表面工程-05

北京工业大学材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT材料表面工程（第五章）李辉材料学院328室010-67396168CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT第五章：表面工程技术5.1电镀，化学镀5.2热喷涂5.3堆焊5.4高能束表面改性5.5气相沉积CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTBefore-dullAfter-shiny5.1电镀、化学镀CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTShuffleyouriPod’sLookCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1电镀、化学镀CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1电镀、化学镀5.1.1电镀过程及其反应阴极反应：Men++ne=Me2H++2e=H2阳极反应：Me-ne=Men+。OH--4e=2H2O+O2＋Men+－SO42-Cl-OH-CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT阴极上的电镀过程包括三个步骤：（1）金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极表面;（2）金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子;（3）还原的原子进入晶格结点。＋＋＋＋5.1.1电镀过程及反应CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT电镀是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有一定性能的金属镀层的过程。5.1.1电镀过程及反应Electroplatingisaplatingprocessthatuseselectricalcurrenttoreducecationsofadesiredmaterialfromasolutionandcoataconductiveobjectwithathinlayerofthematerial,suchasametal.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉积极少。5.1.1电镀过程及反应湿法电镀熔融盐电镀CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT金属离子还原析出的可能性是获得镀层的首要条件，要获得质量优良的镀层，还要有合理的镀液组成和合理的工艺控制。5.1.1电镀过程及反应CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT法拉第定律：第一定律：W=k×I×t=k×Q式中，W：电极上形成的产物；I：电流；t:通电时间；Q:电量k:电化当量，表示通过单位电量时电极上形成的产物量第二定律：k=C1×Ee式中，C1：比例常数；Ee化学当量5.1.1电镀过程及反应当电极上通过1法拉第电量时（1F=26.8A*h），电极反应的产物为1摩尔。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT电流效率η=实际镀层质量/理论值如：镀镍时，阴极上的副反应消耗部分电量：2H++2e-=H2氰化镀铜和氰化镀锌时的效率：60-70%电镀硬铬效率：8-16%问题：有没有可能电流效率大于100%，什么情况下发生？5.1.1电镀过程及反应CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT电镀溶液有固定的成分和含量要求，使之达到一定的化学平衡，具有所要求的电化学性能。镀液构成：1.主盐和络盐：主盐即沉积金属的盐类，如硫酸铜、硫酸镍等，络盐如锌酸钠、氰锌酸钠等；2.配合剂：配合剂与沉积金属离子形成配合物，改变镀液的电化学性质和金属离子沉积的电极过程，对镀层质量有很大影响，是镀液的重要成分。常用配合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、氨三乙酸、柠檬酸等。3.导电盐：其作用是提高镀液的导电能力，降低槽端电压提高工艺电流密度.例如镀镍液中加人Na2SO4。导电盐不参加电极反应，酸或碱类也可作为导电物质。4.添加剂：包括络合物，平整剂，光亮剂等，在电解液中加入后，能明显地改善镀层的组织，使之平整，光亮，致密等。5.1.2电镀液组成CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1.3电镀的实施方式1)挂镀最常用的一种电镀方式。将零件悬挂于用导电性能良好的材料制成的挂具上,然后浸没于欲镀金属的电镀溶液中作为阴极，在两边适当的距离放置阳极，通电后使金属离子在零件表面沉积的一种电镀方法。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2)滚镀滚镀是将欲镀零件置于多角形的滚筒中，依靠零件自身的重量来接通阴极，在滚简转动的过程中实现金属电沉积。滚镀最大的优点是节省劳动力，提高生产效率。设备维修费用少且占地面积小，镀件镀层的均匀性好。但是，滚镀的使用范围受到限制：镀件不宜太大和太轻；单件电流密度小，电流效率低,槽电压高、槽液温升快、镀液带出量大。5.1.3电镀的实施方式CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT3）刷镀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，作为刷镀时的阳极，电源的负极接工件，作为刷读镀时的阴极。镀笔通常采用高纯细石墨块极材料，石墨块外面包裹上棉花和耐磨的涤棉套。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移动，并保持适当的压力。随着刷镀时间的增长，镀层逐渐增厚。5.1.3电镀的实施方式CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT电刷镀的设备特点：电刷镀设备简单，一套设备可以完成多个镀种的刷镀。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。电刷镀的工艺特点：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。镀层的形成是一个断续结晶过程，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，镀层得到强化。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。5.1.3电镀的实施方式CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT4)连续电镀主要用于薄板、金属丝、带的电镀（镀锡钢板，镀锌薄板，钢带，电子元器件引线，镀锌铁丝等）5.1.3电镀的实施方式垂直浸入式水平运动式盘绕式.电镀时间较短；镀液电流密度高；导电性好；沉积速度快；镀液各成分变化不显著对杂质不敏感等。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1.3电镀的工艺过程电镀工艺过程包括前处理、电镀、后处理三大步：镀前处理包括抛光或打磨、脱脂、除锈、活化等多道工序，镀前处理质量直接影响到镀层与基体间的结合力和镀层的完整性；镀后处理则关系到镀层的防护性和装饰性效果；镀后处理包括钝化和浸膜：钝化是在新镀出的镀层人为地形成一层致密的氧化物膜，使镀层金属与空气隔绝，以提高镀层的防护性和装饰性。浸膜是在镀后的零件表面浸涂一层有机或无机高分子膜，以提高镀层的防护性和装饰性CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTBasicElectro-platingProcessIdentifyBaseMetalCleanAcidDescale&ActivatePre-Plate(Ifrequired)FinalPlatePostTreatments(AsSpecified)RinseRinseRinseRinseRinseDry&PackageStep1Step2Step3Step4Step5Step6Step7Step2RStep3RStep4RStep5RStep6RForExample:Steel,Cooper,BrassForExample:Degrease,Soak,&ElectrocleanForExample:Hydrochloric,Sulfuric,orFluoboricAcids.ForExample:Cadmium,Chromium,Copper,Gold,Lead,Nickel.Silver,Solder,&TinForExample:Chromates,Lacquers,&SealsForExample:BoxorHotAirSpinDryersForExample:Copper,SulfamateNickel,orNickelCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1.4影响电镀层质量的因素1.镀液的影响金属离子等简单离子为主的镀液--镀层的结晶较粗；络合物镀液---镀层结晶细致紧密；主盐浓度高--浓差极化小--晶核形成速度降低--镀层晶较粗；生产过程易对镀液成分产生影响，CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1.4影响电镀层质量的因素2.电镀规范的影响镀液温度升高--离子的扩散速度提高--镀层晶粒变粗；电流密度提高--阴极极化作用增大--镀层致密--沉积速度加快，但过高的浓差极化会导致边角部位镀层变粗乃致烧焦。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1.4影响电镀层质量的因素3.基体的影响零件在电镀前的脱油、除锈是否彻底，将严重影响镀层的性能.基体金属的化学性质与其和镀层之间结合力密切相关。在某些电解液中，如果基体金属的电位负于镀层金属，若不用其它镀层过渡，就不容易获得结合力良好的镀层：零件内孔、零件凹凸不平处（如铸造件和粉末冶金件）易积留预处理的溶液、镀件表面经过一段时间会出现黑色的斑点。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1.4影响电镀层质量的因素4.析氢的影响在任何—种电解液中，在金属电沉积的同时都存在有氢离子的放电并析出氢气，这种现象称为析氢：析氢经常呈气泡状粘附在阴极的表面，从而阻止金属在这些地方的沉积，产生针孔。析氢有进入镀层或基体金属体内，使镀层的晶格扭曲，内应力增大，容易导致镀层脱落或使镀件脆裂；吸附在基体金属内的氢，在镀件的存放或使用过程中，由于环境温度的升高．会慢慢从基体中释放出来而导致镀层鼓泡。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT单金属电镀：指镀液中只含有一种金属离子，镀后形成单一金属镀层的方法。常用的单金属电镀主要有镀锌、镀铜、镀镍、镀铬、镀锡和镀镉等；合金电镀：在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程叫做合金电镀，目前主要应用的是二元合金电镀；复合电镀：通过金属电沉积的方法，将一种或数种不溶性的固体颗粒，均匀地夹杂到金属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。5.1.5电镀分类CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT电镀应用遍及经济建设和日常生活的多个领域防护性：耐腐蚀：如钢铁表面镀锌，食品容