表面工程--复合电镀ppt课件.ppt

4 7CompositeElectroplatingTechnology 复合电镀 1 4 7 1复合共沉积概念 复合共沉积是固体微粒均匀地分散在镀液中 在搅拌的条件下 通过电化学或化学过程使这些固体微粒与基质金属共沉积 从而获得某种具有特殊性能镀层的方法 2 4 7 2复合共沉积机理 带正电荷的微粒被高速流动的液体带到阴极表面附近后 在电场力的作用下 使带电的微粒穿过双电层吸附在阴极表面上 被金属基质镀层包入而形成复合镀层 SiC微粒与Ni W P合金共沉积的机理是 SiC微粒本身带负电荷 当加入到镀液中 它会吸附周围的正电荷 在流体动力学和电场力的作用下 迁移到阴极表面形成弱吸附 其次 到达阴极表面的SiC微粒在静电场力的作用下脱去水化膜与阴极直接接触而形成强吸附 第三 吸附到阴极表面的SiC微粒被Ni W P合金捕获一起沉积到镀层中 3 4 7 3复合电镀的特点 通过金属电沉积的方法 将一种或数种不溶性的固体颗粒 均匀地镶嵌到金属镀层中所形成的特殊镀层叫复合镀层 这种利用金属电沉积制备复合镀层的方法叫复合电镀 从定义可知 复合镀层也含有两种或两种以上的成分 基质 体 金属 即通过还原反应而形成镀层的那种金属 是一种均匀的连续相 不溶性固体颗粒 通常是不连续地分散于基质金属之中 组成一个不连续相 4 复合镀层属于金属基复合材料 如果不经过特殊的加工处理 基质金属和不溶性固体颗粒之间 在形式上是机械地混杂在一起 两者之间的相界面基本上是清晰的 几乎不发生相互扩散现象 但是它们可以获得基质金属与固体颗粒两类物质的综合性能 Ni W PRE Ni W P SiC 5 Surfacemorphonogiesofthecoatings Fig 1Ni WalloyFig 2Ni W SiCcompositecoating 6 Surfacemorphonogiesofthecoatings a Ni W P B4C b Ni W P B4C PTFE SEM 400 7 SurfacemorphologiesofNi W P SiCcomposite a DCcoatingb f 50Hz r 0 2 SEM 1000 8 SurfacemorphologiesofRE Ni W P SiCcoatings a DCcoatingb f 50Hz r 0 4 SEM 1000 9 SurfacemorphologiesofRE Ni W P SiC MoS2coatings a DCcoatingb f 33Hz r 0 9 SEM 1000 10 SurfacemorphologyofSS PbO2 WC ZrO2compositeelectrodematerials 11 Surfacemorphologyofelectrodes a purePbelectrode 12 Surfacemorphologyofelectrodes b directcurrentPb WC PANIcompositeelectrode 13 Surfacemorphologyofelectrodes c pulsePb WC PANIcompositeelectrode 14 与熔渗法 热挤压法 粉末冶金法相比 复合电镀具有明显的优越性 不需要高温即可获得复合镀层 用热加工法一般需要500 1000 或更高温度处理或烧结 故很难制取含有有机物的材料 而复合电镀法大多是在水溶液中进行 很少超过90 操作简单 成本低 大多数情况可在一般电镀设备 镀液 阳极 操作条件等基础上略加改造 主要是增加使固体颗粒在镀液中充分悬浮的措施等 就能用来制备复合镀层 15 同一基质金属可以方便地镶嵌一种或数种性质各异的固体颗粒 同一种固体颗粒也可以方便地镶嵌到不同的基质金属中 而且 改变固体颗粒与金属共沉积的条件 可使颗粒在复合镀层中的含量从0 50 或更高些的范围内变动 从而使镀层性质也发生相应的变化 可用廉价的基体材料镀上复合镀层 代替由贵重原材料制造的零部件 16 17 按基质金属可分为 如Ni基 Cu基 Ag基等 按固体颗粒可分为 无机物质 如金刚石 石墨 各种氧化物 Al2O3 ZrO2 碳化物 SiC B4C WC 硼化物 TiB2 颗粒等 有机物质 如聚四氟乙烯 氟化石墨 尼龙等 金属颗粒 如镍粉 铬粉 钨粉等 按复合镀层用途可分为 装饰 防护性复合镀层 功能性复合镀层 如具有机械功能的复合镀层 具有化学功能的复合镀层 具有电接触功能的复合镀层等 用作结构材料的复合镀层 具体如下表 4 7 4复合镀层的分类 18 19 要制备复合镀层 需满足下述基本条件 粒子在镀液中是充分稳定的 既不会发生任何化学反应 也不会促使镀液分解 粒子在镀液中要完全润湿 形成分散均匀的悬浮液 为此 离子都需经过亲水处理 特别是那些疏水粒子 更应作充分的亲水处理 并要降低镀液表面张力 这样才能形成悬浮性好的镀液 镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷 即利于粒子吸附阳离子表面活性剂及金属离子 4 7 5复合镀的条件 20 粒子的粒度要适当 粒子过粗 易于沉淀 且不易被沉积金属包覆 镀层粗糙 粒子过细 易于结团成块 不能均匀悬浮 通常使用0 1 10um的粒子 但以0 5 3um最好 要有适当的搅拌 这既是保持微粒均匀悬浮的必要措施 也是使粒子高效率输送到阴极表面并与阴极碰撞的必要条件 21 基质金属与固体微粒分散相的选择 应根据镀层的不同用途和性能要求来选择 目前国内外曾用于复合电镀的基质金属与分散粒子列于表所示 4 7 5复合电镀的工艺特点 22 23 复合电镀中某些基质金属的性质 24 固体微粒的性质 25 微粒的活化处理 保证微粒在镀液中润湿并均匀地悬浮 形成表面带有电荷的胶体微粒 活化处理主要有以下三种方法 碱处理 在10 20 的NaOH溶液中煮沸5 10min后水洗数遍 再用10 15 的HCl 或H2SO4 溶液中和 酸处理 在60 80 C的20 25 HCl溶液中加热10 30min后水洗数遍 表面活性剂处理 颗粒的悬浮方法 使固体微粒均匀地悬浮于电解液中是获得复合镀层的必要条件 搅拌可使颗粒均匀地悬浮于电解液中 搅拌方法 搅拌速度不同 微粒与金属的共沉积也不同 26 固体微粒在镀液中的载荷量 一般来说 在大多数复合镀层体系中 固体微粒在镀液中的载荷量 C V 增加 镀层中固体微粒的含量 V 也随之增加 但增加到一定的数值时 镀层中微粒的含量不再继续增加 有时甚至略有下降 4 7 6影响复合镀层中固体微粒含量的因素 27 电流密度的影响 电流密度的影响比较复杂 有三种情况 随电流密度提高 复合镀层中的微粒含量增加 随电流密度提高 复合镀层中的微粒含量减小 随电流密度提高 复合镀层中的微粒出现一极大值 28 PH值 PH值的影响也较为复杂 PH值对镀层中微粒含量没有影响 PH值下降 微粒在镀层中的含量下降 PH值下降 微粒在镀层中的含量上升 29 温度 温度对微粒的共沉积量影响不大 一般来说 随温度升高 微粒在阴极表面的物理吸附减弱 因而使微粒的共沉积量略有下降 其它如电流波形 超声波 磁场等也有一定影响 但不是主要的 30 4 7 7各种镀层的溶液组成 1 耐磨 耐高温氧化的复合镀层如Ni SiC Co Cr3C2 Cr SiC Co Cr2O3 Ni B4C RE Ni W P SiC RE Ni W B B4C MoS2等 这些复合镀层已在汽车工业如汽缸套 石油地质勘探业如钻头 机械加工业如复合刀具 造船工业如发动机缸体及刚体 航空工业如飞机的起落架 以及电子 宇航工业中得到应用 31 制备Co Cr3C2 Co Cr2O3复合镀层的工艺规范如下 Co Cr3C2Co Cr2O3CoSO4 7H2O430 470g l500g lNaCl15 20g l15g lH3BO325 35g l35g lCr3C2 2 4um 350 550g l Co Cr2O3 1 10um 200 250g lpH4 5 5 24 7Temp 50 60oC50oCDk4 6A dm23 7A dm2 32 2 自润滑性镀层 如Cu MoS2 Ni PTFE Ni 石墨 Ni 氟化石墨等 主要用于橡胶 塑料模具以及金属电铸 提高其脱模性能 镀液组成及工艺条件 RE Ni W B B4C MoS2Ni PTFENiCl2 6H2O20 30g L45g lNiSO4 7H2O 280g l络合剂60 80g LH3BO340g l添加剂10 20g LPTFE 0 3um 50g lKBH42 3g LAdditive 115ml lNa2WO4 2H2O40 60g LAdditive 21ml lB4C40 60g LMoS210 20g LRE3 5g LDk5 104A dm2T30 5045 PH12 5 13 54 2 33 3 耐磨性复合镀层 Ni W B SiCNiCl2 6H2O30g lNa2WO4 2H2O40 60g LComplexagent GZ 1 40 120g lComplexagent GZ 2 0 60g lKBH41 5 3 5g lSiC size3 0 3 5 m 70g lCurrentdensity Dk 3 9A dm2pH13 5Temp 30 60 34 4 防护 装饰性复合镀层 Zn AlZnSO481g lZn OH 250g lAl OH 316g lH3BO330g lAlpowder30g lPH4 6 4 8Temp 40 45Dk15 30A dm2 Ni 荧光颜料复合镀层硫酸镍320