电镀溶液与镀层性能测试

电镀溶液与镀层性能测试
1 前言
一百多年来许多人对电镀层的内应力进行了研究，它是反应镀层质量的重要因素，可分为张应力和压应力，张应力过大会导致镀层裂纹，甚至剥落，压应力过大会导致镀层起泡，对于细、薄、软的零件容易变形，对机械性能有特殊要求的零件(如电子厂品、军工产品)镀层内应力越小越好，随着现代科学技术的发展，对产品的质量要求越来越高，控制镀层内应力显得十分重要。

本文介绍几种国内外常用的几种测量方法，以便对于点镀层内应力进行深入研究。

2 测量方法
2.1薄片阴极弯曲法
薄片阴极弯曲法是一种经典的内应力测量方法。

其基本形式是:采用一块狭长的金属薄片作阴极,背向阳极的一面绝缘;电镀时一端用夹具固定另一端可以自由活动;电镀后,镀层中产生的内应力会迫使薄片阴极弯曲。

其内应力计算公式为
式中:P为镀层内应力,Pa;
E为薄片阴极的弹性模量,Pa;
T为薄片阴极的厚度,mm;
R为薄片阴极的弯曲半径,mm;
t为镀层的厚度, mm。

在实际测量中，薄片的弯曲度Z，阴极下端弯曲度Z′，弯曲L要比曲率半径R更易测得，所以上式可变为
或者
测量方法的是：采用一长条薄金属片作为阴极，单面上图绝缘膜，装在一个特殊框架中，将其一端固定，另一端自由活动。

同时把另一条与拨片阴极大小相同的金属片作为阳极，固定在于阴极平行的一定距离上，电镀层内应力迫使阴极破片朝阳极或背阳极弯曲，弯曲量一般是以阴极端部的偏移量Z’来度量，Z’可用读数显微镜或光学投影灯方法来测定，还有用阴极活动端上的指针或光电在刻线
尺上的移动来测量，用公式（3）计算镀层内应力。

应当注意，公式（1）（2）（3）是在T》t情况下推出。

如果t超过T的值5%，上述公式将不能使用。

第二种方法；用两条金属薄片叠合在一起，将其夹持在特制的框架内，两面上电沉积，由于薄片老虎被加紧着，在电镀过程中式不会变形的。

电镀完成后薄片从框架中取出，夹紧力消除，薄片就自由弯曲到平衡状态，然后测量薄片的曲率半径，按公式（4）计算
这第二种方法只能测出最后的内应力平均值，不能测量瞬时内应力值。

薄片阴极弯曲法的主要缺点是:
(1)试样背面的绝缘层往往会污染电镀溶液,同时影响试样的刚性,这种影响难以在内应力计算中加以考虑和修正;
(2)绝缘不完全或在电镀过程中产生脱落也会改变阴极的弯曲程度;
(3)窄条试样变弯以后,改变了它与阳极的距离,也就改变了阴极上的电流分布。

2.2 螺旋收缩仪法
螺旋收缩仪法是把不锈钢片制作成螺旋管,并使它的一端固定,然后只在螺旋管外表面电镀,内表面涂绝缘漆。

当镀层产生内应力时会使螺旋管发生扭曲。

借助芯杆放大装置把扭曲力传送到刻度盘上,根据刻度盘指针偏转的角度计算镀层的内应力。

其计算公式为:
式中:P为镀层内应力,MPa;
K为偏转常数,(N·mm)/°;
θ为指针偏转角度,°;
r为螺旋管的螺距,mm;
T为螺旋管的壁厚,mm;
t为镀层的厚度,mm。

使用这种测量方法时,在每次测量之前须按仪器使用说明书测定螺旋管的K值。

2.3 圆片变形法
圆片变形法的基本装置是将一个圆形金属片作为阴极,压紧在装有电镀溶液的容器上。

圆形金属片是用厚度为0.25~0.60mm,直径为100mm的铜或不锈钢制成的。

在圆片上面或容器侧面连接一个装有测量溶液的毛细管。

当圆片接触镀液的一面进行电镀时,镀层产生的内应力使圆片弯曲,造成容器容积发生变化,从而导致毛细管中的液面上升或下降,据此毛细管读数就可计算出镀层的内应力。

其计算公式为:
式中:P为镀层内应力,MPa;
r为圆片阴极被镀面半径,mm;
ha和hb分别为电镀前后毛细管读数,mm;
K为圆片常数,mm3·N-1
T为圆片阴极厚度,mm
t为镀层厚度,mm。

圆片变形法测量精度与螺旋收缩仪法的相当。

圆片阴极不需背面绝缘,并且可在对电解液进行搅拌的情况下测定。

2.4长度变化法
长度变化法是利用薄片阴极在两个面上同时电沉积,薄片阴极虽不弯曲,但长度会发生变化。

当镀层产生拉应力时,试片就缩短;当镀层产生压应力时,试片就伸长。

把薄片阴极夹在专门的夹具上,一端固定,一端自由,在自由端装有长度传感器,用以测量长度的变化值。

其计算公式为:
式中:
P为镀层内应力,Pa;
E1为薄片阴极的弹性模量,Pa;
t为镀层厚度,mm;
T为薄片阴极的厚度,mm;
ΔL和L分别为薄片阴极长度变化量和长度,mm。

金属丝阴极的内应力计算公式为：
式中：P为镀层内应力,Pa;
E2为薄片阴极的弹性模量,Pa;
d金属丝直径,mm;
t为镀层厚度,mm;
ΔL和L分别为薄片阴极长度变化量和长度,mm。

3内应力计算中的一些问题内应力。