低温镀铁

董富岳

（合肥科华精细化工研究所，安徽 合肥 230051）

低温镀铁

董富岳

（合肥科华精细化工研究所，安徽 合肥 230051）

提出了一种具有实用意义的低温镀铁工艺。采用氯化亚铁单盐镀铁。考察了主盐的质量浓度、镀液酸度、温度、电流密度及共存离子等因素对镀层质量的影响。

低温镀铁；氯化亚铁；刻蚀；不对称交流起镀

0 前言

低温镀铁是一项既经济又实用的电镀技术。与金属喷涂、振动堆焊、镀铬和高温镀铁等修复技术相比，低温镀铁有着显著的优势。

20世纪40年代出现了高温镀铁。操作温度高及镀层不耐磨等缺点，限制了它的应用。与高温镀铁工艺相比，低温镀铁工艺具有室温下工作、成本低、工艺范围宽、结合强度好、硬度高、镀层厚及操作环境较好等优点。

1 镀铁原理

低温镀铁液的主要成分为氯化亚铁及少量的盐酸，它们在水溶液中电离：

上述离子做不定向运动。如果加入阴极（工件）和阳极（低碳钢板），接通低压直流电，在电场力的作用下，这些正负离子就做定向运动，并在电极上发生氧化－还原反应。

如上所述，镀铁和镀镍、镀锌一样，在电场力的作用下，阳极不断溶解，阴极上不断析出金属。

2 结果与讨论

2.1 低温镀铁液的配制

2.1.1 镀铁液的基本类型及配方

镀铁液主要有氯化亚铁型、硫酸亚铁型和两者混合型。

三种类型镀铁液的典型配方如下。

（1）氯化亚铁型

FeCl2·4H2O 300～400g/L，pH 值 0.5～1.2，10～20A/dm2，30～50℃。

（2）硫酸亚铁型

FeSO4·7H2O 450～500g/L，MnSO41～3 g/L，K2SO4150～200g/L，C2H2O41～3g/L，pH值2.5～3.0，5～10A/dm2，95～98℃。

（3）两者混合型

FeCl2·4H2O 200g/L，FeSO4·7H2O 200 g/L，pH值0.6～1.0，20～25A/dm2，30～50℃。

2.1.2 氯化亚铁型镀铁液的配制

（1）用低碳钢和盐酸配制

用低碳钢屑或低碳钢板和合成盐酸溶液配制，要求低碳钢中碳的质量分数低于0.1%。由于镀铁液中的铬离子难以处理，所以要杜绝铬离子进入镀铁液。建议用纯水，去离子水或蒸馏水均可。

如果铁屑或铁板有油污，应先将其放在70～90℃、10%～15%的烧碱溶液中煮泡0.5h，然后用热水浸洗，再用清水冲洗干净。

配大型镀槽一般用铁总量的1/3放入塑料等耐酸容器中，倒入计量的1∶1盐酸溶液。为弥补酸雾逸出的损失，可适当多加10%左右的盐酸。由于反应时有氢气和酸雾逸出，应加强通风。根据反应情况，分2～3次将铁屑和盐酸倒入。此反应一般持续3～5d，待反应停止后，再放置1d，然后过滤到镀槽中，加蒸馏水至工作体积，用盐酸将pH值调至0.5～0.8，并通电处理。

这种方法取材方便、成本低，但持续时间较长。

（2）用三氯化铁和盐酸配制

其原理是：在酸性条件下，将三氯化铁还原成氯化亚铁。

在选购原料时，应注意选用杂质较少的三氯化铁。100g氯化亚铁需用110g三氯化铁，每升溶液需10～15g盐酸。

配制可在镀槽中直接进行，在镀槽中倒入约1/2体积的纯水，在搅拌下将三氯化铁溶入，加纯水至工作体积，用盐酸调整镀液的酸度，使pH值为0.5～0.8，然后通电处理。

（3）用氯化亚铁和盐酸直接配制

用工业级的氯化亚铁和盐酸制备镀液时，氯化亚铁按计算用量再加5%补偿即可，盐酸用量2～3 g/L。配制方法和用三氯化铁的一样，即先用适量的纯水将氯化亚铁溶解，然后加水至工作体积，用盐酸调整pH值至0.5～0.8，再电解。

2.2 低温镀铁工艺流程

低温镀铁工艺规范为：FeCl2·4H2O 300～400 g/L，pH值0.5～1.2，10～20A/dm2，30～50℃，S阴极∶S阳极1.0∶（1.5～2.5）。

镀液要保持鲜绿透明，不含有机杂质和有害元素，肉眼可见微粒在100mL镀液中不超过10粒。

目前镀铁采用的工艺有两种：有刻蚀镀铁和无刻蚀镀铁。有刻蚀镀铁的效果较好，但会将硫酸根带入镀槽。无刻蚀镀铁可避免硫酸根的带入，但效果较差。下面分别予以论述。

2.2.1 有刻蚀镀铁

所谓刻蚀，是在工件镀铁前，先在硫酸溶液中以铅板作阴极，将工件进行阳极处理。刻蚀的目的在于粗化被镀表面，清除金属表面轻微的氧化物，使镀件表面显露出纯净的金属晶格，形成一层透明的氧化膜，以保证镀层与基体金属间的结合力。

除油—→刻蚀—→镀铁（浸蚀—→起镀—→过渡镀—→转直流—→直流过渡镀—→直流镀）

2.2.2 无刻蚀镀铁

除油—→酸洗—→对称交流活化—→不对称交流起镀

2.3 镀液成分和工艺规范的影响

低温镀铁的镀液成分简单，但操作程序较复杂。由于镀层的沉积速率快，镀厚能力强，因此，镀铁液中成分变化也大。

2.3.1 主盐的影响

理想的镀铁液应清澈透明，呈亮绿色，且无杂物。Fe2＋达到97%～99%，Fe3＋应低于3g/L。

镀铁液中主要是氯化亚铁。在酸度和温度不变的情况下，氯化亚铁的质量浓度为315～400g/L时导电最好。低于或高于上述质量浓度范围，虽能获得镀铁层，但不够理想。当氯化亚铁的质量浓度低于180g/L时，在电镀过程中，阴极附近容易出现铁离子供应不足，使浓差极化值提高，加速氢离子放电，渗氢量相对增大。有时从镀层表面看，虽然光滑平整，但渗氢多，硬度过高，脆性大，结合强度低，失去应用价值。但亚铁离子的质量浓度也不宜过高。当氯化亚铁的质量浓度超过480g/L时，由于离子间相互作用，阻碍了离子的运动，镀液的导电、分散能力反而降低，镀层表面容易长颗粒状毛刺而变得非常粗糙。

导电性能好的镀液，在没有其他因素影响的条件下，允许用较高的电流密度，因而沉积速率快、生产效率高。

实际生产中氯化亚铁的质量浓度控制在300～400g/L，以取得镀液最好的分散能力和最高的导电性能。

2.3.2 酸度的影响

在氯化亚铁型镀铁液中加入盐酸，一方面是为了增强导电能力；更重要的在于盐酸电离产生的氯离子具有很强的活化能力，从而防止阳极钝化，保证阳极能正常溶解，并能阻滞镀液中二价铁氧化成三价铁。所以，镀液中应保持有一定量的盐酸。低温镀铁对氢的析出很敏感。酸度稍有变化都会影响镀层的硬度、显微组织和外观等。当酸度低时（如pH值超过2），得到的镀层虽然表面光亮平整，但结合强度低，容易从基体上敲落下来。这是由于酸度低时，容易产生氢氧化合物。这些氢氧化合物在电场力的作用下，跟着吸附的铁离子进入镀层，造成镀层夹杂分层。当镀液中含三价铁离子较多时，这种情况就变得更为严重。但当酸度过大时（如pH值低于0.5），氢析出的量增加，电流效率下降，镀层脆性增大，甚至表面长出胡须状毛刺，手一抹便掉，而露出许多小麻坑。镀层脆性大时，稍不注意就会脱层，特别在点焊修补时容易咬边，不易补焊。实践证明：当氯化亚铁的质量浓度为300～400g/L时，pH值控制在0.8～1.2能获得质量较好的镀层。

pH值与盐酸质量浓度的关系（FeCl2·4H2O 400g/L），见图1。

图1 pH值与盐酸质量浓度的关系

在电镀过程中，盐酸会逐渐消耗，pH值逐步上升。由于镀铁层要求厚，施镀时间长，起始与终止时，镀液的pH值会相差很大。为了使pH值始终保持在规定范围内，在电镀过程中应不断加酸。盐酸应稀释后加入，不要直接在阴极周围加酸，以免氢在阴极大量析出，因渗氢而增大内应力。一般采用1∶1的盐酸。

2.3.3 温度的影响

镀液温度对镀层内应力、硬度和结合强度等性能的影响不是单一的。镀液的质量浓度和酸度不变，在相同的电流密度下，镀液温度越低，脆性越大，镀层内孔隙、裂纹也越细密短小，结合强度下降。随着镀液温度的升高，硬度下降，导电能力增强，离子扩散运动加快，有利于铁的规则结晶。但温度升高也会带来不利影响，镀层质量难以保证。为了使镀层具有较好的机械性能和可靠的结合强度，生产中一般将镀液温度控制在30～50℃之间。为控制好温度，镀液应有一定的体积，镀槽应配有冷却管。一般电流容量可用至0.5A/L。

2.3.4 电流密度的影响

在电镀过程中，当其他条件不变时，增大电流密度，可以提高沉积速率。但电流密度过高，会造成镀层结瘤、表面粗糙和发脆。生产中应根据零件的具体情况予以区别对待。电流密度一般选择在10～20A/dm2范围内。若镀层要求较厚，合金钢零件及受负荷较大的零件应取较小的电流密度施镀。

2.3.5 镀液中共存离子的影响

（1）硫酸根的影响

在硫酸刻蚀工序，由于冲洗不干净，往往会把硫酸带入镀铁液中。当镀液中SO2－4积累到一定量时，镀液对pH值非常敏感，白色毛刺增多，镀层奇亮，但结合强度很差，沉积速率明显下降。此时用氯化钡沉淀硫酸根，然后过滤掉沉淀即可。其化学反应式如下：

（2）铬离子的影响

铬离子是镀铁液中最有害的杂质，当镀铁液中铬离子的质量浓度达到0.03g/L时，就会引起镀层爆裂或脱壳。重铬酸根离子在酸性溶液中被还原为Cr3＋，同时又使二价铁很快氧化成三价铁。其化学反应式如下：

Cr3＋使镀层生成一种胶体氧化膜，恶化镀层质量。但至今还没有一种有效的手段来处理低温镀铁液中的铬离子。目前常用的方法是阳极面积四倍于阴极面积，在pH值为0.5时对镀液通电处理24h以上，再将pH值升至2.5，沉淀一晚后过滤。或者只能更换部分或全部的镀液。

（3）碳的影响

在镀铁过程中，阳极上铁不断溶解而碳却积聚起来，俗称阳极泥。运动着的离子将不可避免地把碳带入镀液，碳微粒进入镀层后，在碳的上面又沉积了新的镀层，碳就被夹在中间，使镀件表面疏松粗糙、出现弹坑、硬度和强度降低，甚至脆裂、剥落。为了保持镀液清洁，应将阳极装入双层涤纶布套内，最大程度限制碳微粒进入镀液中。镀液使用久了，有些胶体杂质用涤纶布套过滤不净时，可用活性炭吸附后再用滤纸过滤。

2.4 常见故障产生原因及纠正方法

常见故障产生原因及纠正方法，见表1。

表1 常见故障产生原因及纠正方法

3 结论

低温镀铁已在综合采煤机械液压支柱、拖拉机发动机曲轴和轧钢机组轧辊等的修复中得到广泛应用，并经多年实践考验，充分体现了该工艺的实用性和巨大的经济潜力。

Low Temperature Ⅰron Plating

DONG Fu-yue
（Hefei Kehua Fine Chemicals Research Institute，Hefei 230051，China）

A practically significant low temperature iron plating process based on ferrous chloride is presented.The effects of main salt mass concentration，bath acidity，temperature，current density，and coexistent ions on the quality of the coating are investigated.

low temperature iron plating；ferrous chloride；etching；asymmetric AC plating

TQ 153

A

1000-4742（2014）04-0017-04

2012-12-13