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电镀技术简介

527 人参与  2012年07月17日 18:02  分类 : 电镀技术 电镀工艺 电镀设备  评论

自从人类从石器时代进入铜器和铁器时代,表面防腐和镀饰的需要便伴随而生。铁
器炼铸和加工技术的进步,使铁制器件的性能不断提高。然而,易锈的表面和迅速晦暗
的外观,自然会迫使人们去寻找表面改性的良方。
中华文明在其漫长的发展过程中对于使用金属及其表面的涂镀和修饰工艺做出了杰
出的贡献。历年的考古发现证明了我国古代在这方面的许多伟大发明。发掘出的文物不
仅反映出先民早期的创造和发现,而且证明已有许多工艺实际上在历史的长河中通过代
代相传、沿袭使用并从而不断地有所发展。在武器、器皿等的涂镀和修饰方面,其工艺
的精湛与应用的广泛,领先于国外数百年而有的甚至领先近两千年。
考古发掘表明,我国早在六千年前已发现铜,而在五千年前的新石器时代就已有红
铜器物,青铜器具的历史也有四千多年。青铜时代的金属技艺就达到了很高的水平。距
今三千多年前的商代,便有热镀锡出现,殷墟研究表明,商代已开始用陨铁,而春秋时
期已经流行炼铁。随后鎏金银、鋈白金等便已普遍使用。到了战国,就有烤蓝,防锈性
能出色。关于烤蓝(氧化)、鎏、鋈(镀)等,张子高先生曾用现代分析方法做过考证。
表面精饰和用做镀前准备的脱脂、酸洗、机械磨光和抛光工艺,我国古代也达到了
很高的境界。早在新石器时代,出土的器件就有磨光的痕迹。大量出土的秦俑,实际制
作时已采用了机械磨抛光。西汉时期的铜镜更是至今负有盛名,古代在《淮南子》中就
见有所描述。利用氧化铁做磨料的抛光技术,宋代已很广泛,这不仅早于国外数百年,
而且这种技艺至今仍在使用。酸洗作为镀前的清理,在古代也是必不可少的工作。汉代
的《神农本草经》也提到过碱灰的作用。
生锈的记述,始见于唐代,说明我们祖先很早就已开始与腐蚀作斗争。为了改善和
提高器件的性能,从战国开始就进行淬火,而南北朝便应用了化学热处理(渗镀),并
从而采用了烧蓝(热氧化)防护。这个时期与铁器相关的烧、锻、淬、渗、涂、镀均已
成熟运用。北宋沈括的《梦溪笔谈》以及明代宋应星的《天工开物》都很详细地对当时
的技艺做了描述。例如铁器的氧化装饰与防护,表面可以做到“黑黄苍赤”等表面不同
的颜色。
水溶液处理,应当说也是我国古代的一大发明。甚至从汉代的本草经到后来的《本
草纲目》都描述过铁的置换法镀铜。这种方法实际上已发展成早期的一种炼铜方法,也

是一种水冶的开端。因此,用水溶液来处理和镀覆金属镀层,也是我们祖先的伟大创
造。
在水溶液镀覆过程中使用外电流,就需要等到原电池的发现和运用。与此相联系的
便是((伯德)最早发现的在铂电极上沉积出渣状壳层。实际上这种围绕水
溶液电解的研究,随着) (伏打)电堆即原电池的发现便迅速发展起来。(法拉第)在发表了著名的电解定律,通过这些定律阐明电镀过程赖
以形成的物理化学基础。随后,(肖尔)申请了第一个商业专利。年
本生)沉积出铬,而后(杰舍)在 年宣布用铬酐溶液镀出铬层。
至此,水溶液电沉积可能的商业应用便已略露端倪。于是,从年就首先出
现商业化的镀镍。而! 世纪年代以后由于直流发电机的开发,更大大地促进了实际
电镀生产的发展。
现代的 (瓦特)镀镍年才开始,而 则申请了光亮镍的早期专利并
使之商业化。镀铬投产的报道见于(斯瓦尔茨),继之,年就有人改良提
出可用氟硅酸来对镀铬过程加速。
随着不断的发明和改良,电镀技术便迅速发展成为一种广泛应用的技艺。早期的电
镀层更多地集中应用在外观装饰方面,特别是用来节约贵金属。例如铜制首饰和工艺品
的镀金银,也包括用铜电铸复制一些艺术品和徽章等镀以金银来制作仿制品。
铁件的镀镍铬和抛光等工艺技术的进展,使电镀层作为装饰与防护层的应用逐渐推
广到日常生活的层面。日用工艺品以至后来的自行车、汽车等规模与量产的出现,使电
镀层迅速为广大的消费者所认知。战争,特别是两次世界大战对工程镀层的需求,不仅
促进了电镀技术的水平大幅提高,而且也奠定了电镀工艺作为生产线上必不可少的环节
和普遍的工程应用的基础。
实际的生产需要和日益提高的质量要求,迫使经验性的电镀手艺要以近代科学为指
导。 年 (布卢姆)和 (霍格勃姆)出版了被誉为经典或里程碑的论
著,便将电镀从一种经验性的手艺正式纳入了科学和工程技术的轨道。
电镀工艺在其发明的初始阶段,实际上是伴随着电流的发现而发生和发展。法拉第
定律的提出,阐明了电解过程基本的质和量的关系,从而规范了过程的基本规律。但
是,电镀工艺终究是一种工程应用性的技术,获得实用而优良的镀层是这种工艺的根本
目的。因此,为了取得实际可用的镀层,便不仅需要知道镀层的具体量和品种,还必须
能控制沉积物的品质,使其达到能用的水平。
早期的生产,对电镀过程的科学规律知之不多,仅能依靠探索试验和总结实际经验
来指导,所以整个技术还只能说是停留在手艺性的阶段。
(吉布斯)热力学和 (奈恩斯特)方程的提出,令化学和电化学的发展
有一个飞跃。电镀是电解过程的一种应用,很自然会与电化学研究有密切的联系。早期
的电镀电化学研究,便多引用电极电位和极化的概念。通过这类的研究,A1 世纪的前
51 年在探索电极极化影响方面做了大量的工作。
40年代以后, (弗鲁姆金)、 (勃克利斯)和 (康威)等人
引入了电极过程动力学的许多新概念,这不可避免地影响电镀的研究。在这一进展过程
中,对电极过程特别是界面过程和成模机理的研究,提出和探讨了电极表面上电结晶的
规律,并和一般的结晶过程理论联系起来。
二战期间和战后,由于机械制造特别是军事工业的迫切需要,电镀开始大规模地进
入工程应用的领域。对镀层的特性迫切需要较为深刻的认识,于是大量的工作测定和研
究了电镀层的力学、理化和诸多工程特性;以及镀层和基体材料间的关系;硬度、防
腐、摩擦等等性能的形成和变化;导致表面应力、疲劳、氢脆、熔脆等种种副作用的机
制和影响等等。
宏观的研究对许多镀覆过程和镀层特性的探讨往往遇到局限。年代以后,电镜
和结构分析等的出现弥补了单纯的金相和力学测试的不足,提供了对镀层深入探讨的新
颖手段。特别是在 年代以后,镀层微观结构的研究工作大量开展,提出了许多新的
观点。各种谱仪的出现,更方便了对沉积镀层的认识。这样一来,对电镀过程的探讨和
进一步发展。从实际需要和可用手段两方面来说,已经从一个单纯的电化学问题脱胎而
成综合多种学科和应用广泛手段的一个新的工程领域。
从电流通过流体介质,在电极与溶液的界面上反应形成新的固相结构这一特定现象
出发。如何运用更多更新的生产和鉴定技术使之能够提供崭新的机会便成为电镀工作的
一个主要命题。理论上,可用于被沉积物质扩散和界面反应和沉积的介质,并不应仅仅
限于水溶液。非水和混合介质、熔盐和固态电解质均可能提供在界面上沉积的条件。电
位、化学位和由各种场强驱使的输运过程都可能造成类似的沉积。界面上聚集的模层也
不一定限于金属原子的结晶,可以是合金、非金属、复合材料、表面反应和转化产物、
化合物和高分子材料等等。发生反应的表面也不限于阴极表面,阳极表面的反应同样可
以运用。因此,电镀过程不应单纯地理解为阴极表面镀以金属镀层,而是在这一领域中
实际存在有广泛应用的许多可能性。电镀已是表面工程的一种重要手段,其基本优点是
设备和监控相对简单,制件不限材料和形状大小,工艺程序柔性好,加工速度快而成本
低,很适合大量流水生产,同时也能用小槽或涂刷等方法专门加工少数对象。
电镀过程主要是在介质内电场的影响下,粒子在界面上转化并排列的过程。这种排
列在纳米尺度内发生,可以是无序的,也可以形成有序的结构。在这里,各种沉积条件
和参数便制约和促成了这种排列或堆积的过程。这个过程,既可以宏观地大面积地迅速
覆盖,也可以受控使之有序。于是,电镀过程便不仅仅是笼统地镀一层以求装饰或防
护,而是提供了一种制备特定材料或结构的方法。因此,将监控的效果推向原子级别,
便有助于构成特定设计和结构的沉积材料。
建立近代电镀生产的小工场或作坊,国内起步也不晚。早在12 世纪末就有国外技
师引入当时称之为《电气镀金》即各种电镀的国外工艺,从当时所谓从事洋务的工厂开
始,进行各种实用的生产,并逐步建立了一些小的装饰工场,也有介绍有关技术的小册
子出版。到了20世纪40年代,工业比较发达的城市如上海、天津、武汉、广州等地的电镀工厂都已形成规模。各类商品的装饰和防锈用的电镀层的应用已相当广泛,并且也
已运用了工程性的镀铬和镀镍、铜。
较大规模的电镀工业化生产始于解放后的!" 年代。特别是当时前苏联援建的 项重点项目的建设,随着产品需要都设置了现代化的电镀车间或有关工段,生产工艺也
遵循科学的工艺规程。这个时期的工艺,基本上由解放前的购用英国开宁 等大公司的材料和工艺以及手艺师傅的传统,转向了规模引进前苏联的工艺。机械制造
业、电子、石油化工、汽车、武器和日用品行业的生产,都逐渐配合以新颖的表面处理
技术。因为在现代化的生产中,电镀和与其有关的技术,已成为生产中不可缺少的重要
环节。这样也使得国内的电镀生产在规模和技术上逐渐接近国际上的水平。
随着市场经济的发展,装饰防护和工程技术镀层的需要大幅增加,使电镀生产也进
一步扩散。专业的电镀工厂和乡镇企业从事电镀工作的场所如雨后春笋,应用范围扩大
而水平也日益提高。电镀层在一般产品中也已成为随处可见并常被认为必不可少的条
件,常常被认为是反映产品质量或吸引顾客的重要标志。
电镀生产的增加和生产单位的扩散,不可避免地引发了环境方面的压力。化学物质
的大量应用所导致的水和空气污染,以及有毒物质的扩散,威胁着我们的生存环境。特
别是许多较小而分散的单位往往在环境治理方面关心或资金投入较少。因此,随着电镀
生产发展形成的环保压力,势必会引向电镀生产和供应的专业化、合并和合理布局。实
际上,在世界范围内电镀生产及其衍生的许多相关领域,也始终是快速增强的生产领域
之一,与此伴生的保护环境的严格要求,也是国际上电镀工业迫切而必须解决的共同课
题,并在实质上终将制约表面处理工业的发展。目前,取代有毒物质和溶剂、废水和废
液的再生循环和利用以及无排放的电镀生产流程等方面已经取得长足进展,并大大地减
弱了环境压力。
与一百多年前开始的电镀手艺相比,现代的电镀生产水平已不可同日而语,而其所
涵盖的内容也已大大拓广。从最早的单纯装饰发展到防锈、防护和各种工程和功能性的
应用,并且新的工艺和概念也仍在不断涌现。应当说,电镀及其有关生产,业已发展成
为从生产到生活都被认为是不可或缺的庞大产业。

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