电镀基本原理与概念课件

1、第二章 電鍍基本原理與概念 2.1 電鍍之定義 2.2 電鍍之目的 2.3 各種鍍金的方法 2.4 電鍍的基本知識 2.5 電鍍基礎 2.6 有關之計算及化學冶金第1页，共55页。2.1 電鍍之定義 電鍍(electroplating)被定義為一種電沈積過程(electrodepos- ition process)， 是利用 電極(electrode)通過電流，使金屬附著於 物體表面上， 其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。第2页，共55页。2.2 電鍍之目的 電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層(deposit)，改變基材表面性質或尺寸。例如賦予金屬光澤美觀、物品的防鏽、防止磨耗、提高 導電度、

2、潤滑性、強度、耐熱性、耐 候性、熱處理之防止滲碳、氮化 、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補。 第3页，共55页。2.3 各種鍍金的方法 電鍍法(electroplating) 無電鍍法(electroless plating)熱浸法(hot dip plating) 熔射噴鍍法(spray plating)塑膠電鍍(plastic plating) 浸漬電鍍(immersion plating)滲透鍍金(diffusion plating) 陰極濺鍍(cathode supptering)真空蒸著鍍金(vacuum plating) 合金電鍍 (alloy plating)複合電鍍 (composi

3、te plating 局部電鍍 (selective plating)穿孔電鍍 (through-hole plating)筆電鍍(pen plating)電鑄 (electroforming)第4页，共55页。2.4 電鍍的基本知識 電鍍大部份在液體 (solution) 下進行，又絕大部份是由水溶 液 (aqueous solution) 中電鍍，約有 30 種的金屬可由水溶液進行電鍍, 由水溶液電鍍的金屬有：銅Cu、鎳Ni、鉻Cr、鋅Zn.有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀.可油水溶液及非水溶液電鍍者有銅、銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、 鎳等金屬。 第5页，共55页。電鍍的基本知識包括下列

4、幾項： 溶液性質物質反應電化學化學式界面物理化學材料性質第6页，共55页。溶液(solution) 被溶解之物質稱之為溶質(solute)，使溶質溶解之液體稱之溶 劑(solute)。溶劑為水之溶液稱之水溶液(aqueous solution)。 溶液之濃度，在工廠及作業現場，使用易了解及便利的重量百分率濃度(weight percentage)。 另外常用的莫耳濃度(molal concentration)。 第7页，共55页。物質反應(reaction of matter)在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、乾燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份了解在處裡過程中各

5、種物理及化學反應及其相互間關係與影響。 第8页，共55页。電化學(electrochemistry) 電鍍是一種電沉積( electrodeposition )過程,利用電解體在電極(electrode)沉積金屬,它是屬於電化學之應用的一支。電化學 是研究有關電能與化 學能交互變化作用及轉換過程。 電解質(electrolyte)就是其溶液具有電解性質之溶液 (electrolytic solution)它含有部份之離子(ions),經由此等離子之移動 (movement)而能導電。帶陰電荷朝向陽極(anode)移動稱之為陰離子(anion),帶正電荷朝向陰極(cathode)移動(migra

6、te)者稱之為陰離子 cations)。電極:放出電子產生氧化反應之電極稱之為陽極(anode),得到電子產生還元化應 之電極稱之為陰極(cathode)。整個反應過程稱之為電解(electrolysis)。 第9页，共55页。電極電位(electrode potentials) 電位(electrode potential)為在電解池(electrolytic)中之導電體,電流經由它流入或流出。電極電位(electrode potential)是電極與電解液之間的電動勢差, 單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極(standard electrode)。氫標準電極(hydrogen stan

7、dard electrode)以其為基準電位為0 第10页，共55页。電極電位之大小可由Nernst equation表示之: E=E0+RT/nF ln aMn+/aM E=電極電位 E0=電極標準狀態電位(volt) R=氣體常數(8.3143 J.K-1MOL-1) T=絕對零度( K) n=原子價之改變數(電子移轉之數) aMn+=金屬離子之活度(activity),若極稀薄之溶液,其活度就等於金屬 離子 之濃度(concentration)C。一般則活度為濃度乘上活度係數,即a = r *c。金屬電極之活度,若為純金屬即為1 。 F為法拉第常數 第11页，共55页。標準電極電位(st

8、andard electrode potential) 標準電極電位(standard electrode potential)是指金屬電極之活度為 1(純金屬)及在金屬離子活度為1時之電極電位。 即 E=E0 E=E0+RT/nF ln 1/1 =E0+0= E0 第12页，共55页。氫之標準電位在任何溫度下都定為0,做為其他電極之參考電極 (REFERENCE ELECTRODE),以氫標準電極為基準0各種金屬之標準電位見表排列在前頭之金屬如Li較易 失去電子,易被氧化,易溶解,易腐蝕,稱之為濺金屬或 金屬(basic metal)。相反如Au金屬不易失去電子.不易氧化.不易溶解.容易被還

9、元稱之為貴金屬(noble metal)。 第13页，共55页。電極 電位 電極 電位 Li+ -3.045 Co+2 -0.277 Rb+ -2.93 Ni+2 -0.250 K+ -2.924 Sn+2 -0.136 Ba+2 -2.90 Pb+2 -0.126 Sr+2 -2.90 Fe+3 -0.04 Ca+2 -2.87 H+ 0.000 Na+ -2.715 Sb+3 +0.15 Mg+2 -2.37 Bi+3 +0.20 Al+3 -1.67 As+3 +0.30 Mn+2 -1.18 Cu+2 +0.34 Zn+2 -0.762 O2 +0.40 Cr+3 -0.74Cu+ +

10、0.52 Cr+2 -0.56 Hg2+2 +0.789 Fe+2 -0.441 Ag+ +0.799 第14页，共55页。Nernst 電位學說 金屬含有該金屬離子之溶液相接觸,則在金屬與溶液界面,會產生電荷移動現象,此等電荷之移動,仍是由於金屬與溶液的界面有電位勢之差別稱之為電位差所引起,此現象 設驅使金屬失去電子變為陽離子溶入溶液中之電離溶解液解壓 (electrolatic solution pressure)為p而使溶液中的陽離子得到電子 還元成金屬滲透壓(osmotic pressure)為p,則有三種情況發生: 第15页，共55页。(1) PP時,金屬被氧化,失去電子,溶解成金屬

11、離子於溶液中,因此 金屬電極本體接收電子而帶負電。 (2) PP時,金屬陽離子得到電子被還元沉積於金屬電極表面上, 金屬電極本身供給電子,因此金屬電極帶正電 (3) P=P時,沒有產生任何變化 第16页，共55页。設金屬與溶液的界面所形成的電極電位為E,當1 mole金屬溶入於溶液中,則界面所通過的電量為nF , n為金屬陽離子之價數,即電子之轉移數,F為法拉第常數,此時所作功等於nFE,也等於下式: E=RT/nF ln P/P 即金屬陽離子之活度(activity)為 aMn+活度係數為K,則P=KaMn+於是E= - RT/nF ln p/KaMn+ E在標準狀態時,即aMn+=1稱為標

12、準電極電位E ,即 E0=- RT/ nF ln P/K + RT/nF ln 1=-RT/nF ln P/R 第17页，共55页。非純金屬電位則為: E=E0+RT/Nf ln aMn+ / aM 式中為aM為不純金屬之活度第18页，共55页。電極電位在熱力學的表示法 電極反應是由氧化反應及還原反應所組成. 例如Cu Cu+2e- 還原狀態 氧化狀態 可用下列二式表示之 : Cu(R) Cu+2e-氧化反應 Cu Cu+2e- 還原反應E=E0-RT/F ln aCu+/aCu 第19页，共55页。界面電性二重層 在金屬與溶液的界面處帶電粒子與表面電荷形成的吸附層，偶極子的排列層以及擴散層等

13、三層所組合的區域稱之為界面電性二重層。 第20页，共55页。液間電位差（liquid junction potential） 又稱之為擴散電位差(diffusion potential)，係由陰離子與陽 離子之移動度不同而形成之電位差，通常溶液之濃度差愈大 ，陰陽離子移動度差愈大，則液間電位差愈大。 第21页，共55页。過電壓（overvoltage) 當電流通過時，由於電極的溶解、離子化、放電、及擴 散等過程中有一些阻礙，必須加額外的電壓來克服，這些 阻礙使電流通過，這種額外電壓消除阻礙者稱之為過電壓。此種現象稱之為極化(polarization)。此時陰極、陽極實際電位與平衡電位之差即為陰

14、極過電壓、陽極過電壓。氫過電壓（hydrogen overvoltage），在酸性水溶液中陰極反應產生H2氣體，此額外之電壓稱氫過電壓，即H2=Ei-Eeq 式中H2=氫過電壓, Ei=實際電壓,Eeq=平衡電壓 在電鍍時由於氫過電壓的原因使氫氣較少產生，而使許多金屬可以在水溶液中電鍍。例如鋅、鎳、鉻。 第22页，共55页。過電壓可分下列四種： 1.活化能過電壓（activiation overvoltage） 2.濃度過電壓（concentration overvoltage） 3.溶液電阻過電壓（solution resistance overvoltage） 4.電極鈍態膜過電壓（pas

15、sivity overvoltage） 第23页，共55页。活化能過電壓 任何反應，不論吸熱或放熱反應皆有最低能障需克服 ，此能障稱為活化能，在電解反應需要額外電壓來克服活化能阻礙，此額外電壓之活化能過電壓，可用Tafel公式表示： act=a+b log i b為係數，i為電流， act為活化能過電壓其電流i愈大 act愈大，電鍍中 act佔很小一部份，幾乎可以忽略，除非電流密度很大。第24页，共55页。濃度過電壓（ 當電流變大，電極表面附近反應物質的補充速度及反應生成物 逸散之速度不夠快，必須加上額外之電壓，以消除此阻礙，此額外 電壓稱濃度過電壓。在電鍍時可增加溫度即增加擴散速率，增加濃度

16、，攪拌或陰極移動可減少濃度過電壓，電流密度因而提高，電鍍的速率也可增加。 第25页，共55页。溶液電阻過電壓 溶液的電阻產生IR電壓降，所以需要額外的電壓IR來克服此電阻使電流通過，此額外電壓IR稱之溶液電阻過電壓。在電鍍時可增加溶液導電度，提高溫度以減少此電阻過電壓，有時此IR形成熱量太多會使鍍液溫度一直上升，造成鍍液蒸發損失需冷卻或補充液。 第26页，共55页。電極鈍態膜過電壓 電解過程，在電極表面會形成一層鈍態膜，如A1的氧化物膜，錯離子形成之阻力膜，此等膜具有電阻需要額外電壓加以克服，此種額外電壓稱之為鈍態膜過電壓。 第27页，共55页。界面物理化學 表面處理過程中，金屬會與水或液體接

17、觸，例如水洗、 酸浸、電鍍、塗裝、琺瑯等。要使金屬與液體作用，需金屬表面完全浸濕接觸，若不能完全接觸，則表面處理將不 完全，無法達到表面處理的目的。所以金屬與液體接觸以介面物理化學性質對表面處理有十分重要的意義。 第28页，共55页。表面張力及界面張力 液體表面的分子在表面上方沒有引力，處於不安定狀態稱之自由表面，故具有力，此力稱之為表面張力。液 體之表面張力大小因液體的種類和溫度而異，溫度愈高表面張力愈小，到沸點時因表面分子氣化自由表面消失，故張力變為零。液體和固體與別的液體交接的面也有如表 面張力之作用力，稱之界面張力。 第29页，共55页。界面活性劑 溶液中加入某種物質，能使其表回張力立

18、即減小，具 有此種性質的物質稱之為界面活性劑。表面處理過程如 洗淨、脫脂、酸洗等界面活性劑被廣泛應用對表面處理之光澤化、平滑化，均一化都有相當幫助。 第30页，共55页。材料性質 表面處理工作人員必須對材料特性充份了解，表面處 理的材料大多是金屬，所以首先要知道各種金屬的一般 性質。例如色澤、比重、比熱、溶點、降伏點、抗拉強度、延展性、硬度、導電度等。 第31页，共55页。電鍍基礎 電鍍的基本構成元素及工場設備電鍍使用之電流 電鍍溶液金屬陽極與金屬陰極 陽極袋電鍍架 電鍍前的處理電鍍工場設備 電鍍控制條件及影響因素鍍浴淨化 鍍層要求項目鍍層缺陷 電鍍技藝金屬腐蝕第32页，共55页。電鍍的基本構

19、成元素 外部電路，包含有交流電源、整流器、導線 、可變電阻、電流計、電壓計。陰極、或鍍件(work)、掛具(rack)。 陽極(anode)。 電鍍液(bath solution)。 鍍槽( plating tank )加熱或是冷卻器(heating or colling coil )。 攪拌系統 第33页，共55页。電鍍工場設備 防酸之地板及水溝。 電鍍糟及預備糟。 攪拌器。整流器或發電機。 導電棒、陽極棒、陰極棒、掛具。 安培表、伏特表、安培小時表、電阻表。泵、過濾器及橡皮管。 電鍍槽用之蒸氣、電器或瓦斯之加熱設備。 檢驗、包裝、輸送工件等各項設備、儀器。 通風, 排水及排氣設備。 第34

20、页，共55页。電鍍使用之電流 在電鍍中，一般都僅使用直流電流。交流電流因在反向電流時金屬沈積又再被溶解所以交流電流無法電沈積金屬。直流電源是用直流發電機或交流電源經整流器產生。直流電流是電子向一個方向流通，所以可以電沈積金屬。但在有些特殊情況會使用交流電流或其他種特殊電流，用來改 善陽極溶解消除鈍態膜、鍍層光層、降低鍍層內應力、鍍層分佈、或是用於電解清洗等。 第35页，共55页。電鍍溶液，又稱鍍浴（plating bath） 電鍍溶液是一種含有金屬鹽及其他化學物之導電溶液，用來電沈積金屬。其主要類別可分酸性、中性及鹹性電鍍溶液。強酸鍍浴是pH值低於的溶液，通常是金屬鹽加酸之溶液，例如硫酸銅溶液

21、。弱酸 鍍浴是pH值在25.5之間鍍浴，例如鎳鍍浴。鹹性鍍浴其pH值超過之溶液，例如氰化物鍍浴、錫酸鹽之錫鍍浴及各種焦磷酸鹽鍍浴。 第36页，共55页。鍍浴的成份及其功能 金屬鹽：提供金屬離子之來源如硫酸銅。 可分單鹽、鹽，及錯鹽。 例如：單鹽：CuSO4；NiSO4導電鹽：提供導電度，如硫酸鹽、氯鹽， 可降低能量花費、鍍液熱蒸發損 失，尤其是滾桶電鍍更需優良導 電溶液。 第37页，共55页。鍍浴的成份及其功能陽極溶解助劑:陽極有時會形成鈍態膜，不易補充金屬離，則需加陽極溶解助劑。例如鍍鎳時加氯鹽。 緩衝劑:電鍍條件通常有一定pH值範圍，防止pH值變動加緩衝劑，尤其是中性鍍浴(pH58)，pH

22、值控制更為重要。 錯合劑:很多情況，錯鹽的鍍層比單鹽的鍍層優良，防止置換沈積，如鐵上鍍銅，則需用錯合劑，或是合 金電鍍用錯合劑使不同之合金屬電位拉近才能同時沈積得到合金鍍層。 安定劑:鍍浴有些會因某些作用，產生金屬鹽沈澱，鍍浴壽命減短，為使鍍浴安定所加之藥品稱之為安定劑。 鍍層性質改良添加劑:例如小孔防止劑、硬度調節劑、澤劑等改變鍍層的物理化學特性之添加劑。 潤濕劑(wetting agent) :一般為界面活性劑又稱去孔劑。 第38页，共55页。鍍浴的準備 將所需的電鍍化學品放入在預備糟內與水溶解。去除雜質。用過濾器清除浮懸固體，倒入一個清潔電鍍槽內。鍍浴調整，如pH值、溫度、表面張力、光澤

23、劑等。用低電流電解法去除雜質。 第39页，共55页。鍍浴的維持 定期的或經常的分析鍍浴成份，用化學分析法或Hull試驗(Hull cell test)。維持鍍浴在操作範圍成份，添加各種藥品。去除鍍浴可能被污染的來源。定期淨化鍍液，去除累積雜質。用低電流密度電解法間歇的或連續的減低無機物污染。間歇或連續的過濾鍍浴浮懸雜質。經常檢查鍍件、查看缺點。 第40页，共55页。金屬陽極 金屬陽極分為溶解性及不溶解性陽極，溶解性陽極用於電鍍上是為補充溶液中電鍍所消耗的金屬離子，是用一種金屬或合金鑄成、滾成、或沖製成不同形狀裝入陽極籃(anode basket)內。 不溶解陽極用來做傳導電流，鍍浴金屬離子需用

24、金屬鹽來補充，不溶解陽極有二個條件，一 是良好的導電體，二是不受鍍液之化學作用污染鍍浴及不受 侵蝕。 第41页，共55页。陽極袋（anode bag） 陽極袋是一種有多細孔薄膜袋子，用來收集陽極不溶解金屬與雜質陽極泥，以防止污染鍍浴，阻止粗糙鍍層發生。陽極袋是用編織布縫成陽極形狀寬大適中，長度要比陽極稍長，材料需紮得緊，足夠收集陽極泥，不妨礙鍍浴流通，將陽極袋包住陽極並縛在陽極掛鉤上。 第42页，共55页。金屬陰極 金屬陰極是鍍浴中的負電極，金屬離子還元成金屬形成鍍層及其他的還元反應，如氫氣之形成於金屬陰極上。準備鍍件做 電鍍需做下面各種步驟：研磨、拋光、電解研磨、洗淨、除銹等。 第43页，共

25、55页。電鍍之前處理 電鍍前之處理，稱之前處理(pretreatment)，包括下列過程： 1.洗淨：去除金屬表面之油質、脂肪、研磨劑，及污泥。可用 噴射洗淨、溶劑洗淨、浸沒洗淨或電解洗淨。 2.清洗：用冷或熱水洗淨過程之殘留洗淨劑或污物。 3.酸浸：去除銹垢或其他氧化物膜，要注意防止基材被腐蝕或產生氫脆。可加抑制劑以避免過度酸浸。酸浸完後要充份清洗。 4.活化：促進鍍層附著性，可用各種酸溶液使金屬表面活化。 5.漂清：電鍍前立刻去除酸膜，然後電鍍。 第44页，共55页。電鍍掛架（rack） 電鍍掛架是用在吊掛鍍件及導引電流之掛架，其主要部份有：1.鉤，使電流接觸導電棒。2.脊骨，支持鍍件並傳

26、導電流。3.舌尖，使電流接觸鍍件。4.掛架塗層，絕緣架框部份，限制及導引電流通向鍍件。 其決定尺寸的條件有1.鍍件重量，2.電鍍的面積，3.每個掛架之鍍件數，4.鍍槽的尺寸，5.電鍍操作所需之最大電流， 6.鍍架上之附屬設備如絕緣罩或輔助電極，7.鍍件及掛架最大重量。第45页，共55页。電鍍掛架（rack）電鍍掛架基本型式有:1.直脊骨型，是以垂直中央支持，用舌尖夾持鍍件，適小鍍件可用手來操作。2.混合脊骨型，經常用在自動電鍍上，是用方型框架聯合平行及垂直骨架所構成夾持小鍍件。3.箱型，這種掛架可以處理許多鍍件，需配備有自動輸送機、起重機、吊車等設備。4.型係垂直中央支持，聯結許多垂直的交叉棒

27、，此種適合手動及自動操作。 第46页，共55页。電鍍掛架（rack）選擇電鍍掛架的決定因素有:1.電流量，2.強度，3.荷重限制，4.鍍件位置安排，5.空間限制，6.製造難易，7.維持費用及成本。 第47页，共55页。電鍍掛架（rack）電鍍掛架在某些地方加以塗層絕緣，其目的有下列幾項： 1.減少電鍍金屬之浪費。 2.限制電流進入要被電鍍之區域，減少電能 損失。 3.減少鍍浴污染。 4.改進金屬披覆分佈。 5.減少電鍍時間。 6.延長鍍架壽命，防止鍍糟腐蝕。 第48页，共55页。電鍍控制條件及影響因素 1.鍍液的組成。12.覆蓋性。 2.電流密度。13.導電度。 3.鍍液溫度。14.電流效率。 4.攪拌。15.氫過電壓。 5.電流波形。16.電流分佈。 6.均一性。17.金屬電位。 7.陽極形狀成份。18.電極材質及表面狀況。 8.過濾。19.浴電壓。 9.pH值。 10.時間。 11.極化。 第49页，共55页。鍍層要求項目 依電鍍的目的鍍層必須具備某些特定的性質，鍍層的基本要求有下列幾項： 1.密著性(adhesion)，係指鍍層與基材之間結合力，密著性不佳則鍍層會有脫離現象，其原因有： (1)表面前處理不良，有油污、鍍層無法與基 材