作者：陈加福
出版社：机械工业出版社
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化学镀技术1000问试读：
前言
电镀是金属表面处理的重要组成部分，随着科学技术的进步与发展，电镀已形成一个专门的研究领域并构成了庞大的产业，特别是机械制造、仪器仪表、交通工具、电子信息和航空航天等部门，对电镀技术提出了更多更高的要求。传统电镀工艺技术需要不断改进和提高，电镀新工艺和新技术需要不断开发和研制，社会进步和环境保护的要求对电镀工作者也提出了新的挑战。
为了满足电镀工作者对实用电镀技术的需求和提高他们解决实际问题的能力，我们广泛征求了广大电镀工作者的意见，结合多年的教学、科研和工作实践，针对电镀生产中经常出现的问题和遇到的难题，编写了这本《电镀技术1000问》。本书语言简洁扼要，内容通俗易懂，数据准确翔实，查阅快捷方便，侧重应用技术和解决工业生产中经常遇到的实际问题，针对性和实用性强。编写时针对相关问题的回答注入了新的内容，并对已经过时的工艺问题作了删减，紧跟当前电镀技术的发展趋势。本书既有手册一样的功效，又丰富了解决工业生产中实践技术难题的知识。
本书以问答的形式全面系统地介绍了电镀技术的相关知识，全书共9章，共计1000个问题。内容包括电镀基础知识、电镀预处理、电镀单金属、电镀合金、特种电镀、电镀设备、镀层性能的检测、常用电镀溶液分析、电镀环保与污染控制。本书适合于从事电镀技术的工程技术人员和电镀工人阅读，也可供各类培训院校相关专业师生参考。
本书由郑州大学的潘继民任主编，夏静、陈永、李立碑任副主编。参加编写的人员还有时爱菊、赵靖宇、孙玉福、刘胜新、翟震、陈慧敏、李立里、侯晓丽、王志刚、张冠宇、赵丹、孙华为、杨娟、邓晶、吴珊珊、颜新奇、丛康丽、李二兴、张靓颖、隋方飞、刘茜、毛磊、张富生、顾健、贠东海。张金凤老师对全书进行了详细审阅。
在本书编写过程中，我们参考了国内外同行的大量文献资料，谨向有关人员表示衷心的感谢！
由于编者水平有限，错误和纰漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。编者
第1章 化学镀基本知识
1.1 化学镀的特点
1.1.1 什么是化学镀？化学镀也称无电解镀或者自催化镀，是通过溶液中适当的还原剂使金属离子在镀件表面，通过自催化作用进行还原，实现金属沉积的过程。化学镀过程实质是定向的氧化还原反应，是有电子转移、无外电源的化学沉积过程。1.1.2 化学镀有何特点？
化学镀的特点有以下几方面：
1）表面硬度高，耐磨性能好。镀后镀件的表面硬度可在550～1100HV0.1（相当于55～72HRC）的范围内任意控制选择。处理后的机械部件，耐磨性能好，使用寿命长，一般寿命可提高3～4倍，有的可达8倍以上。
2）镀层厚度极其均匀，处理部件不受形状限制，不变形。特别适用于形状复杂、深盲孔及精度要求高的细小及大型部件的表面强化处理。
3）具有优良的耐蚀性。处理后的部件在许多酸、碱、盐、氨和海水中具有很好的耐蚀性，其耐蚀性比不锈钢优越得多。
4）处理后的部件，表面粗糙度值小，表面光亮，不需重新机械加工和抛光即可直接装机使用。
5）镀层与基体的结合力高，不易剥落，其结合力比电镀铬要高。
6）可处理的基体材料广泛。可处理的材料有各种模具合金钢、不锈钢、铜、铝、锌、钛、塑料、尼龙、玻璃、橡胶、木材等。
7）化学镀镀层根据其成分的不同，可以获得非晶态、微晶、细晶等组织结构。
8）工艺装备简单、投资低，不需要电源和电极。
9）镀液通过维护调整能反复使用。1.1.3 化学镀与电镀有什么区别？
化学镀技术不仅具有操作方便、工艺简单、镀层均匀、孔隙率小、外观良好等特点，而且由于化学镀技术大部分使用食品级的添加剂，不使用诸如氰化物等有害物质，废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代电镀，成为一种环保型的表面处理工艺。化学镀与电镀的过程如图1-1所示。
从以上过程图可以看出，电镀是在强离子化金属溶解时依靠游离电子还原溶液中金属离子的过程。例如，在铜基体上镀金、银、钯等金属，这类镀层由于基体被溶解而导致镀层针孔较多，当基体完全被金属覆盖住后，反应将停止，所以，难以获得厚的镀层，沉积速率随时间变化比较大。电镀与化学镀的比较如表1-1所示。图1-1 化学镀与电镀过程比较a）化学镀 b）电镀表1-1 化学镀与电镀的比较
1.2 化学镀基本原理
1.2.1 化学镀的基本原理是什么？化学镀是利用合适的还原剂，使溶液中的金属离子有选择地在经催化剂活化的表面上还原析出成金属镀层的一种化学处理方法。
化学镀的沉积过程不是通过界面上固液两相间金属原子和离子的n+交换，而是液相离子M通过液相中的还原剂R在金属或其他材料表面上的还原沉积。化学镀的关键是还原剂的选择和应用，最常用的还原剂是次亚磷酸盐和甲醛，近年来又逐渐采用肼、硼氢化物、氨基硼烷和它们的衍生物等作为还原剂，以便室温操作和改变镀层性能。从本质上讲，化学镀是一个无外加电场的电化学过程。n+
化学镀如果用电化学进行说明，则是金属离子M被还原的阴极反应和还原剂R被氧化的阳极反应。
阴极反应：
阳极反应：
式中，R为还原剂；O为氧化剂。
为了能使上述两反应同时进行，阳极反应的平衡电位φ必须低O/R于阴极反应的平衡电位，其平衡电位可用下面公式求出：n+
式中，[O]、[R]、[M]分别为氧化剂、还原剂及金属离子浓度；T为温度；F为常数。
还原剂的阳极反应通常与pH值的大小有关，此时阳极反应变为下式：+
式中，m为H数，n为电子数。
上式中的平衡电位应为
还原剂的标准电位越低，还原剂的还原能力越强。另外，若被还原的金属离子的标准电位越高，金属离子就越容易被还原。
要想让金属离子的标准电位低，就必须用强的还原剂还原。㊀
还原剂的有效程度可用它的标准氧化电位φ来判断，如次亚磷㊀酸盐就是一个强还原剂。但也不应过分信赖φ值，因为在实际应用㊀中，φ值会由于溶液中不同的离子活度和类似其他因素的影响，而发生很大的差异，但氧化和还原电位的计算，仍有助于预先估计不同还原剂的有效程度。常用还原剂的标准氧化电位如表1-2所示。表1-2 常用还原剂的标准氧化电位
在碱性化学镀液中，需要加入络合剂，以免金属离子产生氢氧化物沉淀。设络离子为Lm-，络合反应如下：
络合离子的稳定常数K为nmnmnnm+-+-++-
K=[ML]/[M][L]M和ML的氧化还原反应为
上述两个式子的标准电极电位分别表示为、。
由此可知：
由上式可知，在络合剂存在的情况下，其稳定常数K越大，金属络离子的电位越低。但当pH值降低时，络合剂以离子形态存在。因此金属络离子稳定常数比K小，所以在pH值较低的情况下，标准电极电位的降级较小。1.2.2 发生化学镀反应应具备哪些条件？
进行化学镀应具备以下一些基本条件：
1）镀液本身不应自发发生氧化还原反应，即金属的还原反应限定在镀件的催化表面上进行，以免镀液自发分解。
2）镀件表面应具有催化活性，对于塑料、陶瓷、玻璃等不具备表面催化活性的非金属材料，在化学镀前应进行特殊的预处理，使其表面活化而具有催化作用；被还原金属也应具有催化性质，使沉积过程能自发持续进行。
3）还原剂的氧化电位应低于被还原金属的平衡电位。
4）可通过调节参数如镀液pH值、温度T等，实现自催化沉积过程的人为控制。
虽然化学镀与电镀相比，有一些的不足，如所用的镀液稳定性较差，且镀液的维护、调整和再生都比较复杂，而且成本较高，但也具有更多的优势。
1.3 化学镀的应用
1.3.1 化学镀的常用材料及应用范围有哪些？最初化学镀技术仅应用于钢铁材料为主的金属材料上，以后应用范围逐步扩大，不锈钢、非铁金属、陶瓷等材料也可施镀。但是，不同基体的金属或其他材料对化学镀的适应性不一，因而镀前预处理方法不尽相同，针对不同的基体材料进行恰当的镀前预处理，是保证化学镀工艺的先决条件和步骤。也就是说，可以通过不同的镀前预处理方法，扩大化学镀技术在各种材料上的应用范围。1.3.2 化学合金镀层的特点和应用有哪些？
化学合金镀层的晶体结构不仅与镀液中的磷含量有关，还与络合剂、添加剂有关。通过对碳素钢、合金钢、工具钢、不锈钢、耐热钢、铝、镁、铜、锌、钛、玻璃、塑料、陶瓷等材料的研究表明，镀层中磷含量为8%（质量分数）时，则为非晶态结构。经过400℃左右的加热和保温，即可实现晶化处理，完成从非晶态到晶态的结构转变，镀层中生成NiP化合物，从而使镀层硬度提高，一般镍磷镀层的显微硬3度可达500～600HV。由于镀层具有可观的高硬度，在汽车部件轻量化的进程中，扮演了重要角色。其用于汽车零部件上的实例有：制动油缸、空调压缩机、AT变速器部件等。1.3.3 化学复合镀层的特点和应用有哪些？
化学复合镀层的耐磨性取决于分散粒子的种类、粒径、共析量、镀层本身的硬度及热处理。上述因素的控制则由具体的用途来决定。如想获得耐磨及润滑性优异的复合镀层，通常采用BN或SiN等无机34氮化物或低共析量的PTFE做分散微粒。PTFE是一种具有极好化学稳定性和干润滑性能的高分子有机材料，在王水、硫酸、氢氧化钠等溶液中有极好的耐蚀性。镍磷化学镀的合金镀则具有较高的硬度和较好的基体结合性能。因此，采用化学复合镀，可以得到较好综合性能的复合镀层。另外，PTFE的复合镀层除具有自润滑性外，还具有剥离强度高、非黏着性、拒水及抗油等复合性能。化学镀镍合金复合镀层的应用如表1-3所示。表1-3 化学镀镍合金复合镀层的应用
第2章 化学镀的预处理
2.1 粗糙表面的整平
2.1.1 金属化学镀预处理的意义是什么？化学镀是在被镀基体材料与镀液相接触的界面间发生的化学反应，反应顺利进行的先决条件就是确保镀液与基体材料表面有良好的接触。首先，在金属制件的成形过程中，表面可能粘上油污或形成锈蚀物、氧化物等，在工件表面与镀液之间形成中间夹层，阻碍反应的顺利进行，从而影响镀层和基体的结合力及镀层质量。当金属表面粗糙不平，以及有气孔、砂眼、裂纹等缺陷时，镀液容易存留在缺陷中，导致镀层出现“黑斑”或泛“白点”，或由于酸的腐蚀放出氢气而使镀层出现“鼓泡”。其次，粗糙或有加工缺陷的工件表面，不能镀出光滑、光亮的镀层。当工件表面有灰尘、金属粉末时，镀层将会出现“结瘤”和“毛刺”，容易脱落，使镀层表面产生小坑。
生产实践证明，化学镀生产中所发生的质量问题，如局部镀层脱落、鼓泡、麻点、花斑以及局部无镀层等现象，大多数情况是由于基体材料的镀前预处理不当造成的。尤其是镀层的结合力、耐蚀性和平整程度等性能，往往与镀前预处理质量的优劣密切相关。因此，要获得优质的镀层，选择合适的镀前预处理工艺十分必要。2.1.2 化学镀预处理需要进行哪些基本工序？
金属工件浸入镀液前的一切加工处理和清理工序总称化学镀预处理，化学镀预处理的好坏是决定镀层质量的重要因素。在工件表面存在各种各样的表面变性层、氧化层、油污层，要得到结合力良好的镀层，必须进行一系列的预处理工作，通常镀前预处理分为机械整平、脱脂、浸蚀、水洗等。（1）机械整平 机械整平是为了使化学镀前的工件光滑平整，包括磨光、机械抛光、滚光、喷砂处理等。（2）脱脂 附在工件上的油污，会使镀液和基体金属隔离，造成镀不上等故障。轻微的小油点在化学镀时会扩散成油膜，使镀层与基体隔离，是化学镀生产中产生缺陷的主要原因。常用的脱脂方法有有机溶剂脱脂、化学脱脂、电化学脱脂和滚筒脱脂等。（3）浸蚀 浸蚀包括一般浸蚀、光亮浸蚀和弱浸蚀。一般浸蚀是除去工件表面的氧化皮和锈蚀物。光亮浸蚀可溶解工件上的薄层氧化膜。因为工件表面的氧化物会使化学镀液与基体金属隔离，造成镀不上、镀层疏松、孔隙率大或结合不良等问题。这样的镀层也会鼓泡、起皮或剥落，而且其耐蚀性很差。如果是阴极性镀层，则耐蚀性比其化学镀前还差。因此一定要经过浸蚀将其消除。弱浸蚀（也叫活化）是在工件进入化学镀槽前的操作，为去除表面钝化膜使其露出金属结晶组织，提高金属与工件的结合力，通常视前道工序的不同而浸入稀酸或稀碱中。（4）水洗 水洗包括热水洗、冷水洗、喷淋清洗、逆流漂洗、超声波清洗等。
对于铝合金、锌合金、镁合金等活泼金属基体，为提高镀层与基体结合力，还要对基体进行预镀、预浸等预处理工作，如预镀铜、预镀中性镍等。2.1.3 什么是磨光？
磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮（或磨光带）的高速旋转，对工件表面切削的过程。由于施加在磨轮与工件之间的压力，迫使具有锋利棱边和高硬度的磨料颗粒切削工件的表面，以磨去工件表面上的各种宏观缺陷，如腐蚀痕、划痕、焊渣、砂眼、气孔、锈斑和氧化皮等，使表面粗糙度值降低，提高工件的平整度和光亮度。磨光还可以减少镀后加工对镀层的抛损量，同时也可以提高工件的耐蚀性。
除了对个别圆形或形状规则工件可用自动磨光机外，一般仍以手工磨光为主，操作时应根据工件的形状，眼观手动，将工件表面磨光到符合质量的要求。2.1.4 如何确定磨光时磨轮的最佳速度？
磨光效果与磨轮旋转的圆周速度有密切关系。当被磨光的金属加工表面粗糙度值要求越小，材料越硬时，磨轮圆周速度应该越大，反之应小些。圆周速度过低，生产率低；圆周速度过高，磨轮损坏快，使用寿命短。因此，要选择适当磨轮的圆周速度，只有当磨光材料与磨轮的圆周速度相配合才能获得高的磨光质量。磨光不同金属材料的磨轮最适宜的圆周速度如表2-1所示。表2-1 金属材料的磨轮最适宜的圆周速度2.1.5 对工件表面划伤和凹坑的整形有哪些要求？
对工件表面的划伤和凹坑的整形方法如图2-1所示。
1）对单道划伤采用锉刀、砂纸等工具将划伤修成V形槽，槽底应呈圆弧状，如图2-1a所示。
2）对于表面压伤或因腐蚀而出现的凹坑，可用圆锥形砂轮打磨修形并拓宽根部和表面，再用磨石、砂纸等修整。修整后的宽度和深度略大于原来的宽度和深度，如图2-1b所示。
3）如果表面的划痕很密集，或腐蚀小坑成片状，可用砂轮、刮刀、锉刀、砂纸等工具将缺陷全部清除，使其平滑，如图2-1c所示。2.1.6 工件化学镀前的表面粗糙度值和圆角有哪些要求？
根据GB/T 12611—2008《金属零（部）件镀覆前质量控制技术要求》的规定，工件表面粗糙度值和圆角的规定如表2-2所示。对于已规定最终表面粗糙度值的工件，镀前的表面粗糙度值应不大于图样上所要求粗糙度值的1/2。图2-1 凹坑与沟槽的整形要求a）划痕沟槽的整形要求 b）腐蚀凹坑的整形要求 c）成片划伤或密集小坑的整形要求 A—凹坑坑深 B—凹坑长度 C—凹坑长度（略大于B）表2-2 工件表面粗糙度值和圆角的规定2.1.7 如何选择磨光时磨料材料？
磨料是金属表面切削和整平过程中所用到的材料，只要其颗粒具有较高的硬度、切削能力或一定的韧性，都可做磨料。磨光所用的磨料通常是人造刚玉、金刚砂、石英砂、硅藻土、铁丹和浮石等。常用磨料的主要成分、特性与用途如表2-3所示。表2-3 常用磨料的主要成分、特性与用途2.1.8 如何选择磨光时磨料的粒度？
磨料粒度通常是按筛子的号码来划分的，筛子的号码则用单位面2积（cm）上的孔数来表示，筛子的号码越大，筛孔越小。一般以磨料能通过筛子的号码来表示该磨料的粒度。磨料的号数越大，颗粒越细；号数越小，则颗粒越粗。通常将磨料分为三组：磨光颗粒（10～90号），磨光粉末（100～320号）和磨光细粉（320～600号）。在生产中，应根据金属工件的表面状态和加工后的表面质量要求来选用磨料的粒度。常用磨料粒度的选择如表2-4所示。表2-4 磨光时磨料粒度的选择2.1.9 如何选用磨光轮？
磨光轮是在用棉布或其他纤维如特种纸、皮革、呢绒或毛毡等制成的圆片外包以牛皮，用压制法、胶合法或缝合法制成。所有磨光轮表面都要粘接磨料，用骨胶、牛皮胶、明胶作为黏结剂，将磨料粘于磨光轮的轮缘表面。这些材料使磨面具有一定的弹性，对表面较硬和要求轮廓清晰的工件，应采用较硬的磨光轮（如毡轮）；表面较软和形状复杂的工件，应采用弹性较大的软轮（如布轮）。2.1.10 磨光轮的制作方法有哪些？
先将胶碾碎，用水浸泡6～12h，再加入一定量的水，以水浴方式在胶槽中加热（60～70℃）熔化成胶液，用粘胶机或手工在磨光轮表面涂刷胶液，再在磨料槽中滚压，粘上所需型号的磨料。在烘箱中以40～50℃干燥24h以上，即可完成磨光轮的制作。磨光轮粘磨料时使用的胶的质量分数随所用砂的粒度不同而变化，一般磨料的粒度越细，胶的质量分数越小，不同磨料粒度下胶与水的比例如表2-5所示。表2-5 不同磨料粒度下胶与水的比例2.1.11 使用磨光轮时的注意事项有哪些？
使用磨光轮时需要注意的问题有：
1）确保磨光轮处于干燥状态。
2）新轮使用前，在高速旋转的磨光机上用铁辊刮平，使磨光轮表面达到平衡后再去磨料。
3）磨光轮上的磨料经一段时间使用会变钝，磨光效率显著下降，需重新刮制磨光轮。
4）使用一段时间后，磨光轮会出现边缘磨损或中间出现凹槽，应重新刮制。2.1.12 磨光时金刚砂自行脱落的原因及解决方法有哪些？
磨光时金刚砂自行脱落的主要产生原因及解决方法如表2-6所示。表2-6 磨光时金刚砂自行脱落的主要产生原因及解决方法注：表中比例均为体积比。2.1.13 磨光带磨光有何特点？
磨光带套在磨光机的接触轮和从动轮之间，具有一定的张力，电动机上的接触轮是主动轮，利用其旋转带动磨光带运动，以便对工件进行磨光。其结构如图2-2所示。磨光带由衬底、黏合剂和磨料三部分组成。衬底可用1～3层不同类型的纸或布制成。黏合剂一般用合成树脂，也可使用骨胶或皮胶。
与磨光轮相比，磨光带磨光有许多优点。可以用不同的材料制造出不同特点的接触轮，以适合不同的用途，如用合成树脂粘接磨料的磨光带，可以用作湿磨；磨光带磨削面积大，使用寿命长；操作时冷却较快，便于手持工件，工件变形的可能性小；操作方便，使用不同的接触轮来调节磨光带的松紧，便可对不同的工件进行磨光。图2-2 磨光带的结构1—电源 2—接触轮 3—磨光带 4—从动轮2.1.14 磨光带磨光中接触轮的特性与用途有哪些？
接触轮的特性及用途如表2-7所示。表2-7 接触轮的特性及用途（续）①除序号1外，均为橡胶硬度。②也可用硬橡胶做轮毂，软橡胶做轮壳。③依紧压帆布密度的不同，可制得软、中、硬的轮子。2.1.15 如何选择磨光带的磨光参数？
使用磨光带磨光时，应根据材料种类、磨光类型选择磨光带的参数。磨光带磨光参数的选择如表2-8所示。表2-8 磨光带磨光参数的选择（续）①为测量橡胶的钢轨硬度计的测量值。②ZrO、AlO为人造磨料。2232.1.16 什么是机械抛光？
机械抛光是用装在抛光机上且涂有抛光膏的抛光轮，对工件表面进行轻微切削和研磨的过程。抛光通常是用于工件表面精磨光之后去
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