绿色化学---电镀和化学镀

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电镀和化学镀
2013-12-4
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1、行业简介
1.1、电镀的现状和发展趋势:
电镀隶属于表面处理技术领域,在金属精饰中按吨位计占加工 的首位。电镀的发展分三个时期:第一个时期是为了改善光泽 或耐蚀性。第二个时期是因为劳力不足而迈向省力化、自动化 。第三个时期为减轻公害时期,以拓展自身的生存空间 我国近代电镀行业发展较快,从业人员增多。但现有的电镀技 术、设备及相关技术多是从欧洲、台湾引进;自主研发能力较 弱。
金属镀层名称
1.63 11.3 2.21 1.58 10.8 20
金属镀层重量 mg/cm2 g/dm2
1 2 3 4 5 7 8
金 金 银 铜 铜 锡 锡
Au Au Ag Cu Cu Sn Sn
1 3 1 1 2 2 4
19.3 19.3 10.5 8.93 8.93 7.33 7.33
197.2 65.7 107.88 63.54 63.54 118.70 118.70
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如何合理选用镀层
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。 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。
☆ 第一定律:
电解时,电极上析出(或溶解)物质的质量与电解液中所通过的电量成正比.
m=KIt=KQ m-析出物质量(g) K-比例常数(电化当量)(g/A· h) I-电流强度(A) t-通电时间(h) Q-通过电量(A· h) ■镀层厚度d的计算公式(d:um ) d=(K×Dk×t×ηk×100)/(60×ρ) ■电镀时间t计算公式(t:min) t=(60×ρ×d)/(K×Dk×ηk×100) ρ-电镀层金属密度(g/cm3) DK -阴极电流密度(A/dm2) ηk-阴极电流效率(%)
☆ 第二定律:
电极上每析出(或溶解)1mol的任何物质所需的电量为n*96500C或n*26.8A· h 1电量为96500C,它是一个常数,一般称为法拉第常数
Hale Waihona Puke Baidu
1、电镀原理及基础 ☆ 举例:
已知镀镍液电流效率ηk为95%,DK为15A/d㎡,电镀1分钟后所得镀层厚度是多少? 解:查得镍的K为1.095,ρ为8.9 根据公式d=(K×Dk×t×ηk×100)/(60×ρ) =(1.095×15×1×0.95×100)/(60×8.9) =2.922(um)
0.89 1.94 0.89 0.73 1.20
0.089 0.194 0.089 0.073 0.120
2.3、镀层的分类:
防护-装饰性镀层 使 用 目 的
1、电镀原理及基础
保护基体金属,赋予美丽外观. 提高制品表面硬度,增加其抗磨能力(Sn-Pb) 防止制品在高温下被氧化腐蚀(Pt-rh) 提高表面导电性能(Au-Co) 磁环、磁盘、磁膜(Ni-Fe、Co-Ni) 保护制品在热处理时不改变性能(Cu、Sn) 修复损坏部位(Fe、Cu、Cr) 改善焊接性能(Sn) 改善光学性能镀层等(Cr,黑铬)
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。
铬在大气中能长久保持光泽,在碱液、硝 酸、硫酸及许多有机酸中不发生反应,镀 铬层有很高的硬度和优良的耐磨性及较低 的摩擦系数,故镀铬常用于防护装饰性镀 层,防止 基体金属生锈和美化外观,也常 用于提高制品的耐磨性或修 复磨损。
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。 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。
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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,FeCo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。
阴极副反应 :
2H3O+ + 2e- →H2 + 2H2O 阳极副反应 : 6H2O →O2 + 4H3O+ + 4e-
2.2、法拉第定理
1、电镀原理及基础
法拉第定律是描述电极上通过的电量与电极反应物重量之间的关系,又称为电 解定律. 电解定律是自然界中最严格的定律之一.它不受温度、压力、电解质溶液浓度 、溶剂的性质、电解质材料和形状等因素的影响。
自动挂镀线
2、
2.1 2.2 2.3 2.4
电镀原理及基础
电镀原理 法拉第定律 镀层分析 电镀流程分析
1、电镀原理及基础
2.1、电镀原理
借助外界直流电的作用,在溶液中进行电解反应,使导电体的表面沉
积一金属或合金层的方法,称为电镀。
阴极主要反应 : Cu2+ + 2e- → Cu 阳极主要反应 : Cu →Cu2+ + 2e-
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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: 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。 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。
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若按镀层的组合形式分,镀层可分为: 单层镀层,如Zn或Cu层; 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。
197.2 65.7 107.88 63.54 63.54 118.70 118.70
2.0436 0.681 1.118 0.658 0.329 0.615 0.307
7.357 2.452 4.025 2.372 1.186 4 2.214 1.107 5 钯镀层 1 2 3 铜镀层 金镀层 镍镀层 镍镀层
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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。
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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。 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。 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。 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。
耐磨和减磨性镀层
抗高温氧化镀层 功 能 性 镀 层 导电性镀层 磁性镀层 热处理用镀层 修复性镀层 可焊性镀层 其他
简单镀层
镀 层 结 构 组合镀层 复合镀层
单一金属镀层(Zn、Cr) 几层相同或不同金属叠加而成的镀层 (暗Ni-半光Ni-光Ni Ni-Au Ni-Cu)
固体微粒均匀地分散在金属中而形成的镀层 (Ni-SiC Cu-Al3O2)
镀锡
锡的腐蚀产物对人类无害,且易于钎焊 ,镀锡广泛用于食品罐头包装制品、饮 具、餐具及电子工业中很多需要钎焊的 零件。
镀铜
镀铜常作为其他镀层的中间层,以提高 表面镀层和基体金属的结合力。在电力 工业中,也可用铁丝镀厚铜来代替纯铜 导线,以减少铜的耗用量。
镀镍
镀镍的应用面很广,可用于防护装饰性 和功能性两方面。前者主要用于自行车 、钟表、家用电器、五金产品、汽车、 照相机等零件的防护装饰性镀层;后者 主要用于易磨损产品的修复电镀。
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镀锌
钢铁零件上镀锌主要作用是防腐蚀,用 量占全部电镀零件的1/3至1/2,是所有电 镀品种中产量最大的一个镀种。镀锌具 有成本低、抗蚀性好、美观和耐贮存等 优点,在轻工、机电、农机和国防等工 业中得到广泛应用。
镀镉
钢铁零件上镀镉,在海洋和湿热大气环 境中,其保护性能比锌好,航空、航海 及电子工业中的零件大多采用镀镉。但 镉盐有毒,且对环境污染严重,使镀镉 的应用受到限制。
未来电镀的发展方向:合金和复合镀层等功能性电镀的研究, 更加节能的电镀工艺,低污染化,以及新型电镀的研究,以适应 科技和生产的需要,拓展行业的生存空间
总之,电镀工业在全世界已经发展了160多年,是一门既成熟 又年轻的科学!
1.2、电镀分类 :




常规电镀 电 镀 方 式
连续电镀 电刷镀 脉冲电镀 电 铸 滚 镀 连续电镀 滚桶 挂具
☆ 常用数据:
序号 金属 密度g/cm2 熔点℃ 沸点℃ 比热容20℃J/g℃ 线膨胀系数20℃×10-6/℃ 热传导20℃时W/cm℃ 电阻系数μΩ/cm
1 3 4 5 6 8
序号
铜 锡 金 银 钯 镍
金属
8.96 7.3 19.3 10.9 12.0 8.9
符号 原子价
1083 232 1062.7 960 1555 1452
1、电镀原理及基础
☆ 对镀层的主要要求: 1、镀层与基体的结合必须牢固,附着力好 2、镀层完整,结晶细致紧密,孔隙率小 3、具有良好的物理、化学及机械性能 4、具有符合标准规定的镀层厚度,且镀层分布要均匀 ☆ 影响电镀质量的因素: 电流密度 电 源 电流波形 电 因 素 成 溶 液 温 搅 基 件 极 分 度 拌 电流密度影响镀层的结晶效果 电流波形对镀层的结晶组织、光亮、镀液的分散能力和 覆盖能力等都有影响.现在多使用脉冲电流 电极的形状、尺寸、位置影响镀层的分布效果 添加剂、导电盐、金属离子浓度等直接影响镀层的好坏 适当的温度可以提高溶液的导电性,促进阳极溶解, 提高阴极电流效率,减少针孔,降低镀层内应力等 加速溶液对流,降低阴极的浓差极化作用 清洁、平整的基件表面镀层效果越好 影响电流分布,位置定位等
表面状态 形 状
1、电镀原理及基础
2.4、电镀流程分析: 上料 脱脂 酸洗活化 前处理 下料 预镀 电 干燥 电镀 镀 封孔 后处理 前处理:电镀前的所有工序统称为前处理,目的是修整工件表面,去除工件表面 的油脂,锈皮,氧化膜等,为后面镀层沉积提供所需的电镀表面.前处理主要影 响到外观结合力,据统计,60%的电镀不良品由于前处理不良所造成. 前处理的方式有:喷砂、磨光、抛光、热浸脱脂、超音波脱脂、电脱脂、酸洗 活化等。 电镀:在工件表面得到所需镀层。整个流程的核心程序。 后处理:电镀后对镀层进行各种处理以增强镀层的各种性能。如耐腐蚀性、 抗变色能力、可焊性等。 后处理的方式有:钝化、中和、着色、防变色、封孔等 钝化 水洗
比重
2595 2270 2949 2000 3980 2900
原子量
0.3843 0.2261 0.1290 0.2336 0.2458 0.4689
当量 mg/库仑
16.42 23 14.4 18.9 11.6 13.7
电化学当量 克/安培小时 序号
3.8644 0.6573 2.9609 4.0779 0.6741 0.5862
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