电化学原理在金属表面处理中应用

电化学原理在金属外表

处理的应用制作人：经管创新王畅〔网络技术小组〕金属外表处理金属的外表处理有两方面,一方面是外表防护,是为防止金属腐蚀而采用各种防护方法,常用的外表防护的方法有外表涂层和外表转化膜工艺.另一方面是金属的外表改性,也称外表优化,就是借助离子束、激光、等离子体等新技术手段，改变材料外表及近外表的组分、结构与性质，从而获得用传统的冶金和外表处理技术无法得到的新薄层材料，或者使传统材料具有更好的性能。现代先进的外表改性技术主要有物理气相沉积〔简称PVD〕、化学气相沉积〔简称CVD〕、等离子体化学气相沉积〔简称PCVD〕、离子注入和离子束沉积。金属外表处理阳极氧化电镀微弧氧化电抛光及电解加工电镀定义利用电解工艺，将金属或合金沉积在镀件外表，形成金属镀层的外表处理技术。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层改变基材外表性质或尺寸.电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和外表美观。电镀的目的电镀电镀的要素1.阴极：被镀物，指各种接插件端子。2.阳极：假设是可溶性阳极，那么为欲镀金属。假设是不可溶性阳极，大局部为贵金属〔白金，氧化铱〕。3.电镀药水：含有欲镀金属离子的电镀药水。4.电镀槽：可承受，储存电镀药水的槽体，一般考虑强度，耐蚀，耐温等因素。5.整流器：提供直流电源的设备。电镀在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极，用镀覆金属制成阳极，两极分别与直流电源的正极和负极联接。电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后，电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上形成镀层。阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金属离子的浓度。在有些情况下，如镀铬，是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极，它只起传递电子、导通电流的作用。电解液中的铬离子浓度，需依靠定期地向镀液中参加铬化合物来维持。电镀时，阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制。电镀的原理电镀设备电镀成品电抛光及电解加工电抛光电解加工电抛光电抛光是电解抛光的简称。工件放入特定溶液中进行阳极电解，使金属外表平滑并产生金属光泽的过程称为电抛光。

电抛光的定义电抛光原理电抛光时，工件接阳极。通电时工件外表会产生电阻率高的稠性黏膜，其厚度在工件外表不均匀。外表微观凸出局部较薄，电流密度较大，金属溶解较快；外表微观下凹处较厚，电流密度较小，金属溶解较慢。由于稠性黏膜和电流密度分布的不均匀性，微观凸起局部尺寸减少较快，微观下凹处尺寸减少较慢，使工件外表粗糙度降低，从而到达抛光的目的。

电抛光电抛光优点电抛光后工件性能变化：1〕工件外表光洁度增加，提高了反光能力；2〕摩擦系数及外表硬度，金属的电子冷发射能力均下降；3〕工件耐腐蚀性及磁导率提高；4〕对工件疲劳强度有影响。

电抛光优点：1〕外表无冷作硬化层；2〕形状复杂，线材、薄板及细小工件均适用电抛光；3〕生产效率高，易操作。缺点：1〕应用范围受限制：2〕无法除去工件外表的宏观划痕、麻点等外表缺陷。电抛光主要理论电抛光时,电流在作为阳极的金属制品外表流过,将会在外表上形成氧化膜、盐膜或氧的吸附层等，使阳极的金属溶解速率急剧下降，即处于钝化状态。但这种钝化膜层又有可能在电解液中溶解，而使阳极重新活化。在某一电流密度下，金属钝化与金属溶解在交替地进行着。金属外表上凸起局部钝化的稳定性低于凹陷局部，溶解速率较高。于是凹陷局部受到保护，而凸起局部优先溶解，遂对金属制品外表起到了整平与出光的作用。不过电抛光理论仍然是不够成熟的。电抛光用的阴极只起传递电流的作用。对阴极材料的主要要求是它们在电解液中的化学稳定性好，使用寿命长和导电能力强。常用铅、铜、不锈钢等作阴极。电抛光条件：电解时，一般说来，电解中的金属阳极溶解常常会使金属外表变得更粗糙。尽管有时外表能变得比较平整些，但也不会出现光泽。因此，电抛光需要在一定成分的电解液中和特定的工艺条件〔电流密度、温度、抛光时间、对电解液的搅拌条件等〕下进行。而且对不同金属材料的电抛光，所要求的电解液成分与工艺条件也明显不同。电抛光电解液要求：电抛光的电解液通常都是以磷酸为主要成分，同时也需要参加一定的氧化剂(如硫酸、铬酸酐等)。在不通电的情况下，电解液应当对被抛光的金属没有明显的腐蚀作用。并要求电解液对阳极溶解产物的溶解度大，且容易被去除。此外要求电解液的稳定性好、价廉和毒性低。根据需要也可向电解液中添加少量有机物〔如甘油、甲基纤维素等〕作为缓蚀剂。使用高氯酸－乙酸电解液进行电抛光，可获得高光洁度的外表。但这种电解液不太稳定，且有爆炸危险，使用不便。这种电解液主要用于制备金相磨片。电抛光的持续时间对抛光质量影响很大。开始的一段时间内，整平速度较大,随后那么逐渐减缓,甚至会损害外表已出现的光洁度。随着电流密度与温度的提高，电抛光的时间应当缩短。为了获得光洁度较高的外表，常可采用反复几次抛光的方法，而每次抛光的时间那么不要太长。铝及其合金的电抛光,早先多是采用磷酸-硫酸溶液，近来开展为向上述溶液中添加少量铬酸酐。铝材的纯度越高，抛光的效果也就越好。作为钢的电抛光的电解液虽有很多种，但真正用于生产的并不多。为了延长电解液的使用期限和节约磷酸，在电抛光碳钢时，可以先在磷酸-硫酸-铬酸酐溶液中进行初抛,然后再用磷酸-铬酸酐电解液精抛。如果使用大电流间断地冲击，最后可使外表光洁度到达墷11。镍、铜等的电抛光也可在类似的溶液中进行。电抛光电抛光的开展当前电抛光应用得还不太广泛的原因是它的本钱比较高。需要通过实验进一步寻求新型的、廉价的和能对多种金属进行电抛光的通用电解液，并且要继续探讨延长电解液使用寿命和使废电解液再生的有效措施。经电抛光处理的产品电抛光设备电解加工电解加工概念基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法，称为电解加工。电解加工原理工件接直流电源的正极，为阳极。按所需形状制成的工具接直流电源的负极，为阴极。电解液从两极间隙(0.1～0.8毫米)中高速〔5～60米／秒〕流过。当工具阴极向工件进给并保持一定间隙时即产生电化学反响，在相对于阴极的工件外表上，金属材料按对应于工具阴极型面的形状不断地被溶解到电解液中，电解产物被高速电解液流带走，于是在工件的相应外表上就加工出与阴极型面相对应的形状。直流电源应具有稳定而可调的电压(6～24伏)和高的电流容量(有的高达4×104安)。电解加工电解加工目的电解加工主要用于成批生产时对难加工材料和复杂型面、型腔、异形孔和薄壁零件的加工。例如透平叶片型面、整体叶轮、锻模、航空发动机机匣、异形深小孔、内齿轮和花键孔等；还可用于去毛刺、刻印和电解扩孔。为了提高加工精度，除采用混气电解加工外，还开展了小间隙高速进给电解加工〔电解间隙值为0.03～0.10毫米〕、脉冲电流和振动电解加工，并使用低浓度电解液等，这些都有利于提高加工精度。电解加工开展阳极氧化金属或合金的电化学氧化。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其外表形成氧化物薄膜。阳极氧化的定义铝和铝合金阳极氧化原理当电流通过时,将发生以下的反响：在阴极上,按以下反响放出H2：2H++2e-→H2

在阳极上,4OH-→2H2O+O2+4e-,析出的氧不仅是分子态的氧(O2),还包括原子氧(O),以及离子氧(O2-),通常在反响中以分子氧表示。

作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化,形成无水的Al2O3膜：4A1+3O2=2A12O3+3351J应指出,生成的氧并不是全部与铝作用,一局部以气态的形式析出。以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中,利用电解作用,使其外表形成氧化铝薄膜的过程,称为铝及铝合金的阳极氧化处理。铝阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理。阳极氧化阳极氧化的优点铝阳极氧化，将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化，外表上形成氧化铝薄层，其厚度为5～20微米，硬质阳极氧化膜可达60～200微米。阳极氧化后的铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可达250～500千克/平方毫米，良好的耐热性，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K，优良的绝缘性，耐击穿电压高达2000V，增强了抗腐蚀性能，在ω=0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金〔如铝、镁及其合金等〕都可进行阳极氧化处理，这种方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品和建筑装饰等方面。微弧氧化微弧氧化的定义微弧氧化(Microarcoxidation，MAO)又称微等离子体氧化(Microplasmaoxidation,MPO)，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金外表依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在,因此陶瓷层的形成过程非常复杂,至今还没有一个合理的模型能全面描述陶瓷层的形成。微弧氧化微弧氧化的工作影响因素1.工件材质及外表状态〔1〕微弧氧化对铝材要求不高，不管是含铜或是含硅的难以阳极氧化铝合金，均可用于微弧氧化，且能得到理想膜层。〔2〕外表状态一般不需要经过抛光处理，对于粗糙的外表，经过微弧氧化，可修复的平整光滑；对于粗糙度低〔即光滑〕的外表，那么会增加粗糙度。2.液体成分对氧化造成的影响电解液成分是得到合格膜层的关键因素。微弧氧化液一般选用含有一定金属或非金属氧化物碱性盐溶液，如硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等。在相同的微弧电解电压下，电解质浓度越大，成膜速度就越快，溶液温度上升越慢，反之，成膜速度较慢，溶液温度上升较快。4.温度对微弧氧化的影响微弧氧化与阳极氧化不同，所需温度范围较宽。一般为10—90度。温度越高，成膜越快，但粗糙度也增加。且温度高，会形成水气。一般建议在20—60度。由于微弧氧化以热能形式释放，所以液体温度上升较快，微弧氧化过程须配备容量较大的热交换制冷系统以控制槽液温度。5.时间对微弧氧化的影响微弧氧化时间一般控制在10～60min。氧化时间越长，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。6.阴极材料阴极材料可选用不锈钢，碳钢，镍等，可将上述材料悬挂使用或做成阴极槽体。7.后处理对微弧氧化的影响微弧氧化过后，工件可不经过任务处理直接使用，也可进行封闭，电泳，抛光等后续处理。微弧氧化微弧氧化特点微弧氧化技术与阳极氧化技术相比具有以下特点：1)微弧氧化采用弱碱性溶液，对周围环境不造成污染，属于清洁加工工艺；2)工艺简单，特别对于工业样品的预处理不像阳极氧化要求的那样严格和繁杂，只要求样品外表去污去油，不需要去除外表的自然氧化层，也不需要外表打毛；3)微弧氧化可以一次完成，也可以分几次完成。特别对于氧化膜要求很厚的样品可以分几次氧化，而阳极氧化一旦中断就必须重新开始。

微弧氧化微弧氧化的开展与应用前景由于微弧氧化技术具有上述优点和特点，因此在机械，汽车，国防，电子，航天航空及建筑民用等工业领域有着极其广泛的应用前景。主要可用于对耐磨、耐蚀