现代表面技术第2章--电镀

•1•主要内容电镀的类型、合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态及非金属电镀教学要求电镀的基本原理与工艺（掌握）合金电镀、复合电镀、电刷镀和特种材料上电镀的特点、主要设备、技术路线、施工工艺、具体应用及发展（了解）本章重点电镀的基本原理与工艺•2•汽车里面，首先是内外装饰件，还有机构部品/机能部品都采用多种电镀。汽车零件的主要电镀P8塑料电镀机能电镀防锈电镀真空电镀•3•电镀技术最早是在1800年被发明的，1800年意大利科学家布鲁纳特利（Brug-natell）发明了电镀银工艺技术，后来不断有新的电镀种类被发明其中较重要是：1856年盖瑟（Geuther）发明的铬酸镀铬1916年瓦特（O.P.Watts）发明的硫酸盐电镀镍这两项工艺技术至今仍是我们主要使用的电镀技术电镀的历史•4•发明年代国家译名原名发明的电镀种类1800意大利布鲁纳特利Brug-natell电镀银1805意大利布鲁纳特利Brug-natell电镀银1840英国埃尔金顿Elkington氰化物电镀银1840雅柯比Jacobi酸性电铸铜1843R.班特格尔R.Bottger电镀镍1854美国邦森Bunsen三价铬镀铬1856美国盖瑟Geuther铬酸镀铬1915美国R.班特格尔R.Bottger硫酸盐酸性镀锌1916美国瓦特O.P.Watts硫酸盐电镀镍1917普洛克特Proctor氰化物镀锌1925萨金特等发展了实用性镀铬历史上著名的电镀发明•5•目前国内外主要的电镀专业刊物专业刊物有：电镀与环保；电镀与精饰；表面处理等；近年来由于电镀技术也广泛应用于各种材料的修饰，复合材料的制备等，因此一些电镀的论文也发表在和相应材料有关的杂志上或相应学科杂志上。如和催化有关的则在催化方面杂志上；和纳米材料有关的则在纳米材料相关杂志上。•6•国内外主要电镀专业杂志期刊名称主办单位电镀与环保电镀与精饰(CN12-1096/TG)上海市轻工业科技情报研究所天津市电镀工程学会电镀与涂饰（月刊CN44-1237/TS）广州市二轻工业科学技术研究所腐蚀与防护(CN31-1456/TQ）核心上海市腐蚀与科学技术学会上海材料研究所腐蚀科学与防护技术核心中国科学院金属研究所中国腐蚀与防护学报核心中国腐蚀与防护学会中国科学院金属研究所材料保护（月刊CN42-1215/TB）核心武汉材料保护研究所PLATINGANDSURFACEFINISHINGSCI0.189美国电镀工程协会APPLIEDSURFACESCIENCESCI1.222国际表面科学学会SURFACE&COATINGSTECHNOLOGYSCI1.236SURFACESCIENCEREPORTSSCI14.952ElectrodepositionandSurfaceTreatmentSCI•7••8•与电镀相关的一些专著专著名称说明电镀工艺学（王鸿建）该书出版年代较早，但电镀基本理论叙述较详细电镀工程（张胜涛）该书收集了大量新工艺现代实用电镀技术（陈亚）该书收集了大量新工艺，并有部分新理论理论电化学（郭鹤同）电镀理论的来源，最基本的理论如浓差极化，阴极过程等电镀工艺与理论（黄子勋）该书出版年代较早，但电镀基本理论叙述较详细电化学方法原理和应用（美阿伦.J.巴德等）该书详细介绍了电化学方法及应用，部分内容与电镀技术紧密结合•9•1,增进美观(如光亮、色泽)2,提升抗环境能力(如抗蚀、耐热、耐磨等),例如钢铁制品和零件表面电镀锌;电镀硬铬可以提高耐磨性能;电镀锡可以提高其耐硫酸腐蚀性能3,修复金属零件尺寸,例如轴,齿轮,花键等重要零件使用后磨损,可采用电镀铁,铬等恢复其尺寸.4,赋予某些特殊的功能(如导电、润滑、强度、弹性等),例如,电镀铜银可以提高导电性;5.配合后加工制程（如焊接、折弯）目的CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTBefore-dullAfter-shiny5.1电镀、化学镀•11•宏观过程电镀的过程是金属的搬运过程，它是将阳极溶解出来的金属通过镀液搬到阴极上变成金属镀层微观过程镀液中的金属离子（或络离子）在阴极上还原的电结晶过程典型的电镀槽及离子运动方向MeneMen§2-1电镀的基本原理与工艺一、电镀的过程在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成具有一定性能的金属镀层的过程第2章电镀CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1电镀、化学镀5.1.1电镀过程及其反应阴极反应：Men++ne=Me2H++2e=H2阳极反应：Me-ne=Men+。OH--4e=2H2O+O2＋Men+－SO42-Cl-OH-•13•金属电沉积是一个复杂的过程，它一般有几个连续的或同时的界面反应步骤：（2）电化学反应步骤溶液中的金属离子（如水化金属离子或络和离子）通过电迁移，对流，扩散等形式到达阴极表面附近到达电极附近的离子需要转化成较简单的粒子再以此形式从阴极得到电子，生成金属原子金属原子沿表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内，形成镀层（3）电结晶步骤（1）液相传质步骤•14•电镀结晶过程镀件(端子)镀层镀层膜厚膜厚高电流区低电流区高电流区低电流区从图示中可看出:1.在一定的条件下,电流越高,镀层膜厚越大.但电流达到一定极限,膜厚不再随电流增大而增大.(如图1)2.在同等条件下,电流越高,电镀结晶颗粒越大,针孔度越大(硝酸试验NG),耐腐蚀性差.(如图2)3.在极限电流下电镀,镀层不但结晶颗粒大,而且结晶颗粒排列无规则,无光泽(即烧焦),SEM状况不好,对LLCR,BAKE测试匀有影响.膜厚电流极限电流密度图1图2•15•二、电镀溶液的基本组成（1）主盐沉积金属的盐类，有单盐，如硫酸铜、硫酸镍等；有络盐，如锌酸钠、氰锌酸钠等。（2）配合剂与沉积金属离子形成配合物，改变镀液的电化学性质和金属离子沉积的电极过程，对镀层质量有很大影响。常用配合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、柠檬酸等。（3）导电盐其作用是提高镀液的导电能力，提高电流密度，例如镀镍液中加入Na2SO4。导电盐不参加电极反应，酸或碱类也可作为导电物质。第2章电镀§2-1电镀的基本原理与工艺•16•（4）缓冲剂使镀液具有自行调节pH值能力，以保持pH值在施镀过程中稳定。缓冲剂要有足够量才有较好的效果，一般加入30~40g/L，例如氯化钾镀锌溶液中的硼酸。（5）阳极活化剂能维持阳极活性状态，不会发生钝化，保持正常溶解反应。例如镀镍液中必须加入Cl-，以防止镍阳极钝化。（6）镀液稳定剂许多金属盐容易发生水解，而许多金属的氢氧化物是不溶性的，生成金属的氢氧化物沉淀，使溶液中的金属离子大量减少，电镀过程电流无法增大，镀层容易烧焦。（7）特殊添加剂为改善镀液性能和提高镀层质量，常需加入某种特殊添加剂。加入量较少，一般只有几克每升，但效果显著。第2章电镀二、电镀溶液的基本组成§2-1电镀的基本原理与工艺CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.1.3电镀的实施方式1)挂镀最常用的一种电镀方式。将零件悬挂于用导电性能良好的材料制成的挂具上,然后浸没于欲镀金属的电镀溶液中作为阴极，在两边适当的距离放置阳极，通电后使金属离子在零件表面沉积的一种电镀方法。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2)滚镀滚镀是将欲镀零件置于多角形的滚筒中，依靠零件自身的重量来接通阴极，在滚简转动的过程中实现金属电沉积。滚镀最大的优点是节省劳动力，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。但是，滚镀的使用范围受到限制：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。5.1.3电镀的实施方式CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT3）刷镀电刷镀技术采用一专用的直流电源设备，电源的正极接镀笔，作为刷镀时的阳极，电源的负极接工件，作为刷读镀时的阴极。镀笔通常采用高纯细石墨块极材料，石墨块外面包裹上棉花和耐磨的涤棉套。刷镀时使浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度在工件表面上移动，并保持适当的压力。随着刷镀时间的增长，镀层逐渐增厚。5.1.3电镀的实施方式CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT电刷镀的设备特点：电刷镀设备简单，一套设备可以完成多个镀种的刷镀。电刷镀设备的用电量、用水量比槽镀少很多，可以节约能源、资源。电刷镀的工艺特点：镀笔与工件有相对运动，散热条件好，在使用大电流密度刷镀时，不易使工件产生过热现象。镀层的形成是一个断续结晶过程，镀笔的移动限制了晶粒的长大和排列，因而镀层中存在大量的超细晶粒和高密度的位错，镀层得到强化。镀液能随镀笔及时供送到工件表面，大大缩短了金属离子扩散过程，不易产生金属离子贫乏现象。加上镀液中金属离子含量很高，允许使用比槽镀大得多的电流密度，因而镀层的沉积速度快。使用手工操作，方便灵活，尤其对于复杂型面，凡是镀笔能触及到的地方均可镀上，非常适用于大设备的不解体现场修理。5.1.3电镀的实施方式CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT4)连续电镀主要用于薄板、金属丝、带的电镀（镀锡钢板，镀锌薄板，钢带，电子元器件引线，镀锌铁丝等）5.1.3电镀的实施方式垂直浸入式水平运动式盘绕式.电镀时间较短；镀液电流密度高；导电性好；沉积速度快；镀液各成分变化不显著对杂质不敏感等。•22•三、电镀的工艺过程镀前抛光、打磨、脱脂、除锈、活化影响镀层的结合力及其完整性！！镀后钝化与浸膜关系镀层的防护性和装饰性！！§2-2电镀的工艺过程第2章电镀•23•四、影响镀层质量的因素（1）镀液的影响简单离子镀液：分散能力差、阴极极化作用小、镀层结晶粗络合物镀液：分散能力好、极化作用大、镀层结晶细主盐浓度高，浓差极化小，晶核形成速度低，晶粒粗；主盐浓度过低，分散能力好，但允许的电流密度小；导电盐可提高导电性，增加阴极极化，镀层晶粒细；（2）电镀规范的影响镀液温升快：提高离子扩散速度，加快向放电的转化，晶粒粗；提高电流密度：增加阴极极化，使镀层致密过高的浓差极化，导致边角部镀层变粗和烧焦改变电流方向：周期性改变，去除镀层毛刺，镀层均匀、平整§2-2电镀的工艺过程第2章电镀•24•（3）析氢的影响四、影响镀层质量的因素氢气的析出：导致镀层晶格畸变，内应力大，镀层脱落吸附在基体金属内，温升导致，氢气从基体中释放，镀层鼓泡（4）基体金属的影响基体金属电位负于镀层金属，不容易获得结合力良好镀层；表面凹凸多孔，易吸附镀液，镀件表面出现黑色的斑点；§2-2电镀的工艺过程第2章电镀•25•五、镀层种类①防护性镀层在大气或其它环境下，延缓基体金属发生腐蚀如：钢铁基体上的锌和锌合金镀层、镉镀层；罐头合内表面镀锡；电器零件镀锌彩色钝化；水管电镀锌、热镀锌等②防护-装饰性镀层大多数情况下不仅需要对基体进行防护，同时还要求有一定的装饰功能，这种镀层兼有防护和装饰双重功能，且装饰为主要目的如：自行车轮镀铜镍铬；吊灯等灯具电镀仿金镀层或仿银镀层；仪器仪表盘装饰性电镀缎面镍§2-2电镀的工艺过程（1）按使用性能分类，可分为：第2章电镀•26•③功能性镀层能明显改善基体金属的某些特性(a)耐磨镀层，如直轴、曲轴、气缸，纺织机械中的各种辊桶镀硬铬或喷涂陶磁微粒；(b)减摩镀层，多用于滑动接触面，如轴瓦，轴套等,Pb-Sn合金、Sn、Co-Sn合金、Ag-Sn合金；(c)热处理镀层：防渗碳镀铜、防渗氮镀锡(d)导电镀层，线路板、电子元件腿、插接件镀金，铁丝镀铜做电话线；(e)导磁镀层，镀铁、钴、镍或合金;其它功能性镀层还有吸热镀层、反光镀层、防渗镀层、抗氧化镀层、耐酸镀层等五、镀层种类（1）按使用性能分类，可分为：§2-2电镀的工艺过程•27•五、镀层分类a.阳极性镀层当镀层与基体金属形成腐蚀电