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機械技術

電鍍原理(一)電鍍的基本知識

時間:2017-05-12 15:59:00   作者:   來源:   閱讀:9866   評論:0
第一章 電鍍的定義

    電鍍是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中﹐以被鍍基體金屬為陰極﹐通過電解作用﹐使鍍液中欲鍍金屬的陽離子在基體金屬表面沉積出來﹐形成鍍層的一種表面加工方法。鍍層性能不同于基體金屬﹐具有新的特征。根據鍍層的功能分為防護性鍍層﹐裝飾性鍍層及其它功能性鍍層。

第二章 電鍍的基本知識

第一節 電鍍液

1.主鹽

    主鹽是指鍍液中能在陰極上沉積出所要求鍍層金屬的鹽﹐用于提供金屬離子。鍍液中主鹽濃度必須在一個適當的范圍﹐主鹽濃度增加或減少﹐在其它條件不變時﹐都會對電沉積過程及最后的鍍層組織有影響。比如﹐主鹽濃度升高﹐電流效率提高﹐金屬沉積速度加快﹐鍍層晶粒較粗﹐溶液分散能力下降。

2.絡合劑

    有些情況下﹐若鍍液中主鹽的金屬離子為簡單離子時﹐則鍍層晶粒粗大﹐因此﹐要采用絡合離子的鍍液。獲得絡合離子的方法是加入絡合劑﹐即能絡合主鹽的金屬離子形成絡合物的物質。絡合物是一種由簡單化合物相互作用而形成的“分子化合物”。在含絡合物的鍍液中﹐影響電鍍效果的主要是主鹽與絡合劑的相對含量﹐即絡合劑的游離量﹐而不是絕對含量。

3.附加鹽

    附加鹽是電鍍中除主要鹽外的某些堿金屬或堿土金屬鹽類﹐主要用于提高電鍍液的導電性﹐對主鹽中的金屬離子不起絡合作用。有些附加還能改善鍍液的深鍍能力﹐分散能力﹐產生細致的鍍層。

4.緩沖劑

    緩沖劑是指用來穩定溶液酸堿度的物質。這類物質一般是由弱酸和弱酸鹽或弱堿和弱堿鹽組成的﹐能使溶液遇到堿或酸時﹐溶液的pH值變化幅度縮少。

5.陽極活化劑

    鍍液中能促進陽極活化的物質稱陽極活化劑。陽極活化劑的作用是提高陽極開始鈍化的電流密度﹐從而保證陽極處于活化狀態而能正常地溶解。陽極活化劑含量不足時陽極溶解不正常﹐主鹽的含量下降較快﹐影響鍍液的穩定。嚴重時﹐電鍍不能正常進行。

6.添加劑

    添加劑是指不會明顯改變鍍層導電性﹐而能顯著改善鍍層性能的物質。根據在鍍液中所起的作用﹐添加劑可分為﹕光亮劑﹐整平劑﹐和抑霧劑等。

第二節 電鍍反應

1.電化學反應

    下圖是電鍍裝置示意圖﹐被鍍的零件為陰極﹐與直流電源的負極相連﹐金屬陽極與直流電源的正極聯結﹐陽極與陰均浸入鍍液中。當在陰陽兩極間施加一定電位時﹐則在陰極發生如下反應﹕從鍍液內部擴散到電極和鍍液界面的金屬離子Mn+從陰極上獲得n個電子﹐還原成金屬M。

    另一方面﹐在陽極則發生與陰極完全相反的反應﹐即陽極界面上發生金屬M的溶解﹐釋放n個電子生成金屬離子M n+。

電鍍原理(一)電鍍的基本知識

2.法拉第定律

    電流通過鍍液時﹐電解質溶液發生電解反應﹐陰極上不斷有金屬析出﹐陽極金屬不斷溶解。因此﹐金屬的析出(或溶解)量必定與通過的電荷有關。根據大量實驗結果﹐法拉第建立了析出(或溶解)的物質與電荷之間的關系的定律。

    法拉第一定律﹕電p上析出(或溶解)物質的重量與進行電解反應時所通過的電荷成正比﹐即﹕m=kQ=kIt(m為電極上析出或溶解物質的質量﹔Q為通過的電荷時﹔K為比例常數﹔I為電流﹔t為通電時間。

    法拉第第二定律﹕在不同的電解液中﹐通過相同的電荷量時﹐在電極上析出(或溶解)物的物質的量相等﹐并且析出(或溶解)1mol的任何物質所需的電荷量都是9.65X104C.這一常數稱為法拉第常數﹐用F表示。K=M/F

3.電流效率

    電鍍時﹐陰極上實際析出的物質的質量并不等于根據法拉定律得到的計算結果﹐實際值總小于計算值﹐這是由于電極锏姆從Σ恢灰桓雯o例如鍍鎳時﹐在陰極上除發生這一主反應外﹐還會發生副反應。

4.電鍍液的分散能力

    鍍溶液的分散能力是指電鍍液所具有的使金屬層厚度均勻分布的能力﹐也稱均鍍能力。電鍍液的分散能力越好﹐在不同陰極部位所沉積出的金屬層厚度錁勻。

5.電鍍液的覆蓋能力

    在電鍍生產中﹐常用到的另一個概念是覆蓋能力﹐亦稱深鍍能力﹐它是指電鍍液所具有的使鍍件的深凹處沉積上金屬鍍層的能力。分散能力和覆蓋能力不同﹐前者是說明金屬在陰極表面分布均勻程度的問題﹐它的前提是在陰極錈娑加卸撇悌r而后者是指金屬在陰極表面的深凹處有無沉積層的問題.

第三節 電極及反應機理

A.電極電位

    當金屬電極浸入含有該金屬離子的溶液中時﹐存在如下的平衡﹐即金屬失電子而溶解于溶液的反應和金屬離子得電子而析出金屬的鋟從τν時存在﹕

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    平衡電位與金屬的本性和溶液的溫度﹐濃度有關。為了精確比較物質本性對平衡電位的影響﹐人們規定當溶液溫度為250C﹐金屬離子的濃度為1mol/L時﹐測得的電位叫標準電極電位。標準電極電位負值較大的金屬都易失掉電子被氧化﹐而標準電極電位正值較大的金屬都易得到電子被還原。

B.極化

    所謂極化就是指有電流通過電極時降緙電位偏離平衡電極電位的現象。所以﹐又把電流-電位曲線稱為極化曲線。產生極化作用的原因主要是電化學極化和濃差極化。

(1)電化學極化

    由于陰極上電化學反應速度小于外電源供給電子的速度﹐從而使電極電位向負的方向移動而引起的極化作用

(2)濃差極化

    由于鄰近電極表液層的濃度與溶液主體的濃度發生差異而產生的極化稱濃差極化﹐這是由于溶液中離子擴散速度小于電子運動造成的。

第四節 金屬的電積過程

    電鍍過程是鍍液中的金屬離子在外電場的作用下﹐經電極反應還原成金屬原子并在陰極上進行金屬沉積的過程。下圖(1-2)是電沉積過程示意圖﹐完成電沉積過程必須經過以下三個步驟﹕

    液相傳質﹕鍍液中的水化金屬離子或絡離子從溶液內部向極界面遷移﹐到達陰極的雙電層溶液一側。

    電化學反應﹕水化金屬離子或絡離子通過雙電層﹐并去掉它周圍的水化分子或配位體層﹐從陰極上得電子生成金屬原子。有三種方式﹕電遷移﹐對流和擴散。

    電結晶﹕金屬原子沿金屬表面擴散到結晶生長點﹐以金屬原子態排列在晶格內﹐形成鍍層。

    電鍍時﹐以上三個步驟是同時進行的﹐但進行的速度不同﹐速度最慢的一個被稱為整個沉積過程的控制性環節。不同步驟作為控制性環節﹐最后的電沉積結果是不一樣的。

電鍍原理(一)電鍍的基本知識

 

第五節 影響電鍍質量的因素

    影響電鍍質量的因素很多﹐包括鍍液的各種成分以及各種電鍍工藝參數。下面就其中某些主要因素進行討論。

1.pH值的影響

    鍍液中的pH值可以影響氫的放電電位﹐堿性夾雜物的沉淀﹐還可以影響絡合物或水化物的組成以及添加劑的吸附程度。但是﹐對各種因素的影響程度一般不可預見。最佳的pH值往往要通過試驗決定。在含有絡合劑離子的鍍液中﹐pH值可能影響存在的的各種絡合物的平衡﹐<而必須根據濃度來考慮。電鍍過程中﹐若pH值增大﹐則陰極效率比陽極效率高﹐pH值減少則反之。通過加入緩沖劑可以將pH值穩定在一定范圍。

2.添加劑的影響

    鍍液中的光亮劑﹐整平劑﹐潤濕劑等添加劑能明顯改善鍍層組織。對此添加劑有無機和有機之<。無機添加劑起作用的原因是由于它們在電解液中形成高分散度的氫氧化物或硫化物膠體﹐吸附在陰極表面阻礙金屬析出﹐提高陰極極化作用。有機添加劑起作用的原因是這類添加劑多為表面活性物質﹐它們會吸附在陰極表面形成一層附膜﹐阻礙金屬析出﹐因而提高陰極極化作用。另外﹐<些有機添加劑在電解液中形成膠體﹐會與金屬離子絡合形成膠體-金屬離子型絡合物﹐阻礙金屬離子放電而提高陰極極化作用。

3.電流密度的影響

    任何電鍍都必須有一個能產生正常鍍層的電流密度范圍。當電流密度過低時﹐陰極極化作用較小﹐鍍層桔晶粗大﹐甚至沒有鍍層。隨著電流密度的增加﹐陰極極化作用隨著增加﹐鍍層晶粒越來越細。當電流密度過高﹐超過極限電流密度時﹐鍍層質量開始惡化﹐甚至出現海綿體﹐枝晶狀﹐燒焦及發黑等。電流密度的變化的上限和下限是由電鍍液的本性﹐濃度﹐溫度和攪拌等因素決定的。一般情況下種餮聞ǘ仍齟螬o鍍層溫度升高﹐以及有攪拌的條件下﹐可以允許采用較大的電流密度。

4.電流波形的影響

    電流波形的影響是通過陰極電位和電流密度的變化來影響陰極沉積過程的﹐它進而影響鍍層的組織結構﹐甚至成分﹐使鍍層性能和外觀發生變化。實種っ鰻o三相全波整流和穩壓直流相當﹐對鍍層組織幾乎沒有什么影響﹐而其它波形則影響較大。

5.溫度的影響

    鍍液溫度的升高能擴散加快﹐降低濃差極化﹐此外﹐升溫還能使離子的脫水過程加快。離子和陰極表面活性增強﹐也降低了電化學極化﹐導致結直浯幀A硪環矯姍o溫度升高能增加鹽類的溶解度﹐從而增加導電和分散能力﹔還可以提高電流密度上限﹐從而提高生產效率。

6.攪拌的影響

    攪拌可降低陰極極化﹐使晶粒變粗﹐但可提高電流密度﹐從而提高生產率。此外攪拌還可增強整平劑的效果。


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