工业品电镀中影响镀层组织和分布的因素有哪些?

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镀液的组成(包括主盐种类和浓度、络合剂、添加剂和附加盐等)、电镀工艺规范(电流密度、温度、pH、搅拌、电源波形等)及其他一些条件。均对电沉积层结构有影响。前者是影响结构的内因。后者是影响结构的外因。此外析氢及基体金属的性质也对镀层的组织有一定的影响作用。

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(1)镀液组成的影响

①镀液类型的影响。依据主要放电离子的存在形式。可把电镀液分为两大类:简单离子镀液和络离子镀液。表3一2列出了两大类中的几种主要类型。

一般说,主要金属离子为简单离子的镀液,其阴极极化作用较小(铁、镍、钻的单盐溶液除外)。镀层品粒较粗,镀液的分散能力也较差。主要金属离子为络合离子的镀液其阴极极化作用较大。镀层比较细致、紧密,镀液的分散能力也较好。因此,由络盐镀液中所得的镀层质量一般优于单盐镀液。所以生产上采用络盐的镀液较多。但单盐镀液具有成本低、允许开大电流等优点,对形状不复杂的镀件,也广泛采用。特别是近年来,在一些单盐镀液中添加适当的添加剂后。可以获得结品细致、光亮的镀层。开创了单盐电镀的新方向。(锌合金搭扣锁的优点和缺点)

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络盐电镀中常用的络合剂除了氰化物外,还有焦磷酸盐、钱盐、氨三乙酸盐、三乙醇胺、乙二胺、柠檬酸盐、EDTA等。在大多数情况下。采用双络合剂或多络合剂比单络合剂效果好,特别在合金电镀中更为明显。如无氰镀锌中的氯化馁和氨三乙酸;无氰镀锅中的氯化按、氨三乙酸和EDTA;焦磷酸盐光亮镀铜中的焦磷酸钾和柠檬酸盐;焦磷酸盐镀铜锡合金中的焦磷酸钾和酒石酸钾钠等,在选择络合剂时。既要顾及镀层质量,又要考虑镀液控制方便。

②主盐浓度的影响。阴极上能够沉积出镀层金属的盐称为主盐,其浓度是电镀工艺中控制的主要参数之一。在溢度、电流密度等条件不变时。随主盐浓度增大,结品核心形成的速度降低。镀层组织较粗。当电解液主盐浓度降低时,阴极附近电解液的主金属离子扩散浓度必然更低。同样电流密度下,稀溶液的阴极极化必大于浓溶液。因而生成品核数目较多。这种规律对单盐镀液,如单盐镀铜、锌、锅、锡、铅等比较明显。而对多数络盐镀液效果不显著。因为络盐镀液的电化学板化作用极大。络合金属离子的浓度可以在较大范围内变化,同样可获得良好的镀层。(什么是灯具搭扣)

实际上,通过稀释电镀液降低主盐浓度,对改善镀层结品组织的效果并不显著。而且主盐浓度低。电流密度不大,直接影响生产效率。但稀溶液分散能力高。所以对形状复杂的零件,可采用较低的主盐浓度。主盐浓度高,镀液电导率高,电流密度的上限增大。阴极电流效率增高,所以在可能的情况下。尽可能采用高浓度镀液。以提高生产率。对由于主盐浓度高造成镀层结晶较粗的问题。可通过提高电流密度或加人添加剂等克服。

③附加盐的影响。电镀溶液中,除了主要盐外,还常加人某些碱金属或碱土金属盐类,称为附加盐。附加盐的主要作用是提高镀液的导电性。改善镀液的分散能力。研究中发现。附加盐对提高阴极极化有一定的影响作用,主要因为外来离子的加人。使离子强度琳大,沉积金属离子的活度降低。从而提高了阴极极化。例如硫酸盐镀镍液中加人硫酸钠和硫酸镁。既增加溶液的电导率,又能使镀层更加细致均匀。目前的理论不足以预测一种附加盐对提高阴极极化的效果,因为有些附加金属离子的水化能力特别强,使主盐离子去水化而容易放电。从而减低了阴极极化作用,因此只能通过试验来确定。

附加盐中除阳离子外,阴离子也起一定作川。如焦磷酸盐镀铜锡合金中使用的硝酸钾或硝胶按。就是利用其中的硝酸根来扩大电流密度范围;又如镀镍中的氛化钠,利用其中的氯离子来促进阳极正常溶解。

④添加剂的影响。电解液中添加少员添加剂,虽不能显著改变镀液的性质,但能改善镀层的质量。凡能使镀层产生光泽的添加剂称为发光剂(也叫光亮剂或增光剂);凡能使镀件微观谷处获得比微观峰处厚的镀层。使镀层表面平整的添加剂称为整平剂;凡能降低电极与溶液界面张力的添加剂称为润湿剂;凡能降低镀层的内应力。提高镀层韧性的添加剂称为应力消除剂;凡能使镀层结晶细致的添加剂称为镀层细化剂。(什么是滑动式搭扣锁?)

添加剂可分为无机和有机两类:无机添加剂多数采川硫、硒、铅、铸、锑及稀土等金属化合物,有机添加剂的种类较多。电镀生产中广泛采用的是有机添加剂。它对镀层结构的影响在于对金属电沉积过程动力学的影响,如在硫酸盐镀锡液中加人二苯胺等表面活性物质。对锡沉积时阴极极化的影响如图3一2所示。从图可以看出,在远远小于极限电流密度时,表面活性物质使阴极电位显著变负。当极化增大到一定数值时。电流密度急剧上升。此外。两种表面活性物质联合使川,对阴极极化影响更大。

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对有机添加剂提高阴极极化作用有两种不同的解释。即所谓的“封闭效应”与“穿透效应”。“封闭效应”是指电极表面局部被有机添加剂租盖,金属离子的放电反应速度相当低。与未覆盖部分反应速度相比可忽略不计。添加剂的阻化作用表现为减小了进行反应的电极表面。即对一部分电极表面起了封闭作用。所以使阴极极化增加。但添加剂没有改变界面反应的过程。“穿透效应”是指电极表而完全被覆盖。金属离子到达电极表而,必须穿过这个吸附层。而吸附层的能垒又相当高。致使金属离子越过能垒放电发生更大的困难。此时电极反应速度受吸附层控制。所以出现了数值很小的极限电流。(不锈钢大搭扣有哪些种类?)

根据目前积累的实验资料,各种表而活性物质吸附层对电极反应的阻化作用大致归纳为以下几个方面。

A、由烷基组成的吸附层。对大多数金属离子和氢的析出过程均有一定限化作用。烷荃链越长,吸附层越厚,对电极过程的阻化作用也越大。但达到Cs~C。以后,由于链的卷曲,差别就不大了。

B、对芳烃基组成的吸附层。在荷正电的电极表而上,芳环的平面与电极表面平行。形成平卧式吸附层;当电极表面荷负电时。则转变为芳环平面与电极表面垂直的直立式吸附层。这两类吸附层对金属析出过程均有阻化作川。但直立式的芳烃吸附层往往会促进氢的析出。

C、吸附层中活性物质粒子所带的电荷是影响电极反应阻化作用的重要因素之一。若金属离子所带电荷的符号与活性物质粒子相同。则在电极表面前者往往受到后者的排斥,使极化增大。如两者所带电荷相反。则极化减小。

D、“多聚”型活性物质分子的吸附能力及对电极反应的影响比“单体”活性物质分子更强。
在碱性电解液巾(如碱性镀锌、锡),由于金属的析出电位较负,表面活性物质的作用较小。只有那些烃基不长而极性华团多、介电常数较大的有机化合物(如甘油、乙二醉、非离子型表面活性物质)有可能在电极上吸附。

采用有机添加剂来改善沉积层质缺的优点,只需很小的用址便可收到显著效果。因而成本低。但是。有机添加剂往往夹杂到沉积层之中,使沉积层的脆性增大。并使其他物理化学性质发生改变。

E、游离络合剂的影响。一切络合物镀液中,都要保证存在一定游离量的络合剂,可起到稳定镀液、促进阳极正常溶解和增大阴极极化等作用。
当其他条件不变时,游离络合剂含量提高。络离子更稳定。转化成能在电极上直接放电的活化络合物更加困难,于是增大了阴极极化作川。但游离络合剂含量过高。电流效率和允许电流密度的上限下降,降低了沉积速度。所以,对一定镀液来说。游离络合剂的浓度应控制在一定范围内。(不锈钢弹簧插销的工作原理是什么?)

(2)电镀工艺规范的影响除镀液组成影响镀层性能之外。

工艺规范(包括电流密度、温度、pH、搅拌、电源波形等)对镀层结构也有影响。

①电流密度的影响。电流密度对镀层结晶状况、沉积速度等影响较大。当电流密度低于允许电流密度的下限时。阴极上沉积速度慢。甚至是无镀层;若电流密度超过允许电流密度的上限,由于阴极附近放电金属离子贫乏,一般在棱角或凸出部位放电。出现结瘤或枝状结晶(枝晶)。如电流密度继续升高。会使镀层烧焦。在允许的电流密度范围内。适当提高电流密度。不仅能使镀层结晶细致。而且能加快沉积速度。提高生产效率。

电流密度范围必须依照电解液的性质、主盐浓度、主盐和络合剂的比例、添加剂的性质和浓度、pH、缓冲剂的浓度、温度和搅拌等因素而定。一般地说。主盐浓度增加,pH降低(对弱酸性电解液)。温度升高。搅拌强度增加,允许电流密度的上限增大。(高铁烤箱二次开把手如何进行保养)

阳极允许电流密度一般比阴极小。若使用的电流密度高于阳极允许电流密度的上限,则阳极易钝化或阳极溶解电流效率下降。使得溶液中金属离子浓度不稳定。影响镀层质址。

②温度的影响。在其他条件不变时,升高温度,阴极极化降低,镀层结品较粗。这是因为温度提高。增大了离子的扩散速度,导致浓差极化降低;同时,温度升高。离子脱水速度加快,增强了金属离子与阴极表面的活性,因而降低了电化学极化。在改变镀液离子浓度和电流密度等其他操作条件,并配合适宜时。升高温度对电镀有利。在实际电镀生产中不少电解液还是采用升温作业,以增加盐类的溶解度。改善阳极溶解性。提高镀液导电性。减少镀层的吸氢量等。

对于大多数碱性络合物电解液(锡酸盐镀锡除外)。在较高温度下容易使其中的某些组分发生变化,以致造成溶液组成不稳定,所以温度一般不超过40℃。

③pH的影响。在单盐电解液中,常含有与主盐相对应的游离酸。根据游离酸含址,简单盐电解液可分为强酸性和弱酸性两类。强酸性电解液中的游离酸不是靠主盐水解而来的。而是在配制电解液时添加的,如酸性镀铜和镀锡中常加人过量的硫酸;在氟硼酸盐镀铅及铅锡合金的镀液中常加入过量的氟硼酸。其主要目的是为了防止主盐水解。同时还可提高溶液的电导率,降低抽电压;在一定程度上提高阴极极化作用。以获得较细致的镀层。但游离酸度的提高将降低主盐的溶解度。
弱酸性简单盐电解液也含有一定的游离酸。以防止主盐水解,如硫酸盐镀锌、锅、镍等。为防止析氢使电流效率下降,镀液必须保持在一定酸度范围内,如镀锌电解液的pH为3.5~4.5;镀锅电解液的pH为2~5.5;镀锡电解液的pH为3~4或5~5.5。(橱柜厂家如何选择一款好的橱柜拉手)

④搅拌的影响。搅拌可加快镀液中离子运动,降低阴极极化。使镀层结晶变粗。但通过搅拌。可提高电流密度和生产效率。
此外。搅拌还可以影响合金镀层的成分。如电镀装饰性镍铁合金时。搅拌强度增大可使合金镀层中含铁量显著增加,因而通过选择不同的搅拌强度。在同一镀槽内可获得不同铁含址的合金镀层。

搅拌还使复合镀和高速电镀变为现实。如采用平流法或喷射法使镀液在阴极表面高速流动,电流密度可高达150~45oA/dm。常用的搅拌方式有阴极移动、压缩空气搅拌及连续循环搅拌等。

阴极移动一般用于遇空气不稳定的镀液,如氰化物电镀液、碱性镀液和含有易氧化的低价金属的电解液等。阴极移动速度一般采用10~50次/min。移动行程为50~140mm。阴极移动有水平和垂直两种。按具体条件而定。

压缩空气搅拌一般应用于对空气稳定的镀液。如光亮镀镍、光亮酸性镀铜等。空气搅拌的强度比阴极移动大,可较明显提高允许电流密度。以光亮镀镍为例。无空气搅拌时。使用的电流密度一般为3~4A/dmZ;有空气搅拌时。电流密度可提高到8~10A/dm2。但应注意。采用压缩空气搅拌时,压缩空气应先净化处理。并配以连续循环过滤。以免槽底沉渣泛起,与镀层共沉积,造成镀层粗糙或产生毛刺。同时也最好配合使用阳极袋或阳极护筐。

连续循环搅拌过滤是利用循环泵井串联过滤机,既起到搅拌作用。又起到对镀液杂质过滤作川。是保证镀层质量的有效措施。近几年使用址逐渐增大。
⑤电流波形的影响。电镀中使用的整流器。依据交流电源的相数及整流电路波形,有稳压直流电、单扣半波、单相全波、三相半波、三相全波及脉冲电流等。如图3一3所示。(如何对搭扣锁的质量进行判断?)

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电流波形对镀层性能有显著影响。如装饰性镀铭中,采用三相全波或稳压直流。光亮电流密度范围宽镀层光亮度好;若采用单相全波,对新配制的电解液问题不大。对老化后的电解液,即Cr3+浓度较高时,高电流密度区光亮度降低。即光亮电流密度范围缩小;若采用脉动系数更大的单相半波。则得不到光亮镀层。与此相反。在焦磷酸盐镀铜时,采用单相半波或单相全波,却可以提高镀层的光亮度和允许电流密度的上限。

除常用的电流外。口前在电镀生产中已使用的电流还有:换向电流、脉冲电流、交直流叠加。
所谓换向电流就是周期性地改变直流电的方向。电流为正向时。镀件作阴极;电流为反向时。镀件作阳极。正向时间和反向时间(之和称为换向周期的大小影响镀层质员一般为7:3、5:1、6:1。根据具体情况而定。生产实践证明,在氰化物镀铜、氰化物镀黄铜和氮化物镀银中。采用周期换向电流。镀层质缺较好。而且允许电流密度的上限较高。并可获得厚镀层。

周期换向电流的良好作用表现为:当镀件为阳极时,表面尖端及不良的镀层优先溶解。使镀层周期性地被整平;当电流反向时,阴、阳极的浓差极化都减小,提高了允许电流密度的上限。换向电流不适于短时间内镀租形状复杂的零件,尤其是在酸性电解液中。镀件作为阳极时。深凹处的丛体表面会溶解。电解液将受污染。有时,镀件作为阳极时。镀层会发生钝化,严重影响镀层的结合强度。

脉冲电流是指单相(阴极)电流周期性被一系列开路(无电流通过)所中断的电流。脉冲电流通常由周期性的方波或正弦脉冲组成。与直流电流相比,脉冲电流可以调整的参数比较多,如脉冲波形、脉冲幅值、通断比和脉冲频率等,通过这些参数的改变。再与适当的镀液配合。就能获得质量较好的镀层。因为脉冲电流很大,增加了阴极的电化学极化。在断电时又降低了浓差极化。所以镀层结晶细致。

用脉冲电流进行电镀,可以提高镀层的致密性和耐磨性。降低镀层的孔隙率和电阻率。目前,脉冲电流已用干金、银等的电镀生产。
在镀厚银及磁性合金(如C。一Ni合金)时,采用叠加交流的直流电。能改善镀层外观和提高电流密度。根据叠加交流仇的大小,交直流电流叠加的波形有脉动直流、间歇直流和不对称交流。

叠加交流时应注意降低电压,否则易发生危险。交流电的频率不能太高。否则物质的扩散与迁移不能与频率相适应。效果不大。随养频率降低。效果逐步提高,交流电的频率应小于50Hz。(不锈钢搭扣在医疗用品设备上的运用)

(3)析氮的影响在任何电镀液中,不论其pH如何。阴极上析出金属的同时。常常有氢气析出,对镀层质址产生影响。
析出的氢,有时会进人镀层或铁荃体内,造成晶格扭曲。产生很大的内应力,使镀层显著变形、脆裂或脱落。即所谓的“氢脆”。不同金属吸氢的程度不相同:铭镀层的吸氢程度较大;其次是铁族金属;锌的吸氢程度较小;其他金属的吸氢程度很小,甚至没有。

吸附在基体金属细孔内的氢,当周围介质的温度升高时。对镀层施加压力。有时会使镀层产生小鼓泡,这种鼓泡常在锌、锡、铅的镀层中出现。有时在电镀后经过一定时间,甚至是经过相当长时间才会出现。

氢气在阴极上析出后。经常呈气泡状钻附在阴极的表面。这些气泡限止金属在这些地方沉积。金属离子只能在阴极表面没有气泡的部分或这些气泡的周围放电沉积。如果氢气泡在整个电镀时间内总是停留在表而。镀层内就会有空洞或贯通的缝隙;如果电镀过程中氢气泡在镀件表而上吸附不牢固,周期性地吸附或逸出。那么这些地方将形成线坑或点状穴。即所谓的“麻点”或。‘针孔”。

造成针孔必须有两个条件。首先有气泡(主要是氢气)产生;其次是产生的气泡附扑于镀件上,两者缺一不可。像镀铬、氰化物镀铜。虽有大员氢气逸出。但造成针孔的倾向很小。其原因是所产生的氢气并不附着于镀件而逸出液面。

当电镀液中含有机杂质、金属杂质或在基体表面存在油污及其他污垢时,氛气泡易吸附在阴极表面。因为有机物吸附在阴极表面。使该处具有僧水性,气泡将牢固地留在那里;在阴极附近pH较高时,金属杂质水解成氢氧化物或碱式盐,当条件适当时,它们还会凝聚。影响液体的表面张力。造成气泡在阴极表面上的停留。
因此欲消除针孔,应首先减少氢气泡的产生。如在镀镍溶液中加人双氧水。以双氧水在阴极上的还原代替氢离子的放电;其次应使氢气泡容易脱离阴极而逸出。如在镀液中加人润湿剂;另外。要经常净化溶液,去除金属或有机杂质等。

①金属材料性质的影响。镀层金属与摹体金属的结合力。与墓体金属的化学性质有密切关系。在电解液中。如果蜚体金属的电位负于镀层金属,由于存在化学置换,不易获得结合良好的镀层。例如,钢铁件在酸性镀铜液中。当没有电流通过时。铜离子被置换而附若在制件表而。该镀层通常称为“置换镀层”或者“接触镀层”。这种镀层与基体金属的结合往往是不好的。此后所得的电镀层当然与基体金属的结合力很差。钢铁零件在焦磷酸盐镀铜或铜锡合金中。也有这种置换现象,虽然这种现象不很明显。甚至连肉眼也看不出置换镀层。但它已足够影响镀层的结合力。解决的方法之一是在焦磷酸盐镀铜溶液中进行预镀。或在特定的溶液中进行电解活化。还有一些电位很负的金属如锌、铝、镁等,它们的活性很强。置换的倾向吏大。因而要在这类金属上进行电镀,困难更大。特别像铝、镁以及它们的合金一般在镀前都需要进行浸锌等特别处理。

有些金属。如不锈钢、铬等具有钝化性质。金属表面容易生成一层氧化膜。虽然川肉眼一般不易看出,但这类金属进行电镀时。如不经活化处理。很难取得结合牢固的镀层。生产中常采用反相电解处理或冲击电流等。

②镀前加工性质的影响。零件进人电镀车间前的加工状况与镀前的准备工作。对镀层质量也有着重要的影响。
铸铁件表而往往凹凸不平、多孔。在这样的表面上容易排到粗糙而多孔的镀层。铸铁中的石耀。具有降低氢过电位的作川。造成氢容易在该处析出。阻碍了金属的沉积,例如铸铁在氰化镀锌中不能获得均匀连续的锌层。

在有加工缺陷。如有气孔、裂纹的零件上。镀得的锌层、锡层或锡层,经过一定时间后,常常出现黑色斑点,即所谓的“泛点”或“渗点”。其主要原因是由于零件浸人镀摘时,电解液渗人零件的孔隙内。当电镀完毕并经过一定的时间后。藏于孔隙内的电解液向外渗出,并与镀层作用,生成斑点状的腐蚀产物。
在有孔隙和裂纹的零件上。出现镀层缺陷的另一形式是产生气泡或镀层隆起(起泡)。产生这种现象的原因与产生斑点相似,亦是由于溶液渗人孔隙内所引起的。因为渗人的电解液与纂体金属作用产生氢气,若后者的压力大于镀层与从体金属结合力,则镀层将起泡。

另外在加工过程中形成表面组织上的缺陷。若不在镀前处理中除掉,镀层沉积在有缺陷的表面上。就会形成起泡或结合不良等弊病。生产中常采用硝酸或硝酸与硫酸混合液腐蚀,以除去表面不良组织。

为了消除零件表面上凹凸不平的孔隙等缺陷。常把零件进行磨光、抛光加工。金属在平滑表面上的沉积比在粗糙表面上容易,因为在粗糙表面上。实际的电流密度比表现的电流密度小。如果局部实际电流密度达不到金属析出电位。该处就没有镀层。然而加工过于光滑的表面。反而使镀层与金属的结合力也不好。故在电镀前要进行从后一道弱浸蚀。或称为活化处理,达到使表面轻微粗化的作用。

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