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一、表面处理概论 1.1 表面处理( Surface Treatment ) 表面处理的对象非常广泛，从传统工业到现在的高科技工业，从以前的金属表面到现在的塑料，非金属的表面.它使材料更耐腐蚀，更耐磨耗，更耐热，它使材料的 寿命延长，此外改善材料表面的特性，光泽美观等提高产品的附加价值，所有这些改变材料表面的物理，机械及化学性质的加工技术统称为表面处理 (surface treatment) 或称为表面加工(surface finishing)。 1.1.1 金属表面处理(metal surface treatment) 金属经初步加工成型后需修饰金属表面，美化金属表面 ，更进一步改变金属表面的机械性质及物理化学性质等的各种操作过程，称的为金属表面处理.或称的金属表面加工(metal surface finishing)。 1.2 表面处理的目的 表面处理的目的可以分四大类: (1) 美观(appearance)。 (2) 防护(protection) (3) 特殊表面性质(special surface properties) (4) 机械或工程性质(mechanical or engineering properties) ---------------------------------------------------------------------------------- (1) 美观(appearance) 为了提高制品的附加价值，赋予制品表面美观，例如装饰性电镀(decorative plating) Au， Ag， Rh， Ni， Cr，黄铜等电镀 (electroplating)。 ---------------------------------------------------------------------------------- (2) 防护(protection) 为了延长制品的寿命，再制品表面披覆(coating)耐腐蚀的材料，例如保护性电镀(protective plating) Zn，Cd，Ni，Cr，Sn 等电镀。 ---------------------------------------------------------------------------------- (3) 特殊表面性质(special surface properties) 1. 提高制品的导电性(electrical conductiuity)，例如电镀Ag，Cu。 2. 提高焊接性(soderability)在通讯急电子工业应用，例如Sn-Pb 合金电镀。 3. 提高光线的反射性(light reflectivity ) 例如宇宙飞船，人造卫星的外壳需反射光线，Ag及Rh的镀层被应用上。 4. 减小接触阻抗(contact resistance)例如在电子组件的Au及Pd电镀。 ---------------------------------------------------------------------------------- (4) 机械或工程性质(mechanical or engineering properties ) 1. 提高制品的强度(strenth)，例如塑料电镀。 2. 提高制品的润滑性 ( bearing propertries ) 例如多孔铬电镀(porous chromium plating)， 内燃机的铝合金活塞 (piston) ，镀锡Sn以防止汽缸 (cylinder)壁刮伤。 3. 增加硬度(hardness)及耐磨性(wear resistance) ，例如硬铬电镀(hard chromium plating)。 4. 提高制品的耐热性，耐候性，抗幅射线，例如塑料，非金属的电镀。 5. 渗碳(carburizing) ，氮化(nitriding) 的防止，例如钢铁表面硬化(case hardening)时在不要硬化部份镀Cu。 1.3 表面处理的重要性 表面处理工业虽然不是工业的主流，但只有透过表面处理，制品的特性及价值才能充份发挥出来.应用电镀(plating)，阳极处理 (anodizing)，化成处理(convesion coating)，涂装(coating)等工业技术，达到防蚀，增进可焊性，润滑性，耐磨性，附着性及钢材防止渗碳等的多项目的。 所以表面处理为各种加工制造工业不可或缺的过 从传统工业到近代高科技，表面处理技术一直扮演非常重要性的角色.例如宇宙飞船，人造卫星，集成电路等的发展表面处理技术都有决定性的影响.由于表面处理对材料月异，带动相关科技工程的进步。 1.4 表面处理技术的种类 从表面处理的特性可分类: 表面形成： 机械法 __ 珠击法，切削，搪磨，撒砂，精磨，研磨，超加工。 冶金法 __ 表面硬化，(淬火，渗碳，氮化)，扩散皮膜法。 化学法 __ 电解研磨，酸洗，化学研磨，酸蚀雕刻。 表面披覆： 表面披覆__ 电镀，无电镀，热浸镀，熔射镀，真空蒸着，阴极喷溅， 无机披覆__ 阳极处理，化成处理，着色，珐琅处理。 有机披覆__ 涂装，橡胶加衬，塑料加衬。 1.6 国内表面处理工业发展的方向 国内表面处理工业的技术自行开者很少，大多仰赖国外厂商的业务代表或代理商. 往往引进的技术并非最前进者或只是局部的，因此使本国产品品质逊于外货乃为不可避免，产品的信誉及附加价值难以提升.国内学术机构也甚少做独立性长期性的 研 究，国内欲求工业的升级，商品附加价值提高，必须大力提高表面处理技术，以达成支持各项金属制造业，机器工业，电子工业的任务。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.6.1 装饰电镀(decorative plating) 装饰电镀的主要目的改进产品的外观，提高产品附加价值，其主要产品如项链，胸针，耳环等饰物，合法登记的装饰电镀厂不足十分的一，地下小厂不需付税捐，废 水处里费用等，导致小厂吃大厂，劣币逐良币的反淘汰的恶性循环. 所以发展的方向应为大厂增添新设备，提高技术水准，提高产品品质，加强取缔公害，自然促使非法及小厂淘或合并经营才能进一步发展。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.6.2 工程电镀(engineering plating） 工程电镀的目的是增加产品的耐蚀力，延长使用寿命，改进机械性质等.现在许多精密模具无法使用机械加工， 也使用电镀法， 称的为电铸 (electroforming).工的规模较大，许多操作采用自动化，多附属于大规模较大机器制造厂。 独立的工程电镀厂也大都与大型机器金属制造厂订有长期加工契约，其恶性竞争较装饰性电镀小，随着经济发展，工程电镀技术水准必须精益求精，力争上游，其发展是大有可为的工程电镀使用支持料数量钜大，因此废物处理的公害问题需特别重视，稍一不慎将 造成不可收拾的公害。 一般中小厂为节省开支没有废物处理设备，或有也只供参观检查时的用，浪费投资，罔顾员工及环境的安全与卫生.故今后发展方向为如何协助，促使这些小厂家合 并始引进或研究开发更经济更有效新技术.工程电镀用的化学品如进镀成性质的添加剂，多为国外原料供货商的机密，利润甚高，若能长期研究必能研 就发展成功替代品，以减低本国电镀工业的成本。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.6.3 镀锡(tin plating) 镀锡生产应往高速率的连续生产方向发展，唯有使用高度自动化设备才能节省日益高涨的连续工资及能源.此种设备国内无法设计制造，需向国外引进技术，近年来 使用铝罐，铝箔，塑料瓶罐，腊纸盒，玻璃瓶等材料越来越普遍，占去马口铁很大的市场尤其一些锡生产的开发国家如印尼，菲律宾，泰国，马来西亚等也开始生产 马口铁，另外有逐渐改无锡铁皮(tin free steel)的趋势。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.6.4 热浸镀锌(zinc hot dip coating) 镀锌钢片主要有电镀式镀锌钢片及热浸式钢片，其中以热浸式占大多数，镀锌钢片具有优良耐蚀性与低廉价格.主要用途为建筑如用在顶板(roofing)，侧 板(siding )，广告牌，风管等，其次为电器及机械业.国内镀锌钢片业者需淘汰更新陈旧设备，采用新式连续式热浸镀锌方式生产，产量大，品质佳，产品适用性广，成本低 并加以配合耐高腐蚀力，镀层延性，抗热性，焊接性及美丽彩色涂装的需求提高制品的品质.如发展出来的铁锌合金镀面，差别镀锌，单面镀锌及铝锌合金镀面等。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.6.5 阳极处理(anodizing) 铝的阳极处理是铝金属表面藉由电流的作用形成一层氧化物膜，坚硬耐磨，抗蚀性极高，色泽优美.铝合金本身易于加工，强度高，用途很广，磥琐T阳处理产品为铝门窗，家俱，照相机及仪表外壳另件.铝材制造极其加工业也日益扩展，铝阳处理有相当市场潜力。 阳极处理的发展例如硬质阳极处理(hard anodizing)，在低温电流亦有用交直流并用的阳极处理.这种硬化的阳极处理的铝材可用于活塞，汽缸，汽缸内衬，油压机及涡轮的另件，汽阀，齿轮， 枪械另件，离合器，煞车圆片，(brake disk)，机器另见及工具等.液温，电流密度，溶液成份需自动控制才能严格管制成品的品质以达客户要求.自动化需引进国外技术及大量的资金，所以同时要 深入了解国外市场的潜力循序达成自动化。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.6.6 涂装(coating) 涂装工业的成长仍应会继续扩大，应设法取缔地下工厂以减少公害。保障合法厂商，避免恶性竞争.教育用户重视表面处理技术的价值，提高涂装品质的要求.大厂 商应力争上游，自行发展高级产品而不能只埋怨小厂的低廉竞销.发展的趋势大多采用粉体涂装，以节省能源和溶剂并可减少公害.非溶剂的涂装和省能源型(紫外 线硬化，低温硬化)的新产品，涂装工业当然应该迎头赶上。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.7 学会，杂志及参考书籍 促进表面处理工业界的联系，技术交流，标准规范的定订，防止恶性竞争，市场的操纵等应设有功能的公会，协会以解决同业的困难.例如电镀公会，阳极处理公 会，涂装公会等.学会及杂志社提供新知识，新科技的信息.在做研究开发工作，资料的取得是非常重要的，尤其是有关专利资料更具有价值。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.7.1 学会 有关表面处理技术的国内外学会有: (1) 中国材料科学学会。 (2) 中国钢铁学会。 (3) 中国化学会。 (4) 中国腐蚀防蚀学会。 (5) American， Electroplater Society。 (6) American， Electrochemical Society。 (7) American， National Association of Corrosion Engineers 。 (8) 英国Institute of metal fishing. (9) 英国Corrosion Science Society。 (10) 英国Corrosion and Protection Association。 (11) 日本金属表面技术学会。 (12) 日本金属学会第三分科会(金属表面物理化学)。 (13) 日本钢铁学会。 (14) 日本电器化学协会。 (15) 日本化学学会。 (16) 日本轻金属学会。 (17) 德国Bunsen Gesellechaff。 ---------------------------------------------------------------------------------- 1.7.2 杂志 有关表面处理杂志有: (1) 国内: 金属表面技术. 工业材料。 表面处理工业. 化工技术。 防蚀工程. 材料科技. (2) 日本: 金属表面技术. 防蚀技术。 金属材料. 工业材料。 (3) 美国: Plating Corrosion Metal Finishing Materials Protection Product Finishing Materials and Methods Industrial Finishing (4) 英国: Electroplating Metal Industry (5) 德国: Metalloberflanche oberflachenentechnik Korrosion und Metallschutz Werkstoffe und Korrosion ---------------------------------------------------------------------------------- 1.8 表面处理电镀技术士检定规范 金属表面处理是一门专门的技术与学问，为提高表面处理工业的水准及发展潜力，宜规定工厂必须拥有表面处理技术士如电镀技术士，阳极处理技术士，涂装技术士等.让这些专门技术士从事工厂作业，才能有优良的产品。技术技能士检定旨在配合经济发展，改变职业观念，建立技能共信标准，提高技术人士的地位适应国 家建设的需要.凡测验合格者，由内政部颁发[中华民国技术士证]。 技术士技能检定分为学科与术科测验两阶段完成.学科测验就检定规范中[相关知识]范围内命题，采是非选择方式.术科测验需学科测验合格始能参加，采现场操作考验方式.技术士分为三等级，甲级，乙级，丙级。 二、电镀基本原理与概念 2.1 电镀的定义 电镀(electroplating)被定义为一种电沉积过程(electrodepos- ition process)， 是利用电极(electrode)通过电流，使金属附着于 物体表面上， 其目的是在改变物体表面的特性或尺寸。 2.2 电镀的目的 电镀的目的是在基材上镀上金属镀层(deposit)，改变基材表面性质或尺寸。例如赋予金属光泽美观、物品的防锈、防止磨耗、提高 导电度、润滑性、强度、耐热性、耐候性、热处理的防止渗碳、氮化 、尺寸错误或磨耗的另件的修补。 2.3 各种镀金的方法 电镀法(electroplating) 无电镀法(electroless plating) 热浸法(hot dip plating) 熔射喷镀法(spray plating) 塑料电镀(plastic plating) 浸渍电镀(immersion plating) 渗透镀金(diffusion plating) 阴极溅镀(cathode supptering) 真空蒸着镀金(vacuum plating) 合金电镀 (alloy plating) 复合电镀 (composite plating 局部电镀 (selective plating) 穿孔电镀 (through-hole plating) 笔电镀(pen plating) 电铸 (electroforming) 2.4 电镀的基本知识 电镀大部份在液体 (solution) 下进行，又绝大部份是由水溶 液 (aqueous solution)中电镀，约有 30 种的金属可由水溶液进 行电镀， 由水溶液电镀的金属有：铜Cu、镍Ni、铬Cr、锌Zn、镉Cd 、铅Pb、金Au、银Ag、铂Pt、钴Co、锰Mn、锑Sb、铋Bi、汞Hg、镓Ga、铟In、铊、As、Se、Te、Pd、Mn、Re、Rh、Os、 Ir、Nb、W 等。 有些必须由非水溶液电镀如锂、钠、钾、铍、镁、钙、锶、钡、铝、La、Ti、Zr、Ge、Mo等。可油水溶液及非水溶液电镀者有铜、银、锌、镉、锑、铋、锰、钴、镍等金属。 电镀的基本知识包括下列几项： 溶液性质 物质反应 电化学 化学式 界面物理化学 材料性质 2.4.1 溶液(solution) 被溶解的物质称的为溶质(solute)，使溶质溶解的液体称的溶 剂(solute)。溶剂为水的溶液称的水溶液(aqueous solution)。 表示溶质溶解于溶液中的量为浓度(concentration)。在一定量溶剂 中，溶质能溶解的最大量值称的溶解度(solubility)。 达到溶解度 值的溶液称的为饱和溶液(saturated solution)，反的为非饱和溶 液(unsaturated solution)。 溶液的浓度，在工厂及作业现场，使用易了解及便利的重量百分率浓度(weight percentage)。另外常用的莫耳浓度(molal concentration)。 2.4.2 物质反应(reaction of matter) 在电镀处理过程中，有物理变化及化学变化，例如研磨、干燥等为物理反应，电解过程有化学反应，我们必须充份了解在处里过程中各种物理及化学反应及其相互间关系与影响。 2.4.4 电化学(electrochemistry) 电镀是一种电沉积( electrodeposition )过程，利用电解体electrolysis)在电极(electrode)沉积金属，它是属于电化学的应用的一支。电化学 是研究有关电能与化学能交互变化作用及转换过程。 电解质(electrolyte)（如NaCl），也就是其溶液具有电解性质的溶液，(electrolyticsolution)它含有部份的离子 (ions)，经由此等离子的移动 (movement)而能导电。带阴电荷朝向阳极(anode)移动称的为阴离子(anion)，带正电荷朝向阴极(cathode)移动 (migrate)者称的为阴离子 cations)。这些带电荷的粒子(particles)称的为离子(ions)。放出电子产生氧化反应的电极称的为阳极(anode)，得到电子产生 还原化应的电极称的为阴极(cathode)。整个反应过程称的为电解(electrolysis)。 2.4.4.1 电极电位(electrode potentials) 电位(electrode potential)为在电解池(electrolytic)中的导电体，电流 经由它流入或流出。电极电位(electrode potential)是电极与电解液的间的电动势差， 单独电极电位不能测定需参考一些标准电极(standard electrode)。 例如氢标准电极(hydrogen standard electrode)以其为基准电位为0 电极电位的大小可由Nernst equation表示的: E=E0+RT*ln(aMn+/aM)/nF E=电极电位 E0=电极标准状态电位(volt) R=气体常数(8.3143 J.K-1MOL-1) T=绝对零度( K) n=原子价的改变数(电子移转的数) aMn+=金属离子的活度(activity)，若极稀薄的溶液，其活度就等于金属离子的浓度(concentration)C。一般则活度为浓度乘上活度系数，即a = r*c。金属电极的活度，若为纯金属即为1 。 F=法拉第常数 2.4.4.2 标准电极电位(standard electrode potential) 标准电极电位(standard electrode potential)是指金属电极的活度为 1(纯金属)及在金属离子活度为1时的电极电位。氢的标准电位在任何温度下都定为0，做为其它电极的参考电极 (REFERENCE ELECTRODE)，以氢标准电极为基准0。排列在前头的金属如Li较易失去电子，易被氧化，易溶解，易腐蚀，称的为溅金属或金属(basic metal)。相反如Au金属不易失去电子.不易氧化.不易溶解.容易被还原称的为贵金属(noble metal)。 各种金属的电极电位 Li—Li+ -3.045 Co—Co+2 -0.277 Rb—Rb+ -2.93 Ni—Ni+2 -0.250 K—K+ -2.924 Sn—Sn+2 -0.136 Ba—Ba+2 -2.90 Pb—Pb+2 -0.126 Sr—Sr+2 -2.90 Fe—Fe+3 -0.04 Ca—Ca+2 -2.87 Pt/H2—H+ 0.000 Na—Na+ -2.715 Sb—Sb+3 +0.15 Mg—Mg+2 -2.37 Bi—Bi+3 +0.20 Al—Al+3 -1.67 As—As+3 +3 Mn—Mn+2 -1.18 Cu—Cu+2 +0.34 Zn—Zn+2 -0.762 Pt/OH-—O2 +0.40 Cr—Cr+3-0.74 Cu—Cu+ +0.52 Cr—Cr+2 -0.56 Hg—Hg2+2 +0.789 Fe—Fe+2 -0.441 Ag—Ag+ +0.799 Cd—Cd +3 -0.402 Pd—Pd+2 +0.987 In—In+3 -0.34 Au—Au+3 +0.150 Tl—Tl+ -0.336 Au—Au+ +1.68 2.4.4.3 Nernst 电位学说 金属含有该金属离子的溶液相接触，则在金属与溶液界面，会产生 电荷移动现象，此等电荷的移动，仍是由于金属与溶液的界面有电位势的差别称的为电位差所引起，此现象Nernst解说如下: 设驱使金属失去电子变为阳离子溶入溶液中的电离溶解液解压(electrolatic solution pressure)为p，而使溶液中的阳离子得到电子还原成金属渗透压(osmotic pressure)为Ｐ，则有三种情况发生: (1) P>Ｐ时，金属被氧化，失去电子，溶解成金属离子于溶液中，因此金属电极本体接收电子而带负电。 (2) P<Ｐ时，金属阳离子得到电子被还原沉积于金属电极表面上，金属电极本身供给电子，因此金属电极带正电 (3) P=Ｐ时，没有产生任何变化 设金属与溶液的界面所形成的电极电位为E，当1 mole金属溶入于溶液中，则界面所通过的电量为nF ， n为金属阳离子的价数，即电子的转移数，F为法拉第常数，此时所作功等于nFE，也等于下式：nFE=RT/ln(P/Ｐ)，即金属阳离子的活度 (activity)为aMn+，活度系数为K，则Ｐ=K(aMn+)，于是 E=-RT/nFln(p/KaMn+) E=-RTln(P/K)/nF +RTln(aMn+)/nF E在标准状态时，即aMn+=1，称为标准电极电位E ，即 E0=-RTln(P/K)/(nF) + RTln1/(nF) =-RTln(P/K)/(nF) 所以纯金属的电极电位用上列式子表示: 非纯金属电位则为: E=E0+RTln(aMn+/aM)/(nF) 式中为aM为不纯金属的活度 2.4.4.4电极电位在热力学的表示法 电极反应是由氧化反应及还原反应所组成。 例如Cu — Cu++＋2e- 还原状态 氧化状态可用下列二式表示的: 氧化反应：Cu → Cu++＋2e- 还原反应：Cu++＋2e- → Cu 例1: 氧电极反应的电位 (1/2)O2＋H2O＋2e- — 2OH- E = E0 - RTln[(aOH-)^2/aO2^(1/2)]/(2F) 例2: 氯化汞电极反应的电位 Hg2+2＋2e- — 2Hg E = E0 - RTln[aHg(s)/(aHg2+)^2]/(2F) 例3: 氢电极反应的电位 1/2H2(g) — H+＋e- E = E0 + RTln[(aH+)/aH2^(1/2)]/F 2.4.4.5 电极电位的意义 可逆电极分类为四种: (1) M/M+n，即金属含有该金属离子的相接触。有二种形式： A)金属与溶液间的水大于金属阳离子M+n与电子的结合力，则金属会溶解失去电子形式，金属阳离子与水结合成为M+n.xH2O，此时金属电极获得额外电 子，故带负电，这类金属电极称的阴电性，如Mg.Zn.及Fe等浸入酸..盐类水溶液时。B)金属与溶液的水亲合力小于金属离子M+n与电子结合力时，金 属离子会游向金属电极得到电子而沉积，在金属电极上，于是金属电极带正电，溶液带负电； (2)金属M与难溶性的盐MX相接触，同时MX又与阴离子的KX相接触，即(M│MX,KX)如氯化汞电极(Hg2Cl2)； (3)不溶性金属（如Pt）与含有氧化或还原系离子的溶液相接触，例如Pt│Fe+2,Fe+3或Pt│Cr+2，Cr+3等； (4)吸附气体原子的不溶性金属（如Pt）与溶液中相应的离子达成平衡，例如Pt,H2│H+或Pt,O2│OH-等； 2.4.4.6 界面电性二重层 在金属与溶液的界面处带电粒子与表面电荷形成的吸附层， 偶极子的排列层以及扩散层等三层所组合的区域称的为界面电性二重层。 2.4.4.7 液间电位差（liquid junction potential） 又称的为扩散电位差(diffusion potential)，系由阴离子与阳离子的移动度不同而形成的电位差，通常溶液的浓度差愈大 ，阴阳离子移动度差愈大，则液间电位差愈大。 2.4.4.8 过电压（overvoltage) 当电流通过时，由于电极的溶解、离子化、放电、及扩散等过程中有一些阻碍，必须加额外的电压来克服，这些阻碍使电流通过，这种额外电压消除阻碍者称的为过 电压。此种现象称的为极化(polarization)。此时阴极、阳极实际电 位与平衡电位的差即为阴极过电压、阳极过电压。过电压可分下列四种： 1.活化能过电压（activiation overvoltage）（电化学过电位） 任何反应，不论吸热或放热反应皆有最低能障需克服 ，此能障称为活化能，在电解反应需要额外电压来克服活化能阻碍，此额外电压的活化能过电压，可用Tafel公式表示： η=a + blog i b为系数，i为电流，η为活化能过电压，其电流i愈大η愈大，电镀中η占很小一部份，几乎可以忽略，除非电流密度很大。 氢过电压（hydrogen overvoltage），在酸性水溶液中阴极反应产生 H2气体，此额外的电压称氢过电压，即ηH2 =Ei-Eeq，式中 η = 氢过电压 Ei = 实际电压 Eeq= 平衡电压 在电镀时由于氢过电压的原因使氢气较少产生，而使许多金属可以在水溶液中电镀。例如锌、镍、铬、铁、镉、锡、铅。 2.浓度过电压（concentration overvoltage） 当电流变大，电极表面附近反应物质的补充速度及反应生成物 逸散的速度不够快，必须加上额外的电压，以消除此阻碍，此额外电压称浓度过电压。在电镀时可增加温度即增加扩散速率，增加浓度，搅拌或阴极移动可减少浓度过电压，电流密度因而提高，电镀的速率也可增加。 3.溶液电阻过电压（solution resistance overvoltage） 溶液的电阻产生IR电压降，所以需要额外的电压IR来克服此电 阻使电流通过，此额外电压IR称的溶液电阻过电压。在电镀时可增加溶液导电度，提高温度以减少此电阻过电压，有时此IR形成热量太多会使镀液温度一直上升，造成镀液蒸发损失需冷却或补充液。 4.电极钝态膜过电压（passivity overvoltage） 电解过程，在电极表面会形成一层钝态膜，如Al的氧化物膜，错离子形成的阻力膜，此等膜具有电阻需要额外电压加以克服 ，此种额外电压称的为钝态膜过电压。 2.4.4.9 分解电压（decomposition potential） 电压愈大，电流愈大，反应速率也愈大，其电压与电流的关系如图所示。 E点的电压称的分解电压，亦称的实际分解电压(praticaldecomposition potential)，然而要产生电流I所需的电压为： EI = E0 +ηtotal ηtotal =ηc +ηa +ηconc. + IR E0=Ec-Ea 式中: E0=平衡电动势 Ec=阴极可逆电极电位 Ea=阳极可逆电极电位 ηc=阴极过电压 ηa=阳极过电压 ηconc.= 浓度过电压 I=电流强度 R=内电阻 例１:使用铜做阳极，硫酸铜溶液镀铜，其欲产生电流I所需的电压为： EI = E0 + ηc + ηa + ηconc. + IR ∵Ec = Ea ∴E0 = 0 ∴EI =ηc + ηa + ηconc+ IR 例２:硫酸锌镀锌使用锌做阳极，搅拌良好，则产生电流I所需的电压为 EI=E0+ηa+ηc+ηconc+IR ∵Ea=Ec ∴E0=0，又因搅拌良好，∴ηconc=0 ∴EI=ηa+ηc+IR 例３:镍盐水溶液使用镍做阳极，电极面积10c㎡，以10 -2Amp/c㎡进行镀镍。 ηc ＝0.445＋0.065logI ηa ＝0.375＋0.045logI，内电阻R＝300Ω，搅拌良好所需的电压为若干？ 解：EI =ηc +ηa + IR = 0.445 + 0.65log(0.01*10) + 0.375 + 0.045log(0.01*10) + (0.01*10)*300 = 30.71V 2.4.5 界面物理化学 表面处理过程中，金属会与水或液体接触，例如水洗、酸浸、电镀、涂装等。要使金属与液体作用，需金属表面完全浸湿接触，若不能完全接触，则表面处理将不完全，无法达到表面处理的目的。所以金属与液体接触以接口物理化学性质对表面处理有十分重要的意义。 2.4.5.1 表面张力及界面张力 液体表面的分子在表面上方没有引力，处于不安定状态称的自由表面，故具有力，此力称的为表面张力。液体的表面张力大小因液体的种类和温度而异，温度愈高表 面张力愈小，到沸点时因表面分子气化自由表面消失，故张力变为零。液体和固体与别的液体交接的面也有如表面张力的作用力，称的界面张力。 2.4.5.2 表面活性剂 溶液中加入某种物质，能使其表回张力立即减小，具有此种性质的物质称的为表面活性剂。表面处理过程如洗净、脱脂、酸洗等表面活性剂被广泛应用对表面处理的光泽化、平滑化，均一化都有相当帮助。 2.4.6 材料性质 表面处理工作人员必须对材料特性充份了解，表面处 理的材料大多是金属，所以首先要知道各种金属的一般 性质。例如色泽、比重、比热、溶点、降伏点、抗拉强度、延展性、硬度、导电度等。 2.5电镀基础 电镀的基本构成元素及设备 电镀使用的电流 电镀溶液 金属阳极与金属阴极 阳极袋 电镀架 电镀前的处理 电镀设备 电镀控制条件及影响因素 镀液净化 镀层要求项目 镀层缺陷 电镀技艺 金属腐蚀 2.5.1 电镀的基本构成元素 外部电路，包含有交流电源、整流器、导线、可变电阻、电流计、电压计。阴极、或镀件(work)、挂具(rack)。 电镀液(bath solution)。 阳极(anode)。 镀槽( plating tank ) 加热或是冷却器(heating or colling coil )。 2.5.1.1 镀槽构造，其典型镀槽见图: 2.5.1.2 电镀车间设备 一个电镀车间必须配备下列各项设备： @防酸的地板及水沟。 @镀糟及预备糟。 @搅拌器。 @整流器或发电机。 @导电棒、阳极棒、阴极棒、挂具。 @安培表、伏特表、安培小时表、电阻表。 @泵、过滤器及橡皮管。 @电镀槽用的蒸气、电加热等加热设备。 @操作用的上下架桌子。 @检验、包装、输送工件等各项设备、仪器。 @通风及排气设备。 2.5.2 电镀使用的电流 在电镀中，一般都仅使用直流电流。交流电流因在反向电流时金属沉积又再被溶解所以交流电流无法电沉积金属。直流电源是用直流发电机或交流电源经整流器产 生。直流电流是电子向一个方向流通，所以可以电沉积金属。但在有些特殊情况会使用交流电流或其它种特殊电流，用来改善阳极溶解消除钝态膜、镀层光层、降低 镀层内应力、镀层分布、或是用于电解清洗等。 2.5.3 电镀溶液，又称镀液（plating bath） 电镀溶液是一种含有金属盐及其它化学物的导电溶液，用来电沉积金属。其主要类别可分酸性、中性及咸性电镀溶液。强酸镀液是pH值低于２的溶液，通常是金属 盐加酸的溶液，例如硫酸铜溶液。弱酸镀液是pH值在2～5.5的间镀液，例如镍镀液。咸性镀液其pH值超过７的溶液，例如氰化物镀液、锡酸盐的锡镀液及各 种焦磷酸盐镀液。 2.5.3.1 镀液的成份及其功能 金属盐：提供金属离子的来源如硫酸铜。可分单盐、盐，及错盐。 例如：单盐：CuSO4；NiSO4 复盐：NiSO4；(NH4)2SO4 醋盐：Na2Cu(CN)3 导电盐：提供导电度，如硫酸盐、氯盐，可降低能量花费、镀液热蒸发损失，尤其是滚桶电镀更需优良导电溶液。 阳极溶解助剂：阳极有时会形成钝态膜，不易补充金属离，则需加阳极溶解助剂。例如镀镍时加氯盐。 缓冲剂，电镀条件通常有一定pH值范围，防止pH值变动加缓冲剂，尤其是中性镀液(pH5～8)，pH值控制更为重要。 络合剂，很多情况，络合盐的镀层比单盐的镀层优良，防止置换沉积，如铁上镀铜，则需用络合剂，或是合金电镀用络合剂使不同的合金属电位拉近才能同时沉积得到合金镀层。 稳定剂，镀液有些会因某些作用，产生金属盐沉淀，镀液寿命减短，为使镀液稳定所加的药品称的为稳定剂。 镀层性质改良添加剂，例如小孔防止剂、硬度调节剂、光泽剂等改变镀层的物理化学特性的添加剂。 润湿剂(wetting agent)，一般为界面活性剂又称去孔剂。 2.5.3.2 镀液的准备 @将所需的电镀化学品放入在预备糟内与水溶解。 @去除杂质。 @用过滤器清除浮悬固体，倒入一个清洁电镀槽内。 @镀液调整，如pH值、温度、表面张力、光泽剂等。 @用低电流电解法去除杂质。 2.5.3.3 镀液的维持 @定期的或经常的分析镀液成份，用化学分析法或Hull试验(Hull cell test)。 @维持镀液在操作范围成份，添加各种药品。 @去除镀液可能被污染的来源。 @定期净化镀液，去除累积杂质。 @用低电流密度电解法间歇的或连续的减低无机物污染。 @间歇或连续的过滤镀液浮悬杂质。 @经常检查镀件、查看缺点。 2.5.4 金属阳极 金属阳极分为溶解性及不溶解性阳极，溶解性阳极用于电镀上是为补充溶液中电镀所消耗的金属离子，是用一种金属或合金铸成、滚成、或冲制成不同形状装入阳极 篮(anode basket)内。阳极电流密度必须适当，电流密度太高会形成钝态膜，因而使阳极溶解太慢或停止溶解，形成不溶解阳极，产生氧气，消耗镀液金属离子而必须 补充金属盐。为了减小阳极电流密度，可多放些阳极，或用波形阳极增加面积，或降低电压。在酸性镀液可以用增加搅拌、增高镀液温度、增加氯离子浓度、降低 pH 来提高阳极容许电流密度。而碱性镀液可用增加搅拌、增加自由氰化物(free cyanide)的浓度，升高镀液温度或升高pH值，也可将某种物质加入阳极内以减少因高电流密度的阳极钝态形成。电镀使用不溶解阳极用来做传导电流，镀 液金属离子需用金属盐来补充，如金镀液中用不溶解 的不锈钢作为阳极，以金氰化钾来补充。在镀铬中用不溶解的铅阳极，以铬酸补充铬离子。不溶解阳极有二个条件，一 是良好的导电体，二是不受镀液的化学作用污染镀液及不受侵蚀。不溶性阳极可用在控制金属离子过度积集在镀糟内，在贵金属电镀，如黄金电镀，用不锈钢做阳 极，可以代替金阳极，以减低投资成本或避免偷窃的困扰。不溶解阳极将引起强力的氧化，形成腐蚀问题及氧化镀槽内物质，所以不能使用有机物添加剂。槽内的金 属离子必须靠金属盐来补充。 2.5.5 阳极袋（anode bag） 阳极袋是一种有多细孔薄膜袋子，用来收集阳极不溶解金属与杂质阳极泥，以防止污染镀液，阻止粗糙镀层发生。阳极袋是用编织布缝成阳极形状宽大适中，长度要比阳极稍长，材料需扎得紧，足够收集阳极泥，不妨碍镀液流通，将阳极袋包住阳极并缚在阳极挂钩上。在放进电电镀液的前，阳极袋要用热水含润湿剂中洗去 浆水及其它污物，然后再用水清洗，并浸泡与镀液相同的pH的水溶液中，使用前需再清洗。酸性镀液的阳极袋可用棉织物，也可使用人造纤维。在高温操作咸性镀 液可用乙稀隆材料阳极袋。2.5.6 金属阴极 金属阴极是镀液中的负电极，金属离子还原成金属形成镀层及其它的还原反应，如氢气的形成于金属阴极上。准备镀件做电镀需做下面各种步骤：研磨、拋光、电解研磨、洗净、除锈等。 2.5.7电镀的前处理 电镀前的处理，称的前处理(pretreatment)，包括下列过程： 除油：去除金属表面的油质、脂肪、研磨剂，及污泥。可用喷射除油、溶剂除油、浸没除油或电解除油。 清洗：用冷或热水洗净过程的残留洗净剂或污物。 酸浸：去除锈垢或其它氧化物膜，要注意防止基材被腐蚀或产生氢脆。可加抑制剂以避免过度酸浸。酸浸完后要充份清洗。 活化：促进镀层附着性，可用各种酸溶液使金属表面活化。 漂洗：电镀前立刻去除酸膜，然后电镀。 2.5.8 电镀挂架（rack） 电镀挂架是用在吊挂镀件及导引电流的挂架，其主要部份有：1.钩，使电流接触导电棒。2.脊骨，支持镀件并传导电流。3.舌尖，使电流接触镀件。4.挂架涂层，绝缘架框部份，限制及导引电流通向镀件。 电镀挂架需有足够的强度、尺寸、及导电性能通过的电流量足以维持电镀操作。其决定尺寸的条件有1.镀件重量，2.电镀的面积，3.每个挂架的镀件数，4.镀槽的尺寸，5.电镀操作所需的最大电流，镀架上的附属设备如绝缘罩或辅助电极，7.镀件及挂架最大重量。 电镀挂架基本型式有1.直脊骨型，是以垂直中央支持，用舌尖夹持镀件，适小镀件可用手来操作。2.混合脊骨型，经常用在自动电镀上，是用方型框架联合平行 及垂直骨架所构成夹持小镀件。3.箱型，这种挂架可以处理许多镀件，需配备有自动输送机、起重机、吊车等设备。4.Ｔ型，系垂直中央支持，联结许多垂直的 交叉棒，此种适合手动及自动操作。 选择电镀挂架的决定因素有1.电流量，2.强度，3.荷重限制，4.镀件位置安排，5.空间限制，6.制造难易，7.维持费用及成本。 电镀挂架的电流总量为全部镀件的有效面积乘于操作过程中的最大电流密度，有效面积系指要被电镀部份的面积。镀件应在不重要的部份如背面、孔洞、幽蔽处联接 电流。挂架的镀件数目应依据设计的重量限制、镀槽尺寸、良好电流分布空间、直流电源的电量等决定。一般人力操作的镀架安全限制重量是251b。由尺寸、形 状、移动距离可有所变动。舌尖必须具备足够的硬度、导电度、不发生烧焦、孤光、过热等现象。镀件重量能维持地心引力良好的接触，否则用弹簧联接。要能够容 易迅速上下架，并确保电流接触。铜是最广泛应用的挂架材料，因有好的导电性，容易成型，有适当强度。钢与铜导电性比铜差，但较便宜。 铝挂架用在铝阳极处理(anodizing)，其优点是轻。镍镀架耐腐蚀，可做补助电极。磷铜因它具有良好导电性，易弯曲及易制造易焊接故广泛用做舌尖。 电镀挂架的脊骨用较坚强材料制成如硬的拉铜。电镀架同时附带有补助阳极加强供应电流称的为双极镀架。除了补助阳极外，还有补助阴极，漏电装置、绝缘罩等附 加在电镀挂架上以调整电流密度或引导电流进入低电流的隐蔽区域。电镀挂架在某些地方加以涂层绝缘，其目的有下列几项： 1.减少电镀金属的浪费。 2.限制电流进入要被电镀的区域，减少电能损失。 3.减少镀液污染。 4.改进金属披覆分布。 5.减少电镀时间。 6.延长镀架寿命，防止镀糟腐蚀。 镀架有下列涂层材料可应用： 压力胶带，容易使用，易松脱损坏，适合短时应用或临时使用。 乙稀塑料，良好粘性，可用于酸咸各种镀液。 尼奥普林，直接浸泡不需打底、热烘干、粘性好，可用任何镀液，尤其适合使用于铬电镀。 空气干燥塑料，不用涂底、浸泡或擦刷后空气干燥、粘性优良，适宜各种电镀液。 橡皮，除铬电镀外其它镀液均可使用。 蜡，不能使用于强咸及热镀液。 电镀操作过程镀架使用注意事项： 镀件需定位，与阳极保持相同距离，使电镀层均匀，防止镀液的带出(drag-out)损失及带入(drag-in)污染镀液。 镀件安排要适当，要使气泡容易逸出，稍倾斜放置镀件。 空间安排，避免镀件相互遮蔽。 坚固接触，防止发烧、孤光等现象发生。 防止高电流密度的形成，如尖、边缘、角等处必须适当应用绝缘罩或漏电装置。 使用阳极辅助装置或双极镀架，应小心调整以确保适当电流分布。 镀架应经常清洗，维持良好电流接触，去除舌尖附着的金属，涂层有损坏需的即修理、操作中随时注意漏电，镀液带出损失及带入污染等现象。 2.5.9 电镀控制条件及影响因素 18.电极材质及表面状况 19.槽电压 1. 镀液的组成：对镀层结构影响最大，例如氰化物镀液或复盐镀液的镀层，要比酸性单盐的镀层细致。其它如光泽剂等添加剂都影响很大。 2. 电流密度：电流密度提高某一限度时，氢气会大量析出，电流效率低，产生阴极极化作用，树枝状结晶将会形成。 3. 镀液温度：温度升高，极化作用下降，使镀层结晶粗大，可提高电流密度来抵消。 4. 搅拌：可防足氢气停滞件表面形成针孔，一般搅拌可得到较细致镀层，但镀液需过滤清洁，否则杂质因搅拌而染镀件表面产生结瘤或麻点等缺点。5. 电流型式：应用交通电流，周期反向电流(PR)电流、脉冲电流等特殊电流可改进阳极溶解，移去极化作用的钝态膜，增强镀层光泽度、平滑度、降低镀层应力、或提高镀层均匀性。 6. 均匀性(throwing power)，或称的分散能力，好的均匀性是指镀层厚度分布均匀。均匀性的影响因素有： a)几何形状，主要是指镀槽、阳极、镀件的形状。分布位置空间、阴阳极的距离、尖端放电、边缘效应等因素。 b)极化作用，提高极化作用可提高均匀性。 c)电流密度，提高电流密度可改进均匀性。 d)镀液导电性，导电生提高而不降低阴极极化作用太多则可提高均匀性。 e)电流效率，降低电流效率可提高均匀性。 所以要得到均匀镀层的方法有： a)良好的镀液成份，改进配方有。 b)合理操作，表面活生化均匀。 c)合理镀装挂，以得到最佳电流均匀分布，防止析出气体累积于盲孔或低洼部分。 d)调节阴阳极间的距离及高度。 e)应用阳极形状善电流分布。 f)加设辅助电极、输电装置、绝缘屏障等改进电流分布。 g)应用冲击电流、在电镀前用较大电流进行短时间电镀。 7. 阴阳极形状、成份及表面状况影响很大，如铸铁和高硅钢的材料氢过电小，电镀时大量氢气析出，造成覆盖性差、起泡、脱皮等缺陷，不锈钢材料，铝、镁及合金类 易氧化的材料，不易得附差性良好镀层。表面状况如有油污、锈皮等镀层不可能附着良好，表面粗糙也难得到光泽镀层。阳极与阴极形状也会影响镀层。 8. 过滤，如阳极泥、沉碴等杂质会影响镀层如麻点、结瘤、粗糙的表面，也会降低镀层的防蚀能力，所以必须经常过虑或连续性过虑固体粒子。 9. pH值会影响镀液性质，如氢气的析出、电流效率、镀层硬度及内应力，添加剂的吸收，错合离子的浓度都有相当的影响。 10.时间为控制镀层厚度的主要因素，电流效率高，电流密度大所需电镀时间就少。 11.极化(polarization)电镀时电极电位发生变化产生一逆电动势，阻碍电流叫做极化作用，克服极化作用的逆电动势所需增加电压称的过电压。 极化作用对电镀的影响： a)有利于镀层细致化。 b)有利于改进均匀性，使镀层厚度均匀分布。 c)氢气析出增加，降低电流效率和镀层的附着力，会产生起泡、脱皮现象。 d)不利阳极溶解，消耗电力、液温增高、镀液不安定。 影响极化作用的因素有： a)电镀液组成，如氰化物镀液的极化作用大，低浓度的镀液极化作用较大。 b)电流密度，电流密度愈大极化作用愈大。 c)温度愈高，极化作用愈小。 d)搅拌使离子活性增大而降低极化作用。 12.覆盖性是指在低电流密度下仍能镀上的能力，好的覆盖性，在镀件低凹处仍能镀上金属。它与均匀性意义不同，但一般好的均匀性则也有好的覆盖性，而覆盖性不好的则均匀性一定也不好。 a)导电度，提高镀液导电度有利于均匀性，镀液的电流系由带电离子输送，金属导体是由自由电子输送电流，二者方式不相同，电解液的导电性比金属导体差，其影响因素有： b)电解质的电离度、离子的活度，电离度愈大其导电性愈好，强酸强咸电离度 都大；所以导电性好，简单离子如盐梭根离子较复杂离子如磷酸根离子活度大，所以导电性较佳。 c)电解液浓度，电解质浓度低于电离度时，浓度增加可提高导电度，如浓度已大于电离度时，浓度增加反而导电性会降低。例如硫酸的水溶液在15～30％时导电度最高。 d)温度，金属的导电度与温度成反比，但是电解液的导电度与温度成正比，因温度升高了离子的活度使导电性变好，同时温度也可提高电离度，因可提高导电度，所以电镀时常提高温度来增加镀液的导电度以增高电流效率。 13.电流效率，电镀时实际溶解或析出的重量与理论上应液解或析出的重量的百分比数为电流效率。可分为阳极电流效率及阴极电流效率。电流密度太高，阳极产生极化，使阳极电流效率降低。若阴极电流密度太大也会产出氢气减低电流效率。 14. 氢过电压，电镀金属中，锌、镍、铬、铁、镉、锡、铅的电位都比氢的电位要负，因此在电镀时，氢气会优先析出而无法电镀出这些金属，但由于氢过电压很大，所 以才能电镀这些金属。然而某些基材如铸铁或高硅钢等的氢过电压很小，也就较难镀上，需先用铜镀层打底而后再镀上这些金属。氢气的产生也会造成氢脆的危害， 同时电流效率也较差，氢气也会形成针孔，所以氢气的析出对电镀都是不利的，应设法提高氢过电压。 15.电流分布，为了提高均匀性，电流分布将设法改善。如用相似阴极形状的阳极，管子的中间插入阳极，将阳极伸入电流不易到达的地方，使用双极 (bipolar)电极将电流分布到死角深凹处，使难镀到地方也能镀上。在高电流密度区如尖角、边缘则可用遮板，输电装置避免镀得太厚浪费或烧焦镀层缺 陷。 16.金属电位；通常电位越负则化学活性愈大，电位负的金属可把电位正的金属置换析出，如铁、锌可以把铜从硫酸铜液液析出置换出来产生没有附差性的沉积层。在电镀液中若同时有几种金属离子，则电位正的金属离子先被还原析出。相反地电位负的金属先溶解。17.电极材质及表面状况对氢过电压影响很大，光滑表面的过电压较大，不同材质有不同氢过电压，金属铂的氢过电压最小。 18.槽电压，依镀液组成，极面积及形状、极距、搅拌、温度、电流浓度等而不同。一般在9～12Ｖ，有高到15Ｖ。 2.5.10 镀液净化 由于杂质污染，操作过久杂质累积，故必须经常净化镀液，其主要的方法有： 1.利用过滤材去除固体杂质。 2.应用活性炭去除有机物。 3.用弱电解方法去除金属杂质。 4.可用置换、沉淀、pH调整等化学方法去除特殊杂质。 2.5.11 镀层要求项目 依电镀的目的镀层必须具备某些特定的性质，镀层的基本要求有下列几项： a)密着性(adhesion)，系指镀层与基材的间结合力，密着性不佳则镀层会有脱离现象，其原因有： (1)表面前处理不良，有油污、镀层无法与基材结合。 (2)底材表面结晶构造不良。 (3)底材表面产生置换反应如铜在锌或铁表面析出。 b)致密性(cohesion)，系指镀层金属本身间的结合力，晶粒细小，无杂质则有很好的致密性。其影响的因素有：(1)镀液成份，(2)电流密度，(3)杂质。一般低浓度液，低电流密度可得到晶粒细而致密。 c)连续性(continuity)，系指镀层有否孔隙(pore)，对美观及腐蚀影响很大。虽镀层均厚可减少孔隙，但不经济，镀层要连续，孔率要小。 d)均匀性(uniformity)，是指电镀液能使镀件表面沉积均匀厚度的镀层的能力。好的均匀性可在凹处难镀到地方亦能镀上，对美观、耐腐蚀性很重要。试验镀液的均匀性有Haring电解槽试验法、阴极弯曲试验法、Hull槽试验法。 e)美观性(appearence)，镀件要具有美感，必须无斑点，气胀缺陷，表面需保持光泽、光滑。可应用操作条件或光泽剂改良光泽度及粗糙度，也有由后处理的磨光加工达到镀件物品的美观提高产品附加价值。 f)应力(stress)，镀层形成过程会残留应力，会引起镀层裂开或剥离，应力形成的原因有： (1)晶体生长不正常。 (2)杂质混入。 (3)前处理使基材表面变质妨碍结晶生长。 g)物理、化学机械特性，如硬度、延性、强度、导电性、传热性、反射性、耐腐蚀性、颜色等。 2.5.12 镀层缺陷 镀层的缺陷主要有： (1)密着性不好，(2)光泽和平滑性不佳，(3)均匀性不良，(4)变色，(5)斑点，(6)粗糙，(7)小孔。 缺陷产生的原因有： (1)材质不良，(2)电镀管理不好，(3)电镀工程不完全，(4)电镀过程的水洗、干燥不良，(5)前处理不完善。 2.5.13 电镀技艺 电镀技艺，必须具备化学、物理、电化、电机、机械的相关技能，要能了解材料性质，表面性质与状况，熟悉电镀操作规范，对日常作业发生的现象及对策详加整理 牢记在心，以便迅速正确地做异常处理。平时要注意电镀工场管理规则，尤其前后处理工程的每一步骤都不能疏忽，否则前功尽弃。 2.5.14 金属腐蚀 金属腐蚀，是由于化学及电化学作用的结果，可分为化学腐蚀与电化学腐蚀，按腐蚀还境可分为高温气体腐蚀、土壤腐蚀等。又依腐蚀破坏情形可分为全面腐蚀及局部腐蚀。局部腐蚀又可分为斑状腐蚀、陷坏腐蚀、晶间腐蚀、穿晶腐蚀、表面下腐蚀、和选择性腐蚀，如黄铜脆锌。 影响腐蚀的因素有：(1)金属的本性，(2)温度，(3)腐蚀介质。 防止金属腐蚀的方法有：(1)正确选用材料，(2)合理设计金属结构，(3)耐蚀合金，(4)临时油封包装，(5)去除腐蚀介质，(6)电化保护，(7)覆层保护。 2.6 电镀有关的计算 电镀有关的计算，兹用一些范例或公式表示的： (1)温度的换算： 0C=5/9*(0F-32) 0F=1.80C+32 0K=0C+273 (2)密度： D=M/V M=质量 ， V=体积 (3)比重： S.G=物质密度/水在40℃时密度 波美(baume') Be’=145-145/比重 比重=145/145-Be’ 例 20％H2SO4的溶液，在20℃时其Be'值为17，求比重多少？ 比重=145/145-17=145/128=1.13 (5)合成物的水分比 例 NiSO4.7H2O中含水多少？ 解 NiSO4.7H2O=280.87 7H2O=126 H2O%=(126/280.87)*100%=44.9% (6)比率 例 铬镀槽有400升的溶液含500kg铬酸，问同样的浓度100升镀槽需含多少铬酸？ 400/500=100/X x=125 ∴ 需125kg铬酸 (7)溶液的重量换成容积 例 98％的H2SO4，比重1.84，求配制1L标准硫酸溶液，需多少ml 98％H2SO4？ （设1L标准酸液的硫酸重量49克） 49克/(1.84克/0.98)=27.17ml (8)中和 例1 用14.4ml的1N的HC1溶液中和310ml的NaOH溶液， 求NaOH溶液的当量浓度 解 14.4ml×1N＝10ml×xN x＝1.44 ∴ 比N.OH的当量浓度为1.44N 例2 1.1738N的HC1溶液来中和10ml的1.1034NNaOH溶液， 求需HC1溶液多少ml？ 解 x ml×1.1788N＝10ml×1.1034N x＝9.4 ∴ 需9.4ml的1.1738NHC1溶液(9)法拉第定律(Faraday's Law) 例1. 计算以I=5安培电流经过T=5小时，求铜沉积重量，其电流放率CE为100％ 沉积重量W=(原子量A/(原子价n*96500))*(电流I*时间t*电流效率CE) W=(A/(n*96500))*(I*t*CE) =(63.54/(2*96500))*(5*5*60*60*100%)=31.8(g) ∴可沉积31.8g的铜 例2. 要在t=10分钟镀W =2.5g的镍在NiSO4镀液需多大电流？其电流效率CE为100％。 I=( (n*96500)/(A))*((W)/(t*CE)) =((2*96500)/(58.69))*((2.5)/(10*60*100%))=13.7 ∴需电流13.7安培 例3. 镀件的表面积为1000cm2，在硫酸铜镀液中通过15安培电流，电流效率CE为100％，求镀铜5um所需要的时间。已知铜密度为8.93g/cm3 t = ((n*96500*D)/(A))*((area*d)/(I*CE)) =((2*96500*8.93)/(63.54))*((1000*5*10^(-4))/(15*100%)) =900(秒)=15(分) ∴所需电镀时间为15分钟 例4. 镀件总面积为1.5㎡，平均电流为1500安培，15分钟镀得平均锌镀层25 um，已知锌的密度为7.14g/cm3，锌的原子量为65.38，求电流效率CE CE=WAct/WThen*100% =((1.5*25*7.14)/(((65.38)/(2*96500))*1500*15*60))*100% =59% ∴其电流效率为59% 例5. 酸性锡镀液做连续性铁片镀锡，铁片宽0.9m，铁片进行速度500m/min，电流密度5000A/㎡，上下二面欲镀上4um锡厚，电流效率100％，已知锡的密度为7.31g/cm3，原子量为118.7，求电镀槽需多少m长？ 槽长L=((n*96500*D)/(A))*((S*d)/(DI*CE)) =((2*96500*7.31g/cm3)/(118.7))*((500m/min*0.4um)/(5000A/m2*100%)) =8( M ) ∴所需镀长8M。 例6. 使用不溶性阳极镀铬，电流效率为18％，通过电量为1000安培小时，不考虑带出损失求需补充多少CrO3，以维持镀液中的铬浓度，已知铬原子量为52，氧原子量为16。 W=((A/(n*96500))*(I*t*CE) =((52)/(6*96500))*(1000*18%) WCrO3=58.1*CrO3/Cr=58.1*100/52 =112( g ) ∴需补充CrO3 112 g 例7. 15安培电流过通硫酸铜镀液10分钟，镀件面积为1500cm2，电流效率100％，铜的密度为8.93g/cm3，原子量为63.54，求镀层平均厚度多少um？ 镀层厚度d=((A)/(n*96500*D))*((I*t*CE)/(area)) =((63.54)/(2*96500*893g/cm3))*((15*10*60*100%)/(1500cm2)) =0.00022(cm) =2.2um ∴铜镀层平均厚度为2.2um (10)镀液组成配制 例 100加仑瓦特镍铍槽，作业标准组成是300g/1 NiSO4，30 g/1NiCl2及40 g/ H3BO3.目前镀液经分析得220g/1NiSO4，25g/1 NiCl2及32g/1 H3BO3，求要补充多少药品？ NiSO4 =((300-220)g/1*100gal *3.785 1/gal) = 30.28kg NiCl2 =(30-25)g/1*100gal*3.785 1/gal = 1.89kg H3BO3 =(40-32) g/1*100gal*3.785 1/gal = 3.03kg (11)电极电位 E=E0+ RTln[(aM+n)/aM]/(nF) 例1 求0.5MCu(CN)3-2溶液中的铜电极电位，若铜电极活度＝１，温度为25℃。 Cu(CN)3--(R) — Cu+ ＋ 3CN- (0.5-X) X 3X Kdiss =[Cu+][CN-]3/[Cu(CN)3--]=5.6*10^-28 X*(3X)^3/(0.5-X) = 5.6*10^-28 [Cu+] = X = 5*10^-8 aCu+ = [Cu+] = 5*10^-8（稀溶液的化学浓度） Ecu = E0Cu ＋ 8.3144*(273+25)*ln(5*10^-8/1)/(1*96500) 例2. 搅拌良好的镍盐镀液，有缓冲液pH＝5，电极面积1cm2，以0.01安培/cm2进行电镀。若ηc ＝0.445＋0.065logI ηa＝0.375＋0.045logI，内电阻＝100Ω，则分解电压需多少？ E0 = Ec- Ea = Eni – Eni = 0 ηconc=0 (因搅拌良好) I= 0.01 A/cm2*1cm2 分解电压EI=E0 + ηa + ηc + ηconc + IR =0 + 0.375 + 0.045log0.01 + 0.445 + 0.065log0.01 + 0+ 0.01*100 =1.6 ( V ) |
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