第二章 电镀基本原理与概念.doc

第二章 電鍍基本原理與概念 2.1 電鍍之定義 2.2 電鍍之目的 2.3 各種鍍金的方法 2.4 電鍍的基本知識 2.5 電鍍基礎 2.6 有關之計算及化學冶金 2.1 電鍍之定義 電鍍(electroplating)被定義為一種電沈積過程(electrodepos- ition process)， 是利用電極(electrode)通過電流，使金屬附著於 物體表面上， 其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。 2.2電鍍之目的 電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層(deposit)，改變基材表面性質或尺寸。例如賦予金屬光澤美觀、物品的防鏽、防止磨耗、提高 導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化 、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補。 2.3 各種鍍金的方法 電鍍法(electroplating)無電鍍法(electroless plating)熱浸法(hot dip plating)熔射噴鍍法(spray plating)塑膠電鍍(plastic plating)浸漬電鍍(immersion plating)滲透鍍金(diffusion plating)陰極濺鍍(cathode supptering)真空蒸著鍍金(vacuum plating)合金電鍍 (alloy plating)複合電鍍 (composite plating局部電鍍 (selective plating)穿孔電鍍 (through-hole plating)筆電鍍(pen plating)電鑄 (electroforming) 2.4 電鍍的基本知識 電鍍大部份在液體 (solution) 下進行，又絕大部份是由水溶 液 (aqueous solution)中電鍍，約有 30 種的金屬可由水溶液進 行電鍍, 由水溶液電鍍的金屬有：銅Cu、鎳Ni、鉻Cr、鋅Zn、鎘Cd 、鉛Pb、金Au、銀Ag、鉑Pt、鈷Co、錳Mn、銻Sb、鉍Bi、汞Hg、鎵Ga、銦In、鉈、As、Se、Te、Pd、Mn、Re、Rh、Os、Ir、Nb、W 等。 有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鋁、La、Ti、Zr、Ge、Mo等。可油水溶液及非水溶液電鍍者有銅、銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、鎳等金屬。 電鍍的基本知識包括下列幾項： 溶液性質物質反應電化學化學式界面物理化學材料性質2.4.1 溶液(solution) 被溶解之物質稱之為溶質(solute)，使溶質溶解之液體稱之溶 劑(solute)。溶劑為水之溶液稱之水溶液(aqueous solution)。 表示溶質溶解於溶液中之量為濃度(concentration)。 在一定量溶劑 中，溶質能溶解之最大量值稱之溶解度(solubility)。 達到溶解度 值之溶液稱之為飽和溶液(saturated solution)，反之為非飽和溶液(unsaturated solution)。 溶液之濃度，在工廠及作業現場，使用易了解及便利的重量百分率濃度(weight percentage)。 另外常用的莫耳濃度(molal concentration)。2.4.2 物質反應(reaction of matter) 在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、乾燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份了解在處裡過程中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響。2.4.3 電鍍常用之化(chemical formular) 見附錄一。2.4.4 電化學(electrochemistry) 電鍍是一種電沉積( electrodeposition )過程,利用電解體electrolysis)在電極(electrode)沉積金屬,它是屬於電化學之應用的一支。電化學 是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。 電解質(electrolyte)例子NaCl,也就是其溶液具有電解性質之溶液 (electrolytic solution)它含有部份之離子(ions),經由此等離子之移動 (movement)而能導電。帶陰電荷朝向陽極(anode)移動稱之為陰離子(anion),帶正電荷朝向陰極(cathode)移動(migrate)者稱之為陰離子cations)。這些帶電荷之粒子(particles)稱之為離子(ions)。放出電 子產生氧化反應之電極稱之為陽極(anode),得到電子產生還元化應 之電極稱之為陰極(cathode)。整個反應過程稱之為電解(electrolysis)。2.4.4.1 電極電位(electrode potentials) 電位(electrode potential)為在電解池(electrolytic)中之導電體,電流 經由它流入或流出。 電極電位(electrode potential)是電極與電解液之間的電動勢差, 單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極(standard electrode)。 例如氫標準電極(hydrogen standard electrode)以其為基準電位為0 電極電位之大小可由Nernst equation表示之: E=E0+RT/nF ln aMn+/aM E=電極電位 E0=電極標準狀態電位(volt)R=氣體常數(8.3143 J.K-1MOL-1) T=絕對零度( K) n=原子價之改變數(電子移轉之數) aMn+=金屬離子之活度(activity),若極稀薄之溶液,其活度就等於金屬 離子 之濃度(concentration)C。 一般則活度為濃度乘上活度係數,即a = r *c。 金屬電極之活度,若為純金屬即為1 。 法拉第常數2.4.4.2 標準電極電位(standard electrode potential) 標準電極電位(standard electrode potential) 是指金屬電極之活度為1(純金屬)及在金屬離子活度為1時之電極電位。即 E=E0 E=E0+RT/nF ln 1/1 =E0+0= E0 氫之標準電位在任何溫度下都定為0,做為其他電極之參考電極 (REFERENCEELECTRODE),以氫標準電極為基準0,各種金屬之標 準電位見表排列在前頭之金屬如Li較易失去電子,易被氧化,易 溶解,易腐蝕,稱之為濺金屬或 金屬(basic metal)。相反如Au金屬不易失去電子.不易氧化.不易溶解.容易被還元稱之為貴金屬(noble metal)。 電極 電位 電極 電位 Li+ -3.045 Co ? Co+2 -0.277 Rb? Rb+ -2.93 Ni ? Ni+2 -0.250 K? K+ -2.924 Sn ? Sn+2 -0.136 Ba? Ba+2 -2.90 Pb ? Pb+2 -0.126 Sr ? Sr+2 -2.90 Fe ? Fe+3 -0.04 Ca ? Ca+2 -2.87 Pt/H2? H+ 0.000 Na ? Na+ -2.715 Sb ? Sb+3 +0.15 Mg ? Mg+2 -2.37 Bi ? Bi+3 +0.20 Al ? Al+3 -1.67 As ? As+3 +3 Mn ? Mn+2 -1.18 Cu ? Cu+2 +0.34 Zn ? Zn+2 -0.762 Pt/OH-? O2 +0.40 Cr ? Cr+3-0.74 Cu ? Cu+ +0.52 Cr ? Cr+2 -0.56 Hg ? Hg2+2 +0.789 Fe ? Fe+2 -0.441 Ag ? Ag+ +0.799 Cd ? Cd +3 -0.402 Pd ? Pd+2 +0.987 In ? In+3 -0.34 Au ? Au+3 +0.150 Tl ? Tl+ -0.336 Au ? Au+ +1.68 表2.4.4.2 2.4.4.3 Nernst 電位學說 金屬含有該金屬離子之溶液相接觸,則在金屬與溶液界面,會產生 電荷移動現象,此等電荷之移動,仍是由於金屬與溶液的界面有電位勢之差別稱之為電位差所引起,此現象Nernst解說如下: 設驅使金屬失去電子變為陽離子溶入溶液中之電離溶解液解壓 (electrolatic solution pressure)為p而使溶液中的陽離子得到電子 還元成金屬滲透壓(osmotic pressure)為p,則有三種情況發生: (1) PP時,金屬被氧化,失去電子,溶解成金屬離子於溶液中,因此金屬電極本體接收電子而帶負電。 (2) PP時,金屬陽離子得到電子被還元沉積於金屬電極表面上, 金屬電極本身供給電子,因此金屬電極帶正電 (3) P=P時,沒有產生任何變化 設金屬與溶液的界面所形成的電極電位為E,當1 mole金屬溶入於 溶液中,則界面所通過的電量為nF , n為金屬陽離子之價數,即電子之 轉移數,F為法拉第常數,此時所作功等於nFE,也等於下式: n F E= ? ppVdp= RT ? pp dp/p=-RTln P/P E=RT/nF ln P/P 即金屬陽離子之活度(activity)為 aMn+活度係數為K,則P= KaMn+於是 E= - RT/nF ln p/KaMn+ =- RT/nF ln P/K +RT/nF ln aMn+ E在標準狀態時,即aMn+=1,稱為標準電極電位E ,即 E0=- RT/ nF ln P/K + RT/nF ln 1 =-RT/nF ln P/R 所以純金屬的電極電位用上列式子表示: 非純金屬電位則為: E=E0+RT/Nf ln aMn+ / aM 式中為aM為不純金屬之活度 2.4.4.4電極電位在熱力學的表示法 電極反應是由氧化反應及還原反應所組成. 例如Cu ? Cu+2e- 還原狀態 氧化狀態 可用下列二式表示之 : Cu(R) Cu+2e- 氧化反應 Cu? Cu+2e- 還原反應例1: 氧電極反應之電位 1/2O2+H2O+2e-? 2OH-例2: 氯化汞電極反應之電位 Hg2+2+2e-? 2 Hg E=E0- RT/nF ln aHg(s) /aHg2+2例3: 氫電極反應之電位 1/2H2(g) ? H+e- E=E0-RT/F ln aH+/aH21/2(g) 2.4.4.5 電極電位之意義 (1)電解電位分類為三種: M/M+n即金屬含有該金屬離子的相接觸有二種形式: 金屬與溶液間之水大於金屬陽離子M+n與電子的結合力,則金屬會溶解失去電子形式金屬陽離子與水結合成為M+n? xH2O,此時金屬電極獲得額外電子,故帶負電這類金屬電極稱之陰電性,如Mg.Zn.及Fe等浸入酸. .鹽類水溶液時產生此種電極電位Mt M(aq)+n+ ne- 金屬與溶液的水親合力小於金屬離子M+n與電子結合力時,金屬離子會游向金屬電極得到電子而沉積在金屬電極上,於是金屬電極帶正電,溶液帶負電o (2)金屬M與難溶性的鹽MX相接觸,同時MX又與陰離子之KX 相接觸,即(M x MX,KX) 如 化汞電極(Hg2Cl2) o (3)不溶性金屬,如Pt,與含有氧化或還元系離子的溶液相接觸,例如 Pt x Fe+ .FE+或Pt x Cr+2,Cr+3等o 2.4.4.6 界面電性二重層 在金屬與溶液的界面處帶電粒子與表面電荷形成的吸附層， 偶極子的排列層以及 擴散層等三層所組合的區域稱之為界面 電性二重層。 2.4.4.7液間電位差（liquid junction potential） 又稱之為擴散電位差(diffusion potential)，係由陰離子與陽 離子之移動度不同而形 成之電位差，通常溶液之濃度差愈大 ，陰陽離子移動度差愈大，則液間電位差愈大。2.4.4.8 過電壓（over-voltage） 當電流通過時，由於電極的溶解、離子化、放電、及擴 散等過程中有一些阻礙，必須加額外的電壓來克服，這些 阻礙使電流通過，這種額外電壓消除阻礙者稱之為過電壓。此種現象稱之為極化(polarization)。此時陰極、陽極實際電 位與平衡電位之差即為陰極過電壓、陽極過電壓。 過電壓可分下列四種： 1.活化能過電壓（activiation overvoltage） 任何反應，不論吸熱或放熱反應皆有最低能障需克服 ，此能障稱為活化能，在電解反應需要額外電壓來克服活化能阻礙，此額外電壓之活化能過電壓，可用Tafel公式表示： g act=a+b log i b為係數，i為電流， g act為活化能過電壓其電流i愈大 g act愈大，電鍍中 g act佔很小一部份，幾乎可以忽略，除非電流密度很大。 氫過電壓（hydrogen overvoltage），在酸性水溶液中陰極反應產生 H2氣體，此額外之電壓稱氫過電壓，即 g H2=Ei-Eeq 式中 g H2=氫過電壓 Ei=實際電壓 Eeq=平衡電壓 在電鍍時由於氫過電壓的原因使氫氣較少產生，而使許多金屬 可以在水溶液中電鍍。 例如鋅、鎳、鉻、鐵、鎘、錫、鉛。2.濃度過電壓（concentration overvoltage） 當電流變大，電極表面附近反應物質的補充速度及反應生成物 逸散之速度不夠快，必須加上額外之電壓，以消除此阻礙，此額外 電壓稱濃度過電壓。在電鍍時可增加溫度即增加擴散速率，增加濃 度，攪拌或陰極移動可減少濃度過電壓，電流密度因而提高，電鍍的 速率也可增加。 3.溶液電阻過電壓（solution resistance overvoltage） 溶液的電阻產生IR電壓降，所以需要額外的電壓IR來克服此電 阻使電流通過，此額外電壓IR稱之溶液電阻過電壓。在電鍍時可增加溶液導電度，提高溫度以減少此電阻過電壓，有時此IR形成熱量太多會使鍍液溫度一直上升，造成鍍液蒸發損失需冷卻或補充 液。 4.電極鈍態膜過電壓（passivity overvoltage） 電解過程，在電極表面會形成一層鈍態膜，如A1的氧化物膜 ，錯離子形成之阻力膜，此等膜具有電阻需要額外電壓加以克服 ，此種額外電壓稱之為鈍態膜過電壓。 2.4.4.9分解電壓（decomposition potential） 電壓愈大，電流愈大，反應速率也愈大，其電壓與電流的關係如圖所示。E點之電壓稱之分解電壓，亦稱之實際分解電壓(practical decomposition potential)，然而要產生電流I所需之電壓為： EI=E0+g TOTAL g TOTAL= g c + g a + g conc. + IR E0=Ec-Ea 式中: E0=平衡電動勢 Ec=陰極可逆電極電位 Ea=陽極可逆電極電位 g c=陰極過電壓 g a=陽極過電壓 g conc.= 濃度過電壓 I=電流強度 R=電阻 例:使用銅做陽極，硫酸銅溶液鍍銅，其欲產生電流I所需之電壓為： EI=E0+g c+g a+g conc.+IR EI=g c+g a+g conc+IR 因Ec=Ea Ea=0例:硫酸鋅鍍鋅使用鋅做陽極，攪拌良好，則產生電流I所需之電壓為 EI=E0+g a+g c+g conc+IR EI=g a+g c+IR 因Ea=Ec ? E0=0 又因攪拌良好 ? g conc=0例:鎳鹽水溶液使用鎳做陽極，電極面積10c，以10 -2Amp/c進行鍍鎳。 g c 0.4450.065logI g a 0.3750.045logI，內電阻R300，攪拌良好所需之電壓為若干？ 解： EI=g c+g a+IR =0.445+0.65log(0.01*10)+0.375+0.045log(0.01*10)+(0.01*10)*300 =30.71volt2.4.5 界面物理化學 表面處理過程中，金屬會與水或液體接觸，例如水洗、 酸浸、電鍍、塗裝、琺瑯等。要使金屬與液體作用，需金 屬表面完全浸濕接觸，若不能完全接觸，則表面處理 將不 完全，無法達到表面處理的目的。所以金屬與液體接觸以 介面物理化學性質對表面處理有十分重要的意義。 2.4.5.1表面張力及界面張力 液體表面的分子在表面上方沒有引力，處於不安定狀態稱之自由表面，故具有力，此力稱之為表面張力。液 體之表面張力大小因液體的種類和溫度而異，溫度愈高表面張力愈小，到沸點時因表面分子氣化自由表面消失，故張力變為零。液體和固體與別的液體交接的面也有如表 面張力之作用力，稱之界面張力。 2.4.5.2界面活性劑 溶液中加入某種物質，能使其表回張力立即減小，具 有此種性質的物質稱之為界面活性劑。表面處理過程如 洗淨、脫脂、酸洗等界面活性劑被廣泛應用對表面處理 之光澤化、平滑化，均一化都有相當幫助。 2.4.6材料性質 表面處理工作人員必須對材料特性充份了解，表面處 理的材料大多是金屬，所以首先要知道各種金屬的一般 性質。例如色澤、比重、比熱、溶點、降伏點、抗拉強 度、延展性、硬度、導電度等。 2.5電鍍基礎 電鍍的基本構成元素及工場設備電鍍使用之電流電鍍溶液金屬陽極與金屬陰極陽極袋電鍍架電鍍前的處理電鍍工場設備電鍍控制條件及影響因素鍍浴淨化鍍層要求項目鍍層缺陷電鍍技藝金屬腐蝕2.5.1電鍍的基本構成元素 o 外部電路，包含有交流電源、整流器、導線、可變電阻、電流計、電壓計o 陰極、或鍍件(work)、掛具(rack)o 電鍍液(bath solution)o 陽極(anode)o 鍍槽( plating tank )o 加熱或是冷卻器(heating or cooling coil )。 2.5.1.1 鍍槽構造,其典型鍍槽見圖: 2.5.1.2電鍍工場設備 一個電鍍工場必須配備下列各項設備： 防酸之地板及水溝。 電鍍糟及預備糟。 攪拌器。 整流器或發電機。 導電棒、陽極棒、陰極棒、掛具。 安培表、伏特表、安培小時表、電阻表。 泵、過濾器及橡皮管。 電鍍槽用之蒸氣、電器或瓦斯之加熱設備。 操作用之上下架桌子。 檢驗、包裝、輸送工件等各項設備、儀器。 通風及排氣設備。2.5.2電鍍使用之電流 在電鍍中，一般都僅使用直流電流。交流電流 因在反向電流時金屬沈積又再被溶解所以交流電流無法電沈積金屬。直流電源是用直流發電機或交流電源經整流器產生。直流電流是電子向一個方向流通，所以可以電沈積金屬。但在有些特殊情況會使用交流電流或其他種特殊電流，用來改 善陽極溶解消除鈍態膜、鍍層光層、降低鍍層內應力、鍍層分佈、或是用於電解清洗等。 2.5.3電鍍溶液，又稱鍍浴（plating bath） 電鍍溶液是一種含有金屬鹽及其他化學物之導電溶液，用來電沈積金屬。其主要類別可分酸性、中性及鹹性電鍍溶液。強酸鍍浴是pH值低於的溶液 ，通常是金屬鹽加酸之溶液，例如硫酸銅溶液。弱酸 鍍浴是pH值在25.5之間鍍浴，例如鎳鍍浴。鹹性鍍浴其pH值超過之溶液，例如氰化物鍍浴、錫酸鹽之錫鍍浴及各種焦磷酸鹽鍍浴。 2.5.3.1鍍浴的成份及其功能 1. 金屬鹽：提供金屬離子之來源如硫酸銅。可分單鹽、鹽，及錯鹽。 例如：單鹽：CuSO4；NiSO4 複鹽：NiSO4；(NH4)2SO4 醋鹽：Na2Cu(CN)3 2. 導電鹽：提供導電度，如硫酸鹽、氯鹽，可降低能量花費、鍍液熱蒸發損失，尤其是滾桶電鍍更需優良導電溶液。 3. 陽極溶解助劑。陽極有時會形成鈍態膜，不易補充金屬離，則需加陽極溶解助劑。例如鍍鎳時加氯鹽。 4. 緩衝劑，電鍍條件通常有一定pH值範圍，防止pH值變動加緩衝劑，尤其是中性鍍浴(pH58)，pH值控制更為重要。 5. 錯合劑，很多情況，錯鹽的鍍層比單鹽的鍍層優良，防止置換沈積，如鐵上鍍銅，則需用錯合劑，或是合 金電鍍用錯合劑使不同之合金屬電位拉近才能同時沈積得到合金鍍層。 6. 安定劑，鍍浴有些會因某些作用，產生金屬鹽沈澱，鍍浴壽命減短，為使鍍浴安定所加之藥品稱之為安定劑。 7. 鍍層性質改良添加劑，例如小孔防止劑、硬度調節劑、澤劑等改變鍍層的物理化學特性之添加劑。 8. 潤濕劑(wetting agent)，一般為界面活性劑又稱去孔劑。 2.5.3.2鍍浴的準備 將所需的電鍍化學品放入在預備糟內與水溶解。 去除雜質。 用過濾器清除浮懸固體，倒入一個清潔電鍍槽內。 鍍浴調整，如pH值、溫度、表面張力、光澤劑等。 用低電流電解法去除雜質。 2.5.3.3鍍浴的維持 定期的或經常的分析鍍浴成份，用化學分析法或 Hull試驗(Hull cell test)。 維持鍍浴在操作範圍成份，添加各種藥品。 去除鍍浴可能被污染的來源。 定期淨化鍍液，去除累積雜質。 用低電流密度電解法間歇的或連續的減低無機物污染。 間歇或連續的過濾鍍浴浮懸雜質。 經常檢查鍍件、查看缺點。 2.5.4金屬陽極 金屬陽極分為溶解性及不溶解性陽極，溶解性陽極用於電鍍上是為補充溶液中電鍍所消耗的金屬離子，是用一種金屬或合金鑄成、滾成、或沖製成不同形狀裝入陽極籃(anode basket)內。陽極電流密度必須適當，電流密 度太高會形成鈍態膜，因而使陽極溶解太慢或停止溶解，形成不溶解陽極，產生氧氣，消耗鍍液金屬離子而必 須補充金屬鹽。為了減小陽極電流密度，可多放些陽極， 或用波形陽極增加面積，或降低電壓。在酸性鍍浴可以 用增加攪拌、增高鍍浴溫度、增加氯離子濃度、降低pH 來提高陽極容許電流密度。 而鹼性鍍浴可用增加攪拌、增加自由氰化物(free cyanide)的濃度，升高鍍浴溫度或升高pH值，也可將某種物質加入陽極內以減少因高電流密 度的陽極鈍態形成。電鍍使用不溶解陽極用來做傳導電流，鍍浴金屬離子需用金屬鹽來補充，如金鍍浴中用不溶解 之不銹鋼作為陽極，以金氰化鉀來補充。在鍍鉻中用不溶解 之鉛陽極，以鉻酸補充鉻離子。不溶解陽極有二個條件，一 是良好的導電體，二是不受鍍液之化學作用污染鍍浴及不受 侵蝕。不溶性陽極可用在控制金屬離子過度積集在鍍糟內，在貴金屬電鍍，如黃金電鍍，用不銹鋼做陽極，可以代替金 陽極，以減低投資成本或避免偷竊的困擾。不溶解陽極將引 起強力的氧化，形成腐蝕問題及氧化鍍槽內物質，所以不能使用有機物添加劑。槽內之金屬離子必須靠金屬鹽來補充。 2.5.5陽極袋（anode bag） 陽極袋是一種有多細孔薄膜袋子，用來收集陽極不溶解金屬與雜質陽極泥，以防止污染鍍浴，阻止粗糙鍍層發生。陽極袋是用編織布縫成陽極形狀寬大適中，長度要比陽極稍長，材料需紮得緊，足夠收集陽極泥，不妨礙鍍浴流通，將陽極袋包住陽極並縛在陽極掛鉤上。在放進電電鍍浴之前，陽極袋要用熱水含潤濕劑中洗去漿水及其他污物，然後再用水清洗，並浸泡與鍍浴相同之pH的水溶液中，使用前需再清洗。酸性鍍浴的陽極袋可用棉織物，也可使用人造纖維。在高溫操作鹹性鍍浴可用乙稀隆材料陽極袋。 2.5.6 金屬陰極 金屬陰極是鍍浴中的負電極，金屬離子還元成金屬形成鍍層及其他的還元反應，如氫氣之形成於金屬陰極上。準備鍍件做電鍍需做下面各種步驟：研磨、拋光、電解研磨、洗淨、除銹等。 2.5.7電鍍之前處理 電鍍前之處理，稱之前處理(pretreatment)，包括下列過程： 1. 洗淨：去除金屬表面之油質、脂肪、研磨劑，及污泥。可用噴射洗淨、溶劑洗淨、浸沒洗淨或電解洗淨。 2.清洗：用冷或熱水洗淨過程之殘留洗淨劑或污物。 3. 酸浸：去除銹垢或其他氧化物膜，要注意防止基材被腐蝕或產生氫脆。可加抑制劑以避免過度酸浸。酸浸完後要充份清洗。 4.活化：促進鍍層附著性，可用各種酸溶液使金屬表面活化。 5.漂清：電鍍前立刻去除酸膜，然後電鍍。 2.5.8電鍍掛架（rack） 電鍍掛架是用在吊掛鍍件及導引電流之掛架，其主要部份有：1. 鉤，使電流接觸導電棒。2. 脊骨，支持鍍件並傳導電流。3. 舌尖，使電流接觸鍍件。4. 掛架塗層，絕緣架框部份，限制及導引電流通向鍍件。電鍍掛架需有足夠的強度、尺寸、及導電性能通過的電流量足以維持電鍍操作。 其決定尺寸的條件有1. 鍍件重量，2.電鍍的面積，3.每個掛架之鍍件數，4.鍍槽的尺寸，5.電鍍操作所需之最大電流，6.鍍架上之附屬設備如絕緣罩或輔助電極，7.鍍件及掛架最大重量。2. 電鍍掛架基本型式有1.直脊骨型，是以垂直中央支持，用舌尖夾持鍍件，適小鍍件可用手來操作。2.混合 脊骨型，經常用在自動電鍍上，是用方型框架聯合平行及垂 直骨架所構成夾持小鍍件。3.箱型，這種掛架可以處理許多 鍍件，需配備有自動輸送機、起重機、吊車等設備。4.型 ，係垂直中央支持，聯結許多垂直的交叉棒，此種適合手動 及自動操作。 選擇電鍍掛架的決定因素有1.電流量，2.強度，3.荷重 限制，4.鍍件位置安排，5.空間限制，6.製造難易，7.維 持費用及成本。電鍍掛架之電流總量為全部鍍件的有效面 積乘於操作過程中之最大電流密度，有效面積係指要被電 鍍部份的面積。鍍件應在不重要的部份如背面、孔洞、幽 蔽處聯接電流。掛架之鍍件數目應依據設計的重量限制、 鍍槽尺寸、良好電流分佈空間、直流電源之電量等決定。 一般人力操作之鍍架安全限制重量是251b。由尺寸、形狀 、移動距離可有所變動。 舌尖必須具備足夠的硬度、導電度、不發生燒焦、孤光 、過熱等現象。鍍件重量能維持地心引力良好的接觸，否 則用彈簧聯接。要能夠容易迅速上下架，並確保電流接觸。 銅是最廣泛應用的掛架材料，因有好的導電性，容易成型， 有適當強度。鋼與銅導電性比銅差，但較便宜。鋁掛架用 在鋁陽極處理(anodizing)，其優點是輕。鎳鍍架耐腐蝕，可 做補助電極。磷銅因它具有良好導電性，易彎曲及易製造 易焊接故廣泛用做舌尖。 電鍍掛架之脊骨用較堅強材料製成如硬的拉銅。電鍍架 同時附帶有補助陽極加強供應電流稱之為雙極鍍架。除了 補助陽極外，還有補助陰極，漏電裝置、絕緣罩等附加在 電鍍掛架上以調整電流密度或引導電流進入低電流之隱蔽 區域。電鍍掛架在某些地方加以塗層絕緣，其目的有下列幾項： 1.減少電鍍金屬之浪費。 2.限制電流進入要被電鍍之區域，減少電能損失。 3.減少鍍浴污染。 4.改進金屬披覆分佈。 5.減少電鍍時間。 6.延長鍍架壽命，防止鍍糟腐蝕。 鍍架有下列塗層材料可應用： 1. 壓力膠帶，容易使用，易鬆脫損壞，適合短時應用或 臨時使用。2.乙稀塑膠，良好黏性，可用於酸鹹各種鍍液。 3. 尼奧普林，直接浸泡不需打底、熱烘乾、黏性好可用 任何鍍浴，尤其適合使用於鉻電鍍。4. 空氣乾燥塑膠，不用塗底、浸泡或擦刷後空氣乾燥、 黏性優良，適宜各種電鍍浴。5.橡皮，除鉻電鍍外其他鍍浴均可使用。 6.蠟，不能使用於強鹹及熱鍍浴。 電鍍操作過程鍍架使用注意事項： 1. 鍍件需定位，與陽極保持相同距離，使電鍍層均勻 ，防止鍍液之帶出(drag-out)損失及帶入(drag-in)污染鍍液。2.鍍件安排要適當，要使氣泡容易逸出，稍傾斜放置鍍件。 3.空間安排，避免鍍件相互遮蔽。 4.堅固接觸，防止發燒、孤光等現象發生。 5. 防止高電流密度的形成，如尖、邊緣、角等處必須適當應 用絕緣罩或漏電裝置。6.使用陽極輔助裝置或雙極鍍架，應小心調整以確保適當電流分佈。 7. 鍍架應經常清洗，維持良好電流接觸，去除舌尖附著之金屬 ，塗層有損壞需之即修理、操作中隨時注意漏電，鍍浴帶出 損失及帶入污染等現象。2.5.9電鍍控制條件及影響因素 1.鍍液的組成。12.覆蓋性。 2.電流密度。13.導電度。 3.鍍液溫度。14.電流效率。 4.攪拌。15.氫過電壓。 5.電流波形。16.電流分佈。 6.均一性。17.金屬電位。 7.陽極形狀成份。18.電極材質及表面狀況。 8.過濾。19.浴電壓。 9.pH值。 10.時間。 11.極化。 1. 鍍液的組成：對鍍層結構影響最大，例如氰化物 鍍浴或複鹽鍍浴的鍍層，要比酸性單鹽的鍍層細 緻。其他如光澤劑等添加劑都影響很大。 2. 電流密度：電流密度提高某一限度時，氫氣會大 量析出，電流效率低，產生陰極極化作用，樹枝 狀結晶將會形成。 3. 鍍浴溫度：溫度升高，極化作用下降，使鍍層結 晶粗大，可提高電流密度來抵消。 4. 攪拌：可防足氫氣停滯件表面形成針孔，一般攪 拌可得到較細緻鍍層，但鍍浴需過濾清潔，否則雜 質因攪拌而染鍍件表面產生結瘤或麻點等缺點。 5. 電流型式：應用交通電流，週期反向電流(PR)電流 、脈沖電流等特殊電流可改進陽極溶解，移去極化作 用的鈍態膜，增強鍍層光澤度、平滑度、降低鍍層內 應力、或提高鍍層均一性。 6. 均一性(throwing power)，或稱之投擲力，好的均一性 是指鍍層厚度分佈均勻。均一性的影響因素有： 1. 幾何形狀，主要是指鍍槽、陽極、鍍件的形狀。分 佈位置空間、陰陽極的距離、尖端放電、邊緣效應等因素。2.極化作用，提高極化作用可提高均一性。 3.電流密度，提高電流密度可改進均一性。 4. 鍍浴導電性，導電生提高而不降低陰極極化作用太多則可 提高均一性。5.電流效率，降低電流效率可提高均一性。 所以要得到均勻鍍層的方法有： 1.良好的鍍浴成份，改進配方有。 2.合理操作，表面活生化均勻。 3. 合理鍍裝掛，以得到最佳電流均勻分佈，防止析出氣體 累積於盲孔或低窪部分。4.調節陰陽極間之距離及高度。 5.應用陽極形狀善電流分佈。 6.加設輔助電極、輸電裝置、絕緣屏障等改進電流分佈。 7.應用沖擊電流、在電鍍前用較大電流進行短時間電鍍。 7. 陰陽極形狀、成份及表面狀況影響很大，如鑄鐵和高矽鋼 的材料氫過電小，電鍍時大量氫氣析出，造成覆蓋性差、起 泡、脫皮等缺陷，不銹鋼材料，鋁、鎂及合金類易氧化的材料 ，不易得附差性良好鍍層。表面狀況如有油污、銹皮等鍍層不 可能附著良好，表面粗糙也難得到光澤鍍層。陽極與陰極形狀 也會影響鍍層。 8. 過濾，如陽極泥、沈碴等雜質會影響鍍層如麻點、結瘤、粗糙 的表面，也會降低鍍層之防蝕能力，所以必須經常過慮或連續 性過慮固體粒子。 9. pH值會影響鍍浴性質，如氫氣的析出、電流效率、鍍層硬度及 內應力，添加劑的吸收，錯合離子的濃度都有相當的影響。 10. 時間為控制鍍層厚度的主要因素，電流效率高，電流密度大所 需電鍍時間就少。 11. 極化(polarization)電鍍時電極電位發生變化產生一逆電動勢，阻 礙電流叫做極化作用，克服極化作用的逆電動勢所需增加電壓 稱之過電壓。極化作用對電鍍的影響： 1.有利於鍍層細緻化。 2.有利於改進均勻性，使鍍層厚度均勻分佈。 3. 氫氣析出增加，降低電流效率和鍍層之附著力，會產生起泡、 脫皮現象。4.不利陽極溶解，消耗電力、浴溫增高、鍍浴不安定。 影響極化作用的因素有： 1. 電鍍浴組成，如氰化物鍍浴之極化作用大，低濃度之鍍浴極 化作用較大。2.電流密度，電流密度愈大極化作用愈大。 3.溫度愈高，極化作用愈小。 4.攪拌使離子活性增大而降低極化作用。 12. 覆蓋性是指在低電流密度下仍能鍍上之能力，好的覆蓋性，在 鍍件低凹處仍能鍍上金屬。它與均一性意義不同，但一般好的 均一性則也有好的覆蓋性，而覆蓋性不好的則均一性一定也不好。 13. 導電度，提高鍍浴導電度有利於均一性，鍍液的電流係由帶電離 子輸送，金屬導體是由自由電子輸送電流，二者方式不相同，電 解液的導電性比金屬導體差，其影響因素有： 1. 電解質的電離度、離子之活度，電離度愈大其導電性愈好，強酸 強鹹電離度 都大；所以導電性好，簡單離子如鹽梭根離子較複 雜離子如磷酸根離子活度大，所以導電性較佳。 2. 電解液濃度，電解質濃度低於電離度時，濃度增加可提高導電度 ，如濃度已大於電離度時，濃度增加反而導電性會降低。例如硫酸 之水溶液在1530時導電度最高。 3. 溫度，金屬的導電度與溫度成反比，但是電解液的導電度與溫度成 正比，因溫度升高了離子的活度使導電性變好，同時溫度也可提高 電離度，因可提高導電度，所以電鍍時常提高溫度來增加鍍浴的導 電度以增高電流效率。 14. 電流效率，電鍍時實際溶解或析出的重量與理論上應浴解或析出 的重量的百分比數為電流效率。可分為陽極電流效率及陰極電流 效率。電流密度太高，陽極產生極化，使陽極電流效率降低。若 陰極電流密度太大也會產出氫氣減低電流效率。 15. 氫過電壓，電鍍金屬中，鋅、鎳、鉻、鐵、鎘、錫、鉛的電位都 比氫的電位要負，因此在電鍍時，氫氣會優先析出而無法電鍍出 這些金屬，但由於氫過電壓很大，所以才能電鍍這些金屬。然而 某些基材如鑄鐵或高矽鋼等之氫過電壓很小，也就較難鍍上，需 先用銅鍍層打底而後再鍍上這些金屬。氫氣的產生也會造成氫脆 的危害，同時電流效率也較差，氫氣也會形成針孔，所以氫氣的 析出對電鍍都是不利的，應設法提高氫過電壓。 16. 電流分佈，為了提高均一性，電流分佈將設法改善。如用相似陰 極形狀的陽極，管子的中間插入陽極，將陽極伸入電流不易到達 的地方，使用雙極(bipolar)電極將電流分佈到死角深凹處，使難鍍 到地方也能鍍上。在高電流密度區如尖角、邊緣則可用遮板，輸電 裝置避免鍍得太厚浪費或燒焦鍍層缺陷。 17. 金屬電位；通常電位越負則化學活性愈大，電位負的金屬可把電位 正的金屬置換析出，如鐵、鋅可以把銅從硫酸銅液液析出置換出來 產生沒有附差性的沈積層。在電鍍浴中若同時有幾種金屬離子，則 電位正的金屬離子先被還元析出。相反地電位負的金屬先溶解。 18. 電極材質及表面狀況對氫過電壓影響很大，光滑表面的過電壓較大 ，不同材質有不同氫過電壓，金屬鉑的氫過電壓最小。 19. 浴電壓，依鍍浴組成，極面積及形狀、極距、攪拌、溫度、電流濃 度等而不同。一般在912，有高到15。 2.5.10鍍浴淨化 由於雜質污染，操作過久雜質累積，故必須經常淨化鍍浴， 其主要的方法有： 1.利用過濾材去除固體雜質。 2.應用活性炭去除有機物。 3.用弱電解方法去除金屬雜質。 4.可用置換、沈澱、pH調整等化學方法去除特殊雜質。 2.5.11鍍層要求項目 依電鍍的目的鍍層必須具備某些特定的性質，鍍層的基本 要求有下列幾項： 1. 密著性(adhesion)，係指鍍層與基材之間結合力，密著性不佳則鍍層會 有脫離現象，其原因有： (1)表面前處理不良，有油污、鍍層無法與基材結合。 (2)底材表面結晶構造不良。 (3)底材表面產生置換反應如銅在鋅或鐵表面析出。 2. 緻密性(cohesion)，係指鍍層金屬本身間之結合力，晶粒細小， 無雜質則有很好的緻密性。其影響的因素有：(1)鍍浴成份， 2. 電流密度，(3)雜質，一般低濃度浴，低電流密度可得到 晶粒細而緻密。 3. 連續性(continuity)，係指鍍層有否孔隙(pore)，對美觀及腐蝕 影響很大。雖鍍層均厚可減少孔隙，但不經濟，鍍層要連續 ，孔率要小。 4. 均一性(uniformity)，是指電鍍浴能使鍍件表面沈積均勻厚度的 鍍層之能力。好的均一性可在凹處難鍍到地方亦能鍍上，對美 觀、耐腐蝕性很重要。試驗鍍浴之均一性有Haring電解槽試驗 法、陰極彎曲試驗法、Hull槽試驗法。 5. 美觀性(appearence)，鍍件要具有美感，必須無斑點，氣脹缺陷 ，表面需保持光澤、光滑。可應用操作條件或光澤劑改良光澤度 及粗糙度，也有由後處理之磨光加工達到鍍件物品之美觀提高產 品附加價值。 6. 應力(stress)，鍍層形成過程會殘留應力，會引起鍍層裂開或剝離 ，應力形成的原因有 ：(1)晶體生長不正常，(2)雜質混入，(3)前處理使基材表面變質妨 磚結晶生長。 7. 物理、化學機械特性如硬度、延性、強度、導電性、傳熱性、 反射性、耐腐蝕性、顏色等。 2.5.12鍍層缺陷 鍍層的缺陷主要有：(1)密著性不好，(2)光澤和平滑性不佳 ，(3)均一性不良，(4)變色，(5)斑點，(6)粗糙，(7)小孔。缺陷 產生的原因有：(1)材質不良，(2)電鍍管理不好，(3)電鍍工程 不完全，(4)電鍍過程之水洗、乾燥不良，(5)前處理不完善。 2.5.13電鍍技藝 電鍍技藝，必須具備化學、物理、電化、電機、機械的相關 技能，要能了解材料性質，表面性質與狀況，熟悉電鍍操作規 範，對日常作業發生的現象及對策詳加整理牢記在心，以便迅 速正確地做異常處理。平時要注意電鍍工場管理規則，尤其前 後處理工程的每一步驟都不能疏忽，否則前功盡棄。 2.5.14金屬腐蝕 金屬腐蝕，是由於化學及電化學作用的結果，可分為化學 腐蝕與電化學腐蝕，按腐蝕還境可分為高溫氣體腐蝕、土壤 腐蝕等。又依腐蝕破壞情形可分為全面腐蝕及局部腐蝕。 局部腐蝕又可分為斑狀腐蝕、陷壞腐蝕、晶間腐蝕、穿晶腐蝕 、表面下腐蝕、和選擇性腐蝕，如黃銅脆鋅。影響腐蝕的因素 有：(1)金屬的本性，(2)溫度，(3)腐蝕介質。防止金屬腐蝕的 方法有：(1)正確選用材料，(2)合理設計金屬結構，(3)耐蝕合金 ，(4)臨時油封包裝，(5)去除腐蝕介質，(6)電化保護，(7)覆層保護。 2.6電鍍有關之計算 電鍍有關之計算，茲用一些範例或公式表示之： 1. 溫度之換算： 0C=5/9*(0F-32) 0F=1.80C+32 0K=0C+273 2. 密度： D=M/V M=質量 , V=體積(3)比重： S.G=物質密度/水在40C時密度 4. 波美(baume) Be=145-145/比重 比重=145/145-Be例20H2SO4的溶液，在20時其Be值為17，求比重多少？ 比重=145/145-17=145/128=1.13 (5)合成物之水分比 例NiSO4，7H2O中含水多少？ 解NiSO4，7H2O=280.87 7H2O=126 H2O%=126/280.87*100%=44.9% (6)比率 例鉻鍍槽有400加侖的溶液含500磅鉻酸，問同樣的濃度 100加侖鍍槽需含多少鉻酸？ 400/500=100/X x=125 需125 1b鉻酸 (7)溶液的重量換成容積 例96的H2SO4，比重1.854求製配1公升標準硫酸溶液 需多少ml 96H2SO4？ 一公升之標準酸液之硫酸銅重量=98/2=49克 49克/(1.8354克)/(ml*0.96)=27.82ml 需要27.82ml之96%H2SO4 (8)中和 例1用14.4ml的1N的HC1溶液中和310ml的NaOH溶液， 求NaOH溶液之當量濃度 解14.4ml1N10mlxN x1.44 比N.OH之當量濃度為1.44N 例21.1738N的HC1溶液來中和10ml之1.1034NNaOH溶液， 求需HC1溶液多少ml？ 解x ml1.1788N10ml1.1034N x9.4 需9.4ml之1.1738NHC1溶液 (9)法拉第定律(Faradays Law) 例1計算以5安培電流經過5小時，銅沈積重量，其 電流放率為100 沉積重量=(原子量/(原子價*96500)*(電流*時間*電流效應) W=(A/(n*96500)*(I*T*CE) =(63.54/(2*96500)*(5*5*60*60*100%)=31.8(g) 可沉積31.8g的銅 例2要在10分鐘鍍2.5g的鎳在NiSO鍍浴需多大電流？ 電流效率100。 I=( (n*96500)/(A)*(W)/(t*CE) =(2*96500)/(58.69)*(2.5)/(10*60*100%)=13.7 需電流13.7安培 例3鍍件的表面積為1000cm2，在硫酸銅鍍液中通過15 安培電流，電流效率為100，求鍍銅5 l m所需要的時間。 銅密度為8.93g/cm3 t = (n*96500*D)/(A)*(area*d)/(I*CE) =(2*96500*8.93)/(63.54)*(1000*5*10-4)/(15*100%) =900(秒)=15(分) ? 所需電鍍時間為15分鐘 例4鍍件總面積為1.5，平均電流為1500安培，15分鐘 鍍得平均鋅鍍層25 l m，鋅的密度為7.14g/cm3，鋅的原子量 為65.38，求電流效率 CE=WAct/WThen*100% =(1.5m2*25l m*7.14g/cm3)/(65.38)/(2*96500)*1500*15*60)*100% =59% ? 其電流效率為59% 例5酸性錫鍍浴做連續性鐵片鍍錫，鐵片寬0.9m，鐵片 進行速度500m/min，電流密度5000A/，上下二面欲鍍上 1. 4l m錫厚，電流效率100，錫的密度為7.31g/cm3，原子 量為118.7，求電鍍槽需多少m長？ 槽長L=(n*96500*D)/(A)*(S*d)/(DI*CE) =(2*96500*7.31g/cm3)/(118.7)*(500m/min*0.4l m)/(5000A/