电镀及其发展

1、电镀技术及其开展1电镀的概念电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些金属外表上镀上一薄层其它金 属或合金的过程.从而起到预防腐蚀,提升耐磨性、导电性、反光性及增进美观 等作用.我国电镀历史悠久,19世纪后期从欧洲传入我国,到二十世纪八十年 代开展壮大.新时期绿色化学要求电镀走向低毒低污染低损耗.建设资源节约型环境友好型电镀工业是新时期电镀行业的开展方向也是走可持续开展的必然选 择.电镀是一种外表加工工艺,它是利用电化学方法将金属离子复原为金属,并沉积在金属或非金属制品的外表上,形成符合要求的平滑致密的金属覆盖层. 其实 质是给各种制品穿上一层金属“外衣,这层金属“外衣就叫做电

2、镀层,它的 性能在很大程度上取代了原来基体的性质1.随着科学技术与生产的开展,电 镀工业所涉及的领域越来越广,人们对镀层的要求也越来越高.目前,金属镀层 应用已普及经济活动的各个生产和研究部门,例如机械制造、电子、仪器仪表、 能源、化工、轻工交通运输等,在生产实践中有着重大意义202电镀的根本原理电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些金属外表上镀上一薄层其它金 属或合金的过程,是利用电解作用使金属或其它材料制件的外表附着一层金属膜 的工艺从而起到预防腐蚀,提升耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用.电 镀时,镀层金属做阳极,被氧化成阳离子进入电镀液；待镀的金属制品做阴极,

3、镀层金属的阳离子在金属外表被复原形成镀层.3为排除其它阳离子的干扰, 且使镀层均匀、牢固,需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液,以保持镀层金属阳离子的浓度不变.电镀的目的是在基材上镀上金属镀层,改变基材外表性质或尺寸电镀能增强金属的抗腐蚀性镀层金属多采用耐腐蚀的金属增加硬度、预防磨耗、提升导电性、润滑性、耐热性、和外表美观 40电镀是指借助外界直流电 的作用,在溶液中进行电解反响,使导电体,如金属的外表沉积单金属或合金层. 电镀工艺的原理以硫酸铜镀液作具体说明如下.硫酸铜镀液主要有硫酸铜、硫酸、水和其他添加剂.硫酸铜是铜离子的来源,它溶解于水中会离解出铜离子, 铜离子会在阴极(工件)复原(得电子

4、)沉积成金属铜.这个沉积过程会受镀液的状况,如铜离子浓度、酸碱度(PH值)、温度、搅拌情况、电流、添加剂等影响.阴极主要反响：Cu2+2e= Cu(s)电镀过程中,镀液中的铜离子浓度消耗而下降. 会影响沉积过程.针对这个问 题,可以采用两个方法解决：在镀液中添加硫酸铜；用铜作阴极.添加硫酸铜的 方法既要分析又要计算,比拟麻烦.用钢作阳极那么比拟简单.阳极的作用主要是 作导体,将电路回路接通.但铜作阳极还有另一功能,是被氧化(失电子)溶解成铜离子,补充铜离子的消耗.阳极主要反响：Cu(s)=Cu2+(aq)+2 e由于镀液中含有水,也会发生电解产生氢气(在阴极)和氧气(在阳极)的副反 应.阴极副

5、反响：H+(aq)+ 2e H2阳极副反响：2H20(1) + O2(s)+4H+=4OH-反响完成后,工件的外表上覆盖了一层金属铜,这就是典型的镀铜机理.3电镀镀层的分类及作用目前应用在生产上的电镀镀层,单金属镀层有铜、锲、铭、鸨、金、银、镉、 锡和铁等十多种.合金镀层有二元合金和三元合金两种.二元合金有铜锌合金、 铜锡合金、锲铁合金、锲钻合金等；三元合金有锌锲铁合金、锌锡钻合金、铜锌 镣合金等几十种.电镀镀层按其作用可分为以下几类5,2.1 防蚀镀层,主要预防金属腐蚀,如镀锌、镀镉等.2.2 防护装饰性镀层：对零件不仅有一定的防蚀作用,而且能使其外表更加 美观,如镀铜一锲一铭、镀铜锡一铭、

6、镀黄铜、镀金等.2.3 耐磨镀层,主要增加零件外表的耐磨性,从而延长其使用寿命,如镀硬 铭、镀锲一碳化硅等.2.4 修复镇平用于修复磨损零件如轴、轧辗等,使之局部或整体加厚,加 工后恢复原有使用性能,如镀铭.2.5 特殊要求的电镀镀层2.5.1 防扩散镀层：某些机械零件在加工过程中需要渗碳对水需要隔离的部 位要镀防扩散镀层.例如,预防渗碳要镀铜2.5.2 导电性镀层：在无线电和电子技术中,大量使用提升外表导电性能的 镀层.用于一定条件使用的有镀锡、镀银等；同时要求耐磨的有镀银睇合金、镀 金合金、镀金钻合金等.2.5.3 磁性镀层：在录音机和电子计算机等设备存储系统中使用的磁性材料, 其中一局部

7、需要用电镀来实现.还可以根据要求改变电镀工艺参数致使镀层的磁 性能参数适合需要,如镀银钻合金、镀镣铁合金等.2.5.4 高温抗氧化镀层：尖端技术中,为了预防零件在高温下氧化受损可镀 高温抗氧化镀层；例如,喷气发动机转子,可镀铭合金；在特殊条件下,可镀柏 铭合金等.2.5.5 耐酸镀层,工零部件为反抗硫酸或铭酸的腐蚀可镀铭等.2.5.6 反光镀层：为增加零件外表反光性能,可镀银、铭等.2.5.7 消光钱层：在光学仪器或电子仪器中,为预防反光,可镶黑馅、黑馆 等.4电镀工业的开展史从狭义上来讲 电镀源于电的发现.从1792年加尔瓦尼发现了动物电流到1800 年伏特创造了电池组,1805年Bruga

8、telly利用电池组成功地将金镀到银上,两位 埃尔金顿获得了第一个电镀专利.随着电化学科学的成熟,具与电镀过程的关系 渐渐被人们理解,其他类型的非装饰金属电镀工艺被开发出来.电镀是对基体表面进行装饰、防护以及获得某些持殊性能的一种外表工程技术.最早公布的关于电镀的文献是1800年由意大利Brug-natelli教授提出的镀银工艺, 1805年他又提出了镀金工艺.至ij 1840年,英国Elkington申请了氟化镀银的第 一个专利,并于工业生产,这是电镀工业的开始他提出的镀银电解液一直沿用至 今.向年,Jaohi获得了从酸性溶液中电镀钢的第一个专利.1843年,酸性硫酸 铜镀铜用于工业生产.1

9、915年实现了在钢铁外表而酸性硫酸盐镀铜,1917年tnr 提出了氟化物镀锌1923-1924午C. C. Pi ML和GH. ErRc提出了镀铭的工业 方法,从而使电镀逐步开展成为完整的电化学工程体系.电镀合金开始十19世纪40午代的铜锌合金黄铜和贵金届合金电镀.由于合金镀层具有比单金属 镀层更优越的性能,人们对合金电沉积的研究也越来越至视,已由最初的获得装饰性为白的合金镀层开展到装饰性、防护性及功能件相结合的新合金镀层的研究 上.电沉积能得到的合金镀居大约有 250多种,但用于生产的仅有30余种.具代表性的镀层：CuZn、CuSn、NiCo、PbSn、SnNi、Cd Ti、ZnSn、Ni

10、Fe、Au Co、PbSnCu、随着科学技术和 工业的迅速开展.人们对自身的生存环境提出了更高的要求.1989年联合国环境规划署工业与环境规划中央提出了 “清洁生产的概念,电镀作为一种重污染 行业,急需此变落后的工艺,采用符合“清洁生产的新工艺.美国学者J. B. K Mskncr提以了逆流清洗技术,大大节约了水资源,受到了各国电镀界环境保护 界的普遍重视.在电镀生产中研发各种低毒、无毒的电镀工艺,如无氟电镀、代 六价铭电镀、代镉电镀、无氟及无铅电镀,从源头上削减了污染严重的电镀工艺. 达克罗DacromM与交美特技术GeoMt作为外表防腐的新技术在代替电镀锌、 热镀锌等方面得到了应用,在实现

11、对钢铁基体保护作用的同时,减少了电镀过程 中产生的酸、碱、锌、熔等重金属废水及各种废水的排放 6.我国电镀工业的开展是在新中国成立以后,随着大规模经济建设的开展, 机器制造业迅速开展起来,大型的汽车和拖拉机制造厂、飞机制造厂、电子工厂 以及仪器仪表工厂等的相继建立. 一些老企业也得到了扩大改造.在所有新建和 改建的机器制造企业小,大都有电镀车间投人生产,为电镀工业在我国的开展提 供了物质根底.随着国家的改革开放,科学技术的进步,近二十年来我国的电镀 工业又有了新的开展.首先,根据生产中提出的各种各样的要求, 镀层的品种在不断增加.在一般生 产中,用作镀层的单金属不过二十几种, 加上使用过和研究

12、过的合金镀层, 可达 到数百种.如果再把不溶于水的固体微粒与合同共沉积而形成的复合镀层计算进 去,那么可镀的品种将进一步增加.其次,随着科学技术的开展,需要在其上镀覆金属层的基体材料品种也越 来越多.除了通常在钢铁和铜等基体材料上电镀外,还实现了在轻金属铝、镁及其合金及锌基合金压铸件上的电镀.而且还开展在非金属材料上的电镀,除 了常见的在塑料上的电镀外,还可以将金届层镀在玻璃、陶瓷、石膏以及纤维等 上面.止匕外,在广阔电镀科技工作者的努力下,电镀工艺方面也有非常大的改良. 电镀添加剂的开发,对电镀工艺的开展起着非常重要的作用. 向镀液小参加具有 光亮、润湿、整平、导电、缓冲等作用的各种添加剂,

13、对改善镀液性能和镀层质量可产生重要的影响70持别是通过光亮剂的作用,可在镀槽小直接获得光亮 镀层光亮锲、光亮铜等,省掉了抛光工序,不仅能够提升产品质量,还可节约 贵重金属材料、棉布、动力及劳力,改善工人的劳动条件,提升劳动生产效率, 并有利于实现牛产自动化.为了解决环境污染问题,近年来向镀液无毒和低毒化 方面的开展中,也取得了相当大的成绩,一些新的工艺配方已投入使用. 对高速 电镀脉冲电镀等新工艺的开发,也取得了可喜的成果.在高速流动的电解液小, 缩小两极间的距离,有可能使金属的沉积速度提升几十倍或成百倍,这就是高速电镀.高速电镀对于一些特殊的镀件,例如金属线材或带材,有着突出的优越性. 有时

14、在镀液流速并非特别快的条件下, 虽然够不上高速电镀,但也能使电镀速度 提升好几倍,同样有很大的实际意义. 脉冲电镀是使用能产生脉冲电流的电源, 在一定频率和一定宽度的脉冲电流下进行电镀. 与一般直流电镀相比.脉冲电镀 可明显提升镀层质量.例如,可降低镀层的孔隙率.提升镀层与基体的结合力, 改善镀层在基体外表上的分布状况,提升镀层的耐磨性和其他一些物理机械性能 等.当前脉冲电镀主要用于贵金属电镀特别镀金,可以改善镀层性能.减薄镀 层的厚度,到达节约贵重金属材料的目的.止匕外,脉冲阳极氧化也已进入生产实 用阶段.近年来,电镀生产设备方面的革新速度相当快, 简单的手工操作迅速地 开展到机械化,并形成

15、了各式各样的电镀生产自动线. 已经在生产中使用.另外, 一些辅助性设备.如过滤机、无油空气压缩机、添加剂自动加料机、清洗机及干 燥机等也都有不小的开展和变化.通常所说的电镀,都是在水溶液中进行的.但是,为了使那些在水溶液中 不可能沉积的轻活泼金属如铝、镁、钱等能够形成镀层,也在探索着在非水电 解质中电镀的途径,如从 A1C13 LiH4 '一二乙醴电解质中电镀铝.总之,尽管电镀工业已经开展了一百六十多年, 但它依然生气勃勃,有关金属电沉积的新 事物不断出现.5电镀技术目前在国内开展现状我国是一个电镀大国,电镀行业作为我国重要的加工行业之一,对经济社 会及整个工业体系的快速开展起着非常关

16、键的作用.旧中国的电镀工业,可以说是一个空白.只是在上海、天津等少数几个沿海城市有一些小的电镀作坊,也多是外国资本家限制.而且技术保密、生产落后、工人的劳动条件恶劣,仅能为一些日用小商品的生产效劳8-9新中国成立后,随着大规模经济建设的开展,及其制造业迅速开展起来, 大型的汽车和拖拉机制造厂、飞机制造厂、电子工厂以及仪器仪表工厂等的相继 成立,一些老企业也得到了扩大改造. 在所有新建和改建的机器制造企业中, 大 都有电镀车间投入生产,为电镀工业在我国的开展提供了物质根底. 改革开放以 来,电镀工业也进入快速开展时期.首先,根据生产中提出的各种各样的要求, 镀层的品种在不断增加.有了合金镀层和复

17、合镀层,可镀的产品进一步剧增.其次,随着科学技术的开展,需要在其上镀覆金属层的基体材料品种也越 来越多.处理通常在钢铁和铜等基体材料上电镀外, 还实现了在轻金属及锌基合 金压铸件上的电镀.还开展了在非金属材料上的电镀,除了常见的在塑料上的电 镀外,还可以将金属层镀在玻璃、陶瓷、石膏以及纤维等上面10.止匕外,在广阔电镀科技工作者的努力下,电镀工艺方面也有非常大的变化. 电镀添加剂的开发,对电镀工艺的开展起着非常重要的作用.向镀液中参加具有光亮、湿润、整平、导电、缓冲等作用的各种添加剂,对改善镀液性能和镀层质 量可产生重要影响.为解决环境污染问题,近年来向镀液无毒和低毒化方面的发 展中,也取得了

18、相当大的成绩,一些新的工艺配方已投入使用.对高速电镀与脉 冲电镀等新工艺的开发取得了可喜的成果近些年来,由于电镀行业积极推动清洁生产和环境保护,电镀技术和添加剂不断创新,我国的电镀工艺已到达国际先进 水平,我国已经能制造计算机限制全自动电镀生产线, 我国已经能制造国际先进 的电镀废水、废气处理装置.近一个时期,电镀生产设备方面的革新速度相当快,已由简单的手工操作 迅速地开展到机械化,并形成了各式各样的电镀生产自动线. 对一些工艺参数采 用微机限制的电镀生产线也已经在生产中使用. 另外,一些辅助设备,如过滤机、 无油空气压缩机、添加剂自动加料机、清洗机及枯燥机等也都有新的开展和变化 11.现在在

19、探索着非水电解质中电镀的途径. 例如,从AlCl 3-LiAlH 4-二乙醴电 解质中可以电解铝.离子液体由于电化学窗口宽正在被研究应用于电镀中. 半个 世纪以来,世界机械与电子工业的开展极大地促进了电镀技术的进步, 特别是近 20余年来,在电镀过程中引进诸多物理因素,如磁、声、光、热、电流波形及频率、溶液流速和机械发动等.使镀层质量和电镀效率有广明显提升. 国际上研 究比拟活泼的脉冲电镀、高速电镀和复合电镀等,在国内已得到成功应用.利用 震动方式进行化学处理,也己广为人知,震动电镀从 20世纪80年代研究至今,也已进人实用阶段.它是一种很有前途的电镀新技术, 必将取代一 局部滚镀工艺.激光技

20、术的应用在微电子领域开拓了新工艺研究前景.工业的发展不断地对新材料提出要求,电镀技术也由原来进行防护装饰和功能性镀层加工 跨入了新材料制造领域.利用电解方法连续生产各种金属箔材、复合材料和各种 泡沫金属材料等,已经得到了广泛的应用.所有这些变化,随着我国改革开放的 逐步深人,使得我国电镀行业的产业结构和布局也出现大变革和大调整的局面, 调整的主要原因有以下几个方面.2.5.8 整个社会产业结构的调整.需要电镀的产品或零部件也应调整,致使有些电镀厂生产业务严重缺乏.从而出现了优胜劣汰的现象.(2)行业调整,企业重组.当今国际市场正向大集团规模开展,我国一些企 业通过资产重组,走集团化联合开展的道

21、路,变电镀厂为电镀分厂或电镀 车间,有利于实现规模效益.(3)这几年,出现了电镀厂点向郊区转移的趋向,这种带战略性的转移也 是城市开展的规律.总之,我国电镀行业通过专业化调整和改组, 缩短了与国外 先进国家之间的差距,但仍存在一定问题.6电镀技术在国外开展现状第一研发在前.所有新技术都是根据其他产品、其他行业的走向,提前研发, 而不是等问题出现以后再进行研发寻找解决方法.比方计算机行业开展迅速,里 面线路板,都涉及到镀层处理.这里就需要线路板、元器件产品的电镀技术研发 在前12.第二是机制和体制,如果国家、政府、研究所、大企业都重视投入新技术, 那么对于新技术推广应用就会有很大帮助.如果是单一

22、机构研发就存在这样、那 样的问题和困难.像欧洲、美国、日本这些国家,这一点做比拟好.研究单位, 政府,以及工厂很好的结合在一起,用良好的机制解决新技术的研发应用问题.第三,专门化的队伍,研发的产品一旦进入实践阶段就有专业公司产品进行13配套.这种机制保证了整个外表处理技术开展比我国要快、要先进锲铁合金电镀的国外开展状况双层锲铁合金电镀的发现.在长期的、大量的、各种镀层体系的大气暴露实 验中,乐思公司发现：含铁12%左右的合金镀层没有出现泛点现象, 开发出双层 合金电镀工艺,并提出在一只槽内镀出双层合金.可节约锲,又可预防泛点.该 工艺定位该公司专利.双层锲-微孔铭的开展.发现锲铁合金上加镀一层

23、锲封,再镀一层能形成微 孔的铭层,可抑制泛点,并提升防锈性能.从而开展出一种双层锲-微孔铭体系,国外最有代表性的锲铁公司有安美特公司和 OXY公司.7电镀工业开展趋势装饰性和功能性电镀工艺技术将不断开展.我国随着汽车、电子、家用电器、 航空、航天工业、建筑工业及相应的装饰工业的开展和人们对美化生活需求的提 高,对电镀产品的装饰性和功能性的需求将有明显的增加.电镀由单层电镀向多 层电镀转化,镀层由一种材料向复合材料转化,局部工艺干法镀将代替湿法镀其 中真空离子镀将应用于生产.某些传统装饰性电镀可能被喷涂、物理气相沉积等 取代,功能性电镀产品需求那么有上升的趋势14 o某些污染严重的电镀工艺,可能

24、被清洁的电镀工业所取代,如无氟电镀、三 价铭镀铭、代镉、代铭镀层将有上升的趋势.某些性能好、无污染的外表工程的 高新技术将会进入我国市场,如达克罗涂层 ,克罗赛工艺等.总之我国电镀行业 将由产业密集型转向科技密集型行业, 将走向资源节约型环境友好型行业, 才是 走可持续开展的必经之路,是行业开展的重要保证 15.为了减轻电镀对环境产 生的影响,同时获得高性能的电镀层.电镀技术的研究者在不断努力开发新的切 实可行的电镀工艺技术.当前,电镀正在由单金属电镀向合金电镀方面、由高能耗向低能耗方面转移,主要表现在以下几个方面：(1)采用无毒或低毒的合金镀层代替有毒的中金属镀层, 如利用锌与铁族元素 形成

25、的合金镀目的优异防护性能代替镀镉层,已在航空航天、汽车等行业获得广泛应用.(2)采用有害物排放少的合金镀层代替单金属镀层,如利用锲-鸨等合金镀层 的高硬度代替工程镀铭；利用Sn-Co、SnNi、Sn-NiCu合金的装饰 性防护代替装饰镀铭(3)采用无毒或低毒易处理的工艺材料取代剧毒的工艺材料,如开发的无氟电 镀工艺、无铭化合物钝化处理等(4)利用合金镀层代替贵金属镀层,已减少资源的浪费,在装饰性电镀中取代 镀金,利用锡合金镀层的可焊性和导电性代替镀银等.(5)利用干法镀取代湿法镀.如用真空离子镀代替电镀.参考文献1马捷.危机形势下中国电镀行业的出路与开展J.电镀与涂饰,2021,07:1-3.2林金堵,吴梅珠.PCB电镀铜技术与开展J.印制电路信息,2021,12:27-32.3陈万鹏.浅谈电镀行业的清洁生产与可持续开展J.资源节约与环保,2021,02:62-63.4 S.A. Abdel. Gawad1,* A.M.