电镀及化学镀.ppt

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1、电镀及化学镀现在学习的是第1页，共50页参考书目-11.77.8/8067 表面工程学 曾晓雁2.77.8/8344 现代表面技术 钱苗根3.77.8/0234 金属表面工程学 刘江南4.71.22/4404 材料表面工程导论 赵文轸 5.77.8/4084 防腐蚀表面工程技术 李金桂 6.77.8/4423 现代表面工程技术 董 允 7.77.8/3161 实用表面工程技术 谭昌瑶 8.77.8/4339 现代材料表面技术科学 戴达煌 9.77.8073/8344 材料表面技术及其应用手册 钱苗根10.77.8073/5542 表面工程手册 曲敬信11.77.8073/4064 表面工程手册

2、 李国英 现在学习的是第2页，共50页第一章 电镀及化学镀技术1.1 电镀的基本知识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 化学镀现在学习的是第3页，共50页1.1 电镀的基本知识 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,在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面技术1。1.1.2 电镀装置 图1-1为电镀装置示意图,它由三部分组成:（1）外电路 供给电能的直流电源和联 结电极的导线。现在学习的是第4页，共50页 （2）电镀溶液及电镀槽（3）电极 进行电镀时，电流

3、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 电解液现在学习的是第5页，共50页 1.1.3 电极反应 因为电子一般不能自由进入水溶液,所以要使电流能在整个回路通过，必须在两个电极的金属溶液界面处发生有电子参与的化学反应，这就是电极反应。当在阴阳极间施加一定电压时，则在阴极发生如下反应：镀液中金属离子Mn+从阴极上获得n个电子被还原成金属M,称之为还原反应，即:Mn+ne M 另一方面，在阳极上发生与阴极完全相反的反应：阳极界面上金属M发生溶解，释放n个电子生成金属离子Mn+，称之为氧化反应，即:M -ne Mn

4、+现在学习的是第6页，共50页 1.1.4 电解定律 （1）法拉第定律 因为电流通过金属_溶液界面时伴随有电极反应,所以通过电镀槽的电量和析出(或溶解)物质的量之间有一定的关系。这种关系就是法拉第定律。它可描述为：a.电流通过电解质溶液时，在电极上析出或溶解物质的量（m）与通过的电量（Q）成正比。即 m=cQ=cIt c-比例常数，即电化当量 I-电流强度 t-通电时间 现在学习的是第7页，共50页 b.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）

5、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应发生的缘故，如H+可以在电极上还原，消耗了部分电荷。因此存在一个电流效率问题，它定义为：=m/m 100%现在学习的是第8页，共50页 m-阴极上实际析出金属的质量；m-理论上应析出的质量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，反应粒子（金属离子或络离子）在阴极表面发生还原反应并生成新相金属的过程。亦称为电结晶过程。（1）金属离子还原析出的可能性 在一定的电流密度下金属离子进行阴极还原时，其析出电位等于它的平衡电位与过电位之和

6、，即：=平+现在学习的是第9页，共50页 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、易还原的阴离子等多种离子的竟争还原反应，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。换句话说，金属离子在水溶液中能否还原，不仅取决于其本身的电化学性能，还取决于氢离子等在电极上的还原电位或沉积电位。现在学习的是第10页，共50页 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

7、金属离子还原过程的可能性（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，现在学习的是第11页，共50页 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)电化学还原步骤 c)电结晶步骤现在学习的是第12页，共50页 电沉积的速度是由以上三步骤中最

8、迟缓的一步决定的，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。在镀液中加入络合剂、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。现在学习的是第13页，共50页 电结晶是指还原得到的金属原子在基体金属表面，按一定规律排列成新晶体的过程。金属的电结晶过程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；而阴极的过电位则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

9、；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表面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。现在学习的是第14页，共50页 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、棱锥状等基本类型。在特定条件下，也会

10、出现择优取向，形成织构。现在学习的是第15页，共50页 1.1.6 电镀溶液的基本组成2 （1）主盐 （2）络合剂 （3）附加盐 （4）缓冲剂 （5）阳极活化剂 （6）添加剂现在学习的是第16页，共50页 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表面，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。镀后处理则关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 现在学习的是第

11、17页，共50页 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 杂质的影响现在学习的是第18页，共50页 电流密度 电流波形 （2）电镀规范的影响 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 现在学习的是第19页，共50页 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 外观现在学习的是第20页，共50页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

12、.17g/cm3,熔点为419.5C,锌的标准电极电位为-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。纯锌在干燥空气中较稳定,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。现在学习的是第21页，共50页 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。镀锌溶液种类镀锌溶液种类5：（1）碱性镀液：氰化物镀锌、锌酸

13、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 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。现在学习的是第22页，共50页 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

14、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，以增加导电性、润湿性。常用的镀铜液有氰化镀铜、硫酸盐镀铜5，7 现在学习的是第23页，共50页 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、

15、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。现在学习的是第24页，共50页 1.2.4 其它1,5,7 铬 锡 银 金 现在学习的是第25页，共50页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。现在学习的是第26页，共50页 1.3.1 合金电镀的基本原理

16、（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)选择合适的金属离子价态 （b）改变金属离子的浓度 （c）采用络合剂 （d）加入适当的添加剂 现在学习的是第27页，共50页 1.3.2 合金共沉积的类型2，4，5（1）正则共沉积 过程受扩散控制（2）非正则共沉积 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 的诱导下析出现在学习的是第28页，共50页 1.3.3

17、 合金镀层及应用1，2，5，6现在学习的是第29页，共50页1.4 复合电镀1,4,5,6 在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体粒，并使其与主体金属共沉积在基体表面，或把长纤维埋入或卷缠于基体表面后沉积金属，形成一层金属基的表面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。现在学习的是第30页，共50页1.4.1 复合镀层的沉积机理5固体微粒与金属离子的共沉积经历下列几个步骤：（1）搅拌镀液使微粒向阴极表面迁移并与之碰撞 （2）微粒一端进入阴极表面的双电层内，在静电 场作用下被吸附 （3）在重力和搅拌力作用下，部分微粒脱离，并 在一定条件下脱离与吸附达到动平衡

18、 （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 现在学习的是第31页，共50页1.4.2 复合镀层种类及应用4,6,5,1（1）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）耐蚀复合镀层4,6：Fe-Ni-Cr（4）耐高温复合镀层6：Co-Cr3C2 现在学习的是第32页，共50页1.5 非金属电镀1,7 随着科学技术的不断发展，各种非金属材料在

19、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 在非金属零件表面电镀上金属层可以达到目的。非金属电镀的核心问题是基体表面的金属化，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。现在学习的是第33页，共50页1.6 化学镀 1,2,4-6 化学镀是指在无外加电流的情况下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原并沉积在基体上形成镀层的一种表面技术。与电镀不同，化学镀过程不需要整流电源和阳极，金属沉积仅在零件表面进行，镀液中的金属离子是依靠得到由还原剂提供的电子而还原成相应的

20、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 表面可以获得厚度均匀、空隙率低、对现在学习的是第34页，共50页 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应过程，它只在具有催化作用的表面上发生，如果沉积金属本身就是反应的催化剂，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。如果在催化表面上沉积的金属本身不能作为反应的催化剂，一旦催化表面被沉积金属覆盖，沉积反应就会自动停止，所以只能获得有限厚度的镀层。由于在化学镀过程中，还原剂参与了整个化学沉积过程，并有少量沉积于镀层中，因

21、而镀层现在学习的是第35页，共50页 实际是合金组成。还原剂是化学镀溶液中的主要成分之一，除应具有较强的还原作用外，还应不使催化剂中毒。常用化学镀还原剂有次磷酸盐、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。现在学习的是第36页，共50页1.6.1 化学镀镍（1）化学镀镍的基本原理 （a）化学镀镍的氧化还原反应：H2PO2-

22、+H2O H+HPO32-+2H Ni2+2H Ni +2H+H2 PO2-+H P +H2O +OH （b）化学镀镍镀液成分：镍盐、次磷酸盐、络合剂、稳定剂、缓冲剂等。（2）化学镀镍层的组织结构6 （a）磷含量对化学镀NiP合金结构的影响现在学习的是第37页，共50页 随着磷含量的增加，其结构变化过程为：晶态 晶态+微晶 微晶 微晶+非晶 非晶 4.5%56%67%78%9%（b）热处理对结构的影响 对于含磷量 8%以上的镀层进行热处理，镀层发 生非晶态向晶态的转变而形成Ni3P 沉淀，从而 导致弥散硬化。（c）还原剂的影响 采用次磷酸盐作还原剂，得到的是Ni-P(412%)合金；若用硼氢化

23、物或胺基硼烷作还原剂，则得 到的是Ni-B(0.25%)合金。现在学习的是第38页，共50页（3）化学镀镍的应用5,6 (a)在模具工业中的应用 （b)在石油化学工业中的应用 (c)在汽车工业中的应用 (d)在电子和计算机工业中的应用 现在学习的是第39页，共50页 1.6.2 化学镀铜1,2,5 化学镀铜主要是为了在非导体材料表面形成导电层而采用的。印刷线路板孔金属化和塑料电镀前的化学镀铜，已在工业上得到广泛应用。化学镀铜层的物理化学性质与电镀所得的铜层基本相似。（1）化学镀铜的溶液组成 主盐、还原剂、络合剂、稳定剂、添加剂。通常主盐采用硫酸铜；还原剂采用甲醛；络合剂用酒石酸盐。现在学习的是第40页，共50页（2）化学镀铜的还原反应 Cu2+2HCHO+4OH-Cu+H2+2H2O+2HCOO-（3）化学镀铜的应用5现在学习的是第41页，共50页 图图1-1电镀装置示意电镀装置示意现在学习的是第42页，共50页图图1-2 电镀电路图电镀电路图 现在学习的是第43页，共50页表表1-1 金属离子还原的可能性金属离子还原的可能性现在学习的是第44页，共50页现在学习的是第45页，共50页现在学习的是第46页，共50页现在学习的是第47页，共50页现在学习的是第48页，共50页现在学习的是第49页，共50页现在学习的是第50页，共50页