对于金属表面处理,阳极氧化通常是第一个想到的方法,尤其是铝。然而,还有一种更通用的替代方法:电镀。与仅限于特定金属的阳极氧化不同,电镀适用于更广泛的材料。通过在零件上沉积一薄层金属,可以显着增强零件的外观、耐腐蚀性、耐用性和导电性。
电镀的历史可以追溯到 19 世纪初,当时意大利化学家 Luigi Brugnatelli 首次使用电流将金镀到银上。然而,直到 1830 年代,英国科学家约翰·赖特 (John Wright) 和乔治·埃尔金顿 (George Elkington) 完善了这项技术,并于 1840 年获得了一种可靠的金属涂层方法专利,电镀才开始广泛工业化。几十年来,它扩展到包括铜、镍和铬等各种金属,使制造商能够保护产品免受腐蚀,同时提高其视觉吸引力。如今,这种复杂的工艺已成为现代制造业不可或缺的一部分。
在本指南中,我们将深入探讨电镀的复杂性,探索其工艺、类型、优点、局限性以及在当今行业成功实施所需的关键因素。
电镀是一种电沉积过程,使用电流将一薄层金属(称为沉积金属)涂覆到另一种材料(称为基材材料)的表面上。通过添加一层所需的金属,我们可以增强基材的美观性和各种性能:导热性和导电性等物理性能、强度和耐磨性等机械性能以及耐腐蚀性等化学性能。
电镀中用作沉积金属的材料是根据其具体性能来选择的,它们可以单独或组合使用,以在基材上达到所需的效果。以下是一些常用的金属:
请注意,必须仔细选择基材和涂层,因为并非所有材料都兼容。例如,钢不能直接镀银;在镀银层之前,必须先镀铜或镀镍。
电镀过程依靠电化学原理在基材上沉积一层薄薄的金属。为了更好地说明这个过程,我们以电镀铜为例。以下是其工作原理的逐步分解:
该过程涉及四个关键部件:阳极、阴极、电解液和电源。正确设置这些组件至关重要:
例如,要在黄铜上涂上铜,黄铜作为基材并连接到负极端子,使其成为阴极。我们使用铜基溶液(例如硫酸铜)作为电解质。该溶液溶解时释放出正铜离子。另一端则采用铜阳极来补充电解液中的铜离子,保证电镀过程中金属离子的持续供应。
一旦阳极和阴极都浸入硫酸铜溶液中并连接到电源,直流电(DC)就会从电源流向阳极。这通过电解质溶液在阳极和阴极之间产生电场。阴极带负电(由于电子过多),而阳极带正电。
在电场的作用下,溶液中带正电的铜离子 (Cu2+) 被吸引到带负电的黄铜阴极。到达阴极后,这些离子获得电子并还原为固体铜,然后以薄铜层的形式沉积在黄铜表面上。
阴极的还原反应为:Cu2+ (aq) + 2e− →Cu(s)
同时,流过阳极的电流导致铜原子失去电子(氧化),以铜离子(Cu2+)的形式溶解到溶液中。
阳极的氧化反应为:Cu(s) → Cu2+ (aq) + 2e−
这些铜离子 (Cu2+) 从阳极迁移到阴极,当铜离子在阴极表面被还原为固体铜时,新的还原循环开始。同时,阳极铜原子失去的电子通过外部电路到达阴极,完成电路。
随着电镀的继续,铜阳极逐渐溶解,不断补充溶液中的铜离子,保持离子浓度稳定。如果使用不同的金属作为阳极,溶液中的铜离子将得不到补充,导致硫酸铜溶液的颜色变浅,浓度降低。
有多种电镀方法可供选择,每种方法都针对不同的应用而定制,并旨在实现特定的结果。以下是主要类型的总结:
电镀法 | 特征 | 应用领域 |
巴尔埃尔 电镀 | ▪ Small parts are placed in a rotating barrel containing the electrolyte solution. Electrical contact is made to allow plating to occur as the parts tumble. ▪ Highly economical for bulk production; Ensures a uniform coating across all parts. ▪ Not suitable for delicate parts that require high precision; Parts may scratch or entangle due to the tumbling motion. | 用于小型耐用零件,如螺母、螺栓、螺钉和垫圈。 |
挂镀 | ▪ Larger or more delicate items are attached to racks, which are then submerged in the plating solution. Electrical current is uniformly distributed through the rack to ensure even plating. ▪ Offers superior coating control, provides a high-quality, consistent finish and minimizes damage to fragile or complex parts. ▪ Capable of coating complex contours, though coverage in deep recesses and narrow grooves may vary depending on current distribution and part design. ▪ More expensive and labor-intensive than barrel plating. | 用于大型、易碎或复杂的零件,例如汽车部件、电气部件、医疗设备、航空航天部件和珠宝。 |
连续电镀 | ▪ Involves passing long materials like wires or strips through the electrolyte bath continuously, often referred to as reel-to-reel plating for thin strips. ▪ Highly automated and allows control over coating thickness and consistency. Well-suited for high-speed, high-volume production. ▪ Limited to long, uniform items such as wires and strips; Initial setup can be costly. | 通常用于电子和制造等行业的线材、金属带材和管材的涂层。 |
在线电镀 | ▪ Uses an assembly line setup where parts are passed through several stations, each contributing to the plating process. ▪ Automated method minimizes manual labor and controls the use of chemicals more precisely, making it cost-effective. ▪ Provides less control over coating uniformity compared to rack plating; Not ideal for complex geometries. | 通常用于在各种基材上电镀铜、锌、铬和镉等金属,特别是在大批量生产中。 |
通过在基材上涂上一薄层金属,电镀可显着提高物理、机械和化学性能。下面,我们将探讨这些改进的特性并重点介绍典型的行业应用。
电镀使表面更光滑、更有光泽,同时保持低成本,从而改善基材的外观。虽然金属天然具有导电性,但电镀增加了导电性更强的层,可以在不大幅增加成本的情况下提高性能。它还允许非金属用于电气应用,降低成本和重量,从而简化运输和存储。
消费品行业:珠宝和手表经常使用金、银或铑等贵金属电镀来提高其光泽和美观度,从而增加其市场吸引力。家用电器和厨房用品,如餐具、炊具、水龙头和水壶,镀上铬或镍等更闪亮的金属后看起来更有吸引力。电镀还使这些物品更容易清洁。
国防和航空航天工业:黑色化学镀镍可吸收光并减少表面反射。这对于制造需要最大限度降低可探测性的隐形车辆和航空航天部件至关重要。
电子行业:镀金因其强导电性和耐腐蚀性而常用于半导体、连接器和开关。银具有更好的导电性,通常用于需要快速信号传输的电线、触点和 PCB 中。铜具有良好的导电性和较低的成本,可作为黄金的实用替代品,特别是在 PCB 和电气连接领域。
电镀可增强材料的机械性能,根据应用提高拉伸强度、弯曲强度、耐磨性和整体耐用性。此外,它还可以改善表面光洁度,使材料更易于处理并减少摩擦。这些增强功能提高了短期性能,同时也延长了产品的使用寿命。
航空航天和汽车工业:在这些领域,镍和铜镍合金通常镀在飞机机身、结构元件和底盘部件上。该工艺有助于提高整体韧性和弯曲强度。与此同时,镀硬铬广泛应用于发动机零件、轴承和齿轮等关键部件,可提高耐磨性并增强冲击耐久性。
工具和模具制造:镍和钴涂层通常用于强化工具和模具,提高拉伸强度和耐磨性以承受高应力条件。硬铬在这些应用中也很受欢迎,因为它增强了耐磨性,同时最大限度地减少材料粘附。
3D打印和塑料产品:镀镍用于3D打印的SLA树脂和塑料产品,以增强拉伸强度和弯曲性能。这种处理有助于弥合塑料和金属之间的差距,使这些材料的机械性能更接近金属。
电镀形成保护屏障,增强对腐蚀、化学品、紫外线和辐射的抵抗力,延长在恶劣环境中使用的材料的使用寿命。这对于暴露于腐蚀性物质或户外条件下的组件特别有利。
医疗行业:金和钛涂层由于具有高生物相容性和体液耐腐蚀性,常用于心脏支架、关节假体和牙种植体等医疗器械。镀银具有天然的抗菌特性,通常应用于导管和其他装置以降低感染风险。
海洋工业:为了对抗盐水和湿度的腐蚀,镀锌被应用于大型海洋结构,如船舶甲板、栏杆和框架。化学镀镍还用于管道和阀门,在恶劣的海上环境中提供可靠的保护。
化学工业:在化学工业中,设备必须能够承受强酸和强碱。钛涂层因其对这些腐蚀性物质的优异抵抗力而受到青睐,常用于化学反应器、储罐和工业蒸发器,确保即使在极端条件下也能稳定运行。
航空航天工业:航天器和卫星长期暴露在强烈的紫外线和宇宙辐射下,随着时间的推移,材料会降解。为了抵御这些恶劣条件,它们的表面通常镀有铝和金。还使用镀镍,提供额外的耐大气腐蚀能力。
尽管有这些优点,电镀也有其局限性:
电镀涉及使用氰化物、重金属和酸等危险化学品,如果管理不当,可能会导致环境污染。危险废物的处置和废水的处理可能成本高昂,并且必须遵守严格的环境法规以避免污染。
此外,电镀是一种能源密集型工艺,尤其是在大规模生产中,因为它需要持续供应直流电 (DC)。这种高能耗增加了生产成本并导致更大的碳足迹,从而影响环境。
电镀效果依赖于对电流密度、电解质溶液温度和浓度等多个参数的精确控制,以及对预处理过程中每个步骤的严格管理。此外,必须考虑不同基材的特性,因为并非所有材料都与电镀溶液兼容。例如,某些金属可能会在某些溶液中发生电化学腐蚀或不良反应,从而导致涂层无法均匀粘附。
电镀可能是一个缓慢的过程,尤其是在涂覆高质量或厚涂层时。虽然增加电源或电解质浓度可以加快这一过程,但通常会导致涂层不均匀,从而影响整体质量。这种延长的处理时间会延迟生产计划并影响制造效率。
电镀主要适用于薄涂层,通常范围从几微米到几百微米。对于需要更厚、更耐用涂层的应用,热喷涂、熔覆或热浸镀锌等方法更有效。
电镀的好处仅限于表面层。一旦表面涂层被划伤或磨损,下面的材料就会暴露出来,可能会失去电镀所提供的性能增强功能。这使得它不太适合需要深层或结构保护的应用。
电镀是一种强大的技术,可以显着增强材料性能,并已成为各个行业的流行选择。但是,始终如一地执行仍然具有挑战性。这就是为什么与专业电镀供应商合作对于获得可靠结果至关重要。
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从微型电子产品到重型工业系统,几乎每件硬件都依赖机械紧固件才能有效运行。本文深入探讨了紧固件及其广泛的应用。准备好仔细看看了吗?加入我们,一起发现: 什么是紧固件? 不同类型的紧固件及其用途 用于制造紧固件的材料 如何为您的项目选择合适的紧固件 什么是紧固件? 紧固件是一种用于将两个或多个物体机械连接或固定在一起的硬件设备。它涵盖了广泛的工具类别——螺钉、螺母、螺栓、垫圈、铆钉、锚栓和钉子等各种形式。 大多数紧固件可以轻松拆卸和重新组装,而不会损坏螺钉和螺栓等部件。它们形成非永久性关节,但这并不意味着该关节很弱;事实上,如果安装正确,它们可以承受很大程度的压力。 此外,还有焊接接头和铆钉等紧固件,它们可以形成不易拆卸的永久结合。根据应用的不同,紧固件有各种形状、尺寸和材料,每种都有其独特的功能和用途。我们将在下面的段落中研究这些以及更多内容。 不同类型的紧固件及其用途 如上所述,紧固件有多种形式。每种类型都根据其设计和功能满足独特的应用。以下是紧固件主要类型、子类型和具体用途的详细分类。 类型 1:螺丝 螺钉是高度通用的紧固件,具有头部和螺纹杆,可提供强大的抓地力和抗拉力。它们有各种头部形状(例如扁平、圆形或六角形),可以适应不同的工具和审美需求。 与螺栓不同,许多螺钉(例如自攻螺钉)可以在材料中创建自己的螺纹,而无需预先钻孔。使用螺丝刀或电钻等简单工具即可快速安装,并且不需要螺母进行紧固。螺钉与多种材料兼容,包括木材、塑料和薄金属。一些最常见的包括: 木螺丝 顾名思义,木螺钉通常是部分螺纹的,专门设计用于连接木块。它们具有锋利的尖端和粗螺纹,使它们能够轻松穿透木材并提供牢固的抓握。 机械螺丝 与木螺钉相比,这些螺钉具有更细的螺纹,这使得它们更适合金属和刚性复合材料等硬质材料。它们具有一致的柄直径,尖端没有锥形。通常,机器螺钉插入预先钻好的螺纹孔中或与螺母配对以进行安全组装。 金属板螺丝 金属板螺钉是自攻螺钉专为薄金属板(如金属板)和其他薄材料而设计。它们具有全螺纹柄和锋利的螺纹尖端,可以轻松地将螺纹切削到薄金属中。 自钻螺钉 自钻螺钉采用金属板螺钉的全螺纹设计,但配有钻头形状的尖端。这一独特的功能使它们能够直接钻入钢或铝等硬质基材,而无需预钻孔。它们对于固定较厚的金属材料特别有效,可提高效率并易于安装。 甲板螺丝 与主要用于室内或受保护的木材连接的木螺钉不同,甲板螺钉是专门为室外应用而设计的木螺钉。它们通常由不锈钢、镀锌钢或具有特殊防腐涂层的材料制成。甲板螺钉通常具有全螺纹柄,有些设计采用双螺纹或特殊螺纹,以适应温度和湿度波动引起的膨胀、收缩和应力。 六角拉力螺钉 六角拉力螺钉是大型木螺钉,设计为用扳手或套筒而不是螺丝刀驱动。它们具有粗粗螺纹和六角头,可提供出色的扭矩,是最坚固的金属和木材紧固件之一。由于这些螺钉的尺寸和强度,需要预先钻好导向孔。由于其处理重负载的能力,它们非常适合框架、甲板和重型家具等结构应用。 类型 2:螺栓 螺栓与螺钉具有相似的结构,具有从尖端开始的外外螺纹。与螺钉不同,螺栓不是自攻螺纹,也不会在材料中切出螺纹。相反,它们与预攻丝孔或螺母配合使用,以形成坚固的机械接头。以下是最流行的螺栓类型: 六角头螺栓 六角头螺栓有六角头;这种设计使它们可以使用标准扳手或电动工具轻松拧紧或松开,从而确保高效的组装和拆卸。它们带有机器螺纹,可以完全或部分沿螺栓长度延伸。全螺纹螺栓在需要强夹紧力的应用中表现出色,而部分螺纹螺栓凭借其光滑的杆部,可为横向承载应用提供卓越的剪切强度。 马车螺栓 马车螺栓有一个圆形凸形金属头,后面是方颈和螺纹轴。方颈设计用于锁定在材料内,防止螺栓在安装过程中旋转并确保稳定性。这些螺栓主要用于木材应用,例如木框架或家具组装。 吊环螺栓 吊环螺栓一端具有圆形环(或“吊环”),另一端具有螺纹杆。螺纹端拧入表面,而环可以轻松连接或悬挂物体。这些螺栓通常用于需要拉力的应用,例如提升重物或将绳索和电缆固定到结构上。 内六角螺栓(内六角螺栓) 这些类型的紧固件通常具有圆柱形头部,该头部带有用于驱动工具的六角形凹槽。可以使用内六角扳手或六角扳手来拧紧。与传统螺栓(例如带有外驱动头的六角螺栓)相比,内六角螺栓具有更小、更紧凑的头部。这种设计允许在狭小或有限的空间中应用高扭矩。 U 型螺栓 U型螺栓的形状像“U”形,杆部两端都有螺纹。它们可以缠绕管道或其他圆柱形物体,将它们固定在平坦的表面或结构上,而不会对管道造成永久性损坏或影响流体流动。 双头螺栓 双头螺栓,或双头螺栓,两端都有螺纹,中间有一个无螺纹的杆部。它们用于从两侧固定两个或多个零件,通常用于需要双端紧固的法兰组件或结构连接等应用。这些螺栓可以在其一端或两端使用螺母。 类型 3:坚果 螺母是螺栓不可或缺的伙伴。这些紧固件具有内螺纹,与螺纹尺寸和螺距相匹配的螺栓配对,以确保牢固的夹紧和增加的扭矩。与螺栓和螺钉一样,螺母也有各种形状和尺寸。以下是一些最常见的坚果类型: 六角螺母 作为标准六面螺母,六角螺母是最常见的类型,适用于通用紧固。它们很便宜,您可以使用扳手或钳子轻松组装它们。 尼龙锁紧螺母 尼龙锁紧螺母与后继结构的六角螺母类似,但具有一个额外的轴环,可容纳尼龙环或金属嵌件。这种设计有效防止高振动环境下的松动。 城堡螺母(开槽螺母) 城堡螺母的顶部切有槽,类似于城堡的城垛。这些槽与螺栓或螺柱上的预钻孔对齐,螺母就位后,可以将开口销插入孔中以将其固定,防止松动。 法兰螺母 法兰螺母与六角螺母类似,但底部有一个宽法兰,可用作内置垫圈。这种设计有助于将负载均匀分布在更大的区域,降低连接材料损坏的风险并增强螺母的抓力。 盖形螺母(盖形螺母) […]
在各种类型的加工过程中,有时我们希望有一种加工方法能够实现刀具与工件之间的非接触。当然,我们会想到放电加工 (EDM)。
轴承是支撑和引导旋转或移动部件(例如轴)的机械部件。它减少了摩擦并允许更平稳的旋转,从而降低了能耗。轴承还将载荷从旋转元件传递到外壳或框架,并且该载荷可以是径向的、轴向的或两者的组合。此外,轴承将零件的运动限制在预定方向,确保稳定性和精度。