电器制造工艺学(厦门理工)(10)金属件的电镀和化学处理20131110

2013-11-141电器制造工艺学电器制造工艺学（十）金属件电镀及化学处理田新疆高级工程师厦门理工电气工程与自动化学院课程讲义2013年11月一、金属件表面处理概述学习目标二、常用镀层的作用与分类三、金属镀层和化学防护层的选择四、金属镀层的镀前表面准备五、常用电镀工艺六、常用化学处理工艺七、覆层质量检测一、金属件电镀及化学处理概述腐蚀是因为金属材料在使用中与周围介质接触，引起化学或电化学作用而发生的。腐蚀会导致电器产品动作不灵和工作特性变坏。例如铜触头氧化引起触头严重过热以致熔焊等。金属零件腐蚀也将损害产品外观，而钢铁零件的腐蚀比较严重。表面处理是利用现代物理化学、金属学和热处理等学科的边缘性新技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法。1、表面处理的定义2、金属腐蚀及其分类金属腐蚀是由于氧化剂的氧化作用、使金属变成金属化合物的过程。1）根据金属腐蚀后的外观分：（1）均匀性腐蚀：腐蚀沿材料表面均匀地进行，腐蚀产物覆盖整个金属零件表面，从外观看金属表面都一样。（2）不均匀腐蚀：腐蚀可以发生在金属的任何部位。不均匀腐蚀又分为局部腐蚀和选择性腐蚀。①局部腐蚀：局部腐蚀有斑状、点状和晶间腐蚀。点状腐蚀较斑状腐蚀的面积小而侵入金属基体较深。精简腐蚀是沿金属材料的晶界深处发展，在金属零件表面看不出的腐蚀现象。②选择性腐蚀：选择性腐蚀一般产生在黄铜脱锌时，表面产生裂纹。沿金属材料的晶界的局部腐蚀2）根据产生腐蚀的条件分：（1）非电解液腐蚀（2）气体腐蚀（3）土壤腐蚀（4）海水腐蚀（5）电解液腐蚀3）根据腐蚀作用的机理分：（1）化学腐蚀：金属与介质发生化学作用而产生的腐蚀称化学腐蚀。其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。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。（2）电化学腐蚀：相互接触的不同金属，在电解液中会发生腐蚀。其特点是金属与周围介质作用的过程中，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，电极电位较低的金属容易失去电子，成为阳极而被腐蚀。电极电位差越大，电位低的金属就越易被腐蚀。例如，锌比铁的电位低，则锌与铁接触时锌的腐蚀较铁剧烈。即使同一块金属，由于内部含有杂质或组织不均匀，也将出现多极微电池组，其电位较低的阳极会被损坏。金属腐蚀与介质的温度、湿度、凝露和大气污染等综合因素有关。电器的金属零件表面采用化学、电化学或机械方法的被覆处理以保护基体金属免遭腐蚀。表面被覆层按其形成方法可以分为电镀（又称电解沉积层）、氧化、磷化、金属喷镀、涂层等方法。在电器中用得最多的是电镀和喷漆。3、电器的表面处理方法二、常用镀层的作用与分类按照镀层和化学处理层的作用，可以作为防蚀层、装饰外观、磨损、电性能、工艺要求等作用。1）防腐蚀主要作用是保护基体金属在使用条件下免受腐蚀。常用的处理方法：锌镀层、镍镀层等。在500℃以下使用镍镉扩散层等。2）装饰外观除了保护基体金属外，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。常用的处理方法：铜镍铬镀层、青铜铬镀层，铝及铝合金阳极氧化着色等。1、常用覆层的作用3）抗磨损提高金属表面硬度或使用具有低摩擦系数的减磨镀层以提高抗磨损能力。常用的处理方法：铬镀层、松孔铬层，化学镀镍层、铝及铝合金硬质阳极化层、铅铟合金镀层等。4）电性能提高导电或绝缘性能的镀层和化学防护层。常用的处理方法：银镀层、金镀层提高导电性能，钢铁磷化、铝及铝合金硬质阳极化等。5）工艺要求利用镀层或化学处理防护层满足零件加工工艺要求。常用的处理方法：便于零件钎焊的镍镀层、锡镀层和铜镀层等，提高粘结能力的钢铁镀黄铜、铝及铝合金磷酸阳极化层等。6）特殊处理属于一般的特殊要求保护的目的。常用的处理方法：氧气系统的镀锡层防护层等。2、常用覆层的分类1）根据电化学性质分：（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。此镀层的完整性破坏之后，仍可以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。阴极性镀层只能够机械地保护机体金属不被腐蚀，当镀层的完整性较差或破坏之后，将加速基体金属腐蚀。2）根据所使用的工艺方法分：（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。以镀镍为例：将金属制件浸在金属盐(NiSO4)的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳极，接通直流电源后在制件上就会沉积出金属镀镍层。电镀有槽镀(普通电镀)和特种电镀等。②在阳极上的反应为：Ni－2e→Ni2+(阴极溶解)4OH－－4e→2H2O+O2↑2Ni＋3[O]→Ni2O32Cl-’－2e→Cl2↑①在阴极上的反应为：Ni2++2e→Ni(形成镀层)2H++2e→H2↑（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，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金属的自身氧化的膜层（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金属零件表面沉积的金属及合金。例如，真空镀铬、离子镀铝、真空沉积多元合金、阴极溅射氮化钛等。（6）喷涂法：一般用金属丝材或粉末，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。将金属粉末、无机盐与水按比例配成料浆喷涂在零件表面，再加热固化也可形成类似涂层。例如，无机盐铝涂层、无机盐锌涂层等。静电喷涂用静电喷枪使油漆雾化并带上正电荷，与接地工件间形成高压静电场，静电引力使漆膜沉积在工件表面形成均匀漆膜。等离子喷涂是采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子热喷涂高压无气喷涂利用低压(0.4～0.6MPa)压缩空气带动高压泵，将涂料加压到10～20MPa的压力，经高压喷枪的特殊喷嘴喷出形成涂层。高压无气喷涂的特点是：没有一般压缩空气喷涂时的涂料微粒回溅及漆雾飞扬现象；生产率高，比压缩空气喷涂提高几倍至几十倍。（7）热浸法：这是零件浸入熔融的金属中，取出后再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。三、金属镀层和化学防护层的选择1、覆层的选择的原则1）选择镀层必须考虑的因素（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。2）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。钢铁零件在进行防护处理时，要注意防止氢脆问题。钢铁材料在大气中常温下常采用镀锌、镀双层镍层、镀乳白铬；在油中选用氧化（发蓝）。油漆底层采用磷化；耐磨选用硬铬、松孔铬、化学镀镍；减摩选择硬铬、镀铅锡合金、镀铅铟合金、镀银；导电采用镀银、镀铜、镀金；绝缘采用磷化；便于橡胶粘结采用镀黄铜；反射热采用镀金；防粘结采用镀铜、镀银、磷化；便于钎焊选用镀银、镀锡、镀铜、镀镍、镀铅锡合金。3）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0.01～0.02μm）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。电器上用铝及铝合金的防腐蚀工艺，基本有三种：即硫酸阳极化、铬酸阳极化和化学氧化。4）铜及铜合金材料防护层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。常温大气中选用镀锌、镀铬；油中采用钝化；装饰采用镀镍、镀镍铬；减缓接触腐蚀采用镀锌；减摩擦采用镀铅、镀氢锡合金；耐磨采用镀硬铬、化学镀镍；导电采用镀银、镀金；消光采用黑色氧化、镀黑镍、镀黑铬；便于钎焊采用镀锡、镀银、镀铅锡合金；插拔耐磨采用镀银加镀硬金、镀镍加镀硬金、镀银加镀钯、镀铑。2、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，热带海洋条件例外）。（3）2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的接触腐蚀等级比如，铜与铝的接触腐蚀等级为2级，铜镀锡与铝的接触腐蚀等级为0～1级。3）接触腐蚀等级（1）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。（2）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。四、金属镀层的镀前表面准备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金属的结合力。如果镀前的表面准备作得不好，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。镀前表面的清理质量，取决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。1、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。常用的机械准备方法有：磨光、抛光、滚光、刷光、喷砂等。1）磨光磨光指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的过程。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、锈斑、毛刺、划痕、砂眼等。经磨光后表面上还留有条痕，所以，磨光经常作为抛光工序前的粗加工。2）抛光抛光用于镀前的表面准备或镀后的精饰加工。抛光的目的在于消除零件表面的细微不平，使其获得反光性良好的、具有镜面般光泽的表面。目前广泛采用机械抛光法，即将需要加工的表面放在涂有抛光膏的布轮或软毡轮上进行磨削。3）滚光滚光是将小零件与磨料和滚光液放入滚筒，滚筒的旋转使零件与零件、零件与磨料相互摩擦，加上滚光液的化学作用，除去零件表面油污、锈斑和细小毛刺，使金属表面获得光泽。滚光既可作预处理，也可用于镀后的镀层光泽处理，特别适用于大批量生产的小零件。4）刷光刷光是使用金属丝、动物毛、天然或人造纤维制成的刷轮对零件表面加工的过程。可以干刷，也可以湿刷。其主要用途有表面清理、去毛刺、丝纹刷光、修饰等。5）胀光胀光是在常温下将直径稍大于孔径的钢球或其他形状的胀光工具挤过工件已加工的内孔，以获得准确，光洁和强化的表面。6）喷丸喷丸指用压缩空气将磨料强力撞击零件，对其表面