表面工程技術(shù)

1、姓 名： 袁 揭院 系：機(jī)械工程學(xué)院學(xué) 號： 1210121054班 級： 12材控一班淺談電鍍摘要：電鍍是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中以被鍍基體金屬為陰極通過電解作用使鍍液中欲鍍金屬的陽離子在基體金屬表面沉積出來形成鍍層的一種表面加工方法。鍍層性能不同于基體金屬具有新的特征。根據(jù)鍍層的功能分為防護(hù)性鍍層裝飾性鍍層及其它功能性鍍層。電鍍行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的環(huán)節(jié)，涉及國防、工業(yè)、生活領(lǐng)域。從大類上分為機(jī)件金屬電鍍、塑料電鍍，達(dá)到工件防腐、美觀、延長壽命、外觀裝飾等效果。電鍍行業(yè)是污染嚴(yán)重的行業(yè)，僅靠末端治理有很大的局限性。清潔生產(chǎn)作為一種全新的環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略，已成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，是防

2、治電鍍污染的根本出路和必由之路。實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的途徑是多方面的，電鍍企業(yè)的清潔生產(chǎn)應(yīng)從原料、能源、工藝、管理等方面考慮，實行綜合治理。關(guān)鍵字：電鍍  鍍層  清潔生產(chǎn)  環(huán)境保護(hù)Abstract:Electroplating refers to the salt in the solution containing for metallized, by metal plating substrate as cathode, through electrolysis, the plating solution to metallized

3、cation on substrate metal surface deposition, the formation of coating a surface processing method.Coating performance is different from the base metal, with new characteristics.According to the function of the coating can be divided into protective coating, decorative coating and other functional c

4、oatings.Electroplating industry is an indispensable link in the national economy, involving national defense, industrial and living fields.From the categories are divided into parts, metal plating, plastic plating to artifacts anti-corrosion, beautiful, prolong life, such as exterior adornment effec

5、t.Electroplating industry is heavily polluting industries, only by the end of the governance has significant limitations.Cleaner production as a kind of brand-new environmental protection strategy, has become the key to realize sustainable development, is the fundamental way of pollution prevention

6、and treatment of electroplating and the only way.Realizing clean production is various, the way of electroplating cleaner production of enterprises from raw materials, energy, technology, management and so on into consideration, a comprehensive treatment.Key words: Electroplating The plating Cleaner

7、 production Environmental protection銅陵學(xué)院一 電鍍的基本知識1.電鍍液主鹽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屬離子。鍍液中主鹽濃度必須在一個適當(dāng)?shù)姆秶鼷}濃度增加或減少在其它條件不變時都會對電沉積過程及最后的鍍層組織有影響。絡(luò)合劑有些情況下若鍍液中主鹽的金屬離子為簡單離子時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)。絡(luò)合物是一種由簡單化合物相互作用而形成的“分子化合物”。在含絡(luò)合物的鍍液中影響電鍍效果的主要是主鹽與絡(luò)合劑的相對含量即絡(luò)合劑的游離量而不是絕對含量。導(dǎo)電鹽

8、導(dǎo)電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)電性對主鹽中的金屬離子不起絡(luò)合作用。有些附加鹽還能改善鍍液的深鍍能力分散能力產(chǎn)生細(xì)致的鍍層。緩沖劑緩沖劑是指用來穩(wěn)定溶液酸堿度的物質(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溶液的pH值變化幅度縮少。添加劑添加劑是指不會明顯改變鍍層導(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、潤濕劑、應(yīng)力消除劑和鍍層細(xì)化劑。2. 電鍍反應(yīng)電極及反應(yīng)機(jī)理下圖是電鍍裝置示意圖被鍍的零件為陰極與直流電源的負(fù)極相連金屬陽極與直流電源的正極聯(lián)結(jié)陽極與陰均浸入鍍液中。當(dāng)在陰陽兩極間施加

9、一定電位時則在陰極發(fā)生如下反應(yīng)從鍍液內(nèi)部擴(kuò)散到電極和鍍液界面的金屬離子Mn+從陰極上獲得n個電子還原成金屬M另一方面在陽極則發(fā)生與陰極完全相反的反應(yīng)即陽極界面上發(fā)生金屬M的溶解釋放n個電子生成金屬離子M n+。法拉第定律電流通過鍍液時電解質(zhì)溶液發(fā)生電解反應(yīng)陰極上不斷有金屬析出陽極金屬不斷溶解。因此金屬的析出(或溶解)量必定與通過的電荷有關(guān)。根據(jù)大量實驗結(jié)果法拉第建立了析出(或溶解)的物質(zhì)與電荷之間的關(guān)系的定律。法拉第一定律電極上析出(或溶解)物質(zhì)的重量與進(jìn)行電解反應(yīng)時所通過的電荷成正比即m=kQ=kIt(m為電極上析出或溶解物質(zhì)的質(zhì)量Q為通過的電荷時K為比例常數(shù)I為電流t為通電時間。法拉第第二

10、定律在不同的電解液中通過相同的電荷量時在電極上析出(或溶解)物的物質(zhì)的量相等并且析出(或溶解)1mol的任何物質(zhì)所需的電荷量都是9.65X104C.這一常數(shù)稱為法拉第常數(shù)用F表示。K=M/F電流效率電鍍時陰極上實際析出的物質(zhì)的質(zhì)量并不等于根據(jù)法拉定律得到的計算結(jié)果實際值總小于計算值這是由于電極上的反應(yīng)不只一個例如鍍鎳時在陰極上除發(fā)生這一主反應(yīng)外還會發(fā)生副反應(yīng)。電鍍液的分散能力鍍?nèi)芤旱姆稚⒛芰κ侵鸽婂円核哂械氖菇饘賹雍穸染鶆蚍植嫉哪芰σ卜Q均鍍能力。電鍍液的分散能力越好在不同陰極部位所沉積出的金屬層厚度越均勻。電鍍液的覆蓋能力在電鍍生產(chǎn)中常用到的另一個概念是覆蓋能力亦稱深鍍能力它是指電鍍液所具有

11、的使鍍件的深凹處沉積上金屬鍍層的能力。分散能力和覆蓋能力不同前者是說明金屬在陰極表面分布均勻程度的問題它的前提是在陰極表面都有鍍層而后者是指金屬在陰極表面的深凹處有無沉積層的問題.3.金屬的電積過程電鍍過程是鍍液中的金屬離子在外電場的作用下經(jīng)電極反應(yīng)還原成金屬原子并在陰極上進(jìn)行金屬沉積的過程。下圖(1-2)是電沉積過程示意圖完成電沉積過程必須經(jīng)過以下三個步驟液相傳質(zhì)鍍液中的水化金屬離子或絡(luò)離子從溶液內(nèi)部向極界面遷移到達(dá)陰極的雙電層溶液一側(cè)。電化學(xué)反應(yīng)水化金屬離子或絡(luò)離子通過雙電層并去掉它周圍的水化分子或配位體層從陰極上得電子生成金屬原子。有三種方式電遷移對流和擴(kuò)散。電結(jié)晶金屬原子沿金屬表面擴(kuò)散

12、到結(jié)晶生長點以金屬原子態(tài)排列在晶格內(nèi)形成鍍層。電鍍時以上三個步驟是同時進(jìn)行的但進(jìn)行的速度不同速度最慢的一個被稱為整個沉積過程的控制性環(huán)節(jié)。不同步驟作為控制性環(huán)節(jié)最后的電沉積結(jié)果是不一樣的。4.影響電鍍質(zhì)量的因素影響電鍍質(zhì)量的因素很多包括鍍液的各種成分以及各種電鍍工藝參數(shù)。下面就其中某些主要因素進(jìn)行討論。pH值的影響鍍液中的pH值可以影響氫的放電電位堿性夾雜物的沉淀還可以影響絡(luò)合物或水化物的組成以及添加劑的吸附程度。但是對各種因素的影響程度一般不可預(yù)見。最佳的pH值往往要通過試驗決定。在含有絡(luò)合劑離子的鍍液中pH值可能影響存在的的各種絡(luò)合物的平衡因而必須根據(jù)濃度來考慮。電鍍過程中若pH值增大則陰

13、極效率比陽極效率高pH值減少則反之。通過加入緩沖劑可以將pH值穩(wěn)定在一定范圍。添加劑的影響鍍液中的光亮劑整平劑潤濕劑等添加劑能明顯改善鍍層組織。對此添加劑有無機(jī)和有機(jī)之分。無機(jī)添加劑起作用的原因是由于它們在電解液中形成高分散度的氫氧化物或硫化物膠體吸附在陰極表面阻礙金屬析出提高陰極極化作用。有機(jī)添加劑起作用的原因是這類添加劑多為表面活性物質(zhì)它們會吸附在陰極表面形成一層附膜阻礙金屬析出因而提高陰極極化作用。另外某些有機(jī)添加劑在電解液中形成膠體會與金屬離子絡(luò)合形成膠體-金屬離子型絡(luò)合物阻礙金屬離子放電而提高陰極極化作用。電流密度的影響任何電鍍都必須有一個能產(chǎn)生正常鍍層的電流密度范圍。當(dāng)電流密度過低

14、時陰極極化作用較小鍍層桔晶粗大甚至沒有鍍層。隨著電流密度的增加陰極極化作用隨著增加鍍層晶粒越來越細(xì)。當(dāng)電流密度過高超過極限電流密度時鍍層質(zhì)量開始惡化甚至出現(xiàn)海綿體枝晶狀燒焦及發(fā)黑等。電流密度的變化的上限和下限是由電鍍液的本性濃度溫度和攪拌等因素決定的。一般情況下主鹽濃度增大鍍層溫度升高以及有攪拌的條件下可以允許采用較大的電流密度。電流波形的影響電流波形的影響是通過陰極電位和電流密度的變化來影響陰極沉積過程的它進(jìn)而影響鍍層的組織結(jié)構(gòu)甚至成分使鍍層性能和外觀發(fā)生變化。實踐證明三相全波整流和穩(wěn)壓直流相當(dāng)對鍍層組織幾乎沒有什么影響而其它波形則影響較大。溫度的影響鍍液溫度的升高能擴(kuò)散加快降低濃差極化此外

15、升溫還能使離子的脫水過程加快。離子和陰極表面活性增強(qiáng)也降低了電化學(xué)極化導(dǎo)致結(jié)晶變粗。另一方面溫度升高能增加鹽類的溶解度從而增加導(dǎo)電和分散能力還可以提高電流密度上限從而提高生產(chǎn)效率。攪拌的影響攪拌可降低陰極極化使晶粒變粗但可提高電流密度從而提高生產(chǎn)率。此外攪拌還可增強(qiáng)整平劑的效果。二 電鍍工藝電鍍工藝過程一般包括電鍍前預(yù)處理電鍍及鍍后處理三個階段。1.鍍前預(yù)處理鍍前預(yù)處理的目的是為了得到干凈新鮮的金屬表面為最后獲得高質(zhì)量鍍層作準(zhǔn)備。主要進(jìn)行脫脂去銹蝕去灰塵等工作。步驟如下第一步 使表面粗糙度達(dá)到一定要求可通過表面磨光拋光等工藝方法來實現(xiàn)。第二步 去油脂可采用溶劑溶解以及化學(xué)電化學(xué)等方法來實現(xiàn)。第

16、三步 除銹可用機(jī)械酸洗以及電化學(xué)方法除銹。第四步 活化處理一般在弱酸中侵蝕一定時間進(jìn)行鍍前活化處理2.鍍后處理鈍化處理所謂鈍化處理是指在一定的溶液中進(jìn)行化學(xué)處理在鍍層上形成一層堅實致密的穩(wěn)定性高的薄膜的表面處理方法。鈍化使鍍層耐蝕性大大提高并能增加表面光澤和抗污染能力。這種方法用途很廣鍍Zn,Cu等后都可進(jìn)行鈍化處理。除氫處。有些金屬如鋅在電沉積過程中除自身沉積出來外還會析出一部分氫這部分氫滲入鍍層中使鍍件產(chǎn)生脆性甚至斷裂稱為氫脆。為了消除氫脆往往在電鍍后使鍍件在一定的溫度下熱處理數(shù)小時稱為除氫處理。三 我國電鍍工業(yè)的現(xiàn)況分析1.發(fā)展?fàn)顩r和特征行業(yè)基本情況電鍍工業(yè)是我國重要的加工行業(yè)，據(jù)粗略估

17、計，全國現(xiàn)有15000家電鍍生產(chǎn)廠，行業(yè)職工總數(shù)超過50萬人，現(xiàn)有5000多條生產(chǎn)線和2.5-3億m2電鍍面積生產(chǎn)能力。電鍍行業(yè)年產(chǎn)值約為100億元人民幣。近十年來，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展迅速。企業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平電鍍行業(yè)企業(yè)規(guī)模普遍較小，年電鍍能力超過100,000 m2· m m的企業(yè)不足500家。少數(shù)合資企業(yè)或正規(guī)專業(yè)化企業(yè)擁有國際先進(jìn)水平的設(shè)備和設(shè)施，但是大多數(shù)中小企業(yè)仍在使用許多過時的技術(shù)和設(shè)備，大量的生產(chǎn)線為半機(jī)械化和半自動化控制，一些甚至為手工操作。行業(yè)分布電鍍企業(yè)集中分布在一些工業(yè)部門：33.8%的電鍍企業(yè)分布在機(jī)器制造工業(yè)，20.2%在輕工業(yè)，5-10%在電子工業(yè)，其余主要分布

18、在航空、航天及儀器儀表工業(yè)。鍍種構(gòu)成我國電鍍加工中涉及最廣的是鍍鋅，鍍銅、鎳、鉻，其中鍍鋅占4550%，鍍銅、鎳、鉻占30%，氧化鋁和陽極化膜占15%，電子產(chǎn)品鍍鉛/錫、金約占5%。2.存在的問題由于長期以來沒有一個政府部門專門負(fù)責(zé)管理電鍍工業(yè)，電鍍工業(yè)的分布和發(fā)展缺少總體的、完整的規(guī)劃。由于廠點多、規(guī)模小、專業(yè)化程度低，造成生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟(jì)效益差，大多數(shù)國有電鍍企業(yè)均面臨虧損。對電鍍工業(yè)的投入不夠。在過去十年中，對電鍍工業(yè)的投資有限，用于技術(shù)改造和技術(shù)引進(jìn)的投資更是十分缺乏，限制了電鍍工業(yè)技術(shù)的更新和發(fā)展。對引進(jìn)技術(shù)缺乏完整的吸收和推廣，導(dǎo)致不必要的重復(fù)引進(jìn)和資金浪費，尤其是在電鍍用的添加劑

19、和專用化學(xué)品方面。由于缺乏專業(yè)性訓(xùn)練和在崗培訓(xùn)，生產(chǎn)工人的技術(shù)水平較低。企業(yè)管理水平低，絕大部分電鍍企業(yè)仍沿襲粗放型經(jīng)營管理模式，適應(yīng)市場變化能力差。除部分合資企業(yè)和出口企業(yè)外，大部分企業(yè)沒有健全的工業(yè)管理體系，多數(shù)企業(yè)缺乏鍍液分析和鍍層檢測儀器和技術(shù)力量。物耗高，效率低，絕大多數(shù)電鍍企業(yè)的物耗、水耗都大大超過國外平均水平。3.經(jīng)濟(jì)狀況和市場前景八十年代以來，電鍍企業(yè)數(shù)量增長很快，而與此同時，部分電鍍產(chǎn)品市場逐步被塑料制品和涂料制品取代，使得生產(chǎn)能力增加和市場需求減少之間的矛盾變得更加尖銳。預(yù)計在近期內(nèi)，電鍍產(chǎn)品的市場總需求將保持相對穩(wěn)定，應(yīng)盡快削減本行業(yè)過剩的生產(chǎn)能力，在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。

20、未來我國電鍍工業(yè)的發(fā)展趨勢基本可歸納為以下四點：(1) 裝飾性和高抗蝕性工藝技術(shù)將不斷發(fā)展。我國隨著汽車、電子、家用電器、航空、航天工業(yè)、 建筑工業(yè)及相應(yīng)的裝飾工業(yè)的發(fā)展和人們對美化生活需求的提高, 對電鍍產(chǎn)品的裝飾性和抗蝕性的需求將有明顯的增加；(2) 某些傳統(tǒng)裝飾性電鍍可能被噴涂、物理氣相沉積等取代，功能性電鍍產(chǎn)品需求則有上升的趨勢；(3) 某些污染嚴(yán)重的電鍍工藝，可能被清潔的電鍍工業(yè)所取代，如無氰電鍍、 三價鉻鍍鉻、代鎘、代鉻鍍層將有上升的趨勢；(4) 某些性能好、無污染的表面工程的高新技術(shù)將會進(jìn)入我國市場，如達(dá)克羅(Dacrotized)涂層,克羅賽(Corrosil)工藝等。4.總體環(huán)境表現(xiàn)電鍍行業(yè)的污染狀況令人擔(dān)憂。據(jù)估計，本行業(yè)每年排放大量的污染物，包括4億噸含重金屬廢水、50000噸固體廢物和3000萬立方米酸性氣體。目前70- 80的國有電鍍廠建立了污染控制設(shè)施，然而大部分處理設(shè)施已經(jīng)過期而不能正常運轉(zhuǎn)（城市中只有50的設(shè)施能運轉(zhuǎn)，農(nóng)村地區(qū)更低，只有25）。而大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)電鍍企業(yè)則幾乎沒有采取任何污染控制措施。在過去幾十年中，我國對末