费敬银
西北工业大学 (710072)
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摘要:本文详细介绍了不同类型刷镀用阳极的基本特性及其选用原则,指出每一类阳极都有其独有的特点和不足,选用阳极时应具体问题具体分析。阳极使用不当时,可能导致刷镀质量下降、成本增加、环境污染或安全生产问题。相比之下,选用FJY系列自补偿刷镀技术、使用金属活性阳极具有更多的优点。
关键词:FJY刷镀,阳极,电刷镀
1 前言
虽然在很多资料或刷镀书籍上都介绍刷镀阳极的特点及使用方法,但是,直到如今,也只有少数人能恰当地选用刷镀阳极,经常有人因阳极使用不当而导致刷镀失败。为了进一步详细说明不同种类阳极的特点及其使用过程中应注意的事项,本文再次就刷镀阳极的使用方法给出具体的指导意见,以免刷镀工作者因为阳极使用不当而带来不必要的经济损失。
2 阳极的种类
根据电化学反应过程中阳极的作用,可将其分为两大类,一类是不溶性阳极,另一类是可溶性阳极。每一大类阳极又包含许多性能各异分支,本文仅讲述常见刷镀阳极的种类、特点及使用方法。
2.1不溶性阳极
在刷镀过程中,阳极材料本身不发生化学变化(但可能发生物理变化,如粉化、变色等),阳极只起导电作用。在阳极上发生的阳极反应主要是析出氧气(如常规快镍)、析出氯气(如特殊镍)、析出混合气体(氧气、氯气)、或镀液中低价金属离子氧化成高价离子的反应(如刷镀铁、刷镀锡过程中低价铁离子、锡离子的氧化等)。具有这种特性的刷镀不溶性阳极包括:石墨、金属铂、铂-铱合金、镀铂钛阳极、贵金属材料(金或镀金阳极)、DSA阳极(钛材表面导电性改性材料)等。近年来,也有人开始使用不锈钢阳极,虽然它不是严格意义上的不溶性阳极(因为不锈钢作阳极时会发生不同程度的电化学溶解),但很多人为了制作仿形阳极,使用它代替难以仿形的石墨阳极刷镀大型、异型零件。常用不溶性阳极的种类及其特点如下。
2.1.1 石墨阳极
高纯石墨是常用的不溶性阳,目前大多数用户刷镀时使用的都是石墨阳极。石墨阳极的优点是廉价,不会对镀液造成严重污染。石墨的缺点是易粉化,镀液的电流效率越低(沉积速度慢的镀液,电流效率通常较低),粉化越严重,如果不及时去掉粉化层,很难正常刷镀。石墨机械强度差,不易制成轻便的大型阳极和形状复杂的小型阳极也是其缺点之一。石墨材料的品种很多,作为刷镀阳极使用的石墨应具有高纯度、高密度、高强度的特性。否则不宜作刷镀阳极使用。下图是石墨阳极实物照片。
2.1.2 金属铂阳极
金属铂(或铂-铱合金)是性能最好的不溶性阳极。这是因为金属铂具有最好的化学稳定性,因此不会污染镀液。金属铂比石墨有更好的导电性,而且阳极反应的过电位小,有利于在较低的电压下刷镀高质量的镀层。但是金属铂的价格太贵(比黄金还要贵一倍),没有人敢使用价格如此高昂的刷镀阳极,我们也只是在无氰电刷镀金时用用它。下图是金属铂阳极的实物照片。
2.1.3 镀铂钛阳极
替代纯铂阳极的最好途径是使用镀铂阳极,目前可供选用的镀铂阳极是镀铂钛阳极。镀铂钛阳极是在钛材上电镀一层厚度为1微米以上的纯铂,其电化学性能与纯铂相近。该阳极的价格约为150-250元/平方分米(价格与镀铂层厚度有关)。国内有很多厂家生产镀铂钛阳极,相比之下,国外进口的镀铂钛阳极具有更长的使用寿命,价格差别并不大。下图是镀铂钛阳极的实物照片。
2.1.4 DSA阳极
比镀铂钛阳极稍便宜的是DSA阳极(也称作尺寸稳定型阳极),近年来在电解工业常用这类不溶性阳极。它是利用高温烧制的办法在钛材表面形成具有电化学活性的稀贵金属氧化物,其作用相当于镀铂钛阳极。与镀铂钛阳极相比,DSA阳极的使用寿命、允许加载的电流密度要低一些。合格的DSA阳极可以在100A/平方分米的电流密度下连续工作80小时以上。有很多厂家生产DSA阳极,价格约为100元/平方分米。在使用DSA阳极时,应针对不同的镀液特性选择恰当DSA阳极。阳极上发生析氧反应(快速镍)的应选用析氧型DSA阳极;阳极上发生析氯反应(特殊镍)的应选用析氯型DSA阳极,否则会降低阳极的使用寿命。下图是DSA阳极的实物照片。
2.1.5 不锈钢阳极
很多人开始喜欢用不锈钢作阳极,相对于前面提到的几种不溶性阳极而言,不锈钢阳极具有价廉、易得、成形、使用方便等特点。在镀液供应充足的情况下,也能够保证刷镀质量。但是,需要强调的是,不能选用低质量的不锈钢(如1Cr13,2Cr13不锈钢等)、不能选用不知牌号的不锈钢作阳极。因为不锈钢是一类以铁为主要成份,添加多种合金元素(铬、镍、钼、钛、铌等)的合金材料,这些金属元素在刷镀过程中会溶解到镀液中,缩短镀液的使用寿命,降低镀层质量。如果必须选用不锈钢作阳极,一定要选用化学稳定性好的超低碳不锈钢(如316L,304L等),至少要选用比1Cr18Ni9Ti稳定性更好的不锈钢材料。实践证明不论选用哪一类的不锈钢,都会降低镀液的使用寿命,因此应经常更新镀液,加大镀液的循环量。一般说来,刷镀时所用镀液的成本只占维修收费金额的5-10%,为了快速、方便的完成刷镀任务,只要能及时更新镀液,可以使用高质量的不锈钢阳极。下图是不锈钢阳极的实物照片。
2.2 可溶性阳极
使用不溶性阳极刷镀的缺点是在刷镀进行的过程中,镀液的组成、镀层的性能不断地发生着变化,导致刷镀质量劣化。当镀液组成变到一定程度后,尽管镀液中仍含有待镀的金属离子,但镀液已不能再继续使用下去。实践证明,镀液的利用率不到60%。但是,到目前为止,即使是电刷镀行业知名的赛来创(Selectron)、达立克(Dalic)、以及波音(Boeing)飞机工业公司,在实际电刷镀生产中使用的仍然是以使用不溶性阳极为主的电刷镀技术。
近年来,越来越多的人开始试用可溶性阳极刷镀技术,许多商家也都宣称自己拥有可溶性阳极刷镀技术。其实采用可溶性阳极刷镀并不难,一般说来,只要使用的是强酸性镀液,添加一些促进阳极溶解的活化剂,在低电流密度下刷镀是可以的。但是,由于酸性镀液存在的问题很多,如氢脆、腐蚀、出现疏松的置换层等问题,真正好的可溶性阳极刷镀技术并不多见。
属于可溶性阳极的材料很多,应根据镀液的特性不同而选用。例如,在常见的酸性电刷镀铁技术应选用的铁阳极,酸性镀铜时可选用磷铜阳极,目前有人推出的酸性镀镍中选用镍阳极。
西北工业大学研制成功具有自补偿特性的FJY系列可溶性阳极刷镀技术是一类近中性镀液,并在许多军民关键设备上得到成功应用。对于超大型、异型零件,建议使用该类镀液。FJY系列自补偿刷镀技术的另外特点还包括刷镀成本降低5-10倍、沉积速度提高10倍、镀层硬度高等一系列优点。下图是自补偿(镍)阳极的实物照片。
3 结论
通过上述关于不同类型刷镀阳极特性及选用原则的介绍可知,每一类阳极都有其独有的特点,选用时必须具体问题具体分析。阳极使用不当时,可能导致刷镀质量下降、成本增加、环境污染或安全生产问题。相比之下,选用FJY系列自补偿刷镀技术、使用金属活性阳极具有更多的优点。
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