应用电化学 课件 第四章 金属表面精饰.ppt

第四章 金属的表面精饰 本章主要内容: 1.金属电沉积和电镀原理 2.电镀 3. 电镀工艺 4.几种典型电镀工艺 5.金属阳极氧化. 4.1.1 简单金属离子的还原 溶液中的任何金属离子，只要电极电势足够负，原则上都可能在电极上得到还原。但是，若溶液中某一组分的还原电势较金属离子的还原电势更正时，则就不可能实现金属离子的还原。如果阴极还原过程的产物是合金，由于还原产物中金属 的活度一般要较纯金属的小、此时仍有可能实现金属的电沉积。最典型的例子莫过于活泼金属离子(如Na+)在汞阴极上的还原而形成相应的汞齐。 4.1.3 金属共沉积原理 研究两种或两种以上金属同时发生阴极还原共沉积形成合金镀 层已有一百多年的历史。只是由于合金电镀的影响因素较多，为了获得具有特殊性能的合金镀层要严格控制电镀条件，因此，在相当长的时间内，合合镀层未能在工业上推广应用。要使两种合金实现在阴极上共沉积，就必须使它们有相近的析出电势，即 4.1.4 金属电结晶动力学 金属电沉积过程是一个相当复杂的过程。金属离子在电极上放电还原为吸附原子后，需经历由单吸附原子结合为晶体的另一过程方可形成金属电沉积层，这种在电场作用下进行的结晶过程称为电结晶。 金属离子还原继而形成结晶层的电结晶过程一般包括了以下步骤： (1)溶液小的离子向电极表面的扩散； (2)电子迁移反应； (3)部分或完全失去溶剂化外壳，导致形成吸附原子; (4)光滑表面或异相基体上吸附原子经表面扩散，到缺陷或位错等有利位置; (5)电还原得到的其他金属原子在这些位置聚集，形成新相的核．即核化; 4.1.5 金属电沉积过程中表面活性物质的作用 对于金属电沉积过程，如果在溶液中含有少量的添加剂，就可能显著影响沉积过程的速度以及沉积层的结构。 吸附的表面活性物质对双电层的影响主要体现在：表面活性离子的吸附改变了界面的电势分布，导致双电层中放电物种——简单金属离子的浓度降低，而且阻化了该种离子阴极还原反应的速率,但却能加速络合阴离子的还原反应速率,因为添加剂和络合剂一起能形成多元络合物(如离子缔合物等). 4.2 电镀 电镀是以被镀工件作为阴极浸入欲镀金属盐溶液中、致使被镀金属离子在阴极表面上还原从而获得牢固结合的金属膜的一种表面加工方法.可能的阳极反应是被镀金属的阳极溶解或氧气的析出.电镀时电解条件的控制就是使被镀金属的还原和阳极溶解具有相同的电流效率,以保证镀液中被镀金属离子的浓度保持恒定。在一些场合,必须以盐类形式添加到镀液中以获得金属离子,此时要使用惰性电极(常用Pt),阳极反应为O2析出。电镀过程中阴极的的处理、阳极材料、镀液、电流密度等条件的选择和控制至关重要。 4.2.2 影响镀层质量的因素 1.镀液的组成及性能的影响 镀液配方干差万别,但一般都是由主盐、导电盐(又称为支持电解质)、络合剂 和一些添加剂等织成. 主盐是指进行沉积的金属离子盐，主盐对镀层的影响体现在:主盐浓度高,镀层较粗糙,但允许的电流密度大;主盐浓度低,允许通过的电流密度小,影响沉积速度。一般电镀过程要求在高的浓度下进行，考虑到溶解度等因素,常用的主盐是硫酸盐和 4.2.3 电镀生产工艺 电镀生产工艺流程一般包括镀前处理、电镀和镀后处理三大步。 镀前处理:是获得良好镀层的前提。镀前处理一般包括机械加工、酸洗、除油等步骤.机械加工是指用机械的方法，除去镀件表面的毛刺氧化物层和其他机械杂质，使镀件表面光洁平整,这样可使镀层与整体结合良好，防止毛刺的发生。有时对于复合镀层，每镀一种金属均须先进行该处理。除机械加工抛光外,还可用电解抛光使镀件表面光洁平整。电解抛光是将金属镀件放入腐蚀强度中等、浓度较高的电解液中在较高温度下以较大的电流密度使金属在阳极溶解，这样可除去镀件缺陷，得到一个洁净平整的表面,且镀层与基体有较好的结合力，减少麻坑和空隙.使镀层耐蚀性提高，但电解抛光不能代替机械抛光. 2. 合金电镀 4.3.1 金属阳极氧化原理 金属的阳极氧化是以金属作为阳极，根据电解条件的不同，可能经历下列几个不同的过程: (1)金属的阳极溶解，如Fe→Fe2+ + 2e; (2)阳极表面形成极薄的钝化膜; (3)阳极表面形成钝化膜的同时，伴随着膜的溶解金属以高价离子的形式转入溶液中；同时如果达到了氧的析出电势，则阳极还要析出氧,图4.3为铁在硫酸溶液中的阳极极化曲线. 实验发现电流密度与阴极上各点距阴极近端的距离之间具有对数关系