特种电镀和化学镀基础知识.ppt

第五章 电镀和化学镀 5.1 电镀理论基础 电镀是一门具有悠久历史的表面处理技术，随着现代工业和科学技术的发展，电镀技术也在不断发展，特别是近些年来出现了许多新技术，这些新技术是材料表面技术的重要组成部分. 5.1.1电镀过程及反应 1阴极还原反应：Men++ne=Me 2阳极氧化反应：Me-ne=Men+。实际上，阴极上还可能发生:2H++2e=H2（易引起氢脆，应避免）。当阳极发生钝化时，阳极上也可能发生： OH-－4e=2H2O+O2 电镀原理图 如：在碱性氰化物镀锌的电极体系中， Zn(CN)42-+4OH-= Zn(OH)42-+4CN-(配位体交换) Zn(OH)42-= Zn(OH)2+2OH-（配位数减小） Zn(OH)2+2e=Zn(OH)22-（吸附）-----电子与中心离子之间电子传递 Zn(OH)22-=Zn(晶格)+2OH-（脱去配位体） 如：在氰化物镀镉的电极体系中， Cd(CN)2-4=Cd(CN)2+2CN-（配位数减小） Cd(CN)2+2e=Cd(CN)22-（吸附） Cd(CN)2-2=Cd（晶格）+2CN-（脱去配位体） 电镀全过程可以归纳为三个步骤： 1金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极表面。 2金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子。 3还原的原子进入晶格结点。 5.1.2析出电位及络合离子 1.析出电位 金属和其它物质（如氢气）在阴极上开始析出的电位叫析出电位。 不同的金属，其析出电位也不同，凡析出电位较正的金属都能优先在阴极上被析出。也就是说，在阴极上，较高析出电位的反应将占主要的地位。 例如：沉积Al的电位须比析出H电位低0.8V以上才有可能，因此在Al的水溶液中，阴极上只能得到H2. 再如：Zn的析出电位较Cu，Pb析出电位低，在镀Zn时，如镀液中含有Cu，Pb等金属离子杂质，则它们常常会比Zn优先在阴极上析出，从而破坏了镀Zn层有规则的沉积，导致镀Zn层变粗，发黑.但有时我们也可以利用这一规律，用电解法将含有较正析出电位的金属离子杂质除去. 在阳极上，主要发生需要正电位最小的反应.对于许多金属来说，阳极反应就是其本身的溶解，但是如果电位高到一定的程度，也可能发生其它的氧化反应.如以Cu作电极时，使Cu阳极电位升高到比Cu溶解的电位高约2V时，就会发生水被氧化成氧气的反应.不过这种电位在Cu阳极上不可能有. 氢过电位：在给定的阴极电流密度下析氢的电极电位与其平衡电位之间的差值较氢过电位。氢过电位越高，析氢越困难，反之则越容易。 阴极极化对镀层的质量起着十分重要的作用。在极化很小的电镀液中镀出的镀层是十分粗糙的，甚至会出现海绵状，只有当阴极极化较大时才能镀出优质的镀层。在电沉积过程中，主要靠提高阴极极化的办法来实现结晶细密的目的。阴极极化程度大，相对而言，电沉积的晶核形成速度要比晶核生成速度快，镀层晶粒就细。 2.络合离子 许多离子如，Ni 2+，Fe 2+，CO 2+等可与一定数量的水形成稳定的络合物，诸如[Ni(H2O)6] 2+,[Fe(H2O)6] 2+,[CO(H2O)6]2+，络合物和离子化合物及共价化合物有所不同，络合物的特征是在其组成中含有金属离子和多个配位体（其它离子或原子），通过配位体单独提供的电子对为大家所共有而结合起来。 大部分金属的水合离子络合能力较弱，所以仅用水做络合剂进行电镀是不够的，为了得到理想的镀层，必须加入络合能力强的络合剂以及其它添加剂，光亮剂才行.络合离子的活度比金属离子单独水化的活度要低的多，所以其标准电位就会移向一个更负的值，这个变化可能很大，从而改变了金属在所谓电化序中的位置，这一点对于后面我们要讲的合金电镀是非常重要的。 如：在简单盐溶液中，Zn的标准电位比Cu负1.1V，在氰化镀液中，Zn的标准电位比Cu负约0.8V，但当氰化物含量升高时，Cu的电位会进一步变负（因为Cu的络合物发生了变化，转化为更高配位数的络合物[Cu(CN)3] 2+和[Cu(CN)4] 3+而ZN则很少变化，最终Cu的电位变的和Zn一样甚至比Zn更负，于是就可能镀出Cu-Zn合金. 电镀Cd，Au，Ag和Zn中，所用的最重要的络合物离子是氰化物离子，由于大多数的氰化络合物被酸分解会放出剧毒的氰化氢，所以镀液必须是碱性的。此外，如在上例所言，在氰化镀液中通常含有几种不同的络合物，但络离子的放电还原反应却不是在几种络合物离子上都发生，一般来说，沉积从含有氰化物配位最少的络合离子上发生，即便其相对浓度很低也是如此（但在实际电镀时，由于使用的电流密度较高，在偏离平衡电位较远的电位下，也就是有较高的过电位时，不仅配位数较低的配离子可以放电，高配位数的配离子也可以放电）。 5.1.3金属离子的放电位置及晶体生