电镀、电刷镀与化学镀.ppt

1 电镀 2 电刷镀 电镀技术 1 2 第一部分 电镀技术 w 1 电镀的基本概念 w 2 电镀的基本原理与工艺 w 3 常用单金属电镀 w 4 合金电镀 3 1 电镀的基本概念 w 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 在基体表面上获得 结合牢固的金属膜的表面工程技 术 w 电镀具有工艺设备简单 操作方 便 加工成本低 操作温度低等 特点 是表面工程技术中最常用 的方法之一 4 不同溶液和工艺参数下得到的镀层 性能和 用途也不同 按镀层的性能可将其分为三类 w 1 防护性镀层 在大气或其它环境下 可延缓基体金属发生腐蚀的镀层 如 钢铁基体上的锌和锌合金镀层 镉镀层 等 w 2 防护装饰性镀层 在大气环境中 既 可减缓基体金属的腐蚀 又起到装饰作 用的镀层 如 多层镍 铬 铜 镍 铬 铜 锡 铬 镍 钢 镍 铬等 5 3 功能性镀层 w 能明显改善基体金属的某些特性的镀层 包括 耐磨镀层 如镀硬铬 减摩镀层 如铅 锡 合金 锡 钴 锡合金 银 锡合金等 导电镀层 如银 金 金 钴合金等 导磁 镀层 如镍 铁合金 镍 钻合金 镍 磷合金 镍一钴 磷合金等 钎焊性镀层 如锡 铅合金 锡 铈合金等 w 其它功能性镀层还有吸热镀层 反光镀层 防 渗镀层 抗氧化镀层 耐酸镀层等 6 2 电镀的基本原理与工艺 7 一 电镀溶液的基本组成 w1 主盐 w2 络合剂 w3 附加盐 w4 缓冲剂 w5 阳极活化剂 w6 添加剂 8 1 主盐 w 是指镀液中能在阴极上沉积出来所要求 镀层金属的盐 用于提供金属离子 w 镀液中主盐浓度必须在一个合适的范围 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 9 2 络合剂 w 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 w 因此 要采用络合离子的镀液 络合离子能络 合主盐中的金属离子形成络合物 络合物是由 简单化合物相互作用而形成的 分子化合物 w 络合离子中 中心离子占据中心位置 配位体 配位于中心离子的周围 由于中心离子与配位 体结合牢固 络合离子在溶液中离解程度不大 仅部分离解 它比简单离子稳定 在电解液 中有较大的阴极极化作用 10 3 附加盐 w 指电镀液中除主盐外的某些碱金属或碱 土金属盐类 w 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 w 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 11 4 缓冲剂 w 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 弱酸盐或弱 碱 弱碱盐组成的 能使溶液在遇到碱 或酸时 溶液的pH值变化幅度缩小 w 任何缓冲剂都只在一定的pH值范围内才 有较好的缓冲作用 超过了pH值范围 它的缓冲作用较差或没有缓冲作用 12 5 阳极活化剂 w 镀液中能促进阳极活化的物质称为阳极 活化剂 w 阳极活化剂的作用能提高阳极开始钝化 时的电流密度 从而保证阳极处于活化 状态而能正常溶解 13 6 添加剂 w 是指不会明显改变镀层导电性 而能显 著改善镀层性能的物质 w 根据在镀剂中所取的作用 添加剂可分 为 光亮剂 整平剂 润湿剂和抑雾剂 等 14 二 电镀反应 w 图6 1是电镀过程原理图 被 镀的零件为阴极 与直流电 源的负极相连 金属阳极与 直流电源的正极联接 阳极 与阴极均浸入镀液中 w 当在阴阳两极间施加一定电 压时 则在阴极发生还原反 应 即从镀液内部扩散到电 极和镀液界面上的金属离子 Mn 从阴极上获得n个电子 被还原成金属M 15 1 阴极反应与阳极反应 w 即阴极反应为 w 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离子的溶解 释放 n个电子而生成金属离子Mn w 因此 阳极反应为 w 上述电极反应是电镀反应中最基本的反应 这 类由电子直接参加的化学反应 称为电化学反 应 16 四 影响镀层质量的因素 1 镀液的影响 2 电镀规范的影响 3 析氢的影响 4 基体金属的影响 17 1 镀液的影响 w 依据金属离子的存在形式可把电镀溶液 分为简单盐镀液和络合物镀液 w 简单盐镀液 一般来说 主要金属离子为 简单离子的镀液 其阴极极化作用不大 镀层的结晶较粗 镀液的分散能力较 差 w 络合物镀液 阴极极化作用较大 所得镀 层结晶细致紧密 镀液的分散能力也较 好 18 主盐浓度的影响 w 镀液中的主盐浓度高时 电沉积过程中 的浓差极化小 晶核形成速度降低 长 大速度快 所得镀层晶粒较粗 这种影 响在简单盐镀液中尤为明显 w 主盐浓度过低时 尽管对提高镀液的分 散能力有利 但镀液允许的电流密度小 此时 镀液中的导电盐可提高其导电 性 增加阴极极化 对获得结晶细致的 镀层有利 19 镀液中杂质离子的影响 w 在生产过程中 由于零件的进出而带入水 带 出溶液 阴极和阳极上的化学反应导致溶液中 各主要成分间的比例 镀液的pH值 添加剂 的含量等在不断变化 w 阳极和阴极非导电区的溶解造成镀液中杂质离 子的不断积累 这些因素都会对镀层的性能产 生不利影响 w 因而对电镀溶液要加强维护与管理 特别是要 定期分析和调整各组分的含量 对溶液采取连 续过滤 定期分析和除杂处理 20 2 电镀规范的影响 w 任何一种电镀溶液 对其操作温度和允许使用 的阴极电流密度都有一定的限制 w 而温度和电流密度间又存在相互影响 升高镀 液温度有利于提高离子的扩散速度 加快向放 电形式的转化 因而将使镀层晶粒变粗 w 提高电流密度 必然增大阴极极化作用 使镀 层致密 沉积速度加快 但过高的浓差极化会 导致边角部位镀层变粗乃致烧焦 21 w 对某些镀液 使用的电流波形对镀层的 质量有显著的影响 w 而周期性地改变直流电流的方向 可去 除镀层上的毛刺等 使镀层均匀 平整 光亮 但它仅使用于对杂质不太敏感 的镀液 w 搅拌可使电解液产生流动 有利于提高 阴极的允许电流密度 提高生产效率 但将使镀层结晶变粗 22 3 析氢的影响 w 在任何一种电解液中 在金属电沉积的同时都 存在有氢离子的放电并析出氢气 w 析出的氢有时会进入镀层或基体金属体内 使 金属的晶格歪扭 内应力增大 从而导致镀层 脱落或使镀件脆裂 w 吸附在基体金属内的氢 在镀件的存放或使用 过程中 由于环境温度的升高 会慢慢从基体 中释放出来而导致镀层鼓泡 w 而氢气在阴极上析出时 经常呈气泡状粘附在 阴极的表面 从而阻止金属在这些地方的沉积 产生针孔 23 4 基体金属的影响 w 基体金属的化学性质与其和镀层之间结合力 密切相关 在某些电解液中 如果基体金属的 电位负于镀层金属 若不用其它镀层过渡 就 不容易获得结合力良好的镀层 w 铸造件和粉末冶金件的表面往往是凹凸不平且 多孔的 零件内孔易积留预处理的溶液 镀件 表面经过一段时间会出现黑色的斑点 w 此外 零件在电镀前的脱脂 除锈是否彻底 也将严重影响镀层的性能 24 三 电镀的工艺过程 w通常 电镀的工艺过程包括 w镀前处理 w电镀 w镀后处理三大步 25 26 27 镀前处理 w镀前处理包括抛光或打磨 脱脂 除锈 活化等多道工序 w镀前处理质量直接影响到镀层与 基体间的结合力和镀层的完整性 28 镀后处理 w 镀后处理则关系到镀层的防护性和装饰 性效果 镀后处理包括钝化和浸膜 w 钝化是在新镀出的镀层表面人为地形成 一层致密的氧化物膜 使镀层金属与空 气隔绝 以提高镀层的防护性和装饰性 w 浸膜是在镀后的零件表面浸涂一层有机 或无机高分子膜 以提高镀层的防护性 和装饰性 29 3 常用单金属电镀 w一 镀锌 w 锌是一种银白色的两性金属 相对原子 质量是65 38 密度为7 17g cm3 熔点 420 锌的标准电极电位为 0 76V w 在大气环境中 纯锌表面易形成一层致 密的氧化物薄膜 该膜阻止了内层锌的 进一步氧化 使它在空气中的稳定性大 大提高 30 镀锌层的特点 w 锌镀层纯度很高 属阳极性镀层 锌层对 钢铁基体在起到机械保护作用的同时 还 可以起到电化学保护作用 w 此外 锌在地球上的蕴藏量较丰富 而且 提炼方便 w 因此 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 约占总电镀量的的60 31 镀锌层的防护能力与 镀层厚度有关 w 镀层越厚 防护性越强 通常镀锌层分 为三级 w 一级镀锌层的厚度在25um以上 主要用 于军工行业 w 二级镀锌层的厚度为15 20um 主要用 于机械 轻工等产品 w 三级镀锌层的厚度为8 10um 在五金 电子 仪器仪表等行业应用最为普遍 32 镀锌溶液分为碱性镀液 中性或弱酸 性镀液和酸性镀液三类 w 碱性镀液有氰化物镀锌 锌酸盐镀锌 焦磷酸盐镀锌等 w 中性或弱酸性镀液有氯化物镀锌 硫酸 盐镀锌等 w 酸性镀锌有硫酸盐镀锌 氯化物镀锌等 其中以氰化物镀锌 锌酸盐镀锌 氯 化物镀锌 硫酸盐镀锌最为常用 33 镀锌层的钝化处理 w 为了进一步提高镀锌层的防护能力 同时 使其外观更具装饰性 通常要在其表面人 为地形成一层致密的氧化膜 这一过程即 称之为钝化处理 或称铬酸盐处理 w 钝化处理的溶液以六价铬为主要成分 辅 之以其它的无机酸或其盐 改变钝化溶液 的辅助成分及其浓度 可以得到白色或蓝 白色 彩色 黑色 绿色等色调的钝化膜 34 w 这种钝化膜有六价铬 三价铬 锌离子 等成分组成 具有一定的憎水性 w 钝化膜中的六价铬在膜层受损时可对受 损部位进行再钝化 使钝化膜恢复完整 w 因此 经过钝化后的镀锌层的防护性较 裸锌层有很大提高 因钝化膜的厚度不 同 其提高的程度也不相同 一般为3 8倍 35 二 镀铬 w 铬是稍带蓝色的银白色金属 铬的原子 量为52 电解镀的密度为6 9 7 l g cm3 熔点1890 硬度750 1050HV 铬 未钝化时的标准电极电位为 0 74V 比 铁负 w 但铬在空气中表面极易钝化 钝化后的 电位为 1 36V w 因此 对钢铁基体而言 铬镀层属阴极 性镀层 仅能起到机械保护作用 36 按照镀铬层的用途可将镀铬分为 装饰性镀铬和功能性镀铬两种 w 装饰性镀铬是在光亮的底层上镀上0 25 2um的铬层 以提高零件的装饰性 底层一般是经抛光或电沉积的光亮镀层 如铜一锡合金 光亮镍层等 w 该镀铬层广泛应用于仪器 仪表 日用 五金 家用电器 飞机 汽车 摩托车 自行车等的外露部件上 37 功能性镀铬 w 功能性镀铬则包括镀硬格 松孔铬 多孔铬 黑铬 乳白铬等 w 硬铬层主要用于各种测量卡 量规 切削工具 和各种类型的轴上 利用硬铬层的表面硬度来 提高其使用寿命 w 松孔铬主要用于内燃机气缸内腔 活塞环等上 利用其微孔中夹入的润滑油来提高零件的耐 磨性 w 黑铬则用于需要消光而又耐磨的零件上 如航 空仪表 光学仪器 照相器材等 w 乳白格主要用于各种量具上 38 三 镀金 w 金是一种黄色金属 具有极高的化学稳 定性 w 金原子有一价和三价两种价态 一价金 的标准电位为 1 68V 三价金的标准电 位为 1 50V w 对钢 铜 银及其合金而言 金镀层为 阴极性保护镀层 39 40 w 金镀层具有极好的耐蚀性 导电性和抗 高温性 它广泛应用于精密仪器仪表 印制线路板 集成电器 电子管壳 电 接点等 要求电参数性能长期稳定的零 件上 w 此外 首饰 钟表零件 艺术品等的镀 层 也占有相当的比例 41 w 工业上常用的镀金溶液有碱性氰化物镀 液 酸性 中性镀液等 比较而言 使 用最普遍的还是氰化物镀液 w 在工业化生产中 为了降低零件的造价 节约生产成本 提高金镀层的装饰性 效果如光亮度 整平性等 一般在镀金 前需镀上一层或多层底层 作为镀金层 的底层 使用最多的是光亮镍层 42 三 合金镀层及其应用 w 迄今为止 国内外已研究的电镀合金已 超过240种 但在生产上实际应用的还不 到40种 w 根据合金镀层的特性及其应用范围 合 金镀层一般被分。