电化学腐蚀与防护的原理及其应用

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电化学腐蚀与防护的原理及其应用

电化学在电解、电镀、金属腐蚀及化学电源等方面都有广泛应用。许多金属的冶炼和精炼,如锂、钠、铍、镁、铝和希土金属等的冶炼,镍、铜、锌、镉、铅等的精炼或提纯,都可以用电解的方法来实现。利用电解的方法还可以制备许多基本化工产品,如氢氧化钠、氯酸钾、过氧化氢等。电化学方法在机械制造部门也得到重要应用,如电镀、电解加工、电抛光、电泳涂漆等等。在今天,电化学工业已经成为国民经济中的重要组成部分。

1.电镀

这是电解原理的具体应用。电镀时,把被镀的零件作阴极,镀层金属作阳极,电解液中含氧欲镀金属的离子。电镀的过程中阳极溶解成金属离子,同时电镀液中的欲镀金属离子在阴极表面上析出。今以镀黄铜为例,简要说明如下。

镀黄铜时,因铜的标准电极电势比锌的标准电极电势大得多,所以若单纯用锌盐和铜盐的混合溶液进行电镀,锌和铜就不可能同时在被镀零件上析出。如果用含氰化锌、氰化亚铜和氰化钠为主要成份的电镀液,则溶液中的Zn2+和Cu+则可能同时在被镀零件上析出,从而形成黄铜镀层。这是由于电镀液中存在着配位平衡:

[Zn(CN)

4]2- Zn2++4CN- K

不稳

=2.0×10-17

[Cu(CN)

3]2- Cu++3CN- K

不稳

=2.6×10-29

因为[Cu(CN)

3]2-配离子的不稳定常数远小于[Zn(CN)

4

]2-配离子的不稳定常

数,所以在形成配离子后,Cu+浓度将远小于Zn2+浓度,从而使铜的电极电势降低到同锌的电极电势相近的程度,这样就有可能使Zn2+和Cu+同时在阳极上得到电子而形成铜锌合金-黄铜。

2.电抛光

电抛光是金属表面精加工方法之一。用电抛光可以获得平滑而有光泽的表面。在电解过程中,利用金属表面凸出部份的溶解速率大于凹入部份的溶解速率,从而使表面平滑光亮。

电抛光时,把工件(如钢铁)作阳极,铅版作阴极,放入含有磷酸、硫酸和铬酐的电解液中进行电解,此时工件阳极铁因氧化而溶解。

阳极反应:Fe--->Fe2++2e

然后Fe2+与溶液中的Cr

2O

7

2-发生氧化还有反应:

6Fe2++Cr

2O

7

2-+14H+--->6Fe3++2Cr3++7H

2

O

Fe3+进一步与溶液中的磷酸氢根(HPO

42-)和硫酸根(SO

4

2-)形成盐。由于阳

极附近盐的浓度不断增加,在金属表面形成一种粘度较大的液膜。因金属凹凸不平的表面上液膜厚度分布不均匀,凸起的部份薄,凹入怒放较厚,故阳极表面各处电阻亦有所不同。凸起木筏电阻小,电流密度较大使凸起部份比凹入部份溶解较快,于是粗糙表面逐渐得以平整光亮。

3.电解加工

电解加工原理与电抛光相同,即利用阳极溶液将工件加工成型。区别在于,电抛光时阳极与阴极间距离较大(100 mm左右),电解液在槽中是不流动的,因此通过的电流密度小,金属去除率低,只能进行抛光,而不能改变工件的原有形状。

电解加工时,工件仍为阳极,而用模具或工具作阴极,在两极之间保持很小的间隙(0.1~1 mm),电解液从间隙中持续流过并及时带走电解产物,这样阳极金属表面不断溶解,形成与阴极模件外形相吻合的形状。

阴极、阳极距离最近的地方电阻最小,通过的电流密度大,此处溶解得也最快。随着溶解过程的进行,阴极不断地向阳极推进,阴极、阳极间距离差别逐渐缩小,直到间隙相等,电流密度均匀,此时工件表面形状已与模件工作面形状相吻合。

电解加工过程中,电解液的选择和被加工材料有密切的联系,常用的电解液是14~18%的氯化钠溶液,它适用于大多数黑色金属或合金的电解加工。

电解加工的适用范围广,能加工高硬度的金属或合金,以及复杂形状的工件。加工质量好,节省工具。但这种方法只能加工可电解的金属材料,即能够作可溶性阳极的金属材料。其精度只能满足一般要求,模件阴极要根据工件需要设计加工成专用的形状。

4.电泳涂漆法

电泳涂漆法近年来得到快速发展,是电化学在表面处理方面的又一应用。它利用成膜高分子化合物带有负电荷的特点,把工件浸在电泳漆槽中作为阳极,当通以直流电时,荷电的成膜物质向工件迁移,在工件表面形成漆膜。当

漆膜达到一定厚度时,由于它的绝缘作用而停止增厚,因此所得漆膜厚度均匀,电泳漆漆法的特点是无毒、安全、自动操作、可以一次加工完成(一般涂漆需要好几层),因此特别适宜于大规模、大件、异型工件的表面涂漆。这种新工艺目前有普遍推广的趋势,如汽车外壳、自行车骨架等用电泳漆自动涂敷,都取得较满意的效果。

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