基本介紹
- 中文名：電鍍工藝
- 屬性：表面加工方法
- 類屬：防護性鍍層
- 原理：電化學
基本原理,電鍍分類,工藝過程,工藝要求,影響因素,鍍件清洗劑,超音波清洗,電鍍工藝的評價,電鍍工藝參數的管理,
基本原理
電鍍是一種電化學過程，也是一種氧化還原過程.電鍍的基本過程是將零件浸在金屬鹽的溶液中作為陰極，金屬板作為陽極，接直流電源後，在零件上沉積出所需的鍍層。例如鍍鎳時，陰極為待鍍零件，陽極為純鎳板，在陰陽極分別發生如下反應：
陰極(鍍件)：Ni2++2e→Ni (主反應)
2H++2e→H2↑ (副反應)
陽極(鎳板)：Ni-2e→Ni2+ (主反應)
4OH-－4e→2H2O+O2 (副反應)
陽極分為可溶性陽極和不溶性陽極，大多數陽極為與鍍層相對應的可溶性陽極，如：鍍鋅為鋅陽極，鍍銀為銀陽極，鍍錫-鉛合金使用錫-鉛合金陽極，但是少數電鍍由於陽極溶解困難，使用不溶性陽極，如酸性鍍金使用的是多為鉑或鈦陽極，鍍液主鹽離子靠添加配製好的標準含金溶液來補充，鍍鉻陽極使用純鉛，鉛-錫合金，鉛-銻合金等不溶性陽極。
電鍍分類
按照鍍層組成分類：
（1）鍍鉻。鉻是一種微帶天藍色的銀白色金屬。電極電位雖位很負，但它有很強的鈍化性能，大氣中很快鈍化，顯示出具有貴金屬的性質，所以鐵零件鍍鉻層是陰極鍍層。鉻層在大氣中很穩定，能長期保持其光澤，在鹼、硝酸、硫化物、碳酸鹽以及有機酸等腐蝕介質中非常穩定，但可溶於鹽酸等氫鹵酸和熱的濃硫酸中。
鉻層硬度高，耐磨性好，反光能力強，有較好的耐熱性。在500°C以下光澤和硬度均無明顯變化；溫度大於500°C開始氧化變色；大於700°C才開始變軟。由於鍍鉻層的優良性能，廣泛用作防護一裝飾鍍層體系的外表層和機能鍍層。
（2）鍍銅。鍍銅層呈粉紅色，質柔軟，具有良好的延展性、導電性和導熱性，易於拋光，經過適當的化學處理可得古銅色、銅綠色、黑色和本色等裝飾色彩。鍍銅易在空氣中失去光澤，與二氧化碳或氯化物作用，表面生成一層鹼式碳酸銅或氯化銅膜層，受到硫化物的作用會生成棕色或黑色硫化銅，因此，做為裝飾性的鍍銅層需在表面塗覆有機覆蓋層。
鍍銅（4）鍍錫。錫具有銀白色的外觀，原子量為118.7，密度為7.3g/cm^3，熔點為231.89℃，原子價為二價和四價，故電化當量分別為2.12g/A.h和1.107g/A.h。錫具有抗腐蝕、無毒、易鐵焊、柔軟和延展性好等優點。錫鍍層有如下特點和用途：
1、化學穩定性高；
2、在電化序中錫的標準電位紕鐵正，對鋼鐵來說是陰極性鍍層，只有在鍍層無孔隙時才能有效地保護基體；
3、錫導電性好，易焊；
4、錫從-130℃起結晶開始開始發生變異，到-300℃將完全轉變為一種晶型的同素異構體，俗稱”錫瘟”，此時已完全失去錫的性質；
5、錫同鋅、鎘鍍層一樣，在高溫、潮濕和密閉條件下能長成晶須，稱為長毛；6、鍍錫後在231.89℃以上的熱油中重溶處理，可獲得有光澤的花紋錫層，可作日用品的裝飾鍍層。
鍍錫（5）鍍鋅。鋅易溶於酸，也能溶於鹼，故稱它為兩性金屬。鋅在乾燥的空氣中幾乎不發生變化。在潮濕的空氣中，鋅表面會生成鹼式碳酸鋅膜。在含二氧化硫、硫化氫以及海洋性氣氛中，鋅的耐蝕性較差，尤其在高溫高濕含有機酸的氣氛里，鋅鍍層極易被腐蝕。鋅的標準電極電位為-0.76V，對鋼鐵基體來說，鋅鍍層屬於陽極性鍍層，它主要用於防止鋼鐵的腐蝕，其防護性能的優劣與鍍層厚度關係甚大。
鍍鋅鍍鋅溶液有氰化物鍍液和無氰鍍液兩類。氰化物鍍液中分微氰、低氰、中氰、和高氰幾類。無氰鍍液有鹼性鋅酸鹽鍍液、銨鹽鍍液、硫酸鹽鍍液及無氨氯化物鍍液等。氰化鍍鋅溶液均鍍能力好，得到的鍍層光滑細緻，在生產中被長期採用。但由於氰化物劇毒，對環境污染嚴重，已趨向於採用低氰、微氰、無氰鍍鋅溶液。
工藝過程
一般包括電鍍前預處理，電鍍及鍍後處理三個階段。
完整過程：
1、浸酸→全板電鍍銅→圖形轉移→酸性除油→二級逆流漂洗→微蝕→二級浸酸→鍍錫→二級逆流漂洗
2、逆流漂洗→浸酸→圖形電鍍銅→二級逆流漂洗 →鍍鎳→二級水洗→浸檸檬酸→鍍金→回收→2-3級純水洗→烘乾
塑膠外殼電鍍流程：
化學去油→水洗→浸丙酮→水洗→化學粗化水洗敏化→水洗→活化→還原→化學鍍銅→水洗光亮硫酸鹽鍍銅→水洗→光亮硫酸鹽鍍鎳→水洗→光亮鍍鉻→水洗烘乾送檢。
在以上流程中，最易出現故障的是光亮硫酸鹽鍍銅，其現象是深鍍能力差及毛剌、粗糙等，對深鍍能力差，應區別對待，如果低電流區不亮，而高電流區很亮且偏於白亮，則可考慮N(乙撐硫脲）是否過多，調整辦法逛加入適量M(2-巰基苯駢眯脞）及SP(聚二硫二丙烷磺酸鈉），如仍不行，可加入50〜100ml雙氧水攪拌10分鐘試鍍，如果低電流區不亮，高電流區很亮且偏於桔紅色亮，測可考慮M是否過多，調整辦法是加適量N及P(聚乙二醇），如仍不行，可加入50~100ml雙氧.水攪拌10分鐘試鍍，如果低電流區不亮，而高電流K亮度亦差，則可考慮N或M是否過少，調整辦法是加入適量M或N(亦可同時加入適量SP)，如果高電流區長毛刺，通常加入適當SP即可消除。如果鈹層表面無論軔上還是朝下均有細麻砂，則M過多，可添加適量SP來消除，但若鍍層表面軔上有麻砂，則應考慮是否有銅粉的緣故，可加入50ml雙氧水來消除。
一般說來，光亮鍍銅液在每天下班時應加入50ml雙氧水。除了光亮鍍銅易出現上述故障外，粗化也易出現故障,通常為家電產品外殼粗化後表面發黃或呈白粉狀。此時應從以下三個方面來考慮：一、粗化溫度是否過高、時間過長；二、粗化液中硫酸含量是否過量；三、粗化前使用的有機溶劑濃度、溫度是否過高，時間嫌長。另外，返工的家電產品外殼若再次粗化時，易粗化過度，造成鍍不亮，對此要適當降低粗化溫度及縮短粗化時間，粗化前，一般不再授丙酮。化學鍍鋼時，防止鍍液發渾(即產生大量銅粉），若溶液發渾，則該槽所的塑膠外殼必須全部返工，同時要立即過濾化學鍍鐧溶液，化學鍍銅後的家電產品外殼，一般應當立即施鍍，但遇到特殊情況，需要長時間放置，則應將家電產品外殼烘乾並豎於乾燥處保存，保存期為2天，掛具問題也很重要，用包紮法絕緣的掛具不適於塑膠電鍍，由於我們電鍍ABS塑膠而環時，從粗化至化學鍍銅不使用掛具，而只在亮銅-亮鎳-亮鉻-亮銅-亮鎳-亮鉻-……的電镟循環過程中使用，而鈹鉻後（接下來便進入鍍銅液），掛具上攜帶的鍍鉻液會導致光亮鍍銅液惡化，同樣，這種包紮法絕緣的掛具亦會污染鍍錁液及掩鉻液。如果受條件限制，只能採用包紮法，掛具須在清洗後再在淸水中浸泡十幾分鐘，以便使滲入包紮中的鍍鉻液全部滲出，光亮鍍銅液一旦被輕微污染用小電流處理1〜2天即可。
五金及裝飾性電鍍工藝程式工藝要求
1. 鍍層與基體金屬、鍍層與鍍層之間，應有良好的結合力；
2. 鍍層應結晶細緻、平整、厚度均勻；
3. 鍍層應具有規定的厚度和儘可能少的孔隙；
4. 鍍層應具有規定的各項指標，如光亮度、硬度、導電性等；
5. 電鍍時間及電鍍過程的溫度，決定鍍層厚度的大小。環境溫度為-10℃～60℃；
6.輸入電壓為220V±22V或380V±38V；
7.水處理設備最大工作噪聲應不大於80dB(A)；
8.相對濕度(RH)應不大於95%；
9.原水COD含量為100mg/L～150000mg/L。
影響因素
（1）主鹽體系
每一鍍種都會發展出多種主鹽體系及與之相配套的添加劑體系.如鍍鋅有氰化鍍鋅，鋅酸鹽鍍鋅，氯化物鍍鋅(或稱為鉀鹽鍍鋅)，氨鹽鍍鋅，硫酸鹽鍍鋅等體系。
每一體系都有自己的優缺點，如氰化鍍鋅液分散能力和深度能力好，鍍層結晶細緻，與基體結合力好，耐蝕性好，工藝範圍寬，鍍液穩定易操作對雜質不太敏感等優點.但是劇毒，嚴重污染環境.氯化物鍍鋅液是不含絡合劑的單鹽鍍液，廢水極易處理；鍍層的光亮性和整平性優於其它體系；電流效率高，沉積速度快；氫過電位低的鋼材如高碳鋼，鑄件，鍛件等容易施鍍.但是由於氯離子的弱酸性對設備有一定的腐蝕性，一方面會對設備造成一定的腐蝕，另一方面此類鍍液不適應需加輔助陽極的深孔或管狀零件。
（2）添加劑
添加劑包括光澤劑,穩定劑,柔軟劑,潤濕劑，低區走位劑等.光澤劑又分為主光澤劑，載體光亮劑和輔助光澤劑等.對於同一主鹽體系，使用不同廠商製作的添加劑，所得鍍層在質量上有很大差別.總體而言歐美和日本等已開發國家的添加劑最好，台灣次之，大陸產的相對而言比前兩類都遜色。
主鹽與具體某一廠商的添加劑的聯合決定了使用的鍍液的整體性能.優秀的添加劑能彌補主鹽某些性能的不足.如優秀的氯化物鍍鋅添加劑與氯化物主鹽配合得到的鍍液深鍍能力比許多氰化鍍鋅鍍液的深度能力好 。
（3）電鍍設備
掛具：方形掛具與方形鍍槽配合使用，圓形掛具與圓形鍍槽配合使用. 圓形鍍槽和掛具更有利於保證電流分布均勻，方形掛具則需在掛具周圍加設諸如鐵絲網之類的分散電流裝置或縮短兩側陽極板的長度，使用如圖所示的橢圓形陽極排布。
攪拌裝置：促進溶液流動，使溶液狀態分布均勻，消除氣泡在工件表面的停留.
電源：直流，穩定性好，波紋係數小。
鍍件清洗劑
前處理-化學清洗，根據油脂的種類和性質，除油劑包含兩種主體成分，鹼類助洗劑和表面活性劑。
1.鹼類物質。鹼類助洗劑常用的為氫氧化鈉、純鹼、矽酸鈉和三聚磷酸鈉。氫氧化鈉和純鹼作為鹼劑，價格最為便宜，廢水較難處理，有時因為鹼性偏強導致清洗物體受到損傷，另一方面氫氧化鈉和純鹼沒有乳化作用對於礦物油清洗沒有任何效果；
矽酸鈉與三聚磷酸鈉既能提供鹼性，又能提供一定的乳化力，廣泛的用於各種除油清洗劑中特別是對鹼敏感的除油工藝。使用矽酸鈉最大的缺陷是除油後若不用熱水先洗一道，直接冷水洗很難將殘留的矽酸鈉完全洗淨，殘留的矽酸鈉會與下一道工序的酸反應生成附著牢固的矽膠，從而影響鍍層的結合力；三聚磷酸鈉則主要存在磷污染破壞環境的擔憂。
2.表面活性劑。表面活性劑是除油劑的最核心成分，早期的除油劑是以乳化劑的乳化作用為主，如脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）系列、烷基酚聚氧乙烯醚（TX、NP）系列等。過多的使用乳化劑會將脫落的油脂乳化增溶於工作液中，導致工作液除油能力逐漸下降，需要頻繁更換工作液。
但是隨著表面活性劑價格的上升，越來越要求降低表面活性劑的使用量，提高除油的速率，這就要求除油劑具有很好的分散和抗二次沉積性能，將脫落的油脂從金屬表面剝離，在溶液中不乳化、不皂化，只是漂浮在溶液表面，保持槽液的清澈與持續的除油能力。
另一方面，適合除油的表面活性劑一般為非離子類型的產品，非離子產品普遍價位較高，為了降低除油劑成本，陰離子的產品也會出現有的除油劑的配方中，特別是同時具有非離子性質的陰離子型表面活性劑脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸鹽（FMES），具有優異的“分散卷離”特點，有助於油脂的非乳化式剝離去除。
超音波清洗
產品電鍍前處理工藝非常重要，一般的傳統工藝使用酸液對工件進行處理，對環境污染較重，工作環境較差，同時，最大的弊端是結構複雜零件酸洗除銹後的殘酸很難沖洗乾淨。工件電鍍後，時間不長，沿著夾縫出現鏽蝕現象，破壞電鍍層表面，嚴重影響產品外觀和內在質量。超音波清洗技術套用到電鍍前處理後，不僅能使物體表面和縫隙中的污垢迅速剝落，而且電鍍件噴塗層牢固不會返銹。
利用超音波在液體中產生的空化效應，可以清洗掉工件表面沾附的油污，配合適當的清洗劑，可以迅速地對工件表面實現高清潔度的處理。
電鍍工藝，對工件表面清潔度要求較高，而超音波清洗技術是能達到此要求的理想技術。利用超音波清洗技術，可以替代溶劑清洗油污；可以替代電解除油；可以替代強酸浸蝕去除碳鋼及低合金鋼表面的鐵鏽及氧化皮。
對幾種常見的工件電鍍前表面狀況，用超音波清洗工藝情況簡介：
1.拋光件表面拋光膏的清洗：一般情況下，拋光膏常常採用石蠟調合，石蠟分子量大，熔點較高，常溫下呈固態，是較難清洗的物質，傳統的辦法是採用有機溶劑清洗或高溫鹼水煮洗有許多弊病。採用超音波清洗則可使用水基清洗劑，在中溫條件下，幾分鐘內將工件表面徹底清洗乾淨，常用工藝流程是：①浸泡→②超音波清洗→③清水（淨水）漂洗。
2.表面有油及少量銹的冷軋鋼板：冷軋鋼板表面一般有油、污或少量鐵鏽，要洗乾淨比較容易，但經一般方法清洗後，工件表面仍殘留一層非常細薄的浮灰，影響後續加工質量，有時不得不再採用強酸浸泡的辦法去除這層浮灰。而採用超音波清洗並加入適當的清洗液，可方便快捷地實現工件表面徹底清潔，並使工件表面具有較高的活性，有時甚至可以免去電鍍前酸浸活化工序。
3.表面有氧化皮和黃銹的工件：傳統的辦法是採用鹽酸或硫酸浸泡清洗。如採用超音波綜合處理技術，可以快捷地在幾分鐘內同時去除工件表面的油、銹、並避免了因強酸清洗伴隨產生的氫脆問題。
電鍍後對鍍層進行各種處理以增強鍍層的各種性能，如耐蝕性，抗變色能力，可焊性等。
脫水處理：水中添加脫水劑，如鍍亮鎳後處理。
鈍化處理：提高鍍層耐蝕性，如鍍鋅。
防變色處理：水中添加防變色藥劑，如鍍銀，鍍錫，鍍仿金等。
提高可焊性處理：如鍍錫，因此後處理工藝的優劣直接影響到鍍層這些功能的好壞。
電鍍工藝的評價
評價任何電鍍工藝都要用到若干通用指標，通常分為與鍍液性能有關的指標和與鍍層性能有關的指標。鍍液指標是電鍍工藝的主要指標，包括鍍液的電流效率(與沉積速度有關)、分散能力、深鍍能力、鍍層結晶狀態、鍍液穩定性和可操作性(包括工藝條件的控制、對設備有無特別要求)、對環境的影響程度、經濟效益(電鍍加工成本)等。
鍍層性能指標是電鍍工藝所保證的鍍層性能和質量的指標，是直觀地評價電鍍工藝水平的重要指標，比如鍍層的裝飾性能、光亮程度、抗腐蝕性能、鍍層脆性、鍍層孔隙率等。功能性鍍層則要加上功能性能指標，比如電導率、反射光係數、可焊性、耐磨性等。
這兩類指標都屬於水平較高的先進工藝，有時鍍液性能指標好的工藝，不一定有好的鍍層指標；而有些鍍層指標好的工藝，鍍液指標卻並不好。人們通常以鍍層指標為主來判斷和選擇電鍍工藝，也就是說為了獲得好的鍍層有時不得不採用鍍液性能差的鍍種，比如裝飾鍍鉻就是典型的例子。許多氰化物電鍍也是鍍層性能好但對環境影響大的鍍種。
電鍍工藝參數的管理
由於工藝管理直接影響到生產的效率和產品的成本。因此，對工藝參數的管理要講合理性，管得不好，會經常停產調整鍍液，這是很大的浪費。但是，管得過頭，會增加管理成本，增加資源的額外消耗，也是要不得的。通過電鍍工藝參數的構成可以將這些參數分為兩大類，一類是建立生產線過程中，一經設定就相對固定的因素，有如先天性因素，除非出現故障，變動不會很大，比如，整流電源的波形、陰極移動的速度、過濾機的流量、鍍槽的大小和結構等，這些參數一定要在設計階段加以控制，並留有餘地；另一類是在電鍍生產中經常會發生波動的參數，必須通過監控隨時加以調整，我們說的生產中的工藝參數的管理，主要指的是這類可變參數的管理。
不過在電鍍生產管理的實踐中，對可變工藝參數管得過松是常態。很多鍍液和人一樣是處於亞健康狀態，勉強維持生產，時間長了就會出問題。比如，不少企業的陽極的面積經常是處於不足狀態，原因是陽極金屬材料的購進不及時，幾乎沒有庫存，且費用較高，成為企業能省就省的對象。
電鍍工藝可變參數日常管理的要素主要有以下幾項。
(1)溫度管理。溫度對電鍍的影響前面已經有了詳細的介紹，溫度對電鍍表面質量、電鍍效率等都有重要影響。因此，凡是需要升溫的鍍種，都應該有恆溫控制的升溫設備，並要求員工做鍍液的溫度記錄。當然從能源節約的角度，要儘量採用常溫工藝。但是有些鍍種只能在一定的高溫下工作才行。關鍵是加強管理，防止過熱造成的能源和鍍液蒸發的浪費。
對溫度管理不限於鍍槽，熱水洗的溫度也應該加以管理。很多電鍍企業只重視鍍槽的溫度控制，而不管熱水，不是加熱不足，就是加熱過度，對質量不利也浪費資源。
(2)鍍液pH值管理。鍍液的pH值是比較隱蔽的變動因素，往往是出了問題時才被發現。因此，經常檢測鍍液的pH值是完全必要的。對於要求較嚴格的鍍種，最好是能採用由感測器控制的數字式pH顯示器。這樣就能及時了解鍍液的pH值。最簡易的辦法是用精密試紙在現場進行測量。要讓操作者也有試紙可用。不要只有工藝人員才有試紙。這樣可以保證鍍液pH值處在更多人監控的狀態。
(3)鍍液成分管理。鍍液成分的管理主要要通過化學分析的方法來獲取信息。設立有企業或部門自己的化學分析室的組織，這個問題就比較好辦。定期按規定抽樣測試就行了。
沒有自己分析室的電鍍企業，因為嫌拿鍍液外出分析既麻煩又費錢，將鍍液的分析周期定得很長，超過了正常要求的分析時間。鍍液成分失調，經常是出了問題才分析補料。因此，要根據生產的頻度和物料消耗的情況，或根據受鍍面積等，測算出鍍液成分消耗的基本規律，來對鍍液進行定期的分析，加工量大的時候，每一兩天就要分析一次，加工量小的時候，至少每周要分析一次。同時，工藝人員則要定期對鍍液進行霍爾槽試驗，以確定鍍液是處在最佳工藝範圍。霍爾槽試驗不僅僅是電鍍工藝開發的重要工具，也是電鍍現場管理的重要手段。
