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電(diàn)鍍
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電(diàn)鍍的定義及原理
電(diàn)鍍是一(yī)種利用電(diàn)化學性質，在鍍件表面上沉積所需形态的金屬覆層的表面處理工(gōng)藝。
電(diàn)鍍原理：在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中(zhōng)，以被鍍基體(tǐ)金屬爲陰極，通過電(diàn)解作用，使鍍液中(zhōng)欲鍍金屬的陽離(lí)子在基體(tǐ)金屬表面沉積，形成鍍層。如圖13所示。
圖13 電(diàn)鍍原理圖
電(diàn)鍍的目的：獲得不同于基體(tǐ)材料，且具有特殊性能的表面層，提高表面的耐腐蝕性及耐磨性。
鍍層厚度一(yī)般爲幾微米到幾十微米。
電(diàn)鍍的特點：電(diàn)鍍工(gōng)藝設備較簡單，操作條件易于控制，鍍層材料廣泛，成本較低，因而在工(gōng)業中(zhōng)廣泛應用，是材料表面處理的重要方法。
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鍍層的分(fēn)類
鍍層種類很多，按使用性能分(fēn)類如下(xià)：
（1）防護性鍍層：例如鋅、鋅-鎳、鎳、镉、錫等鍍層，作爲耐大(dà)氣及各種腐蝕環境的防腐蝕鍍層。
（2）防護-裝飾性鍍層：例如Cu-Ni-Cr鍍層等，既有裝飾性，亦有防護性。
（3）裝飾性鍍層：例如Au及Cu-Zn仿金鍍層、黑鉻、黑鎳鍍層等。
（4）耐磨和減磨鍍層：例如硬鉻鍍層、松孔鍍層、Ni-Sic鍍層，Ni-石墨鍍層、Ni-PTFE複合鍍層等。
（5）電(diàn)性能鍍層：例如Au鍍層、Ag鍍層等，既有高的導電(diàn)率，又(yòu)可防氧化，可避免增加接觸電(diàn)阻。
（6）磁性能鍍層：例如軟磁性能鍍層有Ni-Fe鍍層、Fe-Co鍍層；硬磁性能有Co-P鍍層、Co-Ni鍍層、Co-Ni-P鍍層等。
（7）可焊性鍍層：例如Sn-Pb鍍層、Cu鍍層、Sn鍍層、Ag鍍層等。可改善可焊性，在電(diàn)子工(gōng)業中(zhōng)應用廣泛。
（8）耐熱鍍層：例如Ni-W鍍層、Ni鍍層、Cr鍍層等，熔點高，耐高溫。
（9）修複用鍍層：一(yī)些造價較高的易磨損件，或加工(gōng)超差件，采用電(diàn)鍍修複尺寸，可節約成本，延長使用壽命。例如可電(diàn)鍍Ni、Cr、Fe層進行修複。
若按鍍層與基體(tǐ)金屬之間的電(diàn)化學性質可将其分(fēn)爲：陽極性鍍層和陰極性鍍層。當鍍層相對于基體(tǐ)金屬的電(diàn)位爲負時，鍍層是陽極，稱爲陽極性鍍層，如鋼上的鍍鋅層；當鍍層相對于基體(tǐ)金屬的電(diàn)位爲正時，鍍層呈陰極，稱爲陰極性鍍層，如鋼上的鍍鎳層、鍍錫層等。
若按鍍層的組合形式分(fēn)，鍍層可分(fēn)爲：單層鍍層，如Zn或Cu層；多層金屬鍍層，例如Cu-Sn/Cr鍍層、Cu/Ni/Cr鍍層等；複合鍍層，如Ni-AlO鍍層、Co-SiC鍍層等。
若按鍍層成分(fēn)分(fēn)類，可分(fēn)爲單一(yī)金屬鍍層、合金鍍層及複合鍍層。
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電(diàn)鍍溶液的基本組成
主鹽沉積金屬的鹽類主要有：單鹽，如硫酸銅、硫酸鎳等；絡鹽，如鋅酸鈉、氰鋅酸鈉等。
配合劑與沉積金屬離(lí)子形成配合物(wù)，其主要作用是改變鍍液的電(diàn)化學性質和控制金屬離(lí)子沉積的電(diàn)極過程，配合劑是鍍液的重要成分(fēn)，對鍍層質量有很大(dà)影響。常用配合劑有氰化物(wù)、氫氧化物(wù)、焦磷酸鹽、酒石酸鹽、氨三乙酸、檸檬酸等。
導電(diàn)鹽其作用是提高鍍液的導電(diàn)能力，降低槽端電(diàn)壓提高工(gōng)藝電(diàn)流密度。例如鍍鎳液中(zhōng)加入NaSO。導電(diàn)鹽不參加電(diàn)極反應，酸或堿類也可作爲導電(diàn)物(wù)質。
緩沖劑在弱酸或弱堿性鍍液中(zhōng)，pH值是重要的工(gōng)藝參量。加入緩沖劑，使鍍液具有自行調節pH值能力，以便在施鍍過程中(zhōng)保持pH值穩定。緩沖劑要有足夠量才能有效控制酸堿平衡，一(yī)般加入30~40g/L，例如氯化鉀鍍鋅溶液中(zhōng)的硼酸。
陽極活化劑在電(diàn)鍍過程中(zhōng)金屬離(lí)子被不斷消耗，多數鍍液依靠可溶性陽極來補充，從而使金屬的陰極析出量與陽極溶解量相等，保持鍍液成分(fēn)平衡。加入活性劑能維持陽極活性狀态，不會發生(shēng)鈍化，保持正常溶解反應。例如鍍鎳液中(zhōng)必須加入Cl-，以防止鎳陽極鈍化。
特殊添加劑爲改善鍍液性能和提高鍍層質量，常需加入某種特殊添加劑。其加入量較少，一(yī)般隻有幾克每升，但效果顯著。這類添加劑種類繁多，按其作用可分(fēn)爲：
（1）光亮劑—可提高鍍層的光亮度。
（2）晶粒細化劑—能改變鍍層的結晶狀況，細化晶粒，使鍍層緻密。例如鋅酸鹽鍍鋅液中(zhōng)，添加環氧氯丙烷與胺類的縮合物(wù)之類的添加劑，鍍層就可從海綿狀變爲緻密而光亮。
（3）整平劑—可改善鍍液微觀分(fēn)散能力，使基體(tǐ)顯微粗糙表面變平整。
（4）潤濕劑—可以降低金屬與溶液的界面張力，使鍍層與基體(tǐ)更好地附着，減少針孔。
（5）應力消除劑—可降低鍍層應力。
（6）鍍層硬化劑—可提高鍍層硬度。
（7）掩蔽劑—可消除微量雜(zá)質的影響。
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電(diàn)鍍過程的基本步驟
電(diàn)鍍過程的基本步驟包括：液相傳質、電(diàn)化學還原、電(diàn)結晶。
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影響電(diàn)鍍質量的因素
（1）鍍液：主鹽溶度、配離(lí)子、附加鹽；pH值；析氫；電(diàn)流參數：電(diàn)流密度、電(diàn)流波形；添加劑；溫度；攪拌；基體(tǐ)金屬：性質、表面加工(gōng)狀态；前處理。
（2）電(diàn)鍍方式：挂鍍。不能從水溶液中(zhōng)單獨電(diàn)鍍的W、Mo、Ti、V等金屬可與鐵族元素（Fe、Co、Ni）共沉積形成合金；從而獲得單一(yī)金屬得不到的外(wài)觀。
（3）沉積合金的條件：
①兩種金屬中(zhōng)至少有一(yī)種金屬能從其鹽的水溶液中(zhōng)沉積出來。
②共沉積的兩種金屬的沉積電(diàn)位必須十分(fēn)接近。
化學鍍
化學鍍是指在沒有外(wài)電(diàn)流通過的情況下(xià)，利用化學方法使溶液中(zhōng)的金屬離(lí)子還原爲金屬，并沉積在基體(tǐ)表面，形成鍍層的一(yī)種表面加工(gōng)方法。
化學鍍時，還原金屬離(lí)子所需的電(diàn)子是通過化學反應直接在溶液中(zhōng)産生(shēng)。完成過程有以下(xià)三種方式。
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置換沉積
利用被鍍金屬M（如Fe）比沉積金屬M（如Cu）的電(diàn)位更負，将沉積金屬離(lí)子從溶液中(zhōng)置換在工(gōng)件表面上，工(gōng)程中(zhōng)稱這種方式爲浸鍍。當金屬M完全被金屬M覆蓋時，則沉積停止，所以鍍層很薄。鐵浸鍍銅，銅浸汞，鋁鍍鋅就是這種置換沉積。浸鍍難以獲得實用性鍍層，常作爲其他鍍種的輔助工(gōng)藝。
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接觸沉積
除了被鍍金屬M和沉積金屬M外(wài)，還有第三種金屬M。在含有M離(lí)子的溶液中(zhōng)，将M-M兩金屬連接，電(diàn)子從電(diàn)位高的M流向電(diàn)位低的M，使M還原沉積在M上。當接觸金屬M也完全被M覆蓋後，沉積停止。在沒有自催化性的功能材料上進行化學鍍鎳時，常用接觸沉積引發鎳沉積起鍍。
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還原沉積
由還原劑被氧化而釋放(fàng)的自由電(diàn)子，将金屬離(lí)子還原爲金屬原子的過程稱爲還原沉積。
其反應方程式如下(xià)：
還原劑氧化
Rn+ → 2e- + R(n + 2)+
金屬離(lí)子還原
M2+ + 2e- → M
工(gōng)程上所講的化學鍍也主要是指這種還原沉積化學鍍。
化學鍍的條件是以下(xià)幾個方面：
（1）鍍液中(zhōng)還原劑的還原電(diàn)位要顯著低于沉積金屬的電(diàn)位，使金屬有可能在基材上被還原而沉積出來。
（2）配好的鍍液不産生(shēng)自發分(fēn)解，當與催化表面接觸時，才發生(shēng)金屬沉積過程。
（3）調節溶液的pH值、溫度時，可以控制金屬的還原速率，從而調節鍍覆速率。
（4）被還原析出的金屬也具有催化活性，這樣氧化還原沉積過程才能持續進行，鍍層才能連續增厚。
（5）反應生(shēng)成物(wù)不妨礙鍍覆過程的正常進行，即溶液有足夠的使用壽命。
化學鍍鍍覆的金屬及合金種類較多，如Ni-P、Ni-B、Cu、Ag、Pd、Sn、In、Pt、Cr及多種Co基合金等，但應用最廣的是化學鍍鎳和化學鍍銅。化學鍍層一(yī)般具有良好的耐蝕性、耐磨性、釺焊性及其他特殊的電(diàn)學或磁學等性能，所以該種表面處理工(gōng)藝能很好的完善材料的表面性能。
熱噴塗技術、熱噴焊技術
熱噴塗技術、熱噴焊技術都是利用熱能（如氧-乙炔火(huǒ)焰、電(diàn)弧、等離(lí)子火(huǒ)焰等）将具有特殊性能的塗層材料熔化後塗敷在工(gōng)件上形成塗層的技術。具有可以制備比較厚的塗層（0.1~10mm）的特點，主要應用在制造複合層零件修複。
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熱噴塗技術
（1）熱噴塗技術原理與特點
采用各種熱源使塗層材料加熱熔化或半熔化，然後用高速氣體(tǐ)使塗層材料分(fēn)散細化并高速撞擊到基體(tǐ)表面，從而形成塗層的工(gōng)藝過程，如圖14所示。
圖14 熱噴塗的基本過程示意圖
熱噴塗過程主要包括：噴塗材料的熔化；噴塗材料的霧化；噴塗材料的飛行；粒子的沖擊、凝固。
（2）塗層材料
熱噴塗對塗層材料有一(yī)定的要求，需滿足的條件：有較寬的液相區，在噴塗溫度下(xià)不易分(fēn)解或揮發；熱穩定性好；使用性能好；潤濕性好；固态流動性好（粉末）；熱膨脹系數合适。塗層材料按照噴塗材料的形狀可分(fēn)爲線材和粉末。
（3）熱噴塗塗層的結合機理
①機械結合：熔融态的粒子撞擊到基材表面後鋪展成扁平狀的液态薄層，嵌合在起伏不平的表面，并形成機械結合。
②冶金結合：塗層與基體(tǐ)表面出現擴散和焊合，稱爲冶金結合。
③物(wù)理結合：當高速運動的熔融粒子撞擊基體(tǐ)表面後，若界面兩側的距離(lí)在原子晶格常數範圍内時，粒子之間依靠範德華力結合在一(yī)起。
（4）塗層的形成過程
①噴塗材料被加熱到熔融狀态；
②噴塗材料被霧化成微小(xiǎo)熔滴并高速撞擊基體(tǐ)表面，撞擊基體(tǐ)的顆粒動能越大(dà)和沖擊變形越大(dà)，形成的塗層結合越好；
③熔融的高速粒子在沖擊基材表面後發生(shēng)變形，冷凝後形成塗層。
塗層的形成過程如圖15所示。
圖15 塗層形成過程示意圖
塗層結構是由大(dà)小(xiǎo)不一(yī)的扁平顆粒、未熔化的球形顆粒、夾雜(zá)和孔隙組成。孔隙存在的原因：未熔化顆粒的低沖擊動能；噴塗角度不同時造成的遮蔽效應；凝固收縮和應力釋放(fàng)效應。适當的孔隙可以儲存潤滑劑、提高塗層的隔熱性能、減小(xiǎo)内應力以及提高塗層的抗熱震性等，但是過多的孔隙将會破壞塗層的耐腐蝕性能、增加塗層表面的粗糙度，從而降低塗層的結合強度、硬度、耐磨性，所以在塗層的制備過程中(zhōng)應嚴格控制孔隙的數量。
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熱噴焊技術
（1）熱噴焊技術的原理及特點
熱噴焊技術是采用熱源将塗層材料在基體(tǐ)表面重新熔化或部分(fēn)熔化，并凝結于基體(tǐ)表面，形成與基體(tǐ)具有冶金結合的表面層的一(yī)種表面冶金強化方法，也稱爲熔結。相比于其他表面處理工(gōng)藝，熱噴焊所得的組織緻密，冶金缺陷很少，與基體(tǐ)結合強度高，但是所用材料的選擇範圍窄，基材的變形比熱噴塗大(dà)得多，熱噴焊層的成分(fēn)與原始成分(fēn)有一(yī)定差别等局限性。
（2）熱噴焊技術的分(fēn)類熱噴焊技術主要有火(huǒ)焰噴焊、等離(lí)子噴焊等。
①火(huǒ)焰噴焊：先在基體(tǐ)表面噴粉，再對塗層用火(huǒ)焰直接加熱，使塗層在基體(tǐ)表面重新熔化，基體(tǐ)的表面完全潤濕，界面有相互的元素擴散，形成牢固的冶金結合。
火(huǒ)焰噴焊特點：設備簡單；工(gōng)藝簡單；塗層與基體(tǐ)的結合強度高；塗層的耐沖蝕磨損性能好。
②等離(lí)子噴焊：以等離(lí)子弧作爲熱源加熱基體(tǐ)，使其表面形成熔池，同時将噴焊粉末材料送入等離(lí)子弧中(zhōng)，粉末在弧柱中(zhōng)得到預熱，呈熔化或半熔化狀态，被焰流噴射至熔池後，充分(fēn)熔化并排出氣體(tǐ)和熔渣，噴槍移開(kāi)後合金熔池凝固，最終形成噴焊層。
等離(lí)子噴焊的特點：生(shēng)産效率高；可噴焊難熔材料、稀釋率低、工(gōng)藝穩定性好、易實現自動化、噴焊層平整光滑、成分(fēn)及組織均勻，塗層厚度更大(dà)且試驗過程可精确控制。
（3）熱噴焊技術與熱噴塗技術的區别
①工(gōng)件表面溫度：噴塗時工(gōng)件表面溫度＜250℃；噴焊要＞900℃。
②結合狀态：噴塗層以機械結合爲主；噴焊層是冶金結合。
③粉末材料：噴焊用自熔性合金粉末，噴塗粉末不受限制。
④塗層結構：噴塗層有孔隙，噴焊層均勻緻密無孔隙。
⑤承載能力：噴焊層可承受沖擊載荷和較高的接觸應力。
⑥稀釋率：噴焊層的稀釋率約5%~10%，噴塗層的稀釋率幾乎爲零。
化學轉化膜技術
化學轉化膜技術就是通過化學或電(diàn)化學手段，使金屬表面形成穩定的化合物(wù)膜層的工(gōng)藝過程。
化學轉化膜技術，主要用于工(gōng)件的防腐和表面裝飾，也可用于提高工(gōng)件的耐磨性能等方面。它是利用某種金屬與某種特定的腐蝕液相接觸，在一(yī)定條件下(xià)兩者發生(shēng)化學反應，由于濃差極化作用和陰、陽極極化作用等，在金屬表面上形成一(yī)層附着力良好的、難溶的腐蝕生(shēng)成物(wù)膜層。這些膜層，能保護基體(tǐ)金屬不受水和其他腐蝕介質的影響，也能提高對有機塗膜的附着性和耐老化性。在生(shēng)産中(zhōng)，采用的轉化膜技術主要有和磷化處理和氧化處理。
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磷化處理
磷化是将鋼鐵材料放(fàng)入磷酸鹽的溶液中(zhōng)，獲得一(yī)層不溶于水的磷酸鹽膜的工(gōng)藝過程。
鋼鐵材料磷化處理工(gōng)藝過程如下(xià)：化學除油→熱水洗→冷水洗→磷化處理→冷水洗→磷化後處理→冷水洗→去(qù)離(lí)子水洗→幹燥。
磷化膜由磷酸鐵、磷化錳、磷酸鋅等組成，呈灰白(bái)或灰黑色的結晶。膜與基體(tǐ)金屬結合非常牢固，并具有較高的電(diàn)阻率。與氧化膜相比，磷化膜有較高的抗腐蝕性，特别是在大(dà)氣、油質和苯介質中(zhōng)均有很好耐腐蝕性，但在酸、堿、氨水、海水及水蒸氣中(zhōng)的耐腐蝕性較差。
磷化處理的主要方法爲浸漬法、噴淋法和浸噴組合法。根據溶液溫度不同，磷化又(yòu)分(fēn)爲室溫磷化、中(zhōng)溫磷化和高溫磷化。
浸漬法适用于高溫、中(zhōng)溫和低溫磷化工(gōng)藝，可處理任何形狀的工(gōng)件，并可獲得不同厚度的磷化膜，且設備簡單，質量穩定。厚磷化膜主要用于工(gōng)件的防腐處理和增強表面的減摩性。噴淋法适用于中(zhōng)溫和低溫磷化工(gōng)藝，可以處理面積大(dà)的工(gōng)件，如汽車(chē)殼體(tǐ)、電(diàn)冰箱、洗衣機等大(dà)型工(gōng)件作爲油漆底層和冷變形加工(gōng)等。這種方法處理時間短，成膜速度快，但隻能獲得較薄和中(zhōng)等厚度的磷化膜。
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氧化處理
（1）鋼鐵的氧化處理
鋼鐵的氧化處理也稱發藍(lán)，是将鋼鐵工(gōng)件放(fàng)入某些氧化性溶液中(zhōng)，使其表面形成厚度約爲0.5~1.5μm緻密而牢固的Fe3O4薄膜的工(gōng)藝方法。發藍(lán)通常不影響零件的精密度，常用于工(gōng)具、儀器的裝飾防護。它能提高工(gōng)件表面的抗腐蝕能力，有利于消除工(gōng)件的殘餘應力，減少變形，還能使表面光澤美觀。氧化處理以堿性法應用最多。
鋼鐵的氧化處理所用溶液成分(fēn)和工(gōng)藝條件，可根據工(gōng)件材料和性能要求确定。常用溶液由爲500g/L的氫氧化鈉、200g/L的亞硝酸鈉和餘量水組成，在溶液溫度爲140℃左右時處理6~9min。
（2）鋁及鋁合金的氧化處理
①陽極氧化法
陽極氧化法是将工(gōng)件置于電(diàn)解液中(zhōng)，然後通電(diàn)，得到硬度高、吸附力強的氧化膜的方法。常用的電(diàn)解液有濃度爲15％~20％的硫酸、3％~10％的鉻酸、2％~10%的草酸。陽極氧化膜可用熱水煮，使氧化膜變成含水氧化鋁，因體(tǐ)積膨脹而封閉。也可用重鉻酸鉀溶液處理而封閉，以阻止腐蝕性溶液通過氧化膜結晶間隙腐蝕基體(tǐ)。
②化學氧化法
化學氧化法是将工(gōng)件放(fàng)入弱堿或弱酸的溶液中(zhōng)，獲得與基體(tǐ)鋁結合牢固的氧化膜的方法。主要用于提高工(gōng)件的抗腐蝕性和耐磨性，也用于鋁及鋁合金的表面裝飾，如建築用的防鏽鋁，标牌的裝飾膜等。
氣相沉積技術
氣相沉積技術是指将含有沉積元素的氣相物(wù)質，通過物(wù)理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜的一(yī)種新型鍍膜技術。根據沉積過程的原理不同，氣相沉積技術可分(fēn)爲物(wù)理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）兩大(dà)類。
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物(wù)理氣相沉積
物(wù)理氣相沉積（PVD）是指在真空條件下(xià)，用物(wù)理的方法，使材料汽化成原子、分(fēn)子或電(diàn)離(lí)成離(lí)子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一(yī)層薄膜的技術。物(wù)理沉積技術主要包括真空蒸鍍、濺射鍍和離(lí)子鍍3種基本方法。
真空蒸鍍是蒸發成膜材料使其汽化或升華沉積到工(gōng)件表面形成薄膜的方法。根據蒸鍍材料熔點的不同，其加熱方式有電(diàn)阻加熱、電(diàn)子束加熱、激光加熱等多種。真空蒸鍍的特點是設備、工(gōng)藝及操作簡單，但因汽化粒子動能低，鍍層與基體(tǐ)結合力較弱，鍍層較疏松，因而耐沖擊、耐磨損性能不高。
濺射鍍是在真空下(xià)通過輝光放(fàng)電(diàn)來電(diàn)離(lí)氩氣，産生(shēng)的氩離(lí)子在電(diàn)場作用下(xià)加速轟擊陰極，被濺射下(xià)來的粒子沉積到工(gōng)件表面成膜的方法；其優點是氣化粒子動能大(dà)、适用材料廣泛（包括基體(tǐ)材料和鍍膜材料）、均鍍能力好，但沉積速度慢(màn)、設備昂貴。
離(lí)子鍍是在真空下(xià)利用氣體(tǐ)放(fàng)電(diàn)技術，将蒸發的原子部分(fēn)電(diàn)離(lí)成離(lí)子，與同時産生(shēng)的大(dà)量高能中(zhōng)性粒子一(yī)起沉積到工(gōng)件表面成膜的方法。其特點是鍍層質量高、附着力強、均鍍能力好、沉積速度快，但存在設備複雜(zá)、昂貴等缺點。
物(wù)理氣相沉積具有适用的基體(tǐ)材料和膜層材料廣泛；工(gōng)藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附着力強、膜層厚度均勻、緻密、針孔少等優點。已廣泛應用于機械、航空航天、電(diàn)子、光學和輕工(gōng)業等領域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導電(diàn)、絕緣、光學、磁性、壓電(diàn)、滑潤超導等薄膜。
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化學氣相沉積
化學氣相沉積（CVD）是指在一(yī)定溫度下(xià)，混合氣體(tǐ)與基體(tǐ)表面相互作用而在基體(tǐ)表面形成金屬或化合物(wù)薄膜的方法。
化學氣相沉積的特點是：沉積物(wù)種類多，可分(fēn)爲沉積金屬、半導體(tǐ)元素、碳化物(wù)、氮化物(wù)、硼化物(wù)等；并能在較大(dà)範圍内控制膜的組成及晶型；能均勻塗敷幾何形狀複雜(zá)的零件；沉積速度快，膜層緻密，與基體(tǐ)結合牢固；易于實現大(dà)批量生(shēng)産。
由于化學氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電(diàn)學、光學等特殊性能，已被廣泛應用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工(gōng)等工(gōng)業領域。