第四单元 电刷镀、化学镀、热浸镀

1、第四单元第四单元 金属表面镀层技术金属表面镀层技术一、电镀的分类：一、电镀的分类：挂挂 具具滚桶滚桶电电镀镀方方式式常规电镀常规电镀脉冲电镀脉冲电镀电刷镀电刷镀电电 铸铸滚滚 镀镀连续电镀连续电镀挂挂 镀镀自动挂镀线自动挂镀线滚滚 镀镀连续电镀连续电镀电刷镀电刷镀 电刷镀技术采用一专用的直流电刷镀技术采用一专用的直流电源设备，电源的正极接镀笔，作电源设备，电源的正极接镀笔，作为刷镀时的阳极，电源的负极接工为刷镀时的阳极，电源的负极接工件，作为刷镀时的阴极。镀笔通件，作为刷镀时的阴极。镀笔通常采用高纯细石墨块作阳极材料，常采用高纯细石墨块作阳极材料，石墨块外面包裹上棉花和耐磨的涤石墨块外面包裹上

2、棉花和耐磨的涤棉套。刷镀时使浸满镀液的镀笔以棉套。刷镀时使浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度在工件表面上一定的相对运动速度在工件表面上移动，并保持适当的压力。在镀笔移动，并保持适当的压力。在镀笔与工件接触的部位，镀液中的金属与工件接触的部位，镀液中的金属离子在电场力的作用下扩散到工件离子在电场力的作用下扩散到工件表面并在工件表面获得电子被还表面并在工件表面获得电子被还原成金属原子，这些金属原子在工原成金属原子，这些金属原子在工件表面沉积结晶，形成镀层。随着件表面沉积结晶，形成镀层。随着刷镀时间的增长，镀层逐渐增厚。刷镀时间的增长，镀层逐渐增厚。 电刷镀技术的特点：电刷镀技术的特点：(1)设备特

3、点电刷镀设备简单，体积小、重量轻，多为便携式或可移动式，使于现场使用或进行野外抢修。 电刷镀不需要镀槽，也不需要挂具，与槽镀相比较，设备量大大减少，因而对场地设施的要求大大降低。一套设备可以完成多个镀种的刷镀。（1）设备特点镀笔(阳极)材料主要采用高纯细石墨，是不溶性阳极。石墨的形状可根据需要制成各种样式，以适应被镀工件表面形状为宜。刷镀某些镀液时，也可以采用金属材料作阳极。电刷镀设备的用电量、用水量比槽镀少很多，可以节约能源、资源。刷镀设备及用具刷镀设备在现今的电镀厂也很普及，从简单的平台接触刷镀设备在现今的电镀厂也很普及，从简单的平台接触式，到三角模具点接触式，以及固定模具专用尺寸接式，到

4、三角模具点接触式，以及固定模具专用尺寸接触式。刷布材料有不织布、触式。刷布材料有不织布、PPPP混纱、羊毛混纱、羊毛等。刷布等。刷布厚度从厚度从13mm13mm适用于三角模具，刷布越薄扩散越小，适用于三角模具，刷布越薄扩散越小，但是容易破损。刷布越厚，接触面积越大，扩散就越但是容易破损。刷布越厚，接触面积越大，扩散就越大。刷镀是所有电镀方式中，搅拌效果最好的，因为大。刷镀是所有电镀方式中，搅拌效果最好的，因为它是用连续摩擦方式来消除氢气泡，所以刷镀的电流它是用连续摩擦方式来消除氢气泡，所以刷镀的电流密度很容易很高。使用刷镀上需注意几件事：第一就密度很容易很高。使用刷镀上需注意几件事：第一就是流

5、量，流量越大越好，黃金离子交换速度快，效率是流量，流量越大越好，黃金离子交换速度快，效率会很好，而且电流密度也可以更高。但是流量大就很会很好，而且电流密度也可以更高。但是流量大就很容易产生扩散多镀的问题，所以需使用抽真空模具，容易产生扩散多镀的问题，所以需使用抽真空模具，让多余的药水可以迅速抽走。让多余的药水可以迅速抽走。（2）镀液特点 电刷镀溶液大多数是金属有机络合物水溶液，络合物一般在水中溶解度大，并且稳定性好。因而镀液中金属离子含量通常比槽镀高几倍到几十倍。 不同镀液有不同的颜色，透明清晰，没有浑浊或沉淀现象，便于鉴别。 镀液性能稳定，使用范围较宽，在使用过程中不必调整金属离于浓度。(2

6、)镀液特点 不燃、不爆、无毒性，大多数镀液接近中性，腐蚀性小，因而具有安全可靠，便于运输和储存等优点。除金、银等个别镀液外均不采用有毒的结合剂和添加剂。现已研制出无氰金镀液。 镀液固化技术和固体制剂的研制成功，便于运输，保管。(3)工艺特点 电刷镀区别于电镀(槽镀)的最大工艺特点是镀笔与工件必须保持一定的相对运动速度。由于镀笔与工件有相对运动，散热条件好，在使用大电流密度刷镀时，不易使工件产生过热现象。其镀层的形成是一个断续结晶过程，镀液中的金属离子只是在镀笔与工件接触部位放电还原结晶。镀笔的移动限制了晶粒的长大和排列，因而镀层中存在大量的超细晶粒和高密度的位错，这是镀层强化的重要原因。(3)

7、工艺特点 镀液能随镀笔及时供送到工件表面，大大缩短了金属离子扩散过程，不易产生金属离子贫乏现象。加上镀液中金属离子含量很高，允许使用比槽镀大得多的电流密度，因而镀层的沉积速度快。 使用手工操作，方便灵活，尤其对于复杂型面，凡是镀笔能触及到的地方均可镀上。非常适用于大设备的不解体现场修理。化学镀化学镀化学镀是在无电流通过（无外界化学镀是在无电流通过（无外界动力）时借助还原剂在同一溶液动力）时借助还原剂在同一溶液中发生氧化还原作用，从而使金中发生氧化还原作用，从而使金属离子还原沉积在零件表面上的属离子还原沉积在零件表面上的一种镀覆方法。一种镀覆方法。 化学镀溶液的基本构成 成分 作用 实例 金属盐

8、提供被沉积的金属离子硫酸盐，氯化物，醋酸盐，有机酸盐等 还原剂还原金属离子，化学镀的驱动力Ni，Co用次磷酸钠，硼化氢；Cu用甲醛；Ag、Au用蔗糖等 络合剂防止产生金属氢氧化物沉淀，在酸性溶液中控制反应速度和防止自然分解乳酸、丙二酸、EDTA、酒石酸、柠檬酸、二乙醇胺、三乙醇胺等pH值调节剂调节pH值，控制反应速度NH4OH、KOH、NaOH、无机酸、有机酸 缓冲剂防止溶液工作中pH值波动H3BO3、CH3COOH、无机弱碱盐 稳定剂防止自然分解，延长使用寿命Pb2+、Sn2+、MoO3、尿素、硫脲、，-联吡啶、氰化物、苯骈三氮唑等含N含S的杂环化合物 改善剂改善镀层性质，增加光泽防止针孔等

9、在表面活性物质中选择，依化学镀金属种类而异化学镀溶液：化学镀银、锡、镍、铜、钴、镍合金液等。 化学镀获得纯金属、合金及复合镀层，按其组化学镀获得纯金属、合金及复合镀层，按其组成可分为以下各种：成可分为以下各种： 1.纯金属镀层纯金属镀层，有，有Cu、Sn、Ag、Au、Ru、Pd。 2.二元合金化学镀层二元合金化学镀层，主要集中于，主要集中于Ni和和Co分分别与别与P和和B形成的二元合金，如形成的二元合金，如Ni-P、Ni-B；Co-P、Co-B。 3.三元及多元合金化学镀层三元及多元合金化学镀层，如三元合金有，如三元合金有Ni-M-P（M=Cr、Mo、W、Ru、Fe、Co、Nb、Cu、Sn、Z

10、n、Re），），Ni-M-B（M=Co、Mo、W、Sn），），Co-M-P（M=Ni、W、Mn）；四）；四元合金有元合金有Ni-W-Sn-P、Ni-W-Sn-B、Co-Ni-Re-P、Co-Mn-Re-P。4.化学复合镀层化学复合镀层，是将金属、金属化合物或非金属，是将金属、金属化合物或非金属化合物微粒加入到化学镀液中，使之均匀地沉积到化合物微粒加入到化学镀液中，使之均匀地沉积到化学镀层中去的一种技术。化学镀层中去的一种技术。 按加入的微粒性质可分为三大类：按加入的微粒性质可分为三大类：（1）金属化合物如金属化合物如Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2O3、CeO2、TiC、WC、Cr3C2

11、、MoS2、WS2、CaF2、BaF2；（2）非金属化合物如非金属化合物如SiC、B4C、BC、BN、（、（CF）、）、金刚石、石墨、聚四氟乙烯；金刚石、石墨、聚四氟乙烯；（3）金属微粒如金属微粒如Cr、Ni、Cu、Zr、Nb。将这种复合。将这种复合镀层进行热处理时，可形成新的介稳或非晶态合金镀层进行热处理时，可形成新的介稳或非晶态合金相。相。 化学复合镀所用微粒直径为化学复合镀所用微粒直径为110m之间。之间。微粒的化学稳定性要好，不溶于化学镀液微粒的化学稳定性要好，不溶于化学镀液中，而且不具备催化活性，否则镀液很快中，而且不具备催化活性，否则镀液很快自分解。化学复合镀主要集中于自分解。化学

12、复合镀主要集中于Ni-P镀液，镀液，以提高其硬度、耐磨润滑等性能。以提高其硬度、耐磨润滑等性能。 1、热浸镀原理 将经过表面处理的金属工件，放入远比工件熔点低的熔融金属中，以获得金属镀层的过程，这个过程称热浸镀（熔融镀、热镀）。 热浸镀层金属一般为锡（熔点231.9）、锌（熔点419.5）、铝（熔点658.7）、铅（熔点327.4）。基体材料一般是钢铁，有时也用铜。浸镀前工件需进行表面预处理，清除表面的油污和氧化皮。热浸镀后还要进行化学处理、涂油或必要的整形。二、热浸镀工艺 根据热浸镀工件预处理方法的不同，可将热浸镀工艺分为溶剂法和保护气体还原法两类。 1. 溶剂法 溶剂法工艺流程为： 工件碱

13、洗酸洗水洗稀盐酸处理溶剂处理 烘干热浸镀后处理成品。溶剂处理 溶剂处理目的是： 对工件：清除其表面残存的铁盐及酸洗后在空气中又产生的氧化皮；对熔融金属：清除其表面的氧化物，降低其表面张力，改善与工件表面的湿润性。 溶剂处理有两种方法：湿法（又称熔融溶剂法）和干法（又称烘干溶剂法）。（1）湿法 工件在热浸镀前浸入熔融溶剂（ZnCl23NH4Cl或Zn Cl22HN4Cl）中进行处理，然后再浸入熔融金属中热镀。（2）干法 工件在热浸镀前浸入浓的溶剂（600800g/L ZnCl260100g/L NH4Cl） 水溶液中，然后烘干，工件上即附着一层干溶剂。当工件热浸镀时，溶剂受热分解，起到清除工件表

14、面残存铁盐、铁的氧化物、镀层金属氧化物及降低镀液表面张力的作用。5）热浸镀 经溶剂处理的工件放入熔融金属中，即可在其表面镀上一层金属。浸镀时加热可采用煤气、天然气或油加热，也可用感应电加热。6）后处理目的是保证产品质量。后处理内容包括：冷却和平整矫直。（1）冷却 热浸镀后工件必须冷却。目的是避免未凝固的镀层被划伤。（2）平整矫直 热浸镀后工件（如钢板或带钢）表面有变形（波浪或翘曲），需平整矫直。2.保护气体还原法 保护气体还原法工艺流程为：工件微氧化炉还原炉冷却热浸镀后处理成品。1）微氧化炉 由煤气或天然气加热。工件进入氧化炉，火焰将工件表面油污、乳化液烧掉，同时工件表面生成氧化膜。2）还原炉

15、 用电阻或辐射管间接加热。炉内密封有保护气体 （氢气与氨气混合）。工件进入还原炉，一方面将工件表面的氧化皮还原为适合热浸镀的活性海绵状铁；另一方面将工件继续加热进行再结晶退火。3）冷却 工件在保护气氛中冷却到一定温度，再进行热浸镀。三、热浸镀层的性能 （1）操作和设备简单；（2）效果比电镀好。（3）只适于用低熔点金属（锌、锡、铝、铅）覆盖。（4）覆盖层较厚；（5）镀层分层次。靠近工件的内层，化学成分含工件成分最多；接近表面的外层，化学成分含镀层金属最多。内外层之间的中间是合金层。（6）合金层 较脆。合金层中因含少量工件金属及微量夹杂，对镀层力学性能影响甚坏，故令合金层较脆。其厚度应有所控制。（

16、7）镀层厚度不易精确控制。不规则的制件不容易形成均匀的膜；四、热浸镀层应用 （1）一般防腐蚀.如热镀锌、热镀铝；一般大气及清水等弱腐蚀介质。如用于高速公路的护栏、桥梁和建筑材料。（2）特种 防腐蚀及特种性能。如镀锡与镀铅-锡合金，有良好的耐汽油性，钎焊性、深冲性等。热镀锌 镀层形成理论热镀锌的钢铁零部件广泛用于水暖、电气、电力、电讯、建筑器材与日用五金。热镀锌时镀锌层的形成过程为：铁基体与熔锌反应，铁被溶解，形成锌在铁中的固溶体，由于相互扩散，在工件表面生成铁锌合金化合物。然后在工件离开锌锅时，带出纯的熔融锌覆盖在合金层上，形成纯锌酸层。 热镀锌是世界各国公认的一种经济实惠的材料保护工艺；热镀

17、锌层的形成要经历如下步骤：铁基表面被锌液溶解形成铁锌合金相层；合金层中的锌原个进一步向基体扩散，形成锌铁固溶体；合金层表面包络薄锌层。热镀锌层特性 1）与基体结合强度高在热浸镀锌过程中，熔融锌可以充分浸入经过良好处理的基体表面，形成铁-锌合金层覆盖于整个工件表面，且此合金层有一定韧性、硬度，可耐较大磨擦入冲击，与其体有着很好的结合。2）耐蚀性好 锌的腐蚀产物ZnO、Zn（OH）2及ZnCO3。当此腐蚀产物转化为不溶性的ZnO3Zn（OH）膜时（此膜厚度为0.01mm），比锌层（锌的钝化膜）有着更好的化学稳定性。尤其是在大气、水、土壤及混凝土中，耐蚀性好。3）阴极保护作用 由于锌的电极电位（0.

18、96V）比铁的电极电位（0.44V）更负，在有电解质条件下，基体（铁）与涂层（锌）组成原电池，锌为阳极，铁为阴极，锌不断溶解，而基体（铁）得到保护。热镀锌工艺流程 表面清理酸洗中和熔剂处理热镀钝化。熔剂处理：熔剂处理分为湿法和干法两种。湿法：净化过的工件在热浸镀前浸入熔剂中进行处理，然后再浸入熔融金属中热镀。采用的熔剂是氯化铵，或者氯化铵与氯化锌的混合物。其组成为：55.7氯化锌与44.3氯化铵；46.3氯化锌与53.7氯化铵，可加入16的甘油，加热温度300340。该法得到的镀层附着力较差，已逐渐淘汰。 熔剂处理 干法：将净化过的工件先浸入浓的熔剂水溶液中，经烘干后，表面附着一层干熔剂层，然

19、后进行热镀。所用熔剂为氯化铵和氯化锌组成的复合熔剂，熔剂处理后在180 230烘箱中烘1030min，烘干水分。一般熔剂中氯化铵比例愈大，污染愈大。氯化铵和氯化锌组成的复合熔剂的组成和工艺条件 热浸镀锌 镀锌时镀液温度控制在450470，时间25min。所用锌锭含锌量在99.5以上。 工件在送入和从锌锅中取出时，要先刮净锌液表面的锌灰，以免锌灰黏附在镀锌件表面，影响质量。镀锌件从锌锅中取出后要用振动等方法立即清除镀层上多余的锌，以免产生锌的结瘤。工件从锌锅中取出的速度决定了留在工件上非合金镀层的厚度，取出速度应比锌在工件上自由流动速度慢些，以得到均匀的非合金锌层。 为使镀层光亮，须把工件趁热浸

20、入1.0氯化铵水溶液中15s进行曝光处理，曝光后的工件立即在流动清水中冷却。 钝化处理 钝化处理的目的是提高制品的耐蚀性，常用的钝化有低铬型与高铬型两类，铬酐钝化效果好，但易污染且会致癌，目前大多选择低铬或无铬钝化。钝化处理后，需用以下的水漂洗干净，并进行干燥。 热镀锌钢丝 低碳钢丝退火水洗酸洗水冲洗熔剂处理烘干热镀锌镀后处理收线成品。 高碳钢丝除油水洗酸洗水冲洗熔剂处理烘干热镀锌镀后处理收线成品。影响镀锌钢丝主要因素 （1）锌液温度 这是影响锌镀层质量的关键。一般以440470为宜。温度过高，会使铁、锌扩散加快，令合金层变厚；温度过低，锌液流动性差，令镀锌层粗糙不均匀。（2）锌灰 氯化铵渣和

21、锌渣。锌灰是锌液表面氧化产生，主要成分是氧化锌。氯化铵渣（亦称熔剂残渣），主要成分是碱性氧化锌。锌渣是锌与铁的反应产物。锌灰、氯化铵渣、锌渣均会影响锌层质量。如果锌层中夹有锌渣，会令锌层挠性变坏。（3）揩擦 采用垂直引出法时，钢丝需通过一个厚5080的木炭层，其作用是：令锌液均匀光滑地附着于钢丝表面，同时令锌液面上保持还原气氛。木炭层由木炭与凡士林按2 1比例与油混匀。垂直镀锌钢丝装装置置垂直引出法 钢丝与锌液垂直。适于镀厚锌层，锌层一般可达300g/左右。锌液温度为440470。为避免锌层粗糙，在锌槽液面用牛油凡士林浸过的木炭粒，有助于锌液保温并防止氧化，还可起揩擦作用，令锌层光滑。 斜向引

22、出法 钢丝与锌液面呈35。适于镀薄锌层，锌层厚度在200 g/以内。为令锌层光滑，在距锌液面150300处，采用石棉绕制的钢丝夹或带孔钢板作为揩擦工具。 冷轧退火还原热浸锌卷取。 是批量式热浸锌工艺。每个过程的操作用手工或机械手在大容器中进行。镀锌槽长度最大可到20m以上。这种工艺属于保护气体还原法，一些大构件（如铁塔件、桥梁件等）应用较广泛。 冷轧氧化还原退火调节温度到镀锌温度热浸锌冷却矫直。 是连续式热浸工艺。工件在氧化炉中由煤气火焰加热（氧化除油），加热温度为400450，工件表面形成均匀氧化层。经氧化后工件进入还原炉，还原气体为N2（75）及H2（25），将工件表面氧化铁还原成海绵状纯

23、铁。工件在还原时间时退火，退火温度根据需要，可在700800进行再结晶退火，亦可在900以上进行常化退火。经退火后，工件再在还原气氛中冷却到480并直接在不与空气接触下进入热锌镀槽。锌液温度为450460 ，锌液中含0.100.15的铝，目的是限制Zn-Fe合金层的增长。锌层厚度可用气体喷射法控制。镀锌工件再自然冷却（或再强制冷却到40以下），这种方法亦称为森吉米尔法。 森吉米尔法 将上述独立的氧化炉、还原炉及冷却段联接起来，构成一个整体。氧化炉改为微氧化炉（预热炉），对工件采取高温快速加热，最高温度达1300，一般温度为11501250，其作用一方面是令工件表面油污等挥发，另一方面在尽量减小

24、工件表面氧化情况下，将工件预热到550650。这样工件表面氧化物少，还原就容易，且保护气中H2含量可减少（一般1530或更低），减少工作中的危险性。 热镀锌钢管 1）熔剂法 热镀锌钢管的工艺流程为：工件碱洗除油酸洗除锈盐酸处理熔剂处理热镀锌吹锌冷却钝化处理。2)微氧化还原法 工艺流程为：工件微氧化预热还原冷却热镀锌镀后处理。吹锌 管内吹锌目的是使管内壁镀锌层均匀、光滑。方法是顺着锌液流动方向（即从锌锅管端）吹锌，喷吹气体为过热蒸汽，温度为200250，蒸气压力根据管径在0.70.1Mpa范围选取。喷吹时间一般为67s。管外表面吹锌一般用压缩空气，据管径不同，气体压力在0.30.6Mpa范围内选

25、取。管外吹锌亦可用压缩空气与过热蒸汽混合气体，混合比为1 1。 影响热镀锌层厚度、结构和性能的因素 浸镀时间 在标准热浸镀锌温度（450）下，浸镀时间越长，涂层厚度越厚，但不同基体材料，情况有所不同。对一般碳钢当浸镀时间超过某个限度时，涂层不再变厚，呈二次曲线变化。对含硅量高的高强度钢其变化呈直线关系。涂层厚度附着量表示，附着量越大涂层愈厚。 影响热镀锌层厚度、结构和性能的因素 锌液温度 当锌液温度在490530时，铁损与时间呈直线关系。1 层铁含量随温度上升而急剧增加（因扩散速率加大），而层变薄并开始出现空穴。当锌液温度在430490时，铁损按抛物线规律随时间变化。在此温度范围内，生成的合金

26、层致密且连续。因此，一般热镀锌温度控制在450左右。当锌液温度在530以上的（最高到580）反应又恢复到抛物线规律。但温度愈高，锌与铁的结合能力愈大、合金反应愈快、锌液流动性加大，故此时的涂层是由厚合金层加薄的纯锌层组织。由于厚合金层外表粗糙，故涂层外表粗糙。 影响热镀锌层厚度、结构和性能的因素钢铁基体成分 钢铁基体中的化学成分对热镀锌质量影响很大，尤其是硅影响更大。硅对铁和锌液反应的影响比较复杂，公认的看法是：钢铁基体中含有过多的硅，对热镀锌是不利的。铁和硅的亲和力要大于浸涂金属（锌），因此易形成FeSi相，并以极小惰性粒子通过合金层到达涂层，同时易使合金层不连续。上述缺点可通过提高热浸温度（530以上）克服之。工件提出速度 工件从锌液中提出速度，不影响合金层厚度，只影响外层纯锌层厚度。一般是：提出速度食愈快，纯锌层愈厚；反之则薄。速度太快，则锌层外观不良。 锌液中铝对镀层的影响 1）镀层光