高档锁具电镀仿金工艺设计

前言众所周知,金是一种具有高度光泽、呈金黄色、色泽瑰丽夺目、化学稳定性很高的贵金属。金黄色的外观华丽贵重，一直都被视为财富的象征而倍受人们的青睐。但金价昂贵，用于装饰极不现实。而仿金镀，尤其是仿金电镀则调节了价格与装饰要求的矛盾，故而很多饰品或制品都采用装饰性仿金电镀，同样给人以高雅的感受。仿金电镀既保持了金黄色的外观，又大大降低了成本，使其迅速得到了普及。目前，金色电镀已广泛用于如首饰、工艺制品、灯具、钮扣、手表、打火机、制笔等零件上的装饰性电镀。仿金电镀从1841年开始至今已逐渐得到了广泛应用。近年来，不少单位对其又进行了进一步的研究，但仍然存在着许多问题。例如在批量生产中要达到纯正一致的仿金色泽，较长时间能保持金色，不过早地褪色变色，就是一个难题。这涉及到从磨光到最后的有机涂料封闭的每一道工序。因此，应从工艺选择入手，筛选比较优良的电镀工艺以提高产品质量。目前，仿金电镀工艺有高氰、中氰、低氰、微氰、无氰电镀，而其中又分二元、三元、四元合金镀。由80年代初至90年代上半叶，我国的仿金电镀技术已从研究、应用发展成为了较成熟的工艺，解决了仿金镀层易变色和镀液稳定性的一些问题，增加了电镀品种和产品色泽，逐步满足人们对美的要求。但时至今日，仿金电镀工艺中仍存在着一些不足之处。例如，真空镀黄铜或氮化钛(价格昂贵)设备投资费用，加工容积有限，氰化镀黄铜中剧毒的氰化物严重污染环境，而在中低氰及无氰电镀黄铜中，镀层颜色又很难与纯金颜色(24K纯金色)相同。从近十多年来国内开发和应用的各种仿金电镀工艺来看，以二元合金(Cu2Zn)和三元合金(Cu2Zn2Sn)占大多数，但很少有一种可用于大批量生产的仿真金色工艺。另一问题是繁琐和严格的镀后处理步骤。大多数仿金电镀工艺的后处理工序都必须经过钝化、水洗、纯水洗、烘干、喷(浸)有机涂层等步骤,对清洗水的要求也十分严格，水洗不彻底或水不干净都会引起水迹或变色。有机涂料关系到涂层的硬度、透明度以及涂料的流平性和不同的施工方式，不能任意选用，烘干也耗费能源。能不能象镀铬那样镀了仿金层后，只需水洗和钝化保护，仿金层就可以在较长时间内不变色呢？总之，由于铜合金的氧化性阻碍了仿金电镀的发展，要使这种镀层具有较好的抗变色能力,达到经久耐用的要求，就必须借助于涂料的保护作用，因此仿金镀件的质量在很大程度上取决于保护涂料的质量，而国内这种理想的涂料尚未见到，因此，今后应开发出性能良好的仿金涂料。如果要从镀层本身解决产品的不变色问题就必须开发化学稳定性好的电镀或采用其它的镀覆方法，镀覆化学稳定性好的仿金。如真空镀钛，当然还要考虑生产成本与效率等问题。只有解决上述问题中的一个,使仿金色泽经久不变，仿金电镀才会有突破性进展。1工艺流程工艺流程图机械水洗打磨化学除油热水洗冷水洗浸蚀冷水电解热水流水洗除油洗洗活化无氰仿金冷水洗回收镀亮镍冷水洗镀亮铜流水洗回收镀氰化铜冷水洗电镀冷水洗热水洗钝化冷水洗热水洗吹干浸漆烘干性能检测磨光磨光是借助粘有磨料的磨光轮（或带），在高速旋转下磨削零件表面的过程。在磨光所用磨光轮（或带）的轮周上，以骨胶、牛皮胶或明胶等作为胶黏剂粘接上不同磨料。这些磨料颗粒细小、硬度极高，且有许多锋利的棱角，相当于无数个硬度很高的小刀刃不规则的排布在磨轮表面上。当魔光轮高速旋转时，由于在磨光轮与零件之间加有压力，迫使磨料颗粒切削零件表面，从而磨去零件表面各种宏观缺陷、腐蚀痕、划痕、焊渣、砂眼和氧化皮等，提高零件平整和光洁程度。在磨光轮高速旋转的磨削下，零件表面被正整平的同时，摩擦热有可能使零件表面烧伤，发生氧化变色。磨光适用于加工一切金属材料和部分非金属材料。磨光效果主要取决于磨料的特性、磨光轮的刚性和轮轴的转速。磨光可根据零件表面状态和对表面质量要求的高低进行一次磨光或几次（磨料粒度逐渐减小）磨光，磨光后的零件表面粗糙度Ra值可达到0.4um。磨光工序中所用的磨轮多为弹性轮，常用皮革、粗细毛毡、棉布、各种纤维织品及高强度纸等制成，它们的刚性依次降低。磨轮的软硬除与所有材料的性质有关，还与材料的组合及缝制方法有关。对于硬度较高、形状简单、粗糙度大的零件，应采用较硬的磨轮；对于硬度低、形状复杂、金属切削量小的零件，应采用较软的（弹性较大）的磨轮，以免造成被加工零件切削能力减弱，可以防止零件的变形。也就是说，对零件表面粗糙度要求低时，就应采用较软的弹性磨轮。磨轮效果还与磨轮旋转的圆周速度有密切的关系。当被磨光的金属材料越硬，加工表面的粗才度要求越低时，磨轮圆周速度应该越大。圆周速度过低，生产效率低；圆周速度过高，磨轮损坏快，使用寿命短，所以磨轮的圆周速度应选择适当。化学除油化学除油是利用热碱溶液对油脂的皂化和乳化作用，将零件表面油污除去的过程。碱性溶液包括两部分：一部分是碱性物质，如氢氧化钠、碳酸钠等；另一部分是硅酸钠、乳化剂等表面活性物质。碱性物质的皂化作用除去可皂化油，表面活性剂的乳化作用除去不可皂化油。化学除油具有工艺简单、操作容易、成本低廉、除油液无毒、不易燃等特点。但是常用的碱性化学除油工艺及其乳化能力较弱，因此当零件表面油污中主要是矿物油时，或零件表面附有过多的黄油、涂料乃至胶质物质时，在化学除油之前先用机械方法或有机溶剂除去，这一工序不可疏忽在生产上化学除油主要用于预除油，然后再进行电化学除油将油脂彻底除尽。化学除油液的主要成分包括氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、焦磷酸钠、硅酸钠、硼酸钠等碱或碱性盐，此外，通常还包括EDTA、柠檬酸钠等金属螯合剂和各种乳化剂等有机添加剂。通常碱性除油液均含有两种或两种以上的碱或碱性盐。氢氧化钠和碳酸钠是两种价格便宜的强碱性物质。磷酸钠和焦磷酸钠等磷酸盐既是碱的来源，又起着螯合钙、镁等金属离子软化硬水，并缓冲溶液pH值的作用，硅酸盐形成的胶体膜可保护铝、锌等两性金属不受腐蚀。有机添加剂起辅助乳化和分散油污的作用。对钢铁零件除油，碱液含氢氧化钠应该小于100g/L。碱性化学除油通常有下列组分：氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠、乳化剂和表面活性剂。氢氧化钠是保证皂化反应进行的重要组分，当氢氧化钠含量过低皂化反应不能进行，过高肥皂的溶解度下降，并使金属表面发生氧化。碳酸钠、磷酸三钠主要起缓冲作用，保证溶液在除油过程中pH维持不变。为了使溶液具有足够的缓冲作用，碳酸钠、磷酸三钠应具有一定含量。碳酸钠除具有缓冲作用外还具有一定的乳化作用，但其水洗性不好，不宜单独使用。碳酸三钠除具有缓冲作用外，还可以使水玻璃容易被水洗去。硅酸钠作为乳化剂加入除油液中，易溶于水，但不易洗去，特别是复杂零件的除油，硅酸钠更不容易除去，当游离的硅酸钠残留于工件表面，若在水洗不彻底的情况下被后序酸洗处理时用酸中和，将生成硅胶粘附于表面难以除去，造成镀层发暗和剥落现象。添加表面活性剂的目的在于降低表面张力，使除油液对油污层容易进行渗透、润湿，从而加速除油作用；另外，表面活性剂弥散于油脂或污垢表面（和液体的交界面），有加速乳化的作用。除油是一种强碱性（pH>9）的热溶液，所以不宜用耐热、耐碱性弱的表面活性剂，也不宜用泡沫多的表面活性剂。浸蚀浸蚀又称酸洗，是电镀工艺中的重要工序之一，按其性质一般分为化学浸蚀和电化学浸蚀两大类；按其用途大致又可分为一般浸蚀、强浸蚀、光亮浸蚀和弱浸蚀几种。为了除去某些较厚较致密的氧化皮，浸蚀过程中往往还采用电解、超声波振荡及熔盐加热—淬冷等辅助。金属零件浸渍在相应的浸蚀液中，利用浸蚀液与基体表面上氧化皮或锈蚀产物等的化学溶解作用，以达到除去零件表面氧化皮、锈蚀物、钝态薄膜等目的的过程。化学浸蚀的机理视浸蚀液的种类和零件基材的不同而有别。电化学浸蚀是对浸蚀液施加电流，通常是借助于直流电进行的（也可以用交流电），金属制品既可以在阳极上加工，也可以在阴极上加工。对于电化学浸蚀时，电极上所发生的过程的实质，是当金属制品作为阳极进行电化学浸蚀时，氧化皮的除去是借助于金属的电化学和化学溶解，以及金属上析出的氧气泡的机械剥离作用进行的。当金属制品作为阴极进行电化学浸蚀时，氧化皮的除去是借助于猛烈析出的氢对氧化物的还原和机械剥落作用进行的。电化学浸蚀的优点是浸蚀速度快，浸蚀液消耗小，且使用寿命长。缺点是耗费电能，对形状复杂的零件，因所用电解液的分散能力低，浸蚀效果要差一些。电化学浸蚀时，清除锈物的效果，主要视金属表面上锈蚀产物的组织和种类而定，对具有厚而平整致密氧化皮的工件，应先行化学浸蚀，疏松氧化皮后再行电化学浸蚀；对于氧化物多孔、厚而疏松的零件，直接进行电化学浸蚀，速度快，效果好。在选择阴极或阳极浸蚀时，必须考虑所用电解液和工艺规范，以及被处理零件的表面状况和形状等。阴极浸蚀的特点是基体金属几乎不受浸蚀，不会改变加工零件的尺寸，但它易引起氢脆，浸蚀液中的杂质、污物会沉积在零件的表面上，故不适用于弹簧等高强度抗力零件。阳极浸蚀不会引起氢脆和杂质在零件表面沉积，但易出现过腐蚀缺陷。主要用于去除零件不良表面组织，对于氧化皮也有一定剥落作用。为了防止阳极浸蚀易出现的过腐蚀缺陷，对于形状较复杂而几何尺寸要求严格的零件，则采用联合电化学浸蚀，即先用阴极进行浸蚀，而后转为阳极浸蚀。后者可以除去阴极浸蚀附着于零件表面上的污物。通常阴极过程进行的时间比阳极过程要长一些，以便保持零件尺寸的精度。这种联合工艺的特点是可以在一定程度上减轻渗氢现象和阳极过浸蚀。电解除油电解除油又称电化学除油，是在碱性溶液中，以零件为阳极或阴极，采用不锈钢板、镍板、镀镍钢板或钛板为第二电极，在直流电作用下将零件表面油污除去的过程。电化学除油液与碱性化学除油液相似，但其主要依靠电解作用强化除油效果，通常电化学除油比化学除油更有效，速度更快，除油更彻底。对除油质量影响较大的电化学除油工艺条件是电流密度、温度与除油时间。电流密度的选择应保证析出足够数量的气泡，既能使油污被机械撕裂、剥离电极表面，又能搅拌溶液。提高电化学除油的电流密度可以加快除油速度，缩短除油时间，提高生产效率，但电流密度提高，阴极除油渗氢作用增大，电能消耗加剧。另外，阳极除油时可适当降低电流密度以防止金属过腐蚀，所以电化学除油时电流密度一般控制在5～15A／dm2。温度升高能加强乳化作用，从而有利于提高除油效果，同时可以增加溶液电导，降低槽电压，节约电能。但溶液温度过高必然会引起室内碱雾弥漫，恶化环境，溶液蒸发加快。当溶液中含有较高的氯离子时还会加快零件的腐蚀。温度过低时除油效果降低，有时零件表面还可能出现锈蚀。电化学除油的溶液温度一般控制在60～80℃。按常规工艺，除油时间通常定为先用阴极除油3～7min，再用阳极除油0．5～2min，以此综合阴、阳极除油的优点达到对油污的彻底清除。此外在电化学除油槽中，还要注意阴极除油不能用铁板作阳极，因为铁板阳极会溶解，而污染电解液。由于电化学除油时，电极上不断产生的氢气和氧气具有乳化作用，故电化学除油溶液中可以少加或不加乳化剂。过多的乳化剂在液面形成的泡沫易黏附在零件表面，不易清洗，也影响电极表面气体的逸出。当大量析出的氢气和氧气被液面上的泡沫覆盖，一旦遇到电极与挂具接触不良引起电火花时，即引起爆炸，造成安全事故。活化活化处理是保证电镀层有足够附着力的重要步骤。活化处理又称弱浸蚀，其目的是除去零件待镀过程中所生成的薄层氧化膜，使基体晶格暴露，处于活化状态，保证镀层与基体金属间良好结合。该工序不会造成金属表面宏观的显著变化，只是呈现金属微观晶体结构，使之与镀层产生或分子间的结合。这是容易被人们忽视的重要工序，绝对不可马虎从事，制品经活化后，必须立即清洗进槽电镀。如果活化液就是镀液的组成之一，或其带入不污染镀液，则不需清洗直接进入镀槽电镀。弱浸蚀的实质是要剥离工件表面的加工变形层，将机体的组织暴露出来，以便镀层金属在其表面进行外延生长，因而不需要像酸洗那样长的时间，但是由于所溶解的是金属，因而要析出大量的氢，这对高强钢工件很危险，所以要特别注意。为了防止对钢铁件的过酸洗，常常要选择使用缓蚀剂。工件的材质与加工方式不同，所采用的弱浸蚀溶液也不同，添加的缓蚀剂也不同。在弱浸蚀要注意，钢铁或有色金属制件表面的弱浸蚀需要在分开的槽子中进行。因为在弱浸蚀时，铜离子和铁离子都会与酸反应，弱在钢铁件弱浸蚀时溶液中存在铜离子，铜的点位比铁正，在钢铁制件表面析出疏松的置换铜而影响镀层的结合力。活化的特点是：浸蚀介质浓度低，处理时间短，多在室温下进行。活化液的选择应同时考虑对后续电镀溶液的影响。氰化物电镀仿金镀层的工艺规范溶液工艺条件阴极材料备注成分含量温度电流密度氰化亚铜（CuCN）氰化锌【Zn（CN）2】氰化钠（游离）NaCN）g/L）（℃）（A/dm2）28~32铜（70%）7~8锌（30%）6~835~401~1.5合金板10~12碳酸氢钠（NaHCO3）2~4氢氧化铵（28%）（mL/L）NH3H2O）氰化亚铜（CuCN）22~27铜（70%）为使溶液稳定，氰化锌【Zn(CN)2】8~10锌（40~30%）色泽均匀，可加氰化钠（NaCN）（总5420~400.2~0.5合金板入亚硫酸钠量）（游离）165g/L，氯化铵2~5碳酸钠（Na2CO3）20~40g/L，酒石酸钾钠g/L10~20工艺特点氰化物溶液电镀仿金镀层工艺应用较多，其特点是溶液稳定，容易控制，涂镀能力好，镀得的镀层色泽鲜艳、合格率高并可重复返修。其缺点是溶液有剧毒。溶液的配制1.将氰化钠用水溶解（可适当加热，但温度不宜超过45℃），取其中2/3的溶液溶解氰化亚铜，溶解过程中放热，溶解温度会不断上升，当温度升高到60℃时，冷却后再继续添加氰化亚铜。将剩余的1/3氰化钠溶液溶解氰化锌。若无氰化锌，可用氧化锌和氰化钠制备。其方法是将氧化锌加入少许水调成糊状，然后缓慢加入事先溶解好的氰化钠溶液中，使其完全溶解即可。将上述两种溶液混合，搅拌。将其他成分用水溶解后加入镀槽。加水至规定体积。用小电流处理数小时后，进行试镀。试镀合格后即可生产。工艺维护溶液中的铜、锌含量比例对合金镀层的成分和颜色没有显著影响，合金镀层的成分及颜色主要是通过溶液中氰化物的含量与锌含量的比值来控制。氰化钠对锌的比值低时，锌含量就高些；而氰化钠对锌的比值高时，则铜含量就高。溶液中的铜含量是决定电镀阴极效率的重要因素，其浓度可在交宽的范围内变化。游离氰化钠的含量，对镀层的成分影响很大，随着游离氰化物浓度的提高，镀层中铜的含量将迅速下降，并使阴极效率降低。当游离氰化物过低时，阳极产生钝化，而且镀层粗糙，颜色不均匀。溶液温度对镀层成分和色泽有明显影响。随着温度的升高，镀层中铜含量显著增加。因此，电镀铜锌合金时，因严格控制溶液温度。氢氧化铵的主要作用是扩大阴极电流密度范围，在含有一定量氢氧化铵时，阴极电流密度可在较宽的范围内变动，而仍能获得色泽均匀的金黄色镀层。氢氧化铵的另一作用是抑制氰化物的分解。提高其含量，镀层中的铜含量将降低。适量的碳酸盐能提高溶液的导电性和均镀能力。生产过程中，由于氰化钠的分解和溶液吸收空气中的二氧化碳，溶液中的碳酸盐会逐渐增多。碳酸盐含量过高会降低阴极电流效率。因此，当碳酸盐过高时，可用冷却法使其结晶析出。故障分析与排除故障现象产生原因排除方法镀层整体发红1.Cu离子含量过高1.加入适量的氢氧化钠2.pH值过高或适量的锌调整铜锌离子比正常2.调整阴阳极导电状态镀层块状发红1.导电不良1.调整导电性2.有杂质污染2.分析除杂质镀层点状发红1.pH值过低1.调整pH值至工艺范2.有油类沾污围2.除油污镀层起皮1.镀前处理不好1.加强镀前处理2.与镀前层结合力差2.活化解决层间结合力镀层发青1.锌含量偏高1.适当添加氰化亚铜调2.游离氰化钠含量偏高整3.温度过低2.适当添加氰化亚铜络合氰化钠3.适当提高温度镀层发雾1.pH值不适宜1.调整pH值2.锌离子含量太低2.适当添加氰化亚铜调3.阳极电流密度过大整4.溶液温度过高3.调整阳极极板面积减小其电流密度4.适当提高毒液温度镀层发白1.游离氰化物含量高1.适当添加氰化亚铜络2.温度低，电流密度较高合氰化钠3.pH值过高2.调整温度与电流密度4.三元合金镀液中锡离子含量过使之匹配低3.用冰醋酸或碳酸氢钠调整4.适当增加锡离子浓度镀层脱落1.底层镍钝化1.适当处理后仿金2.氰化物含量过高2.适当添加氧化亚铜络3.电流密度过大合氰化钠3.降低电流密度工艺守则序号工序名称工艺配方操作条件所需设备1磨光磨光机2化学除油氢氧化钠～温度80～95℃化学除油槽50100g/L，碳酸钠20～40g/L，磷酸钠30～40g/L，硅酸钠50～15g/L3浸蚀硫酸，温度50~75℃，时酸浸蚀槽120~250g/L缓蚀剂0.3~0.5，间除净为止4电解除油磷酸65~70%（质量溶液密度电化学除油分数），硫酸1.73~1.75g/cm3，槽，铬酐温度60~70℃，阳12~15%5~6%，水12~14%极电流密度20~30A/dm2，时间10~15min5活化硫酸90g/L温度82℃酸浸蚀槽6氰化亚铜温度35~40℃，电仿金电镀28~32g/L，氰化锌流密度电镀槽7~8g/L，氰化钠1~1.5A/dm26~8g/L，碳酸氢钠10~12g/L，氢氧化铵2~4mL/L7温度10~20℃，时重铬酸钾50g/L间20min，pH3~4钝化三废处理电镀是一种广为运用的表面处理工艺，点多面广，由此而产生的电镀三废污染也已成为当今环境保护中的重要污染问题。电镀生产过程产生的三废中，含高毒物质种类较多，对环境造成严重的污染，破坏自然环境，影响生态平衡。因此，电镀三废治理成为我国面前亟待解决的一个重要问题。电镀三废的来源电镀生产中产生的废水，含有酸、碱、氰、六价铬、铜、镍等离子，还有含苯类、硝基、氨基类等有机物，这些物质都有毒性，严重危害环境和人类。电镀废水的来源：一是镀件清洗水，是主要的废水来源，这种水的浓度较低，数量较大，经常性排放；二是废镀液的排放，主要包括工艺上所需的倒槽、过滤镀液后的废弃液、失效的电镀溶液等，这部分废水数量不多，但浓度高，污染大，而且回收利用价值较大；三是工艺操作和设备、工艺流程的安排等原因造成的“跑、冒、滴、漏”液；四是冲洗地坪、设置所产生的部分废水。电镀生产过程的和主要环节中，都有大量的废气产生，主要有两大类：一类含尘气体，如喷沙、磨光、抛光等工序产生的灰尘；另一类是含有毒性物质的气体，如镀前过程中的除油、酸洗工序所产生的酸、碱废气，镀铬时所产生的铬酸雾，铜件酸洗时所产生的氮氧化物；氰化物电镀时所产生的剧毒的氢氰酸气体等。这些废气既危害人们健康，又对机械设备产生严重腐蚀。电镀生产过程中的废渣主要来源有两类：一类是电镀槽中阳极溶解所产生的泥渣和过滤残渣，这类废渣数量较少，回收利用价值较高：另一类是采用化学法和沉淀处理法处理电镀废水时所产生的二次污染物污泥，含有大量有害的重金属成分，数量较多，成分复杂，处理利用难度较大。不同的废水、废气有不同的处理方法，效果也不相同。对于废水、废气的处理，一般是优先考虑工艺改革和技术改革，使污染现象少生产或不生产。用回收措施和改进清洗方式、闭路循环等方式，减少废水的排放量；采用光亮电镀取代机械磨光、抛光工序，以减少含尘气体和氮氧化物气体的排放。另外，也要加强对行业的管理，加强环境监督等措施，改善电镀对环境的危害。电镀废水处理方法，常用物理法、化学法、离子交换法、电解法、吸附法、膜分离技术等。电镀废气的治理方法，常用的有加表面活性剂抑制废气的逸出、物理吸收方法、化学吸收方法等。三废处理方法选择的基本原则：处理方法的选择，应符合我国的环保法规和方针政策。处理质量要好，处理后达标排放，不生产二次污染，尽可能加以回收，化害为利。选好处理方法、处理系统、处理形式，力求经济合理，适应性强。节约能源。因地制宜，结合实际。不论电镀工厂采用何种废水治理技术，最后总有一些有害金属泥污。特别是镀种多时，废水混合排放，采用化学处理和沉淀处理方法，产生大量的有害重金属污泥，虽然溶解度很低，但并不是不溶解，不进行安全处置仍会造成二次污染。电镀废弃物堆放场地附近的地下水污染最为突出，许多地方的地下水因重金属超标而不能饮用。另一方面，从电镀污泥中流失的各类重金属每年为10万t以上，以含铜、镍、锌、铬、铁等多组分混合污泥为主，其金属含量远高于矿石。对电镀污泥的安全处置，既保护了环境，尤其是保护了地下水不污染，又能利用资源。对混合污泥的处理和处置，有固化废弃、有效综合利用和资源回收等方法。总结参考文献曾华梁主编，电镀工艺手册。北京：机械工业出版社，1997年第2版安茂忠主编，电镀理论与技术。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004年8月冯立明主编，电镀工艺与设备。北京：化学工业出版社，2005年10月陈范才主编，现代电镀技术。北京：中国纺织出版社，2009年8月张允诚主编，电镀手册，上册。北京：国防工业出版社，1998年10月