第二章电镀基本原理与概念.docx

第二章电镀基本原理与概念.docx

《第二章电镀基本原理与概念.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章电镀基本原理与概念.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章电镀基本原理与概念

第二章-电镀基本原理与概念

————————————————————————————————作者：

————————————————————————————————日期：

 第二章電鍍基本原理與概念 

2.1電鍍之定義

2.2電鍍之目的

2.3各種鍍金的方法

2.4電鍍的基本知識

2.5電鍍基礎

2.6有關之計算及化學冶金

2.1電鍍之定義 

          電鍍（electroplating）被定義為一種電沈積過程（electrodepos-itionprocess），是利用電極（electrode）通過電流，使金屬附著於物體表面上，其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。

2.2電鍍之目的

電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層（deposit），改變基材表面性質或尺寸。

例如賦予金屬光澤美觀、物品的防鏽、防止磨耗、提高導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補。

2.3各種鍍金的方法 

電鍍法（electroplating）

無電鍍法（electrolessplating） 

熱浸法（hotdipplating） 

熔射噴鍍法（sprayplating） 

塑膠電鍍（plasticplating）

浸漬電鍍（immersionplating） 

滲透鍍金（diffusionplating）

陰極濺鍍（cathodesupptering）

真空蒸著鍍金（vacuumplating）

合金電鍍（alloyplating）

複合電鍍（compositeplating

局部電鍍（selectiveplating） 

穿孔電鍍（through-holeplating）

筆電鍍（penplating）

電鑄（electroforming） 

2.4電鍍的基本知識

電鍍大部份在液體（solution）下進行，又絕大部份是由水溶液（aqueoussolution）中電鍍，約有30種的金屬可由水溶液進行電鍍,由水溶液電鍍的金屬有：

銅Cu、鎳Ni、鉻Cr、鋅Zn、鎘Cd、鉛Pb、金Au、銀Ag、鉑Pt、鈷Co、錳Mn、銻Sb、鉍Bi、汞Hg、鎵Ga、銦In、鉈、As、Se、Te、Pd、Mn、Re、Rh、Os、Ir、Nb、W等。

              有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鋁、La、Ti、Zr、Ge、Mo等。

可油水溶液及非水溶液電鍍者有銅、銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、鎳等金屬。

電鍍的基本知識包括下列幾項：

 溶液性質

物質反應

電化學

化學式

界面物理化學

材料性質

2.4.1溶液（solution）

          被溶解之物質稱之為溶質（solute），使溶質溶解之液體稱之溶劑（solute）。

溶劑為水之溶液稱之水溶液（aqueoussolution）。

           表示溶質溶解於溶液中之量為濃度（concentration）。

在一定量溶劑中，溶質能溶解之最大量值稱之溶解度（solubility）。

           達到溶解度值之溶液稱之為飽和溶液（saturatedsolution），反之為非飽和溶液（unsaturatedsolution）。

溶液之濃度，在工廠及作業現場，使用易了解及便利的重量百分率濃度（weightpercentage）。

另外常用的莫耳濃度（molalconcentration）。

2.4.2物質反應（reactionofmatter） 

在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、乾燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份了解在處裡過程中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響。

2.4.3電鍍常用之化（chemicalformular）

見附錄一。

2.4.4電化學（electrochemistry）

        電鍍是一種電沉積（electrodeposition）過程,利用電解體electrolysis）在電極（electrode）沉積金屬,它是屬於電化學之應用的一支。

電化學是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。

         電解質（electrolyte）例子NaCl,也就是其溶液具有電解性質之溶液（electrolyticsolution）它含有部份之離子（ions）,經由此等離子之移動（movement）而能導電。

帶陰電荷朝向陽極（anode）移動稱之為陰離子（anion）,帶正電荷朝向陰極（cathode）移動（migrate）者稱之為陰離子cations）。

這些帶電荷之粒子（particles）稱之為離子（ions）。

放出電子產生氧化反應之電極稱之為陽極（anode）,得到電子產生還元化應之電極稱之為陰極（cathode）。

整個反應過程稱之為電解（electrolysis）。

 2.4.4.1電極電位（electrodepotentials）

          電位（electrodepotential）為在電解池（electrolytic）中之導電體,電流經由它流入或流出。

電極電位（electrodepotential）是電極與電解液之間的電動勢差,單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極（standardelectrode）。

          例如氫標準電極（hydrogenstandardelectrode）以其為基準電位為0

        電極電位之大小可由Nernstequation表示之:

E=E0+RT/nFlnaMn+/aM  

E=電極電位  

E0=電極標準狀態電位（volt） 

R=氣體常數（8.3143J.K-1MOL-1）  

T=絕對零度（K）  

n=原子價之改變數（電子移轉之數）  

aMn+=金屬離子之活度（activity）,若極稀薄之溶液,其活度就等於金屬 

離子之濃度（concentration）C。

一般則活度為濃度乘上活度係數,即a=r*c。

金屬電極之活度,若為純金屬即為1。

法拉第常數  

2.4.4.2標準電極電位（standardelectrodepotential）

標準電極電位（standardelectrodepotential）是指金屬電極之活度為1（純金屬）及在金屬離子活度為1時之電極電位。

即E=E0 

E=E0+RT/nFln1/1 

=E0+0=E0 

氫之標準電位在任何溫度下都定為0,做為其他電極之參考電極（REFERENCEELECTRODE）,以氫標準電極為基準0,各種金屬之標準電位見表排列在前頭之金屬如Li較易失去電子,易被氧化,易溶解,易腐蝕,稱之為濺金屬或金屬（basicmetal）。

相反如Au金屬不易失去電子.不易氧化.不易溶解.容易被還元稱之為貴金屬（noblemetal）。

電極 電位電極 電位

                         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 

         表2.4.4.2

  2.4.4.3Nernst電位學說

          金屬含有該金屬離子之溶液相接觸,則在金屬與溶液界面,會產生電荷移動現象,此等電荷之移動,仍是由於金屬與溶液的界面有電位勢之差別稱之為電位差所引起,此現象Nernst解說如下:

設驅使金屬失去電子變為陽離子溶入溶液中之電離溶解液解壓（electrolaticsolutionpressure）為p而使溶液中的陽離子得到電子還元成金屬滲透壓（osmoticpressure）為p,則有三種情況發生:

（1）P>P時,金屬被氧化,失去電子,溶解成金屬離子於溶液中,因此金屬電極本體接收電子而帶負電。

（2）P

    金屬電極本身供給電子,因此金屬電極帶正電

（3）P=P時,沒有產生任何變化

    設金屬與溶液的界面所形成的電極電位為E,當1mole金屬溶入於

    溶液中,則界面所通過的電量為nF,n為金屬陽離子之價數,即電子之

    轉移數,F為法拉第常數,此時所作功等於nFE,也等於下式:

nFE=　　　?

ppVdp=　　　RT　　　?

ppdp/p=-RTlnP/P 

\E=RT/nFlnP/P 

即金屬陽離子之活度（activity）為aMn+活度係數為K,則P= 

KaMn+於是 

E=-RT/nFlnp/KaMn+ 

=-RT/nFlnP/K+RT/nFlnaMn+ 

E在標準狀態時,即aMn+=1,稱為標準電極電位E,即 

E0=-RT/nFlnP/K+RT/nFln1 

=-RT/nFlnP/R 

所以純金屬的電極電位用上列式子表示:

非純金屬電位則為:

E=E0+RT/NflnaMn+/aM 

式中為aM為不純金屬之活度 

  2.4.4.4電極電位在熱力學的表示法

            電極反應是由氧化反應及還原反應所組成.

            例如Cu?

Cu+++2e-還原狀態氧化狀態可用下列二式表示之:

Cu（R）Cu+++2e-  氧化反應  

Cu?

Cu+++2e-  還原反應 

例1:

氧電極反應之電位  1/2O2+H2O+2e-?

2OH- 

例2:

氯化汞電極反應之電位  

Hg2+2+2e-?

2Hg  

E=E0-RT/nFlnaHg（s）/aHg2+2 

例3:

氫電極反應之電位  

1/2H2（g）?

H++e- 

E=E0-RT/FlnaH+/aH21/2（g） 

     2.4.4.5電極電位之意義

（1）電解電位分類為三種:

M/M+n即金屬含有該金屬離子的相接觸有二種形式:

金屬與溶液間之水大於金屬陽離子M+n與電子的結合力,則金屬會溶解失去電子形式金屬陽離子與水結合成為M+n?

xH2O,此時金屬電極獲得額外電子,故帶負電這類金屬電極稱之陰電性,如Mg.Zn.及Fe等浸入酸.

.鹽類水溶液時產生此種電極電位MtM（aq）+n+ne-金屬與溶液的水親合力小於金屬離子M+n與電子結合力時,金屬離子會游向金屬電極得到電子而沉積在金屬電極上,於是金屬電極帶正電,溶液帶負電o

（2）金屬M與難溶性的鹽MX相接觸,同時MX又與陰離子之KX相接觸,即（MxMX,KX）如化汞電極（Hg2Cl2）o 

（3）不溶性金屬,如Pt,與含有氧化或還元系離子的溶液相接觸,例如

PtxFe++.FE++或PtxCr+2,Cr+3等o

   2.4.4.6 界面電性二重層

         在金屬與溶液的界面處帶電粒子與表面電荷形成的吸附層，偶極子的排列層以及

擴散層等三層所組合的區域稱之為界面電性二重層。

   2.4.4.7　液間電位差（liquidjunctionpotential）

          又稱之為擴散電位差（diffusionpotential），係由陰離子與陽離子之移動度不同而形

成之電位差，通常溶液之濃度差愈大，陰陽離子移動度差愈大，則液間電位差愈大。

2.4.4.8過電壓（over-voltage）

       當電流通過時，由於電極的溶解、離子化、放電、及擴散等過程中有一些阻礙，必須加額外的電壓來克服，這些阻礙使電流通過，這種額外電壓消除阻礙者稱之為過電壓。

此種現象稱之為極化（polarization）。

此時陰極、陽極實際電位與平衡電位之差即為陰極過電壓、陽極過電壓。

         過電壓可分下列四種：

1.活化能過電壓（activiationovervoltage）

         任何反應，不論吸熱或放熱反應皆有最低能障需克服，此能障稱為活化能，在電解反應需要額外電壓來克服活化能阻礙，此額外電壓之活化能過電壓，可用Tafel公式表示：

　gact=a+blogi 

§                                b為係數，i為電流，gact為活化能過電壓其電流i愈大gact愈大

，電鍍中gact佔很小一部份，幾乎可以忽略，除非電流密度很大。

氫過電壓（hydrogenovervoltage），在酸性水溶液中陰極反應產生 

H2氣體，此額外之電壓稱氫過電壓，即 

gH2=Ei-Eeq 

式中 

gH2=氫過電壓 

Ei=實際電壓 

Eeq=平衡電壓 

在電鍍時由於氫過電壓的原因使氫氣較少產生，而使許多金屬 

可以在水溶液中電鍍。

例如鋅、鎳、鉻、鐵、鎘、錫、鉛。

2.濃度過電壓（concentrationovervoltage）

       當電流變大，電極表面附近反應物質的補充速度及反應生成物逸散之速度不夠快，必須加上額外之電壓，以消除此阻礙，此額外電壓稱濃度過電壓。

在電鍍時可增加溫度即增加擴散速率，增加濃度，攪拌或陰極移動可減少濃度過電壓，電流密度因而提高，電鍍的速率也可增加。

3.溶液電阻過電壓（solutionresistanceovervoltage） 

       溶液的電阻產生IR電壓降，所以需要額外的電壓IR來克服此電阻使電流通過，此額外電壓IR稱之溶液電阻過電壓。

在電鍍時可增加溶液導電度，提高溫度以減少此電阻過電壓，有時此IR形成熱量太多會使鍍液溫度一直上升，造成鍍液蒸發損失需冷卻或補充液。

4.電極鈍態膜過電壓（passivityovervoltage）

       電解過程，在電極表面會形成一層鈍態膜，如A1的氧化物膜，錯離子形成之阻力膜，此等膜具有電阻需要額外電壓加以克服，此種額外電壓稱之為鈍態膜過電壓。

   2.4.4.9　分解電壓（decompositionpotential） 

        電壓愈大，電流愈大，反應速率也愈大，其電壓與電流的關係如圖所示。

E點之電壓稱之分解電壓，亦稱之實際分解電壓（practicaldecompositionpotential），然而要產生電流I所需之電壓為：

EI=E0+gTOTAL 

gTOTAL=gc+ga+gconc.+IR 

E0=Ec-Ea 

式中:

E0=平衡電動勢 

Ec=陰極可逆電極電位 

Ea=陽極可逆電極電位 

gc=陰極過電壓 

ga=陽極過電壓 

gconc.=濃度過電壓 

I=電流強度 

R=電阻 

例１:

使用銅做陽極，硫酸銅溶液鍍銅，其欲產生電流I所需之電壓為：

EI=E0+gc+ga+gconc.+IR 

EI=gc+ga+gconc+IR 

因Ec=EaEa=0 

例２:

硫酸鋅鍍鋅使用鋅做陽極，攪拌良好，則產生電流I所需之電壓為 

EI=E0+ga+gc+gconc+IR 

EI=ga+gc+IR 

因Ea=Ec?

E0=0 

又因攪拌良好?

gconc=0 

例３:

鎳鹽水溶液使用鎳做陽極，電極面積10c㎡，以10-2Amp/c㎡進行鍍鎳。

gc＝0.445＋0.065logIga＝0.375＋0.045logI，內電阻R＝300Ω，攪拌良好所需之電壓為若干？

解：

EI=gc+ga+IR 

=0.445+0.65log（0.01*10）+0.375+0.045log（0.01*10）+（0.01*10）*300 

=30.71volt 

2.4.5界面物理化學

　        表面處理過程中，金屬會與水或液體接觸，例如水洗、酸浸、電鍍、塗裝、琺瑯等。

要使金屬與液體作用，需金屬表面完全浸濕接觸，若不能完全接觸，則表面處理

將不完全，無法達到表面處理的目的。

所以金屬與液體接觸以介面物理化學性質對表面處理有十分重要的意義。

  2.4.5.1　表面張力及界面張力 

        液體表面的分子在表面上方沒有引力，處於不安定狀態稱之自由表面，故具有力，此力稱之為表面張力。

液體之表面張力大小因液體的種類和溫度而異，溫度愈高表面張力愈小，到沸點時因表面分子氣化自由表面消失，故張力變為零。

液體和固體與別的液體交接的面也有如表面張力之作用力，稱之界面張力。

  2.4.5.2　界面活性劑 

        溶液中加入某種物質，能使其表回張力立即減小，具有此種性質的物質稱之為界面活性劑。

表面處理過程如洗淨、脫脂、酸洗等界面活性劑被廣泛應用對表面處理之光澤化、平滑化，均一化都有相當幫助。

2.4.6　材料性質 

　    表面處理工作人員必須對材料特性充份了解，表面處理的材料大多是金屬，所以首先要知道各種金屬的一般性質。

例如色澤、比重、比熱、溶點、降伏點、抗拉強度、延展性、硬度、導電度等。

2.5電鍍基礎

電鍍的基本構成元素及工場設備

電鍍使用之電流

電鍍溶液

金屬陽極與金屬陰極

陽極袋

電鍍架

電鍍前的處理

電鍍工場設備

電鍍控制條件及影響因素

鍍浴淨化

鍍層要求項目

鍍層缺陷

電鍍技藝

金屬腐蝕

　2.5.1　電鍍的基本構成元素 

o外部電路，包含有交流電源、整流器、導線、可變電阻、電流計、電壓計

o陰極、或鍍件（work）、掛具（rack）

o電鍍液（bathsolution）

o陽極（anode）

o鍍槽（platingtank）

o加熱或是冷卻器（heatingorcoolingcoil）。

  2.5.1.1 鍍槽構造,其典型鍍槽見圖:

  2.5.1.2　電鍍工場設備

　　一個電鍍工場必須配備下列各項設備：

　 防酸之地板及水溝。

　 電鍍糟及預備糟。

　 攪拌器。

　 整流器或發電機。

　 導電棒、陽極棒、陰極棒、掛具。

　 安培表、伏特表、安培小時表、電阻表。

　 泵、過濾器及橡皮管。

　 電鍍槽用之蒸氣、電器或瓦斯之加熱設備。

　 操作用之上下架桌子。

　檢驗、包裝、輸送工件等各項設備、儀器。

　通風及排氣設備。

2.5.2　電鍍使用之電流 

           在電鍍中，一般都僅使用直流電流。

交流電流因在反向電流時金屬沈積又再被溶解所以交流電流無法電沈積金屬。

直流電源是用直流發電機或交流電源經整流器產生。

直流電流是電子向一個方向流通，所以可以電沈積金屬。

但在有些特殊情況會使用交流電流或其他種特殊電流，用來改善陽極溶解消除鈍態膜、鍍層光層、降低鍍層內應力、鍍層分佈、或是用於電解清洗等。

2.5.3　電鍍溶液，又稱鍍浴（platingbath） 

           電鍍溶液是一種含有金屬鹽及其他化學物之導電溶液，用來電沈積金屬。

其主要類別可分酸性、中性及鹹性電鍍溶液。

強酸鍍浴是pH值低於