學堂│電鍍基礎第八講──影響鍍層厚度分布均勻性的因素

    慧聰表面處理網訊：1 使鍍層厚度分布均勻的重要性

    電沉積時總希望鍍層厚度在工件上的分布越均勻越好。當工件上沉積的總金屬量相同時，若厚度分布不均勻，則會帶來很多壞處：

 

    (1)對於陽極性鍍層，鍍層薄處經不起犧牲腐蝕會先使基體產生鏽蝕。而一個製件部分鏽蝕後則已不合格，造成了鍍層過厚處金屬的浪費。若為保證最薄處不生鏽，只能加大平均厚度，導致電鍍成本增大。

    (2)對於陰極性鍍層，薄處鍍層孔隙率高(見第十講)，很易產生點狀鏽蝕，繼而鏽點加大，形成連片鏽蝕。與陽極性鍍層相比，陰極性鍍層薄處鏽蝕更快。對於局部防滲氮、滲碳鍍層，薄處易形成孔眼，失去保護作用。若厚度均勻則各部分孔隙率差別不大，總體防蝕性提高。例如，對電池鋼殼滾鍍亮鎳，殼內(特別是靠底部的地方)鍍層很薄，甚至在清洗烘乾時即已起小鏽點、泛黃，為此要「出白」處理，迅速用水溶性封閉劑封閉後乾燥。

    (3)對於光亮性電鍍，鍍層薄處因陰極電流密度小，故光亮整平性差，影響整體外觀。

    (4)合金電沉積時，不同厚度處的合金組分不相同，或外觀不均(如仿金鍍)，又或抗蝕性不一致(如鋅鎳合金)。

    (5)不同厚度處鍍層的物理、機械性能(如脆性、內應力等)不一樣。若鍍後還要作衝壓成型等機加工處理，鍍層過厚處往往機加工性能不良(起皮、開裂、粉狀脫落等)。

    無論從防蝕性，還是外觀、機加工性能等方面講，都希望提高鍍層厚度的均勻性。對於尺寸鍍硬鉻，若用戶要求鍍後不作磨削處理，則很難辦到；有時為了保證最薄處達到最終尺寸要求，厚度均勻性差時，不得不大大加大平均厚度，這在生產中並不少見。為使製件上鍍層各部分厚度儘量接近，必須了解影響厚度分布均勻性的因素。

    2 鍍液性能因素──電鍍液的分散能力

    2.1鍍液的分散能力與深鍍能力

    這是鍍液的兩項重要技術指標，一般為新工藝研究的必測指標。

    鍍液的分散能力是指鍍液使鍍層厚度分布均勻的能力，又稱均鍍能力，通常用T·P表示。在其他條件相同時，分散能力越好，則鍍層厚度分布越均勻。測定分散能力的方法常用「遠近陰極法」，其結果應標出K值(遠近陰極距離之比)及所採用的計算公式，否則是無意義的；也可用赫爾槽試片測定3或8個點的鍍層厚度再作計算。具體的測定方法可參考有關手冊。

    鍍液的深鍍能力是指鍍液使複雜件深凹處沉積鍍層的能力，又稱覆蓋能力。常用通孔或盲孔管件作試驗，比較鍍層深入的尺寸。其結果應標明孔內徑、管長與試驗時管件的懸掛方式，否則無可比性。分散能力與深鍍能力屬於「鐵路警察各管一段」：分散能力只管厚度均勻性，不管複雜件深凹處能否沉積上鍍層；而只要複雜件深凹處能沉積上鍍層，則可認為深鍍能力好，但不管各處鍍層厚度的差異有多大。

    有關鍍液分散能力影響因素的結論比較明確，但對影響深鍍能力的因素卻缺乏研究。只能推斷金屬的析出電位越正，深鍍能力就越好。原因是工件深凹處陰極電流密度很小，陰極極化值也就很小，測定出的陰極負電位也負得少。至於用什麼手段能使金屬的析出電位趨正，人們仍缺少認識。一般而言，分散能力好則深鍍能力也較好。六價鉻鍍鉻是分散能力、深鍍能力及陰極電流效率都很差，故其鍍液組分雖簡單，卻是最難掌握的鍍種。

    2.2陰極上的電流分布

    當只考慮幾何因素對陰極電流分布的影響時，稱為「一次電流分布」；若同時考慮電化學因素的影響，則稱為「二次電流分布」。電流分布不等於金屬分布，因為後者還與不同陰極電流密度時的電流效率有關。

    在此，先討論二次電流分布的影響因素，即不考慮陰極電流效率影響的問題。顯然，此時工件上的陰極電流密度分布越均勻，則鍍層厚度分布越均勻。

    2.2.1幾個概念

    2.2.1.1遠陰極與近陰極

    將一個工件裝掛於陰極杆上，同一個陰極工件的不同部位到陽極的距離不可能完全相同(與工件裝掛方式及其本身形狀和複雜程度有關)。離陽極最近的一點(或線、面)稱為「近陰極」，其與陽極的距離以l近表示；離陽極最遠的一點(或線、面)稱為「遠陰極」，其與陽極的距離用l遠表示。

    2.2.1.2遠近陰極距離差

    遠、近陰極與陽極距離之差，稱為遠近陰極距離差，以Δl表示，則Δl=l−l遠近。

    2.2.1.3鍍液的電導率

    鍍液為正負離子導電，是第二類導體，它也存在電阻。電流通過電阻時會產生電壓降。平時所說的「槽電壓」就是電流通過鍍液、陰極杆與掛具、掛具與工件及陽極相關部分總串聯電阻的電壓降。鍍液的電導率越高，則槽電壓越低。整流器的輸出電壓要高於槽電壓，其差值則為匯流排、匯流排與陰陽極杆接觸電阻、匯流排與整流器輸出板接觸電阻等「外電阻」的電壓降。若匯流排(或軟線)面積過小、接頭太多或接頭接觸不良，外電路上發熱量大，直流損耗也就大。當陰陽極杆的截面積過小時，也有壓降損失，兩個端頭測得的槽電壓會有差別。將直流迴路上的電壓損失儘量降低，是必要的節能措施。滾鍍時，浸入鍍液中滾筒孔眼的總表面積為鍍液的導電面積。若滾桶孔眼過小、開孔率過低，該值則很小，槽電壓很高，槽液發熱快，甚至整流器開至最大，電流也上不去。如鍍亮鎳，掛鍍時選用12V整流器已可，而滾鍍一般應選15~18V的才行。

    2.2.2影響二次電流分布的因素

    設近陰極的電流密度為k,J近，遠陰極的電流密度為k,J遠，陰極極化度與添加劑、配合物電鍍的配合狀況等有關，而提高電導率可通過加入導電鹽、調整pH等來實現。需重點討論的是幾何因素Δl與l近，因為它們與生產實際中正確地裝掛工件及設計掛具、鍍槽等密切相關。

    2.2.2.2近陰極到陽極的距離越大越好

    式(1)右邊第2項分母中的l近越大，則電流密度分布越均勻。要增大l近，一般只有加大陰陽極間的距離。對於圖1中的A掛法，不但Δl最小，而且l近也最大。為加大陰陽極間的距離，鍍槽不宜設計過窄。單排電鍍時，槽淨寬不宜小於0.8m。即使槽的淨寬達到1m，除去槽兩邊陽極所佔位置，以及槽側加熱/冷卻器本身與陽極絕緣物(防止加熱/冷卻器與陽極相碰而打火擊穿)所佔位置，實際最大陰陽極距離也僅0.4m左右。有些人為了節省一次投資，將鍍槽設計得很窄，因此稍複雜的工件，別人能鍍好的他鍍不好。對於複雜的鋼家具(如成型靠背椅等)，甚至根本無法出入鍍槽，想省錢卻掙不到錢。另外，當鍍槽不夠寬時，不宜掛雙排工件。若要掛雙排，槽淨寬不宜小於1.2m。

    2.3金屬分布

    實際金屬厚度的分布還與陰極電流效率隨陰極電流密度變化的情況有關。有3種情況：

    (1)陰極電流效率幾乎不隨陰極電流密度變化而變化。這種情況不多見，硫酸鹽酸性鍍銅基本屬於這種情況。此時金屬的分布與二次電流分布基本一致。

    (2)陰極電流密度增大時陰極電流效率下降。多數工藝屬於這種情況，陰極電流密度增大時，副反應(如析氫)加劇，陰極電流效率降低。此時，金屬分布均勻性好於二次電流分布均勻性。原因是近陰極處電流密度大，但陰極電流效率低，部分抵消了由於陰極電流密度大所導致的鍍速提高。

    (3)陰極電流密度增大時陰極電流效率也增大。這種情況也不多，六價鉻鍍鉻即是如此。此時金屬分布均勻性比二次電流分布均勻性還差：近陰極處電流密度大，鍍速快，若陰極電流效率大，主反應強烈而析氫副反應減少，這無異於「雪上加霜」，使金屬分布更不均勻。

    3 陽極的影響

    陽極的分布影響電力線的分布。電力線越密集之處，電流密度越大，鍍速也越快。電力線分布越均勻，則陰極電流密度分布越均勻，鍍層厚度分布也越均勻。

    3.1水平方向陽極排布的影響

    水平方向陽極排布是均勻分布好還是集中分布好？是密一點好還是稀一點好？對於長件電鍍(如鋼管鍍鋅)，生產中常有如圖4中a、b、c三種陽極排布。

    採用a的陽極分布時，水平方向陽極總長度超過工件許多，工件左右兩頭的電力線過於集中、緊密，陰極電流密度過大，兩頭不僅鍍層厚，且很易燒焦。

    採用b排布，陽極水平方向兩頭均短於工件長度(一般宜短10~15cm)，則電力線分布較均勻，工件兩頭鍍層不致過厚，也不易燒焦，是合理的陽極分布。因此，陽極在陽極杆上的位置不應一成不變，而宜根據工件情況，適時給予恰當的調整。

    圖4中c排布則陽極過少、過稀，這是不大懂電鍍的人常犯的錯誤。講一個真實故事：一次，陪某設備廠老闆去一家小廠收款，進大門時掃了一下堆在門口的成品鍍鋅鋼管。到了辦公室後，我問電鍍廠老闆：「最近沒錢買鋅板了嗎？」老闆很吃驚：「袁老師，你真神了，還未去車間看，咋知這回事？」其實一點不神：因為鍍的鋼管一段亮一段不亮，差別很明顯，顯然槽中只稀稀拉拉掛了幾個鋅板。當陽極過稀時，電力線分布很不均勻，離陽極近的一段電力線密集，電流密度較大，鍍層光亮性好；兩陽極間隔處對應的工件部分則情況剛好相反。原則上，在陽極面積允許大的情況下，陽極越密集，則電力線分布越均勻，電鍍效果越好。那種以為少掛陽極就可省金屬材料消耗的想法，是連物質不滅定律都不懂的無知表現。

    3.2垂直方向陽極長度的影響

    3.2.1滾鍍的陽極長度

    滾鍍時，工件集中在滾桶下部分，如圖5所示。當陽極過短時，僅通過滾桶上部孔眼使上部工件導電，而集中在桶下部的工件則缺少電流，因而耗時長且效果差。原則上，陽極長度超出滾桶最下部分10~15cm，工件的受鍍面積才最大，滾鍍快且效果好。也講一個真實的故事。多年前，某個體戶新上氯化鉀滾鍍鋅，為求快而將滾桶直徑做得很大。由助劑廠家配套供應全部材料，但新配液怎麼也滾不亮，對鍍液調來調去還是不行。只好新配一槽液，但仍然不行，找不出原因。筆者前去診斷，赫爾槽試驗雖不理想，但應無大問題。後見陽極杆上直接掛著鋅錠，急叫找來工具，將鋅錠重新鑄造為長鋅板，掛上後再鍍，效果較好，問題迎刃而解。其實問題就出在助劑廠家也不懂滾鍍對陽極長度的要求。

    3.2.2陰陽極的相對長度與上下相對位置

    陰陽極的相對長度與上下相對位置對電力線分布的影響如圖6所示。

    (1)一般而言，陽極的長度應略短於工件(或掛具)垂直方向的長度；否則因槽底空間過多，陽極又過長時，工件下端電力線過於集中，下端鍍層厚且易燒焦。對於定型產品加工，應先認真考慮陽極或掛具的設計。曾有一專業加工摩託車消聲器工廠，在設計自動線時，將鍍鎳的陽極鈦籃設計過長，生產後消聲器下部老是燒焦返工，無法解決。後來只好將500餘只鈦籃分批交鈦製品廠將下端截去一段後重新封底，這豈不浪費？所以設備生產廠家也應有懂電鍍工藝要求的人才行。

    (2)當工件較短時，對於定型產品，最好設計掛具，多件連接裝掛；對於非定型產品，若圖省事，為取掛快而不願連接，單件鉤或栓掛，則一方面應注意銅掛鈎長度要適宜，另一方面只能減小平均電流密度以防上部或下部燒焦。當工件懸掛較深時，上部易燒焦。舉一實例：某廠鍍摩託車衣架，銅鉤掛上部連杆圓環，但上部鍍鎳燒焦不少，鍍鎳燒焦後返修又難，十分頭痛。筆者見後笑曰：「何不把銅掛鈎做短一點？既不會燒焦還省了銅材！」一試就靈，果然再不燒焦返工了。看似小菜一碟的問題，若不注重陰陽極位置的相互關係，也會出大錯。這不但是一個實際問題，背後還涉及一些理論基礎。

    實際生產中，陽極長度是不好輕易變動和靈活掌握的。像鍍鉻的不溶性陽極，一旦成型就很難改變，此時不妨採用「陽極屏蔽法」來調整其有效導電長度：陽極外面設一個兩頭系軟線的PVC塑料板，通過調整其高度來調整陽極被屏蔽的下端長度，起到調整陽極有效長度的作用。而對於可溶性陽極，多數會出現溶損後過短的問題，故應及時檢查、更新。

    圖7為採用輔助陰極與屏蔽陰極的情況。輔助陰極是在電流密度過大處另加一個與陰極相連的陰極(比如用銅絲燒制的螺旋圓面)，讓其消耗部分電流以減少工件對應部分的電流。這在鍍鉻中被常採用。屏蔽陰極則是在電流密度過大處附近設法固定大小適中的絕緣塑料板，使部分電力線無法穿透。後者若設計得當，則其上不會像輔助陰極那樣會沉積消耗金屬。

    4 傳質不均造成厚度分布不均勻

    當電鍍大平面工件(如大鐵板鍍鋅)時，由於平板中間部位的主鹽金屬離子消耗後的傳質補充速度小於周邊主鹽金屬離子的補充速度，濃差極化較大，往往中間部位鍍層薄、亮度差。此時若靜鍍，效果很差，採用陰極移動則稍好。當允許空氣攪拌時，最好採用空氣攪拌。另一辦法是在板中間部位設法加輔助陽極。

    思考題：

    1.為什麼鍍槽不宜設計過窄？

    2.為什麼滾鍍時陽極不宜過短？

    3.採用輔助陽極和輔助陰極各起什麼作用？

    第七講思考題的參考答案：

    1.陰極上的主要副反應是H+放電還原而析氫。其主要害處有：(1)降低陰極電流效率，浪費電；(2)降低允許陰極電流密度，鍍層易燒焦；(3)產生氣體針孔、麻點；(4)造成基體或鍍層滲氫，產生氫脆，鍍層起泡；(5)升高鍍液pH；(6)使某些工件「窩氣」，局部無鍍層。

    2.陽極析氧的主要壞處有：(1)降低陽極電流效率；(2)造成陽極鈍化，使陽極溶解不良或破壞電流分布的均勻性；(3)氧化破壞鍍液中某些組分，造成損失或產生有害雜質。

    閱讀往期：

    學堂|電鍍基礎講座第一講——電鍍的定義及加工門類

    學堂|電鍍基礎講座第二講——關於水

    學堂|電鍍基礎講座第三講──表面活性物質與表面活性劑

    學堂|電鍍基礎講座第四講——電極與極化的概念(一)

    學堂|電鍍基礎講座第五講──電鍍液的組分及其作用(一)

    學堂|電鍍基礎講座第五講——電鍍液的組分及其作用(二)

    學堂|電鍍基礎講座第六講──電鍍的工藝條件

    學堂|電鍍基礎講座第七講──電鍍液的電流效率

責任編輯：鄭必佳