电镀基础

天狼晓月

电镀基础

电镀的基本构成元素及工场设备	电镀使用之电流
电镀溶液	金属阳极与金属阴极
阳极袋	电镀架
电镀前的处理	电镀工场设备
电镀控制条件及影响因素	镀液净化
镀层要求项目	镀层缺陷
电镀技艺	金属腐蚀

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 collingcoil)。

1.1镀槽构造，其典型镀槽见图:

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。

电镀槽及预备槽。

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　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他种特殊电流，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。

3　电镀溶液，又称镀液（plating bath）

电镀溶液是一种含有金属盐及其他化学物之导电溶液，用来电沉积金属。其主要类别可分酸性、中性及咸性电镀溶液。强酸镀液是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。弱酸镀液是pH值在2～5.5之间镀液，例如镍镀液。咸性镀液其pH值超过７之溶液，例如氰化物镀液、锡酸盐之锡镀液及各种焦磷酸盐镀液。

3.1　镀液的成份及其功能

金属盐：提供金属离子之来源如硫酸铜。可分单盐、盐，及络盐。

例如：单盐：CuSO4；NiSO4

　复盐：NiSO4；(NH4)2SO4

　络盐：Na2Cu(CN)3

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。

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。

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，尤其是中性镀液(pH5～8)，pH值控制更为重要。

络合剂，很多情况，络盐的镀层比单盐的镀层优良，防止置换沈积，如铁上镀铜，则需用络合剂，或是合金电镀用络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。

安定剂，镀液有些会因某些作用，产生金属盐沈淀，镀液寿命减短，为使镀液安定所加之药品称之为安定剂。

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。

润湿剂(wetting agent)，一般为表面活性剂又称去孔剂。

3.2　镀液的准备

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。

镀液调整，如pH值、温度、表面张力、光泽剂等。

用低电流电解法去除杂质。

3.3　镀液的维持

定期的或经常的分析镀液成份，用化学分析法或

赫尔槽试验(Hull cell test)。

维持镀液在操作范围成份，添加各种药品。

去除镀液可能被污染的来源。

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液浮悬杂质。

经常检查镀件、查看缺点。

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(anodebasket)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。在酸性镀液可以用增加搅拌、增高镀液温度、增加氯离子浓度、降低pH来提高阳极容许电流密度。

而碱性镀液可用增加搅拌、增加自由氰化物(freecyanide)的浓度，升高镀液温度或升高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，镀液金属离子需用金属盐来补充，如金镀液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液及不受侵蚀。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。

5　阳极袋（anodebag）

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，以防止污染镀液，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，不妨碍镀液流通，将阳极袋包住阳极并缚在阳极挂钩上。在放进电电镀液之前，阳极袋要用热水含润湿剂中洗去浆水及其他污物，然后再用水清洗，并浸泡与镀液相同之pH的水溶液中，使用前需再清洗。酸性镀液的阳极袋可用棉织物，也可使用人造纤维。在高温操作咸性镀液可用乙稀隆材料阳极袋。

6金属阴极　

金属阴极是镀液中的负电极，金属离子还元成金属形成镀层及其他的还元反应，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。

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：去除锈垢或其他氧化物膜，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。

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，6.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.减少镀液污染。　

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。

3.尼奥普林，直接浸泡不需打底、热烘干、黏性好可用任何镀液，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，适宜各种电镀液。

5.橡皮，除铬电镀外其他镀液均可使用。　

6.蜡，不能使用于强咸及热镀液。

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，镀液带出损失及带入污染等现象。

9　电镀控制条件及影响因素　

1.镀液的组成。　12.覆盖性。　

2.电流密度。13.导电度。　

3.镀液温度。14.电流效率。　

4.搅拌。15.氢过电压。　

5.电流波形。16.电流分布。　

6.均一性。　17.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。

镀液的组成：对镀层结构影响最大，例如氰化物镀液或复盐镀液的镀层，要比酸性单盐的镀层细致。其他如光泽剂等添加剂都影响很大。

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。

镀液温度：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。

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，但镀液需过滤清洁，否则杂质因搅拌而染镀件表面产生结瘤或麻点等缺点。

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、降低镀层内应力、或提高镀层均一性。

均一性(throwingpower)，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.镀液导电性，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.良好的镀液成份，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。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值会影响镀液性质，如氢气的析出、电流效率、镀层硬度及内应力，添加剂的吸收，络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、镀液不安定。

影响极化作用的因素有：1.电镀液组成，如氰化物镀液之极化作用大，低浓度之镀液极化作用较大。　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，提高镀液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液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。在电镀液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，依镀液组成，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。

10　镀液净化

由于杂质污染，操作过久杂质累积，故必须经常净化镀液，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。

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)镀液成份，

3.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。

4.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。

5.均一性(uniformity)，是指电镀液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。试验镀液之均一性有Haring电解槽试验法、阴极弯曲试验法、Hull槽试验法。

6.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。

7.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。

8.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。

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。

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。

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。