选择性电镀工艺的深入研究：刷镀、阳极氧化和电解抛光

作者：DEREK VANEK    来源：Ringer

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 术语“选择性电镀”包括三种不同工艺： ● 选择性刷镀 ● 选择性阳极氧化 ● 选择性电解抛光和焊缝清理 这些工艺与传统的镀槽表面精饰工艺有所不同，因为它们是在镀槽外完成电镀、阳极电镀或电解抛光，操作时聚焦于部件的局部区域。另外，采用的工艺方便，可以在车间或现场操作。选择性电镀是一种十分灵活的工艺；可以手动操作、机械化操作或者自动化操作。 工作原理 采用吸收性材料包覆电镀工具（一般为石墨），使溶液均匀分配到工件区域。将工具浸入容器或通过工具和再循环将溶液泵送到工件区域。然后将电镀工具移到工件区域。在选择性电镀工艺中，电镀工具和部件之间必须移动：将工具移到部件之上；移动部件并保持工具固定；或者移动工具和部件。 便携式电源（整流器）为所有工艺提供直流电源。电源至少有两根引线。一根引线连接工具，另一根引线连接正在进行表面精饰的部件。在工具接触工件表面时形成的回路使用电源提供的直流电。当接触工件表面时，工具总是保持运动。这种移动可确保形成优质的表面精饰。 通过一系列电化学操作来完成加工区域的准备工作。使用那些与最终表面精饰操作的相同设备和工具进行预处理。精心准备工件区域与工具的移动一样重要，以便形成牢固的优质沉淀物或涂层。 发展 选择性电镀系统是由传统的槽镀工艺演化而成。这些便捷的工艺使用的一些设备和术语类似于镀槽工艺中相应的部分。但是，不能在便携式和镀槽系统之间交换使用工具、设备和溶液。 由于在便携式电镀工艺中控制温度和电流密度比镀槽工艺困难，因此，商业应用需要完整、集成的便携式系统。不熟悉镀槽表面精饰技术的操作人员可以使用现已开发的这些系统。 目前，市面上已有用于电镀、阳极氧化和电解抛光的选择性电镀系统。这些系统用于形成沉淀物和涂层，产生防腐、硬度、耐磨损、导电、润滑、抗磨损、补救和装饰应用。这些系统的复杂性和功能各异，可以全球供货。 小型铅笔式系统仅适用于在小型区域进行闪速沉淀。复杂系统使用输出高达500安的电源，能够在较大表面积上形成各种厚度和特征的优质表面精饰。 行业接受度 选择性电镀工艺已经获得广泛认可，现在已有100多种商业规格。许多关键行业也已制定相关规格，这些领域包括航天、石油和天然气、发电、汽车、船舶、军事、铁路、纸浆和造纸等。 下列规格是目前选择性电镀工艺的代表： ● MIL-STD 865 选择性（刷镀） 电镀沉淀物 ● MIL-STD 2197(SH) 海洋机器刷镀 ● AMS 2451 电镀、刷镀、一般要求 /1 一般的镀镍用途 /2a 低应力硬质镀镍 /3a 低应力低硬度镀镍 /4 镀镉LHE（低氢脆） /5a 铬硬质沉淀物 /6a 镀铜 /7a 低应力中等硬质镀镍 /8a 非氰化物镀银 /9a 锌镍LHE（低氢脆） /10a 锡锌LHE（低氢脆） /11a 镀钴 /12 镀锡 /13 镀银 设备和材料 选择性电镀设备包括电源、前处理溶剂及镀液、电镀工具、阳极盖及辅助设备。正确选择每一个物品对于达到最优表面精饰结果十分重要。 电源 电源也称为整流器，可将交流电转换为直流电供电镀操作使用。电源应耐用且便携。具备这些特性尤为必要，因为电源通常会被运输到工作现场。可以是从工厂运输到工厂，或是运输到同一工厂内的不同位置。为选择性电镀特定设计的电源具有几个特点，这使其与镀槽表面精饰操作中使用的整流器有所区别。 选择性电镀电压表的典型功能 ● 安培表 ● 安培-小时表 ● 换流器 ● 发声逆向电流报警 ● 超载防护 ● 输出引线的扭动锁定连接 ● 恒定电流和恒定电压操作 电源配有正向-逆向电流开关。这些开关可快速转换直流电流动（极性）的方向。这种功能尤为必要，因为准备步骤和最终表面精饰步骤通常需要多次快速的转换电流流动方向。 这些电源包含几种安全设备，例如反应快速的断路器，可以在阳极、把手或引线偶然接触工件表面造成短路和出现电弧时最低程度减小损坏。 伏特表显示表面精饰程序中每一步骤的电压设置。安培表显示正在执行的每一步骤的安培数。这样允许操作人员在准备或电镀操作期间调节电流密度。精密的安培小时计可以提供数据以精确控制电镀沉淀物或阳极电镀涂层的厚度。 溶液 选择性电镀溶液可以根据其用途分为三组（表一罗列了常用的溶液）。 第一组含有用于表面前处理使用的各种类型基底材料的溶液。正如名称所述一样，前处理溶液用于表面预处理，因此最终步骤（无论刷镀、阳极电镀或电解抛光）将形成优质的最终产品。优质的成品的颜色分布均匀，刷镀可带来优良的附着力和聚合力。 被称为刷镀的选择性电镀工艺具有业界通常碰到的所有基底材料的预处理程序。其中包括钢、铸铁、不锈钢、铝、铜基合金和镍基合金以及钛。当遵循推荐程序时，刷镀沉淀物和基底材料之间的结合强度相当于沉淀物或基底材料本身的内聚强度中的较低强度。一般来说，刷镀沉淀物的结合强度> 11,000磅/平方英寸。 基底材料的前处理通常始于机械和化学预清洁，之后是电清洁，然后是腐蚀。因基底材料的不同，可能要求采用除污、活化和预电镀步骤。例如，将铜沉淀物刷镀到400系列不锈钢的程序要求采用前面所述的所有步骤。 刷镀溶液与槽镀溶液的区别很大。刷镀溶液具有较高的金属含量，使用有毒材料（例如氰化物）的可能性更少，更有可能使用金属有机盐或采用特殊化学物品络合或缓冲，这与槽镀溶液不同。 与槽镀溶液相比，刷镀使用的溶液必须在更宽广范围的电流密度和温度下形成优质的沉淀物。必须快速电镀，采用不可溶阳极操作，在可变条件下长期形成优良的沉淀物。另外，溶液应尽量无毒，无需进行化学控制。要求使用与槽镀明显不同的配方达到这些目标。 现在已经开发第三组溶液，以满足便携式工艺（例如选择性阳极电镀、特殊黑色光学涂覆和电解抛光）的特定应用要求。 选择性阳极电镀 阳极电镀是适用于铝及其合金的一种化学电镀表面处理工艺。根据所使用的阳极电镀工艺的特殊类型，最终的阳极涂层可以改进耐磨性能、耐腐蚀性以及后期油漆或黏结处理中的粘附特性。 在较大或复杂的铝组件受限制区域进行阳极电镀以恢复以前的阳极电镀表面或满足规范要求时，使用选择性阳极电镀。选择性阳极电镀的SIFCO工艺是一种多功能工具，可以用于许多不同的要求严格的OEM和修理应用。车间和现场可以使用这种便携式工艺。 阳极电镀使用逆向电流（部件为正极）和合适的电解液在铝表面形成氧化物薄膜或涂层。阳极电镀涂层的主要类型是铬、硫、硬质涂层、磷和硼硫。目前已经扩展选择性电镀的SIFCO工艺，以提供便携式方法选择性地在各种局部区域应用中涂覆这些阳极电镀涂层。 阳极电镀薄膜的五种类型在使用的电解液、形成涂层的典型厚度和涂层用途方面存在明显不同。另外，它们是在明显不同的操作条件之下形成的。 在水性溶液或阳极电镀凝胶中可使用电解液进行选择性电镀。目前已有可用于这五种类型阳极电镀的溶液，以及用于铬酸、磷酸及硼硫酸阳极电镀中的凝胶。凝胶的操作条件与各自的溶液及质量相同的涂层质量相同。 在可能因喷溅或使用阳极电镀溶液而损坏的重要元件附近开展阳极电镀时使用凝胶。凝胶位于工件区域，不会溅入其他位置，例如飞机仪表、设备以及被腐蚀的裂缝。凝胶形成的涂层可以与溶液电解液所形成的涂层相媲美，可维持在被选定的工件表面区域内。 在军工和商业应用中，通常由于尺寸原因（补救）、腐蚀防护或耐磨目的而涂覆阳极电镀涂层。选择性阳极电镀满足MIL-A-8625一类、二类和三类阳极电镀涂层的性能要求。在消费品市场中，通常由于化妆品外观原因而使用阳极电镀。 选择性电镀工具 选择性电镀工艺使用的工具被称为电镀工具、铁笔或铁针。这些工具用于前处理以及刷镀、阳极电镀和电抛光工件表面。工具由以下元件组成：带有电气输入连接器的把手、阳极、阳极盖以及溶液流动装置。另外，工具必须具有高电流输电能力，不能污染溶液。 不可溶阳极仅用于选择性电镀。原因很简单：在承受选择性电镀应用所需的高电流密度时，阳极反应产物将聚集在可溶阳极上。阳极盖将含有反应产物，造成电流降低到无法接受。为此，不使用可溶阳极。 石墨和铂是十分卓越的选择性电镀阳极材料。更纯等级的石墨经济、导热、导电、无污染、容易加工且耐电化学影响。 虽然铂阳极更贵，但是在一些情况下也使用。这些阳极可以采用纯铂或者铌或涂覆铂的铌制造。一般铂阳极用于长期、重复或要求较厚刷镀沉淀物的刷镀应用。 当刷镀孔径低至1/16英寸时，可使用铂阳极。这种小直径的石墨阳极呈脆性，容易断裂。 由于选择性电镀仅在工具接触部件时出现，因此，最好选择能够覆盖部件最大表面积的工具。选择正确的工具也能确保表面精饰均匀。 制造商提供各种标准选择性电镀工具以及各种尺寸和形状的工具，以满足不同的表面形状要求。但是，需要频繁制造特殊工具，以满足特殊形状或较大面积的要求。正确设计工具对于成功进行表面精饰操作十分关键。 选择阳极盖是选择性电镀工艺同样重要的一个方面。阳极盖执行几种重要的功能，可在阳极和正在进行表面精饰的部件之间形成隔离层。这样可以防止出现已损坏工件表面的短路现象。吸收性阳极盖还可以将表面处理液均匀地分布到工件表面。阳极盖内保留的溶液为电源的直流电提供路径。所有选择性电镀工艺要求采用阳极盖。阳极盖也会对正在被处理的表面产生机械摩擦。 制造商销售的所有阳极盖材料需要经过掩蔽，以防止可能的污染物影响。看似相似的许多材料含有粘接剂、加强剂和润滑油，会污染表面精饰溶液。试验表明，这些污染物会对表面精饰质量和沉淀材料的附着力产生重大影响。应从溶液制造商获取适合于选择性电镀的阳极盖，以避免污染。 辅助设备 当较大工件表面要求执行表面精饰操作或者涂覆高厚度的沉淀物时，采用简便的泵或流动系统持续循环表面精饰溶液可以获得最佳结果。 由于其可以消除进入阳极消耗的时间并可以提供新鲜溶液以冷却工件表面，因而可以使用较高电流密度，因此，这种方法降低表面精饰工艺要求的时间。 在1安至100安范围内操作，以及无需预热表面处理液时，使用浸入式蠕动泵。在100安至500安范围操作以及必须预热溶液时，使用流动系统（包括规格从1加仑至10加仑的特殊制造镀槽）、重型磁性驱动泵和过滤器。 氨基磺酸镍刷镀溶液使用最复杂的流量系统，因为要求预热和持续过滤。这些设备配有几种规格的镀槽、设计用于高温操作的泵，提供过滤功能并能够在电镀时更换过滤器。另外，还包括一个加热器和加热器控制器，以预热溶液并维持在合适温度。流量系统也可以配备冷却设备，以用于阳极电镀和高电流刷镀操作。 频繁使用旋转设备加速和简化表面精饰操作。小型部件（即直径低于大约6英寸、长度低于2英尺、重量低于50磅）使用特殊设计的旋转头。在刷镀内径或外径时，通常使用旋转车床旋转较大部件。 在不能旋转部件时，可以使用特殊设备旋转阳极。对于直径高达1.5英寸的孔径，使用小型旋转设备。这些设备配有变速电机、挠性缆线和带有旋转阳极和固定手持外罩的特殊把手。对于1英寸至6英寸直径范围的孔径，要求使用较大的旋转设备。这些设备与较小设备相似，但是包括重型元件，可以通过阳极泵送溶液。 直径范围为4英寸至36英寸的孔径规格使用最大的旋转设备。这些设备配有两个相对的溶液供给阳极，采用变速电机转动。阳极安装在板簧上，可以施加大小合适的压力和补偿盖磨损。最高达150安时使用这些设备。不能手持设备，而是安装在支撑台上。 手动选择性电镀操作使用横臂，以提供机械振动或来回的“横向”运动。 优点和缺点 大约50%的时间使用选择性电镀工艺是因为这些工艺提供镀槽表面精饰工艺的超级替代方案，也是磨损、加工错误或损坏部件的更佳修理方法。 例如，是使用刷镀还是槽镀、焊接或金属喷涂取决于特定的应用。务必考虑其优点和缺点。 与其它处理方法相比，刷镀的优点是： ● 设备紧凑、便携。可以带到工作现场，因此不必拆卸或移动较大或复杂的设备。 ● 无需进行特殊的表面前处理，例如滚花、喷砂或挖槽。唯一的要求是表面合理清洁。通常使用溶剂清洁或工件表面喷砂就已足够。 ● 刷镀不会造成部件或工件表面大量发热。只是偶尔需要将部件加热到大约130，部件温度一般不会超过212。因此，不会出现部件变形。 ● 大多数金属和合金可以使用这种工艺。所有的常用金属可以达到卓越的附着力，包括钢、铸铁、铝、铜、镍和镍合金、不锈钢、锌、铬和钛。 ● 可以精确控制电镀沉淀物的厚度。通常，加工错误的部件可以电镀至符合规格，不需要返工。 ● 可以简便刷镀具有各种尺寸和形状的部件。 与其它处理工艺相比，刷镀的缺点是： ● 刷镀沉淀物的涂覆速率至少比槽镀快10倍。但是，与焊接或金属喷涂相比时，沉淀速率一般。除非考虑刷镀沉淀物质量以及刷镀通常可以消除其它工艺要求的前期加工或后期加工以及打磨需要，否则不能进行公平比较。由于通常可将部件电镀至合理尺寸，因而刷镀可以在更短的时间内制成成品。 ● 实际上，采用刷镀工艺可以涂覆的高厚度最硬沉淀物是54Rc。这种工艺形成的硬度不及其它工艺形成的最硬沉淀物。但是，其它工艺不能提供刷镀工艺可以涂覆的硬度或沉淀物类型的范围。 ● 刷镀通常是电镀复杂部件特定区域的一种卓越方法。但是，通常并不适合于电镀具有复杂外形的整个部件，例如咖啡壶。 刷镀沉淀物的质量 刷镀沉淀物符合其槽镀相应部分的性能要求。刷镀产品制造商继续改进其溶液以及开发新的溶液、程序和设备，以满足今天要求严格的应用。例如开发铬碳化物金属矩阵复合涂层用于高温氧化防护和特殊工艺，以及对钛合金进行特殊处理以获得OEM及补救应用中的附着性刷镀沉积物。 刷镀设备制造商一般为每种贵重金属提供许多电镀溶液。其中一种原因是提供特性选择。例如，一个用户需要硬质、耐磨的镍，但另一用户需要耐撞击的延展性涂层。由于金属延展性（不管是否锻造、铸造或电镀）一般随着硬度增加而降低，因此，采用一种溶液不可能满足两种要求。 刷镀制造商积极响应绿色镀液的发展趋势，提供镉的替代方案，例如锌镍和锡锌。另外还提供用于锌镍和阳极电镀涂层的三价铬转化膜。 附着力 刷镀的附着力性能卓越，可以与各种材料的优良槽镀相比，其中包括钢、铸铁、不锈钢、铜、高温镍基材料等。当电镀这些材料时，容易满足联邦和军用规格的附着力要求。很难电镀的金属（例如钨和钽）达到的附着力受到限制但是有时却十分有用。这就是现在已投入应用的可以在常见的钛合金上达到优良的附着力的工艺。 已经使用破坏性定性试验（例如凿子或弯曲试验）进行附着力评估。这些试验表明，刷镀沉淀物的附着力和内聚力大致与基底材料的内聚强度相同。 已经使用ASTM试验程序C-653-79“火焰喷涂涂层附着力或内聚强度标准试验方法”开展定量试验。例如：使用镍中性溶液电镀四种样品。试验期间，将镍电镀样品粘接到试验仪器的粘接剂失效。由于粘接剂的额定粘接强度约为11,300磅/平方英寸，表明电镀沉淀物粘接到基板的粘接强度至少为11,300磅/平方英寸。具有一般附着等级的均匀刷镀沉淀物通过了这一试验，具有至少11,300磅/平方英寸的附着和内聚强度。因此，刷镀附着强度超过火焰喷涂涂层的附着强度。 金相结构 可以在腐蚀或非腐蚀条件下检查电镀的金相结构。在非腐蚀条件下，大多数刷镀沉淀物的金相密度高，没有缺陷。一些较硬的沉淀物（例如铬、钴钨和最硬的镍）的微裂纹很像硬质镀槽铬。少数沉淀物会形成多微孔，例如镉和锌沉淀物。微孔不会影响这些沉淀物的腐蚀防护，因为它们已用于涂层中。与高密度沉淀物相比，多微孔结构具有优势，因为可以在外围温度和烘烤操作时自然释放氢。腐蚀刷镀沉淀物显示出可变的与镀槽沉淀物相同的微量结构。但是，刷镀沉淀物易于形成更细微粒。在刷镀沉淀物中没有看到粗糙微粒的柱状结构，例如瓦茨（Watts）镍镀槽沉淀物中发现的结构。 硬度 刷镀沉淀物的硬度在镀槽沉淀物达到的硬度范围之内。但是，刷镀钴和金比槽镀沉淀物硬。刷镀铬较软，因为槽镀铬一般位于750至1100 D.P.H.范围之内。 腐蚀防护 已经根据ASTM B-117在钢上进行刷镀镉、铅、镍、锡、锌和锌镍沉淀物盐雾试验。当与AMS和军用规格要求的结果进行比较时，刷镀沉淀物满足或超越槽镀的要求。 接触电阻 通常使用刷镀以确保印刷电路板、总线和断路器之间的配合元件接触优良。这些应用中需要低接触电阻。 氢脆变 现已开发用于电镀或达到高强度钢质部件的镉和锌镍电镀溶液，不需要执行电镀后降低氢脆变的烘烤。其它试验已经表明相似的高速刷镀镍展现出优良的氢脆变性能。 过去20年的氢脆变试验已经越来越严格。一种未烘烤的碱性刷镀镉沉淀物已经通过飞机制造商的试验，强度达到可以想象的最高程度。试验由以下步骤组成： 1. 准备六件SAE 4340有槽拉伸样品，加热处理至260-280千磅/平方英寸，槽孔半径为0.010英寸。 2. 使用0.5至0.7密耳的镉电镀样品。 3. 对杆施加75%的槽孔拉伸强度。 4. 维持200小时。 截止目前获得的证据表明刷镀对基底金属造成的氢污染程度较低。 代表性作业 例如，为了说明如何刷镀，考虑在半径高达0.002英寸的外罩之内电镀直径为6英寸，长度为2英寸的钻孔。 由于部件太大，不能进行机械旋转，因此采用手动操作。将部件设置在处理期间方便操作人员和可以控制溶液和冲洗的位置。 预清洁将要电镀的区域，以清除可以看见的油圬、润滑脂、灰尘和锈蚀薄膜。采用溶剂清洁相邻区域，以确保粘附防护物。靠近钻孔的区域采用防护物覆盖大约两英寸。 找到基底材料并检查供应商手册，以确定准备程序。例如，如果基底材料为铸铁，则涉及三个步骤：电清洁、腐蚀和除污。 有几种镍和铜电镀溶液适合于这种应用。如果选择碱性铜溶液，则要求采用镍预先电镀或“预涂覆”，以确保充分的附着力；因此，要求采取五个步骤的准备和电镀程序。 每一步骤选择合适尺寸和形状的工具。可以覆盖大约10%总面积的工具适合用作准备基底材料。电镀工具应接触更多表面面积，因此电镀速度更快；因而，需要更为仔细地选择用于电镀的工具。这种工具比准备工具大，可以覆盖钻孔的全部长度。使用合适的盖子覆盖工具的阳极部分。 选择工具之后，将合适数量的溶液倒入容器。电镀溶液应足以浸泡阳极盖并完成电镀操作，中途不会停止。然后连接电源，方法如下：负极（黑色）引线连接部件（阴极），正极（红色）引线连接工具（阳极）。 开始作业之前，操作人员需计算一系列公式，以确保正确开展作业。这些公式中使用的一些常用符号和定义参见表五。该作业使用的公式和样品计算如下。 1. 计算将要电镀的面积（A） A = 3.14×直径×长度 A = 3.14×6×2 = 37.7 平方英寸。 2. 计算所需的安培小时。 安培小时 = F×A×T 安培小时 = 150×37.7×0.002 安培小时 = 11.31 3. 计算大致的电镀电流（EPA） EPA = CA×ACD EPA = 6×5 EPA = 30 A 4. 计算所需的电镀时间（EPT）。 EPT = [安培小时×60] / EPA EPT = [11.31×60] / 30 EPT = 22.6 分钟 5. 计算转速（RPM）。 RPM = [FPM×3.82] /直径 RPM = [50×3.82] / 6 RPM = 31.8转/分 6. 计算所需的电镀溶液体积（V）。 V = 安培小时/MRU V = 11.31 / 44.5 V = 0.255升 最后，操作人员需准备包含此信息的工艺表。本表含有正确执行工艺操作所需的所有信息（溶液和使用顺序、电压、极性、估量的电镀安培、安培小时、时间等）。 结论 虽然本文的着重点是选择性刷镀的工艺，但是，业界也广泛使用其它便携式工艺，例如选择性阳极电镀和选择性电解抛光。当所需沉淀物厚度低于0.035英寸时，选择性电镀是槽镀和其它工艺（例如热喷射）的可行的替代方法。采用这种工艺，您可以在车间或现场涂覆局部沉淀物和涂层，厚度控制极为精确。选择性电镀是OEM和修理应用的一种灵活可靠的工艺。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2010)