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它的特点是金属与干燥的气体(如氧气、二氧化硫,二氧化碳,硫化氢,氯气等)相接触,在金属表面发生氧化还原反应(不产生电流),生成相应的化合物(如氧化物、硫化物)。
因此,这种化学腐蚀多发生在干燥的气体或不导电的液体中。
氧化是最常见的化学腐蚀,它在常温下所形成的氧化膜通过扩散逐渐加厚,但如果金属表面能形成致密的氧化膜,还具有一定的保护作用。
例如,铝在表面形成氧化膜就具有这种性质。
化学腐蚀速度与温度有很大的关系。
一般来说,温度越高,腐蚀速度越快,生成的氧化膜越厚。
在研究电器时,特别重视各种导电材料在不同介质中形成化学膜的条件,以及形成膜所具有的电气绝缘性质。
在一般情况下,单纯的化学腐蚀是少见的,而更常见的是电化学腐蚀。
二:
电化学腐蚀
相互接触的不同金属,在电解液中会发生腐蚀。
它的特点是金属与周围介质作用过程中,使金属由不带电的原子状态变成离子状态,产生有电流的氧化还原反应。
能导电的液体叫电解液,酸、碱和盐的水溶液都是电解液。
两种金属相接触时,其中电极电位较低的金属容易失去电子,成为阳极而被腐蚀。
由于金属的化学物理性质不同,电极电位也不相同(见表2-35)。
金属的电极电位可以说明金属在电解液中腐蚀的能力,例如锌比铁的电位低,铁比铜的电位低,因此锌与铁组合,则锌的腐蚀较铁剧烈。
这就说明,电极电位差越大,电位低的金属就会腐蚀的愈剧烈。
按照电极电位大小顺序排列起来,称为电化序。
各种金属的电极电位是与标准氢电极比较而得的,比氢的电极电位低的金属称为负电性金属,而比氢的电极电位高的金属称为正电性金属。
不仅是两块不同金属在电解液中接触会发生腐蚀,即使是一块金属,因为内部都会含有杂质或组织不均匀,也将会出现多极微电池组,其结果是电位较低的阳极被损坏。
在钢制零件中,由于有碳化铁、锰、硫、磷、硅等杂质,使铁成为阳极而逐渐被腐蚀。
普通型电器零件,绝大部分暴露在大气中,大气对金属零件的腐蚀应特别引起重视。
洁净的大气,腐蚀因素主要是氧,而且氧的腐蚀作用随着水分的凝聚而加速。
在工业城市中的大气,由于受到严重的污染(大气中含有有害气体,如CO2、SO2、H2S、灰尘等),有害气体溶于水后,变成电解液,致使金属腐蚀。
在大气中,金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更严重,在大多数情况下是两种腐蚀同时进行。
在干燥的大气中,有害气体对金属的腐蚀几乎不起作用。
但是,当空气中的温度和湿度比较高时,腐蚀速度就显著上升。
使金属腐蚀速度显著升高的最低的相对湿度值,称为临界湿度。
普通金属的临界湿度一般为60%-70%,例如铁是55%,铝是65%,锌是70%。
相对湿度超过临界湿度越大,金属的腐蚀速度也越快。
所以,潮湿是影响金属腐蚀的重要因素。
灰尘也是影响金属腐蚀的因素之一,它能吸附水分,使部分可溶性杂质溶于水中变成电解液,并使灰尘本身与金属间形成腐蚀微电池,因而导致金属的腐蚀。
工业大气中含有相当数量的二氧化硫,它的溶解度比氧大1300倍,使由大气水汽形成的电解液中二氧化硫的浓度可以变得很大,因而大大加速了金属腐蚀的阴极过程。
温度也是影响金属腐蚀的重要因素。
热带地区主要特点是温度高,湿度大,而且温湿度交变幅度大,凝露次数多,这些都是金属腐蚀的主要因素。
反之,若温度虽高,温差也大,而相对湿度很小,如我国新疆的吐鲁番盆地,是干热地区,腐蚀情况并不严重。
上海是亚热带工业城市,金属腐蚀情况就比较严重。
如果工业大气中含有SO2和H2S的量很高,降尘量很大,但相对湿度很低时,则对金属的腐蚀并不严重。
由此可见,SO2对金属的腐蚀,在干燥条件下作用很小,但在潮湿大气作用下,SO2的腐蚀作用就表现得十分突出了。
综上所述,金属的腐蚀是与介质的温度、湿度、凝露和大气污染等综合因素有关。
为了防止金属的腐蚀,电器的各种金属零件的表面都要采用被覆处理。
表面被覆处理就是用化学、电化学或机械的方法,在金属零件表面镀覆或涂覆一层另一种金属层、氧化物层或漆层,以保护基体金属免遭腐蚀。
表面被覆层按其形成的方法不同可以分为:
电镀(又称电解沉积层),氧化磷化,金属喷镀,涂层等方法。
在电器制造中应用最多的是电镀和喷漆。
第二节常用镀层的作用和分类
一:
常用镀层的作用
按照镀层和化学处理防护层的作用,可以作为防腐蚀、装饰外观、磨损、电性能、工艺要求及其他要求。
列于表11—1中。
表11——1镀层作用及常用处理方法
镀层作用特性
概要
常用处理方法
防腐蚀
主要作用是防止零件在使用条件下保护基体金属免受腐蚀。
锌镀层、镉镀层等。
在500C以下使用如镍——镉扩散层等。
装饰外观
除保护基体金属外,还能提供光亮。
黑色装饰或特殊颜色以便识别标志的镀层和化学防护层。
铜—镍—铬镀层,青铜—铬镀层,铝及铝合金阳极化着色等。
抗磨损
为防止零件工作时受到磨损,一种方法是提高表面硬度,另一方法是使用具有低摩擦系数的减磨镀层
铬镀层、松孔铬层。
化学镀镍层、铝及铝合金硬质阳极化层、铅—铟合金镀层。
电性能
根据零件工作要求,提供导电或绝缘性能的镀层和化学处理防护层。
提高导电:
银镀层、金镀层。
具有高电阻绝缘:
钢铁磷化、铝硬质阳极化。
工艺要求
利用镀层和化学处理防护层特性满足零件加工工艺的要求。
便于零件钎焊:
镍镀层、锡镀层、铜镀层。
提高粘结能力:
钢铁镀黄铜、铝合金磷酸阳极化等。
特殊要求
属于一般的特殊要求保护目的。
氧气系统的镀锡层防护层。
常用镀层分类
金属镀层和化学处理防护层可按电化学性质和工艺方法的不同来分类。
(一):
按电化学性质分类:
电镀层可分为两类,即阳极性镀层和阴极性镀层,但是不能测量电位的电镀层除外。
(1)阳极性镀层在一定的介质中,镀层金属的电极电位比基体金属的电极电位负时,此镀层称为阳极性镀层。
此类镀层的完整性破坏之后,仍可借电化学作用继续保护基体金属免遭腐蚀。
(2)阴极性镀层在一定的介质中,镀层金属的电极电位比基体金属的电极电位正时,此镀层称为阴极性镀层。
阴极性镀层只能机械地保护基体金属不被腐蚀,当镀层完整性较差或破坏之后,将加速基体金属腐蚀。
(二):
根据当前电镀和化学处理所使用的工艺方法分类:
(1)电镀及复合电镀这是一种用直流或脉冲电流电解的方式,在金属或非金属表面上沉积一层另一种金属或合金镀层,或沉积金属与金属氧化物,或沉积金属与非金属的复合镀层(也称弥散镀层)。
例如,镀锌、镀铬、镀铅锡合金、镀铜锡合金、镀镍—二氧化硅复合镀层等。
(2)化学镀法这是利用溶液中的还原剂使金属离子在零件表面沉积成金属层,或沉积成金属与金属氧化物层,或沉积成金属与非金属层。
例如,化学镀铜、化学镀镍、化学镀镍—硼、化学镀镍—碳化硅、化学镀镍——聚四氟乙烯等。
(3)阳极化法这是用直流电、交直流电等的电解方式,在零件表面形成自身氧化膜层。
例如,铝及铝合金阳极化、锌及锌合金阳极化等。
(4)化学转化法这是用化学方法在零件表面获得的金属自身氧化的膜层(也称转化膜层)例如,铝及铝合金化学氧化、钢铁磷化、钢铁氧化(发蓝)等。
(5)物理沉积法包括真空蒸发、真空电子束物理蒸汽沉积、离子镀、阴极溅射等物理方法在零件表面沉积的金属、合金。
例如,真空镀镉、离子镀铝、真空沉积多元合金、阴极溅射氮化钛等。
(6)喷镀法一般是用金属丝材或金属粉末,通过加热融化喷涂在金属零件上形成涂层。
例如喷铝、喷锌等。
近年来发展较快的用无机盐作粘结剂的金属涂层是将金属粉末、无机盐与水按比例配成料浆,将料浆喷涂在零件表面,然后在一定的温度下加热固化,在金属零件表面形成涂层方法。
例如,无机盐铝涂层、无机盐锌涂层等。
(7)热浸法这是将零件浸入熔融的金属中,取出后在零件表面粘附的一层金属层。
例如,热浸锡等。
(8)渗金属法通过高温扩散,将一种或多种元素渗入金属表层。
它通常用作高温防护层。
例如,渗铝等。
一、镀层选择原则
根据产品的使用特点、寿命、环境、以及防护层与防护工艺的特性,选择合适的防护层,可有效的控制金属材料的腐蚀。
然而,如果所选择的防护层或防护工艺不等,不仅不能有效地控制材料的腐蚀,还可能加速金属材料的腐蚀。
(一)选择镀层必需考虑的因素
1)零件的材料、热处理的状态、结构、配合公差、加工方法、表面粗糙度和形位公差。
2)零件的储存和使用条件。
3)镀层与接触件相互接触电化偶。
4)镀层的特性和应用范围。
5)镀层的使用目的和要求。
6)带有螺纹连接、压合、搭接、铆接、点焊、单面焊等组件,因存在缝隙,原则
上不允许在溶液中镀覆。
(二)钢铁材料防护层选择原则
碳钢、合金结构钢、铸铁、铸钢等钢铁材料及含铬18%以下的不锈钢,本身抗蚀能力不高,在大气及海水中容易腐蚀,使用时,除在液压油中工作外,一般都应施加防护层。
含铬18%以上的不锈钢除有特殊要求外,一般不施加防护层,但为了提高其抗蚀能力,尤其是抗点蚀能力,需要进行钝化处理。
这里要特别指出,钢铁零件在进行防护处理时,要十分注意防止产生氢脆危险。
根据防护目的,碳钢、合金结构钢、铸铁、铸钢防护层的选择列于表11—2中。
表11—2钢铁材料防护层选择
防护目的
防护层
大气中常温
镀锌、镀镉、双层镍层、镀乳白铬
大气中500C以下
镀镍、镀乳白铬、镀黄铜、镍—镉扩散镀层
油中
氧化(发蓝)
60C以上水中
镀镉
海水和海雾
镀镉、镀锌
防护装饰
铜—镍—铬、青铜—铬、镍—铬、铜—镍—镍封—铬
油漆底层
磷化
耐磨
硬铬、松孔铬、化学镀镍
减摩
硬铬、镀铅锡合金、镀铅铟合金、镀银
导电
镀银、镀铜、镀金
绝缘
磷化
便于橡胶粘结
镀黄铜
反射热
镀金
防粘结
镀铜、镀银、磷化
便于钎焊
镀银、镀锡、镀铜、镀镍、镀铅锡合金
黑色装饰
镀黑铬、镀黑镍、氧化、黑色磷化
(1)锌、镉镀层保护特性对比:
锌、镉镀层作为钢的大气保护层,广泛用于各种电器产品,它们对钢的保护能力随使用环境而异。
表11—3、表11—4、表11—5列出了这两种镀层的特点和耐蚀性。
由此可知,在工业大气条件,镉镀层的耐蚀性比锌镀层差,但是在潮湿大气或海洋大气以及湿度高于60C的水中,镉镀层的耐蚀性比锌镀层高。
目前国内外电器产品仍选用镉镀层,其原因是:
1)镀镉钢的氢脆性比镀锌小,而且镀隔对钢的疲劳性能影响也小;
2)在潮湿和海洋大气条件下,镉镀层耐蚀性比锌镀层高,更适合电器产品在潮湿热带和沿海地区使用环境;
3)镉镀层腐蚀以后,腐蚀产物致密,体积比锌镀层小,这对保证电器产品使用性能更为有利;
4)镉镀层比锌镀层软,更适用紧固件的防护;
5)镉镀层具有较低的接触电阻。
表11—3锌、镉镀层特性
项目
特性
锌镀层
镉镀层
对钢的保护能力
海洋大气
差
好
工业大气
良
农村大气
水中(>
60C)
海水
装饰性外观
一般
允许使用温度(C)
<
250
230
牺牲保护层
硬度
中等
软
电镀过程氢脆性
大
小
毒性
中
毒
表11—4锌、镉镀层在露天大气下的腐蚀速度(m/年)
环境
中国
美、英
俄(前苏联)
Zn
Cd
干燥农村大气
0.53~0.6
0.55~0.67
0.5
----
潮湿农村大气
0.4
0.5~1
0.45~1.2
潮湿半工业大气
1~1.5
1.5~2.5
2~2.5
2.5~3
1.5~4
15~30
2~6
5.8~13.5
0.1~1
6.3~8
0.46~0.5
3.9~4.6
4~20
1.8~15
1~3
1.0
2.5
海南岛三亚青岛北方沿海南方沿海
表11—5锌、镉镀层在我国南方的腐蚀速度(m/年)
镀层类别
基体
上海杨树浦
海南岛榆林
广州电器研究所
室外
室内
Zn
钢
3.2
0.52
0.66
0.013
0.052
5.2
0.94
0.21
0.62
由于镀镉工艺过程毒性大,废水不好处理,有逐步被锌镀层和合金镀层所取代的趋势。
(2)耐磨防护层硬铬层、松孔铬层、化学镀镍层、复合镀(弥散镀)层,都具有高的硬度,均可作为钢铁零件的耐磨防护层。
它们的特点和应用范围列于表11—6。
表11—6钢铁零件耐磨镀层特点和应用范围
硬铬
化学镀镍
松孔铬
复合镀层
硬度(HV)
(kg/mm2)
700~1000
250~1000
依所选用的复合层类别而异
允许使用温度
370C
高
摩擦系数
低
对基本金属保护作用
对基体金属疲劳性能的影响
应用范围
要求耐磨而形状简单的零件
要求耐磨而形状复杂的零件或要求耐磨及耐蚀性能良好的零件
高温和有油润滑的条件下耐磨的零件
中温、高温条件下的耐磨零件
(3)减摩防护镀层铅锡合金与铅铟合金镀层一样,具有减摩作用,同时也能够防止润滑油氧化产物对钢铁零件的腐蚀。
由于电镀铅锡合金的工艺简便,成本比较低,所以铅铟合金镀层逐渐被铅锡合金镀层所取代。
表11-7列出了减摩镀层选项原则。
表11-7减摩镀层选择原则
减摩条件
选用镀层类别
工作温度低于120C
铅锡合金镀层
工作温度高压120C
银镀层
高速减摩和长时间工作
(三)铝及铝合金材料防护层选择原则
铝及铝合金在大气中虽能自然形成一层氧化膜,但膜薄(厚度约为0.01~0.02m)而疏松多孔,不均匀也不连续膜层、抗蚀能力差,且容易沾染污迹。
在电器产品使用条件下,如果不采取防护措施,仍然会发生腐蚀。
表11-8列出了用于不同目的的铝及铝合金的防护方法。
表11-8铝及铝合金防护方法
防护目的
选用防护层类别
耐蚀
大气
硫酸阳极化(热水封闭或铬酸盐封闭)
化学氧化、铬酸阳极化、硫酸阳极化(封闭)
装饰
瓷质阳极化、缎面阳极化
减少对基体疲劳性能影响
铬酸阳极化、化学氧化
识别标记
硫酸阳极化后着色
硬质阳极化、镀硬铬、化学镀镍
草酸阳极化、硬质阳极化
胶接
磷酸阳极化、铬酸阳极化
便于焊接
化学镀镍、镀锡、镀银、镀铜
导电化学氧化、镀银、镀铜
电器上用铝及铝合金的防腐蚀工艺,基上有三种:
即硫酸阳极化、铬酸阳极化和化学氧化。
这三种工艺特性各不相同见表11-9。
表11-9铝及铝合金防护工艺特性
项目
硫酸阳极化
铬酸阳极化
化学氧化
耐腐蚀能力
对基体材料性能的影响
很小
与油漆的结合力
着色能力
不能着色
(四)铜及铜合金材料防护层的选择原则
铜及铜合金是耐蚀性较好的材料之一,一般条件下,铜及铜合金的防护层选择与钢铁零件相近似,其防护层的选择见表11-10。
表11-10铜及铜合金材料防护层选择
常温大气
镀锌、镀镉、镀铬
钝化
良好密封条件
钝化、镀锌、镀镉
镀镍、镀镍-铬
减缓接触腐蚀
镀铅、镀铅锡合金、镀铅铟合金
镀硬铬、化学镀镍
镀银、镀金
消光
黑色氧化、镀黑镍、镀黑铬
镀锡、镀银、镀铅锡合金
插拔耐磨
镀银+镀硬金、镀镍+镀硬金、镀银+镀钯、镀铑
接触偶的选择
(1)接触腐蚀等级
1)0级—不引起接触腐蚀(可安全地使用)
2)1级—引起接触腐蚀,但影响不严重(在大多数的场合下可以使用,热带海洋条件下例外)。
3)级—引起严重的接触腐蚀(在人工气候调节的干燥室内或设备密封良好的条件下可以使用)。
(2)不同材料和防护层相互接触时,其接触腐蚀等级见表11-11。
(3)凡属于1级的接触偶,如在活动零件的接触部分涂油,或在不活动零件的接触部分涂油漆,可提高其使用的安全性。
(4)凡属于2级的接触偶,如不能避免采用时,必须用绝缘垫将金属隔开,如果需要导电时,则应另选一种与这两种材料接触腐蚀都较轻微的金属作为镀层或作为中间垫片。
零件镀前的表面准备是整个电镀过程的重要环节.表面准备的好坏,会直接影响到镀层质量.例如,基体金属上如有孔眼﹑裂纹或划伤,会使镀层的耐蚀性降低;
零件表面上的油膜和锈蚀如果没有清理干净,则会影响镀层的均匀沉积和镀层与基体金属的结合力.如果镀前的表面准备作的不好,会引起镀层起泡﹑暴皮等缺陷.有时,这些缺陷要在以后的使用中才表现出来,使镀层失去应有的作用,可能造成更大的损失.因此,为获得优质镀层,首先要确保镀前表面的清理质量,而镀前表面的清理质量,则决定于清理方法的适当选择﹑清理工序的合理安排以及各个工序规范的正确制定.
机械法准备
机械法准备的目的在于提高零件表面的光洁度;
去除表面上的粗糙不平﹑毛刺﹑划痕﹑氧化皮和腐蚀产物,并使金属表面获得光泽.
电镀车间常用机械准备方法有:
磨光﹑抛光﹑滚光﹑刷光﹑喷砂……等.
磨光
磨光就是利用旋转的磨轮上金刚砂细粒的尖锐棱角来切削零件表面过程.磨光可以提高零件的平整度和光洁度,去除零件表面的各种宏观缺陷﹑氧化皮﹑锈﹑毛刺﹑划痕﹑砂眼等.经磨光后表面上还留有条痕,所以,磨光经常是作为抛光工序前的粗加工之用.
1﹑磨光轮的制作磨光轮是用单片的棉布﹑毛毡﹑特种纸﹑呢绒或皮革等材料制成圆盘,两面包以同样大小的皮革,紧密缝合或压粘在一起.在轮的中心打一个圆孔,然后用粘合剂(牛皮胶﹑骨胶或水玻璃)把金刚砂细粒粘在轮子周缘的表面上即成.
磨光轮可以自制﹑也可以外购,粘合金刚砂的方法如下:
a﹑将制好的磨光轮安于磨光-抛光机上,用砂轮刮圆待用.
b﹑将牛皮胶或骨胶碾碎,用适量水浸泡6~12小时使其溶胀,用水浴加温至60~70°
C持续4小时熬至浓粘.温度不超过80°
C,以防长时间加热,使胶分解,失去粘结能力。
胶于水的比例参考表11-12.
表11-12不同磨料粒度下胶与水的比例
金刚砂粒度
胶水浓度(重量%)
胶
水
100~200
33
67
140~170
30
70
200~230
25
75
270
23
77
c﹑将胶水均匀地涂刷在上述轮子上,然后放到盛有所需粒度的金刚砂粉的平盘中,用力滚动数转,使金刚砂与胶紧密结合,放平,在室温下干燥16~24小时,或在35~40°
C干燥8~12小时.
轮子表面要先后粘滚上2~3层金刚砂粉,每层粘滚后必须进行干燥.
d﹑将制好的磨轮安装在磨光-抛光机上,并用废圆杆铁棒打磨砂粒的锐角.
e﹑用旧了的磨光轮上,金刚砂脱落后,应将旧轮上残余的金刚砂和胶层全部刮除掉,然后重新粘砂.
2﹑磨光操作电镀前磨光常采用120~260#磨料.磨光操作常采用分步磨光法.磨光分粗磨﹑细磨两个步骤.粗磨时用粘有120~160#金刚砂粉的磨轮;
而细磨时常用粘有180~260#金刚砂粉的磨轮.
磨轮的圆周速度见表11-13所示数值.
表11-13磨光不同金属材料最适宜的圆周速度
材料种类
圆周速度(米/秒)
钢铁﹑镍﹑铬
18~30
铜及铜合金﹑银
14~18
锌﹑锡﹑铅﹑铝及其合金
10~14
安排磨光工序时,应考虑以下情况:
a﹑精密零件以及尺寸控制严格的零件,严禁磨光.
b﹑表面粗糙度已达Ra0.80以下者,可以不进行磨光.
c﹑表面粗糙度具备Ra1.60者,可以直接进行细磨.
进行磨光操作时,要改变每次磨削的方向,使后次与前次的磨纹相交成45°
角.
(二)抛光
抛光一般用于镀前的表面准备,或用于镀后的精饰加工.抛光的目的在于消除零件表面的细微不平,并使获得反光性良好的﹑具有镜面般光泽的表面.目前广泛采用的是机械抛光法,就是将需要加工的表面放在涂有抛光膏的旋转的布轮或软毡轮上进行磨削.
抛光表面的光泽主要靠与布轮的摩擦而得.布愈细,轮愈软,则抛的越光亮.
1﹑抛光膏抛光膏是由磨料﹑附加剂﹑润湿剂等配置而成.常用抛光膏有白色抛光膏﹑绿色抛光膏和红色抛光膏三种.各种抛光膏的组成和选择见表11—14﹑表11—15﹑表11—16﹑表11—17.
表11—14白色抛光膏的组成
配方成分(重量%)
1
2
3
硬脂酸
15.23
13.28
12.2
石腊
6.46
4.01
4.7
动物油
1.87
植物油
3.35
硬化油
1.95
2.4
米糠
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