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1、第四章电镀 8学时 第一节表面预处理金属设备在防腐蚀施工前都要求表面清洁 以保证镀层和基体金属结合良好 但金属表面往往有氧化皮 锈蚀 毛刺 油污 水分 灰尘等表面缺陷和污染存在 必须认真处理 否则不能获得良好的施工质量 表面处理可分为机械性清理 除油和酸洗三种 一 机械性清理 机械性清理金属表面的方法很多 常用的有以下几种 1 喷砂 喷砂是一些表面防蚀处理工艺的重要预处理工艺 对保证工件处理质量不可缺少 喷砂不仅可以清理金属表面 使表面粗化 提高涂镀层的结合力 而且还可以提高材料的疲劳性能 喷砂处理是借压缩空气形成的高速砂流的撞击作用 来去除金属表面上的脏物 同时可以加工成某些特殊要求的粗糙表
2、面 喷砂一般分为干喷砂和湿喷砂两种 湿喷砂是在砂料中加入定量的水 使之成为砂水混合物 以减缓砂料对金属材料的冲击作用 从而减少金属材料的去除量 使工件的表面光洁度更好 喷砂在喷砂机上进行 喷砂机主要由贮砂箱 喷砂室及工作台等几部分组成 喷砂所用的磨料以氧化铝 Al2O3 砂即铝钒土为最好 因为不宜粉化 劳动条件较好 砂料还可以循环使用 值得注意的是 清除表面油脂薄膜用磨料和表面粗化处理用磨料是不能混用的 因为用粘附油脂的磨料进行粗化处理 会使保护层与金属表面的结合力下降 干喷砂后的表面为均匀的无光泽或半光泽灰色表面 湿喷砂后的表面为均匀 细致 无光泽或半光泽的灰色表面 喷砂主要用于清理锻 铸件
3、表面的残渣 砂粒 毛刺等 还用于焊缝和其它零件表面的除锈 除氧化物 也可用于涂漆前处理 钢件磷化前处理和热喷涂前处理 2 磨光和抛光 金属表面经过磨光和抛光除可以得到光亮的表面以外 磨光还具有去掉薄的氧化皮的作用 并且用磨光的方法可以得到一定粗糙度的表面 抛光具有精整金属表面的作用 磨光是借助于粘有 磨粉 研磨材料 的特制磨轮来切削金属表面的过程 所用磨料的粒度由大到小 循序改变 磨料的粒度以号数表示 号数愈大其颗粒愈细 磨光的主要目的是去掉金属表面的不平度和去除表面焊缝 砂眼和气泡等宏观缺陷 氧化皮和锈等 磨光适用于加工任何金属材料 其效果取决于磨料 磨轮的刚性和轮子的旋转速度 磨料一般是用
4、人造刚玉 含氧化铝90 99 和金刚砂做成的 磨轮及其旋转速度则可根据金属材料的硬度 表面状态和加工的要求进行选择 一般来说 对粗糙度大 切削金属量大的表面应采用硬磨轮 对有色金属及切削量小的则应使用弹性大的软轮 对于质硬且要求加工光洁度高的材料 则应选择较高的旋转速度 但为了兼顾磨轮的使用寿命 因而磨轮的圆周速度一般在10 20m sec 机械抛光是借助布轮与金属表面的摩擦作用使工件获得表面光泽的过程 它用于去除金属表面的细微不平度 以改善镀层的结合强度 或代替研磨 以保证零部件尺寸的最终精加工 或使制品表面获得较好的光洁度 以提高其耐蚀性能 抛光与磨光不同 不用粘附的磨料而用抛光膏 抛光时
5、应根据被抛光材料的性质选用抛光膏 抛光时 将少量的抛光膏周期地涂在旋转布轮的工作面上 再以布轮接触制件磨面 每次抛光前应除去前次残留的变硬的抛光膏 否则会使制件表面划伤 抛光只能用柔软的布轮 要求更高时可用呢绒和丝绸抛光轮 抛光轮的柔软程度除与布料性质有关外 还与布轮缝制方法有密切关系 为了保证工作面的柔软性 缝线与轮边应保持一定的距离 只有外形简单的制件才能进行机械抛光 对于表面光洁度要求高 形状比较复杂的制件 在许多场合下采用化学抛光和电解抛光 3 刷洗处理 为了从制件表面上去掉酸洗处理后残留下来的疏松氧化皮与渣子以及除油后残剩的某些污物 必须进行刷洗处理 刷洗是在刷洗机内进行的 这种设备
6、是由若干组旋转着的圆刷构成 刷子一般是用细钢丝或细的黄铜丝制成的 有时也用手工进行刷洗 手工刷洗所用的刷子也有用鬃毛制成的 刷洗除采用苏打溶液外 也可用热水或软化水 或者把三者结合起来 以达到刷洗的目的 二 除油 在金属及其制品表面上 除了前道工序的加工而附着的防锈油 轧制用油 润滑油 切削油 淬火油 机油 黄油及其它转化物外 还有金属粉末和尘粒等污染物 除油就是将这些油脂和污染物溶化 乳化 分离 皂化而脱除的工序 常用的方法有碱液除油 电解除油 溶剂除油和水剂除油 1 碱洗除油 碱液除油是将金属及其制件浸入碱性溶液中 有时添加少量的表面活性剂 在加热和搅拌的条件下 通过皂化及乳化作用除去油污
7、 它是应用最普遍的一种除油方法 除油原理 A 皂化作用 碱性除油液中的氢氧化钠能和粘附在金属表面上的动植物油脂发生反应 使酯水解 生成易溶于水的肥皂和甘油 因而被除去 RCOO 3C3H5 3NaOH 3RCOONa C3H5 OH 3R CH3 CH2 16甘油三酸酯硬酯酸钠丙三醇 肥皂 甘油 B 乳化作用 两种互不相溶的液体混合形成乳浊液的过程称为乳化 能促进乳化的物质称为乳化剂 当表面粘附油膜的金属或制品浸入碱液时 由于溶液的离子和极性水分子对油分子作用 使油膜发生机械破坏并聚集成为不连续的油滴 但这时油滴与工件表面间的结合力还相当大 不能使它进入溶液中 仍粘附在金属表面上 由于溶液中的
8、硅酸钠表面活性剂能显著地降低金属 油界面上的表面张力 因而容易吸附在金属和油的界面上 从而降低油的附着力 同时 它们又能显著地降低油 水界面上的表面张力 使油比较容易进入水相 这两种作用的结果就导致了油膜的破裂 使它形成很多油滴从金属表面脱落而分散进入水相 从而达到工件除油的目的 提高碱液的温度可以加速除油 因为皂化反应速度和乳化速度都是随温度升高而加快 搅拌过程也能加速除油 除油液配方和操作条件 碱性除油液的主要成分是氢氧化钠 碳酸钠 磷酸钠和硅酸钠及少量其它表面活性剂 其中 氢氧化钠主要起皂化作用 所生成的肥皂是溶于水且去污较好的一种表面活性剂 碳酸钠对溶液的PH值有良好的缓冲作用 可使水
9、软化 而且与其它除油剂混配效果好 磷酸钠有一定的乳化能力 也能软化水 并有助于对污物的分散或胶溶作用 硅酸钠等表面活性剂加强洗涤和乳化作用以增大除油效果 名称 含量g L 配方 钢铁的碱液除油工艺规范 2 电解除油 电解除油是在碱液除油的同时 利用电解时所产生的气体的机械剥离作用进行除油的方法 它是把待除油的金属及其制件作为阳极或阴极 在通以直流电的情况下进行除油的 是一种很有效的除油方法 除油原理 当带油的金属材料或工件进入碱液后 由于皂化反应及乳化作用油膜将被撕裂 在通电以后电极会发生极化 阴极除油时 金属表面带负电荷 靠溶液一侧带正电荷 阳极除油时 金属表面带正电荷 靠溶液一侧带负电荷
10、在双电层中同号电荷相斥 金属与溶液的界面张力降低 溶液与金属的接触面扩大 金属表面被润湿 促使油膜变成油滴被挤掉 因而通电能促进除油过程 通电时由于金属表面产生大量气体 这些气泡对油膜有很强烈的撕裂作用 使油污变为油滴 而且很容易滞留在油滴表面 吸附在油与溶液之间 将油包围起来 随着析出气体的增多 小气泡不断聚集长大而具有一定浮力 带动油滴漂到溶液上方 从而加速了除油的过程 阳极除油时发生析氧反应 4OH 4 O2 2H2O阴极除油时发生析氢反应 2H2O 2 H2 2OH 配方 钢铁的电解除油工艺规范 3 溶剂除油 溶剂除油是借油脂溶于有机溶剂中以后随溶剂一起挥发而去掉油脂 由于有机溶剂只能
11、溶解油脂 而不能溶解油污中的非有机物 因此溶剂挥发后脏物仍残留在金属工件上 使用有机溶剂除油 溶剂挥发后往往在金属表面上还残有一层薄的油膜 还要把工件放入碱液中除油 对有机溶剂的要求应该溶解力强 不易着火 毒性小 便于操作 挥发较慢 不易引起空气中水分冷凝于工件的表面 且价格低廉 实际上很难达到 一般应用很少 4 水剂除油 水剂除油是借用水溶型清洗液中的表面活性剂作用来去掉金属表面上的油污 表面活性剂的分子由两部分组成 极性亲水基和非极性亲水基 当粘有油污的金属放入含有表面活性剂的水溶液里 极性的水分子吸引表面活性剂分子的亲水基 而非极性基进入油相 由于分子的两部分都处于极性相似的介质里 体系
12、最稳定 能量也最低 因为体系有自动向稳定状态过渡的趋向 所以表面活性剂分子会自动向油 水界面集中 当表面层中的表面活性剂的浓度增大到一定程度之后 分子间的距离很小 就在界面上形成了定向的单分子吸附层 这样一层过渡层 就减缓了油 水界面处的极性突然变化 降低了油 水界面张力 降低了油在水中分散功 使油膜容易乳化呈油滴状上浮除油溶液上方 三 酸洗 酸洗就是用酸清除金属极其制品表面的锈蚀产物的方法 酸洗分为化学酸洗和电化学酸洗两种 1 化学酸洗 为了除去钢铁表面的氧化物 主要使用盐酸或硫酸溶液 然而它们的作用机理是不同的 钢铁表面的氧化膜主要是FeO Fe2O3 Fe3O4组成 盐酸与铁的氧化物发生
13、如下反应 FeO 2HCl FeCl2 H2OFe2O3 6HCl 2FeCl3 3H2OFe3O4 8HCl FeCl2 2FeCl3 4H2O 通过这些反应 铁的氧化物溶解而进入溶液 由于铁的氧化层有孔隙 其间往往还夹杂大量碎铁 所以盐酸还会与碎铁及基体金属发生反应而放出氢气 Fe 2HCl FeCl2 H2 这样产生的H2能把疏松的氧化皮层从钢铁表面上撕剥下来 用硫酸酸洗时发生如下反应 FeO H2SO4 FeSO4 H2OFe2O3 3H2SO4 Fe2 SO4 3 3H2OFe3O4 4H2SO4 FeSO4 Fe2 SO4 3 4H2OFe H2SO4 FeSO4 H2 钢铁的酸洗
14、工艺规范 钢铁的酸洗工艺规范 2 电化学酸洗 电化学酸洗就是把金属工件作为阳极或阴极浸入电解质溶液中 通以直流电以去除金属表面的氧化物 当以被清理件作为阳极时 称之为阳极浸蚀法 以被清理件作为阴极时 称为阴极浸蚀法 阳极浸蚀法 进行阳极浸蚀时 电解液使用酸或碱金属盐的溶液 阴极用铁 铅或铜等 电流密度一般为5 10A dm2 当通电时 阳极金属发生溶解 同时在电极表面析出氧气 它可以把金属表面的氧化物鼓掉 2H2O O2 4H 4 钢铁的阳极浸蚀一般是在硫酸中进行的 一般不用或很少使用盐酸溶液 因为其溶液中的氯离子容易造成工件的过腐蚀 钢铁的阳极浸蚀工艺规范 阴极浸蚀法 阴极浸蚀法是在硫酸 盐
15、酸或其混合酸或者是在具有良好导电性的碱金属盐的溶液中进行的 阳极用铅 铅锑合金或高硅铸铁等 阴极浸蚀时 由阴极反应产生的氢原子把金属氧化物还原 而猛烈析出的氢气泡可以机械地把氧化物鼓掉 它的缺点是析出的氢气渗入钢件表面中 会造成钢的氢脆 钢铁的阴极浸蚀工艺规范 第二节电镀理论 一 电镀定义电镀 是用电解的方法在金属或其它制品表面上 沉积上一种金属或合金层的过程 电镀是一种电化学过程 也是一种氧化还原过程 电镀是将被镀的金属作为阴极 电镀材料作为阳极 当外加电流通过电解液时 在阴极上析出金属或合金的结晶过程 电镀槽中电化学反应示意图 如图所示 在硫酸铜溶液中插人两个铜板 并与直流电源相接 当施加
16、一定电压时 两极就发生电化学反应 Cu2 溶液 Cu2 阴极表面 Cu2 阴极表面 2e Cu 金属 以镀铜为例 其阴极反应式为 Cu2 2e Cu还有副反应 2H 2e H2 在铜阳极板上发生的反应为 Cu 2e Cu2 有时还有以下副反应 4OH 2H2O O2 4e 为了达到防护目的 对金属保护层一般提出以下几个基本要求 1 与基体金属结合牢固 附着力好 2 镀层完整 结晶细致紧密 孔隙率小 3 有良好的物理 化学及机械性能 4 具有符合标准规定的厚度 而且均匀 电镀是获得金属保护层的有效方法 由电镀得到的金属镀层 结晶细致 化学纯度高 指单金属 结合力好 根据实际要求 可以有以下不同的电镀目的 1 防止腐蚀如一辆解放牌汽车上的零件受镀面积达10平方米 主要为了防止金属结构和紧固件的腐蚀 2 防护 装饰 如自行车 缝纫机 小轿车的外部零件 3 提高表面硬度和耐磨性能 4 提高导电性能 5 提高导磁性能 6 提高光的反射性能 7 防止局部渗碳 渗氮 8 修复尺寸等等 如何合理选用镀层 不同成分及不同组合方式的镀层具有不同的性能 如何合理选用镀层 其基本原则与通常的选材原则大致相似
