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机械技术

电镀原理(一)电镀的基本知识

时间:2017-05-12 15:59:00   作者:   来源:   阅读:1283   评论:0
第一章 电镀的定义

    电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中﹐以被镀基体金属为阴极﹐通过电解作用﹐使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来﹐形成镀层的一种表面加工方法。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﹐装饰性镀层及其它功能性镀层。

第二章 电镀的基本知识

第一節 电镀液

1.主盐

    主盐是指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐﹐用于提供金属离子。镀液中主盐浓度必须在一个适当的范围﹐主盐浓度增加或减少﹐在其它条件不变时﹐都会对电沉积过程及最后的镀层组织有影响。比如﹐主盐浓度升高﹐电流效率提高﹐金属沉积速度加快﹐镀层晶粒较粗﹐溶液分散能力下降。

2.络合剂

    有些情况下﹐若镀液中主盐的金属离子为简单离子时﹐则镀层晶粒粗大﹐因此﹐要采用络合离子的镀液。获得络合离子的方法是加入络合剂﹐即能络合主盐的金属离子形成络合物的物质。络合物是一种由简单化合物相互作用而形成的“分子化合物”。在含络合物的镀液中﹐影响电镀效果的主要是主盐与络合剂的相对含量﹐即络合剂的游离量﹐而不是绝对含量。

3.附加盐

    附加盐是电镀中除主要盐外的某些碱金属或碱土金属盐类﹐主要用于提高电镀液的导电性﹐对主盐中的金属离子不起络合作用。有些附加盐还能改善镀液的深镀能力﹐分散能力﹐产生细致的镀层。

4.缓冲剂

    缓冲剂是指用来稳定溶液酸碱度的物质。这类物质一般是由弱酸和弱酸盐或弱碱和弱碱盐组成的﹐能使溶液遇到碱或酸时﹐溶液的pH值变化幅度缩少。

5.阳极活化剂

    镀液中能促进阳极活化的物质称阳极活化剂。阳极活化剂的作用是提高阳极开始钝化的电流密度﹐从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶解。阳极活化剂含量不足时阳极溶解不正常﹐主盐的含量下降较快﹐影响镀液的稳定。严重时﹐电镀不能正常进行。

6.添加剂

    添加剂是指不会明显改变镀层导电性﹐而能显着改善镀层性能的物质。根据在镀液中所起的作用﹐添加剂可分为﹕光亮剂﹐整平剂﹐和抑雾剂等。

第二节 电镀反应

1.电化学反应

    下图是电镀装置示意图﹐被镀的零件为阴极﹐与直流电源的负极相连﹐金属阳极与直流电源的正极联结﹐阳极与阴均浸入镀液中。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﹐还原成金属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M n+。

电镀原理(一)电镀的基本知识

2.法拉第定律

    电流通过镀液时﹐电解质溶液发生电解反应﹐阴极上不断有金属析出﹐阳极金属不断溶解。因此﹐金属的析出(或溶解)量必定与通过的电荷有关。根据大量实验结果﹐法拉第建立了析出(或溶解)的物质与电荷之间的关系的定律。

    法拉第一定律﹕电极上析出(或溶解)物质的重量与进行电解反应时所通过的电荷成正比﹐即﹕m=kQ=kIt(m为电极上析出或溶解物质的质量﹔Q为通过的电荷时﹔K为比例常数﹔I为电流﹔t为通电时间。

    法拉第第二定律﹕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)1mol的任何物质所需的电荷量都是9.65X104C.这一常数称为法拉第常数﹐用F表示。K=M/F

3.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定律得到的计算结果﹐实际值总小于计算值﹐这是由于电极上的反应不只一个﹐例如镀镍时﹐在阴极上除发生这一主反应外﹐还会发生副反应。

4.电镀液的分散能力

    镀溶液的分散能力是指电镀液所具有的使金属层厚度均匀分布的能力﹐也称均镀能力。电镀液的分散能力越好﹐在不同阴极部位所沉积出的金属层厚度越均匀。

5.电镀液的覆盖能力

    在电镀生产中﹐常用到的另一个概念是覆盖能力﹐亦称深镀能力﹐它是指电镀液所具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的能力。分散能力和覆盖能力不同﹐前者是说明金属在阴极表面分布均匀程度的问题﹐它的前提是在阴极表面都有镀层﹔而后者是指金属在阴极表面的深凹处有无沉积层的问题.

第三节 电极及反应机理

A.电极电位

    当金属电极浸入含有该金属离子的溶液中时﹐存在如下的平衡﹐即金属失电子而溶解于溶液的反应和金属离子得电子而析出金属的逆反应应同时存在﹕

Mn++ne 电镀原理(一)电镀的基本知识 M

    平衡电位与金属的本性和溶液的温度﹐浓度有关。为了精确比较物质本性对平衡电位的影响﹐人们规定当溶液温度为250C﹐金属离子的浓度为1mol/L时﹐测得的电位叫标准电极电位。标准电极电位负值较大的金属都易失掉电子被氧化﹐而标准电极电位正值较大的金属都易得到电子被还原。

B.极化

    所谓极化就是指有电流通过电极时﹐电极电位偏离平衡电极电位的现象。所以﹐又把电流-电位曲线称为极化曲线。产生极化作用的原因主要是电化学极化和浓差极化。

(1)电化学极化

    由于阴极上电化学反应速度小于外电源供给电子的速度﹐从而使电极电位向负的方向移动而引起的极化作用。

(2)浓差极化

    由于邻近电极表液层的浓度与溶液主体的浓度发生差异而产生的极化称浓差极化﹐这是由于溶液中离子扩散速度小于电子运动造成的。

第四节 金属的电积过程

    电镀过程是镀液中的金属离子在外电场的作用下﹐经电极反应还原成金属原子并在阴极上进行金属沉积的过程。下图(1-2)是电沉积过程示意图﹐完成电沉积过程必须经过以下三个步骤﹕

    液相传质﹕镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向极界面迁移﹐到达阴极的双电层溶液一侧。

    电化学反应﹕水化金属离子或络离子通过双电层﹐并去掉它周围的水化分子或配位体层﹐从阴极上得电子生成金属原子。有三种方式﹕电迁移﹐对流和扩散。

    电结晶﹕金属原子沿金属表面扩散到结晶生长点﹐以金属原子态排列在晶格内﹐形成镀层。

    电镀时﹐以上三个步骤是同时进行的﹐但进行的速度不同﹐速度最慢的一个被称为整个沉积过程的控制性环节。不同步骤作为控制性环节﹐最后的电沉积结果是不一样的。

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第五節 影响电镀质量的因素

    影响电镀质量的因素很多﹐包括镀液的各种成分以及各种电镀工艺参数。下面就其中某些主要因素进行讨论。

1.pH值的影响

    镀液中的pH值可以影响氢的放电电位﹐碱性夹杂物的沉淀﹐还可以影响络合物或水化物的组成以及添加剂的吸附程度。但是﹐对各种因素的影响程度一般不可预见。最佳的pH值往往要通过试验决定。在含有络合剂离子的镀液中﹐pH值可能影响存在的的各种络合物的平衡﹐因而必须根据浓度来考虑。电镀过程中﹐若pH值增大﹐则阴极效率比阳极效率高﹐pH值减少则反之。通过加入缓冲剂可以将pH值稳定在一定范围。

2.添加剂的影响

    镀液中的光亮剂﹐整平剂﹐润湿剂等添加剂能明显改善镀层组织。对此添加剂有无机和有机之分。无机添加剂起作用的原因是由于它们在电解液中形成高分散度的氢氧化物或硫化物胶体﹐吸附在阴极表面阻碍金属析出﹐提高阴极极化作用。有机添加剂起作用的原因是这类添加剂多为表面活性物质﹐它们会吸附在阴极表面形成一层附膜﹐阻碍金属析出﹐因而提高阴极极化作用。另外﹐某些有机添加剂在电解液中形成胶体﹐会与金属离子络合形成胶体-金属离子型络合物﹐阻碍金属离子放电而提高阴极极化作用。

3.电流密度的影响

    任何电镀都必须有一个能产生正常镀层的电流密度范围。当电流密度过低时﹐阴极极化作用较小﹐镀层桔晶粗大﹐甚至没有镀层。随着电流密度的增加﹐阴极极化作用随着增加﹐镀层晶粒越来越细。当电流密度过高﹐超过极限电流密度时﹐镀层质量开始恶化﹐甚至出现海绵体﹐枝晶状﹐烧焦及发黑等。电流密度的变化的上限和下限是由电镀液的本性﹐浓度﹐温度和搅拌等因素决定的。一般情况下﹐主盐浓度增大﹐镀层温度升高﹐以及有搅拌的条件下﹐可以允许采用较大的电流密度。

4.电流波形的影响

    电流波形的影响是通过阴极电位和电流密度的变化来影响阴极沉积过程的﹐它进而影响镀层的组织结构﹐甚至成分﹐使镀层性能和外观发生变化。实践证明﹐三相全波整流和稳压直流相当﹐对镀层组织几乎没有什么影响﹐而其它波形则影响较大。

5.温度的影响

    镀液温度的升高能扩散加快﹐降低浓差极化﹐此外﹐升温还能使离子的脱水过程加快。离子和阴极表面活性增强﹐也降低了电化学极化﹐导致结晶变粗。另一方面﹐温度升高能增加盐类的溶解度﹐从而增加导电和分散能力﹔还可以提高电流密度上限﹐从而提高生产效率。

6.搅拌的影响

    搅拌可降低阴极极化﹐使晶粒变粗﹐但可提高电流密度﹐从而提高生产率。此外搅拌还可增强整平剂的效果。


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