电镀和化学镀.ppt
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1、第一章 绪论,一般工业发达国家的腐蚀损失是国民生产总值的4%左右。 我国作为世界上钢铁产量最多的国家(2008年首次突破5亿吨),每年被腐蚀的铁占到我国钢铁年产量的十分之一,因为金属腐蚀而造成的损失占到国内生产总值的2%-4%;约合人民币:3000亿元(2005年我国国内生产总值达15万亿元) 。 另据国外统计,金属腐蚀的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震(平均值)损失的总和。,第一章 绪论,金属的防护,第一章 绪论,金属防护方法除应正确选用金属材料和合理进行设计外,多采用在金属表面处理技术以对金属进行防护。,表面处理主要分为五大类:,第一章 绪论,1、电化学方法(电镀、阳极氧化),2、化学
2、方法(化学镀、化学转换膜处理),3、热加工方法(热喷锌等),4、高真空方法(真空镀膜等),5、其它物理方法(涂装、激光表面加工等),电沉积,第一章 绪论,定义:是通过电解方法(外加电流)在固体表面上获取金属沉积层的过程。,目的:在于改变原材料表面特性或制取特定成分和性能的金属覆层或材料。,第一章 绪论,电沉积范畴: (1) 电冶炼 (2) 电精炼 (3) 电铸 (4) 电镀,电镀:利用电解方法,在金属或非金属表面形成符合要求的光滑、致密、完整的金属沉积层的过程,主要用来改变固体材料(零件)的表面特性和获得美丽的外观。,形象说法:就是给金属或非金属穿上一件金属“外衣”,这层金属“外衣”称为电镀层
3、。,第一章 绪论,定义,镀(来自新华字典):用物理或化学方法使一种物质附着在别的物体的表面上。,第一章 绪论,实现电镀过程必须有五个硬件:,(1) 直流电源; (2) 镀槽; (3) 含电镀金属的离子的药水; (4) 阳极(要电镀的金属)和阴极(加工的工件); (5) 导电棒、电缆、挂架等。把五种硬件组合成电镀电路。,第一章 绪论,电镀用直流电源,电镀原理,第一章 绪论,电镀原理(以镀锌为例),阴极反应,Zn2+ + 2e- Zn (金属) 2H+ + 2e- H2,Zn Zn2+ + 2e- 4OH- O2 + 2H2O + 4e-,第一章 绪论,阳极反应,凡是发生氧化反应的电极叫做阳极,凡
4、是发生还原反应的电极叫做阴极。,第一章 绪论,原电池的正极是 极,负极是 极。,一般原电池的电极常称为 极,而电解池和腐蚀电池的电极常称为 极。,阴,阳,电镀的阳极是正极,阴极是负极。,正、负,阴、阳,作为机械,日常生活品的零件,特别是航空零件,为提高防护一装饰性或其它性能, 约70%以上零件均需表面处理,而电镀又占表面处理中的相当比例。,第一章 绪论,电镀的主要用途是什么? 1、提高金属制品或者零件的耐蚀性能。例如钢铁制品或者零件表面镀锌。 2、提高金属制品的防护-装饰性能。例如钢铁制品表面镀铜、镀镍镀铬等。 3、修复金属零件尺寸。例如轴、齿轮等重要机械零件使用后磨损,可采用镀铁、镀铬等修正
5、其尺寸。 4、电镀还可赋予某种制品或零件某种特殊的功能。例如镀硬铬可提高其耐磨性能等。,第一章 绪论,2、镀层应具备的基本条件 :,1)具有良好的结合力; 2)镀层均匀、光滑、完整和致密,且具有一定的光亮度; 3)具有较低的孔隙率和较好的抗蚀性; 以上三个指标对镀层的基本要求。 4)功能性镀层还应具有一些特殊的功能,如硬度、耐蚀性、可焊性、润滑性、 磁性、导电性、记忆性、吸光性等。,第一章 绪论,一、按镀层用途分类,防护性镀层-易拉罐用的镀锡板 防护-装饰性镀层 功能性镀层,第一章 绪论,镀锡板是在薄钢板上镀锡而制成的产品。钢板如果不加保护就会生锈,若接触食品,铁就会溶出而使食品变味。,第一章
6、 绪论,功能性镀层:,按镀层的用途可把镀层分为三大类:防护性、防护-装饰性、功能性。 1. 防护性镀层:镀锌、镀镉和镀锡。,锌,镉,锡,2. 防护-装饰性镀层:这种镀层常采用多层电镀,如通常的铜-镍-铬多层电镀。,3. 功能性镀层:耐磨和减摩镀层 、防渗镀层 、导电性镀层 、磁性镀层 、抗高温氧化镀层 、修复性镀层 。,铬,铅锡铜,铜,锡,金,钴镍磷 、镍磷、钴磷,转子,修复镍,修复锌镍合金,硒化镉光敏电阻,CdTe太阳能电池,Cu Ni-P Au,八层手机线路板电路板,二、按镀层与基体的电化学关系分类,阳极镀层 阴极镀层,第一章 绪论,二、按镀层与基体的电化学关系分类,阳极镀层,阳极镀层:当
7、镀层与基体金属构成腐蚀微电池时,镀层作为阳极而首先溶解。 这种镀层不仅能对基体起保护作用,而且还能起电化学保护作用。,第一章 绪论,第一章 绪论,金属在25时的标准电极电位 (对于MeMe+ + ne的电极反应),二、按镀层与基体的电化学关系分类,阳极镀层,阳极镀层:当镀层与基体金属构成腐蚀微电池时,镀层作为阳极而首先溶解。 这种镀层不仅能对基体起保护作用,而且还能起电化学保护作用。,第一章 绪论,镀层与基体构成腐蚀微电池时,镀层为阴极。 这种镀层只能对基体金属起机械保护作用。,第一章 绪论,第一章 绪论,三、按镀层组合分类,简单镀层,单金属镀层就可满足性能要求; 组合镀层,单金属的不同组合;
8、或镀层中夹带不溶性的微粒-复合镀层,Ni-P,Ni-SiC。,1.3 电镀工业的发展状况及展望,国外1800年就公布了镀银的文献,到目前为止电镀工业逐步成为完整的工业体系。 国内电镀工业发展分成三个阶段: 解放前(1949年以前):空白 解放后至改革开放(1949-1978):开始拥有自己的电镀厂 改革开放后:电镀水平得到大幅度的发展,但与发达国家相比还有很大差距。,我国电镀工业的发展趋势主要有以下几个方面:,装饰性(仿金)和高耐蚀性将不断发展。 一些传统装饰性电镀可能被喷涂、物理气相沉积等所取代,功能性电镀产品需求呈上升趋势。 一些污染严重的电镀工艺将被环保型电镀工艺所取代。,有关电镀的中文
9、期刊: 电镀与涂饰:广州市二轻研究所 电镀与精饰:天津市电镀工程学会 电镀与环保:上海市轻工业科技情报研究所,第三节 电镀的重要性,2 金属的电沉积,金属电沉积,以电化学方法使金属离子还原为金属的过程,称为金属电沉积。,电镀(electroplating),一种电沉积过程, 是利用电极通过电流,使金属附着于物体表面上,改变物体表面之特性或尺寸。,金属电沉积产生的条件:,非所有金属离子都能在水溶液中进行电沉积,因为金属离子在水溶液中具有一定的平衡电位,当阴极达到平衡电位并获得一定的过电位,即达到析出电位时,金属离子才能沉积。水溶液中有多种离子,其中对金属离子还原影响最大的是氢离子,所以金属离子是
10、否能被还原,不仅决定于本身的化学性质,也决定于与氢离子还原电位的相对关系。如果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,金属沉积很少。,2 金属的电沉积,2 金属的电沉积,金属离子沉积的可能性,在周期表的70多种金属元素中,约有30多种金属的离子可以在水溶液中沉积。 在区域1中的元素不能在水溶液中沉积,如Li、Na、K、Be、Mg、Ca等的标准电极电位比氢负的多,很难沉积,即使在阴极上还原,也会立即与水反应而氧化,但能以汞齐的形式沉积。Ti、W 等也很难从水溶液中单独沉积出来,但可以和其它元素形成合金,实现共沉积。,2 金属的电沉积,区域2的金属能在水溶液中沉积,越靠右边的金属越
11、容易还原,且交换电流密度较小,Fe、Co、Ni元素的更小,在硫酸盐电解液中Fe与Ni的i0为10-8A /cm2 和2X10-9 A/cm2,在单盐的水溶液中就可以得到较好的沉积镀层。,2 金属的电沉积,区域3的金属,电极电位更向正移动,但交换电流密度较大,在硫酸盐电解液中Cd的i0为4X10-2 A/cm2,Cu的i0为3X10-2 A/cm2,可在水溶液中沉积且沉积速度较大,为了获得致密的镀层,常采用络合物溶液。,2 金属的电沉积,2 金属的电沉积,2.1电镀的基本原理,2.1.1电化学反应 阴极:Mn+ + ne- M 阳极:M - ne - Mn+,2 金属的电沉积,2.1电镀的基本原
12、理,2.1.2法拉第电解定律 1、法拉第第一定律 电流通过镀液时,电解质溶液发生电解反应,阳极发生氧化反应,阳极金属不断溶解,阴极发生还原反应,不断有金属析出,金属溶解或析出的量与通过的电荷量有关。电解时,电极上析出或溶解的物质的量与通过的电量成正比。 M=kQ 式中 M电极上析出或溶解的物质的量 k比例常数 Q通过的电量 Q=It M=kIt 只要知道K,就可以根据测得的电流强度I和时间t,计算电极上析出或溶解的物质的量。,2 金属的电沉积,2.1电镀的基本原理,2.1.2法拉第电解定律 2、法拉第第二定律 内容: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的物的物质的量相等,并
13、且析出或溶解1mol的任何物质所需的电荷量都是9.65104C。把这一常数称为法拉第常数。即 F9.65104C26.8A.h (1C=1A.s) 电化当量:电极上通过单位电量所形成产物的重量,称为电化当量。电极上通过1F电流量,经反应形成的各种物质的量都是1mol,但重量是不同的。,2 金属的电沉积,2.1电镀的基本原理,2、法拉第第二定律 根据M=kQ,当Q1F时,KM/F,K称为电化当量,单位是mg/C,如果取1F26.8A.h,K的单位是g/A.h。常用的元素的电化当量的数值可以在有关手册中查到。 例如:Au+的电化当量2.04mg/C, Zn2+的电化当量0.339, Cr3+的电化
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