电镀与电刷度.ppt

1、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,2Cl2e 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

2、镀装置及原理（以镀铜为例）,两电极： 阴极还原反应： Cu 2+2eCu(形成镀层) 阳极氧化反应： Cu 2eCu2+(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+ + ne Me,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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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1015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 030V， 0150A 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

8、: 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0.2 mm，采用刷镀比其它维修方法经济,20,镀锌 镀铜 镀镍 镀铬 镀

9、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18351845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-Co Ni-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

10、, 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。,26,4.1.