(表面工程学课件)7电镀和化学镀
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位迅速变负，其电流密度几乎不变(极大值)。 (机械搅拌+金属离子补充)
竞争还原反应：能否还原沉积，还与氢离子等 在电极上的沉积电位有关。 （在中性溶液中需控制其pH值）
金属电沉积过程：
(1)液相传质步骤： 在形成浓度梯度后，络合（水合）离子发生电迁移、扩散、对流。
(2)电化学还原步骤： 前置转换(化学转换)：络合离子转变为参与电极反应的形式 电荷转移： Cu2++e=Cu+ ( 慢 ) Cu++e=Cu ( 快 )
(3)电结晶步骤：晶核的形成和生长(金属原子在阴极表面形成新相) (上述过程可因浓差极化和电化学极化而出现“控制步骤”)
络合：分子或者(阴)离子(配位体)与金属离子(中心离子)结合，形成很稳定 的新的离子的过程
中心离子：常见的为过渡元素的阳离子
配位体：分子(NH3、H2O等)或阴离子(如(CN)-、Cl- 、F-等) 配位数：直接同中心离子络合的配位体的数目，最常见的配位数是6和4
按镀层与基体金属的电化学活性：
(1)阳极性金属镀层：镀层的标准电极电位比基体金属低；对基体金属除提供机械 保护外，还提供电化学保护。
(2)阴极性镀层：镀层的标准电极电位比基体金属高；对基体金属仅起到机械保护 的作用。
镀层具备良好性能的基本条件：
1、与基体金属结合牢固，附着力好； 2、镀层完整，结晶细致，孔隙少； 3、镀层厚度分布均匀。
1、镀液
镀液可分为：简单盐镀液和络合物镀液。
电镀液过滤泵
络合物镀液阴极极化作用较大、分散能力也较好，所得镀层结晶细致紧 密、分布均匀。
导电盐：可提高镀液导电性，增加阴极极化，便于获得结晶细致的镀层。
添加剂：增大阴极极化作用、改善镀层的结晶状况和理化性能等。
(“过电位”=“过饱和度”，阴极极化→过电位→晶核生成速度→晶粒大小)
基体会影响电沉积过程：吸附原子在其表面扭折或台阶处形核，通过表 面扩散长大。
(阴极极化→过电位→吸附原子浓度→扩散速度→晶体的生长速度)
电镀初始阶段可能发生液相外延生长。
镀层的结晶形态：层状、块状、棱锥状等。
二、电镀溶液的基本组成
7 电镀和化学镀
教学目的和要求
学习电镀、化学镀的基本原理、工艺主要流程及 基本要求、重要特点及主要应用等。
重点：电镀、化学镀的基本原理、工艺主要流程、 重要特点及主要应用(重要单金属电镀层及化学镀镍 层的基本特性)等。
电解法炼镁的工艺流程图
生产1吨金属镁： 耗电17500度。 （日本：9500度）
络合物：络合过程的生成物，通常指含有络离子的化合物
水合离子：电解质溶液里，离子跟水分子结合生成的带电微粒，如 [Fe(H2O)6]2+、 [Mg(H2O)6]2+、 [Al(H2O)6]3+、 [Cu(H2O)4]2+、[Na(H2O)m]+ 和 [Cl(H2O)n]- 等
金属的电结晶过程与盐溶液中盐的结晶过程相似：形核－长大
应用：普遍用于填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀和孔洞、修复加工超差
和尺寸磨损以及局部性能的改善，尤其适合大型机械零件的不解体现场修 理或野外抢修。
纳米电刷镀的应用
空军某部将纳米电刷镀技术用于某型先进飞机发动机叶片 的修复与再制造，并已通过空军装备部组织的专家组鉴定。。
纳米电刷镀技术修复某型坦克零件
镀液由以下（部分）组分组成：
主盐(单盐、络合盐等) 能与析出的金属离子形成络盐的成分 提高镀液导电性的盐类 缓冲剂 助溶阴离子 添加剂
电镀的性能参数：
1、电流效率:实际析出的金属量与理论析出量的比。 2、分散能力：在特定条件下镀液使镀件表面镀层分布更 加均匀的能力。 (宏观) 3、整平能力：镀液所具有的能使镀层的轮廓比底层更平 滑的能力。(微观) 4、深镀能力(覆盖能力) ：形状复杂的零件电镀时，镀层 覆盖基体的程度。
镀层分类：
按镀层的性能：
(1)防护性镀层：在大气或其它环境下，可延缓基体金属发生腐蚀的镀层。 (2)防护装饰性镀层：在大气环境中，既可减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用 的镀层。 (3)功能性镀层：能明显改善基体金属的某些特性的镀层，包括耐磨镀层，导电镀 层，导磁镀层，钎焊性镀层，其它功能性镀层(吸热镀层、反光镀层、防渗镀层、抗 氧化镀层、耐酸镀层等)
……
三、电镀的实施方式
1、挂镀
是电镀生产中最常用的一种方式。
特点：
(优点)是适合于各类零件的电镀；电镀时 单件电流密度较高且不会随时间而变化，槽 电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件的均 匀性好；
(缺点)劳动生产率低，设备和辅助用具维 修量大。
挂具的设计与加工非常重要。
2、滚镀
是电镀生产中的另一种常ຫໍສະໝຸດ Baidu方法。
7.1 电镀的基本原理与工艺
一、电镀的基本原理
电镀反应是一种典型的电解反应。 电镀层：电化学+金属学 电镀层的成分、组织结构和性能特殊。
(与电镀过程有关)
在一定的电流密度下，金属离子阴极还原时，其沉积（析出）电 位等于它的平衡电位与过电位之和。
ΔΦ：过电位
在电镀中，过电位主要由电化学极化和浓差极化产生的。 电化学极化现象：在相当低的电流密度下，阴极电位大幅度负移。 浓差极化现象：阴极电流密度提高，其电位基本不变；或阴极电
特点：
(优点)节省劳动力，提高生产效率，设 备维修费用少且占地面积小，镀件镀层 的均匀性好。
(缺点) 镀件不宜太大和太轻；单件电 流密度小，电流效率低，槽电压高，槽 液温升快，镀液带出量大。其使用范围 较小。
3、刷镀
（涂镀、局部镀、选择性电镀）
特点：
(优点)不需要电镀槽，具有设备简单、工艺灵便、沉积速度快、镀层与基体 材料的结合力好、镀后不需要机加工、对环境污染小、节水省电等。 (缺点)不适于面积大、尺寸大的零件修复，也不能用于大批量镀件的生产。
4、连续电镀
主要用于薄板、金属丝和带的电镀。 在工业上有着极其重要的地位。 特点：生产效率高、工艺要求高。
四、电镀的工艺过程
镀前处理： 抛光（打磨）、脱脂、除锈、活化等
电镀 镀后处理：
钝化、浸膜
五、影响镀层质量的因素
镀层质量：物理化学性能、表面特征及组织结构等。 镀层质量主要取决于镀层金属自身的性能，但与前处理工艺、镀液 的组成及电镀规范等直接有关。
竞争还原反应：能否还原沉积，还与氢离子等 在电极上的沉积电位有关。 （在中性溶液中需控制其pH值）
金属电沉积过程：
(1)液相传质步骤： 在形成浓度梯度后，络合（水合）离子发生电迁移、扩散、对流。
(2)电化学还原步骤： 前置转换(化学转换)：络合离子转变为参与电极反应的形式 电荷转移： Cu2++e=Cu+ ( 慢 ) Cu++e=Cu ( 快 )
(3)电结晶步骤：晶核的形成和生长(金属原子在阴极表面形成新相) (上述过程可因浓差极化和电化学极化而出现“控制步骤”)
络合：分子或者(阴)离子(配位体)与金属离子(中心离子)结合，形成很稳定 的新的离子的过程
中心离子：常见的为过渡元素的阳离子
配位体：分子(NH3、H2O等)或阴离子(如(CN)-、Cl- 、F-等) 配位数：直接同中心离子络合的配位体的数目，最常见的配位数是6和4
按镀层与基体金属的电化学活性：
(1)阳极性金属镀层：镀层的标准电极电位比基体金属低；对基体金属除提供机械 保护外，还提供电化学保护。
(2)阴极性镀层：镀层的标准电极电位比基体金属高；对基体金属仅起到机械保护 的作用。
镀层具备良好性能的基本条件：
1、与基体金属结合牢固，附着力好； 2、镀层完整，结晶细致，孔隙少； 3、镀层厚度分布均匀。
1、镀液
镀液可分为：简单盐镀液和络合物镀液。
电镀液过滤泵
络合物镀液阴极极化作用较大、分散能力也较好，所得镀层结晶细致紧 密、分布均匀。
导电盐：可提高镀液导电性，增加阴极极化，便于获得结晶细致的镀层。
添加剂：增大阴极极化作用、改善镀层的结晶状况和理化性能等。
(“过电位”=“过饱和度”，阴极极化→过电位→晶核生成速度→晶粒大小)
基体会影响电沉积过程：吸附原子在其表面扭折或台阶处形核，通过表 面扩散长大。
(阴极极化→过电位→吸附原子浓度→扩散速度→晶体的生长速度)
电镀初始阶段可能发生液相外延生长。
镀层的结晶形态：层状、块状、棱锥状等。
二、电镀溶液的基本组成
7 电镀和化学镀
教学目的和要求
学习电镀、化学镀的基本原理、工艺主要流程及 基本要求、重要特点及主要应用等。
重点：电镀、化学镀的基本原理、工艺主要流程、 重要特点及主要应用(重要单金属电镀层及化学镀镍 层的基本特性)等。
电解法炼镁的工艺流程图
生产1吨金属镁： 耗电17500度。 （日本：9500度）
络合物：络合过程的生成物，通常指含有络离子的化合物
水合离子：电解质溶液里，离子跟水分子结合生成的带电微粒，如 [Fe(H2O)6]2+、 [Mg(H2O)6]2+、 [Al(H2O)6]3+、 [Cu(H2O)4]2+、[Na(H2O)m]+ 和 [Cl(H2O)n]- 等
金属的电结晶过程与盐溶液中盐的结晶过程相似：形核－长大
应用：普遍用于填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀和孔洞、修复加工超差
和尺寸磨损以及局部性能的改善，尤其适合大型机械零件的不解体现场修 理或野外抢修。
纳米电刷镀的应用
空军某部将纳米电刷镀技术用于某型先进飞机发动机叶片 的修复与再制造，并已通过空军装备部组织的专家组鉴定。。
纳米电刷镀技术修复某型坦克零件
镀液由以下（部分）组分组成：
主盐(单盐、络合盐等) 能与析出的金属离子形成络盐的成分 提高镀液导电性的盐类 缓冲剂 助溶阴离子 添加剂
电镀的性能参数：
1、电流效率:实际析出的金属量与理论析出量的比。 2、分散能力：在特定条件下镀液使镀件表面镀层分布更 加均匀的能力。 (宏观) 3、整平能力：镀液所具有的能使镀层的轮廓比底层更平 滑的能力。(微观) 4、深镀能力(覆盖能力) ：形状复杂的零件电镀时，镀层 覆盖基体的程度。
镀层分类：
按镀层的性能：
(1)防护性镀层：在大气或其它环境下，可延缓基体金属发生腐蚀的镀层。 (2)防护装饰性镀层：在大气环境中，既可减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用 的镀层。 (3)功能性镀层：能明显改善基体金属的某些特性的镀层，包括耐磨镀层，导电镀 层，导磁镀层，钎焊性镀层，其它功能性镀层(吸热镀层、反光镀层、防渗镀层、抗 氧化镀层、耐酸镀层等)
……
三、电镀的实施方式
1、挂镀
是电镀生产中最常用的一种方式。
特点：
(优点)是适合于各类零件的电镀；电镀时 单件电流密度较高且不会随时间而变化，槽 电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件的均 匀性好；
(缺点)劳动生产率低，设备和辅助用具维 修量大。
挂具的设计与加工非常重要。
2、滚镀
是电镀生产中的另一种常ຫໍສະໝຸດ Baidu方法。
7.1 电镀的基本原理与工艺
一、电镀的基本原理
电镀反应是一种典型的电解反应。 电镀层：电化学+金属学 电镀层的成分、组织结构和性能特殊。
(与电镀过程有关)
在一定的电流密度下，金属离子阴极还原时，其沉积（析出）电 位等于它的平衡电位与过电位之和。
ΔΦ：过电位
在电镀中，过电位主要由电化学极化和浓差极化产生的。 电化学极化现象：在相当低的电流密度下，阴极电位大幅度负移。 浓差极化现象：阴极电流密度提高，其电位基本不变；或阴极电
特点：
(优点)节省劳动力，提高生产效率，设 备维修费用少且占地面积小，镀件镀层 的均匀性好。
(缺点) 镀件不宜太大和太轻；单件电 流密度小，电流效率低，槽电压高，槽 液温升快，镀液带出量大。其使用范围 较小。
3、刷镀
（涂镀、局部镀、选择性电镀）
特点：
(优点)不需要电镀槽，具有设备简单、工艺灵便、沉积速度快、镀层与基体 材料的结合力好、镀后不需要机加工、对环境污染小、节水省电等。 (缺点)不适于面积大、尺寸大的零件修复，也不能用于大批量镀件的生产。
4、连续电镀
主要用于薄板、金属丝和带的电镀。 在工业上有着极其重要的地位。 特点：生产效率高、工艺要求高。
四、电镀的工艺过程
镀前处理： 抛光（打磨）、脱脂、除锈、活化等
电镀 镀后处理：
钝化、浸膜
五、影响镀层质量的因素
镀层质量：物理化学性能、表面特征及组织结构等。 镀层质量主要取决于镀层金属自身的性能，但与前处理工艺、镀液 的组成及电镀规范等直接有关。