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阳极过程对电镀过程的影响

时间:2019-12-06      浏览:94

阳极过程对电镀过程的影响


  一、阳极的功能

  在电镀过程中,阳极过程与阴极过程是同时发生的,这两个过程既统一又矛盾。由于电镀过程中,阴极过程是获得产物的过程,因而是主要的过程;而将阳极过程视为从属于阴极过程的辅助过程。

  阳极的功能之一是导电,是与阴极过程密不可分的过程。没有阳极与阴极形成的电场,就不可能有阴极过程,因此,导电是阳极首要的和必要的功能,这是任何阳极都必须具备的功能。

  阳极的另一个功能提供欲镀金属的离子,但是这并不是必需的功能。也就是说,阳极也可以不提供阴极过程需要的金属离子,比如不溶性阳极。

  但是不管是什么样的阳极,都将影响电解液的稳定性和镀层的质量,因而不能只重视阴极过程而忽视阳极过程。当然,对于理想的阳极过程,即金属可以成功地进行电化学溶解而进入电解液的过程,在电极过程动力学中已经有详尽的研究。正是基于这些研究,才使人们有可能在工艺实践中选择适当的阳极材料和电流密度,以及某些阳极活性剂,以保证阳极在电镀过程中的正常溶解。但是,即便在传统电镀过程中,也并不总是可以选择到理想的阳极,而不得不采用其他方法来加以弥补,例如,镀铬中使用的就是不溶性阳极,而完全依靠往镀液中添加铬酸来补充金属离子,这是因为有些阳极过程不能满足阴极过程的需要,当人们以阴极过程的正常进行为前提条件时,阳极不可能总是与阴极过程相适应的,不是电流密度达不到正常溶解的程度,就是溶解不是按需要的价态提供金属离子,或者溶解太快而大大地超过了随阴极过程的需要。这样,当阳极过程影响到阴.极过程的正常工作时,就必须采取措施调整阳极过程,以使整个电沉积过程得以正常进行。


  二、阳极的分类

  电镀过程中常用阳极有如下几类。

  ①可溶性阳极。它是在电镀过程中可以在工作液中正常溶解而消耗的阳极。在大多数络合剂型的工作液或阳极过程能与阴极过程协调的简单盐溶液中使用的阳极,大多数是可溶性阳极,比如,所有的氰化物镀液,镀镍、镀锡等,都是采用可溶性阳极。并且,对于可溶性阳极来说,是需要镀什么金属,就要采用什么金属做阳极,绝对不可以张冠李戴。曾经有某电镀企业因放错了阳极而使镀液金属杂质异常上升导致镀液报废的例子。

  并不是任意金属材料都可以用作阳极材料。对于可溶性阳极的材料,首先要求的是纯度,一般都要求其纯度在99.9%以上,有些镀种还要求其纯度达到99.99%,即行业中所说的“四个九”。其次是其加工的状态,对于高纯度的阳极,多半是经过电解精炼了的。有些镀种要直接采用电解阳极,如氰化物镀铜的电解铜板阳极、镀镍的电解镍板阳极等。但是,有时要求对阳极进行适当的加工,比如,锻压、热处理等,以利于正常溶解。

  现在比较专业的做法是采用阳极篮装入经过再加工的阳极块或球,也有在阳极篮中使用特制的活性阳极材料,比如高硫镍饼等。

  除使用阳极篮之外,可溶性阳极一般还需要加阳极套。阳极套的材料对于不同镀液采用不同的材料,通常是耐酸或耐碱的人造纺织品。

  ②不溶性阳极。它主要用于不能使用可溶性阳极的镀液,比如镀铬。镀铬不能使用可溶性阳极的原因主要有两条,一是阳极的电流效率大大超过阴极,接近l00%,而镀铬的阴极电流效率只有13%左右,如果采用可溶性阳极,镀液中的铬离子会很快增加以致超过工艺规范,镀液会不能正常工作;二是镀铬如果采用可溶性阳极,其优先溶解的一定是低阻力的三价铬,而镀铬主要是六价铬在阴极还原的过程,过多的三价铬会无法得到合格的镀层。

  还有一些镀液采用不溶性阳极,比如镀金,为了节约和安全上的考虑,一般不直接用金来做阳极,而是采用不溶性阳极。金离子的补充靠添加金盐。

  再就是一些没有办法保持各组分溶解平衡的合金电镀,也要采用不溶性阳极,比如,镀铜锡锌合金等。

  不溶性阳极因镀种的不同而采用不同的材料,不管是什么材料,其在电解液中要既能导电而又不发生电化学和化学溶解。可以用作不溶性阳极的材料有石墨、碳棒、铅或铅合金、钛合金、不锈钢等。

  ③半溶性阳极。对于半溶性阳极,不能从字面上去理解,实际上,这种阳极还是可以完全溶解的阳极。所谓半溶性是指这种阳极处于一定程度的钝态,使其电极的极化更大一些,这样可以让原来以低价态溶解的阳极变成以高价态溶解的阳极,从而提供镀液所需要价态的金属离子,比如,铜锡合金中的合金阳极。为了使合金中的锡以四价锡的形式溶解,就必须让阳极表面生成一种钝化膜,这可以通过采用较大的阳极电流密度来实现。实践证明,镀铜锡合金的阳极电流密度在4A/dm2左右,即处于半钝化状态,这时阳极表面有一层黄绿色的钝化膜。如果电流进一步加大,则阳极表面的膜会变成黑色,这时阳极就完全钝化了,不再溶解,而只有水的电解,在阳极上大量析出氧。对于靠电流密度来控制阳极半钝化状态的镀种,要随时注意阳极面积的变化,因为随着阳极面积的缩小,电流密度会上升,最终导致阳极完全钝化。

  另一种保持阳极半钝态的方法是在阳极中添加合金成分,使阳极的溶解电位发生变化。比如,酸性光亮镀铜用的磷铜阳极。这种磷铜阳极材料中含有0.1%~0.3%的磷,使铜阳极在电化学溶解的电位提高,防止阳极以一价铜的形式溶解,因为一价铜将产生歧化反应而生成铜粉,危及镀层质量。

  ④混合阳极。它是指在同一个电解槽内既有可溶性阳极,又有不溶性阳极,也有叫联合阳极的。这是以不溶性阳极作为调整阳极面积的手段,从而使可溶性阳极的溶解电流密度保持在正常溶解的范围。同时也是合金电镀中常用的手段。当合金电镀中的主盐消耗过快时,可以采用主盐金属为阳极,而合金中的其他成分则可以通过添加其金属盐的方法来补充。实际上采用阳极篮的阳极就是一种混合阳极。由于阳极篮的面积相对比较固定,因此,在篮内的可溶性阳极面积有所变化时,由于有阳极篮承担导电任务,而使镀液能继续工作。

  混合阳极还可以采用分开供电的方式,来使不同溶解电流的阳极都能在正常的状态下工作。


  三、阳极的影响

  理想的阳极是极化很小的阳极,可以保证金属离子按需要的价态和所消耗掉的离子的量来向电解液补充金属离子,但是,阳极过程恰恰是很容易发生极化的过程。阳极的极化人们特别称之为钝化。

  完全钝化的阳极不再有金属离子进入镀液,这时阳极上的反应已经变得很简单,那就是水的电解:2H20=02+4H++4e

  阳极过程钝化对电镀过程是不利的。这时如果想要保持电解槽仍然通过原来的电流强度,就必须提高槽电压,使电的消耗增加。

  为了防止阳极钝化,通常要经常洗刷阳极、搅拌电解液或添加阳极活化剂等。这些措施都是为了让阳极过程去极化。但是阳极的过分溶解也不是好事。这将使电解液的主盐离子失去平衡,结果是影响到阴极过程的质量。

  阳极的纯度和物理状态也对电镀过程有重要影响。不纯的阳极中的杂质在溶解过程中会成为加速其化学溶解的因素。阳极过程也可以看成是金属腐蚀的过程。有缺陷的晶体、变形的晶体、异种金属杂质的嵌入物等是发生腐蚀的引发点,从而发生晶间腐蚀等,这种不均匀的溶解,会使阳极成块地从阳极上脱落,成为阳极泥渣等进入电解液,很容易沉积到阴极上,从而使镀层起麻点和粗糙等。利用阳极溶解的这种特性,应主动地往阳极中掺杂并且让其均匀分布,就可以制成溶解性好的或按需要的价态溶解的活性阳极,比如,酸性光亮镀铜中的磷铜阳极,镀多层镍中含硫活性阳极等。

  阳极的物理状态包括加工状态,如电解阳极、冷轧阳极、热熔阳极等,也包括尺寸大小、形状不同的,如块状阳极、条状阳极、球状阳极、饼状阳极等。


  四、电镀生产污染

  在机械加工中常需要进行电镀处理,一方面可以防锈、防腐蚀,又可以使产品美观漂亮。电镀工艺原理是将被镀工件作为阴极,放在含有某种金属离子的电解质溶液中,通电时金属离子沉积在工件表面。电镀生产主要分为前处理、电镀和后处理工艺。

  我国一般将转化膜生产也归属电镀范畴,转化膜包括氧化、磷化、发黑、钝化等工艺。电镀生产分布多个行业部门,其中机械工业占30﹪,轻工业占20﹪,其余分布在其他行业。我国电镀加工主要是镀锌、镀铜、镀镍、镀铬,其中镀锌占50﹪,镀铜、铬、镍占30﹪,转化膜占15﹪。

  电镀生产主要以污水和污水中重金属污染为主,有少量的废气和废渣产生。电镀工业使用了大量强酸、强碱、重金属溶液,甚至包括氰化物、铬酐等有毒有害化学品,这些有毒有害物质通过废水和废渣排入环境,成为一个重污染行业。目前由于新材料的使用,电镀工艺已经超出对金属材料的电镀,电镀工业的发展和产业结构的调整,还出现了非金属材料的电镀等新的电镀技术,因而增加了各种有机物和有机溶剂的污染。


  五、电镀的后处理及钝化

  为了提高金属镀层的抗腐蚀能力,锌、镉、铜、银等金属镀层用铬酐溶液进行化学或电化学方法处理后,能在镀层表面形成一层坚实致密的镀膜,能使镀件光亮美观,还可以大大提高抗腐蚀能力,镀层经钝化后,抗腐蚀能力可以提高5倍以上。

  电镀的后处理工艺是对锌、镉、铜、银等金属镀层用铬酸和铬酐溶液进行化学或电化学方法处理,使镀层表面形成一层坚实致密的镀膜,镀件光亮美观,还可以大大提高抗腐蚀能力。镀层经钝化后,抗腐蚀能力可以提高5倍以上。其中高铬酸钝化处理六价格的流失较高,铬污染严重甚至高于电镀工艺。



  信息来源:中国表面处理网