電鍍工藝管理——攪拌對電鍍過程的影響

對于電鍍過程而言，攪拌是從廣義上講的。凡是導(dǎo)致電解液作各種流動的方式，都稱為攪拌。在電鍍過程中，攪拌除了加速溶液的混合和使溫度、濃度均勻一致以外，主要是促進物質(zhì)的傳遞過程。由于攪拌在消除濃差極化和提高電流密度方面的顯著作用，因此，大部分電鍍工藝都采用了攪拌技術(shù)。

那么攪拌究竟是怎么樣影響電鍍過程的呢?在討論這個問題之前，先介紹一下攪拌的方式和攪拌程度的定量表示方法。

    (1)攪拌的方式 

    ①陰極移動。陰極移動是電鍍過程中應(yīng)用最多的方法。這是以電機帶動變速器并將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動的方法。陰極移動設(shè)備屬非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但已經(jīng)有專門的企業(yè)生產(chǎn)這種裝置。陰極移動量的單位一般是m／min，但是也有的工藝用次／min表示，因為對于陰極移動而言，移動的頻率比移動的距離更為重要。移動的距離受槽子的長度等的影響會有所不同，但對于移動的次數(shù)(頻率)，則對于任何尺寸的槽子都是一樣的。實際上當(dāng)工藝規(guī)定為m／min時，都還要根據(jù)鍍槽的長度來確定每次可以移動的距離后，再換算成每分鐘移動的次數(shù)，例如，某工藝規(guī)定的陰極移動速度為2m／min，而鍍槽的長度允許陰極每次移動的最大幅度為0.2m，則這時的陰極移動頻率為10次／mim，常用的陰極移動量為l0～15次／min，或2～5m／min。

②空氣攪拌。空氣攪拌是電鍍中用得較多的攪拌方式。采用空氣攪拌時，壓縮空氣必須是經(jīng)過凈化裝置凈化過的，因為直接從空氣壓縮機中出來的壓縮空氣，難免會帶有油、水等雜質(zhì)，如果帶入鍍槽，對電鍍層質(zhì)量會造成不利的影響。空氣攪拌用量的表示的單位是每分鐘每立方鍍液多少升即L／(m³·min)，強力空氣攪拌時，可達成500L／(m³·min)。

③鍍液循環(huán)。鍍液循環(huán)現(xiàn)在已經(jīng)是很流行的方式。因為采用鍍液循環(huán)時多半是用的過濾機，這樣可以在攪拌鍍液的同時凈化鍍液，一舉而兩得。當(dāng)然，有時也可以不加入濾芯，單純地進行鍍液的循環(huán)。循環(huán)量的表示方法是m³／min或者m³／h，要根據(jù)所攪拌鍍液的總液量來確定所用的過濾機，因為過濾機的流量單位也是m³／min，因此，可以根據(jù)工藝對流量的規(guī)定選定相應(yīng)的循環(huán)過濾裝置。

④磁力攪拌。磁力攪拌多用于實驗或小型電鍍裝置。這是以電機帶動永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，由旋轉(zhuǎn)的磁鐵再以磁力帶動放置在電解液內(nèi)的磁敏感攪拌裝置旋轉(zhuǎn)，從而達到高速攪拌的效果。磁力攪拌的單位實際上就是電機的轉(zhuǎn)速，即r／min。

⑤陰極往返旋轉(zhuǎn)。這是類似陰極移動的裝置。但陰極所做的不是平行的來回移動，而是以主導(dǎo)電桿為軸的正反旋轉(zhuǎn)運動。現(xiàn)在也已經(jīng)有這種設(shè)備銷售。所用的量表示為每分鐘次數(shù)(次／min)。

⑥超聲波攪拌。超聲波攪拌的作用比通常的機械類攪拌大得多，是特殊的攪拌方式。適合于要求很高的某些重要的電鍍過程。

⑦螺旋槳攪拌。這是機械攪拌中最原始的模式。主要是用于電解液的配制或活性炭處理等。如果用于鍍液的攪拌，由于轉(zhuǎn)速太快而需要用減速器減速。單位為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(r／min)。

(2)攪拌對傳質(zhì)過程的影響

在前面的內(nèi)容中已經(jīng)知道傳質(zhì)是電極過程中的重要步驟。在標(biāo)準(zhǔn)情況下的傳質(zhì)過程是由于電解質(zhì)溶液中存在濃度、溫度的差異等而引起的溶液內(nèi)物質(zhì)的流動。這種情況下的流動速度是非常緩慢的，在發(fā)生電極反應(yīng)時，很快就會在陰極區(qū)內(nèi)造成反應(yīng)離子的缺乏，陰極發(fā)生濃差極化。這時，采取攪拌措施就可以彌補自發(fā)性傳質(zhì)不足帶來的電極反應(yīng)受阻，并且使極限電流密度提高。從而在保證電鍍質(zhì)量的同時提高電極反應(yīng)的速度。攪拌能使電鍍液在較高的電流密度下工作對電鍍過程是有著重要意義的。這對于獲得光亮良好的鍍層有著重要作用。許多光亮添加劑要求在較高的電流密度下工作，沒有攪拌的作用，在高電流區(qū)很容易發(fā)生鍍層的粗糙，甚至于出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象。許多電鍍添加劑是有機大分子，甚至是高分子化合物，離子的半徑都比較大，遷移的速度較低，如果沒有攪拌作用的促進，要使在陰極吸附層內(nèi)消耗的添加劑得到及時的補充是有困難的。

攪拌還可以加速電極反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體的逸出，比如，氫氣的析出，從而減少鍍層的孔隙率。

攪拌的副作用是會使陽極的溶解也加速，有時會超過陰極反應(yīng)的速度而致使鍍液組成失去平衡。如果陽極有陽極泥或渣生成時，攪拌會帶起這些機械雜質(zhì)沉積到鍍件上，當(dāng)然這是指強力攪拌時的情況，低頻的陰極移動一般不會有這樣的問題。攪拌還是高速電鍍的重要手段，這對于提高生產(chǎn)效率是特別有意義的。

(3)攪拌與高速電鍍

高速電鍍是在高速電解加工工藝的迅速發(fā)展的刺激下發(fā)展起來的。自1943年前蘇聯(lián)的拉扎林科發(fā)表了利用電容器放電進行金屬鉆孔加工的方法以來，高電流密度的電解加工方法在各國迅速發(fā)展。l958年，美國阿羅加德公司發(fā)表了以普通電鍍不可想像的高電流密度進行陽極電解加工的設(shè)備，這種設(shè)備在電解液的流速成為l～lOOm／s的條件下，可以采用高達10000～100000A／dm²的電流密度下進行電解加工。這種驚人的速度當(dāng)然會引起電鍍技術(shù)工作者的關(guān)注，結(jié)果是使電鍍的高速化也成為可能。實驗表明，采用普通的攪拌手段，電鍍的陰極電流密度的變化值，只有l0A／dm^z左右。而采用高速攪拌，陰極電流密度的變化可達l00A／dm²左右。現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)的高速電鍍的方法有如下幾種：

    ①鍍液在陰極表面高速流動的方法。這個方法可根據(jù)鍍液的流動方式又可分為平流法和噴流法兩類。使用平流法的陰極電流密度可達150～480A／dm²，沉積速度對于銅、鎳、鋅可達25～100µm／min，對于鐵是25／µm／min，對于金是18µm／min，而對于鉻是l2µm／min以上。普通鍍鉻使用攪拌會降低電流效率，但對于高速鍍鉻，則可以提高陰極電流效率，達到48％(普通鍍鉻的電流效率只12％)。例如也在鋁圓筒內(nèi)以530A／dm²的電流密度鍍鉻2min，可以得到50µm的鍍層。

②陰極在鍍液中高速運動的方法。根據(jù)運動相對性原理，讓陰極(制件)在鍍液中作高速運動，其效果與鍍液作高速流動是大同小異的，但是，由于這時運動的頻率相當(dāng)高，已經(jīng)不適合讓陰極做往返的運動，而是讓陰極高速振動和旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)采用陰極振動時，陰極的振幅并不大，只有幾毫米至數(shù)百毫米。但是頻率則為幾赫至數(shù)百赫。這種陰極振動法適合于不易懸掛的小型或異形制件。設(shè)備的制造也比較容易。

陰極高速旋轉(zhuǎn)的方法適合于軸狀制件或者成軸對稱的制件。這種高速旋轉(zhuǎn)的電極上的電流密度也可以達到上述高速液流法中的水平。

③在鍍液內(nèi)對電極表面進行摩擦的方法。這個方法是在鍍液中添加固體中性顆粒，使之以一定速度隨鍍液沖擊作用于陰極的制件表面。這一方法的優(yōu)點是既加強了傳質(zhì)過程，又對鍍層表面進行了整理。添加在鍍液中的這些中性顆粒是不參加電極反應(yīng)的，它們是在強攪拌的作用下(通常是噴流法)對陰極進行沖刷，可以獲得光潔平整的鍍層。鍍覆的速度為鍍銅時是50µm／min；鍍鎳時是25µm／min；鍍銅合金時是25µm／min；鍍鉻時是6µm／min。

運用攪拌而出現(xiàn)的另一個電鍍新技術(shù)的領(lǐng)域是復(fù)合鍍，也有稱為彌散鍍。這種復(fù)合鍍層是為了解決工業(yè)發(fā)展中對表面性能的各種新要求而開發(fā)的，包括高耐磨、高耐蝕、高耐熱鍍層等。例如，航天器制件、軍事制品等。

在高速運動的鍍液中，可以使各種固體顆粒朦朧懸浮，如Al₂0₃、SiC、TiC、WSz等，還可以在鍍液中分散有機樹脂、熒光顏料等，這些粒子與金屬共沉積，可以得到具有新的物理化學(xué)性能的表面。