2011电镀工艺学第7章7.1高速电镀

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DT
2 3
V
1 2
1 5
X
1 2
当电解液的组成、温度、电极形状等固定时， 放电离子浓度CT、T离子扩散系数DT、动力学粘 度ν、电极长度X都是常数，只有流速可变，并且 Jd∝V1/2。在这种情况下要提高Jd，只有提高切向 流速V。
要使溶液呈现出湍流状态，关键问题是 要使流速超过临界速度，则层流就会变成 湍流。
• 使用流体液垫原理的（LCC）电镀槽，能 迅速的除去在原来电解槽内的阳极上产生
的氧气、补充阴极所需要的离子、能抑制 钢板的振动、重力垂落、扭转、C型翘曲并 使钢板稳定地通过电镀槽。由于这种静压
支撑的稳定钢板作用，可使极间距缩短到 原来的1/4~1/8，使电解电压下降到原来的 1/2~1/4，可使工作电流密度上升到200300A/dm2。这种静压槽可以设计成LCC-H （水平型），LCC-V（竖型）。LCC-H （水平型）的三维结构图如图2所示。
• (1)使用扩散常数大的盐类 例如在使用镍盐时。氯化镍的扩散常数
约为同浓度硫酸镍扩散常数的两倍.
• (2)增大金属离子浓度
Jd
nFD C
极限电流密度与浓度的一次方成正比，所 以，采用高浓度金属离子溶液对电镀高速 化是极有效的手段，但其缺点是溶液的带 出量增多，而且在停镀时有金属盐类析出。
• (3)升高镀液温度
C V临 d
V临'
C' d
Re Vd v
• μ为流体的粘度；ρ为流体的密度；d是管子直径； C、C′为常数 Re。
• 电镀液的动力学粘度v可由实验测得。结果表明， 喷射速度必须大于1m/s才能产生湍流。实际上为 了稳妥些，流速应取得更大些。
极限电流密度的测量
• 采用示踪原子法，也就是向镀液添加一定 量的比放电金属离子电位正的金属离子， 在不同的电流密度下，用其沉积速度的变 化来求得极限电流密度。
2、径向式镀槽
径向式电镀槽的特点是带钢围绕一根直径 很大的导电辊运行。带钢在电镀槽内镀液 中部分较长。导电辊沉浸在电镀液中，由 于带钢紧紧的抱着导电辊，其中一面不与 电镀液接触，所以只有一面能镀上锌，所 以径向式电镀槽最适合于单面镀锌。由于 导电辊直径很大，所以带钢不易产生瓢曲 和折印。但径向式电镀槽的导电辊结构复 杂，造价很高，若两面镀锌则要进行换向 操作。径向槽的结构示意图如图3所示。
三、高速电镀槽的发展
镀槽是实现高速电镀的核心设备，其性 能的优劣直接关系到电镀的生产效率与生 产成本，也直接影响镀件的质量。因此， 在高速电镀生产线的设计过程中，首要考 虑的问题就是电镀用镀槽类型的选择与关 键参数的确定。
目前世界上连续电镀锌机组的电镀槽有3 种类型，即水平式、垂直式与径向式。
1、水平式镀槽：
• 第二代：此后不溶性阳极取代了可溶性阳 极，此时的水平式镀槽相应的升级为第二 代镀槽，目前这两代镀槽在电镀锌生产中 几乎已经不再使用。
• 第三代：1972年2月，日本新日铁在其所属 的君津厂开工了自行设计的一条第3代水平 式镀槽，即水平喷射式（jet cell）电镀锌 线，这条线的极间距为25mm，与宝钢 2030镀锌线的结构一样，采用的是铅锡合 金不溶性阳极。如下图中的1-a所示：
• (4)镀液组成、添加剂 必须开发适合于高速电镀的溶液及添加剂。
• (3)超声波照射法
这是一种在镀液中导入超声波振荡，—边 向阴极表面照射超声波—边进行电镀的方 法。超声波在前处理除油方面用得相当多， 但在电镀方面尚末得到工业应用。这是因 为超声波是一种频率高、振幅小的振动， 很难得到大的能量。而且由于超声波属直 线传播，很难照射到整个电镀表面；另外， 由于镀层种类的不同，超声波照射常出现 镀层条纹。

• 第四代：新日铁总结了喷射式镀槽的优缺 点，在82年3月，将君津改造成中喷式 （ACIC）的镀锌线，这就是第四代水平式 镀槽，如图1-b所示。该线利用了流体力学 的支撑原理，将极间距缩短至15mm以下， 生产线速度达150m/min，最大工作电流密 度大250A/dm2，运行后得到了性能良好的
镀层。尽管如此，新日铁公司还是发现了 中喷式镀槽的许多缺点。
• 第五代：80年代初期，日本新日铁公司的 酒井完五等发明了“液垫槽” (Liquid Cushion Cell)，简称为LCC槽，这就是第 5代镀槽。如图1-c所示，该槽在亚洲地区 获得了广泛的应用。
• 这种槽型更大幅度的降低了极间距，并能 保持钢带在两阳极的中心位置处移动。同 时采用两种类型的喷嘴来非接触式的支撑 钢带，即静压喷嘴和动压喷嘴。
本法要求流速为2.4m/s以上的紊流，有时 也采用6m/s的流速。不需使用特殊镀 液，—般镀液即可。采用此法所得电镀速 度如下:
镀铜、镍、锌25~100m/min
镀铁25m/min
镀金18m/min
镀铬12m/min
• (2)喷流法
喷流法原理如图7-11所示。该法是将电解 液通过喷嘴连续喷流到阴极表面进行电镀 的方法。该法特点是能局部使用高电流密 度。目前局部高速电镀法主要应用于电子 元器件如印刷线路底板触头或半导体器件 的焊接点电镀，现在己开发专用设备。根 据硫酸铜镀铜试验，喷流法的极限电流密 度大体上与流速的平方根成正比，这说明 流动属层流范畴。
• 该水平喷射式电镀槽由外槽、内槽、阳极、 边缘罩、导电辊、支持辊、绝缘垫组成。
• 导电辊的尺寸为φ300mm×1800mm，材料 为不锈钢。导电辊两头带有轴承，安装在 支撑架上，中间通水进行冷却 。
• 边缘罩是装在带钢横向的两边的屏蔽罩， 用来防止带钢边部的增厚。
• 支持辊为外部衬胶的钢辊。为防止带钢与 阳极接触，阳极表面局部镶有绝缘胶条。
• 1980年Mascjinenfabrik Andritz与 Ruthner. Div发明的西班牙人研究出了重力 垂直式液流槽。重力垂落式镀槽又称为 “Gravitel process”(Gravity Flow Electroplating)，1984年西班牙建成第一 条“垂直式”生产线。1985年世界最大装 机容量的“垂直式”生产线在澳大利亚建 成。
• 电极表面金属离子脱水获得电子成为原子 的过程，即得电子过程；
• 被还原后的原子组成适当形式的结晶而形 成镀层的过程，即晶格化过程。
• 串联过程 速度最慢的步骤决定电镀速度
物质迁移过程的影响
• 扩散、电迁移、对流
• 扩散为主时
C
Jd
nFD
• 若使Jd增大，就应增大D及C，减小δ。
提高扩散极限电流密度措施
1.当V<V临，流体只能是层流，即或在管子的 入口处是湍流，以后也会变成层流；
2.当V>V临′,则只可能是湍流，即或在管子的 入口处是层流，以后也会变成湍流；
3.当V临<V<V临′，即流速界于上下流速之间， 则层流与湍流两种情况都可能出现，且是 不稳定的，层流可能被管内壁的凸起偶然 破坏而变为湍流。
五、高速电镀存在的问题
• 高速电镀技术还不太成熟，有待今后进一 步发展，现针对其存在的问题，分述加下：
• (1)电流分布 即使是普通的电镀方法在镀件形状比较复 杂时也容易产生电流密度局部不均，以致 引起镀层厚度的不均。高速电镀是使用高 电流密度、局部电流密度相差将会更大， 因而要特别注意阳极的配置，电流密度的 均匀分布是极其重要的因素。高速电镀之 所以只限于简单形状工件的电镀，原因就 在于此。
• (2)阳极
使用可溶性阳极时，必须考虑溶解的极限 电流密度，若高于极限电流密度，则出现 阳极钝化，槽电压上升，镀液组成不发生 变化。使用不溶性阳极时，必须考虑阳极 上氧析出的超电压，同时对镀液组成和pH 的变化也必须采取相应措施，析出气体的 影响也要考虑。
• (3)镀层的物理性能
要事先研究高电流密度下电镀层的物理、 化学性能。
第7章 特种金属电镀 7.1 高速电镀
一、高速电镀的特点
• 高速电镀定义 • 高速电镀优点:
– 明显地提向生产率 – 缩小厂房面积 – 省力 – 改善工厂环境 – 能够采用低浓度镀液而不降低原来的电镀速度 – 废水中的重金属能够回收
二、电镀过程及高速电镀的实现
• 被还原金属离子自溶液本体向电极面传输 的过程，即物质迁移过程；
• 静压喷嘴产生足够的压力来形成液垫支持 钢带，当喷嘴和钢带的距离增大时，静压 喷嘴产生的压力也随之降低，反之亦然从 而保持钢带的平稳；而动压喷嘴所产生的 压力用来调节钢带与阳极间的距离，它不 象静压喷嘴，其产生的压力不随和钢带距 离的变化而变化。因此采用两种不同类型 的喷嘴，通过改变一系列参数即可调节钢 带的位置。
• 采用上图所示的装置，在不锈钢或镀铬的 滚筒上，以150—450A/dm2的电流密度、 25~100m/min以上的速度电镀铜、镍、锌 等。镀后将其从一端剥离，得到50~100m 厚的金属箔，甚至能采用25~75cm/min的 高速制造这种金属箔。比如电解铜箔。
三、立式镀槽
• 立式镀槽最初主要用在镀锡板的生产上， 而后发展到镀锌板生产上，目前工作在镀 锌生产上的立式镀槽有强制对流式、液垫 式、重力垂落式。如图所示。
• (5)激烈搅拌溶液
在其他的电解条件不变的情况下，欲增 加极限电流密度。唯一的办法是加强溶液 的搅拌。为增加电极表面与邻接的电解液 之间的相对移动速度，可采用溶液强制流 动法和电极自转动的方法。
• 提高镀速的关键是在于提高允许的极限电流密度， 其主要措施之一是减少扩散层有效厚度δN。
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• 随着技术的进步，水平式镀槽从诞生到现 已经变化了五代。
• 第一代：在四十年代初，高速电镀锌线诞 生的初期，采用的是采用可溶性阳极的第 一代水平式液流槽。钢带由导电辊支撑依 次通过多个镀槽，进行电镀。这样有利于 双面镀锌钢板的制造，但这种镀槽占地面 积大，由于钢板的重力垂落作用，阴阳极 间隙不易控制。