表面技术(第3讲 电镀与化学镀)

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第三讲
电镀与化学镀
表面技术
•用途：一种是防护装饰性镀铬，如镍镀层 或铜件上镀装饰铬层；另一种为功能性镀 铬，用作机械零件的尺寸修复和提高零件 表面硬度及耐磨性等；此外还有黑色镀 铬，严格地说这也是一种装饰性镀层。 •镀铬溶液以化合价可分为六价铬和三价铬 镀液两大类。目前国内外绝大多数采用的 是六价铬镀液。
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•阴极反应: CrO42- + 8H+ + 6e = Cr + 4H2O Cr2O72- + 14H+ + 6e = 2Cr+3 + 7H2O 2H+ + 2e → H2↑ •阳极反应 2H2O－4e → O2↑+ 4 H+ 2Cr+3 －6e + 7H2O → Cr2O72- + 14H+
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(二) 电镀工艺
电镀工艺：镀前预处理 → 电镀 → 镀后处理
南京航空航天大学第三讲ຫໍສະໝຸດ 电镀与化学镀表面技术
1. 镀前预处理
•目的：为了得到干净新鲜的金属表面，为最 后获得高质量镀层作准备。 •内容：脱脂、去锈、除尘等。 •步骤：1) 通过研磨、抛光等使表面粗糙度达到 一定要求； 2) 采用溶剂溶解以及化学、电化学等方法来去 油脱脂； 3) 采用机械、酸洗以及电化学方法除锈； 4) 在弱酸中侵蚀一定时间进行镀前活化处理。
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•镀锌种类很多，大致分：氰化镀锌、碱 性锌酸盐镀锌、氯化物镀锌、硫酸盐镀 锌和焦磷酸镀锌等。 •氰化镀锌工艺稳定，镀层结晶细致，但 氰化纳是一种剧毒的物质，产生的废 水、废气会污染环境。
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6. 镀 铬
•铬是一种蓝白色的金属，原子量为52、熔 点1890 ℃ 、化合价+2、 +3、 +6、密度 6.9~7.1g/cm3、硬度750~1050HV ；铬在大 气中强烈的钝化能力，能经久不变色。铬有 高的硬度、优良的耐磨性及耐热性。加热到 500℃时，其外观和硬度仍无明显变化。铬 镀层的反光能力仅次于银镀层。它在硫液、 硫酸、硝酸和有机酸中相对稳定，但能溶于 盐酸、氢氟酸和加热的浓硫酸中。
n+ M
• 阳极：氧化反应
M－n e → Mn+ (Ni－2 e → Ni2+)
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3）电极电位与极化现象
•电极电位：由金属与该 金属盐溶液界面之间产 生的电位差。金属失电 子的氧化反应在电极上 有多余的电子存在，靠 近电极附近的溶液区有 较多的金属离子，在金 属与溶液的交界处出现 双电层产生的电位差。
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4. 电镀反应
•1）法拉第第一定律：电极上析出(溶解)的 物质的质量与进行电解反应时所通过的电 荷[量]成正比。
m = k·Q =k·I·t
k=M/F
m为电极上析出(溶解)物质的质量； k为比 例常数，称电化当量；Q为通过的电荷 [量]；I为电流；t为通电时间；M为物质的 摩尔质量；F为法拉第常数。
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3) 焦磷酸盐镀铜
•特点：镀层结晶细致均匀，分散能力和 深镀能力好，镀层厚，镀液呈弱碱性，对 锌压铸件不会造成化学腐蚀，所以可以提 高电镀成品的合格率。 •用途：印制板的通孔电镀和锌合金压铸 件加厚镀铜。
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4. 镀 镍
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2. 电镀工艺
• • • • • • • 组分的浓度 PH值 温度 电流密度 搅拌 时间 挂具、阳极形状及位置
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3. 镀后处理
• 1)钝化：在一定的溶液中进行化学处理， 在镀层上形成一层坚实致密的、稳定性 高的薄膜的表面处理方法。 • 2)除氢：有些金属在电沉积过程中，除自 身沉积出来外，还会析出一部分氢，这 部分氢渗入镀层中，使镀件产生脆性， 甚至断裂，称为氢脆。为了消除氢脆， 往往在电镀后．使镀件在一定的温度下 热处理数小时，称为除氢处理。
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第三讲 电镀(电刷镀)与化学镀
• 电镀（电刷镀）的原理、工艺 和应用 • 化学镀的原理、工艺和应用
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典型电镀产品
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一、电镀的原理、工艺和应用
(一)电镀原理
1.电镀
• 电镀是指在含有欲镀金属的 盐类溶液中，以被镀基体金 属为阴极，通过电解作用， 使镀液中欲镀金属的阳离子 在基体金属表面沉积出来， 形成镀层的一种表面加工方 法。 • 镀层分为防护性镀层、装饰 性镀层及其它功能性镀层。
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5. 镀液的分散能力和覆盖能力
•分散能力：指电镀液所具有的使金属镀层 厚度均匀分布的能力，也称均镀能力。电 流在阴极上的分布越均匀，镀液分散能力 越好。加入强电解质、络合物、添加剂， 合理的电极形状、位置、距离等。 •覆盖能力：指电镀液所具有的使镀件的深 凹处沉积上金属镀层的能力，亦称深镀能 力。
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镀层物质的质量和厚度
• 镀层物质的质量 m = ŋ·k·I·t （ŋ为阴极电流效率） • 镀层厚度h= m /ρ·S （ S为工件表面积）
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2）电化学反应
• 阴极：还原反应
+ne→M 2+ (Ni + 2 e → Ni )
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•5)阳极活化剂：能促进阳极活化的物质， 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。活化剂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。 •6)添加剂: 指不会明显改变镀层导电性， 而能显著改善镀层性能的物质。根据在镀 液中所起的作用，添加剂可分为：光亮 剂、整平剂、润湿剂和抑雾剂等。
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镀铜工艺
•1)氰化镀铜。氰化镀铜溶液的均镀能力好、镀 层结晶细致、与基体结合力良好，镀铜溶液中 铜是以一价的铜氰配位化合物形式存在， [Cu(CN)2]-、 [Cu(CN)3] -2 、 [Cu(CN)4]-3。 •阴极反应: Cu+ + e → Cu 2H+ + 2e → H2↑ •阳极反应 Cu－ e → Cu+
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•极化：指有电流通过电极时，电极电位 偏离平衡电极电位的现象。 •产生原因：电化学极化和浓差极化。 •电化学极化：由于阴极上电化学反应速 度小于外电源供给电极电子的速度，从而 使电极电位向负的方向移动而引起的极化 作用。 •浓差极化：溶液中离子扩散速度小于电 子运动速度使得邻近电极表面液层的浓度 与溶液主体的浓度发生差异而产生的极 化。
•普通镀镍又称暗镍，镀液中不添加光亮剂 而获得镍金属本色的镍镀层。
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•光亮镀镍 是在镀镍 液中加入 某些添加 剂，能得 到表面光 亮的镀 层。镀层 的韧性 好，孔隙 率少。
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5. 镀 锌
•锌是一种银白色的两性金属，即能溶于酸， 又能溶于碱。原子量为65.38、熔点1120 ℃ 、化合价＋2、密度7.17g/cm3、标准电极 电位-0.76V。锌是所有镀种金属中最量大面 广的金属，它的价格也最低廉，镀层能起电 化学保护作用。经铬酸盐钝化处理，能形成 彩虹色、蓝白色、蓝绿色、银白色、军绿 色、黑色及金黄色等多种钝化膜，外表美 观，且大大提高了抗腐蚀性能。
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3. 镀液
•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。浓度必须在一个适当的范围。 •2) 络合剂：络合主盐中的金属离子形成络 合物的物质。络离子在溶液中离解程度不 大，仅部分离解，它比简单盐离子稳定， 在电解液中有较大的阴极极化作用。
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9. 塑 料 电 镀
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10. 影响镀层质量的工艺因素
•1) 温度的影响 : a) 温度的增加可以提高 镀液中盐类的溶解度和导电率，增加镀 液中离子的扩散速度，允许使用较大的 电流密度，从而提高沉积速度。b)温度 的增加可以降低镀层的内应力，使得镀 层柔韧而有延展性。c)温度对电沉积层 的光亮度有较大影响，在一定温度范围 内可以得到光亮度较好的电沉积层。
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•普通镀铬层光亮，抛光性能好，溶液对设备腐 蚀小，受铁杂质的影响小，应用最广。
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•镀硬铬是镀层厚度在20μm以上的铬 层，较厚镀层能发挥镀铬层硬度高、耐 磨的特点，没有穿透腐蚀的问题。
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•镍是一种白带微黄色的金属，原子量为 58.67、熔点1452 ℃ 、化合价＋2、密度 8.98g/cm3、标准电极电位－0.25V；镍具 有良好的机械强度和韧性，能抵抗大气的 腐蚀，与强碱不发生化学反应。镍镀层结 晶细致平滑，容易抛光。在镀液中加入各 种添加剂后，能得到镜面光亮的镀层。
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•3)附加盐：电镀液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，改善镀液的深镀能力、分散能 力，产生细致的镀层。 •4)缓冲剂：用来稳定溶液酸碱度的物质。 一般是由弱酸和弱酸盐或弱碱和弱碱盐组 成的，能使溶液在遇到碱或酸时，溶液的 PH值变化幅度缩小。任何缓冲剂都只在 一定的PH值范围内才有较好的缓冲作 用，超过了PH值范围，它的缓冲作用较 差或没有缓冲作用。
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2. 金属电镀的过程
•(1) 传质 ：在电解液中的预 镀金属的离子或它们的络离 子由于浓度差而向阴极(工件) 表面或表面附近迁移； •(2) 表面转化：金属离子或其 络离子在电极表面上或表面 附近的液层中发生还原反应 的步骤； •(3) 电化学：金属离子或络离 子在阴极上得到电子，还原 成金属原子； •(4) 新相生成：生成金属或合 金。
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3. 镀
铜
•铜是一种玫瑰红色，有良好延展性、导电 和导热件的金属。原子量为63.54，密度 8.9g/cm3、熔点1083℃，标准电极位 +0.34V。铜镀层化学稳定性较差，在潮湿 的大气中与二氧化碳和氯化物作用，生成 绿色的碱式碳酸铜和氯化铜；与硫化物作 用生成黑色的硫化铜。除了经化学处理形 成黑色或古铜色表面再涂上有机膜外，一 般不单独作防护装饰性的最终镀层。
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2) 硫酸盐镀铜
• 特点：硫酸盐镀铜有着良好的整平性和 镜面光亮度，成本低。 •用途：塑料件电镀的首选工艺，装饰性 镀铜，印制板的通孔电镀等。 •阴极反应: Cu2+ + 2e → Cu 2H+ + 2e → H2↑ •阳极反应 Cu－ 2e → Cu2+ Cu + Cu2+→ 2Cu+
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•用途：广泛地被用作汽车、自行车、机 床、缝纫机、钟表、照相机、五金工具、 日用五金和塑料零件等的防护装饰性镀 层。 •阴极反应: Ni2+ + 2e → Ni 2H+ + 2e → H2↑ •阳极反应 Ni－ 2e → Ni2+
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8. 合金电镀
•电镀合金：在阴极上同时沉积出两种或两种以上金 属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程， 称为电镀合金。合金镀层具有许多单金属镀层所不 具备的特殊性能，如外观、颜色、硬度、磁性、半 导体性、耐蚀以及装饰等方面的性能。 •合金电镀特点 •1)可制取高熔点金属与低熔点金属组成的合金 •2)可制取平衡相图没有的、与冶炼合金明显不同的物相 •3)可获得非晶态合金 •4)可获得单独从水溶液中不能析出的金属 •5)会出现电位较负的金属优先析出的特异现象