电镀及化学镀课件

1、材料外表工程1. 电镀及化学镀技术2. 化学转化膜技术3. 热浸镀技术4. 热喷涂技术5. 涂料及涂装技术6. 气相沉积技术7. 高能束外表处理技术8. 外表形变强化技术参考书目-177.8/8067 外表工程学 曾晓雁77.8/8344 现代外表技术 钱苗根77.8/0234 金属外表工程学 刘江南71.22/4404 材料外表工程导论 赵文轸 5. 77.8/4084 防腐蚀外表工程技术 李金桂 6. 77.8/4423 现代外表工程技术 董 允 7. 77.8/3161 实用外表工程技术 谭昌瑶 8. 77.8/4339 现代材料外表技术科学 戴达煌 9. 77.8073/8344 材料

2、外表技术及其应用手册 钱苗根10. 77.8073/5542 外表工程手册 曲敬信11. 77.8073/4064 外表工程手册 李国英 第一章 电镀及化学镀技术1.1 电镀的根本知识1.2 单金属电镀1.3 合金电镀1.4 复合电镀1.5 非金属电镀1.6 化学镀1.1 电镀的根本知识 1.1.1 概念 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,以被镀基体金属为阴极,以欲镀金属或其它惰性导体为阳极,通过电解作用,在基体外表上获得结合牢固的金属膜的外表技术1。 1.1.2 电镀装置 图1-1为电镀装置示意图,它由三局部组成: 1外电路 供给电能的直流电源和联 结电极的导线。 2 电

3、镀溶液及电镀槽3 电极 进行电镀时，电流在电镀槽的内外部流通，构成回路图1-2可是这种回路和一般回路不同，它存着两种不同的导体： 1电子导体 导线 2离子导体 电解液 在不同的电解液中，通过相同的电荷量时，在电极上析出或溶解物的物质的“量相等，并且析出或溶解1克当量的任何物质所需的电荷量都是96500库。这一常数称为法拉第常数，用F表示。2电流效率 电镀时，阴极上实际析出的物质的质量并不等于根据法拉第定律计算得到的结果。这是由于电解过程中还有副反响发生的缘故，如H+可以在电极上复原，消耗了局部电荷。因此存在一个电流效率问题，它定义为： = m/m 100% m-阴极上实际析出金属的质量；m-理

4、论上应析出的质量1.1.5 金属电沉积 电镀过程宏观上是一个电解过程；而微观上是一个电沉积过程，即在外电流的作用下，反响粒子金属离子或络离子在阴极外表发生复原反响并生成新相金属的过程。亦称为电结晶过程。 1 金属离子复原析出的可能性 在一定的电流密度下金属离子进行阴极复原时，其析出电位等于它的平衡电位与过电位之和，即： = 平 + 理论上，电镀时只要使阴极的电极电位足够负，任何金属离子都可能再其上析出。但在水溶液中进行电镀时，阴极上存在着氢离子、易复原的阴离子等多种离子的竟争复原反响，因此，有些复原电位很负的金属离子在电极上不能实现复原沉积。换句话说，金属离子在水溶液中能否复原，不仅取决于其本

5、身的电化学性能，还取决于氢离子等在电极上的复原电位或沉积电位 。 由沉积电位的计算公式可以看出，离子的浓度对其析出电位有一定影响，但关键是过电位。过电位主要由电化学极化和浓差极化产生的，其大小直接影响到金属的沉积。 考虑到平衡电位与过电位，可以用周期表来大致说明实现金属离子复原过程的可能性见表1-1。在水溶液中，位于铬分族左方的金属元素不能单独在电极上沉积；而位于右下方的金属元素的简单离子都能够较容易地自水溶液中沉积出来。 但是，在多数情况下溶液中的金属离子常常以比简单水化离子更稳定的络离子形式存在， 因而体系的平衡电位变得更负，这显然使得金属离子析出更为困难，例如，在氰化物溶液中，只有铜分族

6、元素及其右方的金属元素才能在电极上析出，即分界线的位置右移。2金属电沉积过程1-3 金属电沉积过程包括以下几个步骤： a) 液相传质步骤 b) 电化学复原步骤 c) 电结晶步骤 电沉积的速度是由以上三步骤中最缓慢的一步决定的，但实践证明第三步几乎与第二步同时进行，因此前两个过程决定着整个电沉积过程的速度。 因此，电沉积过程可能产生两种结果： a) 浓差极化 b) 电化学极化 为了保证电镀质量，要设法使电化学极化起主导作用。在镀液中参加络合剂、添加剂、进行搅拌等就是要提高阴极的电化学极化、降低浓差极化。 电结晶是指复原得到的金属原子在基体金属外表，按一定规律排列成新晶体的过程。 金属的电结晶过程

7、与盐溶液中盐的结晶过程相似。平衡电位状态相当与溶液的饱和状态；而阴极的过电位那么相当于溶液的过饱和度。溶液在析出金属时的阴极极化作用越大，过电位就越高，生成晶核的速度就越快，镀层的晶粒就越细；反之，晶核的形成速度低于生长速度，镀层的晶粒就越粗。 电结晶过程也是由形核长大的方式进行的。吸附原子总是在基体金属外表的扭折或台阶处率先形核，再通过扩散逐渐长大，这样所需的热力学驱动力最小。 晶核的生长速度受控于原子的扩散步骤，而扩散与其原子浓度直接相关，后者又决定于过电位的大小。 晶体生长起初以外延的方式进行，但沉积金属与基体金属的晶格常数相差较大时，外延生长很快停止。因此外延生长一般发生在镀层形成的初

8、始阶段。随着沉积的进行，由于各个晶面上的生长速度不同，这样就会改变原有的晶体结构，出现新的晶面。 镀层的结晶形态大致为层状、块状、棱锥状等根本类型。在特定条件下，也会出现择优取向，形成织构。 1.1.6 电镀溶液的根本组成2 1 主盐 2 络合剂 3 附加盐 4 缓冲剂 5 阳极活化剂 6 添加剂 1.1.7 电镀工艺过程1,2 电镀工艺过程一般包括以下三个阶段： 1镀前处理 2电镀 3镀后处理 镀前处理的目的是为了得到干净新鲜的金属外表，为最后获得高质量镀层作准备。镀前处理的质量直接影响到镀层与基体间的结合力和镀层的完整性。镀前处理主要包括：抛光或打磨、去油脱脂、处锈、活化。 镀后处理那么关

9、系到镀层的防护性和装饰性效果。镀后处理包括：1钝化处理2去氢处理 电镀方式1：挂镀、滚镀、刷镀、连续镀1.1.8 影响镀层质量的因素1,2,5 主盐的形式 主盐的浓度 1镀液的影响 附加盐的影响 添加剂的影响 缓冲剂的影响 杂质的影响 电流密度 电流波形 2电镀标准的影响 温度 搅拌 基体金属的性质 3基体金属的影响 镀前加工状态 1.1.9 镀层的分类与要求1 分类： 防护性镀层 装饰性镀层 功能性镀层 要求： 结合力 致密、均匀性 外观1.2 单金属电镀 1.2.1 镀锌1，5-7 锌是一种银白色的两性金属,相对原子量为65.38,密度为7.17g/cm3,熔点为419.5C,锌的标准电极

10、电位为 -0.762V,比铁负,是阳极性镀层,但锌在60C 以上的水中使用时,锌的电位变得比钢铁正,而成为阴极性镀层。纯锌在枯燥空气中较稳定,在潮湿空气或含二氧化碳和氧的水中,表面会形成一层以碱式碳酸锌为主的膜层,这层膜可延迟锌层的腐蚀速度。实际使用的镀锌层是要经过钝化处理的，其防护能力可提高58倍。锌层的防护能力与镀层厚度有关，镀层越厚，防护性越强。 锌镀层被广泛用于机械、五金、电子、仪器仪表、轻工等方面，是应用最为广泛的镀种之一，约占总镀量的60%以上。 镀锌溶液种类5： 1碱性镀液：氰化物镀锌、锌酸盐镀锌和焦磷酸 盐镀锌。 2中性或弱酸性镀液：氯化钾钠、铵镀锌。 3酸性镀液 ：硫酸盐镀锌

11、 碱性镀液均镀能力好，但价格高，有的有毒；酸性镀液价廉且电流效率高，电镀速度快，缺点是均镀能力差2，5。 镀锌后需钝化处理和除氢处理。 1.2.2 镀铜1,5,7 铜是一种紫红色的金属,具有良好的导电性、导热性和延展性，其相对原子量为63.54,密度为8.9g/cm3,熔点为1083。铜在化合物中有一价和二价两种价态，其标准电极电位分别为+0.52V和+0.34V。铜的化学稳定性较差，在大气中易氧化，且相对于钢铁基体属阴极性镀层。因此铜不单独用作于防护性镀层，常作为其他镀层的中间层，以提高镀层与基体的结合力。另外，铜镀层还用来保护局部不需渗碳的部位。铜镀层也用于电极、电刷、印制电路孔板，以增加

12、导电性、润湿性。 常用的镀铜液有氰化镀铜、硫酸盐镀铜5，7 1.2.3 镀镍1，5 镍具有银白色略呈微黄的金属光泽，具有铁磁性，相对原子量为58.68,密度为8.9g/cm3,标准电极电位为 0.25V,比铁正。在空气中，镍镀层极易形成一层化学稳定性较高的钝化膜。由于实际镍镀层是多孔的且属于阴极性镀层，因此，镍镀层常常与其它金属镀层组成多层组合体系，用作底层或中间层，如：Cu/Ni/Cr、Ni/Cu/Ni/Cr 等。它们广泛用于日用五金、轻工、家电、机械等。 镀镍溶液大致可分为酸性和碱性两大类。在实际生产中，以硫酸盐 + 氯化物的所谓瓦特型镀液应用最为普遍1。 1.2.4 其它1,5,7 铬

13、锡 银 金 1.3 合金电镀1，2 在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程叫做合金电镀。合金电镀在结晶致密性、外观色泽、硬度、耐蚀性、耐磨性、导磁性、减磨性和抗高温性等方面远远优于单金属电镀。此外通过合金电镀还可以制取高熔点和低熔点金属组成的合金，以及具有优异性能的非金态合金镀层1，2。 1.3.1 合金电镀的根本原理 1合金共沉积的条件1，2，5 a) 两种金属中至少有一种金属能 从其盐类的水溶液中沉积出来。 b) 两种金属的沉积电位必须十分 接近或相等。 2 合金共沉积所采用的措施 a) 选择适宜的金属离子价态 b 改变金属离子的浓度 c 采用络合剂 d

14、 参加适当的添加剂 1.3.2 合金共沉积的类型2，4，51正那么共沉积 过程受扩散控制2非正那么共沉积 过程受扩散控制小3平衡共沉积 两金属从处于化学平衡的镀液 中共沉积4异常共沉积 电位低的金属优先沉积5诱导共沉积 钛、钼、钨等金属在铁族金属 的诱导下析出 1.3.3 合金镀层及应用1，2，5，61.4 复合电镀1,4,5,6 在电镀或化学镀溶液中参加非溶性的固体粒，并使其与主体金属共沉积在基体外表，或把长纤维埋入或卷缠于基体外表后沉积金属，形成一层金属基的外表复合材料的过程称为复合电镀，也叫弥散镀或分散镀。所得镀层称为复合镀层或弥散镀层。1.4.1 复合镀层的沉积机理5固体微粒与金属离子

15、的共沉积经历以下几个步骤： 1搅拌镀液使微粒向阴极外表迁移并与之碰撞 2微粒一端进入阴极外表的双电层内，在静电 场作用下被吸附 3在重力和搅拌力作用下，局部微粒脱离，并 在一定条件下脱离与吸附到达动平衡 4粒子与金属离子共沉积，粒子与阴极牢牢结 合 5金属在粒子间沉积，随着镀层的不断生长， 把微粒埋没在镀层中 1.4.2 复合镀层种类及应用4,6,5,11 耐磨复合镀层： 以Ni、Co、Cr、Co-Ni 等为基质，与Al2O3、ZrO2、TiC、SiC等 微粒组合的复合镀层 2 减磨复合镀层：以Ni、Cu、Sn、Pb等为 基体，以石墨、二硫化钼、氟化石墨、聚 四氟乙烯等作为分散相 3 耐蚀复合

16、镀层4,6：Fe-Ni-Cr 4 耐高温复合镀层6 ：Co-Cr3C2 1.5 非金属电镀1,7 随着科学技术的不断开展，各种非金属材料在汽车、电器、电子、五金等产品制造中的使用越来越多。但是非金属材料自身的耐磨性、导电性、导热性和装饰性等都难以满足各种零件的要求，通过 在非金属零件外表电镀上金属层可以到达目的。 非金属电镀的核心问题是基体外表的金属化，即导电性。因此非金属材料制品在电镀前必须经过前处理：粗化、脱脂、敏化、活化和化学镀。1.6 化学镀 1,2, 4-6 化学镀是指在无外加电流的情况下，借助适宜的复原剂，使镀液中的金属离子复原并沉积在基体上形成镀层的一种外表技术。 与电镀不同，化

17、学镀过程不需要整流电源和阳极，金属沉积仅在零件外表进行，镀液中的金属离子是依靠得到由复原剂提供的电子而复原成相应的金属的。 Mn+ + ne M 因此，化学镀可以在金属、半导体和非导体材料上直接进行，由于没有电流分布问题，在复杂零件 外表可以获得厚度均匀、空隙率低、对 深孔或形状复杂的零件具有很好的覆盖能力的镀层。 化学镀是一个在催化条件下发生的氧化还原反响过程，它只在具有催化作用的外表上发生，如果沉积金属本身就是反响的催化剂，该化学镀过程就称为自催化化学镀，它可以得到所需的镀层厚度。如果在催化外表上沉积的金属本身不能作为反响的催化剂，一旦催化外表被沉积金属覆盖，沉积反响就会自动停止，所以只能

18、获得有限厚度的镀层。 由于在化学镀过程中，复原剂参与了整个化学沉积过程，并有少量沉积于镀层中，因而镀层 实际是合金组成。复原剂是化学镀溶液中的主要成分之一，除应具有较强的复原作用外，还应不使催化剂中毒。常用化学镀复原剂有次磷酸盐、甲醛、肼、硼氢化物 、胺基硼烷及其衍生物等。 能够进行化学镀的金属有：Ni、Cu、Co、Ag、Pd、Pt等以及相应的合金。目前应用最多的是化学镀镍和化学镀铜。 由于以上化学镀层具有良好的耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其它特殊的电学或磁学等性能，因此，化学镀在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、机械等工业中得到广泛应用。1.6.1 化学镀镍1化学镀镍的根本原理 a 化学镀镍的氧化复原反响： H2PO2- + H2O H+ + HPO32- + 2H Ni2+ + 2H Ni +2H+ H2 PO2- + H P +