电镀和化学镀

第三章电镀和化学镀什么是电镀？电镀是指借助外界直流电的作用，利用电解原理，使导电体(例如金属)的面沉积一层金属或合金层。镀层性能不同于基体金属﹐具有新的特征。根据镀层的功能分为防护性镀层﹐装饰性镀层及其他功能性镀层。一、有槽电镀二、无槽电镀——电刷镀§3.1电镀有槽电镀即：将零件作为阴极放在含有欲镀金属的盐类电解质溶液中，并使阳极的形状符合零件待镀表面的形状，通过电解作用而在阴极上（即零件）发生电沉积现象形成电镀层。一、有槽电镀有槽电镀示意图 电镀槽一般采用不溶金属或非金属，如铅、铅锑合金、塑料等。 电解液是所镀金属离子的盐溶液。 电镀使用直流电源。电镀时: 阳极金属失去电子变为离子溶于电解液中，即发生氧化反应； 阴极附近的离子获得电子而沉积于零件表面，即发生还原反应。根据电镀质量、镀层厚度等的不同，电镀时所选用的电流密度、电解液的温度、电镀时间等工艺参数不同。当在阴阳两极间施加一定电位时，则在阴极发生如下反应：从镀液内部扩散到电极和镀液界面的金属离子Mn+从阴极上获得n个电子，被还原成金属M，即Mn++ne→M另一方面，在阳极则发生与阴极完全相反的反应，即阳极界面上发生金属M的溶解，释放n个电子生成金属离子Mn+，即M-ne→Mn+上述电极反应是电镀反应中最基本的反应。1.电镀反应2.电镀工艺电镀工艺过程一般包括电镀前预处理﹐电镀及镀后处理三个阶段。清洗是在电镀生产线上用水量最大的程序。每个镀槽后通常有一组水洗程序用来避免镀件将残液带入其它程序而造成污染。目的是为了得到干净新鲜的金属表面﹐为最后获得高质量镀层作准备。主要进行脱脂、去锈蚀、去灰尘等工作。步骤如下﹕使表面粗糙度达到一定要求，可通过表面磨光、抛光等工艺方法来实现。去油脂﹐可采用溶剂溶解以及化学、电化学等方法来实现。除锈﹐可用机械、酸洗以及电化学方法除锈。活化处理﹐一般在弱酸中侵蚀一定时间进行镀前活化处理镀前预处理热浸除油利用碱剂和皂化油脂的皂化作用去除金属表面的污垢和氧化物，其必需具备湿润、渗透、分散及乳化效果。电解除油利用电解原理，阴极产生氢气将金属还原（不锈钢板），阳极产生氧气并将污垢氧化（零件）；气体带动搅拌作用而将污垢脱离。目前，脱脂都是将热浸脱脂和电解脱脂搭配使用。一般底材活化也称酸洗、酸中和或蚀刻，视处理产品和其材质而定。活化可将金属表面的氧化物、盐加以去除，使金属表面容易与后续电镀金属紧密结合。需要慎重选择合适的酸液及缓蚀剂，避免过度浸蚀底材。钝化处理是指在一定的溶液中进行化学处理﹐在镀层上形成一层坚实致密的﹐稳定性高的薄膜的表面处理方法。钝化使镀层耐蚀性大大提高并能增加表面光泽和抗污染能力。这种方法用途很广﹐镀Zn,Cu等后﹐都可进行钝化处理。除氢处理有些金属(如Zn）在电沉积过程中﹐除自身沉积出来外﹐还会析出一部分氢﹐这部分氢渗入镀层中﹐使镀件产生脆性﹐甚至断裂﹐称为氢脆。为了消除氢脆﹐往往在电镀后﹐使镀件在一定的温度下热处理数小时﹐称为除氢处理。镀后处理3.电镀产品综合产品非金属电镀电铸铜产品电镀铜管乐器电镀仿金系列镀铜系列镀铬系列电镀黑镍系列电镀锌系列仿古铜系列单金属电镀合金电镀复合电镀非金属材料的电镀4.电镀分类镀锌镀锌钢板材料具有较好的抗腐蚀性，广泛应用于汽车领域。锌具有青白色金属光泽，在空气中较稳定，能形成致密的氧化膜，所以常将锌用于电镀。镀锌薄钢板简称镀锌板，俗称白铁皮，它是在低碳薄钢板上镀一层厚0.02mm以上的锌作为防护层，钢板的防腐蚀能力因而大大提高，可用作包装材料。白车身结构车身覆盖件阴极：接镀件阳极：接电镀金属（锌）电镀锌装置电镀反应（电解池反应）：Zn（电极）=Zn（镀层）电镀锌原理电镀锌反应：Zn2＋＋2e──→Zn(主反应)H＋＋e──→H2(副反应)造成析氢的吸附，形成内应力，引起氢脆，所以镀锌后要进行加热处理，通常在200℃加热2小时，来消除氢脆和内应力。电镀锌零件镀铁镀铜镀镍镀锡镀铬镀金在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程，称为合金电镀。合金电镀组成合金镀层的金属中，至少有一种金属能单独从其盐的水溶液中沉积出来。两种金属的析出电位要十分接近。改变镀液中金属离子的浓度采用络合剂采用适当的添加剂金属共沉积条件正则共沉积非正则共沉积平衡共沉积异常共沉积诱导共沉积金属共沉积类型镀液组分镀液中金属浓度比镀液中金属总浓度络合剂浓度pH值工艺参数电流密度温度搅拌电镀合金的影响因素电镀铜锡合金（青铜）电镀铜锌合金（黄铜）电镀铅锡合金电镀镍锌合金电镀合金举例电镀镍锌合金零件  在镀覆溶液中加入非水溶性的固体微粒，使其与主体金属共同沉积形成镀层的电镀工艺称之为复合电镀，所得镀层称为复合镀层。   原则上，凡可镀覆的金属均可作为主体金属，但研究和应用较多的是镍、铬、钴、金、银、铜等几种金属。所使用的固体微粒主要有两类：提高镀层耐磨性的高硬度、高熔点的微粒；提高镀层自润滑特性的固体润滑剂微粒。复合电镀④非金属电镀制品主要用于汽车、飞机某些装饰性零部件以及印刷线路板、电子仪器屏蔽和碳纤维等。①非金属电镀是指对塑料、玻璃、陶瓷、纤维等非金属制品电镀。②非金属电镀的关键工艺是表面金属化，使非金属基体上生成导电层以便进行导电。表面金属化的方法有化学镀法、喷涂法、烧渗银法和涂刷法等。③塑料电镀是非金属电镀中应用最广泛的一种。通过电镀可提高塑料制品的强度，防止老化，使其具有导电性、电磁性、焊接性和装饰性的外观。非金属电镀电刷镀又称涂镀、刷镀，是从有槽电镀技术上发展起来的一种新的电镀方法。它也是利用电化学原理，在金属工件表面局部有选择地快速沉积金属镀层，达到恢复零件尺寸和改变零件表面性能的目的。二、无槽电镀—电刷镀电刷镀的镀液中的金属离子在电场力的作用下沉积在工件表面形成金属镀层。如把极性反接，工件成为阳极，镀笔所到之处，工件表面的金属发生溶解。（去毛刺、蚀刻和电抛光原理）电刷镀的工艺流程设备简单，携带方便，不需镀槽工艺简单，操作方便镀层与基体材料的结合力强，力学性能好镀层厚度可以精确控制沉积速度快电镀液温度低，对零件无影响污染小，适用材料广泛电刷镀的优点§3.2化学镀一、什么是化学镀？化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。化学镀不需要外电源，设备简单、操作容易，可用于各种基体，如：金属（钢、铝、镁等）、非金属（陶瓷、塑料、木材等）及半导体等。均镀能力和深镀能力好，无论工件如何复杂（深孔、凹槽、盲孔等），只要采取适当的技术措施，均可得到均一的镀层。镀层晶粒细、空隙小，力学性能、物理性能和化学性能优良。如具有很好的耐腐蚀性（某些性能优于不锈钢）、耐磨性和硬度，低磷镀层有很好的电磁性，而高磷镀层有很好的非磁性。化学镀与电镀相比的优点二、化学镀的发展化学镀镍实例被镀件浸入镀液中，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：Mn++ne→M其实质是化学氧化还原反应，有电子转移、无外电源的化学沉积过程。化学镀所需的电子是通过化学反应直接在溶液中产生的，而电镀所需的电子是通过外加电源获得的。三、化学镀原理置换镀化学还原镀化学镀可分为置换镀和化学还原镀以电位较负的金属工件浸在电位较正的金属的盐溶液中，使电位较正的金属被还原而沉积在工件表面。如金属锌上化学镀铜:Zn2+/Zn标准电极电位为-0.763V，Cu2＋/Cu标准电极电位为0.337V：Zn+Cu2+→Zn2++Cu铜将会在锌的表面形成镀层。当锌的表面完全被铜层覆盖，就再无电子产生，铜的沉积也就停止。所以，置换镀只能获得较薄的镀层。置换镀还原镀是在金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应而产生金属沉积的过程。这种方法不是通过金属的溶解，而是依靠还原剂的化学反应：Rn++MZ+→R(n+z)＋+M在这里还原剂Rn+被氧化成R(n+z)＋，而自由电子使MZ+还原，还原剂的电位应该显著低于沉积金属的电位。化学还原镀浓度较低的金属盐还原剂：提供电子络合剂：控制沉积速度、抑制沉淀缓冲剂：使镀液的pH值保持不变稳定剂：提高溶液的稳定性，并抑制自发的分解反应镀液的主要组成化学镀镍化学镀铜化学镀锡化学镀钴化学镀金、银、铂复合化学镀（Ni-P/Al2O3、Ni-P/SiC等）多元化学镀（Ni-Cu-P、Ni-Cr-P、Ni-Fe-P等）四、化学镀举例用还原剂将镀液中的镍离子还原为金属镍并沉积到基体金属表面上去的方法称为化学镀镍。化学镀镍原子氢态理论氢化物理论电化学理论1.化学镀镍机理H2PO2-+H2O→HPO3-+2H+H+Ni2++2H→Ni+2H+H2PO2-+H→H2O+OH-+P3P+Ni→NiP32H→H2↑原子氢态理论阳极反应：H2PO2-+H2O→H2PO3-+2H++2e阴极反应：Ni2++2e→NiH2PO2-+e→2OH-+P2H++2e→H2↑金属化反应：3P+Ni→NiP3电化学理论按pH值分类酸性镀液（pH=4-6）碱性镀液（pH>8）按温度分类高温镀液（85-92℃）中温镀液（70-85℃）低温镀液（60-70℃）室温镀液按镀层磷含量分类低磷镀液（P(wt%)=0.5%-5%)中磷镀液（P(wt%)=6%-9%)高磷镀液（P(wt%)=9%-12%)2.化学镀镍工艺镀液分类主盐，如NiSO4、NiCl2还原剂，如NaH2PO2络合剂，有机酸及其盐类（如乳酸）缓冲剂，如丁二酸稳定剂，如碘酸钾加速剂，如天冬氨酸润湿剂光亮剂镀液组成镍盐（镀液主盐）还原剂络合剂稳定剂光亮剂pH值温度影响镀层质量的因素一般物理性能力学性能化学性能化学镀镍层的性能化学镀铜的主要目的是在非导体材料表面形成导电层。化学镀铜层的物理化学性质与电镀法所得铜层基本相似。目前，在印刷电路板孔金属化和塑料电镀前的化学镀铜已广泛应用。化学镀铜1.化学镀铜机理原子氢态理论 电化学理论HCHO+OH-→HCOO-+2HHCHO+OH-→HCOO-+H2Cu2++2H+2OH-→Cu+2H2O原子氢态理论阳极反应：HCHO+OH-→HCOO-+H2+2e阴极反应：Cu2++2e→Cu电化学理论2.化学镀铜工艺甲盐，含有硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠、碳酸钠、氯化镍的溶液乙盐，含有还原剂甲醛的溶液镀液组成这两种溶液预先分别配制，在使用时将它们混合在一起。铜盐（镀液主盐）还原剂，甲醛络合剂+缓冲剂pH值温度搅拌影响镀层质量的因素五、化学镀的应用汽车发动机零件-镀锌汽车发动机零件-镀锌汽车弹簧-镀锌流量计零件-化学镀镍化学镀镍磷齿轮化学镀镍磷零件