第二章電鍍相關(guān)知識

2023/9/21電鍍原理：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，形成鍍層.目的：改善材料外觀，提高材料的各種物理化學(xué)性能，賦予材料表面特殊的耐蝕性、耐磨性、裝飾性、焊接性及電、磁、光學(xué)性能等。鍍層厚度：一般為幾微米到幾十微米。特點(diǎn)：電鍍工藝設(shè)備較簡單，操作條件易于控制，鍍層材料廣泛，成本較低，因而在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，是材料表面處理的重要方法。2023/9/22鎖具、燈飾與裝飾五金的電鍍鎖具、燈飾、裝飾五金的電鍍加工約有40～50%出口美國、西歐等地，高檔鎖具的電鍍加工過去幾乎被廣東中山小欖，以固力、華鋒的大企制鎖企業(yè)和溫州的高檔鎖具、燈飾、裝飾五金電鍍所包攬?，F(xiàn)在江蘇的無錫、昆山；山東青島等地都有高檔加工。浙江的永康上升最快，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)、沿海地區(qū)，對國際市場電鍍加工的需求了解快，反應(yīng)快，因此對新鍍種、新工藝接受快、實(shí)踐也快，各種槍黑色、珍珠黑的合金，多類粒度的沙面鎳、多種色調(diào)的電鍍應(yīng)用十分流行。鎖具、燈飾、裝飾五金件的基材大多為鋅合金、鋼鐵件和銅件，還有非鐵金屬，如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料電鍍前，必須經(jīng)過特殊的活化和敏化處理。典型電鍍工藝如下：（一）ABS/PC塑料電鍍工藝流程除油→親水→預(yù)粗化（PC≥50%）→粗化→中和→整面→活化→解膠→化學(xué)沉鎳→鍍焦銅→鍍酸銅→鍍半亮鎳→鍍高硫鎳→鍍亮鎳→鍍封→鍍鉻（二）鋅基合金壓鑄件拋光→三氯乙烯除脂→上掛→化學(xué)除油→水洗→超聲波清洗→水洗→電解除油→水洗→酸鹽活化→水洗→預(yù)鍍堿銅→回收→水洗→H2SO4中和→水洗→焦磷酸鹽鍍銅→回收→水洗→H2SO4活化→水洗→酸性光亮銅→回收→水洗→a)或其他（b到e）a)鍍黑鎳（或槍黑）→水洗→干燥→拉絲→噴漆→（紅古銅）b)→鍍光亮鎳→回收→水洗→鍍鉻→回收→水洗→干燥c)→仿金→回收→水洗→干燥→噴漆→干燥d)→仿金→回收→水洗→鍍黑鎳→水洗→干燥→拉絲→噴漆→干燥→（青古銅）e)→鍍珍珠鎳→水洗→鍍鉻→回收→水洗→干燥（三）鋼鐵件（銅件）拋光→超聲波清洗→上掛→化學(xué)除油→陰極電解除油→陽極電解除油→水洗→鹽酸活化→水洗→預(yù)鍍堿銅→回收→水洗→H2SO4中和→水洗→酸性光亮銅→回收→水洗→H2SO4活化→水洗（紅古銅、鍍鉻、仿金、青古銅、珍珠鎳工藝與鋅基合金件相同）（四）鋅合金件：拋光→三氯乙烯除脂→上掛→化學(xué)除油→水洗→超聲波清洗→水洗→電解除油→水洗→酸鹽活化→水洗→預(yù)鍍堿銅→回收→水洗→H2SO4中和→水洗→焦磷酸鍍銅→回收→水洗→H2SO4活化→水洗→酸性光亮銅→回收→水洗→干燥→下掛→拋光→除臘→水洗→鍍堿銅→回收→水洗→H2SO4中和→水洗→鍍光亮鎳（有些要求高，也用多層Ni）→回收→水洗×3→鍍鉻→回收→水洗×3→干燥厚度要求：Cu20～25μmNi12～15μmCr0.25～0.3μm中性鹽霧96小時(shí)以上。2023/9/252.1鍍層分類鍍層種類很多按使用性能可分為9種①防護(hù)性鍍層：例如鋅、鋅-鎳、鎳、鎘、錫等鍍層，作為耐大氣及各種腐蝕環(huán)境的防腐蝕鍍層。②防護(hù)-裝飾性鍍層：例如Cu-Ni-Cr鍍層等，既有裝飾性，亦有防護(hù)性。③裝飾性鍍層：例如Au及Cu—Zn仿金鍍層、黑鉻、黑鎳鍍層等。④耐磨和減磨鍍層：例如硬鉻，松孔鍍，Ni—SiC，Ni-石墨，Ni-PTFE復(fù)合鍍層等。2023/9/26⑤電性能鍍層：例如Au，Ag鍍層等，既有高的導(dǎo)電率，又可防氧化，避免增加接觸電阻。⑥磁性能鍍層：例如軟磁性能鍍層有Ni-Fe，F(xiàn)e-Co鍍層；硬磁性能有Co-P，Co-Ni，Co-Ni-P等。⑦可焊性鍍層：例如Sn-Pb，Cu，Sn，Ag等鍍層?？筛纳瓶珊感裕陔娮庸I(yè)中廣泛應(yīng)用。⑧耐熱鍍層：例如Ni-W，Ni，Cr鍍層，熔點(diǎn)高，耐高溫。⑨修復(fù)用鍍層：一些造價(jià)較高的易磨損件，或加工超差件，采用電鍍修復(fù)尺寸，可節(jié)約成本，延長使用壽命。例如可電鍍Ni，Cr，F(xiàn)e層進(jìn)行修復(fù)。2023/9/27若按鍍層與基體金屬之間的電化學(xué)性質(zhì)可分為：陽極性鍍層和陰極性鍍層：凡鍍層相對于基體金屬的電位為負(fù)時(shí)，鍍層是陽極，稱陽極性鍍層，如鋼上的鍍鋅層。而鍍層相對于基體金屬的電位為正時(shí)，鍍層呈陰極，稱陰極性鍍層，如鋼上的鍍鎳層、鍍錫層等。

2023/9/28若按鍍層的組合形式分，鍍層可分為：單層鍍層，如Zn或Cu層；多層金屬鍍層，例如Cu-Sn/Cr，Cu／Ni／Cr鍍層等；復(fù)合鍍層，如Ni-Al2O3，Co-SiC等。若按鍍層成分分類，可分為：單一金屬鍍層、合金鍍層及復(fù)合鍍層。

2023/9/29如何合理選用鍍層不同成分及不同組合方式的鍍層具有不同的性能。如何合理選用鍍層，其基本原則與通常的選材原則大致相似。首先要了解鍍層是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役條件及使用性能要求，選用適當(dāng)?shù)腻儗?，還要按基材的種類和性質(zhì)，選用相匹配的鍍層。例如陽極性或陰極性鍍層，特別是當(dāng)鍍層與不同金屬零件接觸時(shí)，更要考慮鍍層與接觸金屬的電極電位差對耐蝕性的影響，或摩擦副是否匹配。另外要依據(jù)零件加工工藝選用適當(dāng)?shù)腻儗?。例如鋁合金鍍鎳層，鍍后常需通過熱處理提高結(jié)合力，若是時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，鍍后熱處理將會造成過時(shí)效。此外，要考慮鍍覆工藝的經(jīng)濟(jì)性。2023/9/2102.2電鍍的基本原理電鍍是指在直流電的作用下，電解液中的金屬離子還原，并沉積到零件表面形成有一定性能的金屬鍍層的過程。電解液主要是水溶液，也有有機(jī)溶液和熔融鹽。從水溶液和有機(jī)溶液中電鍍稱為濕法電鍍，從熔融鹽中電鍍稱為熔融鹽電鍍。非水溶液、熔融鹽電鍍雖已部分獲得工業(yè)化應(yīng)用，但不普遍。

2023/9/2112.2.1電鍍?nèi)芤?/p>

一種電鍍?nèi)芤河泄潭ǖ某煞趾秃恳?，使之達(dá)到一定的化學(xué)平衡，具有所要求的電化學(xué)性能，才能獲得良好的鍍層。通常鍍液由如下成分構(gòu)成。1.

主鹽。沉積金屬的鹽類，有單鹽，如硫酸銅、硫酸鎳等；有絡(luò)鹽，如鋅酸鈉、氰鋅酸鈉等。2.

配合劑。配合劑與沉積金屬離子形成配合物，改變鍍液的電化學(xué)性質(zhì)和金屬離子沉積的電極過程，對鍍層質(zhì)量有很大影響，是鍍液的重要成分。常用配合劑有氰化物、氫氧化物、焦磷酸鹽、酒石酸鹽、氨三乙酸、檸檬酸等。3.

導(dǎo)電鹽。其作用是提高鍍液的導(dǎo)電能力，降低槽端電壓提高工藝電流密度.例如鍍鎳液中加入Na2SO4。導(dǎo)電鹽不參加電極反應(yīng)，酸或堿類也可作為導(dǎo)電物質(zhì)。2023/9/2124.

緩沖劑。在弱酸或弱堿性鍍液中，pH值是重要的工藝參量。加入緩沖劑，使鍍液具有自行調(diào)節(jié)pH值能力，以便在施鍍過程中保持pH值穩(wěn)定。緩沖劑要有足夠量才有較好的效果，一般加入30～40g／L，例如氯化鉀鍍鋅溶液中的硼酸。5.

陽極活化劑。在電鍍過程中金屬離子被不斷消耗，多數(shù)鍍液依靠可溶性陽極來補(bǔ)充，使金屬的陰極析出量與陽極溶解量相等，保持鍍液成分平衡。加入活性劑能維持陽極活性狀態(tài)，不會發(fā)生鈍化，保持正常溶解反應(yīng)。例如鍍鎳液中必須加入Cl-，以防止鎳陽極鈍化。2023/9/2136.

鍍液穩(wěn)定劑。許多金屬鹽容易發(fā)生水解，而許多金屬的氫氧化物是不溶性的。生成金屬的氫氧化物沉淀，使溶液中的金屬離子大量減少，電鍍過程電流無法增大，鍍層容易燒焦。7.

特殊添加劑。為改善鍍液性能和提高鍍層質(zhì)量，常需加入某種特殊添加劑。其加入量較少，一般只有幾克每升，但效果顯著。這類添加劑種類繁多，按其作用可分為：2023/9/214特殊添加劑光亮劑——可提高鍍層的光亮度。晶粒細(xì)化劑——能改變鍍層的結(jié)晶狀況，細(xì)化晶粒，使鍍層致密。例如鋅酸鹽鍍鋅液中，添加環(huán)氧氯丙烷與胺類的縮合物之類的添加劑，鍍層就可從海綿狀變?yōu)橹旅芏饬?。整平劑——可改善鍍液微觀分散能力，使基體顯微粗糙表面變平整。潤濕劑——可以降低金屬與溶液的界面張力，使鍍層與基體更好地附著，減少針孔。應(yīng)力消除劑——可降低鍍層應(yīng)力。鍍層硬化劑——可提高鍍層硬度。掩蔽劑——可消除微量雜質(zhì)的影響。2023/9/2152.2.2金屬的電鍍過程

當(dāng)直流電通過兩電極及兩極間含金屬離子的電解液時(shí)，金屬離子在陰極上還原沉積成鍍層，而陽極氧化將金屬轉(zhuǎn)移為離子。

如圖所示，在硫酸銅溶液中插入兩個(gè)銅板，并與直流電源相接，當(dāng)施加一定電壓時(shí)，兩極就發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

Cu2+(溶液內(nèi)部)→Cu2+（陰極表面）Cu2+（陰極表面）+2e-→Cu(金屬)圖電鍍槽中電化學(xué)反應(yīng)示意圖

2023/9/2162.3影響電鍍層質(zhì)量的基本因素

電鍍層的質(zhì)量體現(xiàn)于它的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能、組織特征、表面特征、孔隙率、結(jié)合力和殘余內(nèi)應(yīng)力等方面。這些特性除取決于鍍層金屬的本性外，還受到鍍液、電鍍規(guī)范、基體金屬及前處理工藝等的影響。

2023/9/2172.3.1鍍液的影響鍍液的各種成分對鍍層質(zhì)量都有直接和間接的影響。①配離子的作用:

配離子使陰極極化作用增強(qiáng)，所以鍍層比較致密，鍍液的分散能力也較好，整平能力較高。②主鹽濃度的影響:

主鹽濃度增大，濃差極化降低，導(dǎo)致結(jié)晶形核速率降低，所得組織較粗大。這種作用在電化學(xué)極化不顯著的單鹽鍍液中更為明顯。③附加鹽的作用:除可提高鍍液的電導(dǎo)性外，還可增強(qiáng)陰極極化能力，有利于獲得細(xì)晶的鍍層。④添加劑的作用:添加劑在鍍液中的作用有兩種主要方式：其一，形成膠體吸附在金屬離子上，阻礙金屬離子放電，增大陰極極化作用；其二，吸附在陰極表面上，阻礙金屬離子在陰極表面上放電，或阻礙放電離子的擴(kuò)散，影響沉積結(jié)晶過程，并提高陰極極化作用。添加劑能改善鍍層組織，表面形態(tài)，物理、化學(xué)和力學(xué)性能。2023/9/2182.3.2電鍍規(guī)范的影響①電流密度的影響:

每種鍍液有它最佳的電流密度范圍。提高電流密度，必然增大陰極極化作用。使鍍層致密，鍍速升高。但電流密度過大，鍍層會被燒黑或燒焦；

電流密度過低，鍍層晶粒粗化，甚至不能沉積鍍層。②電流波形的影響:電流波形對鍍層質(zhì)量的影響，在某些鍍液中非常明顯。例如單相半波或全波整流用于鍍鉻時(shí)，鍍鉻層是灰黑色的。而三相全波整流的波形與穩(wěn)壓直流相似，它們的電鍍效果和質(zhì)量沒有明顯區(qū)別。2023/9/219③周期換向電流的作用:周期性地改變直流電流方向可適當(dāng)控制換向周期、電鍍時(shí)間和退鍍時(shí)間，可使鍍層均勻、平整、光亮。因?yàn)橥隋儠r(shí)，可去除劣質(zhì)鍍層和鍍件凸出處較厚的鍍層。④溫度的影響:

通常溫度升高，陰極極化作用降低，鍍層結(jié)晶粗大；但允許提高電流密度上限，并使陰極電流效率提高，改善鍍層韌性和鍍液的分散能力，減少鍍層吸氫量。不同的鍍液有其最佳溫度范圍。⑤攪拌的影響：攪拌增強(qiáng)電解液的流動，降低陰極的濃差極化，使鍍層結(jié)晶粗大，但攪拌允許提高電流密度，這可抵消降低濃差極化的作用，并提高生產(chǎn)率。攪拌還可增強(qiáng)整平劑的效果。2023/9/2202.3.3pH值及析氫的影響①pH值的影響：鍍液的pH值影響氫的放電電位，堿性夾雜物的沉淀，沉積金屬的配合物或水化物的組成，以及添加劑的吸附程度。pH值對硬度和應(yīng)力的影響，可能主要是通過夾雜物的性質(zhì)和分布起作用的。②析氫的影響：陰極上金屬沉積時(shí)，總伴隨著氫氣的析出。氫氣析出的原因是金屬離子的沉積電位較負(fù)，或者氫的析出過電位較低。氫的析出對鍍層質(zhì)量的影響是多方面的，其中以氫脆、針孔、起泡最為嚴(yán)重。2023/9/2212.3.4基體金屬對鍍層的影響①基體金屬性質(zhì)的影響:

鍍層的結(jié)合力與基體金屬的化學(xué)性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如果基體金屬電位負(fù)于沉積金屬電位，就難以獲得結(jié)合良好的鍍層，甚至不能沉積。若材料（如不銹鋼、鋁等）易于鈍化，不采取特殊活化措施也難以得到高結(jié)合力鍍層?；w材料與沉積金屬晶體結(jié)構(gòu)相匹配時(shí)，利于結(jié)晶初期的外延生長，易得到高結(jié)合力的鍍層。②表面加工狀態(tài)的影響:

鍍件表面過于粗糙、多孔、有裂紋，鍍層亦粗糙。在氣孔、裂紋區(qū)會產(chǎn)生黑色斑點(diǎn)，或鼓泡、剝落現(xiàn)象。鑄鐵表面的石墨有降低氫過電位的作用，氫易于在石墨位置析出，阻礙金屬沉積。2023/9/2222.3.5前處理的影響鍍件電鍍前，需對鍍件表面作精整和清理，去除毛刺、夾砂、殘?jiān)?。油脂、氧化皮、鈍化膜，使基體金屬露出潔凈、活性的晶體表面。這樣才能得到健全、致密、結(jié)合良好的鍍層。前處理不當(dāng)，將會導(dǎo)致鍍層起皮、剝落、鼓泡、毛刺、發(fā)花等缺陷。2023/9/2232.4合金電鍍兩種或兩種以上的元素共沉積所形成的鍍層為合金鍍層。通常其最小組分應(yīng)大于1％，而某些鍍層，合金含量雖少于1％，但對鍍層性能影響大，也可稱為合金鍍層。電鍍合金始于1835～1845年，與單金屬電鍍幾乎是同時(shí)開始。最早的合金鍍層是金、銀等貴金屬合金及Cu－Zn合金（黃銅）。到目前已研究過的電鍍合金體系已超過230多種，在工業(yè)上獲得應(yīng)用的約有30余種，比單金屬鍍層種類多。由于合金鍍層比單金屬鍍層具有許多獨(dú)特而優(yōu)異的性能，所以，長期以來，合金電鍍一直是電鍍技術(shù)的研究與開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。2023/9/2242.4.1電鍍合金的特點(diǎn)

電沉積合金與熱冶金合金相比有如下主要特點(diǎn)：（1）

容易獲得高熔點(diǎn)與低熔點(diǎn)金屬組成的合金，如Sn-Ni合金。（2）

可獲得熱熔相圖沒有的合金，如δ-銅錫合金。（3）容易獲得組織致密、性能優(yōu)異的非晶態(tài)合金，如Ni-P合金。（4）在相同合金成分下，電鍍合金與熱熔合金比，硬度高，延展性差2023/9/225合金鍍層有如下主要特點(diǎn)：與單金屬鍍層相比，合金鍍層有如下主要特點(diǎn)：（1）

合金鍍層結(jié)晶更細(xì)致，鍍層更平整、光亮。（2）

可以獲得非晶結(jié)構(gòu)鍍層，如Ni-P鍍層。（3）合金鍍層具有單金屬所沒有的特殊物理性能，例如導(dǎo)磁性、減摩性（自潤滑性）、釬焊性。（4）合金鍍層可具備比組成它們的單金屬層更耐磨、耐蝕、更耐高溫，并有更高硬度和強(qiáng)度。但延展性和韌性通常有所降低。（5）不能從水溶液中單獨(dú)電沉積的W，Mo，Ti，V等金屬可與鐵族元素（Fe，Co，Ni）共沉積形成合金。（6）

通過成分設(shè)計(jì)和工藝控制，可得到不同色調(diào)的合金鍍層，例如銀合金、彩色鍍鎳及仿金合金等，具有更好的裝飾效果。2023/9/2262.5復(fù)合鍍：是近二十多年才獲得重大發(fā)展的新工藝

復(fù)合鍍是將固體微粒子加入鍍液中與金屬或合金共沉積，形成一種金屬基的表面復(fù)合材料的過程。鍍層中，固體微粒均勻彌散地分布在基體中，故又稱為分散鍍或彌散鍍。任何金屬鍍層都可以成為復(fù)合鍍層的基體材料，但研究和應(yīng)用得較多的有鎳、銅、鐵、鈷、鉻、鋅、銀、金、鉛、鎳-磷、鎳-硼、鎳-鐵、鋁-錫、銅-錫等。固體微粒主要有金屬氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等無機(jī)化合物分散劑，尼龍、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等有機(jī)分散劑，石墨以及不溶于鍍液的金屬粉末都可作分散劑。由于固體粒子的共沉積，賦予鍍層一些特殊的功能，大大擴(kuò)大了鍍層的應(yīng)用范圍和效果。復(fù)合鍍層可用電鍍法和化學(xué)鍍法獲得，兩種方法各有特點(diǎn)，近年都在蓬勃發(fā)展。2023/9/2272.5.1復(fù)合鍍層的性能特點(diǎn)及應(yīng)用

復(fù)合鍍層的性能由鍍層金屬的特性和粒子特性共同決定。這里著重討論由于粒子性質(zhì)不同，引起鍍層性能最明顯變化的特點(diǎn)及其應(yīng)用。1．耐磨性鍍層將硬質(zhì)粒子加入到Ni，Co，Cr，Co-Ni，Ni-P，Ni-B等鍍層中，可大幅度地提高金屬或合金鍍層的耐磨性，例如Ni-P-SiC的耐磨性隨SiC含量增加而迅速升高（即磨損量減少）.

鍍層的硬度隨粒子含量及粒子硬度升高而升高。所以在耐磨性復(fù)合鍍層中加入的粒子大多選用金剛石，WC，Al2O3，ZrO2，TiC,SiC，Cr3C2等粒子。這種高耐磨性復(fù)合鍍層在中、高溫條件下更顯示其獨(dú)特的耐磨性能。在航空、機(jī)械。汽車等工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用。2023/9/2282.5.2減摩復(fù)合鍍層將剪切強(qiáng)度低,摩擦系數(shù)小的固體粒子加入到某些金屬和合金中，可形成具有自潤滑功能的減摩復(fù)合鍍層。常用Ni，Cu，Pb等作基體金屬，用石墨，氟化石墨，聚四氟乙烯(PTFE)，MoS2和六方氮化硼等作分散劑。例如

PTFE本身的摩擦系數(shù)僅為0.05，加入到Ni-P鍍層中形成Ni-P／PTFE復(fù)合鍍層，與淬火鋼配副對磨時(shí)，干摩擦系數(shù)為0.36～0.40，明顯低于Ni-P鍍層的摩擦系數(shù)（0.60～0.63）；當(dāng)這種復(fù)合鍍層相互對磨時(shí)，干摩擦系數(shù)僅為0.2。Ni-BN在800℃高溫下仍有很低的摩擦系數(shù)，可用于鋼廠的水平連鑄機(jī)上。在宇航、真空和無油潤滑的條件下，軸承、導(dǎo)軌等摩擦副是這類減摩復(fù)合鍍層充分發(fā)揮其自潤滑功能的地方。2023/9/2292.5.3

耐蝕復(fù)合鍍層通常，固體粒子加入鍍層中形成復(fù)合鍍層，鍍層的孔隙率會明顯增大。粒子量愈高，粒子愈粗，孔隙率愈高。這就降低陰極性鍍層的防護(hù)功能，耐蝕性降低。