电镀和化学镀

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积结晶过程,并提高阴极极化作用。添加剂能改善镀层组 织,表面形态,物理、化学和力学性能。
电镀规范的影响
①电流密度的影响:
每种镀液有它最佳的电流密度范围。
提高电流密度,必然增大阴极极化作用。使镀层致密, 镀速升高。 但电流密度过大,镀层会被烧黑或烧焦; 电流密度过低,镀层晶粒粗化,甚至不能沉积镀层。
镀层硬化剂——可提高镀层硬度。
掩蔽剂——可消除微量杂质的影响。
电镀过程
当直流电通过两电极及两极 间含金属离子的电解液时,金 属离子在阴极上还原沉积成镀 层,而阳极氧化将金属转移为 离子。
如图所示,在硫酸铜溶液中插 入两个铜板,并与直流电源相 接,当施加一定电压时,两极 就发生电化学反应。
多层金属镀层,例如Cu-Sn/Cr,Cu/Ni/Cr镀层等;
复合镀层,如 Ni-Al2O3,Co-SiC等。
若按镀层成分分类,可分为:单一金属镀层、合金镀层及 复合镀层。
镀层的合理选择
不同成分及不同组合方式的镀层具有不同的性能。如何合 理选用镀层,其基本原则与通常的选材原则大致相似。 首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能,然后按照零 件的服役条件及使用性能要求,选用适当的镀层,还要按 基材的种类和性质,选用相匹配的镀层。例如阳极性或阴 极性镀层,特别是当镀层与不同金属零件接触时,更要考 虑镀层与接触金属的电极电位差对耐蚀性的影响,或摩擦 副是否匹配。 另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层。例如铝合金镀 镍层,镀后常需通过热处理提高结合力,若是时效强化铝 合金,镀后热处理将会造成过时效。此外,要考虑镀覆工 艺的经济性。
6. 镀液稳定剂。许多金属盐容易发生水解,而许多金属 的氢氧化物是不溶性的。生成金属的氢氧化物沉淀,使溶 液中的金属离子大量减少,电镀过程电流无法增大,镀层 容易烧焦。 7. 特殊添加剂。为改善镀液性能和提高镀层质量,常需 加入某种特殊添加剂。其加入量较少,一般只有几克每升, 但效果显著。这类添加剂种类繁多,按其作用可分为:
Cu2+(溶液内部)→Cu2+(阴极表 面)
Cu2+ (阴极表面) +2e-→Cu( 金 属)
1.传质步骤:液相中的反应粒子(金属水化离子或配合 离子)向阴极表面传递的步骤,有电迁移、扩散及对流三 种不同方式。 2.前置化学步骤:研究表明,直接参加阴极电化学还原 反应的金属离子往往不是金属离子在电解液中的主要存在 形式。在还原之前,离子在阴极附近或表面发生化学转化, 然后才能放电还原为金属。
3.电荷转移步骤:反应粒子在阴极表面得到电子形成吸 附原子或吸附离子的过程称为电荷转移步骤,又称为电化 学步骤,这里主要发生电荷从阴极表面转移到反应粒子的 过程,这是电沉积过程的重要步骤。
4.结晶步骤: 吸附原子通过表面扩散到达生长点而进入 晶格,或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并长大成晶体。
若按镀层与基体金属之间的电化学性质可分为:
阳极性镀层和阴极性镀层:
(1)凡镀层相对于基体金属的电位为负时,镀层是阳极,
称阳极性镀层,如钢上的镀锌层。
(2)而镀层相对于基体金属的电位为正时,镀层呈阴极,
称阴极性镀层,如钢上的镀镍层、镀锡层等。
若按镀层的组合形式分,镀层可分为:
单层镀层,如Zn或Cu层;
电镀的基本原理
电镀是指在直流电的作用下,电解液中的金属离子还原, 并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。
电解液主要是水溶液,也有有机溶液和熔融盐。从水溶液 和有机溶液中电镀称为湿法电镀,从熔融盐中电镀称为熔 融盐电镀。 非水溶液、熔融盐电镀虽已部分获得工业化应用,但不普 遍。
电刷镀的原理与特点
电刷镀也是一种金 属电沉积的过程 , 基本 原理同电镀。下图是其 工作过程的示意图。直 流电源的正极通过导线 与镀笔相联,负极通过 导线和工件相联,当电 流方向由镀笔流向工件 时为正向电流,正向电 流接通时发生电沉积; 电流方向从工件流向镀 笔时为反向电流,反向 电流接通时工件表面发 生溶解。
前处理的影响
镀件电镀前,需对镀件表面作精整和清理,去除毛刺、 夹砂、残渣、油脂、氧化皮、钝化膜,使基体金属露出洁 净、活性的晶体表面。这样才能得到健全、致密、结合良 好的镀层。 前处理不当,将会导致镀层起皮、剥落、鼓泡、毛刺、发 花等缺陷。
电刷镀
电刷镀是电镀的一种特殊方式,不用镀槽,只需在不断供应 电解液的条件下,用一支镀笔在工件表面上进行擦拭,从而 获得电镀层。所以,刷镀又称快速电镀,无槽电镀或金属涂 镀。 电刷镀具有设备轻便,工艺灵活,镀积速度快,镀层种类多, 结合强度高,适应范围广,对环境污染少,省水省电等优点。 是机械零件表面修复和强化的重要手段之一,特别适于不解 体,现场修理和野外抢修。
出过电位较低。氢的析出对镀层质量的影响是多方面的, 其中以氢脆、针孔、起泡最为严重。
基体金属对镀层的影响
①基体金属性质的影响: 镀层的结合力与基体金属的化学 性质及晶体结构密切相关。如果基体金属电位负于沉积金 属电位,就难以获得结合良好的镀层,甚至不能沉积。若 材料(如不锈钢、铝等)易于钝化,不采取特殊活化措施 也难以得到高结合力镀层。基体材料与沉积金属晶体结构 相匹配时,利于结晶初期的外延生长,易得到高结合力的 镀层。 ②表面加工状态的影响: 镀件表面过于粗糙、多孔、有裂 纹,镀层亦粗糙。在气孔、裂纹区会产生黑色斑点,或鼓 泡、剥落现象。铸铁表面的石墨有降低氢过电位的作用, 氢易于在石墨位置析出,阻碍金属沉积。
电沉积的基本条件
金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时,原则上,只 要电极电位足够负,任何金属离子都可能在阴极上还原, 实现电沉积。 但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子,使得 一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。
所以金属离子在水溶液中能否还原,不仅决定于其本身的 电化学性质,还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相 对大小。
由于刷镀无需电镀槽,两极距离很近,所以常规电镀的溶 液不适用来作刷镀溶液。刷镀溶液中的金属离子的浓度要 高得多,因此需要配制特殊的溶液。 完整的刷镀过程还应包括预处理过程。预处理过程包括: 镀前工件表面的电清洗和电活化工序,这些处理都使用同 一电源,只是镀笔、溶液、电流方向等工艺条件不同而已。
⑤电性能镀层:例如Au,Ag镀层等,既有高的导电率,又可防氧化, 避免增加接触电阻。 ⑥磁性能镀层:例如软磁性能镀层有Ni-Fe,Fe-Co镀层;硬磁性能有 Co-P,Co-Ni,Co-Ni-P等。 ⑦可焊性镀层:例如Sn-Pb,Cu,Sn,Ag等镀层。可改善可焊性,在 电子工业中广泛应用。 ⑧ 耐热镀层:例如Ni-W,Ni,Cr镀层,熔点高,耐高温。 ⑨修复用镀层:一些造价较高的易磨损件,或加工超差件,采用电镀 修复尺寸,可节约成本,延长使用寿命。例如可电镀Ni,Cr,Fe层进 行修复。
镀层厚度:一般为几微米到几十微米。
特点:电镀工艺设备较简单,操作条件易于控制,镀层材料广泛,成 本较低,因而在工业中广泛应用,是材料表面处理的重要方法。
镀层分类
镀层种类很多,按使用性能可分为
①防护性镀层:例如锌、锌-镍、镍、镉、锡等镀层,作为耐大气及 各种腐蚀环境的防腐蚀镀层。
②防护-装饰性镀层:例如 Cu-Ni-Cr镀层等,既有装饰性,亦有防护 性。 ③装饰性镀层:例如Au及Cu—Zn仿金镀层、黑铬、黑镍镀层等。 ④耐磨和减磨镀层:例如硬铬,松孔镀,Ni—SiC,Ni-石墨,Ni-PTFE 复合镀层等。
特殊添加剂
光亮剂——可提高镀层的光亮度。
晶粒细化剂——能改变镀层的结晶状况,细化晶粒,使镀层致密。例 如锌酸盐镀锌液中,添加环氧氯丙烷与胺类的缩合物之类的添加剂, 镀层就可从海绵状变为致密而光亮。 整平剂——可改善镀液微观分散能力,使基体显微粗糙表面变平整。 润湿剂——可以降低金属与溶液的界面张力,使镀层与基体更好地附 着,减少针孔。 应力消除剂——可降低镀层应力。
②电流波形的影响:电流波形对镀层质量的影响,在某些 镀液中非常明显。
例如单相半波或全波整流用于镀铬时,镀铬层是灰黑色的。 而三相全波整流的波形与稳压直流相似,它们的电镀效果 和质量没有明显区别。
③周期换向电流的作用:周期性地改变直流电流方向可适 当控制换向周期、电镀时间和退镀时间,可使镀层均匀、 平整、光亮。因为退镀时,可去除劣质镀层和镀件凸出处 较厚的镀层。 ④温度的影响: 通常温度升高,阴极极化作用降低,镀层 结晶粗大;但允许提高电流密度上限,并使阴极电流效率 提高,改善镀层韧性和镀液的分散能力,减少镀层吸氢量。 不同的镀液有其最佳温度范围。 ⑤搅拌的影响:搅拌增强电解液的流动,降低阴极的浓差 极化,使镀层结晶粗大,但搅拌允许提高电流密度,这可 抵消降低浓差极化的作用,并提高生产率。搅拌还可增强 整平剂的效果。
电镀和化学镀
电镀
电镀是一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的 金属覆层工艺。
电镀原理: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,形成镀层.
目的:改善材料外观,提高材料的各种物理化学性能,赋予材料表面 特殊的耐蚀性、耐磨性、装饰性、焊接性及电、磁、光学性能等。
2. 配合剂。配合剂与沉积金属离子形成配合物,改变镀 液的电化学性质和金属离子沉积的电极过程,对镀层质量 有很大影响,是镀液的重要成分。常用配合剂有氰化物、 氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、氨三乙酸、柠檬酸等。
3. 导电盐。其作用是提高镀液的导电能力,降低槽端电 压提高工艺电流密度.例如镀镍液中加入Na2SO4。导电盐 不参加电极反应,酸或碱类也可作为导电物质。
4. 缓冲剂。在弱酸或弱碱性镀液中,pH值是重要的工艺 参量。加入缓冲剂,使镀液具有自行调节pH值能力,以 便在施镀过程中保持pH值稳定。缓冲剂要有足够量才有 较好的效果,一般加入30~40g/L,例如氯化钾镀锌溶 液中的硼酸。 5. 阳极活化剂。在电镀过程中金属离子被不断消耗,多 数镀液依靠可溶性阳极来补充,使金属的阴极析出量与阳 极溶解量相等,保持镀液成分平衡。加入活性剂能维持阳 极活性状态,不会发生钝化,保持正常溶解反应。例如镀 镍液中必须加入Cl-,以防止镍阳极钝化。
pH值及析氢的影响
①pH值的影响:镀液的pH值影响氢的放电电位,碱性夹 杂物的沉淀,沉积金属的配合物或水化物的组成,以及添 加剂的吸附程度。pH值对硬度和应力的影响,可能主要
是通过夹杂物的性质和分布起作用的。
②析氢的影响:阴极上金属沉积时,总伴随着氢气的析出。
氢气析出的原因是金属离子的沉积电位较负,或者氢的析
影响电镀层质量的基本因素
电镀层的质量体现于它的物理化学性能、力学性能、 组织特征、表面特征、孔隙率、结合力和残余内应力等方 面。 这些特性除取决于镀层金属的本性外,还受到镀液、 电镀规范、基体金属及前处理工艺等的影响。

镀液的影响
镀液的各种成分对镀层质量都有直接和间接的影响。 ①配离子的作用: 配离子使阴极极化作用增强,所以镀层 比较致密,镀液的分散能力也较好,整平能力较高。 ②主盐浓度的影响: 主盐浓度增大,浓差极化降低,导致 结晶形核速率降低,所得组织较粗大。这种作用在电化学 极化不显著的单盐镀液中更为明显。
若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负,则电极上大 量析氢,金属沉积极少。
金属还原的可能性
金属离子还原析出的可能性是获得镀层的首要条件,而 要获得质量优良的镀层,还要有合理的镀液组成和合理的工 艺控制。
电镀溶液
一种电镀溶液有固定的成分和含量要求,使之达到一定 的化学平衡,具有所要求的电化学性能,才能获得良好的 镀层。通常镀液由如下成分构成。 1. 主盐。沉积金属的盐类,有单盐,如硫酸铜、硫酸镍 等;有络盐,如锌酸钠、氰锌酸钠等。
③附加盐的作用:除可提高镀液的电导性外,还可增强阴 极极化能力,有利于获得细晶的镀层。 ④添加剂的作用:添加剂在镀液中的作用有两种主要方式: 其一,形成胶体吸附在金属离子上,阻碍金属离子放电, 增大阴极极化作用;其二,吸附在阴极表面上,阻碍金属
离子在阴极表面上放电,或阻碍放电离子的扩散,影响沉
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