《电镀与电刷度》PPT课件.ppt

1 表面工程 第4章电镀及化学镀4 1电镀与电刷度 2 4 1 1电镀 电解 在外加直流电源的作用下 电解质的阴阳离子两极发生氧化还原反应的过程 1 电解与电镀 电解CuCl2溶液示意图 阴极 还原反应 阳极 氧化反应 Cu2 2e Cu 2Cl 2e Cl2 电镀反应是一种典型的电解反应 3 电镀 是指在含有欲镀金属的盐类溶液中 在直流电的作用下 以被镀金属基体为阴极 以欲镀金属或其它惰性导体为阳极 通过电解作用 在基体表面获得结合牢固的金属镀层的表面工程技术 铜的电解精炼 目的 耐蚀 耐磨 装饰 钎焊及导电 磁 光学一般为几微米到几十微米 镀铜 4 2 电镀装置及原理 以镀铜为例 两电极 阴极还原反应 Cu2 2e Cu 形成镀层 阳极氧化反应 Cu 2e Cu2 阳极溶解 外电路 直流电源 导线 电镀液 含有镀层金属离子的电解质溶液 电镀的结果 硫酸铜溶液的浓度保持不变 5 电镀涉及的基本问题和理论解释属于电化学范畴 而沉积层物理性能方面的改变则属于金属学方面的范畴 从表面现象来看 电镀是在外加电流的作用下 溶液中的金属离子在阴极表面得到电子 被还原为金属并沉积在其表面的过程 发生如下化学反应 Men neMe 但是实际情况则很复杂金属离子进行阴极还原时 沉积电位 平衡电位 金属离子在阴极放电的过电位理论上 只要阴极电位足够负 任何金属离子都可以还原沉积 但是在水溶液中进行电沉积时 还存在H 和一些易还原的阴离子与金属离子竞争还原反应 因此 有些还原电位很负的金属离子在电极上不能实现还原沉积 6 金属离子在水溶液中能否还原 不仅取决于其本身的性质 还取决于H 在电极上的还原电位 沉积电位 金属离子的标准电位 RT nF lna 金属离子的在阴极放电的过电位由沉积电位的计算公式可以看出 过电位是影响金属离子沉积的关键因素 过电位主要由电化学极化和浓差极化产生 其大小直接影响金属离子的沉积 7 3 电镀时金属电沉积的过程 液相传质 金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极表面 电化学还原 前置转换和电荷转移金属离子在进行电化学还原前 其主要存在形式在阴极附近或表面发生化学转化 转变为参与电极反应的形式 该过程为前置转换 然后金属离子再以此形式在阴极表面得到电子 还原为金属原子 称电荷转移 如硫酸铜镀液中镀铜时Cu2 的还原过程为 Cu2 e Cu 前置转换 Cu e Cu 电荷转移 电结晶 形核 长大 8 4 电镀液 主盐 提供金属离子 析出金属易溶于水的盐类络合剂 镀液的重要成分 能与主盐的阳离子络合而成金属络离子 在电镀过程中 能有效地促进阴极极化作用 提高电解液的均镀能力和深镀能力 从而使镀层结晶细致光滑 对保证镀层质量和电解稳定性起重要作用 如在氰化物电镀液中用氰化物作络合剂 在无氰电镀液中用铵盐 焦磷酸盐 次氨 基 三乙酸等作络合剂 目前大多是水溶液 在特殊情况下 也使用有机溶液或者熔融盐镀液 9 导电盐 提高镀液的导电能力缓冲剂 稳定pH值阳极活化剂 促进阳极溶解的助溶阴离子添加剂 影响金属离子在阴极析出的成分 光亮剂 整平剂 晶粒细化剂 润湿剂 应力消除剂 镀层硬化剂等 10 5 影响电镀层质量的基本因素 镀层金属的本性 镀液各种成分及浓度 电镀规范电流密度 波形 温度及搅拌等 pH值及析氢 可能导致镀层鼓泡或者产生针孔 基体金属及表面质量 基体金属电位负于镀层金属 导致结合力不良 前处理精整和清理 洁净 活性的晶体表面 11 4 1 2电刷镀 工业化生产中 电镀的实施方式多种多样 常见的电镀实施方式有 挂镀 主要适用于外形尺寸较大的零件滚镀 主要适用于尺寸较小 批量较大的零件电刷镀 一般用于局部修复和局部性能改善高速连续电镀 用于线材 带材 板材的大批量生产 12 刷镀又称涂镀 局部镀 选择性电镀 笔镀等 它是通过吸有电解液的包套作为阳极与作为阴极的零件表面接触 并作相对运动 电解液中的离子在阴阳极之间进行电化学反应 使金属离子沉积 在零件表面形成金属镀层的过程 13 1 原理与特点 原理同电镀 电沉积过程供电镀液 镀笔 擦试 电镀层 14 1 设备简单 工艺灵活 操作方便 可以在现场作业 2 可以局部电镀 3 镀层种类多 结合强度高 4 沉积速度快 生产效率高 槽镀的10 15倍 耗电量为槽镀几十分之一 5 操作安全 对环境污染小 6 劳动强度大 消耗阳极包缠材料 特点 15 2 电刷镀设备 专用直流电源 镀笔及供液 集液装置专用直流电源0 30V 0 150A镀笔 由不溶性阳极 绝缘手柄及散热装置组成 16 3 刷镀溶液 金属离子含量高 导电性好 性能稳定 分散覆盖能力好 1 刷镀溶液的种类 预处理溶液 预处理溶液可分为电净液和活化液两类电净液 用于清洗工件表面的油污 活化液 用于去除金属表面的氧化膜和疲劳层 电镀溶液 单金属电镀液和合金电镀液 退镀溶液 可把旧镀层或不合格的镀层去掉 钝化液 17 2 刷镀溶液的特性 金属离子的含量较高 镀液的温度范围比较宽 镀液的性质比较稳定 均镀能力和深镀能力较好 镀液的毒性与腐蚀性较小 18 4 刷镀工艺 镀前预处理表面整修 清理 电净 活化镀件刷镀刷镀打底层 工作层镀后处理清除残积物及防护方法 19 5 应用 刷镀技术设备简单 操作容易 镀层结合牢固 经济效益显著机械行业 电力 电子 化工 纺织等部门机械设备的维修 改善零部件的表面理化性能沉积的厚度小于0 2mm 采用刷镀比其它维修方法经济 20 镀锌镀铜镀镍镀铬镀锡镀银镀金 4 1 3合金电镀 常见的单金属电镀有如下几种 这些方法在工业上得到广泛应用 但是单金属电镀的镀层无法满足所有场合的的需要 合金电镀应运而生 21 电镀合金始于1835 1845年 20世纪20年代起还很少应用于工业 目前230多种电镀合金体系 应用约有30余种例 黄铜 白铜 Zn Sn Pb Sn Zn Cd Ni CoNi Sn Cu Sn Zn 定义 两种或两种以上的元素共沉积所形成的镀层为合金电镀 22 1 合金共沉积的条件 两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来 共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近或相等 23 2 实现共沉积的方法 改变镀液中金属离子的浓度比增大较活泼金属离子的浓度 使其电位正移 或降低较贵金属离子浓度 使其电位负移 使两者的电位接近 采用适当的配合剂使平衡电位相差大的金属离子实现共沉积的最有效方法 采用特定的添加剂某种添加剂可能对某些金属沉积起作用 使之实现共沉积 24 3 合金电镀的特点 与热冶金合金相比 主要特点 容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金 如Sn Ni 可获得热熔相图没有的合金 铜锡合金 容易获得组织致密 性能优异的非晶态合金 如Ni P 在相同合金成分下 电镀合金与热熔合金比 硬度高 延展性差 25 与单金属镀层相比 主要特点 合金镀层结晶更细致 镀层更平整 光亮 可以获得非晶结构镀层 如Ni P镀层 合金镀层具有单金属所没有的特殊物理性能 合金镀层可具备比组成它们的单金属层更耐磨 耐蚀 更耐高温 并有更高硬度和强度 不能从水溶液中单独电沉积的W Mo Ti V等金属可与铁族元素 Fe Co Ni 共沉积形成合金 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 26 4