plating theory_detail presentation

第二章电镀基本原理与概念

1 电镀之定义

2.2 电镀之目的

2.3 各种镀金的方法

2.4 电镀的基本知识

2.5 电镀基础

2.6 镀有关之计算

2.1 电镀之定义

电镀(electroplating)被定义为一种电沈积过程(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之特性或尺寸。

2.2 电镀之目的

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、热处理之防止渗碳、氮化、尺寸错误或磨耗之另件之修补。

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2.3

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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。

2.4.1 溶液(solution)

被溶解之物质称之为溶质(solute)，使溶质溶解之液体称之溶剂(solute)。溶剂为水之溶液称之水溶液(aqueous solution)。表示溶质溶解于溶液中之量为浓度(concentration)。在一定量溶剂中，溶质能溶解之最大量值称之溶解度(solubility)。达到溶解度值之溶液称之为饱和溶液(saturated solution)，反之为非饱和溶液(unsaturated solution)。溶液之浓度，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。

2.4.3 电镀常用之化(chemical formular)

见附录一。

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,它是属于电化学之应用的一支。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)例子NaCl,也就是其溶液具有电解性质之溶液 (electrolyticsolution)它含有部份之离子(ions),经由此等离子之移动 (movement) 而能导电。带阴电荷朝向阳极(anode)移动称之为阴离子(anion),带正电荷朝向阴极(cathode)移动(migrate)者称之为阴离子cations)。这些带电荷之粒子(particles)称之为离子(ions)。放出电子产生

氧化反应之电极称之为阳极(anode),得到电子产生还元化应之电极称之为阴

极(cathode)。整个反应过程称之为电解(electrolysis)。

2.4.4.1 电极电位(electrode potentials)

电位(electrode potential)为在电解池(electrolytic)中之导电体,电流经由它流入或流出。电极电位(electrode potential)是电极与电解液之间的电动势差, 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

标准电极电位(standard electrode potential)是指金属电极之活度为 1(纯金属)及在

金属离子活度为1时之电极电位。

即 E=E0

E=E0+RT/nF ln 1/1

=E0+0= E0

氢之标准电位在任何温度下都定为0,做为其它电极之参考电极 (REFERENCEELECTRODE),以氢标准电极为基准0,各种金属之

标准电位见表

排列在前头之金属如Li较易失去电子,易被氧化,易溶解,易腐蚀,称之为溅金属或金属(basic metal)。相反如Au金属不易失去电子.不易氧化.不易溶解.容易被还元称之为贵金属(noble metal)。

表

2.4.4.3 Nernst 电位学说

金属含有该金属离子之溶液相接触,则在金属与溶液界面,会产生电荷移动现象,此等电荷之移动,仍是由于金属与溶液的界面有电位势之差别称之为电位差所引起,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之电离溶解液解压(electrolatic solution pressure)为Q,而使溶液中的阳离子得到电子还元成金属渗透压(osmotic pressure)为 P,则有三种情况发生:

(1) Q>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) Q

金属电极本身供给电子,因此金属电极带正电

(3) Q=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为金属阳离子之价数,即电子之

转移数,F为法拉第常数,此时所作功等于nFE,也等于下式:

所以纯金属的电极电位用上列式子表示:

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

2.4.4.5 电极电位之意义

(1)电解电位分类为三种:

M/M+n即金属含有该金属离子的相接触有二种形式:? 金属与溶液间之水大于金属阳离子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之阴电性,

+n+ ne-

如Mg.Zn.及Fe等浸入酸..盐类水溶液时产生此种电极电位Mt M

(aq)

· 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o

(2)金属M与难溶性的盐MX相接触,同时MX又与阴离子之KX相接触,即(M x MX,KX) 如化汞电极(Hg2Cl2) o

(3)不溶性金属,如Pt,与含有氧化或还元系离子的溶液相接触,例如Pt x

Fe++ .FE++或Pt x Cr+2,Cr+3等o

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之为界面电性二重层。

2.4.4.7 液间电位差（liquid junction potential）

又称之为扩散电位差(diffusion potential)，系由阴离子与阳离子之移动度不同而形成之电位差，通常溶液之浓度差愈大，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之为过电压。此种现象称之为极化(polarization)。此时阴极、阳极实际电位与平衡电位之差即为阴极过电压、阳极过电压。

过电压可分下列四种：

2.4.4.8.1.活化能过电压（activiation overvoltage）

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，此额外电压之活化能过电压，可用Tafel公式

2.4.4.8.2.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之速度不够快，必须加上额外之电压，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。

2.4.4.8.

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称之溶液电阻过电压。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。

2.4.4.8.4..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A1的氧化物膜，错离子形成之阻力膜，此等膜具有电阻需要额外电压加以克服，此种额外电压称之为钝态膜过电压。

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点之电压称之分解电压，亦称之实际分解电压(praticaldecomposition potential)，然而要产生电流I所需之电压为：

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、珐琅等。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，处于不安定状态称之自由表面，故具有力，此力称之为表面张力。液体之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之作用力，称之界面张力。

2.4.5.2 界面活性剂

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之为界面活性剂。表面处理过程如洗净、脱脂、酸洗等界面活性剂被广泛应用对表面处理之光泽化、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。

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2.5

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 电镀工场设备

一个电镀工场必须配备下列各项设备：

@防酸之地板及水沟。

@ 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。

@电镀槽用之蒸气、电器或瓦斯之加热设备。

@操作用之上下架桌子。

@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 电镀使用之电流

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沈积又再被溶解所以交流电流无法电沈积金属。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，所以可以电沈积金属。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，又称镀浴（plating bath）

电镀溶液是一种含有金属盐及其它化学物之导电溶液，用来电沈积金属。其主要类别可分酸性、中性及咸性电镀溶液。强酸镀浴是pH值低于２的溶液，通常是金属盐加酸之溶液，例如硫酸铜溶液。弱酸镀浴是pH值在2～5.5之间镀浴，例如镍镀浴。咸性镀浴其pH值超过７之溶液，例如氰化物镀浴、锡酸盐之锡镀浴及各种焦磷酸盐镀浴。

2.5.

3.1 镀浴的成份及其功能

1.金属盐：提供金属离子之来源如硫酸铜。可分单盐、盐，及错盐。

例如：单盐：CuSO

4 ；NiSO

4

复盐：NiSO

4 ；(NH

4

)

2

SO

4

醋盐：Na

2Cu(CN)

3

2.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。

3.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。

4.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，尤其是中性镀浴(pH5～8)，pH值控制更为重要。

5.错合剂，很多情况，错盐的镀层比单盐的镀层优良，防止置换沈积，如铁上镀铜，则需用错合剂，或是合金电镀用错合剂使不同之合金属电位拉近才能同时沈积得到合金镀层。

6.安定剂，镀浴有些会因某些作用，产生金属盐沈淀，镀浴寿命减短，为使镀浴安定所加之药品称之为安定剂。

7.镀层性质改良添加剂，例如小孔防止剂、硬度调节剂、泽剂等改变镀层的物理化学特性之添加剂。

8.

9.润湿剂(wetting agent)，一般为界面活性剂又称去孔剂。

2.5.

3.2 镀浴的准备

?@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。

@镀浴调整，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 镀浴的维持

?@定期的或经常的分析镀浴成份，用化学分析法或

Hull试验(Hull cell test)。

@维持镀浴在操作范围成份，添加各种药品。

@去除镀浴可能被污染的来源。

@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浴浮悬杂质。

@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。在酸性镀浴可以用增加搅拌、增高镀浴温度、增加氯离子浓度、降低pH 来提高阳极容许电流密度。

而碱性镀浴可用增加搅拌、增加自由氰化物(free cyanide)的浓度，升高镀浴温度或升高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，镀浴金属离子需用金属盐来补充，如金镀浴中用不溶解之不锈钢作为阳极，以金氰化钾来补充。在镀铬中用不溶解之铅阳极，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，二是不受镀液之化学作用污染镀浴及不受侵蚀。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。槽内之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，以防止污染镀浴，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，不妨碍镀浴流通，将阳极袋包住阳极并缚在阳极挂钩上。

在放进电电镀浴之前，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，并浸泡与镀浴相同之pH的水溶液中，使用前需再清洗。酸性镀浴的阳极袋可用棉织物，也可使用人造纤维。在高温操作咸性镀浴可用乙稀隆材料阳极袋。

2.5.6 金属阴极

金属阴极是镀浴中的负电极，金属离子还元成金属形成镀层及其它的还元反应，如氢气之形成于金属阴极上。准备镀件做电镀需做下面各种步骤：研磨、抛光、电解研磨、洗净、除锈等。

2.5.7 电镀之前处理

电镀前之处理，称之前处理(pretreatment)，包括下列过程：

1.洗净：去除金属表面之油质、脂肪、研磨剂，及污泥。可用喷射洗净、溶剂洗净、浸没洗净或电解洗净。

2.清洗：用冷或热水洗净过程之残留洗净剂或污物。

3.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。

4.活化：促进镀层附着性，可用各种酸溶液使金属表面活化。

5..漂清：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之挂架，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

之镀件数，4.镀槽的尺寸，5.电镀操作所需之最大电流，镀架上之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。电镀挂架之电流总量为全部镀件的有效面积乘于操作过程中之最大电流密度，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。挂架之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

电源之电量等决定。一般人力操作之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。电镀挂架之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之为双极镀架。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之隐蔽

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.减少电镀金属之浪费。

2.限制电流进入要被电镀之区域，减少电能损失。

3.减少镀浴污染。

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：

1.压力胶带，容易使用，易松脱损坏，适合短时应用或临时使用。

2.乙稀塑料，良好黏性，可用于酸咸各种镀液。尼奥普林，直接浸泡不需打底、热烘干、黏性好可用

3.任何镀浴，尤其适合使用于铬电镀。

4.空气干燥塑料，不用涂底、浸泡或擦刷后空气干燥、黏性优良，适宜各种电镀浴。

5.橡皮，除铬电镀外其它镀浴均可使用。

6.蜡，不能使用于强咸及热镀浴。

电镀操作过程镀架使用注意事项：

1.镀件需定位，与阳极保持相同距离，使电镀层均匀，防止镀液之带出(drag-out)损失及带入(drag-in)污染镀液。

2.镀件安排要适当，要使气泡容易逸出，稍倾斜放置镀件。

3.空间安排，避免镀件相互遮蔽。

4.坚固接触，防止发烧、孤光等现象发生。

5.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。

6.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。

7.镀架应经常清洗，维持良好电流接触，去除舌尖附着之金属，涂层有损坏需之即修理、操作中随时注意漏电，镀浴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

1.镀液的组成。1

2.覆盖性。

2.电流密度。1

3.导电度。

3.镀液温度。1

4.电流效率。

4.搅拌。1

5.氢过电压。

5.电流波形。1

6.电流分布。

6.均一性。1

7.金属电位。

7.阳极形状成份。18.电极材质及表面状况。

8.过滤。19.浴电压。

9.pH值。 10.时间。

11.极化。

1.镀液的组成：对镀层结构影响最大，例如氰化物镀浴或复盐镀浴的镀层，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.镀浴温度：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，但镀浴需过滤清洁，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、或提高镀层均一性。

6.均一性(throwing power)，或称之投掷力，好的均一性是指镀层厚度分布均匀。

均一性的影响因素有：

1)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。

2)极化作用，提高极化作用可提高均一性。

3)电流密度，提高电流密度可改进均一性。

4)镀浴导电性，导电生提高而不降低阴极极化作用太多则可提高均一性。

5)电流效率，降低电流效率可提高均一性。

所以要得到均匀镀层的方法有：

1)良好的镀浴成份，改进配方有。

2)合理操作，表面活生化均匀。

3)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。

4)调节阴阳极间之距离及高度。

5)应用阳极形状善电流分布。

6)加设辅助电极、输电装置、绝缘屏障等改进电流分布。

7)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、沈碴等杂质会影响镀层如麻点、结瘤、粗糙的表面，也会降低镀层之防蚀能力，所以必须经常过虑或连续性过虑固体粒子。9. pH值会影响镀浴性质，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之过电压。

极化作用对电镀的影响：

1)有利于镀层细致化。

2)有利于改进均匀性，使镀层厚度均匀分布。

3)氢气析出增加，降低电流效率和镀层之附着力，会产生起泡、脱皮现象。

4)不利阳极溶解，消耗电力、浴温增高、镀浴不安定。

影响极化作用的因素有：

1)电镀浴组成，如氰化物镀浴之极化作用大，低浓度之镀浴极化作用较大。

2)电流密度，电流密度愈大极化作用愈大。

3)温度愈高，极化作用愈小。

4)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之能力，好的覆盖性，在镀件低

凹处仍能镀上金属。它与均一性意义不同，但一般好的均一性则也有好的覆盖性，而覆盖性不好的则均一性一定也不好。

13. 导电度，提高镀浴导电度有利于均一性，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：

1)电解质的电离度、离子之活度，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。

2)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。例如硫酸之水溶液在15～30％时导电度最高。

3)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浴的导电度以增高电流效率。

14. 电流效率，电镀时实际溶解或析出的重量与理论上应浴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。

15. 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之氢过电压很小，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。

16. 电流分布，为了提高均一性，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。

17. 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沈积层。在电镀浴中若同时有几种金属离子，则电位正的金属离子先被还元析出。相反地电位负的金属先溶解。

18. 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。

19. 浴电压，依镀浴组成，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 镀浴净化

由于杂质污染，操作过久杂质累积，故必须经常净化镀浴，

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、沈淀、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：

1.密着性(adhesion)，系指镀层与基材之间结合力，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。

2.致密性(cohesion)，系指镀层金属本身间之结合力，晶粒细小，

无杂质则有很好的致密性。其影响的因素有：

(1)镀浴成份，

(2)电流密度，

(3)杂质，一般低浓度浴，低电流密度可得到晶粒细而致密。

3.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。

4.均一性(uniformity)，是指电镀浴能使镀件表面沈积均匀厚度的

镀层之能力。好的均一性可在凹处难镀到地方亦能镀上，对美

观、耐腐蚀性很重要。试验镀浴之均一性有Haring电解槽试验

法、阴极弯曲试验法、Hull槽试验法。

5.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，也有由后处理之磨光加工达到镀件物品之美观提高产

品附加价值。

6.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砖结晶生长。

7.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)均一性不良，

(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)电镀过程之水洗、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 电镀有关之计算

电镀有关之计算，兹用一些范例或公式表示之：

1.温度之换算：

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40C时密度4.波美(baume')

Be’=145-145/比重

比重=145/145-Be’

例20％H

2SO

4

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)合成物之水分比

例NiSO

4，7H

2

O中含水多少？

解NiSO

4

，7H2O=280.87

7H2O=126

H2O%=126/280.87*100%=44.9%

(6)比率

例铬镀槽有400加仑的溶液含500磅铬酸，问同样的浓度100加仑镀槽需含多少铬酸？

400/500=100/X

x=125

∴需125 1b铬酸

(7)溶液的重量换成容积

例96％的H2SO4，比重1.854求制配1公升标准硫酸溶液

需多少ml 96％H2SO4？

一公升之标准酸液之硫酸铜重量=98/2=49克

49克/((1.8354克)/(ml*0.96))=27.82ml

∴需要27.82ml之96%H2SO4

(8)中和

例1 用14.4ml的1N的HC1溶液中和310ml的NaOH溶液，求NaOH溶液之当量浓度

解14.4ml×1N＝10ml×xN

x＝1.44

∴比N.OH之当量浓度为1.44N

例2 1.1738N的HC1溶液来中和10ml之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之1.1738NHC1溶液

(9)法拉第定律(Faraday's Law)

例1计算以5安培电流经过5小时，铜沈积重量，其

电流放率为100％

沉积重量=(原子量/(原子价*96500))*(电流*时间*电流效应)

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10分钟镀2.5g 的镍在NiSO 镀浴需多大电流？ 电流效率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1000cm 2，在硫酸铜镀液中通过15

安培电流，电流效率为100％，求镀铜5 l m 所需要的时间。

铜密度为8.93g/cm 3

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 l m ，锌的密度为7.14g/cm 3，锌的原子量 为65.38，求电流效率 CE=W Act /W Then *100%

=((1.5m 2*25l m*7.14g/cm 3)/(((65.38)/(2*96500))*1500*15*60))*100% =59%

? 其电流效率为59%

例5酸性锡镀浴做连续性铁片镀锡，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

1. 4l m 锡厚，电流效率100％，锡的密度为7.31g/cm 3，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/cm 3)/(118.7))*((500m/min*0.4l m)/(5000A/m 2*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CrO2 ，以维持 镀浴中之铬浓度，铬原子量为52，氧原子量为16。 W=((A/(n*96500))*(I*t*CE) =((52)/(6*96500))*(1000*18%) W CrO3=58.1*CrO 3/Cr =58.1*100/52 =112( g )

? 需补充CrO 3 112 g

例7 15安培电流过通硫酸铜镀浴10分钟，镀件面积为

1500cm 2，电流效率100％，铜的密度为8.93g/cm 3，原子 量为63.54，求镀层平均厚度多少 m ？

镀层厚度d=((A)/(n*96500*D))*((I*t*CE)/(area))

=((63.54)/(2*96500*893g/cm 3))*((15*10*60*100%)/(1500cm 2)) =0.00022(cm) =2.2l m

? 铜镀层平均厚度为2.2l m

(10)镀浴组成配制

例 100加仑瓦特镍铍槽，作业标准组成是300g/1 NiSO 4, 30 g/1NiCl 2及40 g/ H 3BO 3.目前镀液经分析得220 /1NiSO 4， 25g/1 NiCl 2及32g/1 H 3BO 3，求要补充多少药品？

NiSO4=((300-220)g/1*100gal*3.785 1/gal)/454 g/lb =66.7( lb)

NiCl2=(30-25)g/1*100gal*3.785 1/gal/454 g /lb =4.17 (l b)

H3BO3=(40-32) g/1*100gal*3.785 1/gal/454 g/lb =6.67( lb )

11. 电极电位

E=E0+ RT/nF ln a M +n /a M

例1 求0.5MCu(CN)3-2溶液中之铜电极电位，若铜电极 活度＝１，温度为25℃。 1. 5-X X 3X 2.

Cu(CN)3-2(R) Cu ++3CN

K diss =[Cu +][CN -]3/[Cu(CN)3-2]=5.6*10-28 X*(3X)3/0.5-X=5.6*10-28 X=5*10-8=[Cu +]

aCu +? [Cu +]=5*10-8稀溶液之化学浓度

ECu=E 0Cu+8.3144*(273+25)/1*96500 ln 5*10-8/1

12. 过电压，分解电压 13. g =E I -Eeg

E I 为欲产生电流I 所需之电压 Eeg 为平衡电压 Eeg= Ec- Ea Ec 为阴极电位 Ea 为阳极电位 g =a+b log I

a ,

b 为常数,随不同电极而不同 E I =E eg +g a +g

c +g conc .+IR

例 搅拌良好的镍盐镀浴，有缓冲液pH ＝5，电极面积