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电镀工艺管理——几何因素对电镀过程的影响

 xziq 2011-09-20

电镀工艺管理——几何因素对电镀过程的影响

(1)几何因素

 

这里所说的几何因素,是指与电镀过程有关的各种空间要素,包括镀槽形状、阳极形状、挂具形状、阴极形状、制件在镀槽中的分布、阴阳极间的距离等,所有这些因素对电极过程都有一定影响,如果处理不当,有些因素还会给电镀的质量造成严重的危害。

 

   电解槽。它是电镀过程进行的场所。从表面来看,电解槽的大小、形状是决定电极及制品在槽内的分布的先天因素,但是,在许多场合,电解槽的大小和形状应该是根据制品的大小和形状来确定的。

 

目前电解槽的形状基本上是长方体为主,也就是由长宽高三个尺寸来确定一个槽体。槽体一经确定,所有参数也就是确定的了。

 

电极。它包括阳极、作为阴极的挂具,它们的形状和大小也可以归纳为立方体,电极的几何因素还包括阳极与阴极的相对位置,还有挂具的结构和挂具上制品的分布。阳极特别是带阳极篮的阳极和挂具,对于一个镀种或产品相对也是确定的。

 

电镀产品。它是构成阴极的一部分,对电镀来说,产品的几何形状是不确定的,是变动量最大的几何因素。对于电解冶金和电解精炼,制品也就是阴极总是与阳极一样做成平板型。当阴极和阳极成平行的平板状时,可以认为阴极上电流密度分布是接近理想状态的,也就是各部分的电流密度相等。

 

(2)几何因素影响的原理

 

   一次电流分布。在金属的电镀过程中,金属析出的量与所通的电流的大小是成正比的,同时还受电流效率的影响。根据欧姆定律,影响阴极表面电流大小的因素,在电压一定时,主要是电阻。而电解质溶液导电也符合欧姆定律,由于电镀过程涉及金属和电解质溶液两类导体,电流在进入电解质溶液前的路径是相等的,并且与电解质溶液的电阻比起来,同一电路中的金属导线上的电阻可以忽略,这样,当电流通过电解质溶液到达阴极表面时,影响电流大小因素就是电解质溶液的电阻。由于阴极形状和制品的位置的不同,这种电阻的大小肯定是不同的,这就决定了一有电流通过阴极,其不同部位的电流值是不一样的。人们将电流通过电解槽在阴极上形成的电流分布称为一次电流分布。并且可以用阴极上距阳极远近不同的任意两点的比,来描述这种分布:

 

式中K1一次电流分布状态数;

II距阳极近端和远端的电流强度;

RR从阳极到阴极近端和远端的电解液的电阻。

 

由这个一次电流分布的公式可以得知,当阳极与阴极的所有部位完全距离相等时,II,RRK1=1这是理想状态,在实际上是不存在这种状态的。当在阳极和阴极同时是平整的平板电极时,接近这种状态。而除了电解冶金可以接近这种理想状态之外,其他电镀过程都不可能达到这种状态,而是必须采用其他方法来改善一次电流分布。

 

二次电流分布。由于电镀过程最终是在阴极表面双电层内实现的,而实际上,这个过程又存在电极极化的现象,这就使一次电流分布中的电阻要加上电极极化的电阻:

 

 

式中R远极化R近极化分别表示阴极表面远阴极端和近阴极端的极化电阻。

 

二次电流分布受极化的影响很大,而极化则受反应电流密度的影响。一般电流密度上升,极化增大。电流密度则与参加反应的区域的面积有关,这一点非常重要。人们可以通过加入添加剂等手段来改变近端的电极极化或缩小高电流区的有效面积,这都会使近端的电阻增加,从而平衡了与远端电阻的差距,使表面的电流分布趋向均匀。   

 

但是,当几何因素的影响太大时,也就是远、近阴极上的电流分布差值太大时,二次电流分布的调节作用就没有多大效果了。这就是深孔、凹槽等部位难以镀上镀层或即使镀上镀层也与近端或高电流区的镀层相差很大的原因。因此,尽量减少一次电流分布的不均匀性,是获得均匀的金属沉积层的关键。

 

阴极上金属分布与分散能力。通过对一次电流分布和二次电流分布的分析,可以得知阴极上的金属电镀的厚度受电流分布的影响,或者说,在电流效率一定时,阴极上金属镀层的厚度与所通过的电流强度成正比。电流效率在这里也是一个重要的概念,因为电极过程发生时,不是所有的电流都用在了沉积金属上,设想一下,如果在近端或者说高电流区,可以让一部分电流不用来沉积金属,而是进行其他离子的还原,这样,镀层的厚度就得到了一定控制,从而与远端或低电流区的镀层厚度趋于平衡,这与二次电流分布有相似的作用。同样,这种作用也是在一定范围内才有效的,当几何因素成为决定性因素时,这些调节就有限了。但是,这种调节能力还是体现了不同电解液沉积金属均匀性特征,成为衡量镀液分散能力的指标。

 

分散能力(TP)与电流分布的关系可以用下式表示:

 

由于电极过程中实测KlK2需要很专业的仪器和人力资源,在实际电镀过程中,对镀液分散能力的测量采用的是与这一公式的原理相同而测试的项目不同的远近阴极法,也就是将不易测量的电阻值,特别是极化的电阻避开,而采用测量远近阴极上金属沉积物的重量和远近阴极的距离这样两组很容易测量的参数,得出了电镀过程的分散能力公式:

 

 

(3)几何因素的影响及消除的方法

 

   槽体体积和形状的影响。电解槽槽体的形状和空间结构直接影响阳极和阴极的配置。对于既定的电解槽,由于尺寸已经确定,这时只能因地制宜地配置阳极和阴极,尽量避免镀槽几何因素的不利影响。如果镀槽不符合下边所介绍的尺寸配置,则在电镀过程中会出现高电流区烧焦,低电流区镀层达不到厚度要求,甚至镀不上的情况。

 

但是最好的方法是根据所要加工的产品的大小和形状来设计电懈槽,这样才可以将镀槽的几何因素的影响减到最小。

 

为了使问题简明化,这里的讨论都是以手动单槽操作为例。多槽和自动线所要遵循的原则是一样的,可以以此类推。

 

首先要确定的是电解槽采用单排阴极还是双排阴极,这将确定镀槽的宽度。对于单排阴极,是将产品挂在镀槽中间的阴极杠上,两边配置阳极。如果是双排阴极,则要在槽中布置三排阳极,这就要求槽体有足够的宽度。一个基本的原则是要保证两极间的距离在250mm以上,对于槽宽来说,还要加上阳极和阴极本身的厚度和阳极朝槽壁要留有的50lOOmm的空间,这样算下来,一个单排阴极镀槽的宽度至少在800mm左右。

 

再说长度,长度要依据阴极挂具的宽度和一槽内打算挂几挂来确定。无论是挂多少,在镀槽两边阴极的外端点要距槽端板100150mm,两挂之间的距离应该保持在lOOmm。如果一个单一挂具的宽度是500mm,每槽挂两挂,这时镀槽的长度就是l400mm

 

最后是镀槽的深度。镀槽的深度应该是挂具浸入电解液内的长度加上距槽底150mm以上,和挂具上部的制件距电解液面lOOmm以下。这时,如果挂具的长度是600mm,则镀槽的深度要至少保持在l000mm。这就是一个可以一次挂两挂500mm×600mm的框式挂具、制品的厚度约150mm的常规镀槽。电解液的容量约1000L。很多中小规模电镀厂的单槽都是这种规格。

 

电解槽除了常用1000L的之外,还有2000L2500L3000L等几种规格。有些行业和镀种要用到更大的电解槽,如10000L,甚至于100000L

 

电极几何形状的影响。这里所说的是阴极和阳极的几何形状的影响,而不涉及阳极的纯度和物理状态。

 

首先必须保证阳极的表面积是阴极的l.52倍。这是因为在电镀过程中,阳极的溶解电流密度与阴极的电镀电流密度是不同的,阳极的电流密度基本上是阴极电流密度的12左右,也就是当电流通过电解槽时,阳极的表面积只有比阴极大一倍,才能保证阳极处在正常的溶解状态。如果阳极的面积与阴极一样大小,则阳极会因为电流密度过高而处于钝化状态。这时阳极就会不溶解而只会产生大量氧的析出,或是虽然仍然可以溶解,但是金属离子是以高价态的离子进入镀液而对电镀过程带来危害。除了有些电镀工艺要求阳极以高价态溶解,通常都要保持阳极的活化状态,使其能正常溶解。

 

为了使阳极有相对稳定的表面积,最好要采用阳极篮,这样,在可溶性阳极篮由于溶解而表面积减少时,不溶性的阳极篮的表面积可以缓冲阳极减少对电镀过程的影响。

 

如果是采用板式阳极,则要经常检查和补充,不要等阳极面积损失较大以后才补,否则会使阳极因电流密度升高而钝化,分散能力会下降。电解液稳定性也会因金属离子的失调而下降。

 

阳极的悬挂要注意,应由中间向槽两端均匀分开,并且保持中间密度高两边少的原则。也就是中间挂的要多一些,两端挂的要少一点,这有利于电流的分布均匀。另外,阳极的下端要比挂具的下端短100150mm,这样可以防止挂在下端的产品因电流过大而烧焦。

 

电镀过程中的阴极,包括制品和挂具。由于挂具是承载制品的重要工具,并且本身也要通过电流和会在所有导电部位获得镀层,因此挂具的几何形状对电镀的分布和质量、生产效率等都会有所影响。

 

为了保持良好的导通状态,挂具上必须有与产品连接的可靠的挂钩。并尽量采用张力挂钩,而避免重力挂钩。

 

所谓张力挂钩,是指产品与挂具的连接钩是采用有弹性的材料制作,并至少有两个连接点,以张开和收缩形式与产品适合装挂的部位连接。而重力挂钩则是将产品挂在刚性的单一挂钩上,靠产品的重量来保持与阴极的连接。

挂具上的产品之间最好保持50mm距离,挂具的下端距槽底还要有150mm的距离。阳极与阴极的距离,要保持在200250mm

 

产品形状的影响。需要进行电镀加工的产品,大多数的形状不可能是简单的平板,而即使是平板型,表面的一次电流分布也只是接近理想状态,实际上由于边缘效应,四周的电流还是比中间要大一些,更不要说那些有深孔、凹槽或起伏较大的异形产品。这些外形过于复杂的产品,在进行电镀加工时,突起的部位会因电流过大而烧焦,而低凹部位则又因电流小而镀得很薄或根本镀不上。对于这种有复杂形状的产品,就是用分散能力再好的镀液,也不可能镀出合格的产品,这时就要采取一些防止几何因素影响的措施:

 

   A.辅助阳极。对于凹槽或深孔的制品,如果对这些部位的镀层厚度有比较严格的要求,而用常规电镀法又无法达到质量要求时,就要采用辅助阳极的方法。

 

辅助阳极是在挂具上对应产品的凹槽、深孔部位,专门设置一个与阴极绝缘而另有导线与阳极相连接的小型不溶性阳极。用来弥补这些部位因距阳极太远而电阻过大导致的电流偏低,通过辅助阳极的这种趋近作用,使这些部位的镀层能够达到需要的厚度。

 

这种阳极一般是安置在产品挂具上,与挂具保持绝缘,有专门的导线与阳极相连,但是也有采用独立辅助阳极的方式。这时的辅助阳极也有采用可溶性阳极的。这样可以保证这些平时难以镀上镀层或镀得的镀层的厚度达不到要求时,获得合格的镀层。

 

B.仿形阳极。对于形状特殊的产品,为了能获得均匀的电镀层,需要制作仿形阳极。所谓仿形阳极,就是让阳极的形状与制品的外形形成阴模状态的造型。这样可以保证阳极各点与制品的外形距离基本是一致的,从而在电镀过程中获得均匀的镀层,这是保证一次电流分布处在相对均匀状态的较好办法,但是不适合被电镀制件形状经常变动的场合。

 

仿形阳极的作用与辅助阳极是一样的,但它是更直接地通过让阳极的起伏与阴极基本对应的方法,使阴极表面的一次电流分布趋向均匀。适合于比较定型而又批量较大的产品的加工。这种仿形阳极不需要单独设置,而是在电解槽中代替常规的平板阳极,操作上比辅助阳极方便。   

 

   C.屏蔽阴极。有些制品没有明显的凹槽部位,但有较大的突起或尖端,这时为了防止突起或尖端在电镀过程中烧焦,要在这些突起或尖端部位设置屏障物来屏蔽过大的电流。这种用来屏蔽阴极过大电流的屏障物,就是屏蔽阴极。这种屏蔽阴极又分为两种,一种是参加电极反应的受电式屏蔽,这种方式是让高电流区的电流分流,减少高电区不正常沉积;另一种是电中性的屏蔽,采用塑料类材料制成,增加高电流区的电阻,使突起部位的电流强度有所下降。

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