電鍍與化學鍍

電鍍與化學鍍第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電鍍電鍍就是將直流電通入一定成分的電解質溶液中，在電極和溶液之間的界面上發(fā)生電化學反應，從而實現(xiàn)在工件表面上沉積的過程。第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、電鍍的基本原理陰極上金屬電沉積的過程為：①傳質步驟在電解液中的預鍍金屬的離子或它們的絡離子由于濃度差而向陰極（工件）表面或表面附近移動。②表面轉化步驟金屬離子或其絡離子在電極表面或表面附近的液層中發(fā)生還原反應的步驟。第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月③電化學步驟金屬離子或絡離子在陰極上得到電子，還原成金屬原子。④電結晶步驟電結晶是指金屬原子達到金屬表面之后，按一定規(guī)律排列形成新晶體的過程。第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月電沉積層的晶體結構取決于沉積金屬本身的晶體學特性，而其組織形態(tài)在很大程度上決定于電結晶過程的條件。沉積層的致密度主要取決于離子濃度、交換電流及表面活性劑，電結晶的晶粒尺寸則在很大程度上取決于表面活性劑的濃度。第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、電鍍液（1）主鹽是指能在陰極上沉積出所要求的鍍層金屬的鹽。主鹽濃度要有一個適宜的范圍并與電鍍溶液中其它成分維持恰當?shù)臐舛缺戎?。主鹽濃度高，一般可采用較高的陰極電流密度，溶液的導電性和陰極電流效益都較高。但溶液的帶出損失較大、成本較高，廢水處理負擔重。第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月主鹽濃度低，可采用的陰極電流密度較低，電流效率降低，影響沉積速度，但其分散能力和覆蓋能力較好。（2）導電鹽是指能提高溶液的導電率，對放電的金屬離子不起絡合作用的堿金屬或堿土金屬的鹽類。（包括銨鹽）。第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月導電鹽除了能提高溶液的導電率外，還能略提高陰極極化，使鍍層致密。（3）絡合劑在電鍍生產中，能絡合主鹽中金屬離子的物質為絡合劑。絡合劑都能增大陰極極化，使鍍層結晶細致，同時能促進陽極溶解。第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）緩沖劑一般由弱酸和弱酸的酸式鹽組成。主要目的是使溶液的pH值變化幅度減小。任何緩沖劑都只能在一定的pH值范圍內有較好的緩沖作用。（4）添加劑為了改善電鍍溶液性能和鍍層質量，往往在電鍍液中加入少量的某些有機物，即添加劑。如光亮劑、整平劑、潤濕劑、應力消減劑等第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、法拉第定律電流通過金屬—溶液界面時，必然伴隨電極反應，所以通過電鍍槽的電量和析出（或溶解）物質的量之間有一定的關系。這種關系就是法拉第定律。W=Kit=KQW—形成產物的質量；I—電流；t—通電時間；k—比例常數(shù)；Q—電量第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月表示單位電量時在電極上可形成產物的質量，通常稱為該產物的電化當量。如果所選用的電量單位不同，則物質的電化當量值也不一樣。法拉第定律是十分精確的，它不受溫度、壓力、電解質濃度、電極和電解槽材料、形狀和溶劑性質的影響。第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月但是，在實際電鍍中，常常發(fā)現(xiàn)形式上違反法拉第定律的現(xiàn)象。例如鍍鋅時，雖然電極上通過了1F電量，但陰極上得到的鋅不是1克當量，這是因為電解過程中還有別反應發(fā)生的緣故，如H+可以在電極上還原，也會消耗一部分電量，如果把Zn2+和H+還原的產物加在一起，則仍為1克當量，同樣符合法拉第定律。第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）、電流效率因為電鍍過程中的副反應產物并不是所需要的，所以對于所需要的產物來說，就有一個電流效率的問題。電流效率的概念可以用來表示用于主反應的電量在總電量中所占的百分數(shù)。第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）、電流在陰極上的分布在電解槽中，由于外加電壓的作用，陽極帶正電，陰極帶負電。根據(jù)電荷同性相斥、異性相吸的原理，溶液中的正離子被陽極排斥，受陰極吸引；負離子被陰極排斥，受陽極吸引。這樣，溶液中的離子就會按照一定的方向進行運動。在外電場作用下離子運動的軌道稱為電力線。第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月電力線在陰極表面上分布的疏密程度與電極之間的相對位置，電極形狀和電解槽的形狀等幾何因素有關系。第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月當電極與電解槽的底部、邊緣和液面存在距離時，電極的邊緣或尖端有比較密集的電力線，這種在電極邊緣或尖端集積過多電力線的現(xiàn)象稱為邊緣效應，或尖端效應。在電鍍過程中，有時出現(xiàn)鍍件邊緣或尖端“燒焦”的現(xiàn)象，其原因就是電流在這些部位分布得較多的緣故。第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電鍍單金屬常用電鍍金屬主要有鍍鋅、鍍銅、鍍鎳及鍍鉻等。其中鍍鋅主要用于鋼鐵等黑色金屬的防腐。鍍銅用于防護裝飾性鍍層體系的底層，也可用來改善基體與鍍層間的結合力。鍍鎳可用作表面鍍層，也可用作多層電鍍的底層或中間層。鍍鉻可用于裝飾、耐磨損和耐腐蝕。第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1電鍍鋅鋅的標準電位為-0.76V，對鋼鐵基體來說鋅鍍層屬于陽極性鍍層。電鍍鋅工藝可采用酸性和堿性電鍍兩種，陽極使用純鋅。酸性鍍液價廉且電流效率高，電鍍速度快，但均鍍能力差。堿性鍍液價格雖高，但鍍層結晶細、光澤好、鍍液的均鍍及深度能力均好，對設備腐蝕性低。第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月鍍鋅溶液配方及工藝條件

第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月鍍鋅常見缺陷及防止措施

第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2電鍍鎳鎳鍍層相對于鋼鐵基體屬于陰極性鍍層，防護性能與孔隙率關系密切。目前使用最多的是瓦特鎳溶液（硫酸鹽—氯化物型）。第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月鍍鎳溶液配方及工藝條件

第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月硫酸鎳是鍍鎳溶液中鎳離子的主要來源。提高硫酸鎳的含量，即提高了Ni2+的濃度，就允許采用高的電流密度，從而提高了電鍍速度。氯化鎳的作用是既能幫助陽極溶解，又能提高溶液的導電率，從而降低了達到額定電流密度時所需的槽電壓。第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月硼酸在鍍鎳溶液中起緩沖作用，它能穩(wěn)定鍍鎳溶液的pH值。當其含量低于20g/L時，緩沖作用較差。氨基磺酸鹽鍍鎳液的突出優(yōu)點是能獲得低內應力的鍍層，電鍍速度快，鍍液的分散能力優(yōu)于用硫酸鹽的鍍鎳溶液。第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電鍍合金電鍍合金是利用電化學的方法使兩種或兩種以上的金屬（也包括非金屬）共沉積的過程。合金鍍層具有許多單金屬所不具備的優(yōu)異性能。合金鍍層與單金屬層相比具有較高的硬度、致密鍍、較高的耐磨性、耐蝕性、耐高溫性、良好的磁性、易釬焊性以及美麗的外觀等，因此，近年來電鍍合金的研究與應用日益為人們所重視。第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月電鍍青銅溶液配方及工藝條件

第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月四、復合電鍍復合電鍍是用電鍍方法使金屬和固體微粒共沉積獲得復合材料的工藝過程。由于復合材料綜合了其組成相的優(yōu)點，根據(jù)復合鍍層基體金屬或合金和分散微粒的不同，使復合鍍層具有高硬度、高耐磨和良好自潤滑性、耐熱性、耐蝕性等功能性能。因此，復合鍍便成為表面工程技術最為活躍的領域之一。第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、復合電鍍基本原理在復合電鍍過程中，被復合的固體顆粒由鍍液內部運動到陰極表面會受到兩種力的作用：①液體流動帶動固體顆粒懸浮并運動到陰極附近。②在電場的作用下固體顆粒電泳到陰極表面，如果液體流動速度適宜，固體顆粒也可機械地走動到陰極表面，并不斷被沉積著的基體金屬所掩埋、捕獲，最終實現(xiàn)共沉積，獲得復合鍍層。第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-6兩個階段共沉積反應示意圖兩個階段共沉積反應示意圖

第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、復合電鍍層的種類采用電鍍法制備的復合鍍層種類較多，可在軟的金屬基體上沉積硬質顆粒或軟質顆粒，也可在硬的金屬或合金基體上沉積硬質顆?；蜍涱w粒以提高基體的耐磨性和減摩性。用來制備耐磨復合電鍍層的硬質顆粒有Al2O3、SiC、TiO2、TiC、WC、Cr3C2等。用來制備減摩復合電鍍層的具有潤滑特性的固體顆粒有聚四氟乙烯（PTFE）、MoS2、BN、石墨和氟化石墨（CF）等。第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月鎳基耐磨減磨復合電鍍溶液配方及工藝條件（機械攪拌）

第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月復合鍍層的耐磨性能取決于添加顆粒的尺寸、形狀、質量分數(shù)以及與基體的磨損特性，晶體結構、摩擦副間的互溶度、硬度等對復合鍍層的磨損行為也很重要。

第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月五、化學鍍Ni-P化學鍍Ni-P是不使用外電源，以次亞酸鹽為還原劑，將鎳鹽還原為鎳，同時還原劑轉變?yōu)榱?與鎳一起析出，共同沉積在鍍件表面形成Ni-P鍍層的工藝。Ni-P鍍層對于非氧化性的高溫Cl-及常溫鹽酸,氫氟酸、有機酸等系列化工介質都有良好的抗蝕性；其次，Ni-P鍍層的摩擦系數(shù)小而硬度經(jīng)400℃熱處理后可高達1100HV,高于相同基材下其它表面處理工藝所獲得的硬度及耐磨性。第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、化學鍍Ni-P的基本原理Ni-P化學鍍的基本原理是以次亞磷酸鹽為還原劑，將鎳鹽還原成鎳，同時使鍍層中含有一定量的磷。沉積的鎳膜具有自催化性，可將反應自動進行下去，形成過飽和的Ni-P固溶體。在化學沉積Ni-P合金過程中，除了需要及時補充反應所消耗的主鹽外，還需在鍍液中加入適量的絡合劑、穩(wěn)定劑、緩沖劑和其他添加劑等。第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、化學鍍液1鎳鹽鎳鹽是鍍液中的主鹽，最常用的鎳鹽有硫酸鎳和氯化鎳兩種。由于硫酸鎳的價格低廉，且容易制成純度較高的產品，被認為是鎳鹽的最佳選擇。2還原劑還原劑是鍍液的主要成分，在酸性鍍液中采用的還原劑主要是次磷酸鹽。第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月還原劑的作用是通過催化脫氫，提供氫原子，把Ni2+還原成金屬，并使鍍層中含有磷的成分。其次次磷酸鹽的濃度在一定范圍內增加可加速Ni2+的還原，提高鍍速。3絡合劑鍍液中加入絡合劑的作用主要是與Ni2+進行絡合降低游歷鎳離子的濃度，提高鍍液的穩(wěn)定性，同時還可防止氫氧化物及亞磷酸鹽沉淀。第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4穩(wěn)定劑在正常條件下，化學鍍Ni-P溶液較穩(wěn)定。但在槽液受到污染、存在有催化活性的固體顆粒pH值過高等情況下，溶液會自發(fā)分解，會在整個溶液內生成金屬鎳顆粒，溶液迅速分解失效。5緩沖劑穩(wěn)定鍍速保證鍍層質量以及保證鍍液pH值在工藝要求范圍內。第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月酸性化學鍍Ni-P溶液配方及工藝條件第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、化學鍍Ni-P的組織結構1磷含量對化學鍍Ni-P合金結構的影響

總體來說，隨著磷含量的增加，化學鍍Ni-P合金的結構變化過程為：晶態(tài)→晶態(tài)+微晶→微晶→微晶+非晶→非晶態(tài)。第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2熱處理溫度對化學鍍Ni-P合金結構影響

當熱處理溫度在250℃以下時，Ni-P合金層結構為非晶態(tài)。當溫度在300℃以上時，隨著溫度的升高，Ni-P合金鍍層由非晶態(tài)向微晶轉化，最后轉變成晶態(tài)形成大量的Ni3P相。第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni-P合金鍍層表面組織形貌Ni-P合金鍍層側向組織

第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、電鍍與化學鍍比較需要基體導電受電力線變化影響，均勻性和致密度差仿形性差可沉積材料相對較少成本相對低沉積速度相對較快不需要基體導電鍍層均勻,致密,抗腐蝕性更好仿形性好,可對復雜部件施鍍除Pb、Cd、Sn、Bi，大多數(shù)金屬可沉積成本相對更高沉積速度相對較慢電鍍化學鍍電鍍化學鍍第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月精密沖壓加工品的電鍍Ni化學鍍Ni-P第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月六、化學復合鍍

化學復合鍍綜合了化學鍍與復合電鍍的優(yōu)點。隨固體微粒的不同．可以獲得耐磨、潤滑、耐腐蝕、耐高溫等不同性能的化學復合鍍層，且厚度均勻，平滑致密。第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、化學復合鍍層種類：1耐磨化學復合鍍層Ni-P-SiC、Ni-P-Al2O3、Ni-B-Al2O3和Ni-P-SiO2化學復合鍍層的硬度和耐磨性比電鍍鎳和化學鍍鎳高得多。經(jīng)熱處理后硬度更高，其耐磨性高于復合電鍍鎳層。各種鍍鎳層的硬度按下列順序依次增加：電鍍鎳，化學鍍Ni-P合金，經(jīng)熱處理的化學鍍Ni-P合金，化學復合鍍Ni-P-SiC層，經(jīng)熱處理的Ni-P-SiC化學復合鍍層。

第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2自潤滑化學復合鍍層Ni-P-PTFE、Ni-P-（CF）、和Ni-P-MoS2化學復合鍍層有良好的自潤滑性能，摩擦系數(shù)低，抗粘著力強，耐磨損性好。第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni-P-SiC鍍層表面組織形貌Ni-P-SiC鍍層側向組織第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月Ni-P-SiC-MoS2復合鍍層表面形貌第50頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月