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稀土元素在电镀中的应用
www.hehanggroup.com 化学镀镍--合航集团 2013-04-03 13:52
深圳表面处理网：
赵琳1，付拴拴1，张莹莹1，孙凯2
(1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁阜新123000;2.辽宁工程技术大学创新实践学院，辽宁阜新123000)
摘要：稀土元素具有高耐蚀性、高耐磨性、高磁性、超导性、高催化活性及高储氢性等特点，是材料科学技术中不可或缺的功能材料，用途十分广泛。综述了稀土元素在单金属电镀、合金电镀、电刷镀和复合电镀等方面的应用情况，并展望了稀土元素在电镀领域的研究前景。
关键词：单金属电镀;合金电镀;电刷镀;复合电镀
中图分类号：TQ153文献标识码：A文章编号：1000-4742(2012)06-0001-03
0前言
稀土元素是元素周期表中第III族副族元素钪、钇和镧系元素共17种元素的合称。其具有高耐蚀性、高耐磨性、高磁性、超导性、高催化活性及高储氢性等特点，是材料科学技术中不可或缺的功能材料，用途十分广泛。我国有丰富的稀土矿产资源，稀土储量约占全世界的80%，可谓得天独厚。
1稀土元素在电镀中的应用
上世纪80年代，我国科技工作者将稀土元素引入电镀领域，取得了可喜成果，使传统镀铬工艺前进了一大步，开创了稀土元素在电镀中应用的先例[1]。此后，稀土元素在电沉积过程中的研究就成为电化学工作者关注的热点之一，新的成果不断涌现，多种稀土添加剂相继问世，其应用也日趋广泛[2-6]。
1.1单金属电镀
在镀锌、镀铜电解液中加入稀土添加剂可使镀层晶粒细小致密，耐蚀性提高。在镀锡电解液中加入铈的化合物，除了使镀层光亮细致，并改善了可焊性和抗氧化性外，还能防止“锡瘟”的发生，保证镀锡层在电子元器件使用中的安全可靠性。在镀铬电解液中使用稀土添加剂，改善了镀液的覆盖能力和分散能力，使沉积速率加快，阴极电流效率提高。
陈海燕等[7]研究出含稀土添加剂的低铬酸电镀铬工艺配方。结果表明：采用该工艺对ABS塑料件进行电镀，可获得外观光亮平滑、均匀致密、结合力好的镀铬层，且生产效率大大提高。为了降低电镀铬对环境的危害，陈海燕等[8]采用正交实验法对含纳米氧化铈的镀铬工艺进行了优选。结果表明：在不锈钢镀液中加入纳米氧化铈，不但大大降低了镀铬液中铬酐的质量浓度和生产能耗，而且提高了电沉积铬的阴极极化率，改善了镀液的分散能力，从而获得了光滑致密的镀铬层。
赵坤等[9]在硫酸盐三价铬镀铬液中加入少量的稀土化合物(如铈、镧和混合稀土等)，研究了稀土化合物的质量浓度对镀层的沉积速率及耐蚀性的影响。结果表明：当镀液中碳酸镧的质量浓度为0.4g/L，或硝酸铈的质量浓度为0.1g/L，或混合稀土的质量浓度为0.3g/L时，对镀层的沉积速率及耐蚀性的影响效果最好。
1.2合金电镀
在广泛使用的碱性镀层Ni-Fe合金电镀液中添加少量的钪、镨及钕的化合物，可以增强镀液的稳定性，提高阴极电流效率，所得镀层均匀细致、平滑光亮。在Zn-Ni合金电镀液中加入铈，可以提高镀层中镍的质量分数，同时提高镀层性能。此外，用电沉积法得到铈的质量分数为0.1%～0.5%的Sn-Ce合金镀层，不仅防变色性能和焊接性能优良，还可有效地防止“锡须”的生成。
鲁道荣等[10]往电镀液中加入钇盐，在A3钢表面电镀Zn-Fe合金镀层，研究了钇盐对Zn-Fe合金镀层耐蚀性的影响。结果表明：加入钇盐，能改变Zn-Fe合金镀层的晶面择优取向和织构系数，使结晶粒度变小，且低晶面指数的晶面耐蚀性较好;当钇盐的质量浓度为0.6g/L时，镀层变得均匀、致密，电结晶生长形态变为层状;镀层的致钝电流密度和维钝电流密度降低显著，极化电阻增大，获得的Zn-Fe合金镀层的耐蚀性最好。
1.3电刷镀
在电刷镀镀液中添加不同种类的稀土元素可以起到催化剂的作用，加快了电极反应速率，提高了镀层的耐磨性和耐蚀性。应用到再制造工程中，起到了良好的作用。
付大海等[11]利用电刷镀技术在铝合金表面制备了稀土铈转化膜，得到的稀土膜层厚度均匀，呈层状结构，与基体结合良好，在NaCl溶液中具有良好的耐蚀性。同时研究了刷镀电压和铈盐的质量浓度对膜层耐蚀性的影响。结果表明：在电压7V和铈盐20g/I，的条件下，制备的膜层具有良好的耐蚀性，经过480h盐雾实验后，其表面耐蚀性评价达到8级以上;镀膜试样与原始LY12铝合金试样相比，自腐蚀电流密度降低一个数量级，低频阻抗值则增大约30倍。
赵玮霖等[12]通过在快速刷镀镍溶液中加入少量稀土化合物，改善镀液的分散能力和深镀能力，提高镀层刷镀速率，从而增加镀层的硬度和耐磨性，改善镀层的表面质量。
1.4复合电镀
复合电镀是近年来兴起的表面处理新工艺。在某些化学复合镀工艺中，将适量的稀土化合物加入镀液中，显示出独特的优势，促进了不溶性固体微粒与金属离子的共沉积，提高了固体微粒在镀层中的质量分数，增强了镀层的硬度和耐磨性。
唐宏科等[13]研究了LaCl3对Ni-Co-PTFE复合镀层性能及其组织结构的影响，并探讨了稀土在复合电镀中的作用机理。研究表明：LaCl3的加入对Ni-Co-PTFE复合镀层的性能影响显著。当LaCl3的质量浓度为0.8g/L时，镀层具有最大的镀速和显微硬度，而摩擦系数最小。阴极极化实验表明：LaCl3的加入使得阴极极化曲线逐渐负移，有利于结晶的细化。SEM及X射线衍射实验发现：LaCl3的加入，使Ni-Co-PTFE复合镀层的晶粒明显细化，晶粒小而球化，结构紧密，PTFE分布均匀，从而大大提高了镀层的自润滑性及耐磨性。
朱利敏等[14]以低碳钢为基体，预置纯镍和Ni-La20。复合镀层，采用固体粉末法进行渗铝，对渗
铝试样进行高温氧化实验。实验发现：稀土元素La促进了渗铝的过程，使渗铝层中铝的质量分数较高(为35%)，并且渗层组织细小均匀，表面质量好;高温氧化后，Ni-La镀层渗铝层表面形成的氧化膜薄而致密，氧化增重较小，具有较好的抗高温氧化性。
2结语
总之，稀土元素在电镀技术中的应用已取得令人瞩目的成果。稀土元素使用的特点是用量小而作用大。这对提高镀层性能、节约资源和保护环境十分有利。可以预料，稀土元素在电镀技术中应用，特别是在一些功能性镀层的研发和应用中，潜力很大，前景十分广阔。
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