電化學(xué)原理在金屬表面處理中的應(yīng)用

1、電化學(xué)原理在金屬表面處理中的應(yīng)用車輛工程02班 20132540 張博軒一、 金屬表面處理的應(yīng)用 金屬的表面處理有兩個(gè)方面，一方面是表面防護(hù)，是為防止將金屬腐蝕而采用各種防護(hù)方法，常用的表面防護(hù)方法有表面涂層和表面轉(zhuǎn)化膜工藝。另一方面是金屬的表面改性，也稱表面優(yōu)化，改變材料表面以及近表面的組分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，從而獲得傳統(tǒng)冶金和表面層處理技術(shù)無(wú)法得到的心薄層材料，或者使傳統(tǒng)材料具有更好的性能。二、 電鍍的原理 電鍍時(shí)，鍍層金屬或其他不溶性材料做陽(yáng)極，待鍍的工件做陰極，鍍層金屬的陽(yáng)離子在待鍍工件表面被還原形成鍍層。為排除其它陽(yáng)離子的干擾，且使鍍層均勻、牢固，需用含鍍層金屬陽(yáng)離子的溶液做電鍍液，以保持

2、鍍層金屬陽(yáng)離子的濃度不變。電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層，改變基材表面性質(zhì)或尺寸。電鍍能增強(qiáng)金屬的抗腐蝕性(鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬)、增加硬度、防止磨耗、提高導(dǎo)電性、光滑性、耐熱性和表面美觀。電鍍需要一個(gè)向電鍍槽供電的低壓大電流電源以及由電鍍液、待鍍零件(陰極)和陽(yáng)極構(gòu)成的電解裝置。其中電鍍液成分視鍍層不同而不同，但均含有提供金屬離子的主鹽，能絡(luò)合主鹽中金屬離子形成絡(luò)合物的絡(luò)合劑，用于穩(wěn)定溶液酸堿度的緩沖劑，陽(yáng)極活化劑和特殊添加物(如光亮劑、晶粒細(xì)化劑、整平劑、潤(rùn)濕劑、應(yīng)力消除劑和抑霧劑等)。電鍍過(guò)程是鍍液中的金屬離子在外電場(chǎng)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(guò)

3、程。因此，這是一個(gè)包括液相傳質(zhì)、電化學(xué)反應(yīng)和電結(jié)晶等步驟的金屬電沉積過(guò)程。 在盛有電鍍液的鍍槽中，經(jīng)過(guò)清理和特殊預(yù)處理的待鍍件作為陰極，用鍍覆金屬制成陽(yáng)極，兩極分別與直流電源的負(fù)極和正極聯(lián)接。電鍍液由含有鍍覆金屬的化合物、導(dǎo)電的鹽類、緩沖劑、pH調(diào)節(jié)劑和添加劑等的水溶液組成。通電后，電鍍液中的金屬離子，在電位差的作用下移動(dòng)到陰極上形成鍍層。陽(yáng)極的金屬形成金屬離子進(jìn)入電鍍液，以保持被鍍覆的金屬離子的濃度。在有些情況下，如鍍鉻，是采用鉛、鉛銻合金制成的不溶性陽(yáng)極，它只起傳遞電子、導(dǎo)通電流的作用。電解液中的鉻離子濃度，需依靠定期地向鍍液中加入鉻化合物來(lái)維持。電鍍時(shí)，陽(yáng)極材料的質(zhì)量、電鍍液的成分、溫度

4、、電流密度、通電時(shí)間、攪拌強(qiáng)度、析出的雜質(zhì)、電源波形等都會(huì)影響鍍層的質(zhì)量，需要適時(shí)進(jìn)行控制。首先電鍍液有六個(gè)要素：主鹽、附加鹽、絡(luò)合劑、緩沖劑、陽(yáng)極活化劑和添加劑。電鍍?cè)戆膫€(gè)方面：電鍍液、電鍍反應(yīng)、電極與反應(yīng)原理、金屬的電沉積過(guò)程。三、電拋光電拋光是利用電化學(xué)作用，使金屬零件表面平整而有光澤的工藝。電拋光也稱電化學(xué)拋光或電解拋光。為金屬表面精加工的一種方法。它是以懸掛在電解槽中的金屬制品為陽(yáng)極，于特定條件下電解，通過(guò)陽(yáng)極金屬的溶解，以消除制品表面的細(xì)微不平，使之具有鏡面般光澤外觀的過(guò)程。常用這種方法提高鋁及其合金、碳鋼、不銹鋼以及其他有色金屬表面的光潔度，來(lái)滿足某些部件工作條件中的需要（

5、例如需要降低表面的摩擦系數(shù)、要求精密的公差配合等）和改善金屬制品的裝飾性外觀。電拋光還可以除去金屬表面上的某些機(jī)械損傷。與機(jī)械拋光相比，電拋光加工后的表面無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生。但是，過(guò)于粗糙的表面，不宜于直接進(jìn)行電拋光。電拋光時(shí),電流在作為陽(yáng)極的金屬制品表面流過(guò),將會(huì)在表面上形成氧化膜、鹽膜或氧的吸附層等，使陽(yáng)極的金屬溶解速率急劇下降，即處于鈍化狀態(tài)。但這種鈍化膜層又有可能在電解液中溶解，而使陽(yáng)極重新活化。在某一電流密度下，金屬鈍化與金屬溶解在交替地進(jìn)行著。金屬表面上凸起部分鈍化的穩(wěn)定性低于凹陷部分，溶解速率較高。于是凹陷部分受到保護(hù)，而凸起部分優(yōu)先溶解，遂對(duì)金屬制品表面起到了整平與出光的作用。不過(guò)電拋

6、光理論仍然是不夠成熟的。電拋光用的陰極只起傳遞電流的作用。對(duì)陰極材料的主要要求是它們?cè)陔娊庖褐械幕瘜W(xué)穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)和導(dǎo)電能力強(qiáng)。常用鉛、銅、不銹鋼等作陰極。四、電解加工基于電解過(guò)程中的陽(yáng)極溶解原理并借助于成型的陰極，將工件按一定形狀和尺寸加工成型的一種工藝方法，稱為電解加工其加工系統(tǒng)如圖所示。但為了能實(shí)現(xiàn)尺寸、形狀加工，還必須具備下列特定工藝條件：（1）工件陽(yáng)極和工具陰極（大多為成型工具陰極）間保持很小的間隙（稱作加工間隙），一般在0.1-1mm范圍內(nèi)。（2）電解液從加工間隙中不斷高速（6-30m/s）流過(guò)，以保證帶走陽(yáng)極溶解產(chǎn)物和電解電流通過(guò)電解液時(shí)所產(chǎn)生的熱量，并去極化。（3）工件陽(yáng)

7、極和工具陰極分別和直流電源（一般為10-24V）連接，在上述兩項(xiàng)工藝條件下，則通過(guò)兩極加工間隙的電流密度很高，高達(dá)10-100A/cm2數(shù)量級(jí)。(4) 工件上與工具陰極凸起部位的對(duì)應(yīng)處比其他部位溶解更快。隨著工具陰極不斷緩慢地向工件進(jìn)給，工件不斷地按工具端部的型面溶解，電解產(chǎn)物不斷被高速流動(dòng)的電解液帶走，最終工具的形成狀就“復(fù)制”在工件上。五、陽(yáng)極氧化陽(yáng)極氧化（anodic oxidation）：金屬或合金的電化學(xué)氧化。鋁及其合金在相應(yīng)的電解液和特定的工藝條件下，由于外加電流的作用下，在鋁制品（陽(yáng)極）上形成一層氧化膜的過(guò)程。陽(yáng)極氧化如果沒(méi)有特別指明，通常是指硫酸陽(yáng)極氧化。為了克服鋁合金表面硬度

8、、耐磨損性等方面的缺陷，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，延長(zhǎng)使用壽命，表面處理技術(shù)成為鋁合金使用中不可缺少的一環(huán)，而陽(yáng)極氧化技術(shù)是目前應(yīng)用最廣且最成功的。所謂鋁的陽(yáng)極氧化是一種電解氧化過(guò)程，在該過(guò)程中，鋁和鋁合金的表面通常轉(zhuǎn)化為一層氧化膜，這層氧化膜具有保護(hù)性、裝飾性以及一些其他的功能特性。從這個(gè)定義出發(fā)的鋁的陽(yáng)極氧化，只包括生成陽(yáng)極氧化膜這一部分工藝過(guò)程。將金屬或合金的制件作為陽(yáng)極，采用電解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金屬氧化物薄膜改變了表面狀態(tài)和性能，如表面著色，提高耐腐蝕性、增強(qiáng)耐磨性及硬度，保護(hù)金屬表面等。例如鋁陽(yáng)極氧化，將鋁及其合金置于相應(yīng)電解液(如硫酸、鉻酸、草酸等)中作為陽(yáng)極，在特定條件和外加電

9、流作用下，進(jìn)行電解。陽(yáng)極的鋁或其合金氧化 ，表面上形成氧化鋁薄層 ，其厚度為530微米 ，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜可達(dá)25150微米 。陽(yáng)極氧化后的鋁或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可達(dá)250500千克/平方毫米，良好的耐熱性 ，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜熔點(diǎn)高達(dá)2320K ，優(yōu)良的絕緣性 ，耐擊穿電壓高達(dá)2000V ，增強(qiáng)了抗腐蝕性能 ，在=0.03NaCl鹽霧中經(jīng)幾千小時(shí)不腐蝕。氧化膜薄層中具有大量的微孔，可吸附各種潤(rùn)滑劑，適合制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力強(qiáng)可著色成各種美觀艷麗的色彩。有色金屬或其合金（如鋁、鎂及其合金等）都可進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，這種方法廣泛用于機(jī)械零件，飛機(jī)汽車部件，精密儀器及無(wú)線電器材，日用品和建筑裝飾等方面。一般來(lái)講陽(yáng)極都是用鋁或者鋁合金當(dāng)作陽(yáng)極，陰極則選取鉛板，把鋁和鉛板一起放在水溶液，這里面有硫酸、草酸、鉻酸等，進(jìn)行電解，讓鋁和鉛板的表面形成一種氧化膜。在這些酸中，最為廣泛的是用硫酸進(jìn)行的陽(yáng)極氧化。六、參考文獻(xiàn)1趙文軫, 材料表面工程導(dǎo)論M. 西安: 西安交通大學(xué)出版社,