【《化学镀铁工艺研究的文献综述》4800字】

化学镀铁工艺研究的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u17881化学镀铁工艺研究的文献综述 193441.1镀铁工艺类型及优缺点 1184551.2硫酸盐镀铁研究现状 2261451.3镀铁层沉积机理 2233651.4表面活性剂对镀铁性能的影响 343491.5络合剂对镀铁性能的影响 3265211.6稳定剂对镀铁性能的影响 458661.7搅拌对电镀的影响 4246341.8温度对电镀的影响 4277631.9电流密度电镀的影响 414071.10主盐浓度对电镀的影响 5242251.11赫尔槽实验 536091.12赫尔槽规范 66152参考文献 71.1镀铁工艺类型及优缺点电镀是一门综合性的技术学科，它与有机化学、电化学、表面化学等学科有密切的联系。电镀是指通过电化学的方法在固体表面上沉积一薄层金属或者合金的过程，它可以让人们在金属或者非金属表面上获得质地均匀、表面光滑、致密的、具有耐腐蚀性和装饰性的镀层，或者其他的功能性镀层。而镀铁是指在含有铁金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解的作用使镀液中的铁离子在基体金属表面沉积出来形成镀层的一种表面加工方法。通常的镀铁工艺按镀液组成来分可分为氯化物体系和硫酸盐体系两大类。其优点是溶液成份简单，价格低廉，废水处理方便，污染较小；其次，镀铁尤其是光亮整平性镀铁作为一种电镀底层，可以减轻或省去常规电镀前的机械打磨、抛光工序，极大地减轻了操作人员的劳动强度，保证了生产安全、降低或避免了工序粉尘污染；最后，它还可以节约大量的金属材料。但是这两种体系的主要缺陷是溶液中的Fe2+不稳定，极易被还原为Fe3+，而Fe3+在高pH的条件下容易形成氢氧化物沉淀吸附在工件的镀层上形成毛刺，因此必须选用良好的Fe2+的稳定剂来抑制住Fe3+的生成。按工艺来分可分为高温镀铁和低温镀铁。相比之下，高温镀铁工艺的优点是沉积速度快，得到的镀层内应力较低。但是高温镀铁氯化物体系镀液温度一般需要维持在80℃以上，这便需要复杂的加热和保温设备来维持这个温度，这样就会导致镀铁的能耗较高而且镀液中Fe2+容易氧化成Fe3+；同时由于盐酸易挥发，所以其镀液成分就会容易变化而难以控制；此外镀前的阳极刻蚀及电镀过程中产生的酸雾也对环境产生严重污染，对操作人员危害极大；镀较低硬度铁层时，其耐磨性能也不是很好。为此，人们开发了低温镀铁工艺。低温镀铁的优点是施镀的温度较低、成本低、工艺范围宽、结合强度好。但是，低温镀铁技术同样存在着很多问题，比如镀层内应力高、镀液中Fe2+氧化快、镀层与基体结合力差容易起皮脱落等[3]。因此，为了改善镀液的稳定性及镀层的性能，通过将添加剂加入镀液中，使其与金属共沉积制备复合镀层来改善镀层的性能成为低温镀铁技术研发的一个方向。1.2硫酸盐镀铁研究现状化学镀最早出现于美国的Brenner和Riddle于1944年的化学镀镍实验。1955年，美国G.Gutzeit公司系统地研究了并解决了化学镀镍的溶液组成和工艺参数等问题，并以此研发了“Kanigen”工艺，开启了化学镀的时代[1]。电镀铁最早始于1905年，由Fiseher等人对氯化物镀铁进行了研究。在室温下所得到的镀铁层具有硬而脆、结合力差、内应力高、易脱落等特点。改进镀液后，便形成了高温(85~105℃)氯化物直流镀铁工艺，并在磨损器件修复中得到了广泛的应用。硫酸盐溶液镀铁的稳定性相对较好，腐蚀性也不十分强，但其工艺要求严格。硫酸盐溶液镀出的铁层的硬度与脆性相比氯化物溶液镀出的而言要差，但由于其能在室温操作所以仍受到欢迎。镀液的组成：将100g/L的硫酸铵做为导电盐加入溶液中便形成了一种复盐型镀液，通常可以分别加入钠、镁、铝、锰、䥽、铬等的不同盐类做导电盐，不同的导电盐对镀层的影响不完全相同。1.3镀铁层沉积机理电镀铁机理十分复杂，包含许多中间步骤，而且电镀工艺对电镀机理也有一定影响。一般来说，电镀电极过程分为以下五个步骤：（1）液相传质步骤：电极作用物质(水合金属离子)向电极表面迁移。（2）前置表面转化步骤：水合金属离子在电极表面吸附并离解。（3）电化学步骤：金属离子在电极表面放电形成原子并吸附在电极表面。（4）后置转化步骤：吸附金属原子在电极表面迁移。（5）成核步骤：金属原子聚集成热力学稳定的晶核，然后形成金属镀层。在通电的情况下，镀铁电解液中的离子在电场力的作用下，做有规则的定向运动并产生电迁移，从而导致阴阳极区域出现电极反应；带正电荷的铁离子以及氢离子趋于阴极并在阴极表面获得电子还原成铁原子，从而沉积在金属表面形成镀层；氢离子变成氢原子，一部分吸附于阴极上，另一部分则变成氢气逸出。而阳极板中的铁则不断被氧化成铁离子，从而维持电解液中铁离子的浓度。此外，因为阴极表面上的铁会不断沉积，这样会导致阴极附近的铁离子浓度瞬时下降；相对的，阳极极板上的铁会不断氧化溶解从而使阳极介面附近的铁离子浓度瞬时增加，从而使阴阳极之间产生浓度差。所以，铁离子除了电迁移的作用外，还具有使电极反应不断进行下去的作用。镀铁电解液中，Fe2+是极其不稳定的，它与空气接触后会氧化成Fe3+或者生成Fe2O3沉淀。而且，电极反应中，若溶液PH值大于2.4，那么溶液中的亚铁离子就会水解生产氢氧化铁红棕色沉淀，反应式如下：Fe2++2H2O→Fe(OH)2↓(白色)+2H+4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓(红棕色)1.4表面活性剂对镀铁性能的影响表面活性剂在镀铁液中主要起两方面的作用。一方面起润湿作用：它可以降低表面张力，使工件上的氢气泡容易脱离，不在阴极表面滞留，从而防止和减少针孔的产生；另一方面表面活性剂在镀液中能改善镀镍层的柔韧性、降低内应力、减少硬度，同时能去除镀铁溶液中的有害金属离子Fe2+[4]。一般用于镀铁的表面活性剂是十二烷基硫酸钠。十二烷基硫酸钠在光亮镀液中，其硫酸根具有良好的亲水性，而十二烷基具有良好的疏水性基团[6]。疏水基团和亲水一类物质的油污、固体、气体等有很好的亲和力，而亲水基团则与水友良好的亲和力。所以在其加入硫酸亚铁基础镀液后，可以起到渗透、乳化、增溶等作用，可以增强铁沉积的电化学极化程度，提高镀液的分散能力，降低液体与固体的界面上的表面张力，从而获得致密、光亮的镀铁层[5]。1.5络合剂对镀铁性能的影响络合剂的主要作用是调节游离铁原子数量，使镀速保持稳定。应该其满足以下条件：首先其形成的络合物须以离子形式存在于溶液中，也就是要溶于水；其次其不能干扰阳极和阴极的氧化-还原反应，在溶液中要保持稳定，不分解，不水解；其所形成的络离子也要有一定的稳定性和超电压。一般的电镀铁的络合剂采用的是柠檬酸盐体系，因为柠檬酸盐可以和铁离子形成稳定的络合物；其次它在镀液中也能起到一定的缓冲作用，可以作为pH缓冲剂。最后，柠檬酸盐具有制备简单、价格低廉、无毒无味、不会对环境产生污染的特点，所以是电镀的络合剂的不二选择[7]。1.6稳定剂对镀铁性能的影响因为电镀铁存在着镀液中的Fe2+在空气中容易被氧化成Fe3+，镀液分散能力、结合力较差的缺陷，所以为了改善镀液的分散能力、提高镀液的抗氧化能力，保证其稳定性，加入稳定剂来保证Fe3+不被氧化是最常用的方法。目前常用的稳定剂有：稀土类稳定剂、还原性稳定剂以及对Fe3+具有配位能力的稳定剂等等。一般实验室采用的硫酸盐镀铁稳定剂有：抗环血酸、氨基酸、硫酸盐，它们可以有效改善镀层的光亮效果。其作用机理是：将镀液中的F-与Fe3+形成配位离子从而掩蔽三价铁离子，避免氢氧化铁沉淀的形成。同时因为F-与Fe3+形成配位，从而使得Fe3+/Fe2+点对的电极电位下降，从而使Fe2+的氧化性减弱，使阴极放电变得更加困难，也就意味着阴极极化增大。实验表明，复合稳定剂的综合效果改善能力相比单一稳定剂来讲，前者效果更好。所以一般实验室采用的是复合稳定剂。1.7搅拌对电镀的影响采用搅拌的目的是提高允许电流密度的上线，得到细致紧密的镀层；加速溶液对流，降低阴极的浓差极化作用从而使生产过程得到强化。此外，搅拌还可以影响合金镀层的成分。同时，搅拌还开发了新的电镀工艺和方式，列如复合镀和高速电镀。常用的搅拌方式有阴极移动、空气搅拌和用泵强制循环电解液。一般遇空气溶液组成不变的电解液（光亮镀镍、光亮镀铜）采用的就是空气搅拌方法。1.8温度对电镀的影响温度的变化会使电解液的电导、离子活度、溶液黏度、金属和氢析出的过电势等发生变化，因此温度对于电沉积的影响较为复杂。一般来说，升高温度会降低阴极极化，促使形成粗晶的镀层，而阴极极化降低的原因是：温度提高增大了离子的扩散速度，导致浓差极化降低。由于温度的升高，使放电离子具有更大的活化能，因而降低了电化学极化。然而有的电解液也会要求在高温下进行，其目的是：增加盐类的溶解度，从而防止阳极钝化；增加导电以改善电解液的分散能力，减少镀层的渗氢量和强化生产等。1.9电流密度电镀的影响对于一定的电解液来说，允许使用的电流密度常常存在一个上下限范围，超过此范围，获得的镀层就会不合格。一般来说，电流密度过低会导致极化作用减小，晶体变的较粗；电流密度过高会导致极化作用增大，结晶变的细致紧密。阳极允许电流密度一般比阴极允许的电流密度小，若使用的电流密度高于阳极允许电流密度上限，那么就会产生阳极钝化或者是阳极溶解电流效率下降。1.10主盐浓度对电镀的影响主盐浓度是电镀工艺中的主要控制参数之一。从简单盐电解液中电沉积时，主盐浓度的变化对镀层质量和电解液的工作性能有一定影响。例如电解硝酸银时，当温度、电流密度和其他条件不变时，随着电解液主盐浓度的增大，生成晶核的速度降低，晶粒增大。对于电沉积时不存在显著电化学极化的电解液，主盐浓度的影响效果明显；相反的对于存在显著电化学极化的铁族金属盐电解液来说就不那么明显。此外，用降低主盐浓度的方式来改善镀层结晶的细致程度是不可行的。1.11赫尔槽实验赫尔槽实验是由Hull于1935年设计的，它是一种平面阴极和平面阳极构成的一定斜度的小型电镀实验槽。赫尔槽规格一般分为1000、267、250ml三种，一般实验室使用250ml的规格。图1-1赫尔槽形状250ml的赫尔槽阴极尺寸为：100mmx70mm，厚度为0.2-0.5mm，硫酸盐镀铁一般以铜片作为阴极板居多；阳极尺寸为：63mmx70mm，厚度为2-5mm，硫酸盐镀铁中一般采用铁作为阳极。图1-2赫尔槽实验的电路系统赫尔槽电路操作系统如图1-2所示。其结构上看可以知晓，阴极片上各个部位与阳极的距离不等，所以导致阴极上各个部位的电流密度也不相同。前实验者将阳极上距离阳极最近的一段称为近端，另一端称为远端。为了得出赫尔槽阴极上的电流分布，需要使用以下经验公式：250ml赫尔槽jk=I(5.10-5.240lgL)=I(K1)为了方便将实验结果以图示形式记录下来，可以用下图1-3表示镀层的情况。如果这些符号不足以说明问题，也可以采用文字配合说明图1-3赫尔槽试片符号1.12赫尔槽规范赫尔槽要严格控制温度、时间和电流强度，从而达到理想的试验效果。通常赫尔槽实验规范如下：温度——赫尔槽温度控制范围一般以实验的镀液工艺温度为标准，且在镀液进槽时其温度应加热至高于规定温度1-2度即可。时间——赫尔槽实验的时间一般在5-10min范围内，一般镀液为5min，光亮镀液和检测添加剂消耗量实验为10min。电流强度——赫尔槽实验的电流强度一般范围为0.5~3.0A，通常情况下：普通镀液为1.0A；光亮镀液为1.0~2.0A；装饰铬镀液为6~10A。据不同镀液的工艺规范来决定[8]参考文献邓亚锋.化学镀和电镀铁工艺的研究[D].电子科技大学,2011.左正忠,梁国柱,李卫东,袁国伟2胡进,詹益腾,冯祥明,吴慧敏.全光亮镀铁工艺的研究[J].武汉大学学报(理学版),2001(06):697-702.张敏,李林泽,何为,胡文成,万小波,张云望,杜凯,张林.化学镀铁工艺中络合剂用量的优化实验[J].实验科学与技术,2011,9(06):4-6.徐文柱.表面活性剂在电镀中的应用[J].过滤与分离,2014,24(04):40-46.陈红辉,秦锋,陈亚超,沈小青.配位剂对低温镀铁的影响[J].电镀与环保,2015,25(05):4-6.范冠博,潘秉锁,田永常等.十二烷基硫酸钠对铁电沉积行为的影响[J].电镀与涂饰,2015,(9):471-475.王淼.柠檬酸盐在电沉积铁基合金中的行为研究[D].湖南大学,2006.DOI:"".张云玉.赫尔槽的特性和使用方法[C].//第二届中国重庆涂料涂装学术大会暨行业年会.2007:14-15.耿秋菊,冯立明,夏祥华等.低温氯化物电镀铁溶液的稳定剂研究[J].电镀与涂饰,2007,26(8):14-16.DOI:10.3969/j.issn.10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