6-现代表面技术-电镀1

1、外表技术概论 -第六章 电镀 山东科技大学资料学院 2021.生活中电镀产品比比皆是：.大量工艺品采用电镀技术：.2021第83届奥斯卡金像奖 奥斯卡小金人：五次电镀，先后镀上铜、镍、银，及一层厚实的24k黄金。毛坯制备和打磨. 本章主要内容： 6.1、电镀概述 6.2、电堆积根本原理 6.3、合金电镀 6.4、复合镀 6.5、电刷镀 .6.1 电镀利用电解原理在工件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资料制件的外表附着一层金属膜的工艺，从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。 .6.1.1电镀的现状和开展趋势：电镀隶属于外表处置技术领域，在金

2、属精饰中按吨位计占加工的首位。电镀的开展分三个时期：第一个时期是为了改善光泽或耐蚀性。第二个时期是由于劳力缺乏而迈向省力化、自动化。第三个时期为减轻公害时期，以拓展本身的生存空间未来电镀的开展方向:合金和复合镀层等功能性电镀的研讨,更加节能的电镀工艺,低污染化以及新型电镀的研讨,以顺应科技和消费的需求,拓展行业的生存空间.1装饰与防护作用： 装饰性、耐磨、耐蚀、焊接性2获得功能性镀层： 导电镀层、磁性镀层、耐热镀层等。镀层普通为几微米到几十微米厚。电镀工艺设备较简单，操作条件易于控制。镀层资料广泛，本钱较低，因此在工业中广泛运用。6.1.2 电镀的目的.6.1.3电镀分类：挂 具滚桶电镀方式常

3、规电镀脉冲电镀电刷镀电 铸滚 镀延续电镀挂 镀自动挂镀线滚 镀延续电镀.电镀镀层分类：按运用性能分类可分为：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。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。电机配件-钕铁硼磁钢 电镀Zn钢管.装饰性镀层：例如Au及CuZn仿金镀层、黑铬、黑镍镀层等。耐磨和减磨镀层:例如硬铬，松孔镀，NiSiC，Ni-石墨，Ni-PTFE聚四氟乙烯复合镀层等。电性能镀层: 例: Au，Ag镀层等，既有高的导电率，又可防氧化，防止添加接触电阻。时速350公里客运专线无砟道岔电镀复合减磨镀层 电镀黑铬吸热板

4、.磁性能镀层:例如软磁性能镀层有Ni-Fe，Fe-Co镀层；硬磁性能有Co-P，Co-Ni，Co-Ni-P等。可焊性镀层:例如Sn-Pb，Cu，Sn，Ag等镀层。可改善可焊性，在电子工业中广泛运用。耐热镀层:例如Ni-W，Ni，Cr镀层，熔点高，耐高温。修复用镀层:易磨损件，采用电镀修复尺寸。.按镀层与基体金属之间的电化学性质分类:阳极性镀层: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。阴极性镀层:镀层相对于基体金属的电位为正时，镀层呈阴极，称阴极镀层，如钢上的镀镍层、镀锡层等。按镀层的组合方式分:单层镀层，如Zn或Cu层；多层金属镀层，例如Cu-Sn/Cr，C

5、uNiCr镀层等；复合镀层，如 Ni-A2O3，Co-SiC等。.电镀技术：.6.2 电镀原理借助外加直流电的作用，在溶液中进展电解反响，使导电体的外表堆积一金属或合金层的方法，称为电镀。 图例：阴极主要反响 : Cu2+ + 2e- Cu 阳极主要反响 :Cu Cu2+ + 2e- 阴极副反响 : 2H3O+ + 2e- H2 + 2H2O 阳极副反响 :6H2O O2 + 4H3O+ + 4e- .电镀的过程及反响: 阴极复原反响：Men+ne=Me 阳极氧化反响：Me-ne= Men+ 上料脱脂酸洗活化预镀电镀水洗钝化封孔枯燥下料前处置电 镀后处置电镀流程分析：前处置的方式有: 喷砂、磨

6、光、抛光、热浸脱脂、超声波脱脂、电脱脂、酸洗活化等。后处置的方式有：钝化、中和、着色、防变色、封孔等.6.2.1金属的电堆积根本知识电镀溶液 电解液主要是水溶液、有机溶液前两者称湿法电镀和熔融盐熔融盐电镀。. 通常镀液有以下成分构成: 主盐 金属供应剂：所需堆积金属的可溶性盐,有单盐如硫酸铜和络盐如氰锌酸钠等。 镀液改良剂：为改善镀层的性能和质量，普通添加一种或者多种化合物调整溶液的功能。 配合剂：改动镀液的电化学性质和金属离子堆积的电极过程。 导电盐：提高镀液的导电才干。 缓冲剂：使镀液具有自行调理pH值才干。 镀液稳定剂：稳定镀液，防止金属盐水解或构成沉淀等。 阳极活化剂：维持阳极活性形状

7、，不会发生钝化。 特殊添加剂：光亮剂、晶粒细化剂等。.6.2.2电堆积的根本条件某金属在阴极析出的必要条件：阴极的电位负于该金属在该溶液中的平衡电位，并获得一定过电位。某金属在阴极析出的充分条件：溶液中其他粒子不会优于该金属在阴极上首先析出。例如：金属离子复原电位比氢离子复原电位更负，那么氢在电极上优先大量析出，金属就很难堆积出来。.金属复原的能够性从周期表中的位置，判别金属离子从水溶液中复原的能够性：金属元素在周期表中的位置愈靠左边，化学活泼性越强，复原的能够性越小。金属元素在周期表中的位置愈靠右边，化学活泼性越弱，复原的能够性越大。.铬分族金属复原的能够性.6.2.3金属电堆积过程将直流电

8、流的正负极分别用导线衔接到渡槽的阴、阳极上-电镀液中的阴、阳离子遭到电场作用-有规那么的挪动: 阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，金属离子在阴极上复原堆积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。阴极复原反响：Men+ne=Me 阳极氧化反响：Me-ne= Men+ . (1)传质步骤：电迁移、分散、对流 (2)前置化学步骤: 有两种类型：配位数降低配位体转换Zn(OH)42- Zn(OH)2 + 2OH- Zn(OH)2 + 2e Zn + 2OH- Zn(CN)42- + 4OH- Zn(OH)42- + CN-Zn(OH)42- Zn(OH)2 + 2OH-Zn(OH)2 + 2e Zn + 2

9、OH- 实践上大部分金属电堆积的过程是由一系列步骤组成:.(3)电荷转移步骤：金属离子或络离子在阴极外表得到电子构成吸附原子或吸附离子的过程，又称电化学步骤。(4)结晶步骤：构成金属晶体分两步骤进展：晶核的生成和生长。 (晶核的构成和生长速度决议所得结晶的粗细。).镀层堆积物形状工艺参数的变化可导致各类的中间或混合型的构造的出现。生长的结晶形状和生长方式与过电位和电流密度亲密相关。 层状 金字塔棱锥状 块状 屋脊状 立方层状 螺旋 枝晶 晶须 粉状不同电流密度下Fe -W镀层外表的SEM形貌 .不同电流密度下Fe-W镀层的截面SEM形貌 .影响电镀层质量的根本要素：1镀液的影响： 溶液的组成、

10、各成分的含量以及附加盐、添加剂的含量等都会影响镀层质量。 镀液中的光亮剂整平剂光滑剂等添加剂能明显改善镀层组织。 2PH值及析氢的影响 镀液中的PH值可以影响氢 的放电电位，影响络合物或 水化物的组成及添加剂的吸 附程度。 最正确的PH值往往是经过实验 确定的。 .3电镀规范的影响 当电流密度过低时，阴极极化作用减小，镀层结晶粗大 。随着电流密度的添加，阴极极化作用添加，镀层晶粒越来越细。当电流密度过高，超越极限电流密度时，镀层质量开场恶化 。电流密度的上限和下限是由电镀液的本性浓度温度和搅拌等要素决议的。 4温度的影响 镀液温度的升高能使分散加快，降低浓差极化；离子和阴极外表活性加强， 导致

11、结晶变粗。另外，温度升高能添加盐类的溶解度，从而添加导电和分散才干；还可以提高电流密度上限，从而提高消费效率。.5前处置的影响 电镀前需对镀件外表作精整和清理，去除毛刺、夹砂、残渣、油脂、氧化皮、钝化膜，使基体金属显露干净、活性的晶体外表。这样才干得到健全、致密、结合良好的镀层。6基体金属性质的影响 镀层的结合力与基体金属的化学性质及晶体构造亲密相关。外表加工形状也影响镀层质量: 外表过于粗糙、多孔、有裂纹，镀层亦粗糙。7电源 电流波形可影响阴极堆积过程， 进而影响镀层的组织构造，甚至成分，使镀层性能和外观发生变化。 三相、单相？全波、半波？ 等变化都对涂层有影响。.6.3 合金电镀在阴极上同

12、时堆积出两种或两种以上金属，构成构造和性能符合要求的镀层的工艺过程合金电镀往往具有单金属无法到达的特殊性能:其色泽、外观、硬度、致密性、电磁性、化学稳定性、耐高温性、耐磨性和镀层构造等通常都优于单金属镀层。 合金电镀.根据电镀合金的特性和运用来分类: 1防护性合金镀层常用镀层: Zn-Ni、Zn-Fe、 Zn - Co、 Zn-Ti等； Cr-Ni、Cr-Mo、Cr-W以及Ni-P、Ni-B等合金镀层； Pb-Sn、Pb-In、Pb-Ag、Pb-Sn-Cu、Pb-Sb-Sn等合金镀层。性能运用：具有优良的防护性。另外其电镀工艺多具有低氢脆性，因此，特别适用于汽车、船舶、航空和航天等工业。 2防

13、护装饰性合金镀层 常用镀层:多层镀层，以 Cu-Sn、Ni-Fe做镀铬底层；以锡为基的某些合金，如Sn-Co、Sn-Ni和Sn-Ni-x(x为Zn 、Cd等金属)合金等，镀层外观似铬，替代装饰性镀铬。 6.3.1合金电镀的分类.可焊性合金镀层：Sn-Pb(60-40)合金，已在印刷线路板上得到广泛运用。磁性合金镀层：Co-Ni和Ni-Fe等磁性合金镀层，已在计算机和记录安装上作为记忆元件运用。其他如Co-Fe、Co-Cr、Co-W、Ni-Fe-Co和Ni-Co-P等也具有良好的磁性。 4电镀贵金属合金主要指电镀以金、银、钯等贵金属为基的合金，如Au-Co、Au-Ni、Au-Ag、Ag-Zn、A

14、g-Sb锑和Pd钯-Ni合金等，其中Pd-Ni合金作为代金镀层，用以节约贵金属。这类合金多用在电子元器件上。 3功能性合金. 1单盐电解液从简单金属镀液中实现金属的共堆积，如从氯化物体系中电堆积Zn-Ni、 Zn-Fe、 Zn - Co合金。特点成分简单，容易维护，电流效率高，但分散才干和覆盖才干较差。2络合物电解液大多数合金镀层是从络合物电解液中堆积出来的。特点分散才干和覆盖才干好，但镀液成分比较复杂，维护和控制比较费事。3有机溶剂电解液有些金属离子，很难从水溶液中共堆积，但在有机溶剂中的堆积电位比在水溶液中更接近，因此容易共堆积，如Al-Mn、Al-Cr、Al-Ni等。根据电镀液的类型来分

15、：.电镀合金与热熔法得到的合金相比较，具有以下特点：1制备新型合金：可获得热熔法制的合金相图上没有的合金相，如Cu- Ni、Sn-Ni合金。2非晶态合金：可获得热熔法不能制取的性能优良的非晶态合金，如Ni- P合金和Ni-B合金等，而非金属P和B不能单独从水溶液中电堆积出来。3获得在水溶液中难以单独电堆积的金属，如Ni-W合金和Ni-Mo合金中的w 和Mo等4易获得高熔点金属与低熔点金属构成的合金，如Zn-Ni合金等5电镀法得到的合金比普通热熔法得到的合金硬度高、耐磨性好，如Ni-Co 合金和Ni-P合金等。.6.3.2合金电镀的原理1单金属的堆积电位 对于单金属来说，其堆积电位等于它的平衡电

16、位和过电位之和 -堆积电位或析出电位V-平衡电极电位(V)-金属离子在阴极上放电的过电位V.2合金电堆积的条件两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中堆积出来。 有些金属如W,Mo等不能从其盐的水溶液中堆积出来，但可以借助诱导堆积与铁族金属共堆积。共堆积的两金属的堆积电位须非常接近。 假设相差太大，那么电位较正的金属将优先镀出来，甚至完全排斥电位较负金属的析出，这样就不能构成合金镀层。例如，Pb(-0.126V)与Sn (-0.V)、Ni (0.25V)与Co(0.277V)、Cu(0.34V)与Bi(0.32V)，它们的规范电极电势比较接近，通常可以从它们的简单盐溶液中实现共堆积。.3实现

17、合金共堆积的方法改动镀液中金属离子的浓度 增大较活泼金属的浓度使它的电位正移，或者降低较贵金属离子的浓度使它的电位负移从而它们的电位接近。采用络合剂 金属络离子能降低离子的有效浓度，使电位较正金属的平衡电位负移的绝对值大于电位较负的金属。参与适当的添加剂 有些添加剂能显著地增大或降低阴极极化，改动金属的析出电位。添加剂在阴极外表的阻化作用常带有一定的选择性。一种添加剂能够对几种金属的电堆积起作用，而对另一些金属的电堆积那么无效果。.6.3.3共堆积合金镀层的构造类型 主要有四类： 1机械混合物 构成合金镀层的组元仍坚持原来组元的构造和性质，组元间不发生相互作用。如：Sn-Pb、Cd-Zn、Sn

18、-Zn、Cu-Ag等。2固溶体 溶质原子溶入溶剂的晶格中，仍坚持溶剂金属的晶格类型。有间隙固溶体和置换固溶体。当从焦磷酸盐溶液中电堆积铜锌合金时，构成铜锌置换固溶体合金。 .3金属间化合物 金属间化合物是合金各组分间相互发生作用，从而生成一种新相，其晶格类型和性能完全不同于任一组分。 金属间化合物普通可以用分子式来大致表示其组成，但它与普通化合物不同，除离子键和共价键外，金属键也在不同程度上起作用，使这种化合物具有一定程度的金属性质，故称为金属间化合物。例如：铜锡合金(Cu6Sn5)、锡镍合金(Ni3Sn2)等。 4非晶态合金 也叫金属玻璃。原子陈列无序，没有晶界、位错等晶格缺陷，无偏析景象，

19、具有各一样性。性能与晶体不同，高耐蚀性、高硬度、高导热性、磁性能等。如：Ni-P、Ni-B、Fe-Mo、Ni-W-P、Ni-Fe-P合金等。.6.4 复合电镀6.4.1复合电镀定义及特点 复合电镀是经过金属电堆积的方法，将一种或数种不溶性的固体颗粒，均匀地夹杂到金属镀层中所构成的特殊镀层。这种制备复合镀层的方法，称为复合电镀composite plating。这种技术还被叫做弥散电镀dipersion plating,镶嵌电镀incrustation plating或分散电镀。.特点： 1不需求高温即可获得复合镀层 2复合电镀的投资少，操作简单、易于控制，本钱低，能耗少。3基质金属与固体颗粒的

20、不同的组合，可获得多种多样的复合镀层。4可用廉价的基体资料镀上复合镀层，替代由贵重原资料制造的零部件。经济效益非常显著。 任何金属镀层都可以成为复合镀层的基体资料，但研讨和运用得较多的有镍、铜、铁、钴、铬、锌、银、金、铅、镍-磷、镍-硼、镍-铁、铝-锡、铜-锡等。固体微粒主要有金属氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等无机化合物分散剂，尼龙、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等有机分散剂，石墨等。.Ni-W-P RE-Ni-W-P-SiC .(a) pure Pb electrode (b) direct current Pb-WC-PANI composite electrode .6.4.2复合镀的条件 1粒

21、子在镀液中是充分稳定的粒子在镀液中要完全润湿，构成分散均匀的悬浮液；粒子的粒度要适当；要有适当的搅拌，这既是坚持微粒均匀悬浮的必要措施，也是使粒子高效率保送到阴极外表并与阴极碰撞的必要条件。 2镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷，即利于粒子吸附阳离子外表活性剂及金属离子。.6.4.3复合电镀的机理1吸附机理：首先是携带着离子与溶剂分子膜的微粒吸附在电极外表上，构成弱吸附。然后脱去它所吸附的离子和溶剂分子膜，与阴极外表直接接触，构成不可逆的的电化学吸附，成为强吸附。在金属电堆积过程中，将强吸附的微粒嵌入镀层。2机械截留俘获机理：是经过搅拌使镀液中的微粒悬浮起来，使微粒有时机停留在阴极外表，被电堆

22、积的金属嵌入镀层中。3电化学机理：固体颗粒本身不带电，但它可以静电吸附溶液中的正离子，在电场作用下，随着这些正离子一同向阴极运动，在阴极双电层就会发生微粒的电泳迁移，夹杂在金属离子复原而堆积的镀层中，从而构成复合镀层。.不易撕裂的镀铝复合膜有色金属复合镀膜资料镀氟钢丝圈Ni-P-金刚石复合镀.6.5非晶态电镀非晶态电镀： 用电堆积的方法来制取非晶态合金镀层 构造特征长程无序，短程有序组织构造特殊性 优良特性：高强度，高耐蚀性，高透磁率，超导性，化学选择性。.6.5.1 非晶态合金镀层的性能耐蚀性力学性能 磁性 软磁性镀层：包括具有20-50奥斯特磁矫顽力的Ni-Fe合金镀层，可用于制做计算机存

23、储器件硬磁性镀层 ：磁矫顽力约200奥斯特以上，常用的有Cu-P等 Ni-P非晶体合金镀层具有较高的强度和硬度，特别是Cr-C非晶态超硬度合金镀层，与普通的硬铬层相比，其硬度更高，耐磨性更优良。均匀的单相无晶体缺陷均匀的钝化膜耐蚀性提高Ni-P非晶体合金 Ni镀层，耐蚀性随P含量的添加而提高.6.5.2非晶态电镀的堆积原理 电镀非晶态是一种非晶体的镀膜方法，本质上属于合金电镀的范畴。它的电镀过程与普通的晶态电镀有其一样的规律，也有一些不同的特点。由于非晶态电堆积涉及化学、电化学、冶金、物理等一系列过程，因此很难提出一致的看法和机理。过电位实际成分控制实际原子结合实际过电位大那么晶核临界半径小，

24、形核率也多。晶核的临界尺寸愈小，当晶核的临界尺寸很小时，就得到非晶态构造。非晶态合金镀层的组成其成分范围在共晶点附近，才干非晶态构造。如 Ni-P合金镀层，当P质量分数时为非晶态镀层。异种原子的亲和力比同种原子相互凝聚的作用更强，镀层成为异种原子随机结合的构造，原子尺寸不同，陈列不整齐，成为非晶态镀层。.与液态急冷等物理方法相比较，电镀法制备非晶态合金具有以下优点：1、镀层构造可延续变化，即非晶构造晶态构造2、改动电堆积条件，可以制备不同组成的非晶态合金镀层。3、可以制造大面积及外形复杂的非晶态合金。4、可以在非金属基材上得到非晶态合金5、适于延续作业和批量消费。. 6.6.1电刷镀定义及特点

25、定义：电刷镀是电镀的一种特殊方式，不用渡槽，只需在不断供电解液的条件下，用一支镀笔在工件外表上进展擦拭，即可获得电镀层。特点： 设备工艺简单，操作方便，不需求大的渡槽设备。 镀层种类多，与基结合力强，力学性能好 堆积速度快，消费效率高 刷镀液不含氰化物和剧毒药品，操作平安污染小。 但存在劳动强度大，耗费阳极包缠资料等缺陷。6.6电刷镀.6.6.2任务设备及原理： 电刷镀设备由公用直流电源、镀笔及供液、集液安装组成。1平安轻便的电源设备 一台电刷镀电源通常由强电电路、弱电电路和过载维护电路三部分构成。电刷镀电源外观表示图.2外形多样的镀笔 镀笔是电刷镀的公用工具，主要由阳极、绝缘手柄和散热安装组成。由于零件外形各异，所以镀笔笔身的外形必然多种多样，以便与零件外表外形更好地吻合。镀笔的根本构造见以下图。. 阳极外形：根据被镀零件的外表外形，阳极可以加工成不同外形：圆柱、圆棒、月牙、长方、半圆、细棒和扁条等。3灵敏多变的供液、集液安装： 刷镀时，根据被镀零件的大小，可以采用不同的方式给镀口供液，如蘸取式、浇淋式和泵液式。.4 电刷镀原理。镀笔为阳极，电源的负极接零件，零件为阴极。操作者手持镀笔，蘸满镀液，以一定的相对运动在零件外表上刷拭，并坚持适当的