表面技术概论-电镀

第四章电镀及化学镀,第四章电镀及化学镀,电镀概述,普通电镀,电刷镀,非金属电镀,合金电镀,化学镀,复合电镀,4.1电镀概述,电镀指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成具有一定性能的金属镀层的过程。,镀件+阴极；金属+阳极,电镀液+直流电=阴极析出,电化学反应：脱掉周围分子,电结晶：晶格形成,防护装饰性镀层,耐磨减磨镀层,电磁镀层:Au,Ag,导电抗氧化,可焊镀层：Cu，Sn，Ag,耐热镀层：Ni-W，耐高温,修复镀层：修复尺寸,普通镀层:如镀Zn或镀Cu层,合金镀层:如ZnNi层等,复合镀层:如NiAlO，CoSiC,挂镀：尺寸较大工件,滚镀：尺寸小批量大,连续镀：薄板、金属丝、带,工件,机械处理,化学处理,电化学处理,预镀,电镀,镀后处理,电镀工艺过程,表面粗糙度：磨光、抛光,去油脱脂：溶剂溶解、化学、电化学,除锈：机械、酸洗或电化学,活化处理：弱酸中侵蚀一段时间,钝化处理,除氢处理,镀前表面预处理工艺过程：,1.主盐：指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐，用于提供金属离子。,单盐：简单金属离子，结晶粗糙,络盐：金属的络离子，结晶细致,2.导电盐：指能提高溶液的电导率，对放电金属离子不起络合作用的碱金属或碱土金属的盐类。,镀液组成：,3.络合剂：在电镀生产中，一般将能络合主盐中金属离子的物质。,4.缓冲剂是指用来稳定溶液酸碱度的物质,普通电镀主要是指常规单金属电镀，以区别于复合电镀、合金电镀、电刷镀等。,用于电镀的单金属：Cr、Ni、Cu、Zn、Sn、Cd,不同覆层具有不同性质、用途，不同工艺也有不同特点：,铬是银灰色金属，在大气中具有强烈纯化能力，能经久不变色。铬有极高的硬度和优良的耐磨性、耐蚀性及耐热性，化学稳定性好。一般都有底层如镍层。,空气中加热到500，外观和硬度仍无明显的变化。,4.2普通电镀一、镀铬,1.装饰性镀铬：防止基体金属生锈和美化产品的外观，可用于金属材料和非金属材料，各种日用品中常见。,铬电镀层种类：,2.防护装饰性镀铬：目的：防止基体金属生锈和美化产品的外观应用：大量应用于汽车、摩托车、自行车、缝纫机、钟表、家用电器、医疗器械、仪器仪表、家具、办公用品以及日用五金等产品，也常用于非金属材料，最常见的是塑料制品。3.耐磨镀铬：目的是提高机械零件的硬度、耐磨、耐蚀和耐温等性能。,耐磨镀铬可以提高机械零件的硬度、耐磨、耐蚀和耐温等性能的镀层。,耐磨铬的应用非常广泛，如机械模具、塑料模具、玻璃模具、化工耐蚀阀门、发动机曲轴、汽缸活塞和活塞环、光学刻度尺、印刷滚筒、纺织印花滚筒、造纸滚筒以及工具、量具、切削刃具等。这些产品经过镀耐磨铬后，可以延长使用寿命。镀耐磨铬的另一个用途是修复磨损零件和切削过度的工件，使这些零件重复使用。,铬化合价有、三种，但价铬不稳定，镀铬大多以价和价的形式存在，目前国内多用6价铬溶液。,铬由于脆等原因，一般不做阳极，常用铬酐补充形成铬酸和重铬酸。,镍是银白色的金属，有良好的化学稳定性，耐碱但不耐酸，长期暴露易变色，一般作为镀铬的底层使用。标准电极电位高，仅提供机械保护。,二、镀镍,锌是银白色金属，在干燥空气中很稳定，能溶于酸、碱，可提供机械保护和电化学保护。,氰化物镀锌、锌酸盐镀锌、氯化物镀锌、硫酸盐镀锌。,三、镀锌,铜是玫瑰红色金属，在空气中容易氧化，失掉颜色和光泽，电极电位高，仅能做中间层，防腐、耐磨中不太常用。如镀铜铁丝。,四、镀铜,4.3合金电镀,合金电镀在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程，能获得单一金属无法获得镀层。塑料电镀铝合金，电镀铜合金。,容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金Sn-Ni,可获得热熔相图没有的合金如：铜锡合金,容易获得组织致密、性能优异的非晶态合金NiP,电镀合金与热熔合金相比，硬度高，延展性差,1.合金电镀与热冶金相比的特点,能获得单一金属所没有的特殊物理性能，如导磁性、减摩性、钎焊性,合金镀层结晶更细致，镀层更平整、光亮,可以获得非晶结构镀层,2.合金电镀与单金属电镀相比的特点,合金镀层可具备比组成他们的单金属层更耐磨、耐蚀，更耐高温，并有更高硬度和强度，但延展性和韧性通常有所降低,不能从水溶液中单独电镀的W,Mo,Ti,V等金属可与铁族元素（Fe,Co,Ni）共沉积形成合金,独特外观。通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调的合金镀层（如Ag合金，彩色镀Ni及仿金合金等）具有更好的装饰效果。,4.4复合电镀,复合电镀：用电镀方法使固体微粒与金属共沉积从而在基体上获得基质金属上弥散分布微粒结构的复合镀层。,连续相：金属相,分散相：固体颗粒,镍、钴、铬、铜、金、银；其次有铅、铁、铝、钛、铁镍合金、镍钴合金、铜锡合金、铅铝合金和镍合金等。,无机粒子：如氧化物、碳化物、硼化物、金刚石、石墨、氮化物等有机粒子：如聚四氟乙烯、尼龙、氨基甲醛树脂等。金属粒子：如镍粉、铝粉等,复合电镀条件：电镀的基本条件，复合微粒的性能,悬浮：颗粒均匀悬浮,颗粒大小：0.01-40微米，小结块、大沉积,稳定：不溶、不反应,表面状态：浸润，金属亲和性,复合电镀机理：复合电镀的过程,颗粒输运：颗粒向阴极输送，搅拌方法,颗粒黏附：机理比较复杂。,颗粒嵌入：颗粒被金属固定在金属中。,耐磨复合镀：硬度高的固体微粒作为分散剂与金属共沉积而得。基体：镍、铜、铁、钴、银、锌；颗粒：SiC，Al2O3，TiO2等。,镍基：汽缸表面,铜基：电触点,铁基：农机、交通、矿山设备,铬：纳米金刚石,减磨复合镀：将固体润滑剂颗粒加入镀液中共沉积而得。,层状颗粒：石墨、氟化石墨、云母、滑石；,高分子：聚四氟乙烯、尼龙等；,软金属：铜、镍、铁、钴等,氧化物、氟化物等,设备简单，携带方便，不需要大的渡槽设备；工艺简单，操作方便，凡镀笔能触及到的地方均可电镀，特别适用于不解体机件的现场维修和野外抢修；镀层种类多，与基体材料的结合力强，力学性能好，能满足各种维修性能的要求；沉积速度快，生产效率高，但必须采用高电流密度进行操作。刷镀液不含氰化物和剧毒药品，故操作安全，对环境污染小。,4.5电刷镀,电刷镀设备结构：电源、镀笔、阳极包裹、,阳极：不污染易于加工，高纯石墨、不锈钢等，形状根据镀件形状调整。阳极包裹多用一层脱脂棉套纱布。,4.6非金属电镀,非金属电镀：在非金属表面获得金属电镀层。,节约金属降低成本,提高生产率,减轻重量,非金属电镀前需要先金属化：物理涂覆或化学镀法,塑料电镀：提高表面强度；具有导电性、导磁性和可焊性；较高的化学稳定性，防止老化；表面金属光泽，美观且不易污染；减轻重量。,除油：化学、溶剂；,粗化：机械、化学、溶剂；,敏化：表面吸附催化剂,活化：还原得贵金属颗粒,还原：去除贵金属表面离子,化学镀和电镀,玻璃电镀：喷砂化学粗化烘干敏化活化化学镀电镀清洗涂银浆热扩散电镀,陶瓷电镀：喷砂化学粗化烘干敏化活化化学镀电镀,化学镀与电镀比较，具有如下优点：不需要外加直流电源设备。镀层致密，孔隙少。不存在电力线分布不均匀的影响，对几何形状复杂的镀件，也能获得厚度均匀的镀层；可在金属、非金属、半导体等各种不同基材上镀覆。,4.7化学镀,化学镀镍也称为无电镀镍，是一种不使用外电源，而利用还原剂使溶液中的镍离子在基体表面还原沉积的化学处理方法。化学镀镍是一个自催化的还原过程，基体表面及在其上析出的镍都具有自催化能力，使镀层能够不断增厚。,次磷酸钠化学镀镍用次磷酸钠作还原剂得到的是NiP（3%14%）合金。化学镀镍层硬度高、耐磨。刚镀出的镀层硬度一般为300600HV，最高可达700HV。含磷7%以上，在400热处理12h，硬度可达9001000维氏，耐磨效果很好。,化学镀镍层的组织结构和性能（1）化学镀镍层的组织结构镀层中磷含量一般为6%12%。在镀态下，当磷含量质量分数达到8.5%时呈非晶态，低于这一含量为微晶状态。晶体尺寸在1.411.9m范围内。,（1）化学镀镍层的组织结构镀层经热处理后，会发生结构和组织变化，220260加热，Ni3P化合物开始析出，并存在Ni2P，Ni5P2的过渡相。对非晶态合金，250（1h）开始晶化，约在320400完成晶化过程，温度升高，镍晶体开始长大。,（2）化学镀镍层的性能1）电磁学性能化学镀镍层的电阻率与含磷量有关，一般含磷越高，则电阻率越大。Ni-P镀层的电阻率为60120cm，纯镍为9.5cm。化学镀镍层的电阻率经热处理后会明显下降。,化学镀镍技术的用途(1)在航空工业中的应用化学镀镍施镀材料广泛，金属及合金、非金属材料、复合材料等都可选用不同的施镀参数进行施镀，从而改善原有材料的使用性能。目前，化学镀镍在航空工业中已获得了广泛的应用，国外已有许多成功的应用实例。,波音727型飞机的JT8D型喷气发动机，其价格昂贵，通过化学镀镍修复更新后，仍能使用。飞机发电机采用高磷化学镀镍镀制后，可使其使用寿命提高34倍。一些飞机的低碳钢发射架，采用化学镀镍镀制后，可代替不锈钢。镀镍层的外观与不锈钢相似。并且以极低的成本提供了相同的防腐和耐蚀能力。,在TF30型喷气发动机中，浸蚀磨损在油和燃料的管路上时常发生，经化学镀镍后，可延长其使用寿命。化学镀镍不仅可以改善钛起飞加速器导向杆的耐磨性，而且还可用来保护空气冷却涡轮机叶片的内部。,化学镀镍优良的耐蚀性、耐磨性和物理性能，符合航空零件的要求。它不仅可以保护铝材和钛材等轻金属表面和增加零件的表面光泽，而且是具有孔穴、凹坑的零件和复杂液体阀门等其它尺寸严格的零件上不可缺少的镀层。所以，随着航空工业的发展，化学镀镍将在实际应用中显示出极大的价值。,(4)在石油化学工业中的应用石油天然气开发是在非常严酷的环境中进行的，不仅材料暴露在盐水、二氧化碳、硫化氢或其它腐蚀性很强的介质中，而且介质的温度、压力和速度也对材料起着很大的破坏作用。,(4)在石油化学工业中的应用中东某油田，生产的原油含H2S（55%），温度为80，压力为20MPa。高含量的H2S引起严重腐蚀，未加保护层的球阀，最多使用三个月就失效。采用英国生产的镀有10mNi-P化学镀层的球阀后，使用两年未发现问题，其耐蚀能力超过不锈钢。,(4)在石油化学工业中的应用美国某地区250口油井的8000m管道，镀50m镍磷合金，在200、H2S和CO2浓度极高的状况下，成功地防护设备免于腐蚀，普通钢材经化学镀镍磷合金后，服役时间