表面工程--复合电镀

4.7CompositeElectroplatingTechnology（复合电镀）,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,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。,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。,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,Surfacemorphonogiesofthecoatings,Fig.1Ni-WalloyFig.2Ni-W-SiCcompositecoating,Surfacemorphonogiesofthecoatings,(a)Ni-W-P-B4C(b)Ni-W-P-B4C-PTFE,（SEM400）,SurfacemorphologiesofNi-W-P-SiCcomposite,a.DCcoatingb.f=50Hz，r=0.2,（SEM1000）,SurfacemorphologiesofRE-Ni-W-P-SiCcoatings,a.DCcoatingb.f=50Hz，r=0.4,（SEM1000）,SurfacemorphologiesofRE-Ni-W-P-SiC-MoS2coatings,a.DCcoatingb.f=33Hz，r=0.9,（SEM1000）,SurfacemorphologyofSS/PbO2-WC-ZrO2compositeelectrodematerials,Surfacemorphologyofelectrodes,(a)purePbelectrode,Surfacemorphologyofelectrodes,(b)directcurrentPb-WC-PANIcompositeelectrode,Surfacemorphologyofelectrodes,(c)pulsePb-WC-PANIcompositeelectrode,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5001000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。,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050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。,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,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,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0.110um的粒子，但以0.53um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。,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,复合电镀中某些基质金属的性质,固体微粒的性质,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1020的NaOH溶液中煮沸510min后水洗数遍，再用1015的HCl(或H2SO4)溶液中和；酸处理:在6080C的2025HCl溶液中加热1030min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。,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,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。,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。,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。,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。,制备Co-Cr3C2,Co-Cr2O3复合镀层的工艺规范如下：,Co-Cr3C2Co-Cr2O3CoSO4.7H2O430470g/l500g/lNaCl1520g/l15g/lH3BO32535g/l35g/lCr3C2(24um)350550g/l/Co-Cr2O3(110um)/200250g/lpH4.55.24.7Temp.5060oC50oCDk46A/dm237A/dm2,2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/dm2T305045PH12.5-13.54.2,3耐磨性复合镀层,Ni-W-B-SiCNiCl2.6H2O30g/lNa2WO4.2H2O40-60g/LComplexagent(GZ-1)40120g/lComplexagent(GZ-2)060g/lKBH41.53.5g/lSiC(size3.03.5m)70g/lCurrentdensity(Dk)39A/dm2pH13.5Temp.3060,4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