一

電鍍的定義和原理

電鍍是一種利用電化學(xué)性質(zhì)在被鍍零件表面沉積所需金屬鍍層的表面處理技術(shù)。

電鍍?cè)?在含有被鍍金屬的鹽溶液中，被鍍基底金屬作為陰極，鍍液中被鍍金屬的陽離子通過電解沉積在基底金屬表面，從而形成鍍層。如圖13所示。

電鍍的目的是獲得不同于基材的具有特殊性能的表層，以提高表面的耐蝕性和耐磨性。

涂層的厚度通常為幾微米到幾十微米。

電鍍的特點(diǎn):電鍍工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作條件容易控制，鍍層材料廣泛，成本低廉，因此在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，是材料表面處理的重要方法。

涂料的分類

涂料有很多種，根據(jù)其性能可分為以下幾類:

(1)防護(hù)涂層:如鋅、鋅鎳、鎳、鎘、錫等涂層，用作抗大氣和各種腐蝕環(huán)境的防腐涂層。

(2)保護(hù)性-裝飾性涂層:如Cu-Ni-Cr涂層，兼具裝飾性和保護(hù)性。

(3)裝飾性鍍層:如金和銅鋅仿金鍍層、黑鉻鍍層、黑鎳鍍層等。

(4)耐磨減磨涂層:如硬鉻涂層、多孔涂層、Ni-Sic涂層、Ni-石墨涂層、Ni-PTFE復(fù)合涂層等。

(5)電涂層:如金涂層、銀涂層等。，不僅導(dǎo)電率高，還能防止氧化，避免接觸電阻增加。

(6)磁性涂層:如軟磁涂層包括Ni-Fe涂層和Fe-Co涂層；磁性包括鈷-磷鍍層、鈷-鎳鍍層、鈷-鎳-磷鍍層等。

(7)可焊性涂層:如Sn-Pb涂層、Cu涂層、Sn涂層、Ag涂層等。提高可焊性，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。

(8)耐熱涂層:如鎳鎢涂層、鎳涂層、鉻涂層等。，熔點(diǎn)高，耐高溫。

(9)涂層修復(fù):對(duì)一些成本較高的易磨損零件或超差零件進(jìn)行電鍍修復(fù)，可節(jié)約成本，延長(zhǎng)使用壽命。例如Ni、Cr、Fe層可以被電鍍用于修復(fù)。

根據(jù)涂層與基體金屬之間的電化學(xué)性質(zhì)，可分為陽極涂層和陰極涂層。當(dāng)涂層相對(duì)于母材的電位為負(fù)時(shí)，涂層為陽極，稱為陽極涂層，如鋼鐵上的鍍鋅層；當(dāng)鍍層相對(duì)于母材的電位為正時(shí)，鍍層為陰極，稱為陰極鍍層，如鋼鐵上的鎳鍍層和錫鍍層。

根據(jù)涂層的組合，涂層可分為:單層涂層，如Zn或Cu層；多層金屬涂層，例如銅-錫/鉻涂層、銅/鎳/鉻涂層等。復(fù)合涂層，如Ni-Al?O?涂層、Co-SiC涂層等。

根據(jù)鍍層的成分，可分為單一金屬鍍層、合金鍍層和復(fù)合鍍層。

3

電鍍液的基本組成

主要沉積金屬的鹽類主要有:單一鹽類，如硫酸銅、硫酸鎳等。復(fù)鹽，如鋅酸鈉、氰鋅酸鈉等。

絡(luò)合劑與沉積的金屬離子形成絡(luò)合物，主要作用是改變鍍液的電化學(xué)性質(zhì)，控制金屬離子沉積的電極過程。絡(luò)合劑是鍍液的重要組成部分，對(duì)鍍層質(zhì)量有很大影響。常用的絡(luò)合劑包括氰化物、氫氧化物、焦磷酸鹽、酒石酸鹽、次氮基三乙酸、檸檬酸等。

導(dǎo)電鹽的作用是提高鍍液的導(dǎo)電性，降低槽端電壓，增加工藝電流密度。例如，將Na?SO?添加到鍍鎳溶液中。導(dǎo)電鹽不參與電極反應(yīng)，酸或堿也可作為導(dǎo)電物質(zhì)。

在弱酸性或堿性緩沖液中，pH值是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。加入緩沖劑，使鍍液具有自行調(diào)節(jié)pH值的能力，從而在鍍液過程中保持pH值穩(wěn)定。為了有效地控制酸堿平衡，緩沖液必須有足夠的量，一般為30~40g/L，如氯化鉀鍍鋅溶液中的硼酸。

在電鍍過程中，陽極的金屬離子不斷消耗，大部分鍍液由可溶性陽極補(bǔ)充，使金屬的陰極析出量與陽極溶解量相等，維持鍍液的成分平衡?；钚詣┑募尤肟梢跃S持陽極活性狀態(tài)，不鈍化，保持正常溶解反應(yīng)。例如，必須在鍍鎳液中加入Cl-以防止鎳陽極鈍化。

特殊添加劑為了改善鍍液的性能和鍍層的質(zhì)量，往往需要加入一些特殊的添加劑。其用量較小，通常每升只有幾克，但效果顯著。這種添加劑有很多種，可分為:

(1)光亮劑——可以提高涂層的亮度。

(2)晶粒細(xì)化劑——能改變涂層的結(jié)晶狀態(tài)，細(xì)化晶粒，使涂層致密。例如，當(dāng)添加劑如環(huán)氧氯丙烷和胺的縮合物加入鋅酸鹽鍍鋅溶液中時(shí)，鍍層可以從海綿狀變?yōu)橹旅芎凸饬痢?/p>

(3)流平劑——能提高鍍液的微觀分散能力，使基底的微觀粗糙表面變得光滑。

(4)潤(rùn)濕劑——可以降低金屬與溶液的界面張力，使涂層更好地附著在基體上，減少針孔。

(5)應(yīng)力消除劑——它可以降低涂層的應(yīng)力。

(6)涂層硬化劑——它可以提高涂層的硬度。

(7)掩蔽劑-能消除微量雜質(zhì)的影響。

4

電鍍工藝的基本步驟

電鍍過程的基本步驟包括液相傳質(zhì)、電化學(xué)還原和電結(jié)晶。

5

影響電鍍質(zhì)量的因素

(1)鍍液:主鹽、配位離子和附加鹽的溶解度；PH值；析氫；電流參數(shù):電流密度和電流波形；添加劑；溫度；攪拌；金屬:性質(zhì)、表面處理狀態(tài)；預(yù)處理。

(2)電鍍方法:掛鍍。金屬如鎢、鉬、鈦、釩等。不能單獨(dú)從水溶液中電鍍的，可以與鐵族元素(Fe、co、Ni)共沉積形成合金；從而獲得單一金屬不能獲得的外觀。

(3)合金沉積的條件:

①兩種金屬中至少有一種可以從其鹽的水溶液中沉淀出來。

②兩種共沉積金屬的沉積電位必須非常接近。

02

化學(xué)鍍

化學(xué)鍍是指一種表面處理方法，利用化學(xué)方法將溶液中的金屬離子還原成金屬并沉積在基體表面形成涂層。

在化學(xué)鍍中，通過化學(xué)反應(yīng)在溶液中直接產(chǎn)生還原金屬離子所需的電子。有三種方法可以完成這個(gè)過程。

數(shù)字一（one）

置換沉積

被鍍金屬M(fèi)(如Fe)的電位比沉積金屬M(fèi)(如Cu)的電位更負(fù)，沉積的金屬離子從溶液中置換到工件表面。這種方法在工程上稱為浸鍍。當(dāng)金屬M(fèi)完全被金屬M(fèi)覆蓋時(shí)，沉積停止，因此涂層非常薄。將銅浸在鐵中，將汞浸在銅中，將鋅浸在鋁中，都是這種置換沉積。浸鍍法很難獲得實(shí)用的鍍層，浸鍍法常作為其他鍍種的輔助工藝。

接觸沉積

除了鍍的金屬M(fèi)和沉積的金屬M(fèi)，還有第三種金屬M(fèi)，在含有M離子的溶液中，兩種金屬M(fèi)-M相連，電子從高電位的M流向低電位的M，使M還原沉積在M上，當(dāng)接觸金屬M(fèi)完全被M覆蓋時(shí)，沉積停止。當(dāng)在沒有自動(dòng)催化的情況下在功能材料上進(jìn)行化學(xué)鍍鎳時(shí)，接觸沉積通常用于引發(fā)鎳沉積。

3

還原沉積

還原劑氧化釋放的自由電子將金屬離子還原成金屬原子的過程稱為還原沉積。

反應(yīng)方程式如下:

還原劑氧化

Rn+ → 2e- + R(n + 2)+

金屬離子還原

M2+ + 2e- → M

工程上的化學(xué)鍍也主要是指這種還原沉積化學(xué)鍍。

化學(xué)鍍的條件如下:

(1)電鍍液中還原劑的還原電位明顯低于沉積金屬的還原電位，這使得金屬可以被還原并沉積在基材上。

(2)配制的鍍液不產(chǎn)生自發(fā)分解，只有與催化表面接觸時(shí)，才發(fā)生金屬沉積過程。

(3)當(dāng)調(diào)節(jié)溶液的pH值和溫度時(shí)，可以控制金屬的還原速率，從而調(diào)節(jié)鍍覆速率。

(4)還原析出的金屬也具有催化活性，使氧化還原沉積過程得以繼續(xù)，涂層得以不斷增厚。

(5)反應(yīng)產(chǎn)物不妨礙正常的電鍍過程，即溶液有足夠的使用壽命。

化學(xué)鍍的金屬和合金種類很多，如Ni-P、Ni-B、Cu、Ag、Pd、Sn、In、Pt、Cr和許多其他鈷基合金等。，但化學(xué)鍍鎳和化學(xué)鍍銅是最廣泛使用的?；瘜W(xué)鍍層一般具有良好的耐腐蝕性、耐磨性、可焊性等特殊的電學(xué)或磁學(xué)性能，因此這種表面處理工藝可以提高材料的表面性能。

03

熱噴涂技術(shù)，熱噴涂焊接技術(shù)

熱噴涂技術(shù)和熱噴焊技術(shù)是利用熱能(如氧-乙炔火焰、電弧、等離子火焰等)的技術(shù)。)將具有特殊性能的涂層材料熔化后涂覆在工件上形成涂層?？捎糜谥苽浜裢繉?0.1~10mm)，主要用于復(fù)合材料零件的修補(bǔ)。

一

熱噴涂技術(shù)

(1)熱噴涂技術(shù)的原理和特點(diǎn)

涂層材料被各種熱源加熱熔化或半熔化，然后被高速氣體分散細(xì)化，高速撞擊在基體表面形成涂層，如圖14所示。

熱噴涂工藝主要包括:噴涂材料的熔化；噴涂材料的霧化；噴涂材料的飛行；粒子的碰撞和凝固。

(2)涂層材料

熱噴涂對(duì)涂層材料有一定要求，需要滿足以下條件:有較寬的液相區(qū)，在噴涂溫度下不易分解或揮發(fā)；良好的熱穩(wěn)定性；使用性能好；良好的潤(rùn)濕性；固體流動(dòng)性好(粉末)；熱膨脹系數(shù)合適。涂料根據(jù)噴涂材料的形狀可分為絲狀和粉狀。

(3)熱噴涂涂層的結(jié)合機(jī)理

①機(jī)械結(jié)合:熔融顆粒撞擊基底表面后，鋪展成一層扁平的薄液層，嵌在不平整的表面上，形成機(jī)械結(jié)合。

(2)冶金結(jié)合:涂層與基體表面之間的擴(kuò)散和焊接稱為冶金結(jié)合。

③物理結(jié)合:當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的熔融顆粒撞擊基底表面時(shí)，如果界面兩側(cè)的距離在原子晶格常數(shù)范圍內(nèi)，顆粒就會(huì)被范德華力結(jié)合在一起。

(4)涂層的形成過程

(1)將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)；

②噴涂材料被霧化成微小的液滴，高速撞擊基體表面。顆粒撞擊基底的動(dòng)能和沖擊變形越大，形成的涂層結(jié)合越好。

③熔融的高速粒子撞擊基材表面后變形，凝結(jié)后形成涂層。

涂層結(jié)構(gòu)由不同尺寸的扁平顆粒、未熔化的球形顆粒、夾雜物和孔隙組成。氣孔存在的原因:未熔化顆粒的沖擊動(dòng)能低；噴涂角度不同造成的遮光效果；凝固效應(yīng)和應(yīng)力釋放。合適的孔隙可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，提高涂層的隔熱性能，降低內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的抗熱震性等。但過多的氣孔會(huì)破壞涂層的耐腐蝕性，增加涂層表面的粗糙度，從而降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度、硬度和耐磨性。因此，在涂層的制備過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制孔隙的數(shù)量。

熱噴焊技術(shù)

(1)熱噴焊技術(shù)的原理和特點(diǎn)

熱噴焊技術(shù)是一種表面冶金強(qiáng)化方法，利用熱源使基體表面的涂層材料重新熔化或部分熔化，然后凝結(jié)在基體表面，形成與基體冶金結(jié)合的表層，也稱熔焊。與其他表面處理工藝相比，熱噴焊獲得的顯微組織致密，冶金缺陷少，與基體結(jié)合強(qiáng)度高。但所用材料的選擇范圍較窄，基體的變形遠(yuǎn)大于熱噴焊，熱噴焊層的成分與原成分不同。

(2)熱噴焊技術(shù)的分類熱噴焊技術(shù)主要包括火焰噴焊、等離子噴焊等。

①火焰噴焊:先在基體表面噴涂粉末，再用火焰直接加熱涂層，使涂層在基體表面重熔，基體表面完全潤(rùn)濕，界面發(fā)生元素互擴(kuò)散，形成牢固的冶金結(jié)合。

火焰噴焊特點(diǎn):設(shè)備簡(jiǎn)單；流程簡(jiǎn)單；涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高；涂層具有良好的抗沖蝕磨損性能。

②等離子噴焊:利用等離子弧作為熱源加熱基體，使其表面形成熔池。同時(shí)，噴焊粉末材料被送入等離子弧，粉末在弧柱中被預(yù)熱，處于熔融或半熔融狀態(tài)。被火焰流噴入熔池后，充分熔化，排出氣體和熔渣。移開噴槍后，合金熔池凝固，最終形成噴焊層。

等離子噴焊的特點(diǎn):生產(chǎn)效率高；噴焊耐火材料，稀釋率低，工藝穩(wěn)定性好，易于自動(dòng)化，噴焊層平整，成分和結(jié)構(gòu)均勻，涂層厚度較大，試驗(yàn)過程控制準(zhǔn)確。

(3)熱噴焊技術(shù)與熱噴涂技術(shù)的區(qū)別

①工件表面溫度:噴涂時(shí)工件表面溫度< 250℃；噴焊應(yīng)> 900℃。

②結(jié)合狀態(tài):噴涂涂層主要是機(jī)械結(jié)合；噴涂是冶金結(jié)合。

③粉末材料:噴焊用自熔性合金粉末。噴粉不限。

④涂層結(jié)構(gòu):噴涂層有孔隙，噴焊層均勻、致密、無空隙。

⑤承載能力:噴焊層能承受沖擊載荷和較高的接觸應(yīng)力。

⑥稀釋率:噴焊層的稀釋率約為5%~10%，噴涂層的稀釋率幾乎為零。

04

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)是通過化學(xué)或電化學(xué)手段在金屬表面形成穩(wěn)定的化合物膜的過程。

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)主要用于工件的防腐和表面裝飾，也可用于提高工件的耐磨性。它利用某種金屬與某種腐蝕性液體接觸，在一定條件下，兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于濃差極化、正負(fù)極化，在金屬表面形成一層附著力好、不易溶解的腐蝕產(chǎn)物膜。這些膜可以保護(hù)基底金屬免受水和其他腐蝕性介質(zhì)的影響，還可以提高有機(jī)涂層的附著力和抗老化性。在生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化膜技術(shù)主要包括磷化處理和氧化處理。

一

金屬表面磷酸鹽防銹處理

磷化是將鋼鐵材料放入磷酸鹽溶液中，得到不溶于水的磷化膜的過程。

鋼材磷化處理的工藝流程為:化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→磷化處理→冷水洗→去離子水洗→烘干。

磷化膜由磷酸鐵、磷酸錳、磷酸鋅等組成。，而且是灰色或灰黑色的晶體。該膜與基底金屬結(jié)合牢固，具有高電阻率。與氧化膜相比，磷化膜具有更高的耐蝕性，特別是在空氣、油性和苯介質(zhì)中，但在酸、堿、氨、海水和水蒸氣中的耐蝕性較差。

磷化的主要方法有浸漬法、噴涂法和浸漬與噴涂相結(jié)合的方法。磷化按溶液溫度可分為常溫磷化、中溫磷化和高溫磷化。

浸泡法適用于高溫、中溫、低溫磷化工藝。它可以處理任何形狀的工件，獲得不同厚度的磷化膜。設(shè)備簡(jiǎn)單，質(zhì)量穩(wěn)定。厚磷化膜主要用于工件的防腐處理和增強(qiáng)表面的減摩性。噴涂法適用于中溫、低溫磷化工藝，可處理大型工件，如汽車外殼、冰箱、洗衣機(jī)等大型工件作為油漆底漆和冷變形處理。這種方法處理時(shí)間短，成膜速度快，但只能得到較薄和中等厚度的磷化膜。

氧化處理

(1)鋼的氧化處理

鋼鐵的氧化處理，又稱發(fā)藍(lán)，是將鋼鐵工件放入某種氧化溶液中，在其表面形成一層致密牢固的Fe3O4膜，厚度約為0.5~1.5μm的一種工藝方法。藍(lán)色通常不影響零件的精度，常用于工具、儀器的裝飾保護(hù)。能提高工件表面的耐腐蝕性，有助于消除工件的殘余應(yīng)力，減少變形，使表面光亮美觀。堿性法是最廣泛使用的氧化方法。

鋼鐵氧化處理所用溶液的成分和工藝條件可根據(jù)工件的材料和性能要求確定。通常，溶液由500克/升氫氧化鈉、200克/升亞硝酸鈉和余量的水組成，當(dāng)溶液溫度約為140℃時(shí)，處理6 ~ 9分鐘。

(2)鋁和鋁合金的氧化處理

①陽極氧化法

陽極氧化是將工件置于電解液中，然后通電，獲得硬度高、吸附力強(qiáng)的氧化膜的方法。常用的電解液有15% ~ 20%的硫酸、3% ~ 10%的鉻酸和2% ~ 10%的草酸。陽極氧化膜可在熱水中煮沸，使氧化膜變成水合氧化鋁，因體積膨脹而閉合。也可以用重鉻酸鉀溶液封閉，防止腐蝕性溶液通過氧化膜的晶隙腐蝕基板。

②化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化是將工件放入弱堿或弱酸溶液中，獲得與基體鋁結(jié)合牢固的氧化膜的方法。主要用于提高工件的耐腐蝕性和耐磨性，也用于鋁及鋁合金的表面裝飾，如建筑用防銹鋁、標(biāo)志用裝飾膜等。

05

氣相沉積技術(shù)

氣相沉積技術(shù)(Vapor deposition technology)是指通過物理或化學(xué)方法將含有沉積元素的蒸氣物質(zhì)沉積在材料表面形成薄膜的一種新型涂層技術(shù)。根據(jù)沉積過程的原理，氣相沉積技術(shù)可分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。

一

物理氣相沉積

物理氣相沉積(Physical vapor deposition，PVD)是指在真空條件下，通過物理方法將材料汽化成原子、分子或電離成離子，通過氣相過程在材料表面沉積薄膜的技術(shù)。物理沉積技術(shù)主要包括真空蒸發(fā)、濺射和離子鍍?nèi)N基本方法。

真空蒸發(fā)是將成膜物質(zhì)蒸發(fā)或升華沉積在工件表面形成薄膜的方法。根據(jù)蒸發(fā)材料的熔點(diǎn)，有多種加熱方式，如電阻加熱、電子束加熱、激光加熱等。真空蒸發(fā)的特點(diǎn)是設(shè)備、工藝和操作簡(jiǎn)單。但由于汽化顆粒動(dòng)能較低，涂層與基體的結(jié)合力較弱，涂層疏松，因此抗沖擊性能和耐磨性不高。

濺射是在真空中用輝光放電電離氬氣，產(chǎn)生的氬離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊陰極，濺射出來的顆粒沉積在工件表面形成薄膜的一種方法。其優(yōu)點(diǎn)是氣化粒子動(dòng)能大，適用材料(包括基體材料和涂層材料)范圍廣，鍍覆能力好，但沉積速度慢，設(shè)備昂貴。

離子鍍是在真空中利用氣體放電技術(shù)將蒸發(fā)的原子電離成離子，與大量高能中性粒子一起沉積在工件表面的方法。其特點(diǎn)是鍍層質(zhì)量高、附著力強(qiáng)、鍍覆能力好、沉積速度快，但也存在設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。

物理氣相沉積適用的基體材料和薄膜材料范圍廣；工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，無污染；所得薄膜具有附著力強(qiáng)、膜厚均勻、致密、針孔少等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天、電子、光學(xué)、輕工等領(lǐng)域，制備耐磨、耐腐蝕、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、磁性、壓電、潤(rùn)滑、超導(dǎo)薄膜。

化學(xué)汽相淀積

化學(xué)氣相沉積(CVD)是指在一定溫度下，通過混合氣體與基底的相互作用，在基底表面形成金屬或化合物薄膜的方法。

化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)是:沉積物種類繁多，可分為沉積金屬、半導(dǎo)體元素、碳化物、氮化物、硼化物等。并且可以在較大范圍內(nèi)控制薄膜的組成和晶型；能均勻涂覆復(fù)雜幾何形狀的零件；沉積速度快，膜層致密，與基底結(jié)合牢固；易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

化學(xué)氣相沉積(CVD)薄膜因其優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性、電學(xué)和光學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域。