電鍍新工藝和新技術(shù)的回顧與展望

小瑋 · 發(fā)表于 2008-3-3 21:57:40

　　摘要：對(duì)二十世紀(jì)后期以合金電鍍和電子電鍍、功能性電鍍?yōu)橹鞯碾婂冃鹿に囎髁撕?jiǎn)要的回顧，對(duì)二十一世紀(jì)電鍍技術(shù)在研制新材料特別是納米材料中的作為做了展望。

　　關(guān)鍵詞：電鍍新工藝　合金電鍍　電子電鍍　功能性電鍍　納米材料

１,、前言

　　我們已經(jīng)進(jìn)入了二十一世紀(jì)。面對(duì)這個(gè)新世紀(jì)，電鍍工業(yè)如何應(yīng)對(duì),？真的是日薄西山、無(wú)所作為了嗎,？要回答這個(gè)問(wèn)題,，有必要對(duì)上世紀(jì)的電鍍新工藝和新技術(shù)作一個(gè)回顧，同時(shí)對(duì)電鍍技術(shù)在新世紀(jì)的作為做出展望,。

　　由于新的表面處理技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中黑色金屬材料用量的減少,，傳統(tǒng)電鍍技術(shù)的應(yīng)用正在萎縮，從這個(gè)意義上說(shuō)電鍍工業(yè)是夕陽(yáng)工業(yè)是不錯(cuò)的,。但是我們也可以看到,，從二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始的二戰(zhàn)后的工業(yè)發(fā)展、特別是電子工業(yè)的發(fā)展,，以及此后由于資源,、能源、環(huán)境,、軍事,、航天等多方面的需要的原因，使電鍍技術(shù)在新工藝的開(kāi)發(fā)上有了極大的發(fā)展和進(jìn)步,。?社會(huì)現(xiàn)實(shí)中的需要一直是技術(shù)開(kāi)發(fā)的原動(dòng)力,，現(xiàn)代企業(yè)更是以市場(chǎng)的需求為開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的依據(jù)。因此，電鍍新工藝的研究和開(kāi)發(fā)也是以現(xiàn)實(shí)的需要為根據(jù)的,，同時(shí)要考慮到科技進(jìn)步的趨勢(shì)或未來(lái)的潛在需求,。在這些需求的刺激下，二十世紀(jì)產(chǎn)生了許多新工藝,、新技術(shù),。

　　所謂新工藝，是相對(duì)老的,、舊的,、傳統(tǒng)的工藝而言的。比如現(xiàn)在已經(jīng)流行開(kāi)來(lái)的堿性鋅酸鹽鍍鋅,，在二十世紀(jì)七,、八十年代是新工藝，現(xiàn)在已經(jīng)不算新工藝,。新工藝是指從工藝配方到操作條件,、工藝流程等整個(gè)工藝都有所創(chuàng)新的不同于原有工藝的新的工藝體系。而對(duì)添加劑,、光亮劑的改進(jìn),，在老工藝中應(yīng)用一個(gè)新的光亮劑，都只能說(shuō)是一個(gè)新產(chǎn)品,，不能說(shuō)是一個(gè)新工藝,。

　　對(duì)電鍍工藝來(lái)說(shuō)，是以主鹽和配位體為特征的體系,。一個(gè)新的工藝,，往往是采用了一種新的主鹽，或者新的絡(luò)合物,。以鍍銅為例,，傳統(tǒng)是氰化物鍍銅，是以絡(luò)合物為特征的,。有了酸性光亮鍍銅后,，用的是硫酸銅和硫酸體系，加上光亮劑這種新產(chǎn)品,，還要加上陰極移動(dòng)裝置,，這就是酸性光亮鍍銅新工藝。還有焦磷酸鹽鍍銅,、ＨＥＤＰ鍍銅等,，相對(duì)氰化物鍍銅就都是新工藝。如果開(kāi)發(fā)出用硫酸銅作主鹽的堿性高分散能力的鍍銅,，也是一種新工藝,。

　　由于科技和工業(yè)的發(fā)展,，對(duì)新工藝的需求也是動(dòng)態(tài)的，因此即使是在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域,，電鍍工藝也有更新的機(jī)會(huì),。至于新的世紀(jì)，被人們稱(chēng)為高信息化的世紀(jì),，也有人說(shuō)是納米世紀(jì),，綠色世紀(jì)，這些新的基礎(chǔ)工業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展,，給電鍍技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間,。限于篇幅，本文只提要式地介紹了主要是與材料與功能有關(guān)的新工藝,，不是全面回顧電鍍新工藝,，掛一漏萬(wàn),、再所難免,，不當(dāng)之處，請(qǐng)多指教,。

２,、電鍍新工藝介紹

2.1合金電鍍

　合金電鍍一直是電鍍新工藝開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域。以往為取代昂貴的鍍鎳而開(kāi)發(fā)的銅錫合金,，就曾經(jīng)是一種新工藝�,，F(xiàn)在的代鎳和節(jié)鎳鍍層，也都是各種合金,。因?yàn)楹辖鹂梢跃C合單一金屬的優(yōu)點(diǎn),，并具有單一金屬所不具備的新的特性，比如硬度,、耐腐蝕性,、功能性等。現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,，電鍍作為一種濕法冶金技術(shù),，能生產(chǎn)出用電、熱方法做不到的新合金,。包括在制作非晶態(tài)材料和納米材料方面,，電鍍技術(shù)都是有優(yōu)勢(shì)的。

　　合金電鍍的原理在傳統(tǒng)的理論中是要求兩種共沉積的金屬的電極電位要接近,，如果一個(gè)的電位較正,，另一個(gè)的電位較負(fù)，就要采用絡(luò)合劑將正電位的金屬的離子絡(luò)合,，使之放電電位向負(fù)的方向移動(dòng),，與另一金屬的電位相近,，達(dá)到共沉積的目的。這在現(xiàn)在也仍然對(duì)合金新工藝的開(kāi)發(fā)有指導(dǎo)意義,。

　　但是現(xiàn)在越來(lái)越多的合金中的另一種成分的量非常小,，就是這種少量的金屬分散在另一金屬中，卻改變了金屬的性能,。用傳統(tǒng)冶金學(xué)的觀點(diǎn)是這些摻入的金屬是占據(jù)在主體金屬的某些晶格位上,，從而改變了金屬的物理性能。但實(shí)際上,，用火法冶金很難把微量金屬分散到另一金屬中去,，而采用電鍍的方法則比較容易做到。不過(guò)電鍍方法得到的合金的結(jié)構(gòu)是否符合冶金學(xué)的原理,，則是值得探討的課題,。

　　現(xiàn)在已經(jīng)得到應(yīng)用的新合金工藝有鋅系列，鎳系列,，銅系列,，錫系列，銀系列等,。鋅作為鋼鐵的優(yōu)良廉價(jià)的防護(hù)性鍍層被廣泛地采用,但是自從日本汽車(chē)打進(jìn)歐洲和北美市場(chǎng),汽車(chē)的耐鹽防護(hù)性就提到了議事日程,。[1]在開(kāi)展高耐蝕性鍍層的研究中，鋅合金的研究引人注目,。最先出現(xiàn)的是錫鋅合金,，這種合金的含鋅量在３０％左右時(shí)耐鹽水噴霧時(shí)間最長(zhǎng)，出現(xiàn)紅銹的時(shí)間可達(dá)１５００個(gè)小時(shí)以上,。

　　最開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化的工藝是７０年代末的有機(jī)羧酸的中性鍍液,，后來(lái)有檸檬酸鍍液，現(xiàn)在我公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出硫酸鹽光亮鍍錫鋅工藝,。?在錫鋅工藝之后出現(xiàn)的是鋅鎳工藝,。這種工藝由于含鎳量在５ -10%，成本比錫鋅要低,，因此很快得到普及,。最先出現(xiàn)的是用于鋼板連續(xù)電鍍的硫酸鹽工藝，這大約在1982年前后,。以后開(kāi)發(fā)出氯化銨型工藝,，現(xiàn)在比較成熟的是堿性鋅酸鹽工藝。這種工藝的特點(diǎn)是抗腐蝕性能特別好,，不經(jīng)鈍化的鍍層耐鹽霧到出現(xiàn)紅銹的時(shí)間在150小時(shí)以上,。在高溫下也仍能維持其優(yōu)良的防護(hù)性能。因此在汽車(chē)等行業(yè)有較多應(yīng)用,。

　　在鋅鎳開(kāi)發(fā)之后兩年,，鋅鐵工藝就進(jìn)入了實(shí)用化,。鋅鐵與前面的工藝不同的是鐵的含量很小，只在0.2 到0.6左右,。雖然以前有用于鋼板電鍍的鋅鐵合金,，其含鐵量在１０－２０％，但現(xiàn)在進(jìn)入實(shí)用的還是這種低鐵含量的鍍層,。比較成熟的有鋅酸鹽工藝,。其耐蝕性也很好，但一定要經(jīng)過(guò)鈍化才能有高的耐蝕性,，當(dāng)含鐵量在0.4左右時(shí),，出現(xiàn)紅銹的鹽水噴霧時(shí)間可達(dá)１５００小時(shí)以上。現(xiàn)在,，我公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出氯化鈉型鋅鐵新工藝,，并有黃色、彩色等高耐蝕性的鈍化產(chǎn)品,。

　　在歐洲還有用鋅鈷合金工藝的,，這種工藝與鋅鐵一樣，可以不用銀鹽做出黑色鈍化膜,。含鈷量也僅在1%左右,。

　　鎳一直是電鍍加工工業(yè)中的重要鍍種,，由于鎳資源的緊張和價(jià)格昂貴,，開(kāi)發(fā)鎳合金電鍍是節(jié)鎳的一種選擇。同時(shí),，有些鎳合金的功能性能也是市場(chǎng)所需要的,，因此，鎳基合金的應(yīng)用也很廣泛,。

　　鎳鐵合金不僅可節(jié)約部分鎳,，而且鍍層性能也比純鎳鍍層要好。這種鍍層的含鐵量在?7%-30%?左右,，鍍層中的含鐵量與鍍液中的鎳鐵比例成正比,。也有采用鎳錳鐵合金電鍍工藝的報(bào)導(dǎo)。[2]用于裝飾的鎳合金更多,，特別是黑色鍍層方面,，不少是用的鎳合金，比如鎳錫,，鎳鈷,，鎳鎘等。銅鎳合金更是在裝飾電鍍中有較多的應(yīng)用,。

　　銅合金如銅錫合金,，銅鋅合金,，很早就有大量的應(yīng)用。這方面的新工藝的主攻方向是以非氰化物絡(luò)合物來(lái)取代氰化物,，比如焦磷酸鹽,，檸檬酸鹽鍍銅合金等。

　　錫作為釬焊性鍍層主要是用在電子電鍍行業(yè),，但也可以用在裝飾和防護(hù)方面,，比如代銀的錫合金，用于罐頭盒防腐的鍍錫工藝等,。但主要還是電子工業(yè)中有大量應(yīng)用,，現(xiàn)在用得最多的仍然是錫鉛合金。也有錫鈰,，錫鉍等,。當(dāng)前的趨勢(shì)是采用無(wú)氟和無(wú)鉛的新工藝取代老工藝。[4]

　　其它貴金屬的合金主要是用在裝飾和功能性方面,，這里就不一一加以介紹,。?正如前面講到的，由于合金電鍍技術(shù)的開(kāi)發(fā)可能產(chǎn)生出一些新的合金,，這不僅在表面處理業(yè)有重要意義,，對(duì)材料學(xué)科也有重要意義。因此,，在新世紀(jì),，對(duì)合金電鍍的研究仍會(huì)加緊進(jìn)行。?特別是在多元合金,，包括三元,、四元合金等的開(kāi)發(fā)上還有很大的空間。
2.2電子電鍍

　　如前所述,，21世紀(jì)被稱(chēng)為高信息化世紀(jì),。所謂高信息化世紀(jì)就是以因特網(wǎng)為傳播工具的信息爆炸的世紀(jì)。在這個(gè)世紀(jì)內(nèi),，電子產(chǎn)品的品種和產(chǎn)量將有更快更大的發(fā)展,，這給電子電鍍業(yè)也帶來(lái)很大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此,，現(xiàn)在新工藝的開(kāi)發(fā)有很大的比重將放在電子電鍍方面,。

　　所謂電子電鍍就是用于電子產(chǎn)品或電子工業(yè)的電鍍技術(shù)。用于電子行業(yè)的鍍層有很多,，包括導(dǎo)電性鍍層,，釬焊性鍍層，信息載體鍍層,，電磁屏蔽鍍層,，電子功能性鍍層,，印刷電路板電鍍，電子構(gòu)件防護(hù)性鍍層,，電子產(chǎn)品裝飾性鍍層等,。

　　電子電鍍工藝除了少數(shù)是利用了傳統(tǒng)的工藝以外，大多數(shù)是近幾十年開(kāi)發(fā)的新工藝,。比如非金屬電鍍新工藝,，化學(xué)鍍新工藝，貴金屬電鍍新工藝,，合金電鍍新工藝等,。?以印刷線路板的電鍍?yōu)槔且钥捉饘倩癁橹行牡木C合了前處理,、化學(xué)鍍,、電鍍、退鍍等技術(shù)的工藝,。

　　印刷線路板是上世紀(jì)六十年代開(kāi)始應(yīng)用于電子產(chǎn)品的,，隨著電子元件的高密度化和集成化，單面和雙面線路板已經(jīng)不能滿(mǎn)足高密度和微型化的需求,，因此多層印刷線路板技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生�,，F(xiàn)在，多層板的孔化及圖形電鍍技術(shù),，代表著一個(gè)國(guó)家電子工業(yè)的水平,。

　　化學(xué)鍍中的各種化學(xué)鍍鎳技術(shù)，更是在電子工業(yè)中有舉足輕重的作用,。從電磁屏蔽到硬盤(pán)的電鍍,，都要用到化學(xué)鍍鎳。當(dāng)然化學(xué)鍍不僅僅是用于電子行業(yè),，在其它很多行業(yè)都有重要的價(jià)值，比如在石油化工行業(yè),，一些管道的內(nèi)壁防護(hù)就在采用化學(xué)鍍鎳技術(shù),。[5]

2.3功能性電鍍

　　功能性電鍍實(shí)際上是一個(gè)含義較廣的概念，它涵蓋了電子電鍍,、減磨電鍍,、耐磨電鍍、以及所有有特別要求的電鍍技術(shù),�,？梢哉f(shuō)舉凡對(duì)產(chǎn)品或材質(zhì)表面有電學(xué)、力學(xué),、光學(xué),、生物學(xué)等方面要求而通過(guò)電鍍加工可以滿(mǎn)足其要求的鍍層,，都可以叫功能性鍍層。顯然,，要滿(mǎn)足上述各種要求,，光靠老工藝是不行的，因此,，在功能性電鍍中的新工藝的比例是最高的,。

　　現(xiàn)在引起各方面關(guān)注的是各種復(fù)合電鍍技術(shù)。復(fù)合電鍍是指在單金屬電鍍或合金電鍍?nèi)芤褐蟹稚⒁恍┕δ苄晕⒘�,，使之在電鍍過(guò)程中與金屬或合金共沉積,，從而使被鍍表面得到某些特定的性能。

　　大家經(jīng)常見(jiàn)到的沙面鍍鎳工藝,，有一種就是采用了分散微粒的辦法,。早期的復(fù)合電鍍的載體大多數(shù)是采用的鍍鎳工藝，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到采用鍍鋅工藝為載體,，進(jìn)一步發(fā)展到以化學(xué)鍍?yōu)檩d體,。?用來(lái)做分散體的微粒有香料、磨料如金剛砂,、SiC?,、 Al2O3等，也有顏料,、石墨,、二硫化鉬等。由這些微粒的性能可以得知分散有它們的鍍層具有什么樣的功能,。還有很多新工藝,，都可以包括在功能性電鍍的范圍�,？梢灶A(yù)料,，今后的電鍍新工藝的開(kāi)發(fā)方向?qū)⒅饕菓?yīng)用于電子行業(yè)或有特殊要求的行業(yè)的功能性電鍍技術(shù)。

3電鍍技術(shù)在新世紀(jì)的展望

3.1貼近現(xiàn)代工業(yè)需要?

　　二十一世紀(jì)對(duì)工業(yè)有許多苛求,，要求高質(zhì)量,、高可靠、高效率的同時(shí),，還要節(jié)能節(jié)耗和保護(hù)環(huán)境,。因此，開(kāi)發(fā)高效節(jié)能而又無(wú)或少污染的電鍍新工藝將是一個(gè)長(zhǎng)期的任務(wù),。隨著自動(dòng)化技術(shù)的普及和觀念的更新,，新世紀(jì)的電鍍工藝將更多地在設(shè)備上做文章，大電流短時(shí)間的高速電鍍過(guò)程將會(huì)普及，溫度,、濃度,、pH值等的控制和鍍液凈化等都將逐漸向全自動(dòng)化發(fā)展。無(wú)排放的電鍍工藝將出現(xiàn),。這些都是為的更加適合工業(yè)各界對(duì)電鍍的需要,，只有貼近現(xiàn)代工業(yè)的各種需要開(kāi)發(fā)新工藝，電鍍加工工業(yè)本身在新世紀(jì)才有立足之地,。

3.2制造新型材料

　　電鍍技術(shù)傳統(tǒng)上是用于防護(hù)和裝飾用途,，但隨著電鍍技術(shù)的進(jìn)步，電鍍加工已經(jīng)不僅僅只用于防護(hù)和裝飾領(lǐng)域,，而且可以成為一個(gè)重要的新材料生產(chǎn)工具,。電鍍技術(shù)已經(jīng)成功地用來(lái)制作非晶態(tài)材料。非晶態(tài)材料是相對(duì)結(jié)晶材料而言的新型材料,，它在硬度,、強(qiáng)度、耐腐蝕性能等方面都比傳統(tǒng)材料要好,。

　　現(xiàn)在大家經(jīng)常能聽(tīng)到一個(gè)詞,，就是“納米”。21世紀(jì)也被稱(chēng)為納米世紀(jì),。所謂納米是一種物質(zhì)聚集狀態(tài),，當(dāng)原子或分子處于千萬(wàn)分之一米到１０億分之一米的范圍時(shí)，顯示出一些新的性質(zhì),。當(dāng)材料結(jié)晶的大小介于幾個(gè)或幾十個(gè)納米時(shí),，這種材料就有了意想不到的新的特性。比如幾納米長(zhǎng)的電極,，就可以將芯片運(yùn)行速度提高幾萬(wàn)倍,；由納米材料制成的金屬?gòu)?qiáng)度比普通金屬高十幾倍，而自身象橡膠一樣富有彈性,；納米陶瓷保留了陶瓷的耐高溫和高強(qiáng)度的特性卻又表現(xiàn)出塑性,。還有許多關(guān)于納米的神奇的性能和應(yīng)用的故事�,？傊�,，人們對(duì)納米寄予了很大的期望。

　　目前世界上納米晶體材料的制作技術(shù)可以分為三大類(lèi)：一是外力合成法,，如機(jī)械研磨；二是電沉積的方法,，如電鍍沉積,、等離子體沉積；三是相變界面形成法。其中電鍍方法與其它方法相比有其自身的特點(diǎn),，一是很多單一金屬可以被電鍍出來(lái),，二是技術(shù)難度相對(duì)較小。[6]因此,，隨著對(duì)納米材料研究和需求的增長(zhǎng),，使用電鍍技術(shù)來(lái)研制和生產(chǎn)納米材料將不會(huì)是很遠(yuǎn)的事情。

3.3電鍍成型

　說(shuō)起電鍍成型,，很容易讓人想到電鑄,。但這里所說(shuō)的電鍍成型與傳統(tǒng)的電鑄有其不同?之處。電鑄需要有一個(gè)母型或模胎,，再在上面電鑄后成型,。而電鍍成型是指在沒(méi)有母型的情況下，在特制的電解液內(nèi),，由電極進(jìn)行選擇性間歇放電來(lái)進(jìn)行電沉積,，當(dāng)這種放電受電腦控制時(shí)，可以根據(jù)電腦內(nèi)存儲(chǔ)的信息鍍出所需要的形狀,。這聽(tīng)起來(lái)像科學(xué)幻想,，但很多發(fā)明正是源于科學(xué)幻想的。相信在更多富有想象力的電鍍技術(shù)工作者的努力下,，電鍍技術(shù)還會(huì)有更多的用途被開(kāi)發(fā)出來(lái),。

　　參考資料

　　[1]古賀孝雄.亞鉛系合金的進(jìn)步.表面技術(shù)(日).VOL40,NO1,1989

　　[2]M.V.Ananth　Tuxture.Development　in　Electrodeposited　Nanocrystalline　Ni-Mn-Fe　Alloys.Trans　IMF,p222,77,(6),1999

　　[3]S.S.Abd　El　Rehim S.Abd?El　Wahab.Electrodeposition　of　Copper-Nickel　Alloys　from　a　Citraet　 Bath　Containing　Boric　Acid.Trans　IMF,p242,77,(6),1999?

　　[4]中國(guó)電子電鍍委員會(huì).非氟硼酸Sn-Pb可焊性鍍層及無(wú)鉛無(wú)氟可焊性久鍍層的日前概況.電子電鍍通訊.第4期,2000

　　[5]姜曉霞　沈偉.化學(xué)鍍理論及實(shí)踐.國(guó)防工業(yè)出版社.2000

　　[6]熊毅等.噴射電沉積納米晶鎳的研究.電鍍與精飾.VOL22,NO5,2000

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