電鍍新工藝和新技術(shù)的回顧與展望

小瑋

　　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。

( R- A; Z, ~2 I9 P/ v) g　　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
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１、前言
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　　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。
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　　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)。
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　　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。

$ U: n, U: i( w- ^/ w, @) T　　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。
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２、電鍍新工藝介紹

5 M2 |4 N4 q* w1 r5 G& V2.1合金電鍍

7 [& H. E0 Y  D) Z2 x4 c　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。現(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。
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6 \0 \. i2 m( a( }+ |, P+ s0 q9 q　　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。

/ f# E" W6 _& O1 Y2 B( a　　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,但是自從日本汽車打進(jìn)歐洲和北美市場(chǎng),汽車的耐鹽防護(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。
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7 X$ |8 e6 y4 k7 Y　　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。因此在汽車等行業(yè)有較多應(yīng)用。
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　　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。
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　　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。

7 I: j( e) B5 |$ a8 @2 B! Z　　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。
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　　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]
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4 V0 l! w  I! u7 ]( }% D2 b　　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。
/ k9 ^, E) Q# j( V, o+ o0 D2.2電子電鍍

/ p0 i6 @5 |. ?/ Y. E　　如前所述，21世紀(jì)被稱為高信息化世紀(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。
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; e$ O) i9 q7 u　　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。
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) c, j7 M0 K- m3 q8 e9 V9 n　　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。
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　　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。現(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]

* t3 Y& i' {+ v- Y$ o/ g2.3功能性電鍍

+ Z- Z: U1 d6 U5 L) H9 }3 d6 t　　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)。可以說(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)電鍍加工可以滿足其要求的鍍層，都可以叫功能性鍍層。顯然，要滿足上述各種要求，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。
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. T, _# H: _* j/ y. w　　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＃怪陔婂冞^(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。
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　　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。可以預(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
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3.1貼近現(xiàn)代工業(yè)需要?
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; F- }: S" a1 ~+ s+ x, ]' L　　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。
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9 P) B6 r3 |3 B/ R+ u3.2制造新型材料
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3 A7 Q2 t1 U" P& m" i0 s2 Y- A+ Q　　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。
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1 l" c) Y! x; y" _) }% s) a　　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。總之，人們對(duì)納米寄予了很大的期望。
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5 q% a. [4 B" [- `　　目前世界上納米晶體材料的制作技術(shù)可以分為三大類：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。
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1 i" k" K% O% a) c$ M3.3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

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　　[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
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* z/ N" K% j9 X( i# \4 Z　　[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

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