模具表面的电镀技术

模具表面的电镀技术电镀的基本原理电镀技术是一种用电化学方法在基体（金属或非金属）表面沉积金属或金属化处理的技术。它能使均匀溶解在溶液中的金属离子，有序地在溶液（即镀液）中和基体表面接触获得电子、还原成金属金属原子并沉积在基体表面，形成宏观金属层——镀层。它是物理和化学的变化或结合。电镀金属的种类电镀金属的种类约有30多种，其中应用较广的有镀锌，镉，铜，镍，银，锡，金，铁，钴，铅，锑，铂，钛，铹等十多种。除单金属镀层外，还有很多合金镀层，例如镀铜锡，铜锌，铜镍，镍铁，铅锡，锌锡，锌铁，锌镍，铜镉，锌镉，锡铁，锡钴，钨铁等电镀层的分类电镀的目的是改善材料的外观，提高材料的各种物理化学性能，赋予材料表面特殊的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性、焊接性及电、磁、光学性能等。镀层使用性能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，又有防护性。装饰性镀层，例如Au及Cu-Zn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、Ni-SiC、Ni-石墨、Ni-PTFE复合镀层等。电性能镀层，例如Au、Ag镀层等，既有高的导电率，又可以防氧化，避免增加接触电阻。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，可改善元件可焊性，在电子工业中广泛应用。耐热镀层，例如Ni-W、Ni、Cr镀层，熔点高，耐高温。修复用镀层，一些造价较高的易磨损件，或加工超差件，采用电镀修复尺寸，可节约成本，延长使用寿命，例如可电镀Ni、Cr、Fe层进行修复。若按镀层与基体金属之间的电化学性质分类，可分为阳极性镀层和阴极性镀层。凡镀层相对于基体金属的电位为负时，镀层是阳极，称阳极镀层，如钢上的镀锌层；当镀层相对于基体金属的电位为正时，镀层呈阴极，称为阴极镀层，如钢上的镀镍层、镀锡层等。镀锌钢例子：热镀锌管是使熔融金属与铁基体反应而产生合金层，从而使基体和镀层二者相结合。热镀锌是先将钢管进行酸洗，为了去除钢管表面的氧化铁，酸洗后，通过氯化铵或氯化锌水溶液或氯化铵和氯化锌混合水溶液槽中进行清洗，然后送入热浸镀槽中。热镀锌具有镀层均匀，附着力强，使用寿命长等优点。热镀锌钢管基体与熔融的镀液发生复杂的物理、化学反应，形成耐腐蚀的结构紧密的锌一铁合金层。合金层与纯锌层、钢管基体融为一体。故其耐腐蚀能力强。槽镀的基本原理槽镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。当直流电通过两电极及两极间含金属离子的电解液时，金属离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。以镀镍为例：将金属制件浸在金属盐（NiSO4）的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳极，接通直流电源后在制件上就会沉积出金属镀镍层。槽镀的常见材料【基底材料】能与其表面上沉积金属或形成膜层的材料。【添加剂】镀液中含有改进溶液的电化学性能或改善镀层质量的少量添加物。使镀层产生光泽的称光亮剂；使镀层得到整平的称整平剂；使电解液稳定的称稳定剂。添加剂对阴极极化过程的影响，有两种观点。一种吸附理论认为有些添加剂具有表面活性作用，能吸附在电极的表面阻碍金属的析出，提高了阴极极化作用改善镀层质量；一种理论认为添加剂在电解液中形成胶体，吸附了放电金属离子，构成胶体—金属离子型的络合物，使阴极极化作用增大，胶体与金属离子结合牢固阻碍了金属离子的放电。【表面活性剂】即表面润湿剂。处理溶液在添加量低的情况下，也能显著降低界面张力的物质。为减少各类处理溶液对基板表面的张力，按照溶液的特性添加一定量的表面活性剂。【表面活化剂】分子内亲水基和亲油基化合物，两界面相吸附，界面自由能降低。油在水中被乳化生成可溶性化合物。【润湿剂】能降低制件表面与溶液间界面张力，使制件表面易于被溶液润湿的物质。电路板微孔镀覆中的各种处理溶液大部分要添加润湿剂，使孔壁绝缘材料的表面具有对液体的亲和力，使处理液很易润湿孔壁的表面，增加与溶液充分接触。【导电盐】提高电镀溶液导电性，添加一定数量的盐类。镀金电解液中所添加的有机盐类。【去离子水】电镀/化学镀溶液，或配制或调整，或工件需要特别清洗，使用经过阴阳两种离子交换的树脂处理，将其水中存在的各种离子予以吸附除去，获得纯度极高的水。【活性炭】由木质粉末烧制成粒度极细的木炭粉，呈多孔结构具有极大的表面积，有高的吸附性能，能吸附大量的有机物。用于清除电镀液的有机杂质，有粉状和颗粒状两种类型。常见的槽镀种类镀锌：钢铁零件上镀锌主要作用是防腐蚀,用量占全部电镀零件的1/3至1/2是所有电镀品种中产量最大的一个镀种。镀锌具有成本低、抗蚀性好、美观和耐贮存等优点，在轻工、机电、农机和国防等工业中得到广泛应用。镀镉：钢铁零件上镀镉,于食品罐头包装制品、饮具、餐具及电子工业中很多需要钎焊的零件镀铬：铬在大气中能长久保持光泽，在碱液、硝酸、硫酸及许多有机酸中不发生反应，镀铬层有很高的硬度和优良的耐磨性及较低的摩擦系数，故镀铬常用于防护装饰性镀层，防止基体金属生锈和美化外观，也常用于提高制品的耐磨性或修复磨损。镀铜：镀铜常作为其他镀层的中间层，以提高表面镀层和基体金属的结合力。在电力工业中，也可用铁丝镀厚铜来代替纯铜导线，以减少铜的耗用量。镀镍：镀镍的应用面很广，可用于防护装饰性和前者主要用于自行车、钟表、家用电器、五金产品、汽车、照相机等零件的防护装饰性镀层,后者主要用于易磨损产品的修复电镀.槽镀的条件1．电流密度(镀液特性，镀件结构)2．电镀位置(阴阳极相对距离、位置)3．搅拌状况(速度←→稳定度)?4．电流波形(滤波度,PR,脉波等)5．阳极(可溶性,不可溶性,辅助性)6．镀液温度(Au-50℃,Ni-55℃,SnPb-20℃)7．PH值(酸性,中性,碱性)8．比重(粘度←→导电度)9．镀液组成分为(金属离子含量、比例等金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，原则上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其他离子，使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。所以金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。电镀层的质量除了取决于镀层本身的本性外，还受到镀液、电镀规范、基本金属及前处理工艺等的影响。所以要获得质量优良的镀层，还应有合理的镀液组成和合理的工艺控制。•含有两种或两种以上金属的镀层合金镀层•利用电化学的方法使两种或两种以上金属（也包括非金属）共沉积的过程电镀合金电镀合金为什么要用合金镀层？对镀层性能上的高要求品种远远大于单金属特殊的物理性能、化学性能、机械性能，使合金镀层在各方面优于单金属镀层优势方面抗腐蚀性硬度耐磨、减摩性能耐高温性能弹性焊接性外观电镀合金的应用和分类230种，生产30多种Cu-ZnCu-SnNi-FeNi-CoZn-NiZn-SnSn-NiPb-SnCd-TiAu-CoAu-NiPb-InPb-Sn-Cu电镀合金的特点电镀合金与热熔性合金相比:容易获得高熔点和低熔点金属组成的合金可获得热熔相图所没有的合金在相同合金成分下，电镀合金与热熔合金相比，硬度高，延展性差容易获得组织致密，性能优异的非晶态合金电镀合金镀层与单金属镀层相比能获得单一金属所没有的特殊物理性能，如导磁性，减摩性（自润滑性），钎焊性合金镀层结晶更细致，镀层更平整光亮可获得非晶态结构镀层合金镀层可具备比组成他们的单金属更耐磨、耐蚀、更耐高温，并有更高硬度和强度，但延展性和韧性通常有所降低不能从水溶液中单独电镀的W、Mo、Ti、V等金属可与铁族金属Fe、Co、Ni实现共沉积能获得单一金属得不到的外观，通过成分设计和工艺控制可得到不同色调的合金镀层，具有更好的装饰效果Co：-0.277VNi：-0.246V1、电解液中金属离子浓度的影响(包括金属离子浓度和金属离子总浓度)2、配位剂浓度的影响：单一配位剂：氰化镀黄铜；酸性氟化物镀Sn-Ni混合配位剂：碱性氰化物镀Cu-Sn3、添加剂的影响添加剂与配位剂相比，其影响要小得多添加剂含量达到一定值后，镀层组成可基本不变添加剂通常对简单盐镀液有明显影响添加剂对合金成分的影响常有选择性三、在合金共沉积理论中的阴极极化曲线氰化物镀液电沉积Ag-Zn合金极化曲线氰化物镀液电沉积Ag-Cd合金极化曲线金属共沉积的条件1、条件合金中的两种金属至少有一种金属能单独从其水溶液中电沉积出来金属共沉积的基本条件是两种金属的析出电位要十分接近或相等通常将金属在阴极表面开始析出时的电位称为该金属的析出电位，也称沉积电位。金属的析出电位：2、实现共沉积通常采取的措施加入配位剂•它不仅使金属离子的平衡电势向负方向移动，还能增加阴极极化加入添加剂•添加剂一般对金属的平衡电势影响甚小，而对金属的极化往往有较大的影响电刷度定义：电刷镀是在被镀零件表面局部快速电沉积金属镀层的技术，也称选择电镀、笔镀、涂镀、擦镀、无槽镀等。本质：依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液的一种电镀形式。电刷度的原理及特点电刷镀的工作原理：电刷镀的工作原理示意图。电刷镀时，工件与专用直流电源的负极连接，刷镀笔与电源正极连接。刷镀笔上的阳极包裹着棉花和棉纱布，蘸上电刷镀专用的电解液，与工件待镀表面接触并相对运动。接通电源后，电解液中的金属离子在电场作用下向工件表面迁移，从工件表面获得电子后还原成金属离子，结晶沉积在工件表面上形成金属镀层。随着时间延长，镀层逐渐增厚。镀液可不断的蘸用，也可用注射管、液压泵不断地滴入。优点：①设备简单，携带方便，不须要大的镀槽设备。②工艺简单，操作方便，凡镀笔能触及到的地方均可电镀。③镀层种类多，与基体材料的结合力强，力学性能好。④沉积速度快，生产效率高，操作安全，对环境污染小。缺点：①劳动强度大②消耗镀液较多③消耗阳极包缠材料。化学镀化学镀是在无电流通过(无外界动力)时借助还原剂在同一溶液中发生氧化还原作用，从而使金属离子还原沉积在自催化表面表面上的一种镀覆方法。化学镀与电镀的区别在于不需要外加直流电源，无外电流通过，故又称为无电解镀。所以化学镀可以叙述为一种用以沉积金属的、可控制的、自催化的化学还原过程。其基本原理是被镀件浸入镀液中，化学还原剂在溶液中提供电子使金属离子还原沉积在镀件表面。化学镀的条件1、镀液中的还原剂的还原电位要显著低于沉积金属电位，使金属有可能在基材上被还原而沉积出来。2、配好的镀液不产生自发分解，当与催化表面结触时，才发生金属沉积过程。3、调节溶液的PH值、温度时，可以控制金属的还原速率，从而调节镀覆速率。4、被还原析出的金属也具有催化活性，这样氧化还原沉积过程才能持续进行，镀层连续增厚5、反应生成物不妨碍镀覆过程的正常进行，即溶液有足够的使用寿命化学镀的特点(1)可以在由金属、半导体和非导体等各种材料制成的零件上镀覆金属；(2)无论零件的几何形状如何复杂，凡能接触到溶液的地方都能获得厚度均匀的镀层，化学镀溶液的分散能力优异，不受零件外形复杂程度的限制，无明显的边缘效应，因此特别适合于复杂零件、管件内壁、盲孔件的镀覆；(3)对于自催化的化学镀来说，可以获得较大厚度的镀层，甚至可以电铸；(4)工艺设备简单，无需电源、输电系统及辅助电极，操作简便；(5)镀层致密，孔隙少；(6)化学镀必须在自催化活性的表面施镀，其结合力优于电镀层；(7)镀层往往具有特殊的化学、力学或磁性能。复合镀复合镀是将固体微粒子加入镀液中与金属或合金共沉积，形成一种金属基的表面复合材料的过程。镀层中，固体微粒均匀弥散地分布在基体中，故又称为分散镀或弥散镀。复合镀层的沉积机理固体微粒先经过消除杂质、润湿处理和表面活性剂处理后，加入镀液，形成均