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表面处理基础知识
表面处理基础知识
第一节化学知识
自然界的一切物质都在不断地运动变化着,研究自然变化规律的科学统称为自然科学。
自然变化包括物理变化、化学变化,研究物理变化的科学叫物理学;研究化学变化规律的科学叫化学。
化学研究的内容是:
物质的组成和性质,物质的变化及物质变化时发生的现象。
如:
CrO3+H2O=H2CrO4+Q(放热)
一、物质的组成
物质大多是由分子组成,分子是物质中能够单独存在的并有着这一物质一切化学特性的基本微粒。
而分子又是由更小的微粒――原子组成的,原子是物质进行化学反应的最小微粒。
一部分物质是由原子直接组成的,如铁是由许多铁原子互相结合组成的,各种金属都是这样的。
原子是由原子核和电子组成的,原子核是带正电荷的微粒而电子是带负电荷的微粒,原子核所带正电荷的数值(即核电荷数)跟核外电子所带负电荷的数值相等,所以整个原子是电中性的。
原子的体积很小,原子核的体积更小,它只是原子体积的几千亿分之一。
在原子里原子核在原子的中心,电子在原子核外作高速旋转。
由于原子核带正电,核外电子带负电,他们之间相互吸引;又由于核外电子的高速旋转而与原子核产生相互排斥。
原子就是原子核和电子既吸引又排斥的对立统一体。
原子的组成可概括如下:
原子由原子核和电子组成,而原子核是由带一个单位正电荷的质子和不带电的中子组成,电子带一个单位的负电荷。
质子数=电子数=核电荷数质子数+中子数=原子量
几种原子的组成
原子
原子量
质子
中子
电子
氢
碳
氧
钠
硫
铁
1
12
16
23
32
56
1
6
8
11
16
26
6
8
12
16
30
1
6
8
11
16
26
二、元素、元素符号和原子量
1.元素:
具有相同的核电荷数(即质子数)的同一种原子总称为元素。
2.元素符号:
为了方便在化学上各种元素都用不同的符号来表示,这种符号叫元素符号。
如氧---O铁---Fe铜---Cu
3.原子量:
原子的重量很小,如一个碳原子重量为1.994×10-23克。
这样的数值使用和书写都不方便。
为了使用方便,用专用单位来表示原子重量,国际上用碳单位来表示原子重量。
一个碳单位等于碳原子重量的十二分之一。
用碳单位表示的一个原子的重量叫做原子量。
常用元素的元素符号及原子量:
名称
符号
原子量
化合价
名称
符号
原子量
化合价
氢
硼
碳
氮
氧
钠
铝
氯
H
B
C
N
O
Na
Al
Cl
1.008
10.81
12.011
14.0067
15.9994
22.9898
26.9815
35.457
+1
+3
+2+4
+3+5
-2
+1
+3
-1+1+3+5+7
钛
铬
锰
铁
镍
铜
锌
硫
Ti
Cr
Mn
Fe
Ni
Cu
Zn
S
47.90
52.010
54.938
55.847
58.71
63.546
65.38
32.066
+3+4
+2+3+6
+2+3+4+6+7
+2+3
+2+3
+1+2
+2
-2+4+6
4.分子式与分子量
(1)分子式:
用元素符号表示物质分子组成的式子称为分子式。
分子式的意义:
分子式的含义
以二氧化碳(CO2)为例
1.表明组成物质的各元素
2.表明物质的一个分子
3.表明物质的一个分子中各元素的原子数
4.表明物质的分子量
5.表明组成物质的各元素的重量比
二氧化碳由碳元素和氧元素组成
CO2代表一个二氧化碳分子
是由一个碳原子和2个氧原子组成
CO2的分子量:
1×12+2×16=44
1×12:
2×16=3:
8
(2)分子量:
分子量是一个分子中各原子重量的总和。
几种物质分子量的计算:
名称
分子式
计算
分子量
氢气
盐酸
氢氧化钠
硫酸铜
H2
HCl
NaOH
CuSO4•5H2O
1+1
1+35.5
23+16+1
63.5+32+16×4+5×(2×1+16)
2
36.5
40
249.5
5.化学反应的类型:
(1)原子的结构和离子
原子的构造常用原子结构图来表示。
原子结构图是用一点为中心,画若干同心圆,中心作为原子核,以正号表示电荷性质,以数字表示电荷数,各同心圆为电子层。
例如:
电子被原子核吸引围绕原子核旋转,原子核对电子的吸引力是不一样的,距离核心最远的外层电子被吸引的力最小。
因此,它们容易脱离轨道而自由活动。
一般来讲,原子都有使自己的外层电子达到饱和的8个或2个电子(一层时)的稳定状态的趋势。
原子外层(从第二层开始)电子在四个以下的易失去电子,在四个以上的易于得到电子。
各惰性气体由于其外层电子都是稳定的8个或2个,所以它们都不参加化学反应。
原子失去电子有过剩的正电荷,原子得到电子有过剩的负电荷,这种带电的原子称为离子。
离子的标记符号是用元素符号加有表明电性的“+”、“-”号来表示。
例如:
氢原子失去一个电子变成氢离子可写成:
H-e→H+;氢离子得到电子时又变成为氢原子,可以写成:
H++e→H。
(2)化学反应
a.化学反应的概念:
有一种物质变成另一种新物质的过程叫化学反应。
如碳燃烧变成CO2就是化学反应。
在化学反应中只是由一种物质变成另一种物质,它应该服从质量不灭定律和定比定律。
①质量不灭定律(物质不变定律):
参加反应物质的总重量等于反应后生成物质的总重量。
(即:
一切化学反应中,反应前后原子的种类没有改变,原子数目没有增减,原子的质量也没有变化。
)
②定比定律(定组成律):
在化学反应中参加反应的物质都有一定的比例,反应生成的物质也有一定的比例。
如2克氢+16克氧生成18克水。
b.化学反应方程式及计算:
用分子式及符号经平衡后表示化学反应过程的式子叫化学方程式。
如AgNO3+NaCl=AgCl↓+NaNO3知道化学反应方程式后,我们就能计算出多少参加反应的物质能生成多少反应生成物。
按上面的反应方程式,我们就可以计算出由一种已知数量的某种物质,求出参与反应的另一种物质的数量。
例如已知170gAgNO3与58克NaCl可生成143克的AgCl和85克的NaNO3,如果要配制40克AgCl,求需要的AgNO3和NaCl的数量。
解:
按AgNO3+NaCl=AgCl↓+NaNO3
1705814385
xy40
需AgNO3:
170:
143=x:
40x=170×40/143=47.5克
需NaCl:
58:
143=y:
40y=58×40/143=16.2克
c.化合价
在化学反应中每一种原子只能与一定数量的其它元素的原子相化合,这种性质叫做元素的化合价。
采用氢原子的化合价作单位,规定氢原子的化合价为1价,不与氢原子化合的元素原子的化合价由其它已知价的元素来确定。
化合价可以用原子结构学说来解释:
这就是原子外层电子的得失与共用。
由于各种元素的原子外层电子数不同,所以要达到稳定状态所需的电子数也不同,表现出的化合价就不同。
例如氢原子外层只有一个电子,它要达到稳定的2个电子的状态,需要与另一个电子化合,因此氢的化合价总是一价。
d.化学反应类型的一种分法表达式
①化合反应Fe+S=FeSA+B=AB
②分解反应2HgO=2Hg+O2↑AB=A+B
③置换反应Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑A+BC=AC+B
④复分解反应3NaOH+FeCl3=3NaCl+Fe(OH)3↓AB+CD=AD+CB
另一种分法-根据物质反应特征来分:
①氧化反应C+O2=CO2
②中和反应 H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O
③分解(还原)反应2HgO=2Hg+O2↑
④氧化还原反应物质失去电子,化合价升高,被氧化;物质得到电子,化合价降低,被还原。
氧化还原反应同时存在,同时发生,两者既对立,又统一,不能截然分开。
反应类型 得失氧情况 举例
氧化反应物质得到氧的反应 2Mg+O2==2MgO
还原反应物质失去氧的反应 CuO+H2==Cu+H2O
失电子化合价升高氧化反应
得电子化合价降低还原反应
⑴.氧化还原反应与四种基本反应类型的关系。
反应类型反应实例是否氧化还原反应与氧化还原反应的关系
化合反应3Fe+2O2=Fe3O4 是相关
化合反应CaO+H2O=Ca(OH)2非
分解反应2H2O=2H2↑+O2↑是相关
分解反应CaCO3=CaO+CO2↑非
置换反应Fe+CuSO4=Cu+FeSO4是从属
复分解反应NaOH+HCl=NaCl+H2O非对立
⑵.氧化还原反应的本质是电子转移(得失或偏移),表现为元素化合价的升降,不一定有氧的得失。
氧化剂——得电子(电子对偏向)的物质
还原剂——失电子(电子对偏离)的物质
6.溶液及其浓度:
(1)溶液:
溶质溶解于溶剂中组成溶液,如NaCl水溶液。
(2)溶液的浓度:
a.克/升――这是电镀溶液中常用的一种表示方法,表示每升溶液中含有溶质的克数。
b.百分比浓度(%):
用溶质的重量占全部溶液重理的百分比表示。
c.体积比浓度:
是指溶质(或浓溶液)体积与溶剂体积之比值。
铅阳极材料的标准应符合加工铅的牌号GB/T1470~1474-1988
牌号
主要成分Pb不小于(%)
杂质含量不大于(%)
Ag
Cu
Sb(锑)
As(砷)
Bi(铋)
Sn
Zn
Fe
总和
Pb1
99.994
0.005
0.001
0.001
0.0005
0.003
0.001
0.0005
0.0005
0.006
Pb2
99.9
0.002
0.01
0.05
0.01
0.03
0.01
0.002
0.002
0.1
锡的牌号GB/T728-1984
牌号
主要成分Sn不小于(%)
杂质含量不大于(%)
Pb
Cu
Sb(锑)
As(砷)
Bi(铋)
S
Zn
Fe
总和
Sn1
99.9
0.045
0.008
0.020
0.010
0.015
0.001
0.007
0.1
Sn2
99.8
0.065
0.02
0.05
0.02
0.05
0.005
0.01
0.2
锌、铜、镍(GB/T470-1983、GB/T466-1982、GB/T6516-1986)主要成分含量不少于:
Zn-199.99%、Cu-199.95%、Cu-299.90%或含磷0.1~0.3%的磷铜板、Ni-099.99%
Ni-199.9%、Ni-299.5%、Ni-399.2%
镀黄铜用阳极(ZHD)含铜70~75%GB/T8737-1988
第二节电化学知识
电化学是化学的一门分科,它是研究化学过程与电能的关系的一门科学。
一、电解液
1电解液(质):
能导电的溶液叫电解液,此溶液中的溶质叫电解质。
2PH值:
0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14
酸性增强←――――中性――――→碱性增强
3电解:
对电解液施加外加电压,便有电流通过。
电解质在电流作用下被分解的过程叫电解。
电解时,电解液中阳离子移向阴极,在阴极得到电子被还原;阴离子移向阳极失去电子被氧化。
例如硫酸铜溶液中接入两电极,通过直流电。
此时接电源的阴极板上有铜和氢气析出;在阳极上同时发生铜的溶解和氧气的析出。
阴极:
Cu2++2e→Cu2H++2e→H2↑
阳极:
Cu-2e→Cu2+4OH--4e→2H2O+O2↑2SO42-+2H2O-4e→2H2SO4+O2↑
在阳极上溶解铜,补充了电解液中铜离子的消耗。
如果我们在阴极上挂上清洗好表面的零件,则铜在零件上沉积的过程叫电镀。
④电解质和非电解质:
电解质、非电解质是根据物质在一定条件下能否导电对化合物的一种分类。
电解质-在水溶液里或熔化状态下能够导电的化合物,如酸、碱、盐等。
非电解质-在水溶液里和熔化状态下都不导电的化合物,如蔗糖、酒精等。
强电解质:
在水溶液中全部电离成离子的电解质。
如NaCl、NaOH等
弱电解质:
在水溶液中只一部分电离成离子的电解质。
如NH3·H2O、CH3COOH等。
二、电解定律电化当量电流效率
1电解定律
a.第一定律:
在电极上所析出的物质重量与电流强度和通电时间成正比,即与通过的电量成正比。
b.第二定律:
在不同的电解液中,通过相同的电量时,在各溶液中所析出物质的重量与它的化学当量成正比,并且析出1g当量的任何物质应通过96500库仑电量。
2电化当量
在一秒钟内通过1安培电流,在阴极上析出的物质重量,叫该物质的电化当量。
为使用方便常用安培-小时析出物质重量做单位。
元素的当量=原子量/化合价
Cr+6----0.324g/A•hCr+3----0.647g/A•hZn+2----1.22g/A•h
③电流效率
电解时,实际析出的物质重量总是与理论上计算出来的不一样。
实际析出的重量与理论计算应析出重量之比用百分率表示成为电流效率。
用“η”表示。
η=m÷(I•t•C)×100%式中:
m-实际析出的物质重量(克)
I-电流(安培)
t-时间(小时)
C-电化当量(克/安培-小时)
例题:
通过电流20安培,经两小时在阴极上析出铬之重量为1.8克,求镀铬的电流效率?
第三节电镀知识
一、金属腐蚀(锈蚀)
a.概念:
金属或合金与周围介质发生化学的、电化学的或物理的溶解作用引起的破坏统称为金属腐蚀。
b.分类:
按反应类型分为化学腐蚀、电化学腐蚀;按破坏形式可分为全面腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀;按环境条件分为大气腐蚀、土壤腐蚀、电解液腐蚀、接触腐蚀、应力腐蚀、其它条件下腐蚀(生物、摩擦、放射条件等)。
每年因各种腐蚀造成的金属损失超过10%,为了防止金属腐蚀,延长金属制品的使用寿命,人们研究了许多防止锈蚀的方法。
二、防止金属腐蚀的方法
(1)保护层的分类:
金属保护层(电镀、热浸镀、热渗镀、真空蒸发镀、热喷镀、化学镀、);非金属保护层(油漆、塑料、橡胶、沥青、混凝土、搪瓷、玻璃);化学保护层(化学氧化处理、阳极氧化处理、磷化除理、钝化除理);暂时保护(油封、可剥性塑料)。
(2)电化学保护:
有外电源阴极保护法、保护器保护法、阳极保护法。
(3)腐蚀介质处理及缓蚀剂法。
三、电镀前的准备
1.抛光
2.清洗(表面除油):
有机溶剂清洗、化学除油、电化学除油、超声波除油、手工除油。
除油是否彻底的标准一般是以润水而定。
整个零件表面水膜完整即是除油合格,否则需重新除油。
目的是提高镀层结合力。
3.除锈:
机械去锈――喷砂、刷光、磨光、抛光、滚光;化学腐蚀去锈――没进行机加工的表面或精度要求较低的零件;弱腐蚀――a.硫酸(10%)+盐酸(5%)b.盐酸150~250g/l,机加或抛光后的表面;
4.中和:
Na2CO3(3~5g/l)
5.阳极腐蚀:
CrO3200~250g/l、H2SO42~2.5g/l。
四、镀铬
种类:
装饰性镀铬、硬铬(耐磨铬)、乳白铬――抗磨性能好,硬度偏低,在乳白铬上加镀光亮耐磨铬称为防护-耐磨双层铬、松孔镀铬――储油耐磨镀层、镀黑铬。
1.镀铬溶液的类型、特点
性能
类型
电流效率
(%)
均镀
能力
深镀
能力
光亮
区域
孔隙
镀层
光亮
抛光性
显微
硬度
对设备
要求
阳极
成分
标准镀铬溶液
8-13
差
差
狭窄
多
光亮
较好
600-900
衬铅或
塑料
铅锑合金
锑6-8%
复合镀铬溶液
18-25
较好
较好
较宽
较少
光亮
好
800-1000
衬铅或
塑料
铅锡合金
锡30-50%
自动调节镀铬
18-20
较好
较好
较宽
较少
光亮
好
600-1000
衬铅或
塑料
铅锡合金
锡在10%
四价铬盐镀铬
18-20
较好
较好
较宽
较少
较好
500-800
铜槽或
塑料槽
铅锑合金
含锑6-8%
快速镀铬溶液
18-20
较好
较好
较宽
较少
光亮
较好
600-1000
铜槽或
塑料槽
铅锑合金
含锑6-8%
HEEF-25高效
快速镀铬
25
较好
较好
较宽
较少
光亮
较好
>1000HV
铜槽或
塑料槽
铅锡合金
锡7%
2.镀铬工艺规范
类型
含量g/l
名称
低浓度
标准浓度
高浓度
HEEF-25高效
快速镀铬
铬酐CrO3
硫酸H2SO4
添加剂HEEF-25
三价铬Cr+3
温度℃
电流密度DkA/dm2
阳极材料
用途
150-180
1.5-1.8
1.5-3.6
50-60
30-50(钢)
25-35(铜)
含锑6~8%的铅锑
合金
镀硬铬
200-250
2.0-2.5
2-5
50-60
40-60(钢)
25-35(铜)
含锑6~8%的铅锑
合金
镀硬铬、装饰铬
300-350
3.0-3.5
3-7
50-60
30-50
含锑6~8%的铅锑
合金
装饰铬
225-275
2.7-4.0
开缸15g/l(补)
6-10
55-60
30-75
含锡7%的铅锡合金
镀硬铬
铬酐浓度与溶液比重、波美度读数关系(15℃)
溶液比重
波美度数
铬酐浓度g/l
溶液比重
波美度数
铬酐浓度g/l
1.04
1.05
1.06
1.07
1.08
1.09
1.10
1.11
1.12
1.13
5.2
7.0
8.5
9.5
11
12
13.5
14.5
16
17
57
71
85
100
114
129
143
157
171
185
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19
1.20
1.21
1.22
1.23
18
19
20
21.6
22.5
23.5
24.5
25.5
26.5
27.5
200
215
229
243
257
272
286
300
316
330
3.镀铬溶液成分对铬层质量的影响
(1)铬酐浓度的影响:
镀铬溶液中铬酐的含量一般在150g~400g/l之间,溶液中铬酐浓度提高时,溶液的导电率提高,而阴极电流效率下降,沉积速度慢。
铬酐浓度低,其电流效率虽然较高,但电解液不稳定,工作范围狭窄。
因此,高、低浓度的电解液在应用上都受到一定的限制。
中等浓度的铬酐的电流效率、分散能力中等,电解液稳定,镀层结晶致密,硬度较高,工作范围较宽,故得到广泛应用。
(2)硫酸浓度的影响:
在普通镀铬溶液中,硫酸的含量为铬酐含量的1%(即CrO3/SO42-=100:
1),控制范围在0.8~1.2%。
当CrO3/SO42-=100:
1时,镀铬阴极电流效率最高;CrO3/SO42-<100:
1时,虽然能提高镀层的光亮程度,但却降低了阴极电流效率、沉积速度及溶液的深度能力,硫酸根含量大于1.5%时,镀层质量明显下降;CrO3/SO42->100:
1时,能改善溶液的深度能力,却降低了阴极电流效率和沉积速度,铬层的光亮程度也差。
如镀铬溶液中硫酸含量过高时,可用碳酸钡(BaCO3)或[Ba(OH)2·8H2O]沉淀多余的硫酸。
反应方程式为:
BaCO3+H2SO4→BaSO4↓+CO2↑+H2O根据此反应方程式可知,每2克BaCO3可沉淀1克H2SO4。
(3)三价铬的影响:
镀铬溶液中存在一定量的三价铬是必要的,其含量一般为2~6g/l。
三价铬过低,沉积速度缓慢,镀层较软,镀液均镀能力差;三价铬过高,镀层光亮程度差,光亮范围缩少。
消除多余的三价铬的方法:
当三价铬含量过高时,可采用细铁棒作阴极,阳极面积约为阴极面积的10~30倍,阳极电流密度1.5~2A/dm2,通电处理1小时,可氧化处理三价铬0.3g左右。
镀铬溶液中产生三价铬的方法:
(新配制或Cr3+过低时都可以)a.电解法――采用大阴极小阳极电解产生三价铬,阴极铁板面积是阳极面积的5~10倍,溶液温度50~60℃,阴极电流效率5~10A/dm2,通电处理时间2~4小时。
b.双氧水法――用30%的双氧水,按每升加入4毫升计算量,然后将双氧水稀释一倍,慢慢地倒入配置好的镀铬溶液中,搅拌均匀即可。
最好是在溶液升温前加入,一可以防止溶液溅起伤人,二可以减少双氧水的挥发。
(4)阴极电流密度及温度的影响:
镀铬的电流密度及溶液温度对镀铬溶液性能(均镀能力、阴极电流效率)及镀层性质(如光泽、硬度、网纹等)影响很大,必须严格控制。
当改变其中一个工艺条件时,其他工艺条件也必须做相应的调整。
镀铬的阴极电流效率随阴极电流密度升高而升高,随温度的升高而降低。
所以阴极电流密度必须与溶液温度相匹配,否则会影响镀层性质。
当镀铬工艺规范确定时,溶液温度变化最好控制在±1~2℃范围内。
具体说阴极电流密度及溶液温度对镀层的影响为:
温度、电流密度对铬镀层硬度的影响
电流密度
A/dm2
铬层显微硬度值HV(Kgf/mm2)
20℃
30℃
40℃
50℃
60℃
70℃
80℃
10
20
30
40
60
80
900
690
675
670
695
695
1050
670
660
690
690
700
1100
1190
1145
1030
840
725
910
1000
1050
1065
1100
1190
760
895
940
985
990
1010
450
570
755
755
780
955
435
430
435
440
520
570
Ⅰ.当溶液温度高(65℃以上)而阴极电流密度低(15~25A/dm2)时,镀层为乳白铬,硬度低(430~570HV),无网纹;
Ⅱ.当溶液温度中等(45~60℃)和中等电流密度(15~50A/dm2)时,镀层为光亮铬,硬度高(985~1000HV),有网纹。
Ⅲ.当溶液温度低(30~40℃)、阴极电流密度高(20~40A/dm2)时,镀层呈灰色无光,硬度高(1100~1190HV),脆性大,有网纹。
Ⅳ.当溶液温度低(20~30℃)、阴极电流密度在(10~20A/dm2)时,镀层光亮,硬度中等,有网纹,阴极电流效率为5~8%。
(5)杂质的影响及去除方法:
镀铬溶液的有害杂质是:
铁、铜、锌、氯离子及硝酸根等。
①铁最高允许含量为8g/l,其来源是零件掉入槽中,停电时挂具在溶液中被腐蚀,“阳极处理”时零件溶解所造成。
溶液中铁的含量过高,导电率下降,电流不稳定,光亮范围缩少。
去除方法:
a.可更换部分溶液;b.用“732”强酸性阳离子交换树脂(聚苯乙烯磺酸型)处理,这时铁、铜、锌和三价
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