电化学-金属的表面精饰
简述金属材料表面主要的处理方法
简述金属材料表面主要的处理方法【摘要】金属材料表面处理方法是为了改善其性能和耐久性，主要包括机械处理、化学处理、电化学处理、热处理和涂层处理。
机械处理方法包括抛光、打磨和喷丸等，可以去除表面缺陷和提高光洁度。
化学处理方法涉及酸洗、镀锌和电镀等，可以防止金属氧化和腐蚀。
电化学处理方法主要是阳极氧化和阳极保护，能够提高金属表面的硬度和耐蚀性。
热处理方法通过调整金属结构和组织，提高其强度和耐磨性。
涂层处理方法包括涂漆、喷涂和镀层等，可以形成保护膜隔绝外界环境。
不同处理方法各有优缺点，未来发展方向是将多种方法相结合，实现表面处理的综合效果。
【关键词】金属材料，表面处理，机械处理，化学处理，电化学处理，热处理，涂层处理，优缺点，发展方向1. 引言1.1 研究背景金属材料在工业生产和日常生活中扮演着重要角色，其表面处理对金属材料的性能和应用有着至关重要的影响。
金属材料表面处理是在金属材料表面施加特定的物理、化学或电化学方法，以改善其表面性能和延长使用寿命的过程。
随着工业技术的不断进步和人们对产品质量要求的提高，金属材料表面处理方法也在不断创新和发展。
传统的金属材料表面处理方法主要包括机械处理方法、化学处理方法、电化学处理方法、热处理方法和涂层处理方法。
每种处理方法都有其独特的优势和适用范围，可以根据具体的应用要求选择合适的方法。
通过对金属材料表面的处理，可以增加其表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能，提高其使用寿命和使用性能，满足不同工业领域的需求。
深入研究金属材料表面主要处理方法及其优缺点，对于提高金属材料的品质、推动工业技术进步具有重要意义。
本文将对金属材料表面处理方法进行简要介绍和分析，探讨不同处理方法的特点与应用，为金属材料表面处理技术的发展提供参考和借鉴。
1.2 研究目的金属材料表面处理方法的研究目的主要包括以下几个方面：提高金属材料的耐磨性和耐腐蚀性，增强金属材料的机械性能，改善金属材料的外观和表面质量，延长金属材料的使用寿命，提高金属材料的可持续利用率，满足不同工业领域对金属材料表面性能的需求，以及探索新型表面处理技术，推动金属材料表面处理领域的技术创新与发展。
第4章 金属的电化学表面精饰1
Material electrochemistry
材料电化学
主讲：谢亚红 教授
新疆大学化学化工学院材料化学与工程教研室
第四章 金属的电化学表面精饰
1
1
第四章 金属的电化学表面精饰
§4.1 金属电沉积和电镀原理
§4.2 电镀过程
§4.3 金属的阳极氧化
2
§4．1 金属电沉积和电镀原理
第四章 金属的电化学表面精饰
3
金属电沉积(electrodeposition) 简单金属离子或络离子通过电化学方法在固体表面放电 还原为金属原子附着于电极表面，获得金属层的过程。 电镀(electroplating)
金属电沉积的一种，通过改变固体表面特性而改善外观， 提高耐蚀性、抗磨性，增强硬度，提供特殊的光、电、磁、 热等表面性质。
第四章 金属的电化学表面精饰
9
×
络离子的阴极还原机理
（1）络离子可以在电极上直接放电，一般放电络离子的配位 数都比溶液中的主要存在形式低。 阴 电极表面溶液本体 极
M (n-x)+L
Mn+L
原因：具有较高配位数的络离子比较稳定，放电 时需要较高活化能，而且它常带较多负电荷，受 到阴极电场的排斥力较大，不利于直接放电。同 时，在同一络合体系中，放电的络离子可能随配 体浓度的变化而改变。
第四章 金属的电化学表面精饰
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§ 4.1.2 金属络离子的还原
阴 极
Mn+
阴 极
n+ M L
为获得均匀、致密镀层，常要求较大的电化学极化条件， 当向简单金属离子溶液中加入络离子时可使平衡电极电势变 负，可满足金属电沉积在较大的超电势下进行。 络离子先解离成简单离子，再在阴极上还原？？？ 简单计算表明，在络合体系中络离子的不稳定常数pK不稳 很小，存在的简单金属离子浓度极低，在此情况下使简单金 属离子在阴极上放电所需施加的电势要很负。
金属表面的电化学抛光全解
三、铝的电化学抛光
铝在化学抛光时，表）速度快，而低凹部位的溶解（腐蚀）速 度小，形成局部阳极，发生部分钝化作用，溶解速度慢所致。 Fischer和和Koch等科学家研究了高纯铝的抛光过程，并根据抛 光过程中铝的溶解速度、逸出气体量及腐蚀电流密度等实验数据， 得出铝在化学抛光中发生的化学反应是由于形成（-）Al/酸（或 碱）/氧化还原体系/惰性金属（+）构成局部电池发生氧化-还原 反应的结果。化学抛光机理模型如下图（1）
二、金属的电化学抛光
电化学抛光又称为电解抛光，是一种在特殊条件 下的电化学腐蚀，它是通过控制金属表面选择性的溶 解，使金属表面微观突出部位较其凹洼部位优先溶解， 而达到表面平整和光亮的目的。以铝电解抛光为例： 铝材做为阳极浸入到配置好的电解质溶液中，以耐腐 蚀且导电性良好的材料做为阴极，根据电化学尖端放 电原理，通电后的铝材表面微小突出部位优先溶解， 与此同时溶解产物与表面的电解液形成高电阻的粘稠 性液膜层，微小突出部位的液膜层较薄，其电阻较小， 从而继续保持优先溶解。同时表面凹洼部位的液膜层 厚，电阻大，凹洼部位的溶解速度相对缓慢，经过短 时间电解处理后，突出部位被溶解整平至凹洼部位的 位置，铝材表面粗糙度降低达到平滑光亮。
一、电极的极化现象
金属的电化学腐蚀热力学分析是判断金属 材料在腐蚀介质中的腐蚀倾向，即判断金属是 否会发生腐蚀，而金属的电化学腐蚀动力学分 析是探究腐蚀作用的动力学规律来解决腐蚀反 应发生、腐蚀扩展机制和原理以及腐蚀发生和 扩展的速度等问题。 根据热力学研究可知，当电化学反应的阳 极氧化反应和阴极还原反应的反应速度大小相 等，则整个反应处于稳定平衡态。且电极电位 处于该电极反应的平衡电极电位。
四、电化学抛光的阳极极化曲线
图1-1（a）为处于活化状态的极化曲线，如图示 电流密度随阳极金属溶解作用均随阳极电位的提高而 增大，阳极金属表面一直处于电化学阳极溶解状态 （又称活化状态）。铁在盐酸中的电化学阳极极化曲 线就属于这一类型。
《金属表面精饰》课件
金属表面精饰的重要性
提高金属制品的外观质量
提高金属制品的耐磨性
通过金属表面精饰，可以去除表面缺 陷，提高表面的光洁度和光泽度，使 金属制品更加美观。
通过金属表面精饰，可以在金属表面 形成硬质层，提高金属制品的耐磨性 和抗划痕能力。
其他领域
如航空航天、船舶、铁路等领域的金属表面 精饰需求。
02
金属表面精饰技术
抛光技术
机械抛光
利用抛光轮、抛光蜡等工具，通 过摩擦力去除金属表面的划痕和
不平整部分，使表面光滑。
化学抛光
利用化学试剂与金属表面发生反应 ，通过腐蚀作用使表面平滑，常用 于不锈钢和铝合金的抛光。
电化学抛光
利用电流的作用，在金属表面形成 一层薄而致密的氧化膜，通过去除 氧化膜实现抛光，具有较高的光泽 度。
抗氧化性能检测
通过高温氧化试验等方法检测金属表面在高温环境下的抗氧化性能，评估表面在高温下的稳定性。
06
金属表面精饰发展趋势与挑战
新技术发展
激光表面处理技术
利用激光的高能量密度，实现金属表面的快速熔融、凝固和合金化 ，提高表面硬度和耐腐蚀性。
等离子喷涂技术
通过等离子体的高温高速射流，将金属或非金属粉末喷涂到金属表 面，形成致密、均匀的涂层，提高耐磨、耐腐蚀和绝缘性能。
电镀技术
01
02
03
镀锌
在钢铁表面电镀一层锌， 以提高耐腐蚀性，常用于 汽车、建筑等行业的金属 构件。
镀铬
在金属表面电镀一层铬， 以提高光泽度和耐磨性， 常见于汽车、家电等行业 的装饰件。
镀金
在金属表面电镀一层金， 以提高导电性和美观度， 常用于电子、通讯等行业 的连接器和端子。
应用电化学金属电沉积和电镀原理
ⅠⅡ ⅢⅣⅤⅥⅦ
Ⅷ
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ 0
AA BBBBB
BBAAAAA
Li Be
B C N O F Ne
Na Mg
Al Si P S Cl Ar
K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
专著名称
说明
电镀工艺学（王鸿建）
该书出版年代较早，但电镀基本理论叙 述较详细
电镀工程（张胜涛）
该书收集了大量新工艺
现代实用电镀技术（陈亚）
该书收集了大量新工艺，并有部分新理 论
电镀工艺与理论（黄子勋）
该书出版年代较早，但电镀基本理论叙 述较详细
4.1.2 金属电沉积原理
1、金属离子还原的可能性
可能电沉积的元素
合金共沉积相特点：
低共溶合金 所形成的合金是各金属组分晶体的混 合物。不同组分金属的晶体独立生长。
如Sn－Pb、Cd－Zn、Sn－Zn、Cu－Ag 固溶体合金 固体溶液 金属间化合物 一种新相，不同于A也不同于B
如Cu6Sn5、Ni3Sn2 性质 硬、脆
4.1.3 金属电结晶
金属电结晶的基本概念： 定义：通常把金属离子或络离子的放电并形成金属晶体的过程
2.电镀过程的实施 基本历程：液相传质→前置转化→电荷传递→电结晶
电镀锌彩色钝化
电镀铜锡合金
电镀铬
我们可以利用电沉积技术做：
(1) 表面处理 增强零件的抗腐蚀性能
(2) 表面处理 增强零件的装饰功能
(3) 表面处理 增强零件的特殊功能如抗高温氧化、抗磨、减磨、
金属的各种表面处理
金属的各种表面处理文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]一、阳极氧化阳极氧化：主要是铝的阳极氧化，是利用电化学原理，在铝和铝合金的表面生成一层Al2O3（氧化铝）膜。
这层氧化膜具有防护性、装饰性、绝缘性、耐磨性等特殊特性。
技术难点及改善关键点：阳极氧化的良率水平关系到最终产品的成本，提升氧化良率的重点在于适合的氧化剂用量、适合的温度及电流密度，这需要结构件厂商在生产过程中不断探索，寻求突破。
二、电泳 ( ED-Electrophoresis deposition )电泳：用于不锈钢、铝合金等，可使产品呈现各种颜色，并保持金属光泽，同时增强表面性能，具有较好的防腐性能。
工艺流程：前处理→电泳→烘干技术特点:优点：1、颜色丰富；2、无金属质感，可配合喷砂、抛光、拉丝等；3、液体环境中加工，可实现复杂结构的表面处理；4、工艺成熟、可量产。
缺点：掩盖缺陷能力一般，压铸件做电泳对前处理要求较高。
三、微弧氧化 (MAO)微弧氧化：在电解质溶液中（一般是弱碱性溶液）施加高电压生成陶瓷化表面膜层的过程，该过程是物理放电与电化学氧化协同作用的结果。
工艺流程：前处理→热水洗→ MAO →烘干技术特点：优点：1、陶瓷质感，外观暗哑，没有高光产品，手感细腻，防指纹；2、基材广泛：Al, Ti, Zn, Zr, Mg, Nb, 及其合金等；3、前处理简单，产品耐腐蚀性、耐候性极佳，散热性能佳。
缺点：目前颜色受限制，只有黑色、灰色等较成熟，鲜艳颜色目前难以实现；成本主要受高耗电影响，是表面处理中成本最高的其中之一。
四、PVD真空镀物理气相沉积（Physical vapor deposition，PVD）：是一种工业制造上的工艺，是主要利用物理过程来沉积薄膜的技术。
工艺流程:PVD前清洗→进炉抽真空→洗靶及离子清洗→镀膜→镀膜结束，冷却出炉→后处理（抛光、AFP）技术特点:PVD（Physical Vapor Deposition,物理气相沉积) 可以在金属表面镀覆高硬镀、高耐磨性的金属陶瓷装饰镀层五、电镀 (Electroplating)电镀：是利用电解作用使金属的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用的一种技术。
电化学抛光技术及其在金属合金表面抛光中的运用
电化学抛光技术及其在金属合金中表面抛光的运用电化学抛光技术及其在金属合金中表面抛光的运用摘要：本文通过查阅和总结电化学抛光技术的相关文献，介绍了电化学抛光技术的原理，阐述电化学的复合抛光技术和其在主要金属及其合金上的表面抛光处理的运用，并展望了电化学抛光的展望。
关键词：电化学抛光；复合抛光；金属；表面抛光Electrochemical polishing technology and its application in the surface polishing of metal alloysAbstract：Through reading and summarizing electrochemical polishing technology related literatures, this paper introduces the principle of electrochemical polishing technology, expounds the electrochemical combination polishing technology and its application in surface polishing of main metals and their alloys, and also expresses the prospect of electrochemical polishing.Key words：electrochemical polishing technology；combination polishing；metal alloy；surface polishing引言在生产中，我们经常需要对于一些材料进行表面加工，从传统的金属冶炼业的金属抛光到现代的硅芯片的表面封装，这些都离不开电化学技术。
而其中的金属表面抛光常用的技术就是电化学抛光。
电化学抛光是指在一定电解液中金属工件的阳极溶解,从而使其表面粗糙度下降、光亮度提高,并产生一定金属光泽的表面光整技术[1]。
电化学原理在金属表面处理中应用
电解加工
电解加工目的
电解加工主要用于成批生产时对难加工材料和复杂 型面、型腔、异形孔和薄壁零件的加工。例如透平叶片 型面、整体叶轮、锻模、航空发动机机匣、异形深小孔、 内齿轮和花键孔等；还可用于去毛刺、刻印和电解扩孔。
电解加工发展
为了提高加工精度，除采用混气电解加工外，还发展了小间隙高速 进给电解加工（电解间隙值为0.03～0.10毫米）、脉冲电流和振动 电解加工，并使用低浓度电解液等，这些都有利于提高加工精度。
阳极氧化
阳极氧化的定义
金属或合金的电化学氧化。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方 法使其表面形成氧化物薄膜。
铝和铝合金阳极氧化原理
以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中, 利用电解作用, 使其表 当电流通过时, 将发生以下的反应： 面形成氧化铝薄膜的过程, 称为铝及铝合金的阳极氧化处理。铝阳极氧 在阴极上, 按下列反应放出 H2：2H ++2e- → H2 化的原理实质上就是水电解的原理。 -, 析出的氧不仅是分子态的氧 在阳极上, 4OH-→ 2H2O + O2+4e (O2), 还包括原子氧(O), 以及离子氧(O2-), 通常在反应中以分子氧表示。 作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化, 形成无水的Al2O3膜： 4A1 + 3O2 = 2A12O3 + 3351J 应指出, 生成的氧并不是全部与铝作用, 一部 分以气态的形式析出。
微弧氧化
微弧氧化的定义
微弧氧化(Microarc oxidation，MAO)又称微等离子体氧化 (Microplasma oxidation, MPO)，是通过电解液与相应电参数的组合， 在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生 长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。在微弧氧化过程中，化学氧化、 电化学氧化、等离子体氧化同时存在,因此陶瓷层的形成过程非常复杂, 至今还没有一个合理的模型能全面描述陶瓷层的形成。
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主要内容
一、金属电沉积和电镀 二、金属的钝化 三、eposition)过程：简单金属离子 或络离子通过电化学方式在固体（导体或半导体）表面 上被还原为金属原子附着于电极表面，从而获得一金属 层的过程。 电镀(electroplating)：金属电沉积过程的一种，它 是为了改善材料外观，或提高耐蚀性、抗磨性、增强硬 度以及提供特殊的光、电、磁、热等表面性质而进行的 金属电沉积过程。 电镀不同于一般电沉积过程在于：镀层除应具有所需 的机械、物理和化学性能外，还必须很好地附着于物体 表面，且镀层均匀致密，孔隙率少等。 镀层性质取决于其结构，而结构又受电沉积条件影响。
（4）吸附于电极表面的水化原子失去剩余水化层， 成为金属原子进入晶格。过程可表示为： M· （m - n）H2O（ad）- (m - n)H2O M晶格
对于高价金属离子的阴极还原，动力学表达较为复 杂。但一价金属离子的电沉积过程控制步骤一般为电 子转移步骤：
C= (-2.3RT/ nF )lgiº + (2.3RT/ nF)lgIc
对于络离子阴极还原的认识： ⑴ 、加入络离子后，其电极反应并非简单离子的 直接放电； 例如：在1mol/LHClO4中，Ag/Ag+（3*10-2mol/L）体系 平=0.71V,io=1.7A/cm2, =0.26
加入1mol/LNaCN后,简单离子的平衡浓度:3*10-23mol/L,
新平=-0.529V, 计算出的交换电流io=8 *10-16 A/cm2 实际测得的交换电流io=2.8 *10-3 A/cm2 简单离子的作用可忽略!
(3)、有的络合体系，其放电物种的配体与主要络合配体不同。
(4)、金属离子从络离子体系中析出较简单水溶液体系更困难， 涉及更大的电化学极化。尽管pK不稳的数值与超电势无直接联系，
在以下情况下，分界线位置可以发生变化：
1、金属电极过程的还原产物不是金属而是合金，则反应产物中金属 的活度比纯金属小，使平正移，有利于还原反应的实现。如采用汞作 为阴极时，在水溶液中碱金属、碱土金属和稀土金属离子都能在电极 上还原生成相应的汞齐； 2、溶液中金属离子以稳定的络离子形式存在，则为了实现还原反应 就必须由外界供给更多的能量，因而平负移，使金属析出变得困难。 如在氰化物溶液中，分界线的位置向右移动，只有铜分族及其右方的 金属元素才能在电极上析出；
应用: 在Zn/Mn电池中采用NH4Cl； 极谱分析时常在底液中加入大量Cl-，以 获得可逆波； 但在Cl-存在下，金属的腐蚀速度也加快！
卤素离子的活化机理：
1、 卤素离子在电极/溶液界面发生吸附，改变了电 极/溶液界面的双电层结构和其他一些界面性质， 降低了金属离子还原的活化能。 直接证据：（1）、卤素离子对金属电极反应的 活化顺序与其表面活性顺序一致；（2）、电极 电势越正，活化效应越强。
即C —lgIc呈线性关系
简单金属离子电极过程的动力学参数往往与溶液中 的阴离子种类有关。
溶液中卤素离子的存在对大多数简单金属离子阴极 还原过程具有活化作用！ 在实践中，常采用氯化物电解液来加大金属电极反 应的可逆性。 如：锌汞齐电极上，Zn2++2e-Zn(Hg) 溶液组成： KNO3 KCl KBr KI K(cm/s): 3.5*10-3 4.0*10-3 8*10-3 7*10-2
(2)、直接放电粒子为络离子，但放电络离子的配位数一般比溶
液中的主要存在形式要低。 由于主要存在的络离子大多具有较高或最高的配位数,中心离 子在放电过程中涉及的配体层结构改组较大,故活化能较高. 此外,大多配体带负电,当在荷负电的电极表面进行还原时,配 位数高的络离子受到的静电排斥作用更大. 因此,具有适中浓度和适中反应能力的配位数较低的络离子往 往更容易成为主要的、直接参加电极反应“电极活性粒子”。
（2）电极表面溶液层中金属离子水化数降低、水化层发生 重排，使离子进一步靠近电极表面，过程表示为： M 2+· mH2O － nH2O M 2+· (m - n)H2O （3）部分失水的离子直接吸附于电极表面的活化部位，并 与电极实现电荷转移，形成吸附于电极表面的水化原子， 过程表示为： M 2+· （m - n）H2O+e M+· (m - n)H2O（吸附离子） M+· （m - n）H2O+e M· (m - n)H2O（吸附原子）
2、 溶液中的金属离子与卤素离子发生了相互作用，
生成了某些较易放电的络离子品种。 如：AuCl4-、PdCl43-、PtCl42-、TlCl4-等。 3、离子桥理论：由于卤素离子外电子层具有较大变 形性，形成了能促进电极反应的过渡态（ “离子 桥”） —— Mn+· Cl- ·M（n+1)+。
1.2 金属络离子的还原
电极反应 电极电势/V (相对于甘汞电极) 不含Cl-时的反应速 度 加入1mol/LCl-后的 反应速度 Bi3+Bi(Hg) -0.1 K=3*10-4 K>1 In3+In(Hg) -0.6 i0=1.6 *10-4 i0=5 *10-4 Zn2+Zn(Hg) -1.02 K=3.5*10-3 K=4*10-3
本节讲授内容
1.1 简单金属离子的还原
1.2 金属络离子的还原 1.3 金属共沉积原理 1.4 金属电结晶动力学 1.5 金属电沉积过程中表面活性物质的作用 1.6 电镀
1.1
简单金属离子的还原
Cr、Mo、W为分界线(Cr 较容易， Mo、W 较难）； 位于分界线左边的金属在水溶液中不能实现电沉积； 右边的金属容易从水溶液中沉积出来.
3、在非水溶剂中，金属离子的溶剂化能与其水化能相差很大。因此，
在各种非水溶剂中，金属的活泼顺序可能与水溶液颇不相同。此外， 各种溶剂的分解电势也不相同。某些水溶液中不能电沉积的金属可以
在适当的有机溶剂中电沉积，如Li、Mg、Al等。
简单金属离子的还原过程包括以下步骤：
（1）水化金属离子由本体溶液向电极表面的液相传质：