提高电镀镀层与基体结合强度的途径

提高电镀镀层与基体结合强度的途径

摘要：在电镀过程中，影响镀层质量的因素很多，生产过程中不可避免的要出现一些质量上的问题，其中镀层与基体的结合强度就是衡量质量的重要指标之一。本文通过对镀层与基体结合机理的探讨，提出了提高镀层与基体结合强度的途径。

一、镀层的形成过程

镀液中的金属离子在阴极上获得电子被还原为金属原子并均匀覆盖在作为阴极的零部件表面(界面)，就形成电镀的镀层。金属离子在阴极上还原成金属，形成镀层的实际过程一般分为三个步骤：

1)金属的水化离子由溶液内部移动到阴极界面处，即液相中物质的传递步骤；

2)金属水化离子脱水并与阴极上的电子反应，还原成金属原子。事实上是电子在阴极上与金属离子间的跃迁，完成了电子从阴极界面向电解液界面的转移，使脱水的离子获得电子，形成失水的吸附原子，即电子跃迁；

3)金属原子排列成一定构型的金属晶体，即生成新相步骤。结晶又分形核和生长两个过程。形核和生长的速度决定了晶粒尺寸大小，若形核速度大于生长的速度，则生成的晶粒数量多，尺寸小；反之晶粒数量少。尺寸大。

二、结合机理

2.1电化学行为产生的结合

电解液中无数的金属离子经过电化学作用还原为金属原子，继而形成镀层，与基体牢固地结合在一起，这就是电化学行为产生的镀层与基体的结合。电化学结合又分为金属键结合与固溶体结合。

2.1.1金属键结合

镀层金属与基体金属一般都是不同化学成分的固体，在它们的界面上，镀层原子都与一

些基体原子按照一定规律组成一定形式的晶格。这些原子绝非简单地堆砌在一起，原子之间存在着强烈的相互作用，这种作用力称为化学键。在金属晶体中的原子与自由电子所形成的化学键称为金属键。金属键合的强度决定于两种界面的晶体结构和晶面性质，而镀层结合强度则主要取决于键合的强度。

2.1.2固溶体结合

合金晶格点阵含两个或多个元素原子，但晶格中原子的排列形成仍属于两个或多个元素中的任一种，并不组成新的晶格结构，这种晶体结构称为固溶体。在镀层与基体两种金属的界面之间，固溶体仍能保持与基体金属相同的晶体结构，但由于合金中含量较少组元原子的溶入会引起晶格畸变和晶格常数的变化。

固溶体依溶入原子所处的位置可形成间隙固溶体和置换固溶体。原子半径小于0.1mm 的元素，如H、O、N、C、B等可处在基体金属晶体结构的间隙处形成间隙固溶体；而原子半径较大的组元只能置换基体原子而位于晶体结构的结点上形成置换固溶体。

由于一般晶体结构的间隙很小，溶入的原子会造成强烈的畸变，因此间隙固溶体的溶解度是有限的。置换固溶体可分为无限置换和有限置换两种固溶体。例如：Cu—Ni合金就是无限固溶体；Al-Fe合金则其能形成有限置换固溶体，影响固溶体类型的基本元素是原子的尺寸、晶格的点阵形式和常数、元素的电化学性质等。

形成置换固溶体的基本条件可归纳如下：元素序号相近、原子半径相近、晶格类型相同、晶格常数相近，能同时满足上述条件即可形成无限置换固溶体，部分满足上述条件即可形成有限置换固溶体，不能满足上述条件则不能形成置换固溶体。倒如；Cu与Ni能同时满足四个条件，故可形成无限置换固溶体；而Al与Fe只能有限满足上述条件，故只能形成有限置换固溶体。

2.2机械镶嵌产生的结合

利用基体材料表面粗糙度而造成的镶嵌作用来实现镀层金属与基体的结合，称为机械镶嵌作用产生的结合，简称机械结合，主要有：

(1)基体材料表面加工痕迹造成的机械镶嵌。基体材料由于机械加工过程或其它原因形成许多较小间距和微小峰谷的微观凸凹不平，这些起伏不平的痕迹使镀层的整体能够较稳固地卡夹其间，起到一种镶嵌作用。

(2)活化工序刻蚀后的微坑产生的机械镶嵌。活化工序实质上是一种电化学刻蚀过程。从微观上看，刻蚀后的基体表面会产生许多均匀分布的子坑，这些坑特别是外表面大的坑，在电镀时由于镀液的分散能力和均镀能力可以把这些微坑都填补起来，形成“铆钉”，把基体金属与镀层铆接在一起，使镀层整体十分牢固地镶嵌在基体表面上。

(3)物理接触产生的结合。物理接触是指作用物质之间相接触而产生电子相互交换的过程，这是任何化学、电化学反应的必要条件，同时在物理接触的过程中，化学变化或物理变化也会对接触结果产生影响。由化学接触直接产生的结合又称物理结合。主要是范德华力和镀层与基体金属间原子(或分子)的扩散。

范德华力普遍存在于多种分子之间，是分子与分子之间十分接近时具有的相互作用力。扩散是由于微粒(分子或原子)的热运动而产生的物质迁移的现象，不同固体之间也存在着(原子或分子)扩散现象。例如在表面粗糙不平之处，原子具有的能量要比平整之处的能量大，即这些地方的表面能高于整体的平均表面能，由于物体内部结构总有趋向于稳定动态平衡的趋势，故使这些地方的原子具有了流动的趋势以致产生一定的塑性流动。在温度不同，原子或分子的质量不同，电场存在的物理条件影响下，使高能量的原子作热运动而向低能量处产生迁移，由此达到固体表面能的动态平衡。扩散的结果是微粒在物体界面能较低处进入晶体晶格，与该处金属形成固溶体组织。由于原子(分子)所具有的能量、运动状态所处位置等因素的影响，扩散结果并不是获得较高结合强度的主要因素。

三、提高电镀镀层与基体结合强度的途径

3.1镀前处理

影响镀层结合强度的关键工序是零件镀前的表面处理和形成第一层底镀层的工艺条件。被镀基体表面不清洁和镀液不干净都会降低镀层与基体材料的结合强度，甚至根本沉积不上镀层。这是由于镀液是由各种无机物和有机物按一定比例配制而成，并在电场作用下沉积而形成镀层，其结合主要靠电化学作用以及其它结合的作用。当镀液中或表面上的杂质增多时，会减小沉积金属与基体金属的有效接触面积，在同样的电场作用下，自然使化学键的结合强度降低，甚至阻碍镀层的生长。因此镀前必须经过严格除油、除锈，使吸附在镀件表面的油污及氧化膜彻底清除，同时对镀件表面硬化层(如渗碳层、渗氮层等)进行处理，否则会降低结合强度，甚至出现镀层起皮现象。