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1、2023/7/20,1,第二章 电镀,2023/7/20,2,电镀原理：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，形成镀层.目的：改善材料外观，提高材料的各种物理化学性能，赋予材料表面特殊的耐蚀性、耐磨性、装饰性、焊接性及电、磁、光学性能等。镀层厚度：一般为几微米到几十微米。特点：电镀工艺设备较简单，操作条件易于控制，镀层材料广泛，成本较低，因而在工业中广泛应用，是材料表面处理的重要方法。,2023/7/20,3,锁具、灯饰与装饰五金的电镀锁具、灯饰、装饰五金的电镀加工约有4050%出口美国、西欧等地，高档锁具的电镀加工过去几乎
2、被广东中山小榄，以固力、华锋的大企制锁企业和温州的高档锁具、灯饰、装饰五金电镀所包揽。现在江苏的无锡、昆山；山东青岛等地都有高档加工。浙江的永康上升最快，经济发达地区、沿海地区，对国际市场电镀加工的需求了解快，反应快，因此对新镀种、新工艺接受快、实践也快，各种枪黑色、珍珠黑的合金，多类粒度的沙面镍、多种色调的电镀应用十分流行。锁具、灯饰、装饰五金件的基材大多为锌合金、钢铁件和铜件，还有非铁金属，如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前，必须经过特殊的活化和敏化处理。,典型电镀工艺如下：（一）ABS/PC塑料电镀工艺流程 除油 亲水预粗化（PC50%）粗化中和整面活化解胶化学沉镍镀焦铜
3、镀酸铜镀半亮镍镀高硫镍镀亮镍镀封镀铬（二）锌基合金压铸件抛光三氯乙烯除脂上挂化学除油水洗超声波清洗水洗电解除油水洗酸盐活化水洗预镀碱铜回收水洗H2SO4中和水洗焦磷酸盐镀铜回收水洗H2SO4活化水洗酸性光亮铜回收水洗a)或其他（b到e）a)镀黑镍（或枪黑）水洗干燥拉丝喷漆（红古铜）b)镀光亮镍回收水洗镀铬回收水洗干燥c)仿金回收水洗干燥喷漆干燥d)仿金回收水洗镀黑镍水洗干燥拉丝喷漆干燥（青古铜）e)镀珍珠镍水洗镀铬回收水洗干燥,（三）钢铁件（铜件）抛光超声波清洗上挂化学除油阴极电解除油阳极电解除油水洗盐酸活化水洗预镀碱铜回收水洗H2SO4中和水洗酸性光亮铜回收水洗H2SO4活化水洗（红古铜、镀
4、铬、仿金、青古铜、珍珠镍工艺与锌基合金件相同）（四）锌合金件：抛光三氯乙烯除脂上挂化学除油水洗超声波清洗水洗电解除油水洗 酸盐活化水洗预镀碱铜回收水洗H2SO4中和水洗焦磷酸镀铜回收水洗H2SO4活化水洗酸性光亮铜回收水洗干燥下挂抛光除腊水洗镀碱铜回收水洗H2SO4中和水洗镀光亮镍（有些要求高，也用多层Ni）回收水洗3镀铬回收水洗3干燥厚度要求：Cu 2025m Ni 1215m Cr 0.250.3m中性盐雾 96小时以上。,2023/7/20,6,2.1 镀层分类,镀层种类很多按使用性能可分为9种防护性镀层：例如锌、锌-镍、镍、镉、锡等镀层，作为耐大气及各种腐蚀环境的防腐蚀镀层。防护-装饰
5、性镀层：例如 Cu-Ni-Cr镀层等，既有装饰性，亦有防护性。装饰性镀层：例如Au及CuZn仿金镀层、黑铬、黑镍镀层等。耐磨和减磨镀层：例如硬铬，松孔镀，NiSiC，Ni-石墨，Ni-PTFE复合镀层等。,2023/7/20,7,电性能镀层：例如Au，Ag镀层等，既有高的导电率，又可防氧化，避免增加接触电阻。磁性能镀层：例如软磁性能镀层有Ni-Fe，Fe-Co镀层；硬磁性能有Co-P，Co-Ni，Co-Ni-P等。可焊性镀层：例如Sn-Pb，Cu，Sn，Ag等镀层。可改善可焊性，在电子工业中广泛应用。耐热镀层：例如Ni-W，Ni，Cr镀层，熔点高，耐高温。修复用镀层：一些造价较高的易磨损件，或
6、加工超差件，采用电镀修复尺寸，可节约成本，延长使用寿命。例如可电镀Ni，Cr，Fe层进行修复。,2023/7/20,8,若按镀层与基体金属之间的电化学性质可分为：阳极性镀层和阴极性镀层：凡镀层相对于基体金属的电位为负时，镀层是阳极，称阳极性镀层，如钢上的镀锌层。而镀层相对于基体金属的电位为正时，镀层呈阴极，称阴极性镀层，如钢上的镀镍层、镀锡层等。,2023/7/20,9,若按镀层的组合形式分，镀层可分为：单层镀层，如Zn或Cu层；多层金属镀层，例如Cu-Sn/Cr，CuNiCr镀层等；复合镀层，如 Ni-Al2O3，Co-SiC等。若按镀层成分分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层及复合镀层。,
7、2023/7/20,10,如何合理选用镀层,不同成分及不同组合方式的镀层具有不同的性能。如何合理选用镀层，其基本原则与通常的选材原则大致相似。首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役条件及使用性能要求，选用适当的镀层，还要按基材的种类和性质，选用相匹配的镀层。例如阳极性或阴极性镀层，特别是当镀层与不同金属零件接触时，更要考虑镀层与接触金属的电极电位差对耐蚀性的影响，或摩擦副是否匹配。另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层。例如铝合金镀镍层，镀后常需通过热处理提高结合力，若是时效强化铝合金，镀后热处理将会造成过时效。此外，要考虑镀覆工艺的经济性。,2023/7/20,11,2.2
8、 电镀的基本原理,电镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。从水溶液和有机溶液中电镀称为湿法电镀，从熔融盐中电镀称为熔融盐电镀。非水溶液、熔融盐电镀虽已部分获得工业化应用，但不普遍。,2023/7/20,12,2.2.1 电镀溶液,一种电镀溶液有固定的成分和含量要求，使之达到一定的化学平衡，具有所要求的电化学性能，才能获得良好的镀层。通常镀液由如下成分构成。1.主盐。沉积金属的盐类，有单盐，如硫酸铜、硫酸镍等；有络盐，如锌酸钠、氰锌酸钠等。2.配合剂。配合剂与沉积金属离子形成配合物，改变镀液的电化
9、学性质和金属离子沉积的电极过程，对镀层质量有很大影响，是镀液的重要成分。常用配合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、氨三乙酸、柠檬酸等。3.导电盐。其作用是提高镀液的导电能力，降低槽端电压提高工艺电流密度.例如镀镍液中加入Na2SO4。导电盐不参加电极反应，酸或碱类也可作为导电物质。,2023/7/20,13,4.缓冲剂。在弱酸或弱碱性镀液中，pH值是重要的工艺参量。加入缓冲剂，使镀液具有自行调节pH值能力，以便在施镀过程中保持pH值稳定。缓冲剂要有足够量才有较好的效果，一般加入3040gL，例如氯化钾镀锌溶液中的硼酸。5.阳极活化剂。在电镀过程中金属离子被不断消耗，多数镀液依靠可溶性阳
10、极来补充，使金属的阴极析出量与阳极溶解量相等，保持镀液成分平衡。加入活性剂能维持阳极活性状态，不会发生钝化，保持正常溶解反应。例如镀镍液中必须加入Cl-，以防止镍阳极钝化。,2023/7/20,14,6.镀液稳定剂。许多金属盐容易发生水解，而许多金属的氢氧化物是不溶性的。生成金属的氢氧化物沉淀，使溶液中的金属离子大量减少，电镀过程电流无法增大，镀层容易烧焦。7.特殊添加剂。为改善镀液性能和提高镀层质量，常需加入某种特殊添加剂。其加入量较少，一般只有几克每升，但效果显著。这类添加剂种类繁多，按其作用可分为：,2023/7/20,15,特殊添加剂,光亮剂可提高镀层的光亮度。晶粒细化剂能改变镀层的结
11、晶状况，细化晶粒，使镀层致密。例如锌酸盐镀锌液中，添加环氧氯丙烷与胺类的缩合物之类的添加剂，镀层就可从海绵状变为致密而光亮。整平剂可改善镀液微观分散能力，使基体显微粗糙表面变平整。润湿剂可以降低金属与溶液的界面张力，使镀层与基体更好地附着，减少针孔。应力消除剂可降低镀层应力。镀层硬化剂可提高镀层硬度。掩蔽剂可消除微量杂质的影响。,2023/7/20,16,2.2.2 金属的电镀过程,当直流电通过两电极及两极间含金属离子的电解液时，金属离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。如图所示，在硫酸铜溶液中插入两个铜板，并与直流电源相接，当施加一定电压时，两极就发生电化学反应。Cu2+(
12、溶液内部)Cu2+（阴极表面）Cu2+（阴极表面）+2e-Cu(金属),图 电镀槽中电化学反应示意图,2023/7/20,17,2.3 影响电镀层质量的基本因素,电镀层的质量体现于它的物理化学性能、力学性能、组织特征、表面特征、孔隙率、结合力和残余内应力等方面。这些特性除取决于镀层金属的本性外，还受到镀液、电镀规范、基体金属及前处理工艺等的影响。,2023/7/20,18,2.3.1 镀液的影响,镀液的各种成分对镀层质量都有直接和间接的影响。配离子的作用:配离子使阴极极化作用增强，所以镀层比较致密，镀液的分散能力也较好，整平能力较高。主盐浓度的影响:主盐浓度增大，浓差极化降低，导致结晶形核速率
13、降低，所得组织较粗大。这种作用在电化学极化不显著的单盐镀液中更为明显。附加盐的作用:除可提高镀液的电导性外，还可增强阴极极化能力，有利于获得细晶的镀层。添加剂的作用:添加剂在镀液中的作用有两种主要方式：其一，形成胶体吸附在金属离子上，阻碍金属离子放电，增大阴极极化作用；其二，吸附在阴极表面上，阻碍金属离子在阴极表面上放电，或阻碍放电离子的扩散，影响沉积结晶过程，并提高阴极极化作用。添加剂能改善镀层组织，表面形态，物理、化学和力学性能。,2023/7/20,19,2.3.2 电镀规范的影响,电流密度的影响:每种镀液有它最佳的电流密度范围。提高电流密度，必然增大阴极极化作用。使镀层致密，镀速升高。
14、但电流密度过大，镀层会被烧黑或烧焦；电流密度过低，镀层晶粒粗化，甚至不能沉积镀层。电流波形的影响:电流波形对镀层质量的影响，在某些镀液中非常明显。例如单相半波或全波整流用于镀铬时，镀铬层是灰黑色的。而三相全波整流的波形与稳压直流相似，它们的电镀效果和质量没有明显区别。,2023/7/20,20,周期换向电流的作用:周期性地改变直流电流方向可适当控制换向周期、电镀时间和退镀时间，可使镀层均匀、平整、光亮。因为退镀时，可去除劣质镀层和镀件凸出处较厚的镀层。温度的影响:通常温度升高，阴极极化作用降低，镀层结晶粗大；但允许提高电流密度上限，并使阴极电流效率提高，改善镀层韧性和镀液的分散能力，减少镀层吸
15、氢量。不同的镀液有其最佳温度范围。搅拌的影响：搅拌增强电解液的流动，降低阴极的浓差极化，使镀层结晶粗大，但搅拌允许提高电流密度，这可抵消降低浓差极化的作用，并提高生产率。搅拌还可增强整平剂的效果。,2023/7/20,21,2.3.3 pH值及析氢的影响,pH值的影响：镀液的pH值影响氢的放电电位，碱性夹杂物的沉淀，沉积金属的配合物或水化物的组成，以及添加剂的吸附程度。pH值对硬度和应力的影响，可能主要是通过夹杂物的性质和分布起作用的。析氢的影响：阴极上金属沉积时，总伴随着氢气的析出。氢气析出的原因是金属离子的沉积电位较负，或者氢的析出过电位较低。氢的析出对镀层质量的影响是多方面的，其中以氢脆
16、、针孔、起泡最为严重。,2023/7/20,22,2.3.4 基体金属对镀层的影响,基体金属性质的影响:镀层的结合力与基体金属的化学性质及晶体结构密切相关。如果基体金属电位负于沉积金属电位，就难以获得结合良好的镀层，甚至不能沉积。若材料（如不锈钢、铝等）易于钝化，不采取特殊活化措施也难以得到高结合力镀层。基体材料与沉积金属晶体结构相匹配时，利于结晶初期的外延生长，易得到高结合力的镀层。表面加工状态的影响:镀件表面过于粗糙、多孔、有裂纹，镀层亦粗糙。在气孔、裂纹区会产生黑色斑点，或鼓泡、剥落现象。铸铁表面的石墨有降低氢过电位的作用，氢易于在石墨位置析出，阻碍金属沉积。,2023/7/20,23,
17、2.3.5 前处理的影响,镀件电镀前，需对镀件表面作精整和清理，去除毛刺、夹砂、残渣。油脂、氧化皮、钝化膜，使基体金属露出洁净、活性的晶体表面。这样才能得到健全、致密、结合良好的镀层。前处理不当，将会导致镀层起皮、剥落、鼓泡、毛刺、发花等缺陷。,2023/7/20,24,2.4 合金电镀,两种或两种以上的元素共沉积所形成的镀层为合金镀层。通常其最小组分应大于1，而某些镀层，合金含量虽少于1，但对镀层性能影响大，也可称为合金镀层。电镀合金始于18351845年，与单金属电镀几乎是同时开始。最早的合金镀层是金、银等贵金属合金及CuZn合金（黄铜）。到目前已研究过的电镀合金体系已超过230多种，在工
18、业上获得应用的约有30余种，比单金属镀层种类多。由于合金镀层比单金属镀层具有许多独特而优异的性能，所以，长期以来，合金电镀一直是电镀技术的研究与开发的重点领域之一。,2023/7/20,25,2.4.1 电镀合金的特点,电沉积合金与热冶金合金相比有如下主要特点：（1）容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金，如Sn-Ni合金。（2）可获得热熔相图没有的合金，如-铜锡合金。（3）容易获得组织致密、性能优异的非晶态合金，如 Ni-P合金。（4）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,2023/7/20,26,合金镀层有如下主要特点：,与单金属镀层相比，合金镀层有如下主要特点：（1）合
19、金镀层结晶更细致，镀层更平整、光亮。（2）可以获得非晶结构镀层，如 Ni-P镀层。（3）合金镀层具有单金属所没有的特殊物理性能，例如导磁性、减摩性（自润滑性）、钎焊性。（4）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。但延展性和韧性通常有所降低。（5）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。（6）通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调的合金镀层，例如银合金、彩色镀镍及仿金合金等，具有更好的装饰效果。,2023/7/20,27,2.5 复合镀：是近二十多年才获得重大发展的新工艺,复合镀是将固体微粒子加入镀
20、液中与金属或合金共沉积，形成一种金属基的表面复合材料的过程。镀层中，固体微粒均匀弥散地分布在基体中，故又称为分散镀或弥散镀。任何金属镀层都可以成为复合镀层的基体材料，但研究和应用得较多的有镍、铜、铁、钴、铬、锌、银、金、铅、镍-磷、镍-硼、镍-铁、铝-锡、铜-锡等。固体微粒主要有金属氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等无机化合物分散剂，尼龙、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等有机分散剂，石墨以及不溶于镀液的金属粉末都可作分散剂。由于固体粒子的共沉积，赋予镀层一些特殊的功能，大大扩大了镀层的应用范围和效果。复合镀层可用电镀法和化学镀法获得，两种方法各有特点，近年都在蓬勃发展。,2023/7/20,28,2.5.
21、1 复合镀层的性能特点及应用,复合镀层的性能由镀层金属的特性和粒子特性共同决定。这里着重讨论由于粒子性质不同，引起镀层性能最明显变化的特点及其应用。1耐磨性镀层将硬质粒子加入到Ni，Co，Cr，Co-Ni，Ni-P，Ni-B等镀层中，可大幅度地提高金属或合金镀层的耐磨性，例如 Ni-P-SiC的耐磨性随SiC含量增加而迅速升高（即磨损量减少）.镀层的硬度随粒子含量及粒子硬度升高而升高。所以在耐磨性复合镀层中加入的粒子大多选用金刚石，WC，Al2O3，ZrO2，TiC,SiC，Cr3C2等粒子。这种高耐磨性复合镀层在中、高温条件下更显示其独特的耐磨性能。在航空、机械。汽车等工业中已被广泛应用。,
22、2023/7/20,29,2.5.2 减摩复合镀层,将剪切强度低,摩擦系数小的固体粒子加入到某些金属和合金中，可形成具有自润滑功能的减摩复合镀层。常用Ni，Cu，Pb等作基体金属，用石墨，氟化石墨，聚四氟乙烯(PTFE)，MoS2和六方氮化硼等作分散剂。例如 PTFE本身的摩擦系数仅为0.05，加入到Ni-P镀层中形成Ni-PPTFE复合镀层，与淬火钢配副对磨时，干摩擦系数为0.360.40，明显低于Ni-P镀层的摩擦系数（0.600.63）；当这种复合镀层相互对磨时，干摩擦系数仅为0.2。Ni-BN在800高温下仍有很低的摩擦系数，可用于钢厂的水平连铸机上。在宇航、真空和无油润滑的条件下，轴
23、承、导轨等摩擦副是这类减摩复合镀层充分发挥其自润滑功能的地方。,2023/7/20,30,耐蚀复合镀层,通常，固体粒子加入镀层中形成复合镀层，镀层的孔隙率会明显增大。粒子量愈高，粒子愈粗，孔隙率愈高。这就降低阴极性镀层的防护功能，耐蚀性降低。但在有些情况下，固体粒子却可提高镀层的耐蚀性。例如在钢件上，用铝粉和锌共沉积形成Zn-AI复合镀层，Zn是阳极性镀层，Zn镀层中的AI粉表面包裹着氧化膜，在腐蚀电池中仍为阴极，导电性差，故抑制了Zn的腐蚀。,2023/7/20,31,2.6 电刷镀,电刷镀是电镀的一种特殊方式，不用镀槽，只需在不断供应电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，从而获得
24、电镀层。所以，刷镀又称快速电镀，无槽电镀或金属涂镀。电刷镀具有设备轻便，工艺灵活，镀积速度快，镀层种类多，结合强度高，适应范围广，对环境污染少，省水省电等优点。是机械零件表面修复和强化的重要手段之一，特别适于不解体，现场修理和野外抢修。,2023/7/20,32,国外电刷镀技术的发展大致分为以下几个阶段：第一阶段（1899 1938）：利用槽镀电极板和镀液进行的槽外电镀；第二阶段（1938 1960）：开始研制专用的刷镀设备和镀液，并取得专利；第三阶段（1960 1967）：开始发展机械化和自动化的“流镀”；第四阶段（1967 至今）：从电源设备、镀笔、工艺、镀液、辅具等各方面都不断得到充实、完善，形成了一套完全独立、可靠而实用的新的电镀工艺。特别是近几年来，刷镀的电源设备趋于轻巧，镀液品种日趋齐全，专用辅助器具配套，应用范围不断扩大，已深入到国民经济各部门，科研成果不断出现。这几年脉冲刷镀电源已成功地用于刷镀，镀层质量得到进一步提高。虽然镀镍应用最广，但多种镀液已被不断开发。,2023/7/20,33,我国于70年代未引入这项技术，国家经委列入“六五”、“七五”、“八五”推广项目，在修饰、强化，及零件改性等方面取得了巨大的经济效益。目前已能配制100余种镀液、电源容量从30A500A及配套工辅具均能生产。,
