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电镀基础知识

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电镀基础知识

日期:2020/3/6 20:21:11

第一节 电镀概念及应用

1、电镀的定义

电镀是利用电解(电沉积)在制件表面形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的过程。也可定义为以直流电(或脉冲电流)通入一定的电解质溶液,通过电能向化学能的转换,把金属镀到零件表面上的过程。因此电镀必需的条件是外加直流电源、镀液、镀件及阳极组成的电解装置。在电镀时零件为阴极,镀液中的金属离子在直流电的作用下沉积在零件表面形成均匀、致密的金属镀层。

2、电镀的目的

电镀的目的是通过改变零件表面的外观和物理化学性质,达到装饰性、耐蚀性和耐磨性等各种技术性能还可以根据具体的工艺要求施加某种功能性镀层,如焊接性、电能性、磁能性、光能性镀层等,充分扩大金属材料的应用范围。

3、电镀的应用

电镀技术已经遍及国民经济各个生产和科学领域。尤其在机器制造、国防、电讯、交通、轻工业等行业已成为不可缺少的一部分。在化工生产中电镀广泛应用于提高各种轴类、套类等零部件的耐磨、抗腐蚀性能;在使用于各种高压垫圈的密封防腐以及各种机械磨损和加工件的修复尺寸等方面起到越来越重要的作用。

 

第二节 电镀基础术语

1、电镀液

用于电镀的电解溶液,主要成分有:主盐、络合剂、附加盐、缓冲剂、阳极活性剂、添加剂等

1.1 主盐

主盐是指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐,用于提供金属离子。

镀液中主盐浓度必须在一个适当的范围,在其它条件不变时,主盐浓度增加或减少,都会对电沉积过程及最后的镀层组织有影响。比如,主盐浓度升高,电流效率提高,金属沉积速度加快,镀层晶粒较粗,溶液分散能力下降。

例如,光亮镀银工艺BAg-2002中的氰化银是主盐,提供镀液中的金属离子。

1.2 络合剂

有些情况下,若镀液中主盐的金属离子仅仅为简单离子时,则镀层晶粒粗大,常常加入络合剂形成络合离子的镀液

络合物是能与金属离子形成络合离子的化合物。在含络合物的镀液中,影响电镀效果的是主盐与络合剂的相对含量,即络合剂的游离量,而不是绝对含量。

例如,光亮镀银工艺BAg-2002中的氰化钾是络合剂,氰化钾和银生成银氰化钾络盐。

1.3 附加盐

附加盐是电镀中除主盐外的某些碱金属或碱土金属盐类,主要用于提高电镀液的导电性,对主盐中的金属离子不起络合作用,同时有些附加盐还能改善镀液的深镀能力,分散能力,产生细致的镀层。

例如,光亮镀银工艺BAg-2002中的碳酸钾是附加盐,提高镀液导电性阴极极化,进而提高镀液的分散能力。

1.4 缓冲剂

缓冲剂是指用来稳定溶液酸碱度的物质。这类物质一般是由弱酸和弱酸盐弱碱和弱碱盐组成的,溶液遇到碱或酸时,溶液的pH值变化幅度缩少。

例如,三价铬电镀工艺BCr-2007中的硼酸是缓冲剂,能稳定镀液的pH值。

1.5 阳极活化剂

镀液中能促进阳极活化的物质称阳极活化剂。阳极活化剂的作用是提高阳极开始钝化的电流密度,从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶解。含量不足时阳极溶解不正常,主盐的含量下降较快,影响镀液的稳定严重时,电镀不能正常进行。

例如,光亮镀银工艺BAg-2002中的酒石酸钾钠、氰化钾是阳极活化剂,能防止阳极钝化,提高阳极电流密度并促进阳极溶解。

1.6 添加剂

添加剂是指加入镀液中能改进镀液的电化学性能和改善镀层质量少量添加物。根据在镀液中所起的作用,添加剂可分为:光亮剂,整平剂和抑雾剂等。

例如,光亮镀银工艺BAg-2002中的BAg-2002光亮剂提高镀银层光亮度F-53铬雾抑制剂在镀铬液起抑制铬雾挥发作用

2、原电池和电解池

2.1 原电池

浸在电解质溶液中的两个电极,当其与外电路中的负载接通后,能够自发地将电流输送到外电路中而做功,这类装置为原电池或自发电池。常用的锌锰干电池和铅酸蓄电池等,都属于这类装置。

2.2电解池

浸在电解质溶液中的两个电极,与外加直流电源接通后,强制电流在体系中通过,从而在电极上发生化学反应,这类装置就叫电解池。电镀、电铸和电解加工等都是在这类装置中进行的。

3、电极和电极反应

3.1电极

置于导电介质(电解液、熔融物或气体)中的导体,电流通过它流入或流出导电介质

在原电池的两个电极中,电位较高的电极叫做正极;而电位较低的电极叫做负极。在电解池的两个电极中,反应物其上获得电子的电极,即发生还原反应的电极叫做阴极;而反应物其上失去电子的电极,即发生氧化反应的电极叫做阳极。

在电镀过程中,如镀银工艺中的银板是阳极、工件是阴极;还如三价铬电镀工艺BCr-2007中石墨是阳极、工件是阴极

3.2电极反应

电流在原电池或电解池中通过,在电极的界面上必然会有得失电子的化学反应发生。这种在两类导体界面间进行的有电子参与的化学反应就叫电极反应。在阴极和阳极上发生的电极反应分别叫做阴极反应和阳极反应。

因为电极反应伴随有电现象,又可称为电化学反应。

4、基体材料

能在其上沉积金属或形成膜层的材料。我们需要电镀的工件或铝氧化零件都是基体材料。

5、辅助阳极

除了在电镀中正常需要的阳极以外,为了改善被镀制件表面上的电流分布而使用的附加阳极,这种附加阳极就是辅助阳极。

一些结构复杂的工件在电镀过程中一般会使用辅助阳极,如深孔工件。辅助阳极用与阳极一样材料,或不易钝化和溶解的材料,如钌钛阳极、石墨等。

6、辅助阴极

为了消除被镀制件上某些部位由于电力线过于集中而出现的毛刺或烧焦等毛病,在该部位附近另加某种形状的阴极,用以消耗部分电流,这种附加的阴极就是辅助阴极,例如在大型框架电镀用铁丝、不锈钢丝或钛丝等作为辅助阴极

7、阳极袋

用棉布或化纤织物制成的套在阳极上,以防止阳极泥渣进入溶液用的袋子。 比如镀银、镀铜工艺中套在阳极板上的袋子。

8、阴极极化

直流电通过电极时,阴极电位偏离平衡电位向负的方向移动的现象。

9、阳极氧化

在一定电解液中以金属制件为阳极,经电解于制件表面形成一层具有防护性,装饰性或其它功能氧化膜的过程。

比如在建筑业和汽车工业中使用的铝和铝合金工件,大量使用了阳极氧化工艺。

10、化学钝化

用含有氧化剂的溶液处理金属制件,使其表面形成一层很薄的钝态保护膜的过程。

一般电镀锌后,都需要经过一个化学钝化的过程。如三价铬蓝白钝化ZG-203、三价铬彩色钝化ZG-204、军绿色钝化ZG-87、黑色钝化ZG-82、高耐蚀彩色钝化ZG-98等。

11、化学氧化

通过化学处理使金属表面形成氧化膜的过程。

比如钢铁的氧化处理,俗称发蓝。

12、电流密度

单位面积电极上通过的电流强度,通常以A/dm2表示。

比如三价铬电镀工艺BCr-2007中电流密度范围10-22 A/dm2

13、电流效率

电极上通过单位电量时,电极反应生成物的实际质量与其电化当量之比称为电流效率,通常以百分数表示,常以“η”表示。

一般镀铬工艺的电流效率为13%左右。镀银的电流效率可以达到90%。

14、沉积速度

单位时间内零件表面沉积出金属的厚度,通常以μm/h表示。

15、活化

工件在电镀之前浸入一定溶液,以除去表面上极薄的氧化膜并使表面处于活性的过程

16、钝化

在一定溶液中金属阳极极化超过一定数值后,金属溶解速率不但不增加,反而剧烈减小,这种使金属表面由“活化态”转变为“钝态”的过程称为钝化。由阳极极化引起的钝化为电化学钝化,而由溶液中某钝化剂引起的钝化则称为化学钝化。

17、磷化

在钢铁制件表面形成一层不溶解的磷酸盐保护膜的处理过程。磷化可分为高温磷化、中温磷化和常(低)温磷化。

18、电化学极化

在电流作用下,由于电极上的电化学反应速度小于外电源供给电子的速度,使电位负向移动,产生极化。

19、浓差极化

由于电极表面附近液层的浓度与溶液深处的浓度的差异而产生的极化。

在电镀过程中常常同时发生电化学极化和浓差极化,因此需要空气搅拌或机械搅拌。如全光亮碱性无氰锌酸盐镀锌时,通常采用8-12次/min的机械搅拌。

20、化学除油

在碱性溶液中借皂化和乳化作用清除制件表面油污的过程。

化学除油是一种常用的镀前处理技术,比如铁件化学除油、铜件化学除油、锌合金化学除油等。

21、电解除油

以金属制件作为阳极或阴极在碱性溶液中进行电解以清除制件表面氧化物和锈蚀物的过程。

22、有机溶剂除油

利用有机溶剂清除制件表面油污的过程。

23、抛光

在溶液中短时间浸泡使金属形成光亮表面的过程。分为化学光和电抛光。

化学抛光是金属制件在一定的溶液中进行处理以获得平整、光亮表面的过程;

电抛光是金属制件在合适的溶液中进行阳极极化处理以使表面平滑、光亮的过程。

24、机械抛光

借助于高速旋转的抹有抛光膏的抛光轮,以提高金属制件表面光亮的机械加工过程。

25、除氢

将金属制件在一定温度下加热处理或采用其它方法,以驱除在电镀生产过程中金属内部吸收氢的过程。

26、退镀

将制件表面镀层退除的过程。 退镀可归纳以下几种情况:不合格镀层返工需要、生产性镀层的退除、工艺性或研究性镀层退除、基体材料或镀层鉴别的需要、回收性镀层退除等。

27、弱浸蚀

镀前,在一定组成溶液中除去金属制件表面极薄的氧化膜,并使表面活化的过程。

比如铜件镀银工艺中,镀前一般使用5%硫酸酸处理。

28、强浸蚀

一定温度下,将金属制件浸在较高浓度浸蚀溶液中,以除去金属制件上氧化物锈蚀物的过程

对于一些锈蚀物比较多的工件,需要进行此项处理。比如件除锈一般是用20%的硫酸和盐酸的混合酸。

29、氢脆

金属或合金吸收氢原子或有应力存在下而引起的脆性。

氢脆现象后果严重,曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件,在装配之后数小时内陆续发生断裂,断裂比例达40%-50%的事件。

30、钢铁发蓝

将钢铁制件在空气中加热或浸入氧化性溶液中,使之于表面形成通常为蓝(黑)色的薄氧化膜的过程。

31、孔隙率

单位面积上针孔的个数。

32、针孔

从镀层表面直至底层覆盖层或基体金属的微小孔道,它是由于阴极表面上某些点的电沉积过程受到障碍,使该处不能沉积镀层,而周围的镀层却不断加厚所造成。

33、变色

由于氧化而引起的金属(或镀层)表面色泽的变化(如发暗,失色等)。 镀银层变黑

34、结合力

镀层与基体材料结合的强度的量度,可以使镀层与基体分离开所需的力表示

35、起皮

镀层成片状脱离基材料的现象。

36、海绵状镀层

与基体材料结合不牢固的疏松多孔的沉积物。

37、烧焦镀层

在过高电流下形成的颜色黑暗、粗糙松散或质量不佳的沉积物,其中常含有 氧化物或其他杂质。

38、麻点

在电镀腐蚀中,于金属表面上形成的小坑或小孔。

39、镀层钎焊性

镀层表面被熔融焊料润湿的能力。

40、溶液

溶质溶解于溶剂中组成溶液。例如:食盐(NaCl)溶于水中叫“盐水”。

41、溶液的浓度

在一定的溶剂中所含溶质的量就是溶液的浓度。溶液的浓度表示方法很多。这里介绍几种常用的方法:

41.1  克/升——g/L——这是电镀溶液中常用的一种表示法,表示每升溶液中含有溶质的克数。

41.2  百分比溶液(%)——表示溶质占溶液的百分率。有重量百分比和体积百分比。

41.3  比重——单位体积重量通常用g/cm3表示,用 “比重计”或波美度测量

41.4  pH值:氢离子活度(或近似地用浓度)的常用对数的负值,通常用pH试纸或pH计测量。

42、电化当量

电极上通过单位电量(例如1Ah,或1C具有100%电流效率的电极所产生或消耗的物质的质量称为有关物质的电化当量,通常以g/C或g/Ah

第三节 电镀层的分类及要求

1、电镀层的分类

目前,金属镀层通常按镀层的用途或镀层与基体金属的电化学关系分类。

1.1 按镀层的用途可把镀层分为三大类,即防护性镀层、防护—装饰性镀层和功能性镀层。

1防护性镀层

此类镀层主要用于金属零件的防腐蚀。镀锌层、镀镉层、镀锡层以及锌基合金(Zn—Fe、Zn—C0、Zn—Ni)镀层均属于此类镀层。黑色金属零件在一般大气条件下常用镀锌层来保护,在海洋性气候条件下常用镀镉层来保护;当要求镀层薄而抗蚀能力强时,可用锡镉合金来代替镉镀层;铜合金制造的航海仪器,可使用银镉合金保护;对于接触有机酸的黑色金属零件如食品容器,则用镀锡层来保护,它不仅防蚀能力强,而且腐蚀产物对人体无害。

2防护—装饰性镀层

对很多金属零件,既要求防腐蚀,又要求具有经久不变的外观,这就要求施加防护—装饰性镀层。这种镀层常采用多层电镀,即首先在基体上镀“底”层,而后再镀“表”层,有时还要镀“中间”层。例如,通常的Cu-Ni—CrNi -Ni—Cr多层电镀等就是典型的防护—装饰性镀层,常用于自行车、缝纫机、小轿车的外露部件等。目前正流行的花色电镀、黑色电镀及仿金镀层也属于此类镀层。

3功能性镀层

为了满足光、电、磁、热、耐磨性等特殊物理性能的需要而沉积的镀层称为功能性镀层,目前品种较多。

①耐磨和减摩镀层 

耐磨镀层是给零件镀一层高硬度的金属以增加它的抗磨耗能力。如镀硬铬,硬度可达到l000~1200HV,用于直轴或曲轴的轴颈、压印辊面、冲压模具的内腔、枪和炮管的内腔等。对一些仪器的插拔件,既要求具有高的导电能力,又要求耐磨损,常要求镀硬银、硬金、铑等。

减摩镀层多用于滑动接触面,起润滑作用,减少滑动摩擦系数,延长零件的使用寿命。作为减摩镀层的金属有锡、铅锡合金、铅铟合金、铅锡铜及铅锑锡三元合金等。

②热加工用镀层

用于改善机械零件等的表面物理性能,常常要进行热处理。但对一个部件而言,只需局部改变原来的性能,就需在热处理之前,先把不需要改变性能的部位保护起来。如工业生产中为了防止局部渗碳要镀铜,防止局部渗氮要镀锡,这是利用碳或氮在这些金属中难以扩散的特性来实现的。

③导电性镀层

在电器、无线电及通信设备中,为提高制件表面的导电性,大量使用该类镀层,常用的有镀铜、镀银、镀金等。若同时要求耐磨,则可镀银锑合金、金钴合金、金锑合金等。

④磁性镀层

录音机、电子计算机等设备中,所用的录音带、磁环线、磁鼓、磁盘等存储装置均需磁性材料,常用的有钴镍、镍铁、钴镍磷等磁性合金镀层;作为磁光记录材料,有钐钴等。生产中,当电镀工艺条件改变时,镀层的磁特性也相应变化,故应严格控制施工条件。

 ⑤修复性镀层

重要机器零件磨损以后,可以采用电镀法进行修复,如汽车和拖拉机的曲轴、凸轮轴、齿轮、花键、纺织机的压辊、深井泵轴等可用电镀硬铬、镀铁(或复合镀铁)加以修复;印染、造纸、胶片行业的一些机件也可用镀铜、镀铬来修复;印刷用的字模或版模则可用镀铁来修复。

除上述外,随着科技的发展,电镀或电沉积还可用于制备纳米材料、高性能材料薄膜,如超导氧化物薄膜、电致变色氧化物薄膜、金属化合物半导体薄膜、形状记忆合金薄膜、梯度材料薄膜等。电镀在功能材料领域的用途非常广泛。

1.2 按照基体金属与镀层的电化学关系,镀层可分为阳极镀层和阴极镀层两大类,如铁上镀锌就是常用的阳极镀层,而铁上镀锡是阴极镀层。

 1)所谓阳极镀层就是当镀层与基体金属构成腐蚀微电池时,镀层为阳极,首先溶解,这种镀层不仅能对基体起机械保护作用,还起电化学保护作用。铁上镀锌,在通常情况下,由于锌的标准电位比铁负,当镀层有缺陷(针孔、划伤等)而露出基体时,如果有水蒸气凝结于该处,则锌铁就形成了腐蚀电偶此时锌作为阳极而溶解,铁作为阴极,H+在其上放电而逸出氢气,从而保护铁不受腐蚀。因此,把这种情况下的锌镀层叫做阳极镀层。为了防止金属腐蚀,应尽可能选用阳极镀层,并保证镀层有一定的厚度。

 2)阴极镀层是镀层与基体构成腐蚀微电池时,镀层为阴极,这种镀层只能对基体金属起机械保护作用。例如,在钢铁基体上镀锡,当镀层有缺陷时,铁锡形成腐蚀电偶,但锡的标准电极电位比铁正,它是阴极,因而腐蚀电偶作用的结果将导致铁阳极溶解,而氢在锡阴极上析出。这样一来,镀层尚存,而其下面的基体却逐渐被腐蚀,最终镀层也会脱落下来。因此,阴极镀层只有当它完整无缺时,才能对基体起机械保护作用,一旦镀层被损伤,不但保护不了基体,反而加速了基体的腐蚀,所以阴极性镀层要尽量减少孔隙率。

  由于金属的电极电位随介质而发生变化,因此镀层究竟属于阳极镀层还是阴极镀层,需视介质而定。例如,锌镀层对钢铁基体来讲,在一般条件下是典型的阳极镀层,但在70~80℃的热水中,锌的电位变得比铁正,因而变成了阴极镀层;锡对铁而言,在一般条件下是阴极镀层,但在有机酸中却成为阳极镀层。

并非所有比基体金属电位负的金属都可以用作防护性镀层,因为镀层在所处的介质中如果不稳定,将迅速被介质腐蚀,失去对基体的保护作用。如锌在大气中能成为黑色金属的防护性镀层,就是由于它既是阳极镀层,又能形成碱式碳酸锌保护膜,所以很稳定。但在海水中,尽管锌对铁仍是阳极镀层,但在氯化物中不稳定,从而失去保护作用,所以,航海船舶上的仪器不能单独用锌镀层来防护,而用镉镀层或代镉镀层较好。

2、对镀层的要求

     对于不同的产品,对镀层的质量要求有所不同,但都有共同的要求。

1)电镀层与基体,包括电镀层与电镀层之间应有的牢固的附着力并达到一定的结合强度。如果结合力不好,这种电镀层即使暂时不脱落也是后患无穷,没有任何使用价值。

2)产品的主要工作面上电镀层应有完整的覆盖并基本均匀,以防因局部的缺陷,降低电镀层整体的防护效果。

3)镀层应具有规定的厚度和尽可能少的孔隙率,能有效地阻挡外界介质的腐蚀。

4)电镀层应达到规定的各项指标,如电镀层的光亮度,硬度,色彩以及耐蚀性。同时电镀层也应具有较好的外观质量,不允许有明显的针孔,麻点,划伤等缺馅存在。

无论何种金属镀层,上述几项最基本的要求是电镀生产中应该控制的主要质量指标。

3、影响电镀层质量的主要因素

影响电镀层质量的因素主要有以下几个方面:

1电镀前处理是否良好

生产实践证明多数电镀层质量事故是金属制品的电镀前处理不当欠佳所致。电镀前处理的好坏,会直接影响到电镀层质量。

2 电镀溶液的本性

电镀液的性质,组成各成分的含量以及附加盐,添加剂的含量等 

3基体金属的本性

电镀层金属与基体金属的结合是否良好,与基体的化学性质有密切关系。如基体金属的电位负于电镀层金属电位,或对易于钝化的基体或中间层,若不采取适当的措施,很难获得结合牢固的电镀层。通常采取阴极带电下槽

4电镀过程

电流密度,温度,送电方式,移动和搅拌等

5析氢反应

在电镀过程中大多数镀液的阴极反应都伴随着氢气的析出。大部分情况下析氢对电镀层质量有恶劣的影响:主要产生针孔或麻点,鼓泡,氢脆等危害。当析出的氢气粘附在阴极表面上会产生针孔或麻点;当一部分还原的氢原子渗入基体金属或镀层中,使基体金属及镀层的韧性下降而变脆,叫”氢脆”。镀铬时吸氢量较大,最易产生“氢脆”。 “氢脆”对高强度钢及弹性零件产生的危害尤其严重。

为了消除“ 氢脆”的不良影响,应在电镀后进行高温除氢处理。

6电镀后处理

电镀后对工件的清洗,钝化,除氢,抛光,保都会继续影响电镀层的质量。

7电镀电源

通常电镀电源用直流电源,对有特别要求镀层电镀或特殊基材,采用脉冲电镀电源和双脉冲电镀电源周期换向电流等。

 

第四节 电镀液分类及性能

1、电镀液的分类

不同的电镀溶液的组成不同,但无论何种电镀溶液,都含有主盐。根据主盐性质的不同可将电镀溶液分为单盐电镀溶液络合物电镀溶液两大类。

1)单盐镀液

单盐镀液是指主盐在水溶液中离解后,以简单金属(水化)离子形式存在的镀液。这种镀液除了主盐之外,一般还含有导电盐和缓冲剂等如氯化物镀锌液中的氯化钾(或氯化钠)、硼酸

单盐镀液,由于简单金属离子还原时的阴极极化作用并不大,所以镀层结晶一般比较粗糙,而且镀液的分散能力和深镀能力也比较差。为了达到较好的电镀效果必须加入适当的添加剂和光亮剂,使获得的镀层结晶细致,光亮度镀液的分散能力和深镀能力得到提高。如印刷电路板酸性镀铜溶液,必须加入添加剂来提高镀液的分散能力和孔内镀层的均匀性。

2)络合物镀液

络合物镀液就是镀液中的放电离子以络合离子形式存在,对镀层质量影响较大的是与金属离子起络合作用的络合剂(配位剂)。如焦磷酸盐、氨基磺酸盐、柠檬酸盐、氰化物等络合剂,通常镀液中的络合剂可以是一种或几种,取决于对镀液中金属离子的络合能力。另外镀液中还需要保持足够游离量的络合剂,以保持镀液的稳定性。如氰化物镀银镀液中的氰化钾(KCN)就是一种络合剂。

络合物镀液中除主盐及络合剂以外,有些电镀溶液中还有辅助络合剂、缓冲剂、阳极去极化剂、添加剂等。

2、镀液的性能

在电镀生产中镀层在零件表面上分布的均匀性和完整性是决定镀层质量的重要因素。镀液性能优劣的评价因素主要有分散能力、覆盖能力和电流效率。

分散能力是指镀液所具有的镀层厚度均匀分布的能力,也叫均镀能力。

覆盖能力是指镀液能使零件深孔、凹洼的表面沉积出镀层的能力,也叫深镀能力。

镀液的分散能力说明镀件表面厚度的均匀程度,覆盖能力说明镀件表面凹入处或深孔处有无镀层沉积,电流效率说明镀液中物质的利用效率。这三个概念共同表示零件在镀液中能否得到完整、均匀的镀层、镀液利用效率的高低,直接反应镀液的优劣。

3、电镀工艺条件的影响

    电镀工艺条件是指电镀时的操作变化因素,包括:阴极电流密度、温度、搅拌和电源波形、基体金属、几何因素等。

1)阴极电流密度

任何镀液都有一个获得良好镀层的电流密度范围,获得良好镀层的最小电流密度称电流密度下限,获得良好镀层的最大电流密度称电流密度上限。

一般情况下电流密度过低,阴极极化作用小,晶核的形成速度慢,而成长的速度快;继续增大电流密度,阴极极化逐渐提高,阴极过电位也不断增加,镀层结晶就越来越细;当电流密度过大时,阴极附近严重缺乏放电金属离子,造成“析氢”,镀层出现空洞、麻点、疏松和烧焦。

在正常的电流密度范围内,提高电流密度,可以得到比较细致的镀层,而且还能加快沉积速度,提高生产效率。

镀液电流密度范围的大小,通常是由镀液的性质、主盐浓度、镀液温度和搅拌等因素决定。

2)温度

当其他条件不变时,升高溶液的温度,通常会加快阴极反应速度和离子扩散速度,降低阴极极化作用,因而也会使镀层结晶变粗。

升高温度可以提高允许的阴极电流密度的上限值,阴极电流密度的增加会增大阴极极化作用,以弥补升温的不足,这样不但不会使镀层结晶变粗,而且会加快沉积速度,提高生产效率。

有些镀种需要加温才能得到合格的电镀层,而有些镀种又必须在某个温度下工作才行。用加温或降温的方法来弥补镀液性能的不足是完全必要的。比如光亮镀镍工艺,当镀液的温度在40℃以下时,尽管加入光亮剂,但也难镀出光亮效果的镀层,但将镀液加温至50℃以上时,就能得到非常光亮的镀镍层;而当光亮硫酸盐镀铜温度保持在20-25,光亮铜镀层综合性能相当好

3)搅拌

搅拌会加速溶液的对流,使阴极附近消耗了的金属离子得到及时补充,并且能降低阴极的浓差极化,因而在其他条件相同的情况下,搅拌会使镀层结晶变粗。

然而采用搅拌后,可以提高允许的阴极电流密度上限值,这样就可以克服因搅拌降低阴极极化作用而产生的结晶变粗现象,采用搅拌可以在较高的电流密度和较高的电流效率下得到紧密细致的镀层。

目前常用的搅拌镀液方法是阴极移动、压缩空气搅拌、镀液循环搅拌等。

阴极移动有横向移动和垂直移动。

压缩空气搅拌比较剧烈,它能使沉积与槽底的固体微粒浮起而分散到镀液中,所以使用压缩空气搅拌镀液时,一般需要备有连续过滤装置。对于一些易与空气中的氧和二氧化碳作用的镀液,如镀铁和硫酸盐镀锡等,不宜采取这类搅拌。

镀液循环搅拌主要是利用过滤装置使镀液循环移动、均匀镀液,达到搅拌的目的。

4)电源

电镀生产中常用的电源有整流器和直流发电机。电镀电源常用的是直流整流器,选择不同的整流器电源对电镀质量也有很大影响。主要影响因素:电源功率和电源波形。

随着电镀技术发展,也出现了交直流叠加电流的电镀电源。目前已应用于焦磷酸盐镀铜和铜锡合金,可获得结晶细致、光泽较好的镀层,还可扩大阴极电流密度范围。脉冲电源可提高镀层致密性

5)基体金属

①金属材料性质的影响。镀层金属与基体金属的结合是否良好,与基体金属的化学性质有着密切的关系。

如果基体金属的电位负于镀层金属的电位,就不容易获得结合良好的镀层。比如钢铁零件镀铜工艺,钢铁件在硫酸盐镀铜溶液中,铜离子就会发生置换而附着在零件的表面。这种置换镀层疏松、结合力差,影响电镀层与基体金属的结合。这类金属电镀,一定要在镀前进行预镀。比如铜件上镀银工艺,就需要带电下槽或预镀银。

另外有的金属如不锈钢、铬合金等具有钝化性质的金属,镀前需要进行阳极活化,镀冲击镍处理。

②镀前加工性质的影响。镀前的加工状态和准备工作,对镀层的质量起很重要的影响。铸造出来的生铁零件,其表面往往是凹凸不平及多孔的,在这样的表面上进行电镀往往容易得到粗糙而多孔的镀层。

③基体金属表面状态。由于氢在粗糙表面上的过电位小于光滑表面,所以在粗糙表面上析氢容易,镀层就不于沉积因此,降低基体金属的粗糙度往往可以改善覆盖能力。

6)几何因素

几何因素包括镀槽的形状、大小;阳极的形状和配;挂具的形状以及被镀零件的形状等。

镀槽设计需要根据被镀零的产量、大小及形状来确定挂具保证导电性能,又要一定承载能力;阳极目前最佳的方式是使用钛篮装载,既保证阳极的表面积不发生大的波动,又使阳极利用率大大提高

被镀零件的形状是决定电镀加工难易程度的重要因素之一。对于简单零件,比如标准件或小零件,可以进行滚镀;对于条形件,可采用斜横悬挂;但对于异形管件、盲孔件等要设计相应的挂具,有的还需要设置辅助阳极。

所有这些与电镀液性能有关的因素,彼此不是孤立的,而有着内在的联系。在实际操作实践中根据具体情况找出主要的影响因素。

4、镀层分布的影响因素

电镀生产中,影响镀层分布的主要因素电镀溶液的阴极极化度、电导率、阴极电流效率基体金属的表面状况镀槽和工件的几何因素等。

1)阴极极化度

阴极极化随电流密度的变化程度叫阴极极化度。当其它条件不变时,阴极极化度的镀液,其分散能力好。因此间接或直接促使阴极极化度增大的因素如选择适当的络合剂及添加剂,均能改善镀层的分散能力。

2)镀液电导率

对电阻较大的电解液,可以适当加入导电能力较强的电解质。当镀液的阴极极化度较大时,提高电导率能明显地提高分散能力和覆盖能力如果极化度较小那么对分散能力影响就不大,如六价铬镀铬液

3)阴极电流效率

改善阴极电流效率,可提高电解液的分散能力和覆盖能力。电流效率随电流密度的变化而改变可分为以下三种情况:

①阴极电流效率随电流密度的改变而几乎没有变化的,如硫酸盐镀铜、镀锌等电流效率对金属的分布没有影响,阴极不同部位上镀出的金属多少,就直接决定于该处的电流大小。

②阴极电流效率随电流密度的升高而下降的则能提高分散能力。这是大多数络合物电解液所具有的特点。由于电流密度大的地方电流效率低,电流密度小的地方电流效率高,这样使得各处的电流密度分布变得更均匀,电解液的分散能力得到了改善,例如含络合剂合金电镀Sn-Pb

③阴极电流效率随电流密度的升高而增大的则会降低分散能力。由于阴极上电流密度大的地方电流效率高,电流密度小的地方电流效率低,这样各处的实际电流密度更加不均匀,造成了分散能力的低下。如在镀铬时由于阴极极化度小,再加上电流效率随电流密度的增高而加大,其分散能力很差,甚至在一个平板上电流分布也不均匀,镀层厚度相差悬殊。

4)基体金属的表面状况

提高基体金属的表面光洁度,采用短时间冲击电流,提高氢在基体金属上的过电位等,可以消除基体金属对分散能力和覆盖能力的不良影响。

5)电极及镀槽的几何因素

电极形状和尺寸、电极距离、电极在镀槽中位置和镀槽的形状等,都会影响镀层在阴极表面的均匀分布。

在实际生产中采用辅助阴极和像形阳极、合理调节阴阳极之间的距离等方法尽可能消除几何因素对电解液分散能力的影响。例如镀铬电解液就是一个特殊的例子。它是一种具有强氧化能力的酸性电解液,是所电解液中分散能力最差的一种。在镀铬时候为了提高电解液的分散能力往往从电化学性能以外的角度出发,采用加防护阴极、使用辅助阳极非金属屏蔽以及合理调节电极之间的距离等方法,使得其处于最佳的电流分布状态。

 

第五节 局部电镀

1、局部电镀的概念

由于镀件来自不同行业,有着不同的用途和功效,有其各不相同的技术要求和使用场合,因而对其电镀部位也有不同的要求,通常按其施镀面积可分为全部镀和局部镀两种。常用的两种局部电镀工艺——局部绝缘电镀和高速局部电镀。

2、局部绝缘电镀

局部电镀的零件就要对其非镀面进行绝缘保护,以保证零件非镀面不会镀上镀层,尤其是有特殊要求的零件。现介绍电镀中常用的几种局部绝缘方法。

1)包扎法  这种方法是用胶布或塑料的布条、胶带等材料对非镀面进行绝缘保护,其包扎的方法根据零件的形状而定。包扎法适用于简单零件,特别是形状规则的圆形零件。包扎法是最简单的绝缘保护方法,但有如下缺点

不适用于复杂零件;

包扎缝隙中易残留溶液,不易清洗干净,造成镀液间相互污染;

包扎材料为一次性使用,浪费较大,费用较高。

2)专用夹具法  专用夹具法,又叫仿形夹具法。也就是说,对于某些形状比较复杂的零件,可以仿照零件的形状设计出专用的绝缘夹具,从而可大大提高生产效率。如轴承内径或外径进行局部镀铬时,就可以设计一种专用的轴承镀铬夹具,且这种夹具还可以重复多次使用。它的缺点是:

设计比较复杂,装夹比较麻烦;

重量较大,不易存放;

和包扎法相同,夹具缝隙中不易清洗干净, 易残留溶液,造成镀液间的相互污染。

3)蜡剂保护法  用蜡制剂绝缘的特点是,与零件的粘接性能好,使用温度范围宽,绝缘层的端边不会翘起,因此,适用于对绝缘端边尺寸公差要求高、形状较复杂的零件。此外,蜡制剂也可重复使用,损耗小,但其使用方法比较复杂,周期较长。涂覆蜡制剂时,零件应预热到50~70 ℃,再涂覆熔化了的蜡制剂,先涂一薄层,覆盖整个需绝缘的表面,这时蜡不应中途凝固,然后再反复涂至所需厚度。涂覆后在尚未冷却到室温之前的温热状态下,用小刀对绝缘端边进行修整,再用棉球沾汽油反复擦拭欲镀表面,该操作要十分仔细。镀后可在热水或专用蜡桶内将蜡制剂熔化回收,然后用汽油等溶剂或水溶性清洗剂对零件进行清洗。

4)涂料绝缘法  电镀时经常使用漆类绝缘涂料进行绝缘保护。这种绝缘保护方法操作简便,可适用于复杂零件。常用的绝缘涂料有过氯乙烯防腐清漆(如G5221 、G5222) 、聚氯乙烯绝缘涂料、硝基胶等。但这种绝缘保护方法也存在一定的缺点:

刺激性气味大,污染严重,对人体健康有害;

工作时需配抽风设备,要求高,投资大;

绝缘层的端边容易翘起;

喷或涂的遍数多,周期长,技术要求高。

以上介绍的这几种绝缘保护方法是在局部电镀中常用的对非镀面进行绝缘保护的方法。在实际应用中,还应根据实际情况,具体问题,具体分析,选择合适的绝缘保护方法,以达到最佳的效果。

3、高速局部电镀

高速局部电镀是采用特殊的装置把不需电镀的部位掩盖起来,同时使镀液在被镀表面高速流动,并使用高的电流密度进行电镀的工艺。这种工艺的特点是镀速高,只在需要镀层的部位电沉积,从而可提高生产效率和节约被镀金属,但设备成本高。但要实现高速局部电镀必须满足以下两个条件:

1)要有合适的设备

除了使镀液高速流动的循环过滤系统(过滤泵、流量计等)外,更重要的是要有与不同被镀零件相适应的电镀装置(特别是在连续局部电镀时)。这种装置要对零件非镀表面绝缘良好,不漏镀,镀液在被镀面流动均匀,无死角,连续镀时,零件传送运行平衡。

2)要选用高速电镀工艺规范

为此一般选用主盐浓度高的镀液,有时还加入能提高镀速的添加剂,提高镀液温度,并常采用脉冲电源。当然也可选用常规电镀规范,但镀速受到限制。

 

第六节 电镀工艺的基本计算

 

电镀基础计算包括,槽液计算、电流效率计算、镀层厚度计算、各种设备选配计算以及相关的成本核算等,本节将以举例的形式简要介绍一下配制槽液计算、电流效率计算、电镀时间计算和镀层厚度计算。

1、槽液计算

槽液中各物质的总含量=槽液有效体积×物质浓度(g/L)×物质的纯度(配制槽液时计算)

某镀镍槽的内侧有效尺寸为:长1100毫米,宽800毫米,高900毫米。分析显示:硫酸镍245克/升、氯化镍35克/升、硼酸36克/升的配方配制镀液,问镀液各成分的总含量?(设各种原料的纯度为100%)

解:

槽液有效体积=11dm×8dm×9dm=792L

硫酸镍=792L×245g/L=194.04kg

氯化镍=792L×35g/L=27.72kg

硼酸=792L×36g/L=28.51kg

假设把上述槽液调整为硫酸镍300g/L,氯化镍45g/L,硼酸45g/L,各需要添加多少原料(忽略添加原料后体积的变化)?

调整浓度后,各成分的总含量为:

硫酸镍=792L×300g/L=237.6kg

氯化镍=792L×45g/L=35.64kg

硼酸=792L×45g/L=35.64kg

各需要添加:

硫酸镍=237.6kg-194.04kg=43.56kg

氯化镍=35.64kg-27.72kg=7.92kg

硼酸=35.64kg-28.51kg=7.13kg

2、电流效率计算

2.1法拉第定律在电镀中的应用

通电电解(如电镀)时,在电极上析出(或溶解)的物质的量m,与通过的电荷量Q及该物质的摩尔质量E(A/n)的乘积成正比,用下式表示:

                    m= EQ/F=AQ/nF

m——电极上析出(或溶解)的物质的量(g);

E——物质的摩尔质量(g/mol);

Q——电解时通过的电荷量(C);

F——法拉第常数,即96500C/mol或26.8Ah/mol

2.2电流效率

当一定电量通过电极时,在电极上实际获得的产物质量,与通过同一电量时按法拉第定律应获得产物的质量比,通常以百分比表示,称作电流效率:

η=(m/m)×100=m/(Itk)×100

η——电流效率(%);

m——实际析出物质的质量(g);

I——通过的电流(A);

K——电化学当量

t——通过电流的时间

m——按照法拉第定律计算应得产物的质量理论值(g)

测定某锌酸盐镀锌溶液电流效率时,先将一批同样形状的零件抽样称重,为45.62g,镀锌后称得为49.08g,电流强度为5A,通电时间40min,求其阴极电流效率(其中锌酸盐镀锌,锌的电化学当量1.22g/Ah)

ηk=(m/kIt)×100=[(49.08-45.62)/(5×1.22×40/60)]×100=85%

3、电镀时间的计算

电镀时间计算对电镀生产线设计,镀层成本,镀层厚度控制都是重要的。电镀时间计算与镀层要求厚度、电流效率和电流密度有关计算方法如下

     m=S×ρ×σ/100

I=D S

m——析出物质量(g);

S——电镀面积(dm2);

ρ——析出物质密度(g/cm3

σ——镀层厚度(μm);

I——电流(A)

D——电流密度(A/dm2)。

η=[(S×ρ×σ/100/DStk)]×100=[ρ×σ/( Dtk)]%

移相后得:

       t=ρ×σ/( Dηk)

k——电化学当量g/Ah

η——电流效率

已知镀镍溶液得阴极电流效率ηk95%,Dk3.5A/dm2,镍的密度为8.9g/cm3,电化学当量1.095g/Ah,求15μm镍镀层需要多长时间?

解:t=ρ×σ/( Dηk)=(8.9×15)/(3.5×95×1.095)=0.367h

4、电镀层厚度的计算

σ=Dtηk/ρ(μm)

已知氰化镀银溶液的电流效率为ηk90%,,Dk1.0A/dm2,银的密度为10.9g/cm3,电化学当量4.025g/Ah,电镀20min可以得到多少厚度?

σ= Dtηk/ρ(μm)=1×90×4.025×20/(60×10.9)=11.07μm

附表:

                        

 

 


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