第三章 电镀与化学镀

高锡青铜：含锡超过 40% 性能：高锡青铜外观似银，银白色光泽，具有良好的反光性能，钎焊
性能，导电性能，但存在微小裂纹和孔隙，防护性较差，不宜用于在恶 劣环境中使用的工件的防护镀层， 应用：代替银作电器零件接触点和生产反光器械。
材料表面工程
铜锌 合金
防护-装饰镀层
铜锌合金(黄铜)镀层具有金黄色美丽外观，且可以化 学着色，装饰性好，广泛用于家用器皿，建筑物小五金零 件，以及黄铜件代用品。
用 途
耐 蚀 性 特 点
锌是两性金属，既能溶于酸也能溶于碱，故锌镀层主要用于大 气环境和中性水溶液。在干燥大气中锌很稳定，在(不含污染 物或有机挥发气氛的)潮湿大气和淡水中，锌表面形成的腐蚀产物 膜有良好保护作用。 锌镀层经钝化处理后能显著提高镀层的保护性能。
在含二氧化硫，硫化氢等污染物的工业大气中，在海洋大气，热带大气中 锌镀层的耐蚀性差。在湿度较大的空气中，锌镀层与油漆，塑料，树脂， 木材等物质接触时，由于这些物质释放出有机挥发气氛(甲酸，乙酸，氨， 酚等)，会使锌镀层遭受严重腐蚀。因此为了防止镀锌工件在木质包装箱 中发生这种气氛腐蚀，镀锌工件应当有内包装，并在木箱中放置干燥剂。
材料表面工程
1.3 电镀的工艺过程及影响因素
一、电镀的工艺过程 除油→水洗→去锈→水洗→电镀→酸洗→碱洗→清洗→出槽 清洗表面 后清洗→电镀液有毒 二、影响镀层质量的因素 ⑴ 主盐：简单盐镀液→镀层的结晶较粗 络合物镀液→镀层结晶细致紧密 ⑵ PH值： 影响H（氢）的放电电位，过高过低都不好，→需实测→技术 ⑶ 电流密度：电流密度↑→沉积速率↑ 电流密度↑↑→会结瘤，烧焦→特别是尖角部位 ⑷基体金属 ：基体金属的化学性质与其和镀层之间结合力密切相 关。在某些电解液中，如果基体金属的电位负于镀层金属，若不 用其它镀层过渡，就不容易获得结合力良好的镀层。
材料表面工程
对钢铁，锌镀层属于典型的阳极性镀层，对基底金属 锌 不仅有机械保护作用，而且能起到阴极保护作用。所 以锌镀层广泛用于钢铁零部件和结构件的防护镀层。 锌镀层弹性好，弯曲变形时不易脱落，且成本低廉。镀层经钝化处 理后可以具有一定的装饰外观。但锌镀层硬度较低，不耐摩擦，不 能用于磨损工件；由于锌离子对人体有害，也不能用于食品工业。
底层或中间层：镍镀层对钢铁属于阴极性镀层，且镀层孔隙
率较高，需厚度达25微米以上才是无孔的。因此在铬镀层被广 泛采用后，镍镀层一般是与铬镀层联合使用，作为防护—装饰 镀层的底层或中间镀层，如Cu-Ni-Cr，Ni-Cu-Ni-Cr等。
耐磨镀层：镍镀层硬度较高，可提高金属工件或制品表面
耐磨性能，如印刷工业中铅板表面镀镍。
材料表面工程
1.4 常用的电镀方式
挂镀
连续电镀
材料表面工程
1.5 常用金属的电镀→可制备33种单金属膜，常用有14种
一、镀Zn ⑴ 物理特性： 锌呈银白色，原子量是65.38，密度为7.17g/cm3，熔点420℃。 锌的标准电极电位为φZn2+/Zn=-0.76V。 ⑵ 抗氧化性能： 锌表面易形成一层致密的氧化物薄膜，阻止内层锌的进一步 氧化，使它在空气中的稳定性大大提高。 ⑶ 耐腐蚀性能： 属阳极性镀层。可以起到牺牲阳极电化学保护作用。 ⑷ 应用： 一级镀锌层的厚度在25微米以上，用于军工行业；二级镀锌 层的厚度为15~20微米，用于机械、轻工等产品；三级镀锌层的 厚度为8-10m，在五金、电子、仪器仪表等行业应用最为普遍。 ⑸ 特点： 工艺简单、成本低廉。应用广泛，约占电镀产品总量的60% 以上。
材料表面工程
铜
腐 蚀 特 点 用
铜是正电性金属，不受非氧化性酸的腐蚀，但会和氧发生反应。 在空气中铜易氧化而失去光泽，在含二氧化碳或氯化物的潮湿 大气中，铜表面易生成碱式碳酸铜或氯化铜膜，受到硫化物作 用时表面会生成棕色或黑色的硫化物膜。钢铁表面的铜镀层属 阴极性镀层。因此铜不单独作为钢铁件的防护镀层。
材料表面工程
1.2 有关电镀的四个概念
一、均镀能力 零件表面各处镀层厚度相同，表示具有好的均镀能力 二、深镀能力 能使深孔内表面得到沉积镀层的能力 三、整平能力 能使凸处的沉积速率降低，使凹处的沉积速率提高，得到平整镀 层的能力。 四、镀膜速率（M） M=Dη 电流密度（ D ）↑，电流效率（ η ）↑，镀膜速率（M）↑
材料表面工程
镀层金属
单一金属层 锌 镀 层 镉 镀 层 铜 镀 层 镍 镀 层 合金镀层 复合镀层 镍 合 金 镀 层 耐 磨 镀 层 减 摩 镀 层 耐 蚀 镀 层 分 散 强 化 合 金 镀 层
铬 镀 层
银 镀 层
锡 镀 层
铜 锡 合 金 镀 层
铜 锌 合 金 镀 层
铅 锡 合 金 镀 层
锌 合 金 镀 层
材料表面工程
镀层金属
单一金属层 锌 镀 层 镉 镀 层 铜 镀 层 镍 镀 层 合金镀层 复合镀层 镍 合 金 镀 层 耐 磨 镀 层 减 摩 镀 层 耐 蚀 镀 层 分 散 强 化 合 金 镀 层
铬 镀 层
银 镀 层
锡 镀 层
铜 锡 合 金 镀 层
铜 锌 合 金 镀 层
铅 锡 合 金 镀 层
锌 合 金 镀 层
材料表面工程
铬
装饰性
在经过抛光的制品表面镀铬，可得到略带兰色的银白色，且 具有镜面光泽的镀层，非常悦目。只要温度不超过500℃，铬 镀层能长久保持其光泽的外观。
防护性 镀层 性能
铬是负电性金属，Cr/Cr3+ 的标准电位为 -0.74 V；但铬具有强 烈的钝化能力，在很多环境中表面能生成稳定而致密的钝化 膜。对潮湿大气，以及许多化学介质有良好耐蚀性。
材料表面工程
铬
装饰铬（光亮铬） 用于防护—装饰镀层体系的面层，在汽车，自行车，家电，五金等 产品上得到广泛应用。铬面层的厚度一般为 0.5 微米左右。 硬铬（耐磨铬） 用于提高工件（如磨具，轴，量规等）表面硬度和耐磨性，以延长 使用寿命。也用于修复工件尺寸。 松孔铬 使硬铬层含有一定宽度和深度的沟纹，具有保持润滑油的特性，用于 承受较高压力的滑动摩擦工件，如活塞环，汽缸套等。 乳白铬 韧性好，孔隙率低，硬度较大，用于要求耐蚀性及耐磨性的部件，如 量具，枪炮内膛。 双铬 底层乳白铬，表层硬铬。 黑铬 色黑，消光性好，用作太阳能吸收器的表面膜层（镀镍钢板上镀黑 铬，吸收率可达 0.95），以及航空和光学仪器零件。 材料表面工程
材料表面工程
镉
用 途 耐 蚀 性 特 点
镉的化学性质与锌相似，也用作防护性镀层。 镉镀层质软，可塑性好，与镀锌层相比，镉镀层氢脆性较小，钎 焊性能好，一般螺纹工件，弹性工件，航空航海及电子工业中的 零部件习惯使用镉镀层。但镉蒸汽和可溶性盐剧毒，故凡能采用 锌镀层的零部件都已不再使用镉镀层。
在一般大气条件下，镉对钢为阴极性镀层，防护性能不如锌。在 含二氧化硫，二氧化碳及有机物气氛的环境中，镉的耐蚀性也不 如锌。 但在不含工业杂质的潮湿大气，海洋大气和海水中，镉 镀层的防护性能优于锌镀层(在海水中镉的电位比铁负，故对 钢铁工件为阳极性镀层)。
镀层 种类
银
应
银是贵金属，具有良好的化学稳定性；但在含硫化物的大气 中表面易生成硫化银而变黑。银对钢铁，铜都是阴极性镀层， 且价贵难得，故一般不用作防护镀层。
装饰镀层：银具有良好的装饰性能，表面易抛光，呈银
白色，常用于餐具，工艺品和家庭用具的装饰镀层。
用
功能镀层：银的导电性能优良，接触电阻小，电子电器， 通讯器材的零部件镀银，可保证良好的导电性和钎焊性。
防护镀层： 应
锡在食品有机酸中对钢铁属于阳极性镀层，且锡对人 体无毒，故镀锡铁皮用作食品罐头盒。
功能镀层： 用
锡有良好的钎焊性能，故需要钎焊的无线电器件和零部 件广泛采用锡镀层。但在高温，潮湿和密封条件下，由于锡 镀层存在内应力会生长晶须，造成短路，这是需要注意的。 锡不与硫化物作用，故与火药及橡胶接触的工件常镀锡。 钢件渗氮处理时可用局部镀锡保护不需渗氮的部位。 锡质软，可塑性好，锡镀层可提高冷拔，变薄，拉伸过 程中工件表面润滑能力。
功能镀层
钢件镀黄铜（0.5～2.5微米），可大大提高与橡胶的结 合力（如轮胎衬里钢丝） 黄铜镀层也可作为减摩镀层。
途
铜质软而韧，富于延展性，抛光性能好，铜镀层孔隙少，故 常用作钢铁工件防护—装饰镀层的底层或中间层， 以提高基体与表层或中间层的结合力和镀层防护性能。 铜镀层还用作功能镀层，如：导电镀层（铜具有优良的导电 性），防渗碳或防渗氮镀层（碳和氮在铜中扩散困难），减 摩镀层（铜质软），防磁镀层（铜无磁性）等。
材料表面工程
二、电镀的基本过程
1. 阳极金属溶解 Me－2e→Me2+ 金属在阳极氧化失去电子，形成金属离子。 注意：防止阳极钝化→ Me2+形成量↓ ↘加阳极活化剂→活化阳极 2. 金属的电结晶 Me2+ +2e→ Me 金属在接受电子还原沉积，形成金属镀层。 外电场使阴极产生过电位，否则， Me－2e→Me2+ 氧化，阴极 不沉积反而会溶解。 3. 离子液相传质 金属离子在阴极沉积，消耗阴极附近的Me2+ →失去平衡→离子 液相传质→阳极附近失衡→阳极氧化→放出Me2+ →恢复平衡→如 此循环。 支撑点：液相的传质（ Me2+ ）能力。 4. 镀层晶粒大小控制 W=Kexp(－k/ψk) 过电位(ψk) ↑↑，形核率（W）↑↑，晶粒细化。
第三章 电镀与化学镀
材料表面工程
第一节 电镀的基本原理和特点
1.1 电镀设备及基本原理
一、设备简介 电镀槽—电镀液—直流电源— 阳极—阴极（工件） 阳极可分为可溶性阳极和不可 溶性阳极两种。 不可溶—镀液提供Me+ 可溶------镀液传导Me+
典型的电镀槽及离子运动方向
材料表面工程
电镀原理示意图
材料表面工程
镍
特 点 和 应 用
防护镀层：镍在碱溶液中有优良耐蚀性，在某些化工介质中
耐蚀性也较高，故有些化工设备也用较厚镀镍层作为防护层。
防护-装饰镀层：镍镀层在空气中稳定性很高，经抛光的镍
镀层可得到镜面般光泽外表，并长期保持其光泽，故一些医疗 器械和家庭日用品常用镀镍作为防护-装饰镀层。 采用多层镀镍工艺，如双层镍，三层镍，可以提高镀层耐蚀性 和机械性能。
材料表面工程
铜锡 合金
低锡青铜：含锡 15% 以下的铜锡合金 性能：低锡青铜镀层结晶细致，孔隙率很低，具有较高的
防腐蚀性能。对钢铁属阴极性镀层，在空气中易氧化变色， 应用：主要用于防护—装饰镀铬层的底层或中间层，在代 镍方面已取得显著效果。 在某些环境中的设备也使用低锡青铜作为防护镀层，如 矿井坑道支撑柱，热水中工作的机件。
耐磨性
铬镀层硬度高，调整电镀工艺可以得到硬度很高的硬铬镀层， 其硬度超过淬火钢。同时铬镀层摩擦系数低，因此铬镀层常 用于提高工件表面的耐磨性能。
耐热性百度文库
温度超过500℃，铬镀层才开始氧化变色，超过700℃才开始变 软。 由于铬镀层的线膨胀系数(6.7～8.4×10-6)比碳钢、 铜、 镍的线 膨胀系数(分别为1～2.5×10-5 , 1.67×10-5, 1.33×10-5)小，故铬 镀层受温度影响时易产生裂纹。
材料表面工程
三、电镀液组成
1. 单盐溶液→SnSO4 ↘CuSO4 溶液中是简单金属离子Sn2+和Cu2+ 。 问题：→需要高的过电位，镀层质量不好→粗糙 2. 络和物溶液→金属离子与络和剂形成络和离子，如[Zn(NH3)4]2+ 络和后溶液的平衡电位向负方向移动，有利于电沉积进行。 如：ψZn2+/Zn=－0.736v ψ [Zn(NH3)4]2+ /Zn=－0.1.26v 但是，关于络和离子的本质与沉积机理至今仍不清楚 白猫黑猫→技术 3. 导电盐→不参加反应，↑溶液导电能力，↓槽端电压。如Na2SO4。 4. 缓冲剂→在弱酸、弱碱溶液中加入，可自行调节PH值，↑溶液稳 定性。 5. 阳极活化剂→活化阳极，提高离子供给能力。 6. 添加剂→各种各样，视目的而定。 如：光亮剂、整平剂、润湿剂、细化晶粒剂等等。
但银镀层很容易扩散和沿材料表面滑移，产生抖动现象；在 潮湿大气中会产生“银须”，造成短路，这是需要注意的。
贵 金属
金镀层主要用于工艺品，首饰的装饰，以及在恶劣条件
下使用的电子器件仪表元件。
铂镀层主要用于电镀，电解，阴极保护中使用的不溶性阳
极（钛基镀铂）。另外也用于精密仪器，外科器械。
材料表面工程
锡