电镀技术.ppt

材料知識-3電鍍的介紹2005.62005.6編製編製什麼是電鍍什麼是電鍍?n n電鍍為一種電解過程電鍍為一種電解過程,提供鍍層金屬的金屬片作用有提供鍍層金屬的金屬片作用有如陽極如陽極,電解液通常為鍍著金屬的離子溶液電解液通常為鍍著金屬的離子溶液,被鍍物作被鍍物作用則有如陰極用則有如陰極l l陽極與陰極間輸入電壓後陽極與陰極間輸入電壓後,吸引電解液中的金屬離子游吸引電解液中的金屬離子游至陰極至陰極,還原後即鍍著其上還原後即鍍著其上,同時陽極的金屬再溶解同時陽極的金屬再溶解,提供提供電解液更多的金屬離子電解液更多的金屬離子n n某情況下用不溶性陽極某情況下用不溶性陽極,電鍍時需添加電解液補充鍍電鍍時需添加電解液補充鍍著金屬離子著金屬離子n n一般泛指以電解還原反應在物體上鍍一層膜一般泛指以電解還原反應在物體上鍍一層膜n n目前使用種類目前使用種類:l l一般電鍍法一般電鍍法(electroplating)(electroplating)、複合電鍍、複合電鍍(composite(compositeplating)plating)、合金電鍍、合金電鍍(alloyplating)(alloyplating)、局部電鍍、局部電鍍(selective(selectiveplating)plating)、筆電鍍、筆電鍍(penplating)(penplating)等等n n由於電鍍表面具有保護兼裝飾效用由於電鍍表面具有保護兼裝飾效用;故廣被應用故廣被應用;也有也有少部分的電鍍提供其他特性少部分的電鍍提供其他特性l l諸如高導電性、高度光反射性或降低毒性諸如高導電性、高度光反射性或降低毒性,最常使用的最常使用的電鍍金屬為鎳、鉻、錫、銅、銀及金電鍍金屬為鎳、鉻、錫、銅、銀及金電鍍之目的電鍍之目的 n n電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層(deposit),改變基材表面性質或尺寸l l例如賦予金屬光澤美觀、物品的防例如賦予金屬光澤美觀、物品的防鏽、防止磨耗、提高鏽、防止磨耗、提高 導電度、潤滑導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化理之防止滲碳、氮化、尺寸錯誤或、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補磨耗之另件之修補 電鍍技術電鍍技術n n電鍍技術目前可電鍍之金屬約電鍍技術目前可電鍍之金屬約7070種種,合合金電鍍約金電鍍約1515種種l l經由水溶液電鍍的金屬有經由水溶液電鍍的金屬有銅銅、鎳鎳、鉻鉻、錫錫、鋅鋅、鎘鎘、鉛鉛、金金、鉑鉑、銀銀、鈷鈷、錳錳、銻銻、鉍、鉍、汞汞、鎵、鎵、銦銦、鉈、鉈、砷砷、硒硒、碲、碲、釙、銥、錸、釙、銥、錸、銠銠、鋨、鋨、鎢鎢等等等等l l由非水溶液電鍍之金屬有由非水溶液電鍍之金屬有鋰、鈉、鉀、鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鋁、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鋁、鈦鈦、鋯、鋯、鉬鉬、鑭、鑭、鍺鍺等等l l合金電鍍有合金電鍍有銅銅-錫錫(青銅青銅)、銅、銅-鋅鋅(白白.黃銅黃銅)、錫錫-鉛、銅鉛、銅-鎘、錫鎘、錫-鉛鉛-銻、錫銻、錫-鉛鉛-鋅、鎳鋅、鎳-錫、鎳錫、鎳-鈷、金合金鈷、金合金等等等等電鍍的基本知識包括下列幾項電鍍的基本知識包括下列幾項n n溶液性質溶液性質l l電解液的知識電解液的知識n n物質反應物質反應l l物質的化學知識物質的化學知識n n電化學電化學l l電能與化學能知識電能與化學能知識n n化學式化學式l l化學知識化學知識n n界面物理化學界面物理化學l l金屬與液體的接觸知識金屬與液體的接觸知識n n材料性質材料性質l l材料知識材料知識n n溶液的名詞解釋溶液的名詞解釋l l被溶解之物質稱之為溶質被溶解之物質稱之為溶質(solute)(solute)l l使溶質溶解之液體稱之溶劑使溶質溶解之液體稱之溶劑(solute)(solute)l l溶劑為水之溶液稱之水溶液溶劑為水之溶液稱之水溶液(aqueoussolution)(aqueoussolution)l l表表示溶質溶解於溶液中之量為濃度示溶質溶解於溶液中之量為濃度(concentration)(concentration)l l在一定量溶劑中在一定量溶劑中,溶質能溶解之最大量值稱之溶解溶質能溶解之最大量值稱之溶解度度(solubility)(solubility)l l達到溶解度值之溶液稱之為飽和溶液達到溶解度值之溶液稱之為飽和溶液(saturated(saturatedsolution)solution)l l反之為非飽和溶液反之為非飽和溶液(unsaturatedsolution)(unsaturatedsolution)l l溶液之濃度溶液之濃度,在工廠及作業現場在工廠及作業現場,使用易了解及便利使用易了解及便利的重量百分率濃度的重量百分率濃度(weightpercentage)(weightpercentage)l l另外常用的莫耳濃度另外常用的莫耳濃度(molalmolalconcentration)concentration)溶液溶液(solution)n n在電鍍處理過程中,有物理變化及化學變化l l例如研磨、乾燥等為物理反應例如研磨、乾燥等為物理反應n n電解過程有化學反應l l例如分解、附著等為化學反應例如分解、附著等為化學反應n n我們必須充份了解在處理過程中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響物質反應物質反應(reaction of matter)電化學電化學(electrochemistry)n n電鍍是一種電沉積電鍍是一種電沉積(electrodepositionelectrodeposition)過程過程,利用電解利用電解體體(electrolysis)(electrolysis)在電極在電極(electrode)(electrode)沉積金屬沉積金屬,它是屬於它是屬於電化學之應用的一支電化學之應用的一支n n電化學是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換電化學是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程過程n n電解質電解質(electrolyte)(electrolyte)例子例子NaClNaCl,也就是其溶液具有電解也就是其溶液具有電解性質之溶液性質之溶液(electrolyticsolutionelectrolyticsolution)它含有部份之離子它含有部份之離子(ions),(ions),經由此等離子之移動經由此等離子之移動(movement)(movement)而能導電而能導電n n帶陰電荷朝向陽極帶陰電荷朝向陽極(anode)(anode)移動稱之為陰離子移動稱之為陰離子(anion),(anion),帶正電荷朝向陰極帶正電荷朝向陰極(cathode)(cathode)移動移動(migrate)(migrate)者稱之為者稱之為陽離子陽離子(cationscations)n n這些帶電荷之粒子這些帶電荷之粒子(particles)(particles)稱之為離子稱之為離子(ions),(ions),放出放出電子產生氧化反應之電極稱之為陽極電子產生氧化反應之電極稱之為陽極(anode),(anode),得到電得到電子產生還元化應之電極稱之為陰極子產生還元化應之電極稱之為陰極(cathode)(cathode)n n整個反應過程稱之為電解整個反應過程稱之為電解(electrolysis)(electrolysis)電化學知識的種類電化學知識的種類n n電極電位電極電位電極電位電極電位(electrode potentials)(electrode potentials)n n標準電極電位標準電極電位標準電極電位標準電極電位(standard electrode potential)(standard electrode potential)n nNernstNernst 電位學說電位學說電位學說電位學說n n電極電位在熱力學的表示法電極電位在熱力學的表示法電極電位在熱力學的表示法電極電位在熱力學的表示法n n電極電位之意義電極電位之意義電極電位之意義電極電位之意義n n界面電性二重層界面電性二重層界面電性二重層界面電性二重層n n液間電位差液間電位差液間電位差液間電位差(liquid junction potential)(liquid junction potential)n n過電壓過電壓過電壓過電壓(overvoltageovervoltage)l l活化能過電壓活化能過電壓活化能過電壓活化能過電壓(activiationactiviation overvoltageovervoltage)l l濃度過電壓濃度過電壓濃度過電壓濃度過電壓(concentration(concentration overvoltageovervoltage)l l溶液電阻過電壓溶液電阻過電壓溶液電阻過電壓溶液電阻過電壓(solution resistance(solution resistance overvoltageovervoltage)l l電極鈍態膜過電壓電極鈍態膜過電壓電極鈍態膜過電壓電極鈍態膜過電壓(passivity(passivity overvoltageovervoltage)n n分解電壓分解電壓分解電壓分解電壓(decomposition potential)(decomposition potential)界面物理化學界面物理化學n n什麼是界面物理化學什麼是界面物理化學?l l表面處理過程中表面處理過程中,金屬會與水或液體接觸金屬會與水或液體接觸,例如水洗、酸浸、電鍍、塗裝、琺瑯等例如水洗、酸浸、電鍍、塗裝、琺瑯等l l要使金屬與液體作用要使金屬與液體作用,需金屬表面完全浸需金屬表面完全浸濕接觸濕接觸,若不能完全接觸若不能完全接觸,則表面處理將不則表面處理將不完全完全,無法達到表面處理的目的無法達到表面處理的目的l l所以金屬與液體接觸以介面物理化學性所以金屬與液體接觸以介面物理化學性質對表面處理有十分重要的意義質對表面處理有十分重要的意義n n界面物理化學知識界面物理化學知識l l表面張力及界面張力表面張力及界面張力l l界面活性劑界面活性劑材料性質材料性質n n表面處理工作人員必須對材料特性充份了解,表面處理的材料大多是金屬,所以首先要知道各種金屬的一般性質n n例如色澤、比重、比熱、溶點、降伏點、抗拉強度、延展性、硬度、導電度等電鍍的基本構成元素電鍍的基本構成元素n n外部電路外部電路,包含有交流電源、整流器、包含有交流電源、整流器、導線、可變電阻、電流計、電壓計導線、可變電阻、電流計、電壓計n n陰極、或鍍件陰極、或鍍件(work)(work)、掛具、掛具(rack)(rack)n n電鍍液電鍍液(bathsolution)(bathsolution)n n陽極陽極(anode)(anode)n n鍍槽鍍槽(platingtank)(platingtank)n n加熱或是冷卻器加熱或是冷卻器(heatingor(heatingorcollingcolling coil)coil)電鍍工廠設備電鍍工廠設備n n防酸之地板及水溝防酸之地板及水溝n n糟及預備糟糟及預備糟n n攪拌器攪拌器n n整流器或發電機整流器或發電機n n導電棒、陽極棒、陰極棒、掛具導電棒、陽極棒、陰極棒、掛具n n安培表、伏特表、安培小時表、電阻表安培表、伏特表、安培小時表、電阻表n n泵、過濾器及橡皮管電鍍槽用之蒸氣、電器泵、過濾器及橡皮管電鍍槽用之蒸氣、電器或瓦斯之加熱設備或瓦斯之加熱設備n n操作用之上下架桌子操作用之上下架桌子n n檢驗、包裝、輸送工件等各項設備、儀器檢驗、包裝、輸送工件等各項設備、儀器n n通風及排氣設備。通風及排氣設備。電鍍使用之電流電鍍使用之電流n n在電鍍中在電鍍中,一般都僅使用直流電流一般都僅使用直流電流n n交流電流因在反向電流時金屬沈積又再被溶交流電流因在反向電流時金屬沈積又再被溶解所以交流電流無法電沈積金屬解所以交流電流無法電沈積金屬n n直流電源是用直流發電機或交流電源經整流直流電源是用直流發電機或交流電源經整流器產生器產生n n直流電流是電子向一個方向流通直流電流是電子向一個方向流通,所以可以電所以可以電沈積金屬沈積金屬n n但在有些特殊情況會使用交流電流或其他種但在有些特殊情況會使用交流電流或其他種特殊電流特殊電流,用來改善陽極溶解消除鈍態膜、鍍用來改善陽極溶解消除鈍態膜、鍍層光層、降低鍍層內應力、鍍層分佈、或是層光層、降低鍍層內應力、鍍層分佈、或是用於電解清洗等用於電解清洗等電鍍溶液電鍍溶液又稱鍍浴又稱鍍浴(plating bath)n n電鍍溶液是一種含有金屬鹽及其他化電鍍溶液是一種含有金屬鹽及其他化學物之導電溶液學物之導電溶液,用來電沈積金屬用來電沈積金屬n n其主要類別可分酸性、中性及鹹性電其主要類別可分酸性、中性及鹹性電鍍溶液鍍溶液n n強酸鍍浴是強酸鍍浴是pHpH值低於的溶液值低於的溶液,通常是通常是金屬鹽加酸之溶液金屬鹽加酸之溶液,例如硫酸銅溶液例如硫酸銅溶液n n弱酸鍍浴是弱酸鍍浴是pHpH值在值在2 25.55.5之間鍍浴之間鍍浴,例例如鎳鍍浴如鎳鍍浴n n鹹性鍍浴其鹹性鍍浴其pHpH值超過之溶液值超過之溶液,例如氰例如氰化物鍍浴、錫酸鹽之錫鍍浴及各種焦化物鍍浴、錫酸鹽之錫鍍浴及各種焦磷酸鹽鍍浴磷酸鹽鍍浴 鍍浴的介紹鍍浴的介紹n n鍍浴的種類鍍浴的種類l l金屬鹽金屬鹽l l導電鹽導電鹽l l陽極溶解助劑陽極溶解助劑l l緩衝劑緩衝劑l l錯合劑錯合劑l l安定劑安定劑l l鍍層性質改良添加劑鍍層性質改良添加劑l l潤濕劑潤濕劑n n鍍浴的準備鍍浴的準備l l去除雜質去除雜質l l鍍浴的調整鍍浴的調整,如如:pH:pH值及溫度等值及溫度等n n鍍浴的維持鍍浴的維持l l化學分析法及化學分析法及HullHull試驗試驗電鍍之前處理電鍍之前處理n n電鍍前之處理電鍍前之處理,稱前處理稱前處理(pretreatment),(pretreatment),包包括下列過程括下列過程l l洗淨洗淨:去除金屬表面油質、脂肪、研磨劑、污泥去除金屬表面油質、脂肪、研磨劑、污泥;可用噴射、溶劑、浸沒或電解等洗淨法可用噴射、溶劑、浸沒或電解等洗淨法l l清洗清洗:用冷或熱水洗淨過程之殘留洗淨劑或污物用冷或熱水洗淨過程之殘留洗淨劑或污物l l酸浸酸浸:去除銹垢或其他氧化物膜去除銹垢或其他氧化物膜,要注意防止基材要注意防止基材被腐蝕或產生氫脆被腐蝕或產生氫脆;可加抑制劑以避免過度酸浸可加抑制劑以避免過度酸浸,酸浸完後要充份清洗酸浸完後要充份清洗l l活化活化:促進鍍層附著性促進鍍層附著性,可用各種酸溶液使金屬表可用各種酸溶液使金屬表面活化面活化l l漂清漂清:電鍍前立刻去除酸膜電鍍前立刻去除酸膜,然後電鍍然後電鍍 電鍍控制條件及影響因素電鍍控制條件及影響因素n n鍍液的組成鍍液的組成n n電流密度電流密度n n鍍液溫度鍍液溫度n n攪拌攪拌n n電流波形電流波形n n均一性均一性n n陽極形狀成份陽極形狀成份n n過濾過濾n npHpH值值n n時間時間n n極化極化n n覆蓋性覆蓋性n n導電度導電度n n電流效率電流效率n n氫過電壓氫過電壓n n電流分佈電流分佈n n金屬電位金屬電位n n電極材質及表面狀電極材質及表面狀況況n n浴電壓浴電壓鍍層要求項目鍍層要求項目n n依電鍍的目的鍍層必須具備某些特定的性質依電鍍的目的鍍層必須具備某些特定的性質,鍍層的基本要求有下列幾項鍍層的基本要求有下列幾項:l l密著性密著性(adhesion)(adhesion)、緻密性、緻密性(cohesion)(cohesion)、連續性、連續性(continuity)(continuity)、均一性、均一性(uniformity)(uniformity)、美觀性、美觀性(appearenceappearence)、應力、應力(stress)(stress)n n物理、化學機械特性物理、化學機械特性l l如硬度、延性、強度、導電性、傳熱性、反射性、如硬度、延性、強度、導電性、傳熱性、反射性、耐腐蝕性、顏色等耐腐蝕性、顏色等 n n鍍層的缺陷主要有鍍層的缺陷主要有:l l(1)(1)密著性不好密著性不好(2)(2)光澤和平滑性不佳光澤和平滑性不佳(3)(3)均一性不均一性不良良(4)(4)變色變色(5)(5)斑點斑點(6)(6)粗糙粗糙(7)(7)小孔小孔 n n缺陷產生的原因有缺陷產生的原因有:l l(1)(1)材質不良材質不良(2)(2)電鍍管理不好電鍍管理不好(3)(3)電鍍工程不完全電鍍工程不完全(4)(4)電鍍過程之水洗、乾燥不良電鍍過程之水洗、乾燥不良(5)(5)前處理不完善前處理不完善 產業現況分析產業現況分析-1n n鍍業經營的歷史可追溯至台灣早期外銷的雨鍍業經營的歷史可追溯至台灣早期外銷的雨傘、腳踏車、五金零件等傘、腳踏車、五金零件等,直到近來的鐘錶、直到近來的鐘錶、相機、電路板、電子零件、資訊產品等相機、電路板、電子零件、資訊產品等,因此因此可說源遠流長可說源遠流長,而且隨著工業的轉型而變化而且隨著工業的轉型而變化n n根據調查結果的分析根據調查結果的分析,全部工廠的平均廠齡為全部工廠的平均廠齡為 15.815.8年年n n由此可見由此可見,約有半數的工廠已設立約有半數的工廠已設立10102020年年(52.1%),(52.1%),而而1010年以下與年以下與 2020年以上者分別佔年以上者分別佔 25.7%25.7%與與 22.1%22.1%n n同時同時,值得注意者為廠齡值得注意者為廠齡 22年以內的工廠只佔年以內的工廠只佔 0.7%,0.7%,亦即新設的工廠非常少亦即新設的工廠非常少,顯見投資者與顯見投資者與創業者對電鍍業裹足不前的現象創業者對電鍍業裹足不前的現象 產業現況分析產業現況分析-2n n由於電鍍業者係以代客電鍍為主由於電鍍業者係以代客電鍍為主,因此電鍍產因此電鍍產品就和需要電鍍加工的工業習習相關品就和需要電鍍加工的工業習習相關n n雖然業者大多採專業經營與協力廠商的型態雖然業者大多採專業經營與協力廠商的型態,但仍有不少業者並非屬於單一產品的廠家但仍有不少業者並非屬於單一產品的廠家,而而可進行多種產品的電鍍加工可進行多種產品的電鍍加工n n根據調查結果根據調查結果,國內業者經營各項電鍍目前最國內業者經營各項電鍍目前最主要的三大電鍍產品類別為五金器材主要的三大電鍍產品類別為五金器材(60.3%)(60.3%)、電子零件、電子零件(39.0%)(39.0%)與車輛零件與車輛零件(37.5%),(37.5%),其次則為工具儀器其次則為工具儀器(16.9%)(16.9%)、照明、照明燈飾燈飾(14.0%)(14.0%)與文具禮品與文具禮品(13.2%)(13.2%)產業現況分析產業現況分析-3n n一個產業中所有工廠的營業額總合即為該業的產值一個產業中所有工廠的營業額總合即為該業的產值,此為衡此為衡量該種產業重要性的主要指標之一量該種產業重要性的主要指標之一n n依據調查結果分析依據調查結果分析,各電鍍廠的營業額分佈情形為各電鍍廠的營業額分佈情形為 500500萬元萬元以下的工廠佔以下的工廠佔14.0%,50014.0%,500990990萬元佔萬元佔11.0%,1,00011.0%,1,0004,9004,900萬元佔萬元佔 55.9%,5,00055.9%,5,0009,9009,900萬元佔萬元佔 10.3%,10,00010.3%,10,00049,00049,000萬元佔萬元佔8.1%,8.1%,而而50,00050,000萬元以上佔萬元以上佔 0.7%,0.7%,由此結果可知由此結果可知,約有約有半數工廠的年營業額為一千萬至五千萬之間半數工廠的年營業額為一千萬至五千萬之間,而在五千萬元而在五千萬元以下的工廠約佔以下的工廠約佔80%,80%,一億元以上者有一億元以上者有 8.8%,8.8%,全部樣本的年全部樣本的年營業額平均值約為營業額平均值約為 5,5005,500萬元萬元,若以全台灣地區若以全台灣地區1,5001,500家工家工廠推算廠推算,則電鍍工業的產值為則電鍍工業的產值為 830830億元億元n n此外此外,在本次調查中亦請各電鍍廠估算最近三年在本次調查中亦請各電鍍廠估算最近三年(82(828484年年)的年營業額變化情形的年營業額變化情形,其中有其中有 53.7%53.7%的業者呈現下降現象的業者呈現下降現象,但但是也有是也有46.3%46.3%的業者表示業績上升的業者表示業績上升n n此種半萎縮，半成長的狀態此種半萎縮，半成長的狀態,可見電鍍業非全為夕陽工業可見電鍍業非全為夕陽工業,只只是隨國內產業結構、工業轉型、社會變遷呈劇烈動盪是隨國內產業結構、工業轉型、社會變遷呈劇烈動盪n n同時營業額衰退的業者只要能學習業績較佳者的經營型態同時營業額衰退的業者只要能學習業績較佳者的經營型態,仍有反虧為盈的機會仍有反虧為盈的機會錫錫(Sn)的性質的性質(1)原子量:118.69.(2)原子序:50.(3)熔點:231.9(4)沸點:2270(5)密度:5.77(灰錫aSn)7.29(白錫bSn)(6)電阻:11.5mW(7)導電度:15%IACS(8)強度:14MPa(9)硬度:Brinell硬度10kg,20硫酸浴SnSo45469g/l硫酸10075g/l甲酚磺酸C7H6OH.HSO3100120g/lB-柰酚11.25g/l凝膠22.5g/l浴溫25金金(Au)的性質的性質1.原子序:792.原子量:196.96654.熔點:10635.沸點:28096.密度:19.302g/cm7.電組:2.06-cm8.抗拉強度:124MPA9.硬度:25Vickers10.標準電位:+1.6812.金是一種帶有黃色金屬,是最軟化金屬之一,有最大的延性及可鍛性13.金優良導電性,不易腐蝕生鏽,長期使用確保電開關及接點倒電做用14.金有優良的紅外線反射性15.金的抗酸性強,可抵抗大多數酸侵蝕,只有王水才可溶解它,氰酸在沒有氧下反應非常慢,但含氧則反應變快,磷酸不做用,硫酸250以下不作用,氫氟酸在沒有氧化劑下不做用,鹽酸在沸點下不做用,硝酸落沒有鹵素則不會作用,晒酸是惟一的單酸能和金作用16.金可抵抗堿金屬的之氫氧化物及碳酸化物在任何溫度下作用,但堿金屬之氰化物溶液在含有氧下會溶解金17.熔融過氧化訥及氰化物會腐蝕金,其他非氧化性鹽類及硝酸鹽類則否18.汞及汞鹽會與金作用,要避免接觸防止金合金應力脆裂鍍金氰化金鉀氰化鉀碳酸鉀碳酸氫二鉀