电化学原理在金属表面处理中的应用

电化学原理在金属表面处理中的应用车辆工程02班20132540张博轩一、金属表面处理的应用金属的表面处理有两个方面，一方面是表面防护，是为防止将金属腐蚀而采用各种防护方法，常用的表面防护方法有表面涂层和表面转化膜工艺。另一方面是金属的表面改性，也称表面优化，改变材料表面以及近表面的组分、结构与性质，从而获得传统冶金和表面层处理技术无法得到的心薄层材料，或者使传统材料具有更好的性能。二、电镀的原理电镀时，镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、光滑性、耐热性和表面美观。电镀需要一个向电镀槽供电的低压大电流电源以及由电镀液、待镀零件(阴极)和阳极构成的电解装置。其中电镀液成分视镀层不同而不同，但均含有提供金属离子的主盐，能络合主盐中金属离子形成络合物的络合剂，用于稳定溶液酸碱度的缓冲剂，阳极活化剂和特殊添加物(如光亮剂、晶粒细化剂、整平剂、润湿剂、应力消除剂和抑雾剂等)。电镀过程是镀液中的金属离子在外电场的作用下，经电极反应还原成金属原子，并在阴极上进行金属沉积的过程。因此，这是一个包括液相传质、电化学反应和电结晶等步骤的金属电沉积过程。在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极，用镀覆金属制成阳极，两极分别与直流电源的负极和正极联接。电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后，电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上形成镀层。阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金属离子的浓度。在有些情况下，如镀铬，是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极，它只起传递电子、导通电流的作用。电解液中的铬离子浓度，需依靠定期地向镀液中加入铬化合物来维持。电镀时，阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制。首先电镀液有六个要素：主盐、附加盐、络合剂、缓冲剂、阳极活化剂和添加剂。电镀原理包含四个方面：电镀液、电镀反应、电极与反应原理、金属的电沉积过程。三、电抛光电抛光是利用电化学作用，使金属零件表面平整而有光泽的工艺。电抛光也称电化学抛光或电解抛光。为金属表面精加工的一种方法。它是以悬挂在电解槽中的金属制品为阳极，于特定条件下电解，通过阳极金属的溶解，以消除制品表面的细微不平，使之具有镜面般光泽外观的过程。常用这种方法提高铝及其合金、碳钢、不锈钢以及其他有色金属表面的光洁度，来满足某些部件工作条件中的需要（例如需要降低表面的摩擦系数、要求精密的公差配合等）和改善金属制品的装饰性外观。电抛光还可以除去金属表面上的某些机械损伤。与机械抛光相比，电抛光加工后的表面无应力产生。但是，过于粗糙的表面，不宜于直接进行电抛光。电抛光时,电流在作为阳极的金属制品表面流过,将会在表面上形成氧化膜、盐膜或氧的吸附层等，使阳极的金属溶解速率急剧下降，即处于钝化状态。但这种钝化膜层又有可能在电解液中溶解，而使阳极重新活化。在某一电流密度下，金属钝化与金属溶解在交替地进行着。金属表面上凸起部分钝化的稳定性低于凹陷部分，溶解速率较高。于是凹陷部分受到保护，而凸起部分优先溶解，遂对金属制品表面起到了整平与出光的作用。不过电抛光理论仍然是不够成熟的。电抛光用的阴极只起传递电流的作用。对阴极材料的主要要求是它们在电解液中的化学稳定性好，使用寿命长和导电能力强。常用铅、铜、不锈钢等作阴极。四、电解加工基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法，称为电解加工其加工系统如图所示。但为了能实现尺寸、形状加工，还必须具备下列特定工艺条件：（1）工件阳极和工具阴极（大多为成型工具阴极）间保持很小的间隙（称作加工间隙），一般在0.1-1mm范围内。（2）电解液从加工间隙中不断高速（6-30m/s）流过，以保证带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。（3）工件阳极和工具阴极分别和直流电源（一般为10-24V）连接，在上述两项工艺条件下，则通过两极加工间隙的电流密度很高，高达10-100A/cm2数量级。(4)工件上与工具阴极凸起部位的对应处比其他部位溶解更快。随着工具阴极不断缓慢地向工件进给，工件不断地按工具端部的型面溶解，电解产物不断被高速流动的电解液带走，最终工具的形成状就“复制”在工件上。五、阳极氧化阳极氧化（anodicoxidation）：金属或合金的电化学氧化。铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下，由于外加电流的作用下，在铝制品（阳极）上形成一层氧化膜的过程。阳极氧化如果没有特别指明，通常是指硫酸阳极氧化。为了克服铝合金表面硬度、耐磨损性等方面的缺陷，扩大应用范围，延长使用寿命，表面处理技术成为铝合金使用中不可缺少的一环，而阳极氧化技术是目前应用最广且最成功的。所谓铝的阳极氧化是一种电解氧化过程，在该过程中，铝和铝合金的表面通常转化为一层氧化膜，这层氧化膜具有保护性、装饰性以及一些其他的功能特性。从这个定义出发的铝的阳极氧化，只包括生成阳极氧化膜这一部分工艺过程。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。例如铝阳极氧化，将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化，表面上形成氧化铝薄层，其厚度为5～30微米，硬质阳极氧化膜可达25～150微米。阳极氧化后的铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可达250～500千克/平方毫米，良好的耐热性，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K，优良的绝缘性，耐击穿电压高达2000V，增强了抗腐蚀性能，在ω=0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金（如铝、镁及其合金等）都可进行阳极氧化处理，这种方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品和建筑装饰等方面。一般来讲阳极都是用铝或者铝合金当作阳极，阴极则选取铅板，把铝和铅板一起放在水溶液，这里面有硫酸、草酸、铬酸等，进行电解，让铝和铅板的表面形成一种氧化膜。在这些酸中，最为广泛的是用硫酸进行的阳极氧化。六、参考文献[1]赵文轸,材料表面工程导论[M].西安:西安交通大学出版社,1998:134-1[2]徐滨士，朱绍华。表面工程的理论与技术[M]。北京：国防工业出版社,1999[3]屠振密，电镀合金原理与工艺[M]，北京:国防工业出版社,1998.[4].冯辉，张勇，张林森.电镀理论与理论[M].北京：化学工业出版社