電鍍目前廣泛應用於電子電氣產業。電路板、連接器和其他小型金屬零件等都需要電鍍表面處理。電信業的強勁成長和電子設備需求的持續攀升極大地促進了電鍍技術的應用。本文將探討電鍍工藝的原理以及根據被鍍金屬的不同而劃分的電鍍類型。
什麼是電鍍？
電鍍是一種利用電解作用將金屬或合金層沉積到工件表面的工藝，最終形成均勻、緻密且附著力良好的金屬鍍層。電鍍過程中，待鍍工件連接到電源的負極（陰極），浸入含有待沉積金屬離子的電解液中。陽極通常是待沉積金屬的金屬板或金屬棒。然而，一些電鍍製程也使用不溶性陽極，例如石墨、不銹鋼、鉛或鉛銻合金。
電鍍依其應用方式可分為掛鍍、滾鍍、連續鍍及刷鍍。應根據被電鍍零件的尺寸和生產數量選擇合適的電鍍方式。
掛鍍是最常用的電鍍方法。工件懸掛在高導電性的掛架上，浸入電鍍液中作為陰極。這種方法適用於一般尺寸或大型工件，例如自行車車把和汽車保險桿。
滾鍍是另一種常用的電鍍方法，適用於大量生產的小型零件。電鍍過程中，零件被放置在多邊形滾筒中，並依靠自身重量與滾筒內的陰極接觸。
電鍍的基本原理
待電鍍的工件被放置在裝滿電解液的電鍍槽中，並連接到直流電源的負極（陰極）。電鍍金屬（或惰性材料，如石墨）也被放置在電鍍槽中，並連接到正極（陽極）。
通電後，電鍍液中的金屬離子向陰極遷移，獲得電子，還原成金屬原子，隨後沉積到工件表面，形成鍍層。由於電鍍主要基於電化學原理，因此需要三個基本條件：電極電位差、電鍍液（電解液）和電源。
以銅電鍍為例：工件為陰極，浸入以硫酸銅為主要成分的電鍍液中，金屬銅為陽極。接通直流電源後，電流流經電極和電鍍液。電鍍液中的陰離子和陽離子發生電遷移，即在電場作用下，陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動。銅離子（Cu²⁺）+）被還原並沉積在陰極上，而陽極上的金屬銅被氧化。
化學反應如下：
- 陰極（工件）反應（還原）：Cu2+ + 2e - → 銅
- 陽極反應（氧化）：Cu – 2e - → 銅2+
最終塗層必須完整、均勻、緻密，滿足特定厚度要求，與基體金屬牢固結合，並具有一定的物理和化學性質，以提供有效的保護。
影響電鍍品質的因素
影響電鍍層品質的因素很多，其中關鍵因素包括電鍍液成分、陰極電流密度、溫度和表面預處理。
電鍍液組成
電鍍液的組成主要包括以下部分：
主鹽（主要鹽）：主鹽是指含有將在陰極上沉積形成鍍層金屬的離子的金屬鹽。在其他條件相同的情況下，較高的主鹽濃度會使金屬沉積更容易，但會降低陰極極化，導致鍍層晶粒粗大。然而，過高的濃度會降低溶液的分散能力和穩定性，並增加生產成本和廢液處理成本。相反，過低的濃度雖然能提供更好的分散能力和覆蓋能力以及更好的陰極極化，但會導致導電性差、允許電流密度低、電流效率低以及沉積速率慢。因此，主鹽濃度必須控制在適當的範圍內，具體範圍取決於特定的應用需求。
其他鹽類（導電鹽）添加鹼金屬或鹼土金屬鹽（包括銨鹽）的主要目的是提高溶液的導電性。這些鹽還可以改善電鍍液的深鍍能力、鍍覆能力和覆蓋能力，從而獲得更精細、更緻密的鍍層。例如，鎳電鍍液中會添加硫酸鈉和硫酸鎂。然而，過量的鹽會降低主要鹽的溶解度，導致溶液混濁。
絡合劑： 能與主鹽中的金屬離子絡合的物質。不含這些離子的溶液稱為單鹽浴，其穩定性通常較差，晶粒粗大，鍍膜品質較低。添加絡合劑會增加陰極極化，進而形成更精細的晶體結構，同時也會促進陽極溶解。如果絡合劑的用量超過與主鹽金屬離子絡合所需的量，則會形成… 絡合離子。遊離絡合離子濃度過高會降低陰極電流效率，減慢沉積速率，甚至完全阻止電鍍。
緩沖劑：通常是弱酸/鹽或弱鹼/鹽的組合，用於將電鍍液的酸度或鹼度維持在正常運作所需的特定pH範圍內。它們有助於最大限度地減少電鍍液pH值的波動。
添加劑： 在電鍍液中添加少量有機物質，可改善電鍍液的性能和鍍層品質。這些有機物質主要依其功能分類：
- 增亮劑：提高塗層的光澤度。初級增亮劑通常含有磺酰基或不飽和碳鍵（例如糖精）。次級增亮劑通常是醛、酮、炔烴、氰化物或含有不飽和鍵的雜環化合物。
- 整平器：顯著提高塗層的平滑度。它們使工件表面微觀凹陷處的塗層厚度大於微觀凸起處的塗層厚度。
- 潤濕劑（抗點蝕劑）：降低電極與溶液之間的界面張力，使溶液更容易在電極表面鋪展。它們還能促進電極表面氣泡的脫離，抑制塗層中針孔的形成。
- 應力消除劑：降低塗層內部應力，進而提高其韌性。
- 晶粒細化劑：促進塗層中形成更細更緻密的晶體結構。
陰極電流密度
最佳陰極電流密度取決於電鍍液成分、主鹽濃度、pH值、溫度和攪拌等因素。
電流密度過低會降低陰極極化，導致晶體生長粗糙或根本無法鍍層。
在一定範圍內增加電流密度會增加陰極極化，從而形成更精細的塗層結構。
過高的電流密度會導致晶體沿著力線快速生長到溶液中，形成結節（團塊）或樹枝狀晶體（枝晶）。邊角甚至可能燒焦。高電流密度也會導致陰極表面產生大量氫氣，提高pH值，這可能導致金屬鹼式鹽被截留在鍍層中，使其變黑。此外，它還會導致陽極鈍化，造成溶液中金屬離子的消耗，並可能形成疏鬆、海綿狀的鍍層。每種電鍍液都有一個理想的工作電流密度範圍。
溫度因素
溫度是關鍵因素。提高溫度會加速顆粒擴散和離子脫水，增加離子和陰極表面的活性，並降低擴散和電化學極化。因此，較高的溫度會降低陰極極化，進而導致晶粒粗大。在生產中，提高鍍液溫度通常是為了提高鹽的溶解度和溶液的導電性。電鍍溫度必須嚴格控制在最佳範圍內。
表面預處理
電鍍前，工件必須進行表面預處理，以去除毛邊、夾雜物、殘留物、油脂、氧化皮（氧化膜）和鈍化膜。適當的預處理能夠暴露出清潔、活性良好的基體金屬表面，這對於獲得連續、緻密且結合良好的鍍層至關重要。預處理不當是起泡、剝落、附著力差、毛邊和污漬等缺陷的主要原因。
電鍍工藝
電鍍工藝一般包括三個階段：電鍍前的表面預處理、電鍍和電鍍後處理。
電鍍前的表面預處理
此階段旨在獲得清潔、活性良好的基材表面，為高品質塗層做好準備。預處理主要包括：
研磨或拋光：以滿足表面粗糙度要求。
脫脂：採用化學或電化學方法去除油污。
除鏽/除垢：機械法、酸洗法或電化學法。
活化：通常是將表面短暫浸入弱酸中，以確保其具有化學活性。
開始電鍍
電鍍方法因零件的形狀、尺寸和批量大小而異。對於普通尺寸或較大尺寸的零件，掛鍍是最常用的方法。零件懸掛在高導電性的掛架上，浸入鍍液中作為陰極，陽極則適當地放置在零件兩側。
支架與陰極棒之間的良好接觸至關重要。接觸不良會導致接觸電阻，尤其是在高電流硬鉻電鍍或陰極移動攪拌的裝飾性電鍍中，會導致間歇性斷電，造成鍍層附著力差、厚度均勻性降低，進而降低耐腐蝕性。
對於較小零件或大批量生產，通常採用滾鍍製程。零件放置在多邊形滾筒中，滾筒旋轉時，零件依靠自身重力與內部陰極接觸，從而實現均勻鍍層。滾鍍具有節省人工、生產效率高、設備維護少、佔地面積小、鍍層均勻等優點。但是，它不適用於尺寸過大或重量過輕的工件。此外，滾鍍槽的工作電壓較高，會導致鍍液溫度上升更快，鍍液帶出量更大。
刷鍍用於局部電鍍或修復。連續電鍍用於大批量生產中的線材和帶材。
鍍後處理
此階段包括鈍化、氫脆消除（脫氫）和表面拋光。
鈍化處理是為了提高塗層的耐腐蝕性、增加光澤度和增強抗變色性能。
氫脆消除通常是在特定溫度下進行數小時的熱處理，以防止電鍍過程中吸收的氫導致零件變脆。
表面拋光是一種應用於塗層的精加工工藝，用於減少表面粗糙度，獲得鏡面般的裝飾效果，並進一步提高耐腐蝕性。
電鍍類型
電鍍的常見分類方法是根據塗覆在基材上的鍍層金屬或合金。
鍍鋅（Zn）
鍍鋅主要用作鋼材的保護塗層。對於鋼材而言，鋅是一種陽極氧化塗層，可提供電化學（犧牲陽極）和機械保護，從而具有良好的耐腐蝕性。其保護性能與鍍層厚度和孔隙率密切相關：鍍層越厚、孔隙率越低，耐腐蝕性越好。鋅鍍層厚度通常為6至20μm，嚴苛環境下的零件則需要25μm以上的厚度。鋅層的鈍化處理可使其保護性能提高5至8倍。
鍍鋅液可分為鹼性（例如氰化物、鋅酸鹽、焦磷酸鹽）、中性（例如氯化物、硫酸鹽光亮）和酸性（例如硫酸鹽、氯化銨）三類。由於其成本低、耐腐蝕性好、外觀美觀且保質期長，鍍鋅製程廣泛應用於輕工業、儀器、機械、農業和國防等領域。然而，由於鋅對人體有害，因此不適用於食品業。
了解更多： 性能比較 | 鍍鋅與鍍鎳
鍍銅（Cu）
銅鍍層用於鋅、鐵等賤金屬上。這些金屬上的銅鍍層呈陰極性。如果銅層有缺陷、損傷或孔隙，賤金屬在腐蝕性介質中會充當陽極，加速腐蝕，其腐蝕速度通常比未鍍層更快。因此，單層銅鍍層很少用於保護或裝飾用途。它通常用作底層（中間鍍層），以提高後續鍍層與賤金屬之間的附著力。較厚的銅底層與較薄的鎳層結合使用，可降低鎳層的孔隙率，從而節省鎳的消耗。此外，由於碳和氮難以擴散和滲透到銅中，銅層還可以保護局部區域免受滲碳或滲氮的影響。
銅電鍍液種類繁多，包括氰化物電鍍液、硫酸鹽電鍍液、焦磷酸鹽電鍍液、檸檬酸鹽電鍍液、次氮基三乙酸電鍍液和氟硼酸鹽電鍍液。
鍍鉻（Cr）
鉻是一種銀白色金屬，略帶藍色。由於其強大的鈍化作用，能在大氣中形成一層薄而緻密的氧化膜，因此具有優異的化學穩定性。鉻在鹼、硝酸、硫酸、硫化物和許多有機酸中穩定，但會溶於氫鹵酸和熱的濃硫酸中。
鍍鉻 鉻具有優異的耐腐蝕性，潤濕性差，表現出疏水性和疏油性。它還具有高硬度、良好的耐磨性和耐熱性。在空氣中加熱至500℃時，其外觀和硬度基本上保持不變；500℃以上開始氧化，700℃以上開始軟化。鉻的反射率也很高，僅次於銀。
根據用途，鍍鉻層可分為保護裝飾性鍍鉻（薄層，防止生鏽並美化外觀）和功能性鍍鉻（通常較厚，用於提高機械零件的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫性能）。功能性鍍鉻又可細分為硬鉻、乳鉻和多孔鉻。
鍍鉻液的成分相對簡單：主要成分是三氧化鉻（CrO₃），而非鍍層金屬本身的鹽，此外還含有少量的催化劑，例如硫酸鹽、氟化物或氟矽酸鹽。通常使用鉛合金作為陽極。由於三氧化鉻需要不斷補充，而六價鉻（Cr(VI)）則劇毒，因此三價鉻（Cr(III)）正越來越多地被用作替代品。
鍍鎳（Ni）
鎳具有泛黃的銀白色金屬光澤，且具有鐵磁性。鎳具有很強的鈍化能力，能在空氣中形成一層薄薄的鈍化膜，使其具有很高的化學穩定性，並能保持表面光澤持久不變。在室溫下，鎳對大氣、水、鹼、鹽和有機酸均表現出良好的耐腐蝕性。它在稀鹽酸和稀硫酸中溶解緩慢，但在稀硝酸中溶解較快。它在發煙硝酸中會鈍化，且不與強鹼反應。
鎳的電極電位比鐵的電極電位更正，因此鎳對鐵來說是陰極鍍層。所以，它能為鋼基材提供良好的保護。 僅由 當鍍層完整且無瑕疵時。由於鎳鍍層通常具有一定的孔隙率，因此常與其他金屬組成多層體係以提高耐腐蝕性，其中鎳被用作底層或中間層以減少孔隙率（例如，Cu/Ni/Cr 或 Ni/Cr 組合）。
鎳鍍層分為保護裝飾型和功能型。
保護性裝飾鍍鎳製程用於低碳鋼、鋅壓鑄件以及某些鋁合金和銅合金的防腐蝕。透過拋光半光亮鎳或直接鍍亮亮鎳，皆可獲得光亮的裝飾效果。由於鎳在空氣中容易氧化變色，因此通常會在亮亮鎳層上鍍一層薄薄的鉻，以提高其耐腐蝕性和美觀性。
功能性鍍鎳主要用於修復磨損、腐蝕或尺寸過大的零件。這些鍍層通常比所需厚度略厚，然後透過機械加工恢復到指定尺寸。
鎳電鍍主要使用的鹽類是硫酸鎳和氯化鎳。
合金電鍍
合金電鍍是一種提高塗層性能的方法，能夠製備數百種具有不同特性的塗層。該技術在解決裝飾性、耐腐蝕性、耐磨性、磁性、可焊性和導電性等問題方面非常有效。
與熱熔法生產的合金相比，電鍍法生產的合金具有獨特的特性：
- 可以得到由高熔點金屬和低熔點金屬組成的合金。
- 可以得到熱熔化相圖中不存在的合金。
- 可以生產出密度很高、性能優異的非晶態合金。
- 可以透過水溶液形成難以以單一金屬形式沉積的合金。
- 在某些受控條件下，具有更負電位的金屬可以優先沉積。
合金鍍層依其主要元素的濃度進行分類（例如，銅基合金、銀基合金、鋅基合金、鎳基合金）。銅錫合金因其孔隙率低、耐腐蝕性好、易於拋光且可直接鍍鉻而成為廣泛應用的合金鍍層。氰化銅錫合金鍍層因其成分和顏色易於控制且溶液塗佈力強而被廣泛應用。然而，其主要缺點是需要使用大量劇毒的氰化物，因此必須採取嚴格的安全措施。
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