电镀和化学镀省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1电镀和化学镀第1页2电镀电镀是一个用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态金属覆层工艺。电镀原理：在含有欲镀金属盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，经过电解作用，使镀液中欲镀金属阳离子在基体金属表面沉积，形成镀层.第2页3目标：改进材料外观，提升材料各种物理化学性能，赋予材料表面特殊耐蚀性、耐磨性、装饰性、焊接性及电、磁、光学性能等。镀层厚度：普通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，是材料表面处理主要方法。第3页4镀层分类镀层种类很多，按使用性能可分为防护性镀层：比如锌、锌-镍、镍、镉、锡等镀层，作为耐大气及各种腐蚀环境防腐蚀镀层。防护-装饰性镀层：比如Cu-Ni-Cr镀层等，现有装饰性，亦有防护性。装饰性镀层：比如Au及CuZn仿金镀层、黑铬、黑镍镀层等。耐磨和减磨镀层：比如硬铬，松孔镀，NiSiC，Ni-石墨，Ni-PTFE复合镀层等。第4页5电性能镀层：比如Au，Ag镀层等，现有高导电率，又可防氧化，防止增加接触电阻。磁性能镀层：比如软磁性能镀层有Ni-Fe，Fe-Co镀层；硬磁性能有Co-P，Co-Ni，Co-Ni-P等。可焊性镀层：比如Sn-Pb，Cu，Sn，Ag等镀层。可改进可焊性，在电子工业中广泛应用。耐热镀层：比如Ni-W，Ni，Cr镀层，熔点高，耐高温。修复用镀层：一些造价较高易磨损件，或加工超差件，采取电镀修复尺寸，可节约成本，延长使用寿命。比如可电镀Ni，Cr，Fe层进行修复。第5页6若按镀层与基体金属之间电化学性质可分为：阳极性镀层和阴极性镀层：（1）凡镀层相对于基体金属电位为负时，镀层是阳极，称阳极性镀层，如钢上镀锌层。（2）而镀层相对于基体金属电位为正时，镀层呈阴极，称阴极性镀层，如钢上镀镍层、镀锡层等。第6页7若按镀层组合形式分，镀层可分为：单层镀层，如Zn或Cu层；多层金属镀层，比如Cu-Sn/Cr，CuNiCr镀层等；复合镀层，如Ni-Al2O3，Co-SiC等。若按镀层成份分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层及复合镀层。第7页8镀层合理选择不一样成份及不一样组合方式镀层含有不一样性能。怎样合理选取镀层，其基本标准与通常选材标准大致相同。首先要了解镀层是否含有所要求使用性能，然后按照零件服役条件及使用性能要求，选取适当镀层，还要按基材种类和性质，选取相匹配镀层。比如阳极性或阴极性镀层，尤其是当镀层与不一样金属零件接触时，更要考虑镀层与接触金属电极电位差对耐蚀性影响，或摩擦副是否匹配。另外要依据零件加工工艺选取适当镀层。比如铝合金镀镍层，镀后常需经过热处理提升结协力，若是时效强化铝合金，镀后热处理将会造成过时效。另外，要考虑镀覆工艺经济性。第8页9电镀基本原理电镀是指在直流电作用下，电解液中金属离子还原，并沉积到零件表面形成有一定性能金属镀层过程。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取得工业化应用，但不普遍。第9页10电沉积基本条件金属离子以一定电流密度进行阴极还原时，标准上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。但因为水溶液中有氢离子、水分子及各种其它离子，使得一些还原电位很负金属离子实际上不可能实现沉积过程。所以金属离子在水溶液中能否还原，不但决定于其本身电化学性质，还决定于金属还原电位与氢还原电位相对大小。若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉主动少。第10页11金属还原可能性 金属离子还原析出可能性是取得镀层首要条件，而要取得质量优良镀层，还要有合理镀液组成和合理工艺控制。第11页12电镀溶液一个电镀溶液有固定成份和含量要求，使之到达一定化学平衡，含有所要求电化学性能，才能取得良好镀层。通常镀液由以下成份组成。1.主盐。沉积金属盐类，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，改变镀液电化学性质和金属离子沉积电极过程，对镀层质量有很大影响，是镀液主要成份。惯用配合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、氨三乙酸、柠檬酸等。3.导电盐。其作用是提升镀液导电能力，降低槽端电压提升工艺电流密度.比如镀镍液中加入Na2SO4。导电盐不参加电极反应，酸或碱类也可作为导电物质。第12页134.缓冲剂。在弱酸或弱碱性镀液中，pH值是主要工艺参量。加入缓冲剂，使镀液含有自行调整pH值能力，方便在施镀过程中保持pH值稳定。缓冲剂要有足够量才有很好效果，普通加入3040gL，比如氯化钾镀锌溶液中硼酸。5.阳极活化剂。在电镀过程中金属离子被不停消耗，多数镀液依靠可溶性阳极来补充，使金属阴极析出量与阳极溶解量相等，保持镀液成份平衡。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。比如镀镍液中必须加入Cl-，以预防镍阳极钝化。第13页146.镀液稳定剂。许多金属盐轻易发生水解，而许多金属氢氧化物是不溶性。生成金属氢氧化物沉淀，使溶液中金属离子大量降低，电镀过程电流无法增大，镀层轻易烧焦。7.特殊添加剂。为改进镀液性能和提升镀层质量，常需加入某种特殊添加剂。其加入量较少，普通只有几克每升，但效果显著。这类添加剂种类繁多，按其作用可分为：第14页15特殊添加剂光亮剂可提升镀层光亮度。晶粒细化剂能改变镀层结晶情况，细化晶粒，使镀层致密。比如锌酸盐镀锌液中，添加环氧氯丙烷与胺类缩合物之类添加剂，镀层就可从海绵状变为致密而光亮。整平剂可改进镀液微观分散能力，使基体显微粗糙表面变平整。润湿剂能够降低金属与溶液界面张力，使镀层与基体更加好地附着，降低针孔。应力消除剂可降低镀层应力。镀层硬化剂可提升镀层硬度。掩蔽剂可消除微量杂质影响。第15页16电镀过程当直流电经过两电极及两极间含金属离子电解液时，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。如图所表示，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+(溶液内部)Cu2+（阴极表面）Cu2+（阴极表面）+2e-Cu(金属)第16页171传质步骤：液相中反应粒子（金属水化离子或配合离子）向阴极表面传递步骤，有电迁移、扩散及对流三种不一样方式。2前置化学步骤：研究表明，直接参加阴极电化学还原反应金属离子往往不是金属离子在电解液中主要存在形式。在还原之前，离子在阴极附近或表面发生化学转化，然后才能放电还原为金属。第17页183电荷转移步骤：反应粒子在阴极表面得到电子形成吸附原子或吸附离子过程称为电荷转移步骤，又称为电化学步骤，这里主要发生电荷从阴极表面转移到反应粒子过程，这是电沉积过程主要步骤。4结晶步骤:吸附原子经过表面扩散抵达生长点而进入晶格，或吸附原子相互碰撞形成新晶核并长大成晶体。第18页19影响电镀层质量基本原因电镀层质量表达于它物理化学性能、力学性能、组织特征、表面特征、孔隙率、结协力和残余内应力等方面。这些特征除取决于镀层金属本性外，还受到镀液、电镀规范、基体金属及前处理工艺等影响。第19页20镀液影响镀液各种成份对镀层质量都有直接和间接影响。配离子作用:配离子使阴极极化阴极极化作用增强，所以镀层比较致密，镀液分散能力也很好，整平能力较高。主盐浓度影响:主盐浓度增大，浓差极化降低，造成结晶形核速率降低，所得组织较粗大。这种作用在电化学极化不显著单盐镀液中更为显著。第20页21附加盐作用:除可提升镀液电导性外，还可增强阴极极化能力，有利于取得细晶镀层。添加剂作用:添加剂在镀液中作用有两种主要方式：其一，形成胶体吸附在金属离子上，妨碍金属离子放电，增大阴极极化作用；其二，吸附在阴极表面上，妨碍金属离子在阴极表面上放电，或妨碍放电离子扩散，影响沉积结晶过程，并提升阴极极化作用。添加剂能改进镀层组织，表面形态，物理、化学和力学性能。第21页22电镀规范影响电流密度影响:每种镀液有它最正确电流密度范围。提升电流密度，必定增大阴极极化作用。使镀层致密，镀速升高。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。电流波形影响:电流波形对镀层质量影响，在一些镀液中非常显著。比如单相半波或全波整流用于镀铬时，镀铬层是灰黑色。而三相全波整流波形与稳压直流相同，它们电镀效果和质量没有显著区分。第22页23周期换向电流作用: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镀层。温度影响:通常温度升高，阴极极化作用降低，镀层结晶粗大；但允许提升电流密度上限，并使阴极电流效率提升，改进镀层韧性和镀液分散能力，降低镀层吸氢量。不一样镀液有其最正确温度范围。搅拌影响：搅拌增强电解液流动，降低阴极浓差极化，使镀层结晶粗大，但搅拌允许提升电流密度，这可抵消降低浓差极化作用，并提升生产率。搅拌还可增强整平剂效果。第23页24pH值及析氢影响pH值影响：镀液pH值影响氢放电电位，碱性夹杂物沉淀，沉积金属配合物或水化物组成，以及添加剂吸附程度。pH值对硬度和应力影响，可能主要是经过夹杂物性质和分布起作用。析氢影响：阴极上金属沉积时，总伴伴随氢气析出。氢气析出原因是金属离子沉积电位较负，或者氢析出过电位较低。氢析出对镀层质量影响是多方面，其中以氢脆、针孔、起泡最为严重。第24页25基体金属对镀层影响基体金属性质影响:镀层结协力与基体金属化学性质及晶体结构亲密相关。假如基体金属电位负于沉积金属电位，就难以取得结合良好镀层，甚至不能沉积。若材料（如不锈钢、铝等）易于钝化，不采取特殊活化办法也难以得到高结协力镀层。基体材料与沉积金属晶体结构相匹配时，利于结晶早期外延生长，易得到高结协力镀层。表面加工状态影响: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。铸铁表面石墨有降低氢过电位作用，氢易于在石墨位置析出，妨碍金属沉积。第25页26前处理影响镀件电镀前，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、活性晶体表面。这么才能得到健全、致密、结合良好镀层。前处理不妥，将会造成镀层起皮、剥落、鼓泡、毛刺、发花等缺点。第26页27电刷镀电刷镀是电镀一个特殊方式，不用镀槽，只需在不停供给电解液条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，从而取得电镀层。所以，刷镀又称快速电镀，无槽电镀或金属涂镀。电刷镀含有设备轻便，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主要伎俩之一，尤其适于不解体，现场修理和野外抢修。第27页28电刷镀原理与特点电刷镀也是一个金属电沉积过程,基本原理同电镀。下列图是其工作过程示意图。直流电源正极经过导线与镀笔相联，负极经过导线和工件相联，当电流方向由镀笔流向工件时为正向电流，正向电流接通时发生电沉积；电流方向从工件流向镀笔时为反向电流，反向电流接通时工件表面发生溶解。第28页29因为刷镀无需电镀槽，两极距离很近，所以常规电镀溶液不适用来作刷镀溶液。刷镀溶液中金属离子浓度要高得多，所以需要配制特殊溶液。完整刷镀过程还应包含预处理过程。预处理过程包含：镀前工件表面电清洗和电活化工序，这些处理都使用同一电源，只是镀笔、溶液、电流方向等工艺条件不一样而已。第29页30（1）镀层结合强度高，在钛、铝、铜、铬、高合金钢和石墨上也含有很好结合强度。（2）设备简单、工艺灵活、操作方便，能够在现场作业。（3）能够进行槽镀困难或实现不了局部电镀。比如对一些重量重、体积大零件实施局部电镀。（4）生产效率高。刷镀速度是普通槽镀1015倍；辅助时间少；且可节约能源，是槽镀耗电量几十分之一。（5）操作安全，对环境污染小。刷镀溶液不含氰化物和剧毒药品，可循环使用，耗量小，不会因大量废液排放而造成污染。刷镀含有以下特点：第30页31电源刷镀电源是该工艺最主要设备，电源质量直接影响着刷镀层质量。刷镀电源必须满足以下要求：（1）电源应含有直流平外特征，即当负载电流增大时，电压应下降很小。（2）电源输出电压应采取无级调整，方便依据不一样工件、不一样镀液选择最正确电压值。惯用电压调整范围为030V，最高不超出40V。（3）电源输出电流大小要依据零件大小、镀液种类及沉积速率等原因确定。为适应零件表面积大小，常把电源电流和电压分成几个等级配套使用，如15A20V，30A30V，60A30V，100A40V，120A40V，150A40V。第31页32（4）电源应带有安培小时计或镀层测厚仪，为了显示电镀零件所消耗电量或显示零件镀层厚度，从而降低测量次数，预防零件表面污染，确保镀层质量。（5）电源应设有正、反向开关，以满足电净、活化、电镀需要。（6）电源应有过载保护装置。当负载电流超出额定电流510，或正、负极短路时，应能快速切断主电路，以保护电源和被镀零件不受损失。（7）为了适应现场作业，电源应尽可能做到体积小、重量轻、工作可靠、计量精度高、操作简单和维修方便。第32页33镀笔镀笔由笔杆+阳极组成(1)笔杆：分为型，型，型（由细到粗）笔杆和阳极尺寸选择由被镀工件形状和尺寸而定。(2)阳极材料.石墨阳极属不溶性阳极，由高纯、高密度石墨制成，导电性好，耐高温电解浸蚀，但长久使用后，表面也会腐蚀。.铂铱合金阳极90%铂+10%铱，强度高，用以修补凹坑，斑点、小孔、密而深划伤沟槽等。第33页34.不锈钢阳极无铂铱合金条件下使用，不适于含卤族或氢化物镀液中，不然会被严重腐蚀且污染镀液。.可溶性阳极例在刷镀镁和铁合金时，用钢和纯铁制作阳极，增加镀速，但应在镀液中添加阳极防钝化剂。第34页35（3）阳极形状和尺寸要求与受镀和形状吻合，即以仿形为标准。主要形状有：圆柱形，平板形，月牙形、圆饼形、半圆形，板条形等。（4）阳极包裹材料包含：棉花和化学纤维包套其作用是：.预防阳极与工件表面直接接触，造成短路打弧烧伤工件或镀层表面。.吸附镀液：沟通刷镀电路，供给金属离子，保持被镀面湿润。.过滤作用，过滤阳极表面腐蚀下来石墨粒子及不溶性氢氧化物（二者组成“阳极泥”），预防镀液污染。包套：40%棉+60%涤涤棉套，良好耐磨性和吸水性。第35页36刷镀溶液1刷镀溶液种类预处理溶液:预处理溶液可分为电净液和活化液两类：电净液：用于清洗工件表面油污。活化液：用于去除金属表面氧化膜和疲劳层，使基体金属晶格显露出来。电镀溶液:依据镀层成份，金属电镀溶液分为单金属电镀液和合金电镀液。每类金属电镀液又依据其沉积速率、镀液性质、镀层性能等特点分成许多品种。退镀溶液:可把旧镀层或不合格镀层去掉。钝化液。第36页37刷镀溶液特征与普通槽镀液相比，刷镀溶液有以下特点：金属离子含量较高。如镀Ni液中离子含量5355g/l；镀液温度范围比较宽；镀液性质比较稳定。在刷镀过程中即使金属离子不停沉积，但因为电极上电阻热使溶液不停蒸发，综合结果使离子浓度下降并不大，因而pH值改变也不大；均镀能力和深镀能力很好；镀液毒性与腐蚀性较小。第37页38刷镀工艺1刷镀中普通问题（1）工艺过程:刷镀工艺过程包含工件表面准备阶段和刷镀两个阶段。准备阶段主要目标是提升镀层结合强度；刷镀阶段主要目标是取得质量符合要求镀层。（2）水冲洗问题:在电净、活化工序之间均采取自来水冲洗；在最终一道活化工序和刷镀过渡层工序之间以及刷镀过渡层与工作层工序之间，普通采取蒸馏水冲洗。（3）刷镀前无电擦拭工件表面：开始刷镀前，在未接通电源前用刷镀笔蘸上要刷溶液，在工件上擦拭几秒钟再通电，会提升镀层结合强度。这是因为无电擦拭可在表面上预先使溶液充分润湿，到达pH值一致、金属离子均布目标。第38页39（4）过渡层：过渡层是位于基体金属和工作镀层之间特殊层。过渡层不但与基体之间要有良好结合性，也要与工作层之间有良好结合性。过渡层既增大了工作层与基体结协力，又可提升工作层稳定性，预防工作层原子向基体中扩散等。（5）工作镀层：位于过渡层之上工作镀层要确保与过渡层之间有良好结合强度，确保本身有良好强度，满足工件要求并有尽可能高沉积速率。第39页40电化学处理工件表面工件刷镀前首先要用各种机械方法去掉氧化皮、油垢结碳层，并尽可能整光整平。在机械清理基础上，必须用电化学方法去除工件表面油膜和氧化膜，即使用电净液，接通电源（工件普通为阴极），这么，工件表面析出气体会把油膜破坏，然后被皂化排除。刷镀前进行活化目标是去除工件氧化膜。活化液应依据不一样金属材料选取。第40页41刷镀技术应用刷镀技术设备简单，操作轻易，镀层结合牢靠，经济效益显著，当前已用于各机械行业及电力、电子、化工、纺织等许多部门。当前刷镀工艺主要用于机械设备维修，也用来改进零部件表面理化性能。（1）恢复磨损零件尺寸粒度与几何形状精度（2）填补零件表面划伤沟槽、凹坑（3）补救超差工件（4）强化零件表面（5）增加零件表面导电性如Cu表面镀Ag（6）增强零件耐高温性能如铜结晶器表面镀Ni-P第41页42（7）改进零件表示钎焊性如镀Cu后，Si-Bi合金易于铺展，钎焊（8）通常电镀所难以完成作业，如：.工件太大或要求特殊，以及难以从机器上拆下。.大工件局部镀覆，尤其是盲孔、狭缝和深孔，以及电镀所无法均镀部位。.在电镀困难铝、钛、高合金钢工件表面，经过电刷镀先镀上打底层，然后再入槽电镀。.有些工件入槽电镀会引发其它部分损坏或污染电镀槽，此时用电刷镀则能防止。第42页43化学镀化学镀：是指在没有外电流经过情况下，利用化学方法使溶液中金属离子还原为金属，并沉积在基体表面，形成镀层一个表面加工方法。被镀件浸入镀液中，化学还原剂在溶液中提供电子使金属离子还原沉积在镀件表面。Mn+neM第43页44恒温水浴锅镀镍试样尼龙丝烧杯第44页45第45页46第46页47离子还原电子起源化学镀时，还原金属离子所需电子是经过化学反应直接在溶液中产生。完成过程有三种方式：（1）置换沉积利用被镀金属M1（如Fe）比沉积金属M2（如Cu）电位更负，将沉积金属离子从溶液中置换在工件表面上。工程中称它为浸镀。当金属M1完全被金属M2覆盖时，则沉积停顿，所以镀层很薄。铁浸镀铜，铜浸汞，铝镀锌就是这种置换沉积。浸镀不易取得实用性镀层，常作为其它镀种辅助工艺。第47页48(2)接触沉积除了被镀金属M1和沉积金属M2外，还有第三种金属M3。在含有M2离子溶液中，将M1M3两金属连接，电子从电位高M3流向电位低M1，使M2还原沉积在M1上。当接触金属M1也完全被M2覆盖后，沉积停顿。在没有自催化功效材料上化学镀镍时，惯用接触沉积引发镍沉积起镀。第48页49(3)还原沉积这是由还原剂被氧化而释放自由电子，把金属离子还原为金属原子过程。其反应方程式为：Rn+2e-+R(n+2)+还原剂氧化M2+2e-M金属离子还原工程上所讲化学镀也主要是指这种还原沉积化学镀。第49页50化学镀条件（1）镀液中还原剂还原电位要显著低于沉积金属电位，使金属有可能在基材上被还原而沉积出来。（2）配好镀液不产生自发分解，当与催化表面接触时，才发生金属沉积过程。（3）调整溶液pH值、温度时，能够控制金属还原速率，从而调整镀覆速率。（4）被还原析出金属也含有催化活性，这么氧化还原沉积过程才能连续进行，镀层连续增厚。（5）反应生成物不妨碍镀覆过程正常进行，即溶液有足够使用寿命。第50页51特点与电镀相比，化学镀有以下特点：镀覆过程不需外电源驱动；均镀能力好，形状复杂，有内孔、内腔镀件均可取得均匀镀层；孔隙率低；镀液经过维护、调整可重复使用，但使用周期是有限；可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。第51页52化学镀镀覆金属和合金种类较多，诸如:Ni-P，Ni-B，Cu,Ag，Pd，Sn，In，Pt，Cr及各种Co基合金等，但应用最广是化学镀镍和化学镀铜。第52页53应用化学镀层普通含有良好耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其它特殊电学或磁学等性能。不一样成份镀层，其性能改变很大，所以在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织、机械等工业中取得日益广泛应用。第53页54化学镀应用实例化学镀Ni-Sn-P基体材料：压铸镁合金AZ91D；镁合金含有很多优越性能，可替换钢、铝合金、塑料等，在汽车、电子、航空航天等领域取得了广泛应用。镁化学性质比较活泼，易形成氧化膜，膜层疏松，不能对镁基体起保护作用。在镁合金表面镀Ni-Sn-P，是改进其耐腐蚀性，耐热性和可焊性有效方法。第54页55化学镀Ni-Sn-P镀液配方温度均为：872；PH均为9.00.2第55页56化学沉积Ni-Sn-P层中各元素含量：第56页57不一样Ni-Sn-P元素含量表观形貌图第57页581镀层怎样分类？怎样选择使用？2金属电镀包含哪些基本步骤？3电镀基本原理？4复合镀有哪些性能特点？5电刷镀原理及特点是什么？6什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。7与电镀相比，化学镀有何特点？第58页