低温镀铁_1124

低温镀铁

科华精细化工研究所(230051) 董富岳

概述

低温镀铁在我国交通、农机、冶金、采矿等许多部门被广泛地应用，特别在修复各种机械磨损零件中取得显著的经济效益和社会效益。

低温镀铁是一项经济而实用的电镀技术，与其它修复技术，例如金属喷涂、振动堆焊、镀铬和高温镀铁相比，有着显著的优点。

金属喷涂，具有耐磨性高，喷镀层厚，生产率高等优点，但结合强度低（不大于110kg/cm2），对疲劳强度影响大，优质钢丝浪费较多，工人操作条件差（金属粉尘多、噪音大），设备复杂等缺点。

振动堆焊有足够的硬度、耐磨性高、结合强度好、生产率高、堆积厚度大，可修复较大的零件，但疲劳强度下降36%，易出现气孔、裂纹，造成零件断裂等缺点，并且设备复杂。

镀硬铬的硬度和耐磨性高，有足够的结合强度，但镀层薄、生产率低、耗电量大、电解液贵、所产生的气体毒害性大等缺点。

在本世纪四十年代出现了高温镀铁，操作温度高，在95—98℃之间、对各种规变化的敏感性强、镀层软不耐磨等缺点，限制了它的应用。

现在我们所应用的低温镀铁的工艺，发挥了高温镀铁的优点，同时又克服了它某些缺点，使其成为一项有推广价值，有实用意义的工艺。与高温镀铁工艺相比，低温镀铁工艺所具有的优点是：

1.施镀温度低，在室温下就能工作，省去了加温和保温设施。镀槽可采用一般的聚氯

乙烯槽。

2.成本低，主要体现在三个方面：

（1）生产率高，在温度35—45℃的情况下，每小时镀层厚层为0.2毫米，镀铬一般为0.03毫米。

（2）耗电少，其电流效率达90%以上，而镀铬只有12%左右。

（3）配制和维护电镀液所消耗的主要材料就是盐酸和低碳钢板，价格低廉而容易获取。

3.工艺围宽，高温镀铁温度控制要求严格，一般为96±2℃，而低温镀铁的施镀温度

从室温到60℃均可，主盐浓度允许在120—600克/升围。

4.结合强度好、硬度高，镀层本身可达Rc40左右，因此镀后可直接应用。

5.镀层厚，最厚可达2毫米，镀铬不宜超过0.3毫米。

6.操作环境较好。

由上可知，低温镀铁是一种很有发展前景的修复工艺。但目前也存在着一些缺点，比如要采用交流不对称起镀，因此电源较为复杂、需要配备专用电源、零件不能连续投放、施镀过程中送电操作相对比较复杂、需要经常刷洗极板上的阳极泥、镀液维护较麻烦等，有待于进一步研究简化工艺。

一、镀铁原理

1.镀铁过程的电化学反应

低温镀铁液主要成份为氯化亚铁及少量的盐酸，它们在水溶液中电离：

FeCl2→Fe+++Cl-

HCl→H++Cl-

H2O H++OH-

上述离子作不定向运动，如果加入阴极(例如工件)和阳极(例如低碳钢板)通过低压直流电，在电场力的作用下，这些正负离子就作定向运动。并在电极上作氯化一还原反应。

阴极：

Fe+++2e→Fe

Fe++++e→Fe++

2H++e→H2↑

阳极：

Fe-2e→Fe++

4OH--4e→2H2O+O2↑

2.铁在阴极析出原理

按上述所述，镀铁和其他电镀，例如镀镍镀锌一样，在电场力的作用下，阳极不断溶解，阴极上金属不断析出。

在镀铁电解液中，阳离子有Fe++和H+，从元素电化序来看铁的析出电位比氢高，因而理应待氢全部析出后，铁才会析出，但事实上并非如此，各种离子的析出电位随各种因素，例如被镀件表面材质、表面状态、电解液的性质、电流密度等有关，使实际析出电位有所差异，称为超电压，一般金属在阴极析出时超电压很小，可忽略不计，但氢在阴极上析出的超电压却很高。

下表是氢在三种不同阴极电流密度下的超电压值：

D k﹒A/dm2V

10.5571

5 0.9000

10 0.8184

由于超电压的存在在通常的电流密度下，使氢的实际析出电位超过铁的析出电位，因此铁离子（Fe++）比氢离子（H+）易获得电子还原在阴析上得到含有微量氢的铁镀层。

3.低温镀铁的原理

在直流镀铁中，由于电的边缘效应（即尖端放电）造成电力线在不同曲率表面分布不均匀的特点，因此被镀表面光洁度无论有多高，镀层在微观上由于电流分布不均衡，凸峰处实际电流大于给定值，凹处电流小于给定值，使镀层沉积不均匀，而且不平度比零件表面差异更大，结果使实际电流分布更不均衡，而且是恶性循环。

特别铁的电化当量高（1.042克/安培﹒小时）电流效率高达95%，镀层沉积速度快，0.0215

毫米/安培﹒分米2小时。使之差别较其他镀种更为突出，造成镀层结构和性能的差别导致应力增加，结合力降低，使镀层容易脱落。

以往为了抑制差别的发展，提高结合强度，减少应力，就提高电解液的温度，降低电流密度，严格控制工艺规，这就是高温镀铁的由来，其结果是电解液变化大，工艺规控制困难，镀层硬度低，使该工艺推广困难。

通过实践，使人们认识到，改善实际电流密度不均衡是缩小镀层应力的决定因素，其关键是将电流的边缘效应这个有害因素，转化为有利因素。于是就采用不对称交流起镀的新工艺以克服直流镀铁的弊病。

低温镀铁在工艺上的突破点就是用不对称交流起镀，以提高其结合强度，改善表面的不平度。其原理如下：通电后当较大的半波通过瞬间时，零件呈阴极，这将和直流镀铁一样，零件表面获得凹凸不平的镀层，当较小半波时（负半波）瞬间又使零件呈阳极，镀层一部分将溶解掉。根据电边缘效应特性，凸峰尖处的镀层大量溶解到溶液中去，在凹陷处溶解却很少，减少了表面不平的差别，而且也是镀层氢减少，且镀层均匀，这样周而复始，在较均衡的电流密度下，析出结晶均匀，渗氢较少，而且结构一致的镀层，这种镀层应力很小，结合强度较高，这样就能够在较低的温度下，镀出合格的、适用的铁镀层。

二、低温镀铁液的配制

1.镀铁电解液的基本类型及配方

电镀层质量很大程度上取决于镀液成分及电镀工艺规，作为镀铁液一般应满足下述要求：

（1）有较宽的工艺规。

（2）镀液成分应简单、稳定、容易调配和维护。

（3）有较高的沉积速度，允许获得较厚的镀层。

（4）镀层性能能满足使用要求。

（5）对操作人员和环境有利。

镀铁电解液主要有氯化亚铁型，硫酸亚铁型和二者混合型。

国外目前广泛采用的镀铁液为氯化亚铁型，即单盐氯化亚铁电解液，其基本成分就是氯化亚铁和少量的盐酸。

氯化亚铁电解液具有较好的工艺性能、生产率高，沉积速度快，电流效率高，并能获得光滑致密的镀层，其配方和配制方法简单，缺点是分散能力较差，对杂质较为敏感。

三种类型镀铁液典型配方如下：

(1) FeCl2﹒4H2O 300～400g/l

PH 0.5～1.5

T 30～50℃

D k10～20A/dm2

(2) FeSO4·7H2O 450～500g/l

MnSO41～3g/l

K2SO4150～200g/l

C2H2O41～3g/l

T 95～98℃

PH 2.5～3

D k 5～10A/dm2