镀铁添加剂在镀铁工艺及技术中的作用

每日一篇 2020-02-28

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一、电镀铁的基本性能

铁镀层呈有光泽的银白色,具有高硬度(HRC40~55,最高60)和耐磨性。化学成分与工业纯铁相似，但硬度比纯铁高5~10倍，这是由于有超细晶粒强化、应力强化、弥散强化这故。

由于纯度高耐蚀性好，腐蚀速度比普通碳钢低40%。

铁镀层在潮湿空气中易氧化成FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄等氧化物，在硫酸、盐酸、硝酸等溶液中都不稳定，在浓硝酸中能钝化。在浓氢氧化钠中能缓慢溶解，故不能作防护装饰镀层。普遍用来修复因腐蚀、磨损的轴、缸套等零件。在我国农机、交通、船舶、铁路运输及其它工业部门用镀铁代替硬铬收到很大的经济效益。

镀铁的应用范围及镀层厚度，列于表17-8。镀铁与镀硬铬的性能对比，列于表17-9。

表17-8 镀铁应用范围及镀层厚度

镀铁的用途	铁镀层单面厚度/μm
提高活字铅板的耐磨性和寿命	10~100
保护铜板免受印刷染料的腐蚀作用	10~100
恢复磨损和腐蚀严重的钢零件	100~150
改变铸铁镀锡、锌、铬的结合力	5~15
高合金钢在氧化之前镀铁	5~10
提高防护—装饰电镀铬性能（镀铜前镀铁）	5~10
提高零件表面硬度（硬质镀铁）	30~200

表17-9 镀铁与硬铬性能对比

指标	单位	镀铁		镀硬铬	备注
指标	单位	交—直流或直流	特殊波形	镀硬铬	备注
结合强度	/MPa	≥200	≥260	≥300	镀铬随厚度增加,而结合强度下降镀铬厚度难提高,过厚易脆落
硬度	/HV	430~800	320~600	800~1000
一次镀层厚度	/mm	φ1~3	φ2~6	φ0.1~0.3
沉积速度	/mm·h	0.4~0.6	0.6~0.9	0.03~0.06

二、电镀铁的类型及工艺流程

常用的镀铁液有氯化物(低温、高温)、硫酸亚铁盐（低温、高温）、氟硼酸盐等。以低温氯化物镀铁应用最普及。

镀铁前处理

镀铁主要用于修复被腐蚀和被磨损的零件。铁镀层与基体的结合力是最关键的，而影响结合力的关键因素是镀前处理，要使镀件表面洁净并明显裸露其结晶组织。

首先进行除油、除锈，然后进行刻蚀处理。刻蚀方法有阳极刻蚀、盐酸腐蚀和对称交流活化等3种。盐酸腐蚀法只有57MPa的结合力，阳极刻蚀与对称交流活化的结合强度可高达330Mpa。阳极刻蚀后表面留有一层钝化膜，因钝化膜厚度不均，影响镀层结合强度不稳定，在起镀之前必须由镀液中的氯离子将钝化膜除去。

近些年开发的对称交流活化法不用硫酸刻蚀，活化和电镀在同一槽内进行，不仅降低了劳动强度，还节约了刻蚀设备和材料，减少了环境污染，受到普遍重视，目前大都采用此法。

1、阳极刻蚀法

零件待镀面经车削、磨光后，非镀面应绝缘封闭。待镀面用石灰浆除油擦洗后除氧化膜。锈蚀严重的待修复零件，最好用吹砂除锈，对严重锈蚀点必须用吹砂将麻点喷平。

阳极刻蚀用30%的硫酸溶液，以铅作阴极，镀件为阳极，根据基体材料不同选择不同的刻蚀参数。

（1）阳极刻蚀适合于铸铁、球墨铸铁、镀铁层、低中碳钢等零件。其工艺参数如表17—10所列。

表17—10 阳极刻蚀工艺参数

	铸铁	球墨铸铁、镀铁层	低、中碳钢
阳极电流密度/A·dm^-2	50~70	50~70	50~70
刻蚀时间/min	0.5	0.5~1	1~1.5
刻蚀后外观	灰色	灰白色	银白色
退钝化膜时间/min	0.5~1	1~1.5	1.5~2

(2) 二步阳极刻蚀适用于高碳钢、淬火钢、合金钢和表面有硬化层的零件。

第一步阳极电流密度4A/dm²~5 A/dm²，电解10min~15min（碳钢取下限、合金钢取上限）。

第二步阳极电流密度60 dm²~80 dm²，电解20s~30s。表面应呈银白色。

注意：电解时电压力求稳定，以防表面周期性发生黑白变化；零件出槽时动作迅速，彻底清洗后，要带电入槽；若生成的钝化膜色不正或局部发黑，用水砂纸打磨，重新刻蚀。

2、对称交流活化法

无刻蚀镀铁工艺是在35~45,PH0.6~0.9,相对密度1.21~1.23的氯化亚铁溶液中,利用对称的交流电冲击、活化待镀表面，待表面金属光泽明显减弱后，施加一个冲击电流，使正向电流密度大于负向电流密度，然后逐步调节正向或负向电流密度，使之最后过渡到直流电镀。

17.2.2 氯化亚铁镀铁

氯化亚铁镀铁分为高温和低温两种。低温镀铁省能源，具有沉积速度快、电流效率高、镀层硬度高（HRC45~60）等特点。低温镀铁常作耐磨镀层，由于温度低，亚铁氧化慢，相对较稳定，所以应用最多。

氯化物高温镀铁可采用高浓度和大电流密度，故沉积积速度快，在较短时间内获得厚镀层。镀层纯度高、硬度低、韧性好，内应力小。但能耗大，亚铁易氧化成三价铁而影响镀层质量。低温和高温镀铁工艺规范，列于表17—11和表17—12。

表17—11 氯化物低温镀铁的工艺规范

成分及操作条件	配方
成分及操作条件	1	2	3	4
氯化亚铁FeCl₂·4H₂O/ g·L^-1	300~400	300~400	350~400	400±50
氯化钠NaCl/g·L^-1		10	10~20
南京清竹科技 HA镀铁添加剂	20毫升/升	20毫升/升	20毫升/升	20毫升/升
硼酸H₃BO₃ g·L^-1			5~8
PH值	1~1.5	1~1.5	1~2	1.5~2
温度/	18	30~40	30~55	20~40
阴极电流密度/A·dm^-2	10~20	15~20	15~30	20~30

表17—12 氯化物高温镀铁工艺范围

成分及操作条件	配方
成分及操作条件	1	2	3
氯化亚铁FeCl₂·4H₂O/ g·L^-1	450~500	300	350~500
氯化钙CaCl₂ /g·L^-1	200~500
氯化铵NH₄Cl /g·L^-1		60~80
氯化钠NaCl/g·L^-1			50~100
南京清竹科技HA镀铁添加剂	20毫升/升	20毫升/升	20毫升/升
盐酸/ g·L^-1	0.2~0.7		0.5~0.7
PH值	1.2~1.5	1.5~2.5	1~2
温度/	90~100	65~70	95~105
阴极电流密度/A·dm^-2	10~20	8~12	10~20

1、镀液配配制

可直接用市售的氯化亚铁配制，也可先自制氯化亚铁（将过量的已洗干净的铁屑加入盛有按2：1稀释的盐酸溶液中使其溶解，当盐酸全部与铁屑作用完毕后，溶液接近于中性）。将制备的溶液进行过滤，并分析氯化亚铁含量后，即可用来配制镀液。再称取其他材料，分别溶解后加入槽内搅匀，分析调整，然后进行通电处理。阴极电流密度为8A/dm² ～10 A/dm²，阴极与阳极面积比为1：4，PH值0.5～1，电解到溶液转为亮绿色（在1%的KCNS溶液检验不呈明显红色，表示无三价铁），阴极上毛刺呈有光泽的圆球状时即可认为处理合格，可以生产。

2、组成和操作条件的影响

（1）氯化亚铁镀铁主盐。其浓度可在较大范围内变化（250g/L～500 g/L）。随主盐浓度升高允许电流密度增加，沉积速度加快，但硬度下降，韧性提高，镀层易粗糙；过低则沉积速度慢，脆性增加，硬度提高。亚铁含量可用化学分析或测量镀液密度而得，镀液密度与FeCl₂·4H₂O、Fe²⁺含量的关系，列于表17—13

表17—13 镀液密度与FeCl₂、Fe²⁺含量的关系

相对密度	FeCl₂·4H₂O	Fe²⁺	相对密度	FeCl₂·4H₂O	Fe²⁺
（d）	/g·L^-1	/g·L^-1	(d)	/g·L^-1	/g·L^-1
1.17	300	84.30	1.26	450	126.5
1.20	348	98	1.29	500	140.5
1.23	400	112	1.30	516	145

亚铁在空气中易氧化成三价铁,温度和PH值升高,氧化加剧。采用低PH值和低温电镀有利于镀液稳定。三价铁的存在十分有害，在PH值为2.5以上就可能形成胶状的氢氧化铁,将降低电流效率,导致镀层应力大、脆性和麻孔。可用大阴极电流密度电解还原。

（2）附加盐镀液中往往加入碱金属盐以提高镀液的电导。氯化钙有吸潮特性可减少水份蒸发；氯化铵可提高硬度和减慢亚铁的氧化速度，同时，也是溶液PH的缓冲液，有稳定PH的作用。

（3）PH值镀铁阳极电流效率接近100%，阴极电流效率低于100%，PH值升高，为此必须经常测定PH值和用盐酸调整。PH值高将加速亚铁氧化和产生氢氧化铁沉淀，导致镀层质量恶化。

（4）温度随温度升高，可允许工作电流密度增大，沉积速度加快。但镀液稳定性降低，镀层的硬度和脆性也降低。

（5）阴极电流密度在一定范围内，随电流密度增高，镀层硬度也增高，继续升高到某一值时，镀层硬度不再随电流密度增高而增高，但镀层变得粗糙。

（6）阳极镀铁阳极应为纯铁或含碳量不大于0.1%的钢材。工作时阳极电流效率甚至大于100%，所以阳极面积应比阴极面积小一些，一般阴极：阳极面积为1：（0.5～0.7）。电镀时为防止阳极泥渣掉入槽中应采用阳极袋。停镀一天以上应取出阳极。

（7）杂质的影响镀铁中锌、铜、镍离子有害。锌为0.2g/L以上时,镀层内应力增大. 0.2g/L的铜在高温槽中会导致海绵状镀层,镀层韧性降低.铜和铅大于0.1g/L、镍和钴大于0.2g/L时,在高温槽是的低电流密度区会造成镀层粗糙和降低分散能力.金属杂质可用瓦楞形阴极,在0.5A/dm²的电流密度下电解处理。