電鍍理論知識與概論

1、電鍍理論知識與概論 - 老邁 - 網易博客電鍍理論知識與概論一、表面處理概論1.1 表面處理( Surface Treatment )    表面處理的對象非常廣泛，從傳統(tǒng)工業(yè)到現(xiàn)在的高科技工業(yè)，從以前的金屬表面到現(xiàn)在的塑料，非金屬的表面.它使材料更耐腐蝕，更耐磨耗，更耐熱，它使材料的壽命延長，此外改善材料表面的特性，光澤美觀等提高產品的附加價值，所有這些改變材料表面的物理，機械及化學性質的加工技術統(tǒng)稱為表面處理 (surface treatment) 或稱為表面加工(surface finishing)。1.1.1 金屬表面處理(metal surface treatme

2、nt)    金屬經初步加工成型后需修飾金屬表面，美化金屬表面 ，更進一步改變金屬表面的機械性質及物理化學性質等的各種操作過程，稱的為金屬表面處理.或稱的金屬表面加工(metal surface finishing)。1.2 表面處理的目的表面處理的目的可以分四大類:(1) 美觀(appearance)。(2) 防護(protection)(3) 特殊表面性質(special surface properties)(4) 機械或工程性質(mechanical or engineering properties)-(1) 美觀(appearance)   

3、 為了提高制品的附加價值，賦予制品表面美觀，例如裝飾性電鍍(decorative plating) Au， Ag， Rh， Ni， Cr，黃銅等電鍍 (electroplating)。-(2) 防護(protection)    為了延長制品的壽命，再制品表面披覆(coating)耐腐蝕的材料，例如保護性電鍍(protective  plating) Zn，Cd，Ni，Cr，Sn 等電鍍。-(3) 特殊表面性質(special surface properties)1. 提高制品的導電性(electrical conductiuity)，例如電鍍Ag，Cu。2.

4、提高焊接性(soderability)在通訊急電子工業(yè)應用，例如Sn-Pb 合金電鍍。3. 提高光線的反射性(light reflectivity ) 例如宇宙飛船，人造衛(wèi)星的外殼需反射光線，Ag及Rh的鍍層被應用上。4. 減小接觸阻抗(contact resistance)例如在電子組件的Au及Pd電鍍。-(4) 機械或工程性質(mechanical or engineering properties )1. 提高制品的強度(strenth)，例如塑料電鍍。2. 提高制品的潤滑性 ( bearing propertries ) 例如多孔鉻電鍍(porous  chromium pl

5、ating)， 內燃機的鋁合金活塞 (piston) ，鍍錫Sn以防止汽缸 (cylinder)壁刮傷。3. 增加硬度(hardness)及耐磨性(wear resistance) ，例如硬鉻電鍍(hard chromium plating)。4. 提高制品的耐熱性，耐候性，抗幅射線，例如塑料，非金屬的電鍍。5. 滲碳(carburizing) ，氮化(nitriding) 的防止，例如鋼鐵表面硬化(case hardening)時在不要硬化部份鍍Cu。1.3 表面處理的重要性    表面處理工業(yè)雖然不是工業(yè)的主流，但只有透過表面處理，制品的特性及價值才能充份發(fā)揮出來.應用

6、電鍍(plating)，陽極處理 (anodizing)，化成處理(convesion coating)，涂裝(coating)等工業(yè)技術，達到防蝕，增進可焊性，潤滑性，耐磨性，附著性及鋼材防止?jié)B碳等的多項目的。    所以表面處理為各種加工制造工業(yè)不可或缺的過 從傳統(tǒng)工業(yè)到近代高科技，表面處理技術一直扮演非常重要性的角色.例如宇宙飛船，人造衛(wèi)星，集成電路等的發(fā)展表面處理技術都有決定性的影響.由于表面處理對材料月異，帶動相關科技工程的進步。1.4 表面處理技術的種類 從表面處理的特性可分類:表面形成：機械法 _ 珠擊法，切削，搪磨，撒砂，精磨，研磨，超加工。冶金法 _ 表面

7、硬化，(淬火，滲碳，氮化)，擴散皮膜法。化學法 _ 電解研磨，酸洗，化學研磨，酸蝕雕刻。表面披覆：表面披覆_ 電鍍，無電鍍，熱浸鍍，熔射鍍，真空蒸著，陰極噴濺，無機披覆_ 陽極處理，化成處理，著色，琺瑯處理。有機披覆_ 涂裝，橡膠加襯，塑料加襯。1.5 國內表面處理工業(yè)的狀況及問題    依據民國70年行政院科技顧問組調查報告，有關表面處理工業(yè)，國內有約4000家，其中電鍍工業(yè)約占1200家，分散全省各地，主要的生產項目有，工業(yè)電鍍， 裝飾電鍍，熱浸電鍍，陽極電鍍，化成電鍍，發(fā)色，涂裝，從事表面處理的工作人員有15000至20000人，具有專業(yè)知識程度者約1000人至150

8、0人。-1.5.1 原料及設備的供應    大部分昂貴的原料依靠國外進口，生產設備多為國產，較貴重的檢驗儀器設備75% 是進口貨.國內原料成本極高，業(yè)著負擔沉重，應設法改善，防止貿易商操縱市場，更要鼓勵研究開發(fā)及生產重要的原料。-1.5.2 從業(yè)人員知識水準    一般從業(yè)人員的程度較低，科技短識及品管觀念缺乏，難有研究開發(fā)新產品，唯賴低廉勞力，以求生存.政府有關單位應定期舉辦研習會，使業(yè)者獲得新知蔚為研究風氣，提高技術水準，對在職工程人員，鼓勵利用建教合作方式，進修或在職訓練，亦應舉辦各類技術鑒定考試，并規(guī)定業(yè)者的工廠作業(yè)需由技術士擔任。 

9、  表面處理對材料的附加價值甚高，先進國家不惜投入龐大人力物力從事研究發(fā)展，使得表面處理技術日新月異，要并駕齊驅，迎頭趕上，勢必從教育做起，在大專院校設立正規(guī)教育的表面處理人才，才能有雄厚發(fā)展實力.鼓勵學校與工業(yè)界間的建教合作，技術性問題需要由學校帶動，學校要增添新設備，充實師資，積極培育專業(yè)人才，企業(yè)界要僅量聘用教育較高科技人員，以增加研究發(fā)展的潛力。-1.5.3 生產及經營方式    一般專業(yè)廠商規(guī)模不大，主要為訂貨生產，小規(guī)模工廠沒有管理制度，教育程度低，對人力，原料及能源造成無所謂的浪費.大廠則受到地下工廠惡性削價的競爭，影響小廠應集中投資，合并經營，始合

10、乎經濟原則.就有生產設備應適時予以淘汰，換置自動化處理設備，能以簡化經營管理，提高生產效率，穩(wěn)定品質，節(jié)省人工，提高產品的國際聲譽，促進工業(yè)升級。-1.5.4 廢物處理及公害    由于地下工廠甚多，使廢物形成嚴重的公害問題，廢物處理系統(tǒng)投資費用極高，非一般中小型表面處理工廠所能負擔維持得起，根據經驗及需要，認為設立表面處理專業(yè)區(qū)，集中處理廢物，廢水，不但能減少公害，而且能管制地下工廠。-1.5.5 表面處理公會    表面處理是工業(yè)發(fā)展中很重要的一環(huán)，避免或防止表面處理界的惡性競爭或市場操縱，加強廠商彼此合作，聯(lián)系與技術交流，應充份發(fā)揮公會功能，解決同

11、業(yè)的困難.另應設有完整品質檢驗中心，集中檢驗，測定的服務，訂定表面處理標準規(guī)范，作為廠商品質改善或品質保證的依據。-1.5.6 表面處理技術資料    根據業(yè)者的反映，國內技術資料的獲得不亦且缺乏，技術難以突破， 應設置有健全的表面技術數(shù)據處理中心，對研究開發(fā)者適時提供新穎充份的信息，對引進國外技術者提供可參考資料。-1.6 國內表面處理工業(yè)發(fā)展的方向    國內表面處理工業(yè)的技術自行開者很少，大多仰賴國外廠商的業(yè)務代表或代理商. 往往引進的技術并非最前進者或只是局部的，因此使本國產品品質遜于外貨乃為不可避免，產品的信譽及附加價值難以提升.國內學術機構也

12、甚少做獨立性長期性的研 究，國內欲求工業(yè)的升級，商品附加價值提高，必須大力提高表面處理技術，以達成支持各項金屬制造業(yè)，機器工業(yè)，電子工業(yè)的任務。-1.6.1 裝飾電鍍(decorative plating)    裝飾電鍍的主要目的改進產品的外觀，提高產品附加價值，其主要產品如項鏈，胸針，耳環(huán)等飾物，合法登記的裝飾電鍍廠不足十分的一，地下小廠不需付稅捐，廢水處里費用等，導致小廠吃大廠，劣幣逐良幣的反淘汰的惡性循環(huán). 所以發(fā)展的方向應為大廠增添新設備，提高技術水準，提高產品品質，加強取締公害，自然促使非法及小廠淘或合并經營才能進一步發(fā)展。-1.6.2 工程電鍍(enginee

13、ring plating）    工程電鍍的目的是增加產品的耐蝕力，延長使用壽命，改進機械性質等.現(xiàn)在許多精密模具無法使用機械加工， 也使用電鍍法， 稱的為電鑄 (electroforming).工的規(guī)模較大，許多操作采用自動化，多附屬于大規(guī)模較大機器制造廠。    獨立的工程電鍍廠也大都與大型機器金屬制造廠訂有長期加工契約，其惡性競爭較裝飾性電鍍小，隨著經濟發(fā)展，工程電鍍技術水準必須精益求精，力爭上游，其發(fā)展是大有可為的工程電鍍使用支持料數(shù)量鉅大，因此廢物處理的公害問題需特別重視，稍一不慎將 造成不可收拾的公害。    一般中小廠為

14、節(jié)省開支沒有廢物處理設備，或有也只供參觀檢查時的用，浪費投資，罔顧員工及環(huán)境的安全與衛(wèi)生.故今后發(fā)展方向為如何協(xié)助，促使這些小廠家合并始引進或研究開發(fā)更經濟更有效新技術.工程電鍍用的化學品如進鍍成性質的添加劑，多為國外原料供貨商的機密，利潤甚高，若能長期研究必能研 就發(fā)展成功替代品，以減低本國電鍍工業(yè)的成本。-1.6.3 鍍錫(tin plating)    鍍錫生產應往高速率的連續(xù)生產方向發(fā)展，唯有使用高度自動化設備才能節(jié)省日益高漲的連續(xù)工資及能源.此種設備國內無法設計制造，需向國外引進技術，近年來使用鋁罐，鋁箔，塑料瓶罐，臘紙盒，玻璃瓶等材料越來越普遍，占去馬口鐵很大的

15、市場尤其一些錫生產的開發(fā)國家如印尼，菲律賓，泰國，馬來西亞等也開始生產馬口鐵，另外有逐漸改無錫鐵皮(tin free steel)的趨勢。-1.6.4 熱浸鍍鋅(zinc hot dip coating)    鍍鋅鋼片主要有電鍍式鍍鋅鋼片及熱浸式鋼片，其中以熱浸式占大多數(shù)，鍍鋅鋼片具有優(yōu)良耐蝕性與低廉價格.主要用途為建筑如用在頂板(roofing)，側板(siding )，廣告牌，風管等，其次為電器及機械業(yè).國內鍍鋅鋼片業(yè)者需淘汰更新陳舊設備，采用新式連續(xù)式熱浸鍍鋅方式生產，產量大，品質佳，產品適用性廣，成本低并加以配合耐高腐蝕力，鍍層延性，抗熱性，焊接性及美麗彩色涂裝的

16、需求提高制品的品質.如發(fā)展出來的鐵鋅合金鍍面，差別鍍鋅，單面鍍鋅及鋁鋅合金鍍面等。-1.6.5 陽極處理(anodizing)    鋁的陽極處理是鋁金屬表面藉由電流的作用形成一層氧化物膜，堅硬耐磨，抗蝕性極高，色澤優(yōu)美.鋁合金本身易于加工，強度高，用途很廣，磥瑣T陽處理產品為鋁門窗，家俱，照相機及儀表外殼另件.鋁材制造極其加工業(yè)也日益擴展，鋁陽處理有相當市場潛力。    陽極處理的發(fā)展例如硬質陽極處理(hard anodizing)，在低溫電流亦有用交直流并用的陽極處理.這種硬化的陽極處理的鋁材可用于活塞，汽缸，汽缸內襯，油壓機及渦輪的另件，汽閥，齒輪

17、，槍械另件，離合器，煞車圓片，(brake disk)，機器另見及工具等.液溫，電流密度，溶液成份需自動控制才能嚴格管制成品的品質以達客戶要求.自動化需引進國外技術及大量的資金，所以同時要深入了解國外市場的潛力循序達成自動化。-1.6.6 涂裝(coating)    涂裝工業(yè)的成長仍應會繼續(xù)擴大，應設法取締地下工廠以減少公害。保障合法廠商，避免惡性競爭.教育用戶重視表面處理技術的價值，提高涂裝品質的要求.大廠商應力爭上游，自行發(fā)展高級產品而不能只埋怨小廠的低廉競銷.發(fā)展的趨勢大多采用粉體涂裝，以節(jié)省能源和溶劑并可減少公害.非溶劑的涂裝和省能源型(紫外線硬化，低溫硬化)的新

18、產品，涂裝工業(yè)當然應該迎頭趕上。-1.7 學會，雜志及參考書籍    促進表面處理工業(yè)界的聯(lián)系，技術交流，標準規(guī)范的定訂，防止惡性競爭，市場的操縱等應設有功能的公會，協(xié)會以解決同業(yè)的困難.例如電鍍公會，陽極處理公會，涂裝公會等.學會及雜志社提供新知識，新科技的信息.在做研究開發(fā)工作，資料的取得是非常重要的，尤其是有關專利資料更具有價值。-1.7.1 學會有關表面處理技術的國內外學會有:(1) 中國材料科學學會。(2) 中國鋼鐵學會。(3) 中國化學會。(4) 中國腐蝕防蝕學會。(5) American， Electroplater Society。(6) American，

19、 Electrochemical Society。(7) American， National Association of Corrosion Engineers 。(8) 英國Institute of metal fishing. (9) 英國Corrosion Science Society。(10) 英國Corrosion and Protection Association。(11) 日本金屬表面技術學會。(12) 日本金屬學會第三分科會(金屬表面物理化學)。(13) 日本鋼鐵學會。(14) 日本電器化學協(xié)會。(15) 日本化學學會。(16) 日本輕金屬學會。(17) 德國Bunse

20、n Gesellechaff。-1.7.2 雜志    有關表面處理雜志有:    (1) 國內:    金屬表面技術.    工業(yè)材料。    表面處理工業(yè).    化工技術。    防蝕工程.    材料科技.  (2) 日本:    金屬表面技術.    防蝕技術。    金屬材料.    工業(yè)材料。  (3) 美國: 

21、  Plating    Corrosion    Metal Finishing    Materials Protection    Product Finishing    Materials and Methods    Industrial Finishing  (4) 英國:    Electroplating    Metal Industry  (5) 德國:    Me

22、talloberflanche    oberflachenentechnik    Korrosion und Metallschutz    Werkstoffe und Korrosion-1.8 表面處理電鍍技術士檢定規(guī)范    金屬表面處理是一門專門的技術與學問，為提高表面處理工業(yè)的水準及發(fā)展?jié)摿?，宜?guī)定工廠必須擁有表面處理技術士如電鍍技術士，陽極處理技術士，涂裝技術士等.讓這些專門技術士從事工廠作業(yè)，才能有優(yōu)良的產品。    技術技能士檢定旨在配合經濟發(fā)展，改變職業(yè)觀念，建立技能共信

23、標準，提高技術人士的地位適應國 家建設的需要.凡測驗合格者，由內政部頒發(fā)中華民國技術士證。    技術士技能檢定分為學科與術科測驗兩階段完成.學科測驗就檢定規(guī)范中相關知識范圍內命題，采是非選擇方式.術科測驗需學科測驗合格始能參加，采現(xiàn)場操作考驗方式.技術士分為三等級，甲級，乙級，丙級。二、電鍍基本原理與概念2.1 電鍍的定義    電鍍(electroplating)被定義為一種電沉積過程(electrodepos- ition process)， 是利用電極(electrode)通過電流，使金屬附著于 物體表面上， 其目的是在改變物體表面的特性或尺寸。

24、2.2 電鍍的目的    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、物品的防銹、防止磨耗、提高 導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理的防止?jié)B碳、氮化 、尺寸錯誤或磨耗的另件的修補。2.3 各種鍍金的方法電鍍法(electroplating) 無電鍍法(electroless plating)熱浸法(hot dip plating)  熔射噴鍍法(spray plating)塑料電鍍(plastic plating) 浸漬電鍍(immersion plating)滲透鍍金(diffusion plati

25、ng) 陰極濺鍍(cathode supptering)真空蒸著鍍金(vacuum plating) 合金電鍍 (alloy plating)復合電鍍 (composite plating 局部電鍍 (selective plating)穿孔電鍍 (through-hole plating) 筆電鍍(pen plating)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 (aqueous solution)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

26、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?？捎退芤杭胺撬芤弘婂冋哂秀~、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)    被溶解的物質稱的為溶質(solute)，使溶質溶解的液體稱

27、的溶 劑(solute)。溶劑為水的溶液稱的水溶液(aqueous solution)。    表示溶質溶解于溶液中的量為濃度(concentration)。在一定量溶劑 中，溶質能溶解的最大量值稱的溶解度(solubility)。    達到溶解度 值的溶液稱的為飽和溶液(saturated solution)，反的為非飽和溶 液(unsaturated solution)。 溶液的濃度，在工廠及作業(yè)現(xiàn)場，使用易了解及便利的重量百分率濃度(weight percentage)。另外常用的莫耳濃度(molal concentration)。2.4.2 物

28、質反應(reaction of matter)    在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、干燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份了解在處里過程中各種物理及化學反應及其相互間關系與影響。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，它是屬于電化學的應用的一支。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)（如Na

29、Cl），也就是其溶液具有電解性質的溶液，(electrolyticsolution)它含有部份的離子 (ions)，經由此等離子的移動 (movement)而能導電。帶陰電荷朝向陽極(anode)移動稱的為陰離子(anion)，帶正電荷朝向陰極(cathode)移動 (migrate)者稱的為陰離子 cations)。這些帶電荷的粒子(particles)稱的為離子(ions)。放出電子產生氧化反應的電極稱的為陽極(anode)，得到電子產生還原化應的電極稱的為陰極(cathode)。整個反應過程稱的為電解(electrolysis)。2.4.4.1 電極電位(electrode potent

30、ials)    電位(electrode potential)為在電解池(electrolytic)中的導電體，電流 經由它流入或流出。電極電位(electrode potential)是電極與電解液的間的電動勢差， 單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極(standard electrode)。    例如氫標準電極(hydrogen standard electrode)以其為基準電位為0    電極電位的大小可由Nernst equation表示的:E=E0+RT*ln(aMn+/aM)/nFE=電極電位E0=電極標準狀態(tài)電位

31、(volt)R=氣體常數(shù)(8.3143 J.K-1MOL-1)T=絕對零度( K)n=原子價的改變數(shù)(電子移轉的數(shù))aMn+=金屬離子的活度(activity)，若極稀薄的溶液，其活度就等于金屬離子的濃度(concentration)C。一般則活度為濃度乘上活度系數(shù)，即a = r*c。金屬電極的活度，若為純金屬即為1 。F=法拉第常數(shù)2.4.4.2 標準電極電位(standard electrode potential)    標準電極電位(standard electrode potential)是指金屬電極的活度為 1(純金屬)及在金屬離子活度為1時的電極電位。

32、0;   氫的標準電位在任何溫度下都定為0，做為其它電極的參考電極 (REFERENCE ELECTRODE)，以氫標準電極為基準0。排列在前頭的金屬如Li較易失去電子，易被氧化，易溶解，易腐蝕，稱的為濺金屬或金屬(basic metal)。相反如Au金屬不易失去電子.不易氧化.不易溶解.容易被還原稱的為貴金屬(noble metal)。各種金屬的電極電位LiLi+ -3.045CoCo+2 -0.277RbRb+ -2.93NiNi+2 -0.250KK+ -2.924SnSn+2 -0.136BaBa+2 -2.90PbPb+2 -0.126SrSr+2 -2.90FeFe+3

33、-0.04CaCa+2 -2.87Pt/H2H+ 0.000NaNa+ -2.715SbSb+3 +0.15MgMg+2 -2.37BiBi+3 +0.20AlAl+3 -1.67AsAs+3 +3MnMn+2 -1.18CuCu+2 +0.34ZnZn+2 -0.762Pt/OH-O2 +0.40CrCr+3-0.74CuCu+ +0.52CrCr+2 -0.56HgHg2+2 +0.789FeFe+2 -0.441AgAg+ +0.799CdCd +3 -0.402PdPd+2 +0.987InIn+3 -0.34AuAu+3 +0.150TlTl+ -0.336AuAu+ +1.682.

34、4.4.3 Nernst 電位學說    金屬含有該金屬離子的溶液相接觸，則在金屬與溶液界面，會產生 電荷移動現(xiàn)象，此等電荷的移動，仍是由于金屬與溶液的界面有電位勢的差別稱的為電位差所引起，此現(xiàn)象Nernst解說如下:    設驅使金屬失去電子變?yōu)殛栯x子溶入溶液中的電離溶解液解壓(electrolatic solution pressure)為p，而使溶液中的陽離子得到電子還原成金屬滲透壓(osmotic pressure)為，則有三種情況發(fā)生:(1) P>時，金屬被氧化，失去電子，溶解成金屬離子于溶液中，因此金屬電極本體接收電子而帶負電。(2)

35、P<時，金屬陽離子得到電子被還原沉積于金屬電極表面上，金屬電極本身供給電子，因此金屬電極帶正電(3) 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1 mole金屬溶入于溶液中，則界面所通過的電量為nF ， n為金屬陽離子的價數(shù)，即電子的轉移數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，此時所作功等于nFE，也等于下式：nFE=RT/ln(P/)，即金屬陽離子的活度 (activity)為aMn+，活度系數(shù)為K，則=K(aMn+)，于是E=-RT/nFln(p/KaMn+)E=-RTln(P/K)/nF +RTln(aMn+)/nFE在標準狀態(tài)時，即aMn+=1，稱

36、為標準電極電位E ，即E0=-RTln(P/K)/(nF) + RTln1/(nF)=-RTln(P/K)/(nF)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+RTln(aMn+/aM)/(nF)式中為aM為不純金屬的活度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(tài) 氧化狀態(tài)可用下列二式表示的:氧化反應：Cu Cu+2e-還原反應：Cu+2e- Cu例1: 氧電極反應的電位(1/2)O2H2O2e- 2OH-E = E0 - RTln(aOH-)2/aO2(1/2)/(2F)例2: 氯化汞電極反應的電位Hg2+

37、22e- 2HgE = E0 - RTlnaHg(s)/(aHg2+)2/(2F)例3: 氫電極反應的電位1/2H2(g) H+e-E = E0 + RTln(aH+)/aH2(1/2)/F2.4.4.5 電極電位的意義可逆電極分類為四種:(1) M/M+n，即金屬含有該金屬離子的相接觸。有二種形式： A)金屬與溶液間的水大于金屬陽離子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，這類金屬電極稱的陰電性，如Mg.Zn.及Fe等浸入酸.鹽類水溶液時。B)金屬與溶液的水親合力小于金屬離子M+n與電子結合力時，金屬離子會游

38、向金屬電極得到電子而沉積，在金屬電極上，于是金屬電極帶正電，溶液帶負電；(2)金屬M與難溶性的鹽MX相接觸，同時MX又與陰離子的KX相接觸，即(MMX,KX)如氯化汞電極(Hg2Cl2)；(3)不溶性金屬（如Pt）與含有氧化或還原系離子的溶液相接觸，例如PtFe+2,Fe+3或PtCr+2，Cr+3等；(4)吸附氣體原子的不溶性金屬（如Pt）與溶液中相應的離子達成平衡，例如Pt,H2H+或Pt,O2OH-等；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(qū)域稱的為界面電性二重層。2.4.4.

39、7液間電位差（liquid junction potential）    又稱的為擴散電位差(diffusion potential)，系由陰離子與陽離子的移動度不同而形成的電位差，通常溶液的濃度差愈大 ，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（overvoltage)    當電流通過時，由于電極的溶解、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的為過電壓。此種現(xiàn)象稱的為極化(polarization)。此時陰極、陽極實際電 位與平衡電位的差即為陰極過電壓、陽極過電

40、壓。    過電壓可分下列四種：1.活化能過電壓（activiation overvoltage）（電化學過電位）    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，此額外電壓的活化能過電壓，可用Tafel公式表示：=a + blog ib為系數(shù)，i為電流，為活化能過電壓，其電流i愈大愈大，電鍍中占很小一部份，幾乎可以忽略，除非電流密度很大。氫過電壓（hydrogen overvoltage），在酸性水溶液中陰極反應產生 H2氣體，此額外的電壓稱氫過電壓，即H2 =Ei-Eeq，式中 = 氫

41、過電壓Ei = 實際電壓Eeq= 平衡電壓在電鍍時由于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（concentration overvoltage）    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 逸散的速度不夠快，必須加上額外的電壓，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（solution resistance overvoltage）   

42、 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稱的溶液電阻過電壓。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(fā)損失需冷卻或補充液。4.電極鈍態(tài)膜過電壓（passivity overvoltage）    電解過程，在電極表面會形成一層鈍態(tài)膜，如Al的氧化物膜，錯離子形成的阻力膜，此等膜具有電阻需要額外電壓加以克服 ，此種額外電壓稱的為鈍態(tài)膜過電壓。2.4.4.9分解電壓（decomposition potential）    電壓愈大，電流愈大，

43、反應速率也愈大，其電壓與電流的關系如圖所示。E點的電壓稱的分解電壓，亦稱的實際分解電壓(praticaldecomposition potential)，然而要產生電流I所需的電壓為：EI = E0 +totaltotal =c +a +conc. + IRE0=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c=陰極過電壓a=陽極過電壓conc.= 濃度過電壓I=電流強度R=內電阻例:使用銅做陽極，硫酸銅溶液鍍銅，其欲產生電流I所需的電壓為：EI = E0 + c + a + conc. + IREc = Ea  E0 = 0EI =c + a + co

44、nc+ IR例:硫酸鋅鍍鋅使用鋅做陽極，攪拌良好，則產生電流I所需的電壓為EI=E0+a+c+conc+IREa=Ec  E0=0，又因攪拌良好，conc=0EI=a+c+IR例:鎳鹽水溶液使用鎳做陽極，電極面積10c，以10 -2Amp/c進行鍍鎳。c 0.4450.065logI a 0.3750.045logI，內電阻R300，攪拌良好所需的電壓為若干？解：EI =c +a + IR= 0.445 + 0.65log(0.01*10) + 0.375 + 0.045log(0.01*10) + (0.01*10)*300 = 30.71V2.4.5 界面物理化學  &

45、#160; 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、涂裝等。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接口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，處于不安定狀態(tài)稱的自由表面，故具有力，此力稱的為表面張力。液體的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?yōu)榱恪Ｒ后w和固體與別的液體交接的面也有如表面張力的作用力，稱的界面張力。2.4.5.2表面活

46、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的為表面活性劑。表面處理過程如洗凈、脫脂、酸洗等表面活性劑被廣泛應用對表面處理的光澤化、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設備電鍍使用的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設備電鍍控制條件及影響因素鍍液凈化鍍層要求項目鍍層缺陷電鍍技藝金屬腐蝕2.5

47、.1電鍍的基本構成元素外部電路，包含有交流電源、整流器、導線、可變電阻、電流計、電壓計。陰極、或鍍件(work)、掛具(rack)。電鍍液(bath solution)。陽極(anode)。鍍槽( plating tank )加熱或是冷卻器(heating or colling coil )。2.5.1.1  鍍槽構造，其典型鍍槽見圖:2.5.1.2電鍍車間設備一個電鍍車間必須配備下列各項設備： 防酸的地板及水溝。 鍍糟及預備糟。 攪拌器。 整流器或發(fā)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。 電鍍槽用的蒸氣、電加熱等加熱設備。

48、 操作用的上下架桌子。 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電鍍使用的電流    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沉積又再被溶解所以交流電流無法電沉積金屬。直流電源是用直流發(fā)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，所以可以電沉積金屬。但在有些特殊情況會使用交流電流或其它種特殊電流，用來改善陽極溶解消除鈍態(tài)膜、鍍層光層、降低鍍層內應力、鍍層分布、或是用于電解清洗等。2.5.3電鍍溶液，又稱鍍液（plating bath）    電鍍溶液是一種含有金屬鹽及其它化學物的導電溶液，用來電沉

49、積金屬。其主要類別可分酸性、中性及咸性電鍍溶液。強酸鍍液是pH值低于的溶液，通常是金屬鹽加酸的溶液，例如硫酸銅溶液。弱酸鍍液是pH值在25.5的間鍍液，例如鎳鍍液。咸性鍍液其pH值超過的溶液，例如氰化物鍍液、錫酸鹽的錫鍍液及各種焦磷酸鹽鍍液。2.5.3.1鍍液的成份及其功能金屬鹽：提供金屬離子的來源如硫酸銅?？煞謫嘻}、鹽，及錯鹽。 例如：單鹽：CuSO4；NiSO4 復鹽：NiSO4；(NH4)2SO4 醋鹽：Na2Cu(CN)3導電鹽：提供導電度，如硫酸鹽、氯鹽，可降低能量花費、鍍液熱蒸發(fā)損失，尤其是滾桶電鍍更需優(yōu)良導電溶液。陽極溶解助劑：陽極有時會形成鈍態(tài)膜，不易補充金屬離，則需加陽極溶解

50、助劑。例如鍍鎳時加氯鹽。緩沖劑，電鍍條件通常有一定pH值范圍，防止pH值變動加緩沖劑，尤其是中性鍍液(pH58)，pH值控制更為重要。絡合劑，很多情況，絡合鹽的鍍層比單鹽的鍍層優(yōu)良，防止置換沉積，如鐵上鍍銅，則需用絡合劑，或是合金電鍍用絡合劑使不同的合金屬電位拉近才能同時沉積得到合金鍍層。穩(wěn)定劑，鍍液有些會因某些作用，產生金屬鹽沉淀，鍍液壽命減短，為使鍍液穩(wěn)定所加的藥品稱的為穩(wěn)定劑。鍍層性質改良添加劑，例如小孔防止劑、硬度調節(jié)劑、光澤劑等改變鍍層的物理化學特性的添加劑。潤濕劑(wetting agent)，一般為界面活性劑又稱去孔劑。2.5.3.2鍍液的準備將所需的電鍍化學品放入在預備糟內與水

51、溶解。去除雜質。用過濾器清除浮懸固體，倒入一個清潔電鍍槽內。鍍液調整，如pH值、溫度、表面張力、光澤劑等。用低電流電解法去除雜質。2.5.3.3鍍液的維持定期的或經常的分析鍍液成份，用化學分析法或Hull試驗(Hull cell test)。維持鍍液在操作范圍成份，添加各種藥品。去除鍍液可能被污染的來源。定期凈化鍍液，去除累積雜質。用低電流密度電解法間歇的或連續(xù)的減低無機物污染。間歇或連續(xù)的過濾鍍液浮懸雜質。經常檢查鍍件、查看缺點。2.5.4金屬陽極    金屬陽極分為溶解性及不溶解性陽極，溶解性陽極用于電鍍上是為補充溶液中電鍍所消耗的金屬離子，是用一種金屬或合金鑄成、滾成

52、、或沖制成不同形狀裝入陽極籃(anode basket)內。陽極電流密度必須適當，電流密度太高會形成鈍態(tài)膜，因而使陽極溶解太慢或停止溶解，形成不溶解陽極，產生氧氣，消耗鍍液金屬離子而必須補充金屬鹽。為了減小陽極電流密度，可多放些陽極，或用波形陽極增加面積，或降低電壓。在酸性鍍液可以用增加攪拌、增高鍍液溫度、增加氯離子濃度、降低pH 來提高陽極容許電流密度。而堿性鍍液可用增加攪拌、增加自由氰化物(free cyanide)的濃度，升高鍍液溫度或升高pH值，也可將某種物質加入陽極內以減少因高電流密度的陽極鈍態(tài)形成。電鍍使用不溶解陽極用來做傳導電流，鍍液金屬離子需用金屬鹽來補充，如金鍍液中用不溶解

53、的不銹鋼作為陽極，以金氰化鉀來補充。在鍍鉻中用不溶解的鉛陽極，以鉻酸補充鉻離子。不溶解陽極有二個條件，一 是良好的導電體，二是不受鍍液的化學作用污染鍍液及不受侵蝕。不溶性陽極可用在控制金屬離子過度積集在鍍糟內，在貴金屬電鍍，如黃金電鍍，用不銹鋼做陽極，可以代替金陽極，以減低投資成本或避免偷竊的困擾。不溶解陽極將引起強力的氧化，形成腐蝕問題及氧化鍍槽內物質，所以不能使用有機物添加劑。槽內的金屬離子必須靠金屬鹽來補充。2.5.5 陽極袋（anode bag）    陽極袋是一種有多細孔薄膜袋子，用來收集陽極不溶解金屬與雜質陽極泥，以防止污染鍍液，阻止粗糙鍍層發(fā)生。陽極袋是用編織

54、布縫成陽極形狀寬大適中，長度要比陽極稍長，材料需扎得緊，足夠收集陽極泥，不妨礙鍍液流通，將陽極袋包住陽極并縛在陽極掛鉤上。在放進電電鍍液的前，陽極袋要用熱水含潤濕劑中洗去漿水及其它污物，然后再用水清洗，并浸泡與鍍液相同的pH的水溶液中，使用前需再清洗。酸性鍍液的陽極袋可用棉織物，也可使用人造纖維。在高溫操作咸性鍍液可用乙稀隆材料陽極袋。2.5.6 金屬陰極    金屬陰極是鍍液中的負電極，金屬離子還原成金屬形成鍍層及其它的還原反應，如氫氣的形成于金屬陰極上。準備鍍件做電鍍需做下面各種步驟：研磨、拋光、電解研磨、洗凈、除銹等。2.5.7電鍍的前處理電鍍前的處理，稱的前處理(pretreatment)，包括下列過程：除油：去除金屬表面的油質、脂肪、研磨劑，及污泥?？捎脟娚涑?、溶劑除油、浸沒除油或電解除油。清洗：用冷或熱水洗凈過程的殘留洗凈劑或污物。酸浸：去除銹垢或其它氧化物膜，要注意防止基材被腐蝕或產生氫脆。可加抑制劑以避免過度酸浸。酸浸完后要充份清洗?；罨捍龠M鍍層附著