材料课件表面技术

精品文档精心整理精品文档可编辑的精品文档材料课件表面技术目录：1、材料课件表面技术2、现代表面技术现代表面技术第一章表面技术概论表面技术的涵义19世纪工业革命以来，材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可以极大地提高材料寿命。因此，迫切需要开发出各种行之有效的表面技术，正是基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科——表面工程学。表面工程技术的发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。除本文所提及的巨大作用外，用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有可能节省200。万到400亿埃居(约200亿英镑)，可见表面技术对国民经济的巨大作用。我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就，但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。这一方面要靠广大科技人员的才智与努力，同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。只有这样，我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪，全方位赶上和领先世界水平。一、什么是表面技术从广义上讲，表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术。任何表面在通常情况下实际上都是界面。两种不同相之间的交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象。固体材料的界面有三种：表面――固体材料与气体或液体的分解面。晶界（或亚晶界）――多晶体内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。相界――固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。它主要包括：表面覆盖（在材料的表面施加各种覆盖成）、表面改性、表面加工以及表面湿润、表面催化、膜技术等。二、使用表面技术的目的提高材料抵御环境的能力，同时具有装饰的效果。通过使用表面技术，可以提高材料在各种介质（如空气、淡水、海水、土壤、酸、碱、盐等）中的耐蚀性，还可以提高材料表面的硬度，从而提高材料的耐磨性以及耐疲劳性。有不锈钢镜面板;不锈钢丝纹板;不锈钢刻花板;不锈钢彩色板;着色铝合金制品;彩色(有机涂层)钢板;金属表面的仿金电镀层;钟、表壳表面的离子镀金色氮化钦层，钢铁零、部件上的电镀黑镍层、黑铬层，电镀锌制品表面的彩色钝化膜等。赋予材料表面某种功能特性。包括光、热、电、磁、声、吸附、分离等各种物理和化学特性。实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。修补金属表面的缺陷和磨损普遍采用热喷涂技术修复磨损件。刷镀是修补金属表面磨损比较廉价的手段。特点是设备简单，操作灵活，适于野外和现场修复，特别是对于大型、精密设备的现场不解体修复，更具有独特的优点。目前刷镀技术已广泛用于修复加工超差件，以及工件表面磨损、凹坑和斑蚀等缺陷部位。三、表面技术实施的途径表面涂覆（表面覆盖）金属覆盖层：电镀化学镀热浸镀喷镀（喷涂）真空溅射离子镀化学气相沉积非金属覆盖层：化学氧化阳极氧化磷酸盐处理铬酸盐处理涂料覆盖玻璃钢衬里橡胶衬里搪瓷衬里防锈油脂陶瓷衬里表面改性用机械、物理和化学的方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。表面改性技术基本上有两大类型，即表面合金化过程与表面涂层过程。前者采用合金化元素改善合金原来的表面，如把碳或氮通过不同方法处理钢的表面;后者则是将新材料沉积在表面为之提供保护涂层。表面改性技术主要有：喷丸强化表面热处理化学热处理等离子扩渗处理激光表面处理电子束表面处理高密度太阳能表面处理离子注入表面改性表面加工：通过物理化学方法使金属表面的形貌发生改变，但不改变金属表面的金相组织和化学成分。表面微细加工、抛光、蚀刻、整体包覆第二节表面技术的应用表面技术应用的广泛性和重要性1、广泛性目前，表面技术的应用遍及各行各业，包含的内容也十分广泛工业领域：可用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等方面。学科领域：涉及光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。材料领域：表面技术涉及的基体材料不仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。2、重要性保护材料的表面，延长其使用寿命，从中获得经济效益和社会效益材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化等一般都是从材料的表面开始的，他们所带来的损失和破坏是十分惊人的，仅从腐蚀这个方面来看，据统计，全世界每年损耗金属达一亿吨以上，工业发达国家因腐蚀破坏造成的经济损失占国民经济总产值的2％－4％。美国75年腐蚀的损失约700亿美元，占国民生产总值的4。2％，大大超过了当年所有自然灾害的总和（125亿美元，5。6倍），2000年美国腐蚀损失达3000亿美元，相当于美国当年的军费开支。日本1。8％，英国3。5％，意大利6。6％，波兰6－10％。我国按4％计算，每年损失达1000亿元，所损失的钢材约800万吨，相当于首钢一年的产量，可铺13条双轨京广铁道线。由此可见，采用各种表面技术，加强材料的表面的保护具有十分重要的意义。从材料的表面作用来看，许多产品的性能，主要取决于表面的性质和状态材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。应用表面技术可以生产出各种新材料、新器件表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用表面技术在功能材料和元器上的应用表面技术在其它方面的应用1、净化空气用触媒载体（吸附的方法）净化汽车尾气2、净化水质3、生物医学绿色能源第三节表面技术的发展一、表面涂覆技术的发展在表面涂敷技术中，涂料和土装饰一个重要的组成部分。早在公元前2000年，我们的祖先从野生的漆树收集天然漆，用来装饰器皿。直到本世纪20年代，由于化学工业的发展，出现了酚醛树脂，才给变了涂料完全依赖天然材料的局面。30年代出现了醇酸树脂，使涂料摆脱了油树脂型的格局，从而进入了合成树脂涂料时期，发展成为现在的18大涂料类。他们的适用范围远远超出了装饰目的，已涉及到材料保护和具有各种功能的领域。由于涂料制造和涂装行业是资源耗量很大的工业领域，又是大气和水质的污染源之一，因而开发和采用资源利用率高的，低污染或无污染型涂料和涂装技术已成为重要的研究方向。热喷涂因基材可以不经高温，可用作涂层的材料类型广泛，土层性能优良，共建的外形尺寸上没有限制，成本低，从而成为广泛使用的表面技术。这类技术的开发和使用是从本世纪初开始的。七十年代，热喷涂技术向着高能﹑高速﹑高效发展。八十年代以来，热喷涂技术向着涂层质量进一步提高以及精密﹑智能化方向发展。二、金属表面强化技术的发展金属材料一般适宜合金的形式进行使用，具有良好的强度和塑性配合，优良的加工性，许多金属还具有优异的物理特性，因而应用非常广泛。金属材料的表面在外环境下容易发生各类的磨损﹑腐蚀﹑氧化和疲劳等破坏。因此，金属的表面强化技术受到人们的重视。20年代，喷丸强化技术应用于汽车领域；60年代以后用在航空中得到应用。使得经喷丸后，零部件的抗疲劳性和抗力学腐蚀性有了明显提高，而生产成本低廉，因此成为一种重点采用的表面技术。表面热处理和化学热处理也是人们早就使用的表面技术。这些技术早在战国时就开始应用。到了19世纪和20世纪初人们对电进行了广泛的研究之后，一系列以电为基础的表面处理新技术不断涌现出来。如等离子热化学技术和等离子镀膜技术。同时，激光和电子束也在该领域得到应用。三、表面加工技术的发展表面加工技术包含的内容十分的广泛，尤其是表面微细加工技术已成为大规模集成电路和微细图案成型必不可少的加工手段，在电子工业尤其是微电子技术中占有特殊地位。虽然人们在19世纪发现了硅半导体以及他的一些特殊性能，但20世纪初由于发明了真空二极管和真空三极管，半导体的应用受到限制。进入20——30年代后无线电通讯对高频和超高频的利用以及二战中微波技术的进步，都要求采用半导体器件。与此同时，人们对半导体的认识加深，直到1948年终于制成了结型晶体管，引起了电子学的革新。到1958年平面集成电路得到应用。现在，已从特大集成电路向吉规模集成电路进军。到今天，微细加工技术在微电子技术成就的基础上正在向为机械技术和纳米级制造技术推进。第二章金属表面的预处理金属表面预处理：是指用物理或化学的方法除掉金属表面的油污、氧化皮、锈蚀产物和其它污物，而呈现出具有一定粗糙度或光洁度的清洁的金属的表面。金属及其制品在使用和加工以及存储过程中，表面会有各种脏物（油污、润滑剂、氧化皮、腐蚀产物、沙尘、油漆等），或者存在改变了金属表面的形状及表面层的组织、结构。当我们对金属进行表面加工（比如在金属表面施加涂镀层的时候），这些表面缺陷会严重影响涂镀层的致密性以及与基体的结合强度，甚至造成表面处理的失败。因此，进行表面处理之前，首先必须把金属的表面处理成干净的表面。表面处理有时候要求基体的表面具有一定的光洁度，有的时候还要求基体的表面有一定的粗糙度。第一节除油从金属表面除掉油脂的过程，习惯上叫做除油，也叫脱脂。除油的主要方法有：溶剂除油、碱液除油、电解除油、烧灼（加热）除油、蒸汽热洗。一、油污的种类油污按化学性质可分两类：1、皂化类：所有的植物和动物油脂都属于皂化类，他它们甘油和高分子有机酸的酯类。它们在碱液的作用下能分解生成溶于水的脂肪酸盐－肥皂和甘油。化学反应如下：（RCOO）3C3H5+NaOH→RCOONa+C3H5(OH)(肥皂)(甘油)2、非皂化类：指的是矿物油，如汽油、润滑油、柴油、原油等，它们在碱的作用下不起化学分解反应（也就是皂化反应），因此称为非皂化类油脂，能溶于某些溶剂，在一定条件下，与碱形成乳浊液，也可以从基体表面除去。二、除油剂的除油机理除油时我们使用各种除油剂，它们的作用机理时不相同的。归纳起来，有以下几种》1、皂化作用：氢氧化钠和碱性强的盐类与油脂反应生成肥皂和甘油，肥皂和甘油溶于水，而除去油脂。利用皂化作用只能除去动物和植物油脂。常用的皂化剂有：NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、NaNo2等。2、乳化作用：使用表面活性剂除油，表面活性剂能显著降低水的表面张力或水与油之间界面张力，它的分子中既有亲水基团，又有亲油基团，亲油基团与油污分子结合，而亲水基又包围在外面，形成O/W液滴，分散到液体中，形成乳浊液而除去油污。矿物油等非皂化类油脂只有通过乳化作用才能除去。常用的乳化剂有：3、润湿作用：表面活性剂溶液渗入油脂中，并在基体表面分散，减少油脂对基体表面的附着力，使之脱落。常用的润湿剂有：4、分散作用：利用分散剂把从基体表面脱落的油脂分散到溶液中，而除去油脂。常用的分散剂除表面活性剂外，还有硅酸钠、磷酸钠。5、溶解作用：利用有机溶剂对油脂的溶解作用，把油污除去。很多有机化合物是非极性的或弱极性的，而水是一种强极性的液体，所以多数有机物不容于水，而易溶于极性弱的有机溶剂中，当然极性大的有机物，如乙醇、乙酸等则易溶于水，甚至可以以任何比例于水互溶。三、对除油剂的要求1、除油效果好，成本低。2、对基体物腐蚀、安全、无毒。3、操作方便，容易被水清洗。4、对后续工序无不良影响。5、便于废水处理，不致引起公害。物理因素在除油过程中的作用1、搅拌：可以处使油污从工件表面脱落下来，也可以使除油剂于表面充分接触，并加速油污在溶液中的分散过程，所有这些都可以使除油速度加快。机械搅拌、空气搅拌、超声波清洗2、温度：温度升高对除油过程有促进作用，温度升高时，油脂变软，有利于除油剂的渗透和润湿作用，促进油脂脱落合分散，温度升高还会使酯的水解速度加快，溶液的对流作用增强，这些都有利于除油过程。因此传统的除油都是在接近沸点的温度下进行的。但是高温除油耗能较高，近年来，低温除油越来越受到人们的重视。低温除油对表面活性剂依赖程度很大，要求表面活性剂的浓度高达1％－3％。通常是非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂配合使用，为了促进表面活性剂的溶解，往往还需要加入分散剂（亲水基团较多的表面活性剂）。用这样的除油液在40℃左右的室温下就可以有效地除油。3、电流：除油方法溶剂除油溶剂除油是，借油脂溶于有机溶剂中以后随溶剂—起挥发而去掉油脂。它可以溶解皂化和非皂化油脂。由于有机溶剂只能溶解油脂，而不能溶解油污中的非有机物，因此，溶剂中的脏物在溶剂挥发后仍会残留在工件表面上，对溶剂的要求：(1)无易燃性；（2）无毒、无刺激性气味；（3）无腐蚀性；（4）溶剂不分解、不变质；（5）溶解油脂能力强、粘度低、比热小。常用溶剂：（1）汽油、煤油，价格便宜，溶解弱极性或非极性油脂，溶解油污能力较强，毒性小，是一种用量大、应用普遍的有机溶剂。（2）三氯乙烯，不易燃烧，稳定，溶解弱极性或非极性油脂，它对大多数金属物腐蚀作用，但有一定的毒性，使用时要按一定的操作规程，在专门的除油设备中使用。（3）丙酮、酒精，溶解强极性油脂，(4)四氯化碳，、苯，非极性有机溶剂除油的方法与设备：用布蘸有机溶剂擦金属表面，或者使用“除油机”进行。2、碱液除油用含有碱性化学试剂的溶液除去材料表面油污的方法。利用碱和表面活性剂对油脂的皂化作用和乳化作用进行的。除油剂的组分和作用：NaOH：碱性最强的除油剂，与动植物类油脂发生皂化反应，使酯类水解为可溶与水的肥皂和甘油。NaCO3：皂化作用较NaOH弱，但对溶液的PH值优良好缓冲作用，对油脂层有缓慢的润湿和分散作用，对材料腐蚀作用小，比较适合清洗有色金属。Na3PO4：常用的是十二水磷酸纳(Na3PO4·12H2O)，偏磷酸纳(NaPO3)、三聚磷酸纳（Na5P3O10）,它们除具有碳酸钠优点外，还具有乳化能力，很容易用水清洗，，对硬水有软化作用，对铝、锌等金属没有显著的腐蚀作用。Na2SiO3：俗称水玻璃或泡花碱，润湿、乳化和分散作用，对强碱液有缓冲作用，也可用作表面活性剂：表面活性剂它可促进乳化、分散作用，加快除油过程。这种物质分子中的亲油端(疏水端)被金属表面油污所吸附，同时分子中的亲水端与碱液中的水分子结合，从而提高金属表面在溶液中的润湿性，使之充分地与碱液接触。另外，表面活性还可以降低油水界面张力和油滴对金属表面的亲合力，从而促使油滴进入溶液。同时表面活性剂又被吸附在油滴表面形成乳胶体，使溶液中的油滴不会重新聚集，起到对油脂乳化、分散作用。除油剂中常用的表面活性剂有水玻璃、肥皂和烷基芳基聚乙二醇(oP乳化剂)，6501(十二烷基二乙醇酰胺)、6503(十二烷基二乙醇酰胺磷酸脂)及TXl0(聚氧乙烯辛烷基酚醚)。碱液除油工艺条件：根据油污状态和材料的性质选择适当的除油剂组成和使用条件。或与其它的除油方法配合使用。有色金属尽量不使用NaOH。为节约能源，尽量在低温条件使用从成本考虑，除油剂浓度尽量低。碱液除油的优点是：成本低、无毒、不会燃烧。缺点：生产效率低（除油时间长）。3、电解除油：在碱性除油液中通直流电，把工件作为阴极或阳极，进行短时间电解，而除油的方法。①除油原理a、皂化作用及乳化作用b、电极表面的极化作用，降低金属表面与溶液界面张力c、电极上产生的大量气泡的迅速撕裂，使油污转变成细小的油珠而被除掉d、气泡对溶液还会起到机械搅拌作用，加速除油过程②除油方法a、阴极除油：将工件作为阴极阳由不溶性电极材料制成。反应式：2H2O+2eH2+2OH-特点：析出气体为H2，气泡小，数量多，面积大，除油效率高，不腐蚀工件。但容易产生氢脆，零件表面上有黑色挂灰。阳极除油：将工件作为阳极，阴极可以使用钢板。反应式：4OH--4eO2+H20特点：析出气体为氧气，气泡大，数量少，氧气的析出使阳极附近PH值下降，降低油脂的皂化反应速度，除油效率低，阳极具有溶解性，对金属有腐蚀性。锌、锡、铜及其合金不宜用阳极除油。阴阳极交替除油为解决阴极除油产生氢脆，阳极除油零件被溶解的问题，在实际应用当中，经常采用阴、阳极交替除油的方法，即先用阴极除油，再转为短时间的阳极除油，或是先用阳极除油，再转为阴极除油。4、烧灼除油和蒸气热洗第二节酸洗除锈酸洗的目的和作用为了除掉金属表面的腐蚀产物或氧化皮。除锈多用酸，称之为酸洗。金属表面的氧化产物锈是指金属在水和氧等的作用下，在其表面生成的固体腐蚀产物。通常我们说的铁锈，就是指由于高温氧化在钢铁表面形成的氧化皮。一般的金属在使用环境下，都会受到腐蚀而生锈。例如：对碳素结构钢，表面氧化物主要由FeO、Fe2O3、Fe3O4组成。酸洗液的组分和作用1、酸洗用酸：硫酸：对金属氧化物的溶解能力较弱，热硫酸对钢铁材料酸洗能力较强，但温度过高容易造成腐蚀，并使钢铁基体产生氢脆。经常与其它的酸配合使用。硫酸+铬酸或重铬酸盐用于铝的活化剂硫酸＋硝酸用于不锈钢和铜、铜合金的酸洗硫酸＋氢氟酸用于不锈钢的酸洗盐酸：对金属氧化物的清洗作用较好，可以对多种金属进行清洗。硝酸：不能单独用于酸洗，与氢氟酸配合用来除去铅、不锈钢、镍基、铁基合金上的氧化物。2、酸洗缓蚀剂目的：防止金属过腐蚀和氢脆。主要有：若丁（二邻甲基苯硫脲）、硫脲、硫脲与乌洛托品等。3、酸洗用促进剂目的：加入酸液中能够加快酸洗速度。主要有无机盐和表面活性剂。化学酸洗酸洗根据反应原理可分为化学酸洗和电化学酸洗。化学酸洗是金属表面浸入适当浓度和一定温度的酸液中，通过化学反应而除去金属氧化物的方法。反应原理以钢铁的化学酸洗为例，FeO+2HCIFeCI2+H2OFeO3+6HCIFeCI3+H2OFe3O4+8HCI2FeCI3+FeCI2+4H2O通过这些反应，铁的氧化物溶解而进入溶液，同时夹杂在铁的氧化物孔隙中的大量的散碎的铁还会与盐酸发生反应而放出氢气Fe+2HCIFeCI2+H2产生的氢气能把疏松的氧化层从钢铁表面剥离下来。影响因素酸洗溶液浓度和温度的影响盐酸酸洗时,盐酸溶液的浓度和温度直接影响着溶液的活性,酸洗速度随盐酸的浓度的增加而增加,虽温度的升高而增快,如图2—1所示。虽然提高盐酸浓度可以增加酸洗速度，但由于盐酸浓度超过18%时，基体的溶解速度将明显增加。因此，实际生产中一般采用10%左右的盐酸进行酸洗。升高盐酸溶液的温度同样可以提高盐酸溶液的活性，但因温度高时，盐酸挥发性大，污染环境。所以通常采用增加盐酸浓度而不过分升高温度的办法来提高酸洗速度，多采用在室温下进行酸洗。硫酸酸洗时，在一定的酸浓度范围内，酸溶液的活性随浓度的增加而提高。当硫酸浓度为25%—30%时，活性最大，酸洗速度最快，即酸洗时间最短。酸浓度超过30%时，酸洗速度随浓度的增加而降低，当浓度达到60%时，是钢铁发生钝化现象，酸洗根本不能进行。所以生产中一般采用20%左右的硫酸浓度进行酸洗。酸洗溶液浓度对酸洗时间的影响如图2—2所示。（114页上）提高硫酸溶液的温度同样可以提高硫酸溶液的活性，增加酸洗速度。但温度超过70℃时，硫酸溶液对于钢铁基体的腐蚀速度增加很快，同时氢脆倾向增大，所以生产中硫酸酸洗时的温度采用50—60℃。另外，从表2—1列出的盐酸和硫酸溶液浓度与温度对酸洗时间的影响结果还可以看出，铁在盐酸溶液中其酸洗速度随温度的升高而加快的程度，比在硫酸溶液中小。在盐酸溶液中酸洗时，酸的浓度对酸洗速度有很大的影响，而在硫酸中温度对酸洗速度影响很大。表2—1盐酸和硫酸的浓度与温度对酸洗时间的影响酸洗浓度%酸洗时间（min）硫酸浓度%酸洗时间（min）18℃40℃60℃18℃40℃60℃5105518156525101351204532138酸溶液中Fe的影响无论是用盐酸酸洗还是用硫酸酸洗，总的趋势是溶液中的Fe离子含量逐渐增加，并对酸洗速度有较大影响。盐酸酸洗时，溶液中FeCl2浓度的增大，并不一定降低酸洗速度，相反，由于酸洗时生成了极易溶于水的FeCl2，所以在一定的含铁量范围内，随Fe2+离子浓度的增加，酸洗速度加快，直到Fe2+离子浓度达到该溶液中的饱和度为止。由此可见，酸洗速度不是简单的依赖于Fe离子的绝对含量，而更重要的是决定于FeCl2再该盐酸下的饱和度。因为有时酸溶液中FeCl2含量已经很高，但若再该盐酸浓度下，FeCl2并不饱和的话，则溶液仍具有很强的酸洗能力：相反，FeCl2含量并不太高，如果已经达到该浓度下的饱和状态，其酸洗能力就会显著下降，此时即使延长酸洗时间已无济于事。如下表，列出了不同盐酸浓度下FeCl2饱和度。盐酸浓度%溶剂盐酸含量（g）FeCl2最大溶解量（g）FeCl2饱和度（%）810141621283110010010010010010010053484340.316.77.45.553484340.316.77.45.5从表中数据可以看出，当盐酸浓度达到10%时，FeCl2饱和度为48%，而盐酸浓度为31%时其饱和度只有5.5%。因此盐酸酸洗时采用低浓度的盐酸酸洗较为合适。试验表明，在2%—15%盐酸中酸洗，Fe离子含量小于16%时，酸洗效果最好。在硫酸酸洗中，硫酸亚铁含量对酸洗时间的影响如图2-—3所示。从图中可以看到，酸洗时间随硫酸亚铁的含量的增加而延长，但硫酸浓度为20%左右时，不管硫酸亚铁含量是多少，酸洗时间都有一个最小植。当硫酸亚铁浓度增大到接近或达到在溶液中的饱和度时，不仅酸洗速度最慢，由于铁盐残留在工件表面上，使表面变黑变脏：过度的硫酸盐结晶也容易引起工件表面过酸洗缺陷。因此，酸洗溶液中硫酸亚铁浓度不应超过其在当时条件下的饱和度。（1.15）3酸洗工艺条件a钢铁化学酸洗配方及操作条件见表2—2。表2—2钢铁化学酸洗配方及操作条件溶液成分（g\l）12345硫酸盐酸氢氟酸硫脲乌落托品200—2502—380—1501—3150—2001—3100—1501—310010—20温度（℃）时间（min）30—5015—2060—7010—1530—5015—2030—4020—2530—5020—25在钢材生产中，带钢﹑钢板﹑钢丝的酸洗多数是在连续密闭的酸槽中进行的。盐酸浓度为5%——20%，酸洗温度为70——85℃，溶液中氯化亚铁的含量控制在10——15%；或者是使用温度小于85℃的15——25%硫酸溶液，其硫酸亚铁含量应控制在200——250g\l。如果是非连续酸洗，盐酸浓度为5%——20%，酸洗温度为40——50℃；或者是硫酸浓度为20——25%，酸洗温度为50——60℃。考虑到硫酸和盐酸对铁的氧化物作用不同，国内也有使用硫酸与盐酸的混合夜进行酸洗的。混合酸洗溶液成分是：H2SO450—100g/l和HCL150—100g/l,或者是H2SO4150—200g/l﹑HCI250—400g/l﹑FeCL3·6H2O3—5g/l和若丁2—3g/l。酸洗后往往在钢件表面残留酸和铁盐，因此，对酸洗过的工件还要再热的及冷的流动水中进行清洗，以保证表面清洁度，用热的流动水清洗时，温度为70—80℃，清洗时间为5—9min；用冷的流动水清洗时，清洗时间也为5—9min。b铜和铜合金铜和铜合金的酸洗，通常是在硫酸﹑硝酸和加有少量盐酸的混合酸夜中进行的。当工件表面氧化膜很薄时，可省去预酸洗而直接进行光亮酸洗处理。铜和铜合金化学酸洗溶液配方及操作条件见表2——3表2——3铜和黄酸洗配方及操作条件溶液成分（ml/l）预酸洗光亮酸洗1212硫酸硝酸盐酸氯化钠，g/l水160—180210—2204（或3—6）余量500200—250微量余量500250—3003—5余量180—260340—38012余量温度（℃）时间（min）<302—420——303—5<301—3<303—5酸洗时，铜的氧化物分别与硫酸、硝酸和盐酸发生下述反应：CuO+H2SO4→CuSO4+H2OCuO+2HNO3→Cu（NO3）2+H2OCuO+2HCL→CuCL2+H2O但是，由于铜的活泼性较差，因而不能与稀硫酸和稀盐酸反应而放出氢气，他只能和具有氧化性的酸进行反应。铜和浓硫酸进行下列反应：Cu+2H2SO4→CuSO4+SO2↑+2H2O铜和浓硝酸反应放出NO2：Cu+4HNO3→Cu(NO3)2+2NO2+2H2O铜和稀硝酸反应放出NO：3Cu+8HNO3→3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O在用硫酸﹑硝酸﹑盐酸混合溶液酸洗时，与铜发生反应的主要是硝酸，因而反应时会放出大量棕红色刺鼻的气体即氮氧化物的混合物（NOx），污染环境。对此，可以通过加入抑制剂如尿素﹑明胶﹑聚已二醇和表面活性剂等，以减少氮化物的危害。用上述混合酸溶液对黄铜进行酸洗时，要特别注意防止过腐蚀现象。因为混合酸中当硫酸和盐酸含量不变时，硝酸含量增加，铜的溶解速度就迅速上升，而锌的溶解速度变化很小。当硫酸和硝酸含量一定时，盐酸的含量增加，则锌的溶解速度上升，而铜的溶解速度稍有降低。在酸洗时，正确的酸比应使铜和锌的溶解速度等于他们在黄铜中的含量比。若盐酸含量不足，黄铜表面残留过多的锌，则呈暗淡黄色；若盐酸含量不多或硝酸含量不足，则黄铜表面会出现棕褐色的斑点。这是由于锌的过腐蚀而铜溶解不足所造成的黄铜脱锌。酸洗速度还取决于温度。当酸洗溶液温度达到50℃时，铜的溶解速度起初增大，而后迅速降低，锌的溶解速度变化不大，因而酸洗效果不好。当温度超过50℃时，混合酸开始分解。实践表明，铜和铜合金酸洗温度应控制在30℃以下。用氯化钠代替盐酸的目的，是既可以保持氯离子的活化作用，又可以减少溶锌时所析出的氧，使腐蚀作用减缓。C铝和铝合金铝是两性金属，他的氧化物即溶于碱，也溶于酸，所以铝和铝合金即可以用碱洗，也可以用酸洗。例如，在含65g铬酐﹑360g硫酸和100ml水的溶液中，于60—70℃温度下进行除锈。溶液中的铬酐也可以用硝酸代替，还可以加入适量氢氟酸。表2—4列出不同铝合金酸洗配方及操作条件。表2—4不同铝合金酸洗配方及操作条件。材料溶液成分温度（℃）时间（s）纯铝，Al—MnAL—Cu(低)50%HNO3室温5—30AL—Cu(高)AL—Cu—MgAL—SiAL—Mn—Si30—50%HNO3+3—5%HF室温5—30AL—Mg(高)15—20%H2SO460—805—10酸洗液中，硫酸的主要作用是有选择的溶解上述铝合金表面的金属铝和氧化铝，能够提高合金表面和酸液的活性，同时提高酸液的整平作用。硫酸的浓度一般在8—25%较为适宜。如果他的浓度低于8%，其酸洗速度就慢，易使合金受到点腐蚀。如果浓度高于25%，就会降低酸洗质量，使合金表面出现半透明物膜。硫酸在酸洗的化学反应如下：2AL+3H2SO4=AL2(SO4)3+3H2↑AL2O3+3H2SO4=AL2(SO4)3+3H2O硝酸的作用是，一方面与合金表面的金属铝起化学反应生成氧化铝，另一方面又及时溶解氧化铝膜而生成硝酸铝。这对提高酸洗的表面质量起到重要作用。在酸洗液中，硝酸的浓度在25—50%较为适宜。硝酸在酸洗中的化学反应如下：2AL+6HNO3=AL2O3+6NO2↑+3H2O4AL+4HNO3=2AL2O3+4NO↑+2H2OAL2O3+6HNO3+2AL(NO3)3+3H2O氢氟酸对除去含硅的铝合金表面的暗灰色硅浮灰，以提高酸洗表面质量，起到一定作用，其化学反应如下：Si+4HF+4HNO3=SiF4↑+4NO2↑+4H2O为了获得比较光亮的铝和铝合金表面，则可采用含表面活性剂的磷酸溶液进行酸洗。酸洗溶液成分如下：磷酸（85%）100ml/l丁醇400ml/l异丙醇300ml/l水200ml/l铝和铝合金经过酸洗后，必须立即用流动温水和冷水清洗，以彻底除去表面残留的酸液，从而防止铝和铝合金表面受到腐蚀。D其他有色金属除常见的铜和铜合金及铝和铝合金外，有色金属中的锌﹑镁﹑锡和铅等酸洗用配方及操作条件见表2—5表2—5有色金属的酸洗配方及操作条件溶液成分（g/l）锌和锌合金镁和镁合金锡铅硫酸盐酸硝酸铬酐氢氟酸50—10010—20150—25080—120100—30050—100温度（℃）时间（min）室温<1室温<1室温8—12室温<1室温1—3室温<14酸洗除油一步法及除油﹑除锈﹑磷化﹑钝化“四合一法”把酸洗和除油两道工序和为一步称为酸洗除油一步法。他是在酸﹑乳化剂和少量缓蚀剂配成的水溶液中进行的。这种工艺只适用于钢铁材料及其制品表面锈蚀和油污不太严重的情况，见表2—6列出钢铁材料酸洗除油一步法用配方及操作条件。由于一步法溶液酸性强，又要加热，因此要求容器和加热器能耐酸﹑耐热，同时必须设置良好的塑料或玻璃钢抽风机，以保证操作安全和人身健康。表2—6钢铁材料酸洗除油一步法用配方及操作条件溶液成分（g/l）12硫酸硫脲op乳化剂若丁氯化钠200—2503—56—8320—3505—103—515—20温度（℃）时间（min）60—6540—9050—5510—50“二合一法”配方成分1（%）2（g/l）作用工业硫酸（相对酸度1.84）工业盐酸（含量30%）十二烷基磺酸钠若丁六次甲基四胺三乙醇胺氯化钠（工业盐）平评加水15——25——60.06——0.1——————6余量150——200200——30010——32200——300——余量酸洗除锈除锈润湿，分散，除油缓蚀缓蚀缓蚀，分散促进剂润湿，分散，除油“四合一法”配方磷酸二氢锰700g磷化剂硝酸锌200g磷化剂氟化钠200g磷化剂氧化锌70g磷化剂磷酸200ml磷化剂除锈酒石酸50g除锈硝酸钠50g钝化剂亚硝酸钠20g钝化剂OP——1040ml除油络合剂（柠檬酸钠）20g除油或锈水10L第三节涂层与钢材表面的粘附理论1物理作用a范德华力：色散力，诱导力，取向力范德华力：金属对表面涂层有一种物理吸附作用，称为范德华力。色散力非极性分子互相靠近时，由于电子的高速转动和原子核的不断震动，正负电荷的中心不可能每一时刻都重合，必然产生瞬间偶极，而瞬间偶极总是处于异极相邻的状态。这种非极性分子瞬间偶极之间所产生的分子力称为色散力诱导力当极性分子与非极性分子靠近时，非极性分子受极性分子的影响，产生诱导偶极，由此而形成的吸引力称为诱导力。取向力极性分子之间，由于固有偶极之间的取向所引起的分子间力，称为取向力，他使极性分子更加靠近。B表面张力金属表面分子与内部分子所处的状态是不同的。内部分子所受的分子间的作用力合力为零，而表面分子所受的合力不为零，有一个向内的拉力，使进入该力势内的涂料分子被吸附。C机械作用金属表面的粗糙度给涂料分子与金属表面分子的吸附作用提供了更多的附着点，从而增大了他们之间的摩擦力，称为机械作用。因此为了提高涂料与金属之间的吸附作用，金属表面应该有一定的粗糙度。当工件喷丸后，在工件表面形成齿形锚纹，他可使金属表面积增大20倍，锚太浅或太深都不合适，适中的锚纹才有利于涂料与金属之间的吸附。第四节金属表面的机械处理一刷光﹑磨光与抛光1刷光刷光是使用金属丝﹑动物毛﹑天然或人造纤维制成的刷光轮对工件表面进行加工的方法。他主要用于除去工件表面的氧化皮﹑锈蚀﹑焊渣﹑旧油漆及其他污物；也用于除去零件机加工后留在表面棱边的毛刺。常用刷光轮一般由钢丝和黄铜丝等材料制成。零件材质较硬者，应采用钢性大的钢丝刷轮，同时采用较大的转速；反之，采用黄铜丝的刷轮。刷光可分为机械刷光和手工刷光。两者多采用湿法，即用水或溶液保证刷光进行，一般都采用水做刷光液，对钢铁材料的刷光也有采用3—5%磷酸钠溶液的。2磨光和抛光A磨光磨光是用磨光轮对零件表面进行加工的方法。他可以去掉零件表面的锈蚀﹑砂眼﹑焊渣﹑划伤等缺陷﹑提高零件的平整度。磨光一般都是在装有旋转的磨轮或圆盘的机床上进行，目前用带式磨光机的日益增多，也可以在一些专用的旋转滚筒﹑震动磨光机等设备中进行，后者常用于批量生产。B抛光抛光是用抛光轮对零件表面进行加工的方法。抛光可进一步降低零件表面的粗糙度，获得光亮的外观。抛光时，首先把抛光轮的圆周线速度调节到20—35m/s（零件形状简单﹑表面较硬的，转速可大些，反之，则小些），然后根据零件选用抛光剂。常用的抛光轮有三种，即非缝合式﹑缝合式和风冷布轮。抛光剂有抛光膏和抛光液两种。二喷砂和喷丸1喷砂和喷丸的目的：a除锈及污物b在金属表面形成锚纹，增加与锚纹之间的吸附力c表面强化，硬度提高，疲劳强度提高d形成残于压应力，减小scc的敏感性2喷沙种类干喷沙干喷砂的磨料可以是钢砂、氧化铝、石英砂、碳化硅等。目前应用最多的是石英砂。管道喷砂所用砂粒的尺寸一般选用2.5～3.5mm的石英砂。干喷砂设备有吸入式、压力式、自流式、离心式等空气压力喷砂机，生产上常用的是吸入式和压力式两种。吸入式喷砂机结构简单，但生产效率低，适用于小工件。压力式喷砂机主要由贮砂箱、喷砂室及工作台等组成。压缩空气通过混合室与砂料混合，然后一起沿软管输送到喷枪，从喷嘴高速射出撞击工件表面，从而达到加工的目的。这种喷砂机适用于大、中型工件，生产效率高，多用于大批量生产。目前国内管道除锈大多数采用这种方式（见图2－11）。湿喷砂湿喷砂是将水与磨料混合成砂浆（磨料体积一般占20％～30％），并不断搅拌以防沉淀，用压缩空气压力喷枪，喷向工件；也可将砂和水分别置于罐中，在流入喷枪前混合，然后喷向工件。为防止钢铁件锈蚀，水中可加入亚硝酸钠、碳酸钠、重铬酸钠等作缓蚀剂。湿喷砂所用的磨料与干喷砂相同，与干喷砂相比，湿喷砂的优点是可以避免产生大量粉尘，对操作人员健康危害不大，不污染环境。湿喷砂通常有雾化喷砂、水－气喷砂和水喷砂3种，喷砂方式和喷砂机的结构各不相同，其工作原理和特点见表2－7。表2－7各种湿喷砂工作原理和特点方法工作原理特点水－气喷砂由泥沙泵以高压将水－砂料经软管输送到喷枪，并在喷枪通人压缩空气，以喷出的高速水－砂流冲击工件表面改变压缩空气压力，就能改变喷砂表面粗糙度水喷砂不使用压缩空气的水－砂流喷砂只能通过改变水压、才能改变喷砂表面粗糙度雾化喷砂即低压喷砂。磨料从装有文氏管的压缩空气系统送至喷枪，以雾化水－砂流冲击工件表面只有通过改变磨料粒度才能改变被喷砂工件表面的粗糙度3喷丸喷丸与喷沙相似，只是用钢铁丸或玻璃丸代替喷沙用磨料。常见喷丸主要有以下几种：铸钢丸硬度一般为HRC40—50，韧性较好，使用广泛，其使用寿命是铸铁丸的几倍。铸铁丸硬度为HRC58—65，质脆而易于破碎，寿命短，使用不广。主要用于喷丸强度高的场合。玻璃丸硬度较前两者低，主要用于不锈钢﹑钛﹑铝﹑镁及其他不允许铁质污染的材料。也可在钢铁丸喷丸之后作第二次加工之用，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。喷丸粒度一般选在6—50目之间。喷丸加工的设备与喷沙设备基本相同，只是需要某些辅助装置来更严格的控制喷丸加工过程。喷丸与喷沙相比有许多优点，设备的生产率高，处理的表面质量好，磨料损失少。电镀电镀：在含有欲镀金属离子的溶液中，以被镀材料或制品为阴极，通过电解作用，在基体表面上获得镀层的方法。电镀技术的应用已经有很长的历史，最初的开发是为满足人们防腐和装饰的需要，随着科学技术的不断进步，电镀技术还可以用来制取特定成分和功能的金属覆盖层，提供电、磁、光、热等方面的特性。根据镀层的功能可分为防护性镀层、装饰性镀层、功能性镀层。被镀材料可以是金属也可以是非金属，电镀是以电化学过程为依据，所以电镀要有三个必要条件：电源、镀槽（镀液）、电极。第一节电镀的基本原理电化学反应阴极：Mn++neM阳极：M-neMn+法拉第电解定律1、法拉第第一定律电流通过镀液时，电解质溶液发生电解反应，阳极发生氧化反应，阳极金属不断溶解，阴极发生还原反应，不断有金属析出，金属溶解或析出的量与通过的电荷量有关。内容：电解时，电极上析出或溶解的物质的量与通过的电量成正比。M=kQ式中M－电极上析出或溶解的物质的量k－比例常数Q－通过的电量Q=ItM=KIt只要知道K，就可以根据测得的电流强度I和时间t，计算电极上析出或溶解的物质的量。2、法拉第第二定律内容：在不同的电解液中，通过相同的电荷量时，在电极上析出或溶解的物的物质的量相等，并且析出或溶解1mol的任何物质所需的电荷量都是9.65×104C。把这一常数称为法拉第常数。即F＝9.65×104C＝26.8A.h(1C=1A.s)电化当量：电极上通过单位电量所形成产物的重量，称为电化当量。电极上通过1F电流量，经反应形成的各种物质的量都是1mol，但重量是不同的。根据M=kQ当Q＝1F时，K＝M/F，K称为电化当量，单位是mg/C，如果取1F＝26.8A.h,K的单位是g/A.h。常用的元素的电化当量的数值可以在有关手册中查到。例如：Au+的电化当量2.04mg/C,Zn2+的电化当量0.339,Cr3+的电化当量0.18mg/C,Cr6+的电化当量0.0898mg/C,Cu+的电化当量0.658mg/C,Cu2+的电化当量0.329mg/C。二元合金的电化当量，应根据各成分在合金中所占的百分比计算K合金＝1/（x%/kx+y%/ky）K合金为合金电化学当量，x%﹑y%为x﹑y在合金中所占质量百分比，kx﹑ky为x﹑y物质的电化当量电量效率按照法拉第电流定律电镀时，每通过1F的电量，在阴极上应该得到1mol的金属镀层，但在实际上却不到1mol物质，这是因为在电极上处了主反应，还存在副反应的缘故。主反应：Mn++neM副反应：2H++2eH2副反应消耗了部分电量，使电量效率降低。电量效率就是实际析出物质的质量与理论计算析出的物质的质量之比。η＝（M¹/M）×100％＝M¹/KIt×100%η为电流效率，M¹为阴极实际析出物质的质量，M为理论上应析出物质的质量。阴极的电流效率总是小于100％。有关电镀的计算1、镀层厚度和电镀时间的计算由η＝＝M¹/KIt，知M¹＝ηKItM¹＝V×γ＝S×δ×γV－金属的体积（cm3）γ－金属的密度(g/cm3)S－金属镀层的面积(cm2)δ－金属镀层的厚度(cm)由以上两式可得，ηKIt＝S×δ×γ，在电镀生产中，δ习惯上用μm(10-6)作单位，面积用dm2作单位ηKIt＝S×δ×γ/100,δ=KItη×100/(Sγ)t的单位是小时设D为单位面积流过的电流，D＝I/S，阴极的电流密度用DK表示，电流效率用ηK表示，阳极的电流密度用DA表示，电流效率用ηA表示，t的单位在电镀生产中常用min表示δ＝kDKtηK×100/60γ电镀一定厚度的镀层所需的时间t=60γδ/kDKηK×1002、沉积速度的计算沉积速度就是单位时间内所镀的镀层厚度，用U来表示U＝δ/t＝KItηK×100/(Sγ)/t＝KDKηK×100/γ,单位是μm/h。电镀液主盐主盐就是镀液中能在阴极上沉积处所要求镀层金属的盐，是用来提供金属离子的。对于确定的镀液，主盐的浓度要有一个适宜的范围，或者与镀液中其它成分维持适当的浓度比值。主盐浓度升高，沉积速度加快。但是主盐浓度升高，金属容易在阴极析出，极化下降，得到的镀层结晶较粗，我们希望得到是细小的结晶，因此主盐的浓度要维持一个适当的范围。二、络合剂络合剂就是能络合主盐中金属离子的物质。络合反应是金属离子和中性分子或阴离子洛合，形成络合物的反应。有些情况下，若镀夜中的主盐的金属离子为简单离子时，则镀层晶粒粗大，因此，要采用络合离子的镀液。获得络合离子的方法是加入络合剂，即能络合主盐中的金属离子形成络合物的物质。络合物是一种由简单化合物相互作用而形成的分子化合物。络合物在溶液中可分离为简单离子和复杂络合离子。络合离子中，中心离子占据中心位置，配位体配位于中心离子周围。由于配位体与中心离子结合牢固，络合离子在溶液中溶解程度不大，仅部分溶解，它比简单盐离子稳定，在电解液中有较大的阴极极化作用。在含洛合剂的镀液中，影响电镀效果的主要是主盐和络合剂的相对含量，即络合剂的游离量，而不是络合剂的绝对含量。络合剂的游离量升高，阴极极化作用升高，有利于镀层结晶细化﹑镀层分散能力和覆盖能力的改善。不力的是降低阴极电流效率，从而降低沉积速度。与对阴极过程影响相反，络合剂的游离量升高，使阳极极化降低，从而提高阳极开始钝化电流密度，有利于阳极的正常溶解。此外，络合剂的游离量还会影响镀层的沉积速度。三、附加盐（导电盐）是指能提高溶液导电率，对主盐的金属离子不起络合作用的碱金属和碱土金属的盐类，或者是其它的导电性物质。碱金属：IA族元素，锂、钠、钾、铷、铯、钫。碱土金属：IIA族元素，铍、镁、钙、锶、钡、镭。常用的导电盐有硫酸Na2SO4、MgSO4、铵盐、导电盐能改善镀液的深镀能力，分散能力、得到细致的镀层。但导电盐含量过高，会降低其它盐类的溶解度。因此，导电盐的含量也要适当。四、缓冲剂缓冲剂是用来稳定溶液PH值(酸碱度)的物质。一般由弱酸和弱酸盐或弱碱和弱碱盐组成。能使溶液在遇到酸或碱时，溶液的PH值的变化幅度缩小。一般用量为每升几十克。电镀时，阴极表面除了有金属析出，还会有析氢反应，造成局部ＰH值下降，缓冲剂能起到很好的缓冲作用。阳极活化剂阳极活化剂是指镀液中能处进阳极活化的物质，也叫阳极去极化剂。能使阳极的电位变负。阳极活化剂的作用是提高阳极开始钝化的电流密度保证阳极处于活化状态而能正常溶解，常用的阳极活化剂有卤素离子、铵盐和一些有机络合剂，如酒石酸盐、硫氰酸盐、柠檬酸盐。添加剂添加剂指不会明显改变电性，而能显著改变镀层性能的物质。根据在镀液中所起的作用可分为：防针孔剂、抑雾剂、光亮剂、整平剂。第三节电极反应机理电极电位当把一个金属电极浸入含有该金属离子的溶液中时，存在如下平衡Mn++neM金属失去电子溶解于溶液的反应和金属离子得到电子而析出金属的反应同时存在，当没有外电压时，这个可逆反应很快达到动态平衡。由于在反应平衡建立以前，以失去电子的氧化反应为主，电极上就有多余的电子存在，这样溶液中电极附近的正离子就会被吸引集中到金属表面附近，同时，由于热运动，这种集中了的离子又会向远方扩散。当静电引力与热运动平衡时，在电极与溶液界面就形成了一个双电层。溶液层中与金属靠得紧密的一层称为紧密层，其余扩散到溶液中的称为扩散层。由于形成了双电层，就产生了电位差，我们就把由金属与该金属的盐溶液界面之间产生的电位差叫做该金属的电极电位。如果规定溶液本体的电位为零，电极相的电位为ε，那么电极和溶液界面的电位差就是ε。规定溶液温度为25℃、金属离子的浓度为1mol/L时，测得的电位叫标准电极电位。标准电极电位的高低反应了金属的氧化还原能力，标准电极电位负值较大的金属容易失去电子被氧化，标准电极电位正值较大的金属容易得到电子被还原。也就是电极电位越低，越容易氧化，电极电位越高，越容易被还原。二、极化极化就是当有电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位（没有电流通过时的电位）的现象。阳极极化，阳极电位向正方向移动，不断变正，阴极极化，阴极电位向负方向移动，不断变负。过电位：把某一电流密度下，电极电位与平衡电位的差值，称为过电位。产生极化作用的主要是由电化学极化和浓差极化引起的。1、电化学极化:是由于电极上的电化学反应速度小于电子运动速度造成的。阴极上还原反应的速度小于外电源供给电子的速度，从而使电极电位向负方向移动而引起的极化作用，称为电化学极化。阳极极化：金属离子进入溶液的速度小于电子由阳极进入外导线的速度，阳极上由过多的正电荷的积累，因此引起电极双电层上负电荷的减少，于是阳极电位就向正方向移动，产生阳极极化。2、浓差极化：由于溶液中离子扩散的速度小于电子运动速度造成的。电解过程当中，浓差极化是由于电极附近溶液的浓度与本体溶液（离电极较远，浓度均匀的溶液）浓度发生差别产生的。例如，在阴极附近的金属离子沉积到电极上去，使该处的金属离子浓度不断降低，而溶液本体中金属离子扩散到该处进行补充的速度赶不上沉积的速度从而使电极附近金属离子的浓度比本体溶液中金属离子的浓度要低，这样就形成了浓度梯度，由此引起电位的移动。电流增大，引起的浓差极化越大。浓差极化也是使阴极电极电位变得更负，阳极电位变得更负。三、金属的电沉积过程电镀过程是电解液中的金属离子在外电场的作用下，在阴极上放电沉积的过程。完成沉积过程分三个步骤液相传质：液相中的水化金属离子或络合金属离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极双电层溶液一侧。电化学反应：水化金属离子或络合金属离子通过双电层，并去掉水化分子或配位体层，从阴极上得到电子而变成金属原子。电结晶：金属原子延金属表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格，形成镀层。电镀时，这三个步骤是同时进行的，但是进行的速度不同，速度进行最慢的一个被称为整个沉积过程的控制性环节。哪一个步骤作为控制性环节，最后的电沉积结果是不一样的。1、液相传质步骤三种方式：电迁移、对流和扩散。电迁移液相中带电粒子在电场作用下向电极迁移的一种传质过程。带电粒子可能是进行电极反应的离子，也可能是不参加电极反应的离子。比如导电盐、或是过剩的络合剂，它们解离出大量带电粒子参与电迁移过程，而参加电极反应的带电粒子仅占其溶剂一小部分，因此，电迁移的作用可以忽略不计。对流物质的粒子随着液体的流动而传送，就是对流传质。镀液在不搅拌的情况下，镀液流速很小，近似出于静止状态，这时对流的影响也可以忽略。扩散溶液中的某一组分存在浓度差，该组分物质就会从高浓度区向低浓度区迁移，这个过程叫扩散传质。电镀时，阴极表面附近的参加电极反应的金属离子，不断得电子而析出，使参加电极反应的金属离子不断被消耗，这样阴极表面附近这种金属离子的浓度就会下降，在阴极表面附近就出现了参加电极反应的金属离子浓度高低逐渐变化的溶液层，称为扩撒层，扩散两端这种金属离子的浓度差推动金属离子不断通过扩散层扩散到阴极表面。溶液不需要流动就可以发生传质过程，扩散总是存在的，它是液相传质的主要控制步骤。假如传质作为电沉积的控制环节，则电极以浓差极化为主。由于在发生浓差极化时，阴极电流密度要较大，并且达到极限电流密度时，阴极电位才急剧向负偏移，这是很容易产生镀层缺陷。因此，电镀生产不希望传质步骤作为电沉积过程的控制环节。2、电化学反应水化金属离子或络离子通过双电层到达阴极界面后，不能直接放电生成金属原子，而必须经过在电机表面的转化过程。水化程度较大的简单金属离子转化为水化程度较小的简单离子，配位数较高的络合离子转化为配位数较低的络合金属离子，然后，才能进行得电子的电化学反应。例如，在碱性氰化物镀锌时，Zn(OH)42-=Zn(OH)2+2OH-（配位数减少）Zn(OH)2+2e=Zn+2OH-(脱去配位体)金属离子在电极上通过与电子的电化学反应生成吸附原子。如果电化学反应速度无穷大，那么电极表面上的剩余电荷没有任何增减，金属与溶液界面间电位差无任何变化，电极反应在平衡电位下进行。实际上，电化学反应速度不可能无穷大，金属离子来不及把外电源输送过来的电子立即完全消耗掉。于是，电极表面上积累了更多电子，相应的改变了双电层结构，电极电位向负的方向移动，偏离了平衡电位，引起电化学反应。假如电化学步骤作为电沉积过程的控制环节，则电极以电化学极化为主。电化学极化对获得良好的结晶镀层非常有利，它是人们寻求最佳工艺参数的理论依据。3电结晶步骤它是吸附原子在阴极表面按一定规律列成新晶体的过程。金属离子放电后形成的吸附原子在金属表面移动，寻找一个能量较低的位置，在脱去水化膜的同时，进入晶格。如图3—1所示中的a﹑b﹑c三个位置，晶粒的自由表面不同，金属原子在自由表面多的位置上受到晶格中其他原子所吸引较小，其能量较高。所以，a﹑b﹑c三个位置的能量一次下降。显然，金属原子首先进入能量低的位置，因此，晶面的生长只能在c或b﹑c这样的“生长点”或“生长线”上。外电流密度的大小决定了电结晶按不同的生长方式进行。（2.65）在外电流密度较小，过电位较低的情况下，金属离子在阴极上还原的数量不多，吸附原子的能量较小，且晶体表面上“生长点”和“生长线”也不多。吸附原子在电极表面上的扩散相当困难，表面扩散控制着整个电结晶速度。电结晶过程主要是在基体原有的晶体上继续生长，很少形成新的晶核。在这种省长方式下，晶粒长得比较粗大。如果晶面的生长完全按照图所示的方式进行，则当每一层面长满以后，“生长点”和“生长线”就消失了，晶体的继续增长就要形成新晶核。实际上，绝大多数实际晶体的生长都不是如此。在实际晶体中，由于包含螺旋位错以及其他缺陷，晶面围绕着螺旋位错线生长，“生长线”就永远不会消失。随着外电流密度增加，过电位增大，吸附原子的浓度逐渐增大，晶体表面上的“生长点”和“生长线”也大大增加。由于吸附原子的扩散距离缩短，表面扩散变得容易，所以来不及规格排列在晶格上。吸附原子在晶体表面上的随便“堆砌”，使得局部地区不可能长得过快，所获得的晶粒自然细小。这时放电步骤控制了电结晶过程。在外电流密度相当大，过电位绝对值很大的情况下，电极表面上形成大量吸附原子，他们有可能聚集在一起，形成新的电荷。极化越大，精粒越容易形成，所得精粒越细小。为了获得细致光滑的镀层，电镀时总是设法使得阴极极化大一些。但是单靠提高电流密度增大电镀过程的阴极极化也是不行的。因为电流密度增大时，电化学极化增大的不多，而浓差极化到增加得很厉害，结果反而得不到良好的镀层。第四节影响电镀质量的因素影响电镀质量的因素很多，包括镀液的各种成分以及各种电镀工艺参数。下面就一些主要因素进行讨论。1PH值得影响镀液中的PH值可以影响氢的放电电位，碱性夹杂物的沉淀，还可以影响络合物或水化物的组成及添加剂的吸附程度。但是对各种因素的影响程度一般是不可预见的。最佳的PH值往往是通过实验确定的。在含有络合剂粒子的镀液中，PH值可能影响存在的各种络合物的平衡，因而必须根据浓度来考虑。电镀过程中，若PH值增大，则阴极效率比阳极高，PH值减小则反之。通过加入适量的缓冲剂可以将PH值稳定在一定范围。2添加剂的影响镀液中的光亮剂﹑整平剂﹑润滑剂等添加剂能明显改善镀层组织。这些添加剂有无机和有机之分。无机添加剂起作用的原因是由于他们在电解液中形成高分散度的氢氧化物或硫化物胶体，吸附在阴极表面阻碍金属析出，提高阴极极化作用。有机添加剂起作用原因是这类添加剂多为表面活性物质，他们会吸附在阴极表面形成一层吸附膜，阻碍金属析出，因而提高阴极保护作用。另外，某些有剂添加剂在电解液中形成胶体，会与金属离子络合成胶体——金属离子型络合物,阻碍金属离子放电而提高阴极极化作用.3电流密度的影响任何电镀液都必须有一个能产生正常镀层的电流密度范围。当电流密度过低时，阴极极化作用减小，镀层结晶粗大，甚至没有镀层。随着电流密度的增加，阴极极化作用随着增加，镀层晶粒越来越细。当电流密度过高，超过极限电流密度时，镀层质量开始恶化，甚至出现海绵体﹑枝晶状﹑“烧焦”及发黑等。电流密度的上限和下限是由电镀液的本性﹑浓度﹑温度和搅拌等因素决定的。一般情况下，主盐浓度增大，镀液温度升高，以及有搅拌的条件下，可以允许采用较大的电流密度。4电流波形的影响电流波形的影响是通过阴极电位和电流密度的变化来影响阴极沉积过程的，他进而影响镀层的组织结构，甚至成分，是镀层性能和外观发生变化。实践证明，三相全波整流和稳压直流相当，对镀层组织几乎没什么影响，而其他波形则影响较大。例如，单相半波会使镀铬层产生无光泽的黑灰色；单相全波会使焦磷酸盐镀铜及铜锡合金镀层光亮。5温度的影响镀液温度的升高能使扩散加快，降低浓差极化；此外，升温还能使粒子的脱水过程加快。离子和阴极表面活性增强，也降低了电化学极化，导致结晶变粗。另一方面，温度升高能增加盐类的溶解度，从而增加导电和分散能力；还可以提高电流密度上限，从而提高生产效率。6搅拌的影响搅拌可降低阴极极化，是晶粒变粗，但可提高电流密度，从而提高生产率。此外，搅拌还可增强整平剂的效果。电镀工艺一、镀前处理镀前处理：使镀件表面有良好的光洁度，去除表面的粗糙不平、腐蚀产物和污垢。磨光：利用磨料颗粒的尖角磨除工件表面的划痕、车削刀纹、砂眼、毛刺、腐蚀产物。磨光要在磨光机上进行。抛光：消除磨光留下的磨痕，使工件表面具有镜面般的光泽，抛光的方法有化学、电化学、机械抛光。喷砂处理：以压缩空气为动力，带动干燥的石英砂、钢砂或河砂，形成砂流，喷射到工件表面，来清除工件表面的毛刺、氧化皮、焊瘤等。除油：工件表面的油污，造成工件与镀液隔离，影响镀层沉积。溶剂除油、化学除油、电化学除油。浸蚀：在酸、酸性盐或碱溶液中处理工件，除去金属表面氧化物。二、镀锌1、镀锌的目的锌是较活泼金属，锌的标准电极电位是-0.76V，它的电位比铁负，对铁来说是阳极，用来防止钢铁的腐蚀。镀锌有热浸镀和电镀两种方法，热浸镀锌容易获得50g/m2以上厚度的镀层，而电镀锌可以经济地获得50g/m2以下的镀层厚度。2、电镀锌工艺电镀锌的工艺可采用酸性电镀液镀锌、碱性电镀液镀锌两种，使用纯锌作为阳极。酸性电镀液镀锌工艺硫酸锌(g/L)氯化铵(g/L)硫酸铝(g/L)24015－5030PH值电流密度温度3.5-4.51-320-30碱性电镀液镀锌工艺氰化锌(g/L)氰化钠(g/L)氢氧化锌(g/L)602353PH值电流密度温度131-240－50酸性电镀液价廉而且电流效率大，电镀速度快，容易管理，缺点是均镀能力差。碱性电镀液镀锌价格较高，均镀能力好，如果添加硫脲还可以获得光亮的镀层，但氰化物有剧毒。镀锌层的后处理：去氢：钢铁制件经除油、浸蚀、电镀的过程，有析氢的吸附，会形成内应力，引起氢脆，镀锌后要进行加热处理，通常在200℃加热2小时，来消除氢脆和内应力。钝化：为提高锌镀层的抗蚀能力，将刚镀过的工件放入铬酸及其盐类溶液中，使表面生成稳定性较高的铬酸盐薄膜。三、镀铜铜的电位比铁正，钢铁件上镀铜层呈阴极性，当镀层有孔隙时，铁会呈阳极加速腐蚀，所以镀铜不单独用作防护和装饰，镀铜主要用于多层电镀，用作防护装饰性镀层体系的底层或中间层，来提高基体金属同表面镀层的结合力，还可以用于钢铁件的防渗碳、印刷线路板、塑料电镀和电铸模等方面。普通的硫酸盐镀铜工艺硫酸铜(g/L)硫酸(g/L)150－25045－110电流密度A/dm2温度℃1－320－50硫酸盐镀铜镀液成分简单，电流效率高，溶液稳定，不产生有害气体，如果加进光亮剂，还可以得到非常光亮的镀层，缺点是均镀能力较差。采用氰化物镀铜液，能得到均匀的、附着性好的镀层。四、镀镍镍是白色金属，硬度高，具有磁性，易抛光而光泽性好，可以作为表面镀层，也可作为多层电镀的底层或中间层，镍在空气中能生成一层钝化膜，耐蚀性较好。应用最广的“瓦特”型镀液的工艺硫酸镍(g/L)氯化镍(g/L)硼酸(g/L)2404530电流密度A/dm2温度℃PH值2－740－604.5-5.5硼酸调节PH值五、镀铬铬是略带蓝色的银白金属，镀铬具有美丽的光泽，耐腐蚀，硬度高，摩擦系数小，放光能力强，有较好的耐热性。主要有装饰－防护性镀铬、镀硬铬（耐磨铬）、乳白镀铬（用于汽车、飞机、船舶上的零件）、槽孔镀铬（镀铬后，进行阳极槽孔处理，使镀层的网状裂纹扩大和加深，以达到能储存润滑油，降低零件摩擦系数，延长使用寿命的目的，用于内燃机、压缩机的活塞环）。配方及工艺条件铬酸酐(g/L)硫酸(g/L)硅氟酸(g/L)2501.258-10电流密度A/dm2温度℃30-6055-60硅氟酸对铬镀层有活化作用，提高电流效率。六、合金镀电镀合金：在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程，称为电镀合金。与单金属镀层相比，合金镀层可以进一步改善金属镀层的性能，还可以获得单金属镀层无法达到的特殊功能，比如：外观、颜色、硬度、磁性、半导体性、耐蚀、装饰等方面的性能。电镀合金的范围很大，目前能够电镀的合金大约有二百多种。电镀合金的原理1、金属共沉积的条件电镀合金除了具备单金属电镀的基本条件，还应该具备两个基本条件：组成合金镀层的金属中，至少有一种金属能单独从其盐的水溶液中沉积出来。有些金属的标准电极电位很负的金属，如金属钨不容易被还原，很难从其盐的水溶液中以纯金属的形式沉积出来，但溶液中有镍离子或钴离子存在，由于形成了合金，使电位较负的钨得以还原的电极电位向正方向移动，与镍或钴离子共同沉积出来。两种金属的析出电位要十分接近，如果它们的析出电位相差太大，电位较正的金属将优先沉积，甚至完全排斥电位较负金属的沉积。要想使活泼的金属同时析出，就必须满足在不态高的电流密度下，达到它们的析出电位。那么，是不是两种金属的电极电位相差太大，它们就不能在阴极上共同沉积了呢，当然不是，只要采取合适的措施来使它们的析出电位接近，它们就可以在阴极共同沉积形成合金镀层。主要措施有：改变镀液中金属离子的浓度，增大电位较负金属离子的浓度使它的电位正移，将低电位较正金属离子的浓度使它的电位负移。从而使它们的电位接近。采用络合剂，能使金属的电极电位变负，所选的络合剂一定要使电位较正金属析出电位变负的幅度大于电位较负金属析出电位变负的幅度。采用适当的添加剂，有些添加剂，虽然加量很少，却能显著的增大或降低阴极极化，而改变金属的析出电位。2、合金共沉积的类型（1）正则共沉积（2）非正则共沉积（3）平衡共沉积（4）异常共沉积（5）诱导共沉积工艺参数对电镀合金的影响（1）镀液组分的影响镀液中金属浓度比的影响：是影响合金组组成的最重要因素，对于正则共沉积，提高镀液中不活泼金属的浓度，镀层中不活泼金属的含量也按比例增加，对于非正则共沉积，提高镀液中不活泼金属的浓度，镀层中不活泼金属的含量也随之提高增加，但却不成比例。镀液中金属总浓度的影响：在金属浓度比不变的情况下，改变镀液中金属的总浓度，在正则共沉积时将提高不活泼金属的含量。对非正则共沉积，增大总浓度，不活泼金属在合金中的含量要看金属在镀液中的浓度比而定，可能增加也可能降低。络合剂浓度的影响：在单一络合剂同时络合两种离子的镀液中，络合物含量增加，如果其中某一金属的沉积电位比另一金属的沉积电位变负得多，那么该金属在合金镀层中含量就下降。PH值的影响：在简单离子的镀液中，PH值对镀层组分影响不大，在含络离子的镀液中，PH值的变化往往影响络离子的组成与稳定性。对镀层组成影响也较大。（2）工艺参数的影响电流密度的影响：电流密度增加，阴极化程度加大，有利于电位较负金属析出，镀层中较负金属含量升高。温度的影响：温度升高会提高阴极电流效率，电流效率提高较多的金属，会提高它在沉积合金中的含量。温度升高，由于扩散和对流速度加快，镀层中电位较正金属含量增加。搅拌的影响：提高电位较正金属在合金中的含量。化学镀基本原理什么是化学镀在没有外电流通过的情况下，利用化学的方法使溶液中金属离子还原并沉积的基体表面，形成镀层的过程。与电镀的区别？与电镀相比，它不需要外电源，操作简单，不但能在金属上夺获得镀层，还能在非金属（塑料、陶瓷），半导体材料上获得镀层，不管零件的形状的限制，都能获得均匀的镀层。缺点是溶液的稳定性差，使用温度高，寿命短。二、反应原理1、水溶液中金属沉积的反应方程式Mn++ne→M溶液中的金属离子，接受电子转变为金属原子，并在适当的条件下在工件表面形成镀层。发生的是还原反应。化学镀所需的电子是通过化学反应直接在溶液中产生的，而电镀所需的电子是通过外加电源获得的。化学镀可分为置换镀和化学还原镀。2、置换镀以电位较负的金属工件浸在电位较正的金属的盐溶液中，使电位较正的金属被还原而沉积在工件表面。比如金属锌上化学镀铜Zn2+/Zn标准电极电位-0.763,Cu2＋/Cu标准电极电位0.337,Zn+Cu2+Zn2++Cu铜将会在锌的表面形成镀层。当锌的表面完全被铜层覆盖，就再无电子产生，铜的沉积也就停止。所以，置换镀只能获得较薄的镀层。3、化学还原镀还原镀是再金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应而产生金属沉积的过程。这种方法不是通过金属的溶解，而是依靠还原剂的化学反应Rn++MZ+R(n+z)＋+M再这里还原剂Rn+被氧化成R(n+z)＋，而自由电子使MZ+还原，还原剂的电位应该显著低于沉积金属的电位。4、镀液的主要组成（1）浓度较低的金属盐。（2）还原剂，提供电子。酸