现代表面工程技术-电镀和化学镀讲解
第六章 电镀和化学镀
二、电镀溶液的基本组成
主盐：沉积金属的盐类，用于提供金属离子。
有单盐，如硫酸铜、硫酸镍等； 有能与金属离子形成络盐的成分，如锌酸钠、氰锌酸钠等。
络 合剂：络合剂与沉积金属离子形成络合物，改变镀液的 电化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。
常用络合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、 氨三乙酸、柠檬酸等。
e
阴极反应： Cu2++ 2e = Cu 2H+ + 2e = H2↑
阴 极 阳 极
阳极反应： Cu- 2e = Cu2+ 4OH- -4e = 2H2O+O2↑
Cu2+ H+
＋
－
SO4 2OH—
工 件
CuSO4
以镀镍为例：将零件浸在 NiSO4 溶液中作为阴极，金属 Ni 板 作为阳极，接通电源后，在零件表面就会沉积出金属Ni层。 在阴极上发生还原的反应： Ni2++2e-→Ni 副反应： 2H++2e-→H2↑ 镍阳极上发生金属镍失去电 子变为镍离子的氧化反应： Ni→Ni2++2e副反应： 4OH-→2H2O+O2+4e-
板、螺钉、螺栓、仪器仪表外壳等。
镀锌层特性
纯净的镀锌层，在常温和大陆性气候条件下比较稳定； 在温度高于70℃的热水中，锌的电势变得比较正，失去对黑 色金属的保护作用。 它在潮湿的介质中容易生成一层主要由碱式碳酸锌组成的薄 膜(3Zn(OH)2· ZnCO3)，这层薄膜有一定防护能力。
在含氮离子介质中，锌不耐腐蚀，在海水中不稳定（Cd），
• 光亮剂——提高镀层的光亮度。 • 整平剂——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——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。 • 掩蔽剂——消除微量杂质的影响。
第三章 电镀和化学镀
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
电镀的目的主要有三：
1）赋予制品表面装饰性外观； 2）赋予制品表面某种特殊功能，例如提高耐腐蚀 性、硬度、耐磨性、导电性、磁性、钎焊性、抗高温 氧化性、减小接触面的滑动摩擦、防止钢铁件热处理 时的渗碳和渗氮等；
3）提供新型材料，例如制备具有高强度的各种金 属基复合材料，合金、非晶态材料，纳米材料等。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
（一）电镀液组成
6.添加剂：改善镀层质量。
镀层细化剂：它是能使镀层结晶细化并具有光泽的 添加剂。如碱性镀锌溶液中的DE、DPE等添加剂。
抑雾剂：这是一类表面活性剂，具有发泡作用，在 气体或机械搅拌的作用下，可以在液面生成一层较 厚的稳定的泡沫以抑制气体析出时带出的酸雾、碱 雾或溶液的飞沫。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
电镀层的分类(按照镀层的使用目的来分类) ： 1）防护性镀层：提高金属制品的耐腐蚀能力。 如：镀锌层，防护钢铁材料免遭大气腐蚀。 2）装饰性镀层：如仿金镀层等。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
电镀层的分类： 3）功能性镀层： 一、耐磨和减磨镀层
多采用镀硬铬，如各种轴和曲轴的轴颈、印花 辊的辊面、发动机的汽缸内壁和活塞环、冲压模具 的内腔等。
无论电化学极化，还是浓差极化，都是使阳极 电极电位向正方向偏移。
第三章 电镀和化学镀 1.1 电镀
阴极极化： （1）电化学极化
由于阴极表面金属离子的还原速度小于阴极电 子的供给速度，使得阴极电极电位向负方向偏移， 称为电化学极化。
（2）浓差极化 由于溶液中的金属离子向阴极表面的扩散速度
慢，导致阴极表面金属离子浓度低，阴极表面金属 离子的还原速度小于阴极电1.1 电镀
现代表面技术第2章 电镀
理论电化学（郭鹤同） 理论电化学（郭鹤同）
电镀工艺与理论（黄子勋） 电镀工艺与理论（黄子勋） 电化学方法原理和应用 阿伦. 巴德等） （美 阿伦.J.巴德等）
•8•
目的
1,增进美观(如光亮、色泽) 1,增进美观(如光亮、色泽) 增进美观 2,提升抗环境能力 如抗蚀、耐热、耐磨等), 提升抗环境能力( ),例如钢铁制品和零件表 2,提升抗环境能力(如抗蚀、耐热、耐磨等),例如钢铁制品和零件表 面电镀锌;电镀硬铬可以提高耐磨性能; 面电镀锌;电镀硬铬可以提高耐磨性能;电镀锡可以提高其耐硫酸腐蚀 性能 3,修复金属零件尺寸 例如轴,齿轮,花键等重要零件使用后磨损, 修复金属零件尺寸, 3,修复金属零件尺寸,例如轴,齿轮,花键等重要零件使用后磨损,可采 用电镀铁,铬等恢复其尺寸. 用电镀铁,铬等恢复其尺寸. 4,赋予某些特殊的功能 如导电、润滑、强度、弹性等),例如, 赋予某些特殊的功能( ),例如 4,赋予某些特殊的功能(如导电、润滑、强度、弹性等),例如,电镀铜 银可以提高导电性; 银可以提高导电性; 配合后加工制程（如焊接、折弯） 5. 配合后加工制程（如焊接、折弯）
（1）液相传质步骤 溶液中的金属离子（如水化金属离子或络和离子） 溶液中的金属离子（如水化金属离子或络和离子）通过电迁 对流， 移，对流，扩散等形式到达阴极表面附近 （2）电化学反应步骤 到达电极附近的离子需要转化成较简单的粒子再以此形式从 阴极得到电子， 阴极得到电子，生成金属原子
（3）电结晶步骤 金属原子沿表面扩散到达结晶生长点， 金属原子沿表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在 晶格内， 晶格内，形成镀层
College of Materials Science and Engineering, BJUT
化学镀和电镀
化学镀和电镀化学镀和电镀是常见的金属表面处理技术，被广泛应用于工业生产和科学研究领域。
它们通过在金属表面形成一层均匀、致密、具有良好附着力的金属薄膜，提高金属的耐腐蚀性、耐磨性和美观性。
化学镀是利用化学反应在金属表面生成金属薄膜的技术。
在化学镀过程中，首先需要准备化学镀液，它通常由金属盐溶液、络合剂、还原剂和调节剂等组成。
然后，将待镀金属作为阴极，将镀液中的金属离子还原成金属原子，并在金属表面析出形成金属薄膜。
化学镀的优点是可以在复杂形状的物体表面均匀镀覆，且镀层的厚度可以控制。
常见的化学镀技术有铜化学镀、镍化学镀和铬化学镀等。
电镀是利用电解作用在金属表面生成金属薄膜的技术。
在电镀过程中，需要将金属制品作为阴极，放置在电解槽中的镀液中，同时加上直流电源。
镀液中含有金属盐溶液和其他添加剂，通过电解作用将金属离子还原成金属原子，并在金属表面析出形成金属薄膜。
电镀的优点是可以获得较厚的镀层，并且具有良好的附着力。
常见的电镀技术有铜电镀、镍电镀和铬电镀等。
化学镀和电镀在工业生产中有着广泛的应用。
它们可以改善金属制品的表面性能，延长使用寿命。
化学镀和电镀可以提高金属制品的耐腐蚀性，使其不易受到氧化、腐蚀和变色等损害。
同时，它们还可以增加金属制品的硬度和耐磨性，提高其使用寿命。
此外，化学镀和电镀还可以改变金属制品的外观，使其具有更好的美观性和装饰性。
然而，化学镀和电镀过程中也存在一些问题。
首先，镀液中的化学物质对环境具有一定的污染性，需要合理处理和回收。
其次，化学镀和电镀过程需要耗费大量的能量和资源，对能源和资源的消耗也需要引起重视。
此外，金属镀层的质量和稳定性也是需要关注的问题，不合格的镀层会影响金属制品的使用效果。
化学镀和电镀是重要的金属表面处理技术，它们可以在金属表面形成均匀、致密、具有良好性能的金属薄膜。
化学镀和电镀可以改善金属制品的耐腐蚀性、耐磨性和美观性，提高其使用寿命。
然而，化学镀和电镀过程中也存在一些问题，需要合理处理和解决。
现代表面
1.电镀：是利用电解作用，即把具有导电性能的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。
2.电刷镀：是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。
其设备主要由电源、刷镀工具(镀笔)和辅助设备(泵、旋转设备等)组成，是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。
3.化学镀：又称“不通电”镀，即在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基体牢固结合的镀覆层。
4．涂装：它是用一定的方法将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。
涂料(或称漆)为有机混合物，一般由成膜物质、颜料、溶剂和助剂组成5．粘结它是用粘结剂将各种材料或制件连结成为一个牢固整体的方法，称为粘结或粘合。
粘结剂有天然胶粘剂和合成胶粘剂6．堆焊：它是在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它制造双金属零部件。
7．熔结：它与堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷金属涂层，但用的涂敷金属是一些以铁、镍、钻为基，含有强脱氧元素珊和硅面具有自熔性和熔点低于基体的自熔性合金，所用的工艺是真空熔敷、激光熔敷和喷熔涂敷等。
8.热喷涂:它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。
热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂(超音速喷涂)和爆炸喷涂等。
经热喷涂的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。
9.塑料粉末涂敷:利用塑料具有耐蚀、绝缘、美观等特点，将各种添加了防老化剂、流平剂、增韧剂、固化剂、颜料、填料等的粉末塑料，通过一定的方法，牢固地徐敷在工件表面，主要起保护和装饰的作用。
10.电火花涂敷:这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行徐敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零部件表而的火花放电作用，把作为火花放电极的导电材料(如WC、nC)熔渗于表面层，从而形成含电极材料的合金化涂层，提高工件表层的性能，面工件内部组织和性能不改变。
电镀与化学镀
金属离子还原析出的可能性是获得镀层的首要条件！
5.1 电镀基本知识
法拉第定律和电流效率
➢ 电流通过镀液时，电解质溶液发生电解反应，阴极上 不断有金属析出，阳极金属不断溶解。法拉第定律： 金属的析出(或溶解)量必定与通过的电荷(量)有关。
W kQ kIt
➢ 其中，W为形成产物的质量；k为比例常数，即电化当 量；Q为电量，为电流I与时间t的乘积。
第五章 电镀与化学镀
主要内容
5.1 电镀基本知识 5.2 合金电镀 5.3 复合电镀 5.4 电刷镀 5.5 化学镀
5.1 电镀基本知识
电解与电镀
• 电解：在外加直流电源 的作用下，电解质的阴 阳离子在两极发生氧化 还原反应的过程。
• 阴极（还原反应）：
Cu2+ + 2e ＝ Cu
• 阳极（氧化反应）：
3. 采用特定的添加剂
• 添加剂在镀液中的含量比较少，一般不影响金属的平衡电位；有些 添加剂能显著地增大或降低阴极极化，明显地改变金属的析出电位， 从而对某些金属沉积起作用，实现共沉积。例如添加明胶可使铜、 铝离子实现共沉积。
5.2 合金电镀
合金电镀的特点
1. 与热冶金合金相比：
① 容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金，如Sn-Ni。 ② 可获得热熔相图没有的合金,δ-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。 ④ 在相同合金成分下，电镀合金与热冶合金相比，硬度高，
影响电镀层质量的基本因素
7. 基体金属
① 基体金属性质：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。
a. 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。
电镀、电刷镀与化学镀
4．基体金属的影响
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。 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。 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。
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二、电镀反应
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。 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。
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主盐浓度的影响
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。 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。
碱性镀液有氰化物镀锌、锌酸盐镀锌、焦 磷酸盐镀锌等。 中性或弱酸性镀液有氯化物镀锌、硫酸盐 镀锌等； 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。
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镀锌层的钝化处理
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)。 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。
表面技术(第3讲 电镀与化学镀)
南京航空航天大学
第三讲
电镀与化学镀
表面技术
•用途：一种是防护装饰性镀铬，如镍镀层 或铜件上镀装饰铬层；另一种为功能性镀 铬，用作机械零件的尺寸修复和提高零件 表面硬度及耐磨性等；此外还有黑色镀 铬，严格地说这也是一种装饰性镀层。 •镀铬溶液以化合价可分为六价铬和三价铬 镀液两大类。目前国内外绝大多数采用的 是六价铬镀液。
南京航空航天大学
第三讲
电镀与化学镀
表面技术
•阴极反应: CrO42- + 8H+ + 6e = Cr + 4H2O Cr2O72- + 14H+ + 6e = 2Cr+3 + 7H2O 2H+ + 2e → H2↑ •阳极反应 2H2O－4e → O2↑+ 4 H+ 2Cr+3 －6e + 7H2O → Cr2O72- + 14H+
南京航空航天大学
第三讲
电镀与化学镀
表面技术
(二) 电镀工艺
电镀工艺：镀前预处理 → 电镀 → 镀后处理
南京航空航天大学第三讲ຫໍສະໝຸດ 电镀与化学镀表面技术
1. 镀前预处理
•目的：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。 •内容：脱脂、去锈、除尘等。 •步骤：1) 通过研磨、抛光等使表面粗糙度达到 一定要求； 2) 采用溶剂溶解以及化学、电化学等方法来去 油脱脂； 3) 采用机械、酸洗以及电化学方法除锈； 4) 在弱酸中侵蚀一定时间进行镀前活化处理。
南京航空航天大学
第三讲
电镀与化学镀
表面技术
•镀锌种类很多，大致分：氰化镀锌、碱 性锌酸盐镀锌、氯化物镀锌、硫酸盐镀 锌和焦磷酸镀锌等。 •氰化镀锌工艺稳定，镀层结晶细致，但 氰化纳是一种剧毒的物质，产生的废 水、废气会污染环境。