电镀结晶过程及影响因素

lcshjsb

电镀结晶过程及影响因素
电镀的结晶过程
电镀过程实质上是金属的电结晶过程。大致分为以下几个步骤：
1)水化的金屑离子向阴极扩散和迁移
2)水化膜变形；
3)金属离子从水化膜中分离出来；
' t$ X4 J3 ~4 l4 V7 `3 P4)金属离子被吸附和迁移到阴极上的活性部分；
' e' p. U5 V. O: I  ?+ i- u1 ?5)金属离子还原成金属原于，并排列组成一定晶格的金属晶体。
在形成金属晶体的同时进行着结晶核心的生成和成长过程，这两个过程的速度决定了金属结晶的粗细程度。在电镀过程中当晶核的生成速度大于晶核的成长速度时，就能获得结晶细致、排列紧密的镀层。晶核的生成速度大于晶核成长速度的程度越大，镀层结晶越细致、紧密；否则，结晶粗大。
9 z# b, g) G( o: J$ `) k& c( [结晶组织较细的镀层，其防护性能和外观质量都较理想，实践证明：提高金属电结晶时的阴极极化作用，可以提高晶核的生成速度，便于获得结晶细致紧密的镀层。但阴极极化作用不是越大越好，当阴极极化作用超过一定范围时，会导致氢气的大量析出，从而使镀层变得多孔、粗糙、疏松、烧焦，甚至呈粉末状，质量反而下降。
/ j/ f8 s; y1 s* C. n' z: ~6 n
影响电镀层结晶粗细的主要因素
* k8 h& ^* Q* d& V, v4 v+ D1)主盐特性 在电镀中把含镀层金属的盐称做主盐，例如硫酸盐镀锌溶液中的硫酸锌即为主盐。
' @0 S/ B5 T& ^6 f, @' t一般来讲，如果主盐是简单的盐，其电镀溶液的阴极极化作用很小，极化数值只有几十毫伏，因此镀层结晶晶粒较粗，例如硫酸盐镀锌、硫酸盐镀铜等由于电镀溶液阴极极化作用很小，故镀层结晶晶粒较粗，其外观质量及防护性能较差。
* e: m1 n* ~+ z8 K3 w& A如果主盐是络盐，由于络离子在溶液中的离解能力较小，络合作用使金属离子在阴极上的还原过程变得困难，从而提高了阴极的极化作用，因此镀层的结晶晶粒较细。例如氨三乙酸-氯化铵型镀锌溶液中使用了络合能力较强的络合剂氨三乙酸，它和锌离子形成的络离于大大提高阴极极化作用，极化数值可达到250mV,因此获得的镀锌层比硫酸盐镀锌获得的镀层较为细致、紧密。
, o% I4 `9 y% u2 K. J" z5 q2)主盐浓度 在其它条件(如阴极电流密度和温度等)不变的情况下，随着主盐浓度的增大，阴极极化下降,结晶核心的生成速度变慢，所得镀层的结晶晶粒变粗。稀溶液的阴极极化作用虽比浓溶液大，但其导电性能较差，不能采用大的阴极电流密度，同时阴极电流效率也较低，所以不能利用这个因素来改善镀层结晶的细致程度。
5 l4 G3 D# o, ?$ Z$ j3)附加盐 在电镀溶液中除了含主盐外，往往还要加入某些碱金属或碱土金属的盐类,这种附加盐的主要作用是提高电镀溶液的导电性能，有时还能提高阴极极化作用。例如以硫酸镍为主盐的镀镍溶液中加入硫酸钠和硫酸镁，既可提高导电性能，又能增大阴极极化作用(增大极化数值约100mV左右)，使镀镍层的结晶晶粒更为细致、紧密。
1 P. |% }+ ^) q5 s4)添加剂 为了改善电镀溶液的性能和镀层质量，往往在电镀溶液中加入少量的某些有机物质的添加剂.例如阿拉伯树胶，糊精、聚乙二醇、硫脲、千千加、丁炔二醇，糖精及动物胶等。添加剂能吸附在阴极表面或与金属离子构成"胶体-金属离子型"络合物，从而大大提高金属离子在阴极还原时的极化作用，使镀层细致、均匀、平整、光亮。例如在铵盐镀锌溶液、柠檬酸盐镀锌溶液、氨三乙酸镀锌溶液中加入1～2g／L聚乙二醇和1～2 g／L.硫脲分别可以增加极化数值为70一100mV，100～200mV和200mV以上，都能使镀层结晶晶粒变细。必须注意有机添加剂是有选择性的，不可乱用，以免造成不良后果。
! H% t  ~. I5 Y+ B9 e" u8 X5)阴极电流密度 阴极电流密度对镀层结晶晶粒的粗细有较大影响。一般来讲，当阴电流密度过低时,阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒较粗，在生产上很少使用过低的电流密度。随着阴极电流密度的增大，阴极极化作用也随之增大(极化数值的增加量取决于各种不同的电镀溶液)，镀层结晶也随之变得细致紧密，但阴极上的电流密度不能过大，不能超过允许的上限值(不同的电镀溶液在不同的工艺条件下有着不同的阴极电流密度的上限值)，超过允许的上限值以后，由于阴极附近严重缺乏金属离子的缘故,在阴极的尖端和凸出的地方会产生形状如树枝的金属镀层,或者在整个阴极表面上产生形状如海绵的疏松镀层。在生产中经常遇到是在零件的尖角和边缘处容易发生"烧焦"现象，发展下去就会形成树枝状结晶或者是海绵状镀层。
6)电镀溶液的温度 在其它条件相同的情况下,升高溶液温度,通常会加快阴极反应速度和金属离子的扩散速度,降低阴极极化作用，因而也会使镀层结晶晶粒变粗。但升高溶液温度可以提高允许的阴极电流密度的上限值，阴极电流密度的增加会增大阴极极化作用，不但不会使镀层结晶晶粒变粗而且会加快沉积速度，提高生产效率。
7)搅拌 搅拌会加速溶液的对流，使阴极附近消耗了的金属离子得到及时补充和降低阴极的浓差极化作用,因而在其它条件相同的情况下，搅拌会使镀层结晶晶粒变粗。然而采用搅拌后,可以提高允许的阴极电流密度上限值,在较高的电流密度和较高的电流效率下得到细致紧密的镀层。利用搅拌的电镀溶液必须进行定期的或连续的过滤，以除去溶液中的各种固体杂质和渣滓。否则会降低镀层与基本金属的结合力，使镀层粗糙、疏松、多孔。目前在工厂中采用的搅拌方法有：机械搅拌法、阴极移动法和压缩空气搅拌法。机械搅拌法应用较少;阴极移动法应用较广泛,这是因为结构简单、使用方便、槽底泥渣不易翻起的缘故；压缩空气搅拌法可在酸性镀铜、锌、镍溶液中使用，但不适用于氰化物电镀溶液。
) g7 C. `" p: X8)换向电流 换向电流实际是变形的交流电，能周期地改变电流方向,被镀零件在每个周期内将有一瞬间变成阳极，从而控制了结晶长大的时间，使之不能长得很粗大，同时还能溶解镀层上的显微凸出部分，具有整平作用。因而采用换向电流，可以使用较高的阴极电流密度，强化电镀过程，提高生产率，并可使镀层结晶组织排列得更为密实。例如在氰化物电镀溶液中用周期换向电流电镀铜、黄铜、银及其它金属时，所获得的镀层质量比不采用换向电流的质量好。在无氰络化物电镀溶液中采用换向电流，也得到良好的效果。