第3章单金属电镀

第3章　单金属电镀

学习目标

●了解电镀的基本知识、具体镀种的性质、适用的场合及其作为镀层的特点，了解镀液的

配制方法； ●理解电镀工艺条件变化对镀层的影响、导致镀层故障的原因及排除方法，理解具体镀种

电镀基本原理、镀液的维护、镀液的组分及各组分的作用； ●掌握电极电位、极化、析出电位、超电位等基本概念，掌握金属的沉积过程、被镀工件

的几何形状、极化等因素对电流分布的影响； ●通过学习，能基本掌握单金属电镀的操作技能。

3畅1　概述

一、电镀工业的发展概况

电镀总体来说是对工件表面进行防护、装饰以及获得某些特殊功能的一种表面工程技术。

最早的电镀文献始于意大利Ｂｒｕｇｎａｔｅｌｉ教授于１８００年提出的镀银工艺和他于１８０５年提出的镀

金工艺，但没有在工业中应用。１８４０年，英国Ｅｌｋｉｎｇｔｏｎ申请了氰化镀银的第一个专利，并用

于工业生产，这是电镀工业的开始，后续镀铜、镀镍、镀锌、镀铬等镀种蓬勃发展，使电镀逐

步发展成为完整的电化学工程体系。 两次世界大战和不断发展的航空业推动了电镀工业的进一步发展和完善，包括镀硬铬、铜

合金电镀、氨基磺酸镀镍以及其他许多电镀镀种均发展起来。电镀设备也从以前手动操作的沥

青内衬木制槽进步到现代机械化、自动化的设备，采用微机控制和自动监控的电镀生产对镀液

中的关键组分实现实时监控，各种参数维持在最佳工艺状态，提高了镀层质量，保证了镀层的

成品率，而且操作者远离镀槽，减少了被污染伤害的可能性。 目前，生产中的电镀品种包括１０多种单金属电镀、２０多种合金电镀，此外进行过研究的

合金电镀层有２５０多种。 电镀行业是一个重污染行业，随着科学技术和工业的迅速发展，人们对自身的生存环境提

出了更高的要求。１９８９年联合国环境规划署工业与环境规划中心提出了“清洁生产”的概念，

电镀行业急需改变落后的工艺，采用符合“清洁生产”要求的新工艺。在电镀生产中研发各

种低毒、无毒的电镀工艺，如无氰电镀、代六价铬电镀、代镉电镀、无氟无铅电镀，并改革工

艺流程，从源头和过程中减少污染物的产生。某些性能好、无污染的表面工程的高新技术如达克罗（Ｄａｃｒｏｔｉｚｅｄ）涂层、克罗赛（Ｃｏｒｒｏｓｉｌ）工艺等作为表面处理的新技术在代替电镀方面得到了

应用，减少了电镀过程中产生的酸、碱、重金属废水及各种废气的排放。 目前，电镀已遍及国民经济发展的各个行业，尤其已成为机器制造、国防、电讯、交通、

轻工业等行业中不可缺少的一部分。

二、电镀的基本概念

电镀是指通过电化学方法在金属工件表面上沉积一层金属、合金或复合镀层的过程，对这

个过程的形象说法，就是给金属工件穿上一件金属“外衣”，此金属“外衣”称为电镀层。

图３－１　电镀装置示意图E—直流电源；Ａ—直流电流表；Ｖ—直流电压表；R—可变电阻；Ｂ—电镀槽；１—阳极；２—阴极 进行电镀时，阳极与直流电源的正极相连，欲镀

覆的金属工件作为阴极与直流电源的负极相连，然后

一起放在含有欲镀覆金属离子的盐溶液中，当接通直

流电源时，欲被镀覆的金属便在阴极工件上沉积出

来。电镀装置示意图如图３－１所示。 电镀所需的装置是由外加直流电源、镀液、镀件

及阳极组成的电解装置。电源一般采用硅整流电源、

可控硅电源或高频开关电源；供电方式有直流、周期

换向电流、交直流叠加和脉冲电流等。

三、阳极

电镀发生必须要有两个电极：一个为阴极，另一

个为阳极。电镀时发生还原反应的电极为阴极，发生氧化反应的电极为阳极，阳极有可溶性阳极和不可溶性阳极之分。

图３－２　钛基不溶性阳极 可溶性阳极有导电、控制电流在阴极表面的分布和向镀液中补充放电金属离子的作用。在

向镀液中补充金属离子时，阳极上溶解进入溶液的金属离子的价态与阴极上消耗掉金属离子的

价态相同，如酸性镀锡时，阴极上消耗掉的是Ｓｎ２＋，要求阳极上溶解进入溶液的也是Ｓｎ２＋；

在碱性镀锡时，阴极上消耗掉的是Ｓｎ４＋，要求阳极上溶解进入溶液的也是

Ｓｎ４＋。同时还希望阳极上溶解进入溶液中的金属离子的量与阴极上消耗掉

的基本相同，以保持主盐浓度在电镀过程中的稳定。可溶性阳极在电镀过

程中不断溶解，体积越来越“瘦小”，尺寸不断发生变化，使电流在阴极上

的分布难以控制，常用的可溶性阳极有铜、镍、锡铅合金等。 不溶性阳极仅起导电和控制阴极电流分布的作用。当采用可溶性阳极

有困难时，可以使用化学性质稳定的金属或其他导体作阳极，即不溶性阳

极，在阳极上进行的电极反应主要是氧气的析出，电解液中金属离子的消

耗靠添加金属盐类来补充。该阳极具有一定的优点，如几何尺寸一直保持

不变、阳极维护简便等，但也存在最初成本高、有机添加剂的用量增加、

电镀液组分会发生氧化、需频繁地调整镀液等缺点。常用的不溶性阳极有

铂、镀铂钛、３１６号不锈钢等。基材为钛的网状不溶性阳极如图３－２

所示。·16·３畅１　概述 重点提示：

阳极的纯度、形状、在溶液中的悬挂位置和在电镀时的表面状态等对电镀层质量都有影

响，应该引起足够的重视。

四、电镀层的分类

金属镀层的分类方法主要有两种：一是按镀层的用途分类，二是按镀层与基体材料的电化

学关系分类。 （一）依据镀层用途分类

按镀层的用途，可将镀层分为以下三大类：

1畅防护性镀层

此类镀层主要用于金属工件的防腐，对产品的装饰要求不作规定。仅就金属的腐蚀而言，

据粗略估计，全世界钢产量的１／３就是因为腐蚀而报废，即使其中的２／３可以回收冶炼，那么

也将有１／９无法使用。将金属工件进行电镀，是防腐的主要方法之一。通常镀锌层、镀镉层和

镀锡层以及锌基合金镀层，如Ｚｎ－Ｆｅ、Ｚｎ－Ｃｏ、Ｚｎ－Ｎｉ等属于此类镀层。对于黑色金属工

件，在一般大气条件下用镀锌层来保护；而在海洋性气候条件下，常用镀镉层来保护。对于接

触有机酸的黑色金属工件，如食品容器，则采用镀锡层来保护。它不仅具有较强的防腐蚀能

力，而且腐蚀产物对人体无害。在海洋性气候条件下，当要求镀层薄而抗蚀能力强时，可用锡

镉合金来代替镉镀层，而对铜合金所制造的航海仪器，则使用银镉合金会更好些。 2畅防护－装饰性镀层

这类镀层具有防腐和外观装饰的双重作用，对很多金属工件，既要求防腐，又要求具有经

久不变的光泽外观，这就要求施加防护－装饰性电镀。因为单一金属镀层很难同时满足防护与

装饰双重要求，所以要求多层镀层，即首先在基体材料上镀上“底”层，而后再镀上“表”

层，有时还要镀“中间”层，例如，通常的铜／镍／铬多层镀层即属于此类。此类镀层在仪器

仪表、小汽车、自行车工业中大量使用。 3畅功能性镀层

为了满足工业生产或科学技术对光、电、磁、热、耐磨性等特殊性能的需要而沉积的镀层

称为功能性镀层，品种较多，如： （１）耐磨和减摩镀层

耐磨镀层是给工件镀一层高硬度的金属，以增加它的抗磨耗能力。在工业上对许多直轴或

曲轴的轴颈压印辊的辊面发动机的汽缸和活塞环、冲压模具的内腔枪和炮管的内腔等均镀硬

铬，使它的显微硬度高达１０００Ｎ／ｍｍ２左右。另外，对一些仪器的插拔件，既要求具有高的导

电能力，又要求耐磨损，常要求镀硬银、硬金、铹等。 减摩镀层多用于滑动接触面，在这些接触面上镀上韧性金属，即减摩合金，能起润滑作

用，从而减少了滑动摩擦。这种镀层多用在轴瓦、轴套上，以延长轴和轴瓦的使用寿命。作为

减摩镀层的金属有锡、铅锡合金、铅铟合金、铅锡铜及铅锑锡三元合金等。 （２）热加工用镀层

为了改善机械工件的表面物理性能，常常要进行热处理。但是对一个部件来说，并不是整·26·　第３章　单金属电镀体都需要改变它原来的性质，甚至某些部位性能改变后会带来危害，那就要在热处理之前把不

需要改变性能的部位保护起来。例如，在工业生产中为了防止局部渗碳要镀铜，防止局部渗氮

要镀锡，这是利用碳或氮在这些金属中难以扩散的特性来实现的。 （３）导电性镀层

在电器无线电及通信设备中，大量使用提高表面导电性的镀层。通常镀的铜、银、金等镀

层属于此类。若同时要求耐磨时，就要镀银锑合金、金钴合金、金锑合金等镀层。另外，在波

导元件生产中，大多要镀银、金等镀层。 （４）磁性镀层

在录音机及电子计算机等设备中，所用的录音带、磁环线、磁鼓、磁盘等存储装置均需磁

性材料，目前多用电镀和化学镀方法来制造磁性材料。在生产中，当电镀工艺条件改变时，镀

层的磁特性也相应变化，故控制电镀工艺条件，可以获得满意的磁特性。常用的磁性合金镀层

有钴镍、镍铁、钴镍磷、钴磷、钴钨磷、钴锰磷、钴镍铼磷等。作为磁光记录材料，有钆钴、

钐钴、铽铁钴等。 （５）抗高温氧化镀层

当前在许多先进技术中，需使用高熔点的金属材料制造特殊用途的工件，但这些工件在高

温腐蚀介质中容易氧化而损坏。例如，转子发动机的内腔、喷气发动机的转子叶片、电子管及

晶体管的管脚与插座等，常需要镀铁镍、铬和铬合金镀层。在某些情况下，还使用复合镀层如Ｎｉ－ＺｒＯ２、Ｎｉ－Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ－ＴｉＯ２、Ｃｒ－ＺｒＢ２等以及Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ扩散镀层。 （６）修复性镀层

一些重要机器工件被磨损以后，可以采用电镀法进行修复，如汽车、拖拉机的曲轴、凸轮

轴、齿轮、花键，纺织机的压辊，深井泵轴等均可用电镀硬铬、镀铁或复合镀铁加以修复；印

染、造纸、胶片行业的一些机件也可用镀铜、镀铬来修复；印刷用的字模或版模则可用镀铁来

修复。此类镀层太多，这里不再一一赘述。 随着科学技术的发展，电镀或电沉积方法还可用于制备一些高性能尖端材料薄膜，如超导氧化

物薄膜、电致变色氧化物薄膜、金属化合物半导体薄膜、形状记忆合金薄膜、梯度材料薄膜等。 作为金属镀层，不管其用途如何，镀层必须结构致密、厚度均匀，与基体材料结合牢固。

（二）依据镀层与基体材料的电化学关系分类

按照镀层金属和基体金属的电化学关系，可把镀层分为两大类，即阳极镀层和阴极镀层。

前者如铁上镀锌，后者如铁上镀锡。这种分类对镀层选择和金属组件的搭配是十分重要的。 当异种金属相接触，又都处于同一或相连通的电解质溶液中时，由于不同金属之间存在实

际电位差而使电位较低的金属腐蚀速率比原来增大，电位较高金属的腐蚀速率减小，这种现象

称为电偶腐蚀。如Ｃｕ－Ｚｎ在同一或相连通的电解质溶液中时，电偶腐蚀连接图如图３－３（ａ）

所示，因为铜的实际电位高，会使锌的腐蚀速度加快，这是因为锌电极被迫成为负极，腐蚀速

率加快，其微观示意图如图３－３（ｂ）所示。 1畅阳极镀层

所谓阳极镀层，就是当镀层与基体材料构成腐蚀微电池时，镀层作为阳极而首先溶解。这种镀层不仅能对基体材料起机械保护作用，还起电化学保护作用。就铁上镀锌而言，在通常条

件下，由于φＦｅ２＋／Ｆｅ＝－０畅４４Ｖ

，锌的标准电极电位比铁低，当镀层表面有·36·３畅１　概述