電鍍的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

1、應(yīng)用電化學(xué)課程論文考核表論文題目：電鍍的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用得分要點(diǎn)要求分值得分論文格式格式是否符合要求；字?jǐn)?shù)是否達(dá)到規(guī)定字?jǐn)?shù)20分論文內(nèi)容內(nèi)容是否充實(shí)，結(jié)構(gòu)是否合理，文字是否流暢40分原創(chuàng)性聯(lián)系自身實(shí)際是否聯(lián)系自身實(shí)際，是否為原創(chuàng)（不能抄襲）30分獨(dú)創(chuàng)性是否具有自己的見(jiàn)解10分總得分電鍍的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用摘要：電鍍就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過(guò)程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕，提高耐磨性、導(dǎo)電性、反光性及增進(jìn)美觀等作用。本文著重介紹了合金電鍍、復(fù)合電鍍、脈沖電鍍以及激光電鍍的研究進(jìn)展以及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：合金電鍍、復(fù)合電鍍、脈

2、沖電鍍、激光電鍍1. 引言用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過(guò)程稱為電鍍。電鍍是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕，提高耐磨性、導(dǎo)電性、反光性及增進(jìn)美觀等作用。電鍍應(yīng)用遍及各個(gè)生產(chǎn)和科技領(lǐng)域，電鍍的開(kāi)發(fā)最初是為了滿足人們防腐和裝飾的需要，近年來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷開(kāi)發(fā)出新的工藝技術(shù)方法（例如激光強(qiáng)化電鍍新技術(shù)、脈沖電鍍非晶太合金），尤其是一些新的涂層材料和復(fù)合電鍍技術(shù)的出現(xiàn)，例如金屬與非金屬的復(fù)合鍍層，是電鍍層從單純的金屬結(jié)構(gòu)變?yōu)閺?fù)合結(jié)構(gòu)，提供了增強(qiáng)、抗磨、熒光、彩色、電磁等功能特性，大大的拓展了這項(xiàng)表面處理的應(yīng)用領(lǐng)域，

3、并使其成為現(xiàn)代表面工程技術(shù)的重要組成部分。2電鍍的原理與電鍍液的組成及其作用 2.1電鍍的原理 電鍍的原理與電解精煉銅的原理是一致的。電鍍時(shí)，一般都是用含有鍍層金屬離子的電解質(zhì)配成電鍍液；把待鍍金屬制品浸入電鍍液中與直流電源的負(fù)極相連，作為陰極；用鍍層金屬作為陽(yáng)極，與直流電源正極相連。通入低壓直流電，陽(yáng)極金屬溶解在溶液中成為陽(yáng)離子，移向陰極，這些離子在陰極獲得電子被還原成金屬，覆蓋在需要電鍍的金屬制品上。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電鍍指借助外界直流電的作用，在溶液中進(jìn)行電解反應(yīng)，使導(dǎo)電體例如金屬的表面沉積一金屬或合金層。1 2.2電鍍液的組成及其作用 電鍍液一般由一下幾種成分組成：1析出金屬的鹽類；2與析出金

4、屬形成絡(luò)合物的成分；3提高鍍液導(dǎo)電能力的附加鹽類；4鍍液穩(wěn)定劑；5鍍液緩沖劑；6可改變析出金屬物性的成分；7陽(yáng)極組溶劑；8添加劑。主鹽是指鍍液中能在陰極上沉積出所要求鍍層金屬的鹽用于提供金離子子。鍍液中主鹽濃度必須在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鼷}濃度增加或減少在其它條件不變時(shí)都會(huì)對(duì)電沉積過(guò)程及最后的鍍層組織有影響。絡(luò)合劑的作用：有些情況下若鍍液中主鹽的金屬離子為簡(jiǎn)單離子時(shí)則鍍層晶粒粗大，因此要采用絡(luò)合離子的鍍液。獲得絡(luò)合離子的方法是加入絡(luò)合劑即能絡(luò)合主鹽的金屬離子形成絡(luò)合物的物質(zhì)。附加鹽是電鍍中除主要鹽外的某些堿金屬或堿土金屬鹽類主要用于提高電鍍液的導(dǎo)電性對(duì)主鹽中的金屬離子不起絡(luò)合作用。緩沖劑是指用來(lái)穩(wěn)定

5、溶液酸堿度的物質(zhì)。這類物質(zhì)一般是由弱酸和弱酸鹽或弱堿和弱堿鹽組成的能使溶液遇到堿或酸時(shí)溶液的ph值變化幅度縮少。陽(yáng)極活化劑：鍍液中能促進(jìn)陽(yáng)極活化的物質(zhì)稱陽(yáng)極活化劑。陽(yáng)極活化劑的作用是提高陽(yáng)極開(kāi)始鈍化的電流密度從而保證陽(yáng)極處于活化狀態(tài)而能正常地溶解。添加劑是指不會(huì)明顯改變鍍層導(dǎo)電性而能顯著改善鍍層性能的物質(zhì)。根據(jù)在鍍液中所起的作用添加劑可分為光亮劑整平劑和抑霧劑等。3. 合金電鍍合金電鍍合金電鍍是用電化學(xué)方法將兩種以上的金屬和非金屬共沉積,兩種金屬要同時(shí)電鍍沉積必須電位很接近而且其中之金屬能單獨(dú)被沉積出來(lái)。若兩種金屬電位相差太多，可以用錯(cuò)合劑使電未拉近，例如黃銅電的鋅和銅電位相差甚多，加上錯(cuò)合劑

6、氰化鈉就使銅。合金電鍍與單金屬鍍層相比，具有較高的硬度、致密性、耐蝕性、耐磨性、良好的磁性以及美麗的外觀。電鍍防護(hù)性的合金有鋅鎳、鋅鐵、鋅鈷等；裝飾性合金如銅鋅、錫銅等；耐蝕合金如鉻鎳、鎳磷等。3.1合金電鍍鐵鎳合金 鎳鐵合金是以節(jié)約鎳為目的開(kāi)發(fā)的, 鎳鐵合金做為一種降低成本的方法, 已廣泛地應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域, 可以電鍍?cè)阡?、銅、鋁、鍍鋅板、塑料以及粉末冶金基體之上。n i一fe 合金電鍍與電鍍鎳相比較具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1) 具有優(yōu)良的整平作用, 鍍層厚度比亮鎳薄2 0 % 一4 0 % 可獲得與鎳層同樣的整平作用。(2 )具有優(yōu)良的延展性, 鍍后可耐彎曲加工, 有韌性, 色澤比鎳白。(

7、3 )薄的n i一fe 合金薄膜抗蝕性能優(yōu)于鎳鍍層。(4 ) 合金鍍層的硬度高于鎳鍍層。(5 ) 鍍液中金屬離子濃度比較低, 故掛具帶出鍍液的損失小, 能節(jié)省金屬鎳1 5 % 一5 0 % 。(6 )n i一f e 合金電鍍液的覆蓋能力良好。n i一fe 合金電析原理：由于副反應(yīng)氫氣的析出速度比氫離子擴(kuò)散到電極表面的速度快, 使電極表面氫氧化物的產(chǎn)生與吸附成為可能, 抑制了鎳的沉積; 面p h 值的變化, 促使氫氧根離子還原副反應(yīng)的發(fā)生, 又阻礙了鐵的析出。隨電流密度的增加, 雙電層中f e (o h )+ 的形成, 使氫的析出量增加, 阻礙了fe 的還原速度, 因此, 在施鍍電流密度范圍內(nèi),

8、 合金鍍層中f e 優(yōu)先析出, 并隨電流濃度的增加, 合金鍍層中f e 含量減少, n i 含量增加。常采用n i一fe 合金做為陽(yáng)性, 攪拌方式有陰極旋轉(zhuǎn), 空氣、氫氣和超聲攪拌。此外還包括穩(wěn)定劑、光亮劑，常用的穩(wěn)定劑是檸檬酸鈉, 在鍍液中能夠與fe 3 + 絡(luò)合, 防止生成fe( o h )3 沉淀, 一般用量在1 0 一1 0 0 9 /i 檸檬酸鈉的濃度對(duì)沉積層中fe 含量沒(méi)有明顯的影響, 有助于維持沉積率, 提高電流效率, 延長(zhǎng)鍍液的使用壽命。光亮劑, 目前常用的是糖精, 糖精具有降低張應(yīng)力, 改變鍍層結(jié)構(gòu), 由粗柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)的柱狀晶, 其添加量按應(yīng)力值的大小確定,適宜的加人量在1

9、 一39 / i一。做為緩沖劑的硼酸, 具有阻止二價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)變成三價(jià)鐵離子的作用, 在n i一fe 合金共沉積時(shí), 增加沉積層中的fe 的含量, 提高鍍層的光亮性和產(chǎn)生粘附性好的表面。24.復(fù)合電鍍復(fù)合電鍍：在鍍液中加入某些非金屬或金屬微粒，使這些微粒均勻分散在共沉積主體金屬里的方法稱為復(fù)合電鍍。這種鍍層具有高硬度、耐磨性、自潤(rùn)滑性、以及特殊裝飾外觀等不同性質(zhì)。4、1復(fù)合電鍍的特性復(fù)合電鍍的特性：1、耐磨性復(fù)合鍍層，把硬質(zhì)的微粒嵌入基質(zhì)金屬中，形成硬度高、耐磨性好的復(fù)合鍍層，降低摩擦件的摩損這類硬質(zhì)微粒有二氧化硅、三氧化二鋁、碳化硅、碳化鈦等，基質(zhì)金屬有鎳、銅、鈷、鉻和一些合金。這類鍍層不僅有

10、好的耐磨性，同時(shí)也具有良好的抗高溫能力，所以也有人稱之為“金屬陶瓷復(fù)合鍍層“。2、自潤(rùn)滑減摩復(fù)合鍍層：這類鍍層是將固體潤(rùn)滑微粒，如石墨、氟化石墨、云母等用電鍍的方法嵌在鎳、銅、錫、鉛等基質(zhì)金屬中得到。能形成熱擴(kuò)散合金的復(fù)合鍍層：將金屬微粉與金屬共沉積，得到復(fù)合鍍層，然后進(jìn)行熱處理，得到新組合的合金鍍層。34、2復(fù)合電鍍技術(shù)在摩托車鋁合金缸體上的應(yīng)用ni-一sic 復(fù)合電鍍技術(shù)是在鋁合金材料表面將sic顆粒沉積在金屬ni 鍍層中形成的一種復(fù)合鍍層技術(shù), 該復(fù)合鍍層具有優(yōu)良的耐磨性、熱傳導(dǎo)性, 潤(rùn)滑油附著能力強(qiáng), 用ni-si c 復(fù)合鍍層代替硬鉻鍍層, 可降低成本20 % 一30 % 具有良好的

11、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性, 在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸體制造上應(yīng)用具有廣闊的前景。ni-s ic 復(fù)合電鍍層由于固體微粒(si c ) 嵌人鍍層基體(n i) 金屬后, 會(huì)阻礙其位錯(cuò)的移動(dòng)和晶格的畸變, 所以鎳基復(fù)合鍍層的強(qiáng)度和硬度均高于鎳層。n i-sic 復(fù)合電鍍層厚度為5 0 一2 00 料m 硬度為6 0 0 h v ,耐磨性比普通鎳層高7 0 % 。通常耐磨性鎳基復(fù)合鍍層中固體微粒直徑在1到15 納米之間(用得最多的是1到6納米), 而且固體微粒在鍍層中最佳(耐磨性最好)含量為2 % 一16 % (面積比); 由于ni-si c 復(fù)合電鍍層中鍍層基體金屬ni 的熱導(dǎo)率為3 26 (kj / mh. k

12、 ) sic 顆粒的熱導(dǎo)率為3 14 一6 2 8 (kj /m hk )。 因此該復(fù)合鍍層具有良好的導(dǎo)熱性能, 能及時(shí)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)缸體熱量, 避免由于缸體復(fù)合鍍層導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的故障。使用ni-一sic復(fù)合電鍍技術(shù)處理過(guò)的鋁合金缸體具有優(yōu)越的耐磨性和傳導(dǎo)性，良好地塑性和韌性，潤(rùn)滑油附著能力強(qiáng)，是目前鋁合金缸體內(nèi)表面強(qiáng)化技術(shù)的較佳方法之一，有廣闊的發(fā)展前景；這種技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)使用性。455.脈沖電極 脈沖電鍍是由脈沖電流對(duì)電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的特效影響所決定的，其中最主要的是對(duì)傳質(zhì)過(guò)程中的影響。在直流電鍍時(shí)，鍍液中被鍍出的金屬離子在陰極表面附近溶液中逐漸被消耗造成了該處被鍍金屬離子與溶液中該離子的

13、濃度出現(xiàn)差別。這種差別隨著使用的電流密度增高而加大。當(dāng)陰極附近液層中的該離子的濃度降到0時(shí)，就達(dá)到了所謂的極限電流密度，傳質(zhì)過(guò)程完全受擴(kuò)散控制。5、1脈沖電鍍?cè)砼c特點(diǎn)脈沖電鍍?cè)恚好}沖電鍍是使電鍍回路周期性地接通和斷開(kāi)，或者在固定直流上再疊加某一波形脈沖的電鍍方法，與普通電鍍相比，這種方法具有鍍層平整致密、附著性好，電流效率高、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，在一般的研究和應(yīng)用中，脈沖電鍍所使用的脈沖方式可分為單向脈沖和雙向脈沖兩種。脈沖電鍍的特點(diǎn)是: 峰值電流密度高, 能增大陰極極化, 得到純凈致密的鍍層; 特別是帶有負(fù)向脈沖電流脈沖電鍍, 它能除去毛刺, 增加整平性, 消除氫脆等; 脈沖電鍍還能降低濃

14、差極化, 提高電流密度總之, 脈沖電鍍與直流電鍍比較,在減少鍍層的孔隙率, 增加結(jié)合力, 節(jié)省原材料以及對(duì)鍍層的物理化學(xué)性能 等方面都有明顯的影響此外, 采用脈沖電鍍也能改善鍍液的分散能力和深鍍能力.脈沖電鍍最初應(yīng)用于貴金屬方面, 在國(guó)外已應(yīng)用于生產(chǎn)的包括: 金、銀、鎳、銅及揚(yáng)鉛合金。而其研究工作差不多在所有電鍍金屬方面進(jìn)行。 5、2脈沖電鍍鍍層與直流電鍍鍍層的比較 脈沖電鍍c u 一一s n 合金與直流電鍍cu 一一s n 合金鍍層性能及結(jié)構(gòu)的比較 1 . 鍍層外觀的比較脈沖電鍍的試片較直流電鍍的試片平整光亮, 無(wú)針孔毛刺, 色澤較好。這是因?yàn)槊}沖電鍍具有較高的沖擊電流密度, 大大增大了陰極

15、極化, 從而使合金電沉積層致密平整. 2合金鍍層中含s n 量的比較采用脈沖電鍍所獲鍍層的含s n 量比直流電鍍所獲鍍層的含sn量有所增加這是由于脈沖電鍍的瞬時(shí)峰值電流密度大, 大大增加了陰極極化, 有利干錫的析出, 特別是具有反極性的鋸齒波脈沖電鍍, 它能使鍍面在受鍍過(guò)程中始終保持活化狀態(tài), 從而改善了合金共沉積的條件, 提高了s n 的含量。 3對(duì)鍍液分散能力的影響脈沖電鍍c u 一一s n 合金鍍液的分散能力高于相同條件下直流電鍍c u 一一s n 合金鍍液的分散能力。由于脈沖電鍍峰值電流密度很大, 因而在遠(yuǎn)近陰極上的電流密度也相應(yīng)增大, 對(duì)近陰極來(lái)說(shuō)更大些, 將會(huì)產(chǎn)生h + 離子的放電

16、( 正常電鍍時(shí)不會(huì)有這種現(xiàn)象) , 這就降低了近陰極的電流效率。相反, 在遠(yuǎn)陰極上析出合金的電流效率相對(duì)被提高, 因而改善了金屬的分布, 亦即改善了鍍液的分散能力。66. 激光電鍍激光電鍍是把激光用于常規(guī)電鍍的新技術(shù), 激光的引發(fā)作用使電化學(xué)反應(yīng)大大增強(qiáng), 電鍍速率提高二至三個(gè)數(shù)量級(jí)激光具有極好的方向性, 用光學(xué)系統(tǒng)可使激光束聚焦成極小光點(diǎn), 因此激光電鍍的空間分辨率可以達(dá)到微米量級(jí)。6、1激光電鍍的機(jī)理激光電鍍的機(jī)理就是高能量密度激光束在陰極附近微小區(qū)域里產(chǎn)生的局部溫升和微區(qū)攪拌所引起的電鍍?cè)鰪?qiáng)效應(yīng)。激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后能達(dá)到極高的功率(能量) 密度, 例如功率為iw 的氫激光器輸出的光

17、束經(jīng)過(guò)透鏡聚焦成直徑為幾十微米的光點(diǎn)。受光照的陰極材料吸收激光能量后將使電解液-陰極界面附近的局部微小區(qū)域里的溫度驟然升高而產(chǎn)生陡峭的溫度梯度并在電解液中引起強(qiáng)烈對(duì)流從而攪拌了溶液。溫升和攪拌造成局部區(qū)域里離子遷移率增加、陰極還原反應(yīng)增強(qiáng)和平衡電位的正向漂移, 最后導(dǎo)致陰極受光照局部區(qū)域沉積速率的升高和電鍍電流的增加。6、2激光電鍍的應(yīng)用 激光電鍍應(yīng)用于實(shí)際主要基于以下兩種特征: 在激光照射區(qū)域的速度比在本體的電鍍速度高得多。 激光的控制能力強(qiáng), 可使材料的必要部分析出所需的金屬量。普通電鍍發(fā)生在整個(gè)電極基體上, 電鍍速度慢, 難以形成復(fù)雜和精細(xì)的圖案。采用激光電鍍可把激光束調(diào)節(jié)到微米大小,

18、在微米尺寸上進(jìn)行無(wú)屏蔽描圖。對(duì)于電路設(shè)計(jì)、電路修復(fù)和在微電子連接器部件上的局部沉積, 這類型的高速描圖愈來(lái)愈有實(shí)際意義。激光電鍍除了可提高電鍍速度外, 還可改善沉積層的質(zhì)量。激光照射能提高成核的速度, 使結(jié)晶顆粒細(xì)小致密。激光產(chǎn)生的熱效應(yīng)也起局部清潔基體表面的作用, 因此在難鍍的基體上能得到結(jié)合緊密的鍍層。在微電路板上連接線路, 用激光增強(qiáng)電鍍來(lái)橋聯(lián)是很有效的。例如采用015 mol/ lcuso4+ 0. 01 mol/ l h2so4 電鍍液, 在低過(guò)電位的條件下完成銅線的橋聯(lián)工作。在低過(guò)電位區(qū)進(jìn)行激光電鍍的好處在于: 可避免或盡量減少在本體上的電鍍; 沉積物質(zhì)量?jī)?yōu)于在傳質(zhì)控制區(qū)內(nèi)得到的鍍

19、層。激光鍍的橋具有低的電阻; 橋的寬度可以控制( 激光聚焦能使其寬度減小到2 lm)隨著電腦、微電子儀表工業(yè)的高速發(fā)展,微電子元件及大規(guī)模集成電路板需求激增。鍍金以其高耐熱、高電導(dǎo)和易焊接等優(yōu)良性能在上述工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在該領(lǐng)域中, 傳統(tǒng)的鍍金生產(chǎn)工藝是采用屏蔽再鍍覆或全部鍍覆后再刻蝕的方法。這些工藝不僅費(fèi)工時(shí), 而且浪費(fèi)大量昂貴的金。人們一直尋求一種更經(jīng)濟(jì)的鍍金技術(shù), 激光增強(qiáng)電鍍金因而應(yīng)運(yùn)而生。7.電鍍刷 電刷鍍是一項(xiàng)極其重要的工程材料表面處理技術(shù),主要用于改善和強(qiáng)化金屬材料工件的表面性質(zhì)，使之獲得耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐高溫等方面的一種或數(shù)種性能。在機(jī)械修理和維護(hù)方面，電刷鍍廣

20、泛地應(yīng)用于修復(fù)因金屬表面磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效而報(bào)廢的機(jī)械零部件，恢復(fù)其原有的尺寸精度，具有維修周期短、費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別是對(duì)大型和昂貴的機(jī)械零部件的修復(fù)，經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。它不用電鍍槽，只用著包套的陽(yáng)極(俗稱鍍筆)，吸飽鍍液，與工件(陰極)直接接觸，在陽(yáng)極與陰極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，即可獲得性能良好的鍍層。操作時(shí)，先將直流電源調(diào)至一定的工作電壓，再使鍍筆的包套和工件接觸，即可觀察到工件上有金屬鍍層形成。鍍層隨刷鍍時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增厚，直至所需的厚度。為了獲得良好的鍍層，刷鍍前和一般電鍍一樣需對(duì)工件表面進(jìn)行除油、去污等處理，最后還要精工修整等。在施鍍過(guò)程中基體材料無(wú)變形，鍍層均勻致密與基體結(jié)合力強(qiáng)，是修復(fù)金屬工件表面失效的最佳工藝。 電刷鍍修復(fù)工件具有以下特點(diǎn)：（1）鍍層性能好。修復(fù)工件一般是鍍鎳，具有硬度高，耐磨耐腐蝕特點(diǎn)。根據(jù)使用性能的要求可選用鎳鉻合金鍍層或銦、銅、錫、鋅等各種金屬鍍層，如工件表面鍍銦可使工件具有極好的氣密性；在模具表面刷鍍鎳鉻合