第8讲_影响镀层厚度分布均匀性的因素

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电镀基础讲座──影响镀层厚度分布均匀性的因素
(4) 引发其他问题，甚至造成返工。例如光亮酸 铜前预镀暗镍或铜，预镀层都薄，中间部位更薄，再 镀酸铜时，中间部位阴极电流密度又小，电沉积速度 可能小于通过高孔隙的置换速度，造成中间部位因严 重置换而发花、起泡、脱皮。
A 挂法一般用两个挂钩，B、C 挂法虽只用一个挂 钩，但采用阴极移动时，工件摇来晃去，可能发生重 叠而导致不合格。因此，快、省、好的还是 A 挂法。
ΔJ k
ρ
与添加剂、配合物电镀的配合状况等有关，而提高电
导率可通过加入导电盐、调整 pH 等来实现。 需重点讨论的是几何因素∆l 与 l近 ，因为它们与生产
实际中正确地装挂工件及设计挂具、镀槽等密切相关。
2. 2. 2. 1 远近阴极距离差∆l 越小越好
对于平板件的装挂，有如图 1 所示 A、B、C 三种
挂法：A 为板平面与阴极杆平行，此时∆l 最小，仅为
板厚度的 1/2，但挂件数最少；B 为倾斜一定角度，随
着倾角不同，∆l 也不同，装挂量比 A 大；C 为板平面
与阴极杆垂直，此时∆l 最大，为板宽度的 1/2，但装挂
量最大。从分散能力的角度讲，A 最好，C 最差。实
际生产中，不少人为了挂得多，不愿采用 A 挂法，而
对于灯泡银碗之类反光聚光件，要求内部具有良 好的反光聚焦功能。采用装饰镀铬时，有时要用铅合 金制成与内部曲线接近的“象形阳极”(如图 3 所示)， 内部才能套好铬。“象形”的目的也是为了减小∆l。
图 3 象形阳极 Figure 3 Conformal anode
2. 2. 2. 2 近阴极到阳极的距离越大越好 式(1)右边第 2 项分母中的 l近 越大，则电流密度分
阴极极化度 Δϕk 为阴极极化曲线的斜率，在第四 ΔJ k
讲已作过介绍。 2. 2. 2 影响二次电流分布的因素
设近阴极的电流密度为 Jk,近 ，远阴极的电流密度 为 Jk,远 ，则可推导出下述公式：
Jk, 近 Jk, 远
=1+ l近
Leabharlann Baidu
+
Δl Δϕ ΔJ k
⋅1 ρ
(1)
当
Jk, 近 Jk, 远
= 1 时，则 Jk, 近
=
Jk,远 ，即远、近阴极的电
流密度相等，其上镀层厚度相同，分散能力最好。但
实际上不可能办到，只能希望该比值越接近于 1 越好。
为此，式(1)右边第二项越接近于零或越小就越好，即
分子越小或分母越大就越好。分母中又有两项，一为
l近
，二为
Δϕ ΔJ k
⋅
1 ρ
。后者为电化学因素：阴极极化度
Δϕk 越大越好，镀液电导率 1 越大越好。阴极极化度
ρ 子/厘米”(S/cm)。电流通过电阻时会产生电压降。平 时所说的“槽电压”就是电流通过镀液、阴极杆与挂 具、挂具与工件及阳极相关部分总串联电阻的电压降。 镀液的电导率越高，则槽电压越低。整流器的输出电 压要高于槽电压，其差值则为汇流排、汇流排与阴阳 极杆接触电阻、汇流排与整流器输出板接触电阻等“外 电阻”的电压降。若汇流排(或软线)面积过小、接头 太多或接头接触不良，外电路上发热量大，直流损耗 也就大。当阴阳极杆的截面积过小时，也有压降损失， 两个端头测得的槽电压会有差别。将直流回路上的电 压损失尽量降低，是必要的节能措施。滚镀时，浸入 镀液中滚筒孔眼的总表面积为镀液的导电面积。若滚 桶孔眼过小、开孔率过低，该值则很小，槽电压很高， 槽液发热快，甚至整流器开至最大，电流也上不去。 如镀亮镍，挂镀时选用 12 V 整流器已可，而滚镀一般 应选 15 ~ 18 V 的才行。 2. 2. 1. 4 阴极极化度
图 4 水平方向的阳极布置 Figure 4 Horizontal distribution of anodes
采用 a 的阳极分布时，水平方向阳极总长度超过 工件许多，工件左右两头的电力线过于集中、紧密， 阴极电流密度过大，两头不仅镀层厚，且很易烧焦。
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究的必测指标。 镀液的分散能力是指镀液使镀层厚度分布均匀的
能力，又称均镀能力，通常用 T·P 表示。在其他条件 相同时，分散能力越好，则镀层厚度分布越均匀。测 定分散能力的方法常用“远近阴极法”，其结果应标 出 K 值(远近阴极距离之比)及所采用的计算公式，否 则是无意义的；也可用赫尔槽试片测定 3 或 8 个点的 镀层厚度再作计算。具体的测定方法可参考有关手册。
选择 B 甚至 C 挂法，这是不懂电镀原理的表现。
图 1 工件装挂方式 Figure 1 Methods for loading workpiece
A 挂法虽一次装挂少，但镀速最快，整板亮度最 均匀，可能 5 min 能取一槽。而 B 特别是 C 挂法会有 以下问题：
(1) 电流不敢开大，否则近阴极处易烧焦。 (2) 因分散能力差，镀层厚度相差大，要保证板 中间部位的最低厚度，边上部分就要镀很厚，加之平 均电流密度不能大，故要镀很长时间，甚至一个多小 时，浪费了镀层金属，想快反而快不起来。 (3) 对于任何光亮性电镀，阴极电流密度越小处 光亮整平性越差，最后整板亮度不均匀。譬如板件氯 化物镀锌后若彩钝，板周边附近色泽鲜艳但中间部分 色淡甚至灰暗；蓝白钝时周边蓝度好，但中间部位发 黄、发花。
当镀管件或封底腔盒体，要求内部镀层良好时， 则管件内部中间部位或腔盒体底角处的∆l 非常大，分 散能力特差，内部镀层难以合格。此时必须以棒或板 作辅助阳极，如图 2 所示。在管件内部，当辅助阳极 棒居于圆心时，则内部各处到辅助阳极的∆l 几乎相等。 可见，采用辅助阳极的实质就是要减小∆l。
图 2 辅助阳极 Figure 2 Auxiliary anode
采用 b 排布，阳极水平方向两头均短于工件长度 (一般宜短 10 ~ 15 cm)，则电力线分布较均匀，工件两 头镀层不致过厚，也不易烧焦，是合理的阳极分布。 因此，阳极在阳极杆上的位置不应一成不变，而宜根 据工件情况，适时给予恰当的调整。
当只考虑几何因素对阴极电流分布的影响时，称 为“一次电流分布”；若同时考虑电化学因素的影响， 则称为“二次电流分布”。电流分布不等于金属分布， 因为后者还与不同阴极电流密度时的电流效率有关。
分布均匀性的因素。
在此，先讨论二次电流分布的影响因素，即不考虑阴
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电镀基础讲座──影响镀层厚度分布均匀性的因素
3 阳极的影响
阳极的分布影响电力线的分布。电力线越密集之 处，电流密度越大，镀速也越快。电力线分布越均匀， 则阴极电流密度分布越均匀，镀层厚度分布也越均匀。 3. 1 水平方向阳极排布的影响
水平方向阳极排布是均匀分布好还是集中分布 好？是密一点好还是稀一点好？
对于长件电镀(如钢管镀锌)，生产中常有如图 4 中 a、b、c 三种阳极排布。
远、近阴极与阳极距离之差，称为远近阴极距离 差，以∆l 表示，则 Δl = l远 − l近 。 2. 2. 1. 3 镀液的电导率
镀液为正负离子导电，是第二类导体，它也存在 电阻。镀液单位体积(边长为 1 cm 的正方体，即 1 cm3) 的电阻称为镀液的电阻率，以 ρ 表示。电阻的倒数称 为电导，电阻率的倒数 1 则为电导率，单位为“西门
钢家具(如成型靠背椅等)，甚至根本无法出入镀槽， 想省钱却挣不到钱。另外，当镀槽不够宽时，不宜挂 双排工件。若要挂双排，槽净宽不宜小于 1.2 m。 2. 3 金属分布
实际金属厚度的分布还与阴极电流效率随阴极电 流密度变化的情况有关。有 3 种情况：
(1) 阴极电流效率几乎不随阴极电流密度变化而 变化。这种情况不多见，硫酸盐酸性镀铜基本属于这 种情况。此时金属的分布与二次电流分布基本一致。
【电镀基础讲座】
第八讲──影响镀层厚度分布均匀性的因素
袁诗璞
1 使镀层厚度分布均匀的重要性
2 镀液性能因素──电镀液的分散能力
电沉积时总希望镀层厚度在工件上的分布越均匀 越好。当工件上沉积的总金属量相同时，若厚度分布 不均匀，则会带来很多坏处：
(1) 对于阳极性镀层，镀层薄处经不起牺牲腐蚀 会先使基体产生锈蚀。而一个制件部分锈蚀后则已不 合格，造成了镀层过厚处金属的浪费。若为保证最薄 处不生锈，只能加大平均厚度，导致电镀成本增大。
(2) 对于阴极性镀层，薄处镀层孔隙率高(见第十 讲)，很易产生点状锈蚀，继而锈点加大，形成连片锈 蚀。与阳极性镀层相比，阴极性镀层薄处锈蚀更快。 对于局部防渗氮、渗碳镀层，薄处易形成孔眼，失去 保护作用。若厚度均匀则各部分孔隙率差别不大，总 体防蚀性提高。例如，对电池钢壳滚镀亮镍，壳内(特 别是靠底部的地方)镀层很薄，甚至在清洗烘干时即已 起小锈点、泛黄，为此要“出白”处理，迅速用水溶 性封闭剂封闭后干燥。
镀液的深镀能力是指镀液使复杂件深凹处沉积镀 层的能力，又称覆盖能力。常用通孔或盲孔管件作试 验，比较镀层深入的尺寸。其结果应标明孔内径、管 长与试验时管件的悬挂方式，否则无可比性。
分散能力与深镀能力属于“铁路警察各管一段”： 分散能力只管厚度均匀性，不管复杂件深凹处能否沉 积上镀层；而只要复杂件深凹处能沉积上镀层，则可 认为深镀能力好，但不管各处镀层厚度的差异有多大。 有关镀液分散能力影响因素的结论比较明确，但对影 响深镀能力的因素却缺乏研究。只能推断金属的析出 电位越正，深镀能力就越好。原因是工件深凹处阴极 电流密度很小，阴极极化值也就很小，测定出的阴极 负电位也负得少。至于用什么手段能使金属的析出电 位趋正，人们仍缺少认识。一般而言，分散能力好则 深镀能力也较好。六价铬镀铬是分散能力、深镀能力 及阴极电流效率都很差，故其镀液组分虽简单，却是 最难掌握的镀种。 2. 2 阴极上的电流分布
无论从防蚀性，还是外观、机加工性能等方面讲， 都希望提高镀层厚度的均匀性。对于尺寸镀硬铬，若 用户要求镀后不作磨削处理，则很难办到；有时为了 保证最薄处达到最终尺寸要求，厚度均匀性差时，不 得不大大加大平均厚度，这在生产中并不少见。为使 制件上镀层各部分厚度尽量接近，必须了解影响厚度
2. 1 镀液的分散能力与深镀能力 这是镀液的两项重要技术指标，一般为新工艺研
极电流效率影响的问题。显然，此时工件上的阴极电 流密度分布越均匀，则镀层厚度分布越均匀。 2. 2. 1 几个概念 2. 2. 1. 1 远阴极与近阴极
将一个工件装挂于阴极杆上，同一个阴极工件的 不同部位到阳极的距离不可能完全相同(与工件装挂 方式及其本身形状和复杂程度有关)。离阳极最近的一 点(或线、面)称为“近阴极”，其与阳极的距离以 l近 表 示；离阳极最远的一点(或线、面)称为“远阴极”， 其与阳极的距离用 l远 表示。 2. 2. 1. 2 远近阴极距离差
布越均匀。要增大 l近 ，一般只有加大阴阳极间的距离。 对于图 1 中的 A 挂法，不但∆l 最小，而且 l近 也最大。 为加大阴阳极间的距离，镀槽不宜设计过窄。单排电 镀时，槽净宽不宜小于 0.8 m。即使槽的净宽达到 1 m， 除去槽两边阳极所占位置，以及槽侧加热/冷却器本身 与阳极绝缘物(防止加热/冷却器与阳极相碰而打火击 穿)所占位置，实际最大阴阳极距离也仅 0.4 m 左右。 有些人为了节省一次投资，将镀槽设计得很窄，因此 稍复杂的工件，别人能镀好的他镀不好。对于复杂的
(3) 对于光亮性电镀，镀层薄处因阴极电流密度 小，故光亮整平性差，影响整体外观。
(4) 合金电沉积时，不同厚度处的合金组分不相 同，或外观不均(如仿金镀)，又或抗蚀性不一致(如锌 镍合金)。
(5) 不同厚度处镀层的物理、机械性能(如脆性、 内应力等)不一样。若镀后还要作冲压成型等机加工处 理，镀层过厚处往往机加工性能不良(起皮、开裂、粉 状脱落等)。
(2) 阴极电流密度增大时阴极电流效率下降。多 数工艺属于这种情况，阴极电流密度增大时，副反应 (如析氢)加剧，阴极电流效率降低。此时，金属分布 均匀性好于二次电流分布均匀性。原因是近阴极处电 流密度大，但阴极电流效率低，部分抵消了由于阴极 电流密度大所导致的镀速提高。
(3) 阴极电流密度增大时阴极电流效率也增大。 这种情况也不多，六价铬镀铬即是如此。此时金属分 布均匀性比二次电流分布均匀性还差：近阴极处电流 密度大，镀速快，若阴极电流效率大，主反应强烈而 析氢副反应减少，这无异于“雪上加霜”，使金属分 布更不均匀。