力均有著重要的意義。三、電鍍電流、鍍層厚度的基本計(jì)算在電鍍槽液的濃度、溫度一定

5、的情況下，主要是控制電流密度和電鍍時(shí)間，來保證鍍層質(zhì)量和鍍層厚度。例某圓柱形零件的直徑為100mm，高為200mm，共有8件須同時(shí)入槽電鍍，當(dāng)電流密度為3A/dm2時(shí)，應(yīng)采用多大電流？第一節(jié)電鍍的基本定律在電鍍中，提高鍍液的電導(dǎo)率，對(duì)于節(jié)約電能和改善鍍液的分散解S=8(r2+2rh)=8(23.140.52+3.14.52)dm2=62.8dm2I=SK=628dm23A/dm2=1884A例2工件鍍前外徑尺寸為10mm，鍍層厚度為48m時(shí)，問鍍后工件尺寸在什么范圍內(nèi)合格？解鍍后工件最大尺寸(100.008)mm=10.016mm鍍后工件最小尺寸（022+0004）mm=9986mm10.01

6、6mm-10mm=0.016mm答鍍后工件外徑尺寸016是合格的。第一節(jié)電鍍的基本定律解S=8(r2+2rh)=8(23.140.5例3鍍鎳的電流密度為1.5A/dm2，經(jīng)過電鍍40min后，鍍層的厚度為12m，求鍍液的電流效率為多少。(鎳的密度為8.8g/cm3,鎳的電化摩爾質(zhì)量為1.095g/Ah)?解=(/100)/(tkk)100%=(12m8.8g/cm3/100)/1.5A/dm240/60h1.095g/(Ah)100%=96.44%答電流效率為9644%。例4某鍍鎳槽中硫酸鎳的含量要求為300g/L，而實(shí)測(cè)為240g/L，當(dāng)鍍槽的有效尺寸為1200mm800mm800mm(長(zhǎng)寬

7、高)，問需要NiSO47H2O多少千克(相對(duì)原子質(zhì)量：Ni=59，S=32，O=16，H=1)？解設(shè)需要純硫酸鎳x千克。x=601288/1000kg=4608kg第一節(jié)電鍍的基本定律例3鍍鎳的電流密度為1.5A/dm2，經(jīng)過電鍍40min后第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)一、電極電勢(shì)原電池分為可逆電池和不可逆電池，熱力學(xué)中所涉及的原電池均為可逆電池，可逆電池必須具備的條件是： 1)電池中的化學(xué)變化是可逆的，即物質(zhì)的變化是可逆的。2)電池中能量的轉(zhuǎn)換是可逆的，即電能和化學(xué)能不轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹?，因電池工作時(shí)放出的能量再對(duì)電池充電，電池體系和環(huán)境都能恢復(fù)到原來狀態(tài)。1.原電池的分類第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)一、電極

8、電勢(shì)原電池分為可逆電池?zé)崃W(xué)可逆過程是一種理想過程，即電極上通過的電流無限小或電極反應(yīng)進(jìn)行得無限緩慢時(shí)電池的能量轉(zhuǎn)換才是可逆的。在電池中沒有電流通過時(shí)，原電池兩個(gè)電極之間的電勢(shì)差，稱為電池的電動(dòng)勢(shì)，用符號(hào)E表示。二、平衡電極電勢(shì)電極是電池的組成部分，它由一連串相互接觸的導(dǎo)體構(gòu)成，其一端為電子導(dǎo)體相（金屬或半導(dǎo)體），另一端為離子導(dǎo)體相（電解質(zhì)或溶液），在相界面上有電荷轉(zhuǎn)移。2.電池的電動(dòng)勢(shì)第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)熱力學(xué)可逆過程是一種理想過程，即電極上通過的電流無限小或三、非平衡電極電勢(shì)第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)三、非平衡電極電勢(shì)第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)圖1-1穩(wěn)定電勢(shì)建立的示意圖第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)圖1-1穩(wěn)

9、定電勢(shì)建立的示意圖第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)表1-2某些金屬在氯化鈉溶液中的電極電勢(shì)(25)四、電鍍常用材料第二節(jié)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)表1-2某些金屬在氯化鈉溶液中的電極電勢(shì)(25)四、電鍍第三節(jié)電化學(xué)極化一、電極極化平衡電極電勢(shì)是指在沒有電流通過電極時(shí)的電極電勢(shì)。2.通電時(shí)電極產(chǎn)生極化的原因1.電極的極化現(xiàn)象第三節(jié)電化學(xué)極化一、電極極化平衡電極電勢(shì)是指在沒有這是由于電極反應(yīng)過程中一連串步驟中某一步驟速度緩慢所引起的，以金屬離子在電極上還原為金屬的陰極反應(yīng)過程為例，必須經(jīng)過下列三個(gè)連接的步驟：1)金屬水化離子由溶液內(nèi)部移動(dòng)到陰極界面處。2)金屬水化離子脫水并與陰極電子反應(yīng)，生成金屬原子。3)金屬原子排列成

10、一定構(gòu)型的金屬晶體。這三個(gè)步驟是連續(xù)進(jìn)行的，但其中各個(gè)步驟的速度各不相同，因此整個(gè)電極反應(yīng)的速度是由最慢的那個(gè)步驟來控制。第三節(jié)電化學(xué)極化這是由于電極反應(yīng)過程中一連串步驟中某一步驟速度緩慢所引起圖1-2陰極極化曲線二、濃差極化第三節(jié)電化學(xué)極化圖1-2陰極極化曲線二、濃差極化第三節(jié)電化學(xué)極化在電極過程中，反應(yīng)粒子自溶液內(nèi)部向電極表面?zhèn)魉偷膯卧襟E，稱為液相傳質(zhì)步驟。液相傳質(zhì)過程可以由電遷移、對(duì)流和擴(kuò)散等三種方式來完成。(1)電遷移這是液相中荷電粒子在電場(chǎng)作用下向電極遷移的一種傳質(zhì)過程。在電解質(zhì)溶液中,除參加電極反應(yīng)的荷電粒子外，通常還存在大量不參加電極反應(yīng)的電解質(zhì)。(2)對(duì)流對(duì)流傳質(zhì)是指反應(yīng)粒子

11、隨著溶液流動(dòng)而傳送的過程。1.液相中離子的傳質(zhì)過程第三節(jié)電化學(xué)極化在電極過程中，反應(yīng)粒子自溶液內(nèi)部向電極表面?zhèn)魉偷膯卧襟E(3)擴(kuò)散在靜止溶液中，其中某一組分存在著濃度梯度，則該組分將由高濃度部位向低濃度部位傳送，這種傳質(zhì)方式稱為擴(kuò)散。當(dāng)電極過程由液相傳質(zhì)步驟控制時(shí)，過程的不可逆僅出現(xiàn)在液相中，電子轉(zhuǎn)移步驟基本上處于平衡狀態(tài)。三、電化學(xué)極化陰極反應(yīng)過程的一連串連續(xù)步驟中的電化學(xué)步驟進(jìn)行的緩慢所導(dǎo)致電極電勢(shì)的變化，稱為電化學(xué)極化。2.傳質(zhì)步驟控制時(shí)的極化特征第三節(jié)電化學(xué)極化(3)擴(kuò)散在靜止溶液中，其中某一組分存在著濃度梯度，則該組應(yīng)該指出，不論電極上是離子從溶液中通過還原反應(yīng)進(jìn)入電極，或金屬通過

12、氧化反應(yīng)成為離子進(jìn)入溶液，都必須克服一定的勢(shì)壘（活化能）才能實(shí)現(xiàn)。電化學(xué)步驟控制取決于外電流密度和交換電流密度的相對(duì)大小。在實(shí)際的電極過程中，電化學(xué)極化或濃差極化單獨(dú)存在時(shí)情況是較少的。四、氫超電勢(shì)1.電極電勢(shì)對(duì)陰極還原反應(yīng)速度的影響2.電化學(xué)步驟控制時(shí)的極化特征3.傳質(zhì)步驟與電化學(xué)步驟聯(lián)合控制時(shí)的極化特征第三節(jié)電化學(xué)極化應(yīng)該指出，不論電極上是離子從溶液中通過還原反應(yīng)進(jìn)入電極氫超電勢(shì)是指在一定電流密度下，陰極析出氫氣時(shí)的電極電勢(shì)與其平衡電勢(shì)的差值。五、電鍍時(shí)電極過程的分析(1)金屬陽極過程的特點(diǎn)金屬的陽極過程是指金屬作為反應(yīng)物發(fā)生氧化反應(yīng)的電極過程。(2)金屬的鈍化如果將鐵片浸入不同濃度的硝酸

13、溶液中，觀察它在室溫時(shí)溶解速度與硝酸濃度的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)其溶解速度并不總是隨著濃度增加而增大，當(dāng)達(dá)到一定的硝酸濃度時(shí)，鐵的溶解速度急劇下降；再增大硝酸濃度，鐵的溶解速度仍然很低。1.金屬的陽極過程第三節(jié)電化學(xué)極化氫超電勢(shì)是指在一定電流密度下，陰極析出氫氣時(shí)的電極電勢(shì)與金屬鈍化現(xiàn)象是非常普遍的。1)薄膜理論：這種理論認(rèn)為鈍化狀態(tài)是由于金屬表面生成一層很薄的保護(hù)膜，從而使金屬與介質(zhì)隔開；或者是金屬陽極溶解時(shí)在金屬表面形成完整的固體產(chǎn)物薄膜，使電極反應(yīng)難以繼續(xù)進(jìn)行，從而金屬的溶解速度大大降低。2)吸附理論：這種理論是假設(shè)鈍化表面所產(chǎn)生的不是薄膜而僅是氧或含氧粒子的吸附層，吸附的氧使金屬表面的價(jià)鍵飽和

14、，失去原有的活性而發(fā)生鈍化。2.金屬的陰極過程第三節(jié)電化學(xué)極化金屬鈍化現(xiàn)象是非常普遍的。1)薄膜理論：這種理論認(rèn)為鈍(1)金屬沉積的可能性金屬離子在其水溶液中具有一定的平衡電勢(shì)，只要提供陰極以足夠的超電勢(shì)，即達(dá)到析出電勢(shì)時(shí)，金屬離子就有可能在陰極上還原和電沉積。元素周期表中越靠左邊的元素，在陰極上還原和電沉積的可能性越小，位于鉻分族左方的金屬元素如Li、Na、K、Be、Mg、Ca等，不能在陰極上電沉積。圖1-3水溶液中金屬沉積的可能性第三節(jié)電化學(xué)極化(1)金屬沉積的可能性金屬離子在其水溶液中具有一定的平衡電(2)單鹽鍍液中金屬離子的還原過程1)陰極表面液層中的金屬離子水化數(shù)降低或水化層重排。2

15、)部分失水的金屬離子得到電子而還原，由于二價(jià)離子同時(shí)得到兩個(gè)電子的機(jī)會(huì)很少，一般是分步進(jìn)行。3)吸附原子失去剩余水化層進(jìn)入金屬晶格。(3)絡(luò)合物鍍液中金屬離子的還原過程在絡(luò)合物鍍液中的金屬離子主要以絡(luò)離子形式存在，原來在單鹽鍍液中平衡電勢(shì)較高和交換電流較大的電極體系，在絡(luò)合物鍍液中變成電勢(shì)較低和交換電流較小的電極體系。第三節(jié)電化學(xué)極化(2)單鹽鍍液中金屬離子的還原過程1)陰極表面液層中的金屬1)鍍液中以主要形式存在的絡(luò)離子在陰極表面向低配位數(shù)絡(luò)離子轉(zhuǎn)化。2)中間絡(luò)合物在陰極上直接放電。(4)鍍層形成及生長(zhǎng)理論經(jīng)金屬離子放電以后進(jìn)入晶格形成晶體的過程稱為電結(jié)晶，也即電沉積時(shí)新相形成的過程。1)金

16、屬離子的放電位置：實(shí)際金屬表面上既有較完整的晶面，也存在著大量晶體缺陷，所以金屬離子在表面上各部位放電的幾率是不相同的，關(guān)于離子的放電位置及如何進(jìn)入晶格，有兩種不同的理論：直接轉(zhuǎn)移機(jī)理和表面擴(kuò)散機(jī)理。第三節(jié)電化學(xué)極化1)鍍液中以主要形式存在的絡(luò)離子在陰極表面向低配位數(shù)絡(luò)離子轉(zhuǎn)2)形核理論：早在20世紀(jì)20年代末就提出了形核理論。電結(jié)晶過程和其他結(jié)晶過程有著某些共同的規(guī)律：從液態(tài)金屬變成固態(tài)金屬需要過冷度；由鹽溶液結(jié)晶出鹽的晶體需要過飽和度；自電解質(zhì)溶液中電沉積金屬則需要超電勢(shì)。3)螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)理：實(shí)際金屬表面不可能是理想的完整晶面，總存在大量位錯(cuò)、空穴等缺陷，金屬電沉積時(shí)，晶面上的吸附原子可

17、以通過表面擴(kuò)散進(jìn)入位錯(cuò)的階梯邊緣，沿著位錯(cuò)線生長(zhǎng)。形核和螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)在實(shí)際情況下都可能存在。3.金屬的共沉積第三節(jié)電化學(xué)極化2)形核理論：早在20世紀(jì)20年代末就提出了形核理論。(1)金屬共沉積的基本條件在電解過程中，陰極上有兩種或兩種以上金屬同時(shí)沉積的過程，稱為金屬的共沉積。金屬共沉積的基本條件是兩種金屬的沉積電勢(shì)要十分接近，這是因?yàn)樵诠渤练e過程中，電勢(shì)較正的金屬總是優(yōu)先沉積，甚至可以完全排除電勢(shì)較負(fù)的金屬沉積析出。第三節(jié)電化學(xué)極化(1)金屬共沉積的基本條件在電解過程中，陰極上有兩種或兩種1)改變?nèi)芤褐械慕饘匐x子濃度:增大電勢(shì)較負(fù)金屬的離子濃度使其電勢(shì)正移，或降低電勢(shì)較正金屬的離子濃度使其電

18、勢(shì)負(fù)移，從而使兩者的電勢(shì)接近。2)選擇適當(dāng)?shù)慕j(luò)合劑：金屬絡(luò)離子能降低離子的有效濃度，使電勢(shì)較正金屬的平衡電勢(shì)負(fù)移，從而使電勢(shì)相差大的兩種金屬的平衡電勢(shì)接近。3)溶液中加入添加劑：添加劑對(duì)金屬平衡電勢(shì)的影響是不大的，而對(duì)金屬沉積的極化則往往有明顯的影響。(2)金屬共沉積的類型在研究金屬共沉積時(shí)，值得著重探討的是各個(gè)電解參數(shù)(溶液組成及工作條件)對(duì)所取得的合金沉積層的影響。第三節(jié)電化學(xué)極化1)改變?nèi)芤褐械慕饘匐x子濃度:增大電勢(shì)較負(fù)金屬的離子濃度使其1)正則共沉積：其特征是沉積過程基本上受擴(kuò)散控制。2)非正則共沉積：其特征是過程受擴(kuò)散控制的程度較小，主要控制因素是陰極電勢(shì)。3)平衡共沉積：當(dāng)兩金屬從

19、與其處于化學(xué)平衡的鍍液中共沉積時(shí)，這種過程稱為平衡共沉積。4)異常共沉積：其特征是電勢(shì)較負(fù)的金屬反而優(yōu)先沉積，與貴金屬電勢(shì)較正優(yōu)先沉積的一般規(guī)律相反。5)誘導(dǎo)共沉積：鉬、鎢等金屬不能自水溶液中單獨(dú)沉積，但可以與鐵族金屬實(shí)現(xiàn)共沉積，這種共沉積過程稱為誘導(dǎo)共沉積。前三種共沉積可統(tǒng)稱為常規(guī)共沉積。第三節(jié)電化學(xué)極化1)正則共沉積：其特征是沉積過程基本上受擴(kuò)散控制。2)非正第四節(jié)電鍍工藝的選擇一、鍍液的組成和類型鍍液是由多種成分組成，各成分起著各自的作用，而且相互間只有適當(dāng)?shù)慕M合才能夠取得良好的效果。(1)主鹽是指鍍液中含有沉積金屬的鹽類，如酸性鍍銅溶液中的CuSO4，鍍鎳溶液中的NiSO4，這些鹽類是

20、簡(jiǎn)單的金屬化合物；又如鋅酸鹽鍍鋅溶液中的鋅酸鈉(Na2ZnO)是絡(luò)合物，也稱絡(luò)鹽。(2)導(dǎo)電鹽是指能提高鍍液電導(dǎo)率的鹽類，導(dǎo)電鹽不參與電極反應(yīng)，如鍍鎳溶液中的Na2SO4等。1.鍍液的組成第四節(jié)電鍍工藝的選擇一、鍍液的組成和類型鍍液是由多(3)絡(luò)合劑能絡(luò)合主鹽中金屬離子的物質(zhì)稱為絡(luò)合劑。(4)緩沖劑在弱酸性或弱堿性鍍液中，能使其pH值在一定范圍內(nèi)維持基本恒定的物質(zhì)稱為緩沖劑。(5)陽極活化劑在電解時(shí)能降低陽極極化、促進(jìn)陽極溶解的物質(zhì)。(6)添加劑是指在鍍液中能明顯改善鍍液性能和鍍層質(zhì)量的少量物質(zhì)。1)光亮劑：是指能使鍍層光亮的添加劑。2)整平劑：是指在電鍍過程中能夠改善基體表面微觀平整性，以獲

21、得平整光滑鍍層的添加劑。第四節(jié)電鍍工藝的選擇(3)絡(luò)合劑能絡(luò)合主鹽中金屬離子的物質(zhì)稱為絡(luò)合劑。(4)3)潤(rùn)濕劑：是指能降低金屬與溶液間的界面張力，使表面易于被溶液潤(rùn)濕的添加劑。4)應(yīng)力消除劑：是指能夠降低鍍層內(nèi)應(yīng)力，提高鍍層韌性的添加劑。目前電鍍生產(chǎn)上應(yīng)用的鍍液，主要有單鹽鍍液和絡(luò)合物鍍液兩種類型。(1)單鹽鍍液金屬離子在鍍液中以簡(jiǎn)單離子(水合離子)的形式存在。(2)絡(luò)合物鍍液在鍍液中金屬離子與絡(luò)合劑形成絡(luò)合物并離解成絡(luò)離子，金屬離子存在于絡(luò)離子中。2.鍍液的基本類型第四節(jié)電鍍工藝的選擇3)潤(rùn)濕劑：是指能降低金屬與溶液間的界面張力，使表面易于被溶二、鍍液組成對(duì)電沉積過程的影響鍍液的成分對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)影響很大，應(yīng)該認(rèn)真選擇。電鍍中把鍍層金屬的鹽稱為主鹽。1.鍍液成分的選擇2.主鹽濃度的選擇3.有機(jī)添加劑的采用第四節(jié)電鍍工藝的選擇二、鍍液組成對(duì)電沉積過程的影響鍍液的成分對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)影在鍍液中，有選擇地、適當(dāng)?shù)丶尤肷倭磕承┯袡C(jī)添加劑，可以大大改善鍍液的性能，提高陰極極化，改善鍍層質(zhì)量。4.適當(dāng)添加附加鹽鍍液