18 章 铝及铝合金的电镀

18 章 铝及铝合金的电镀

第 18 章　铝及铝合金的电镀

这是一种工艺技术 ，是利用电化学方法 ，对金属或非金属的制件 ，进行表面处理 ，具体是在含有镀层金属离子的电解液中。在此把镀层金属或不溶性金属当作阳极 ，将被镀金属或非金属制件看成阴极 ，然后通以直流电。如此一来 ，制件的表面就会电沉积一层金属 ，而这个过程就被称作电镀。

想要获得金属镀层，可以采用电镀这种方法，它能通过对电镀时工艺参数的把控，像镀液成分以及pH值、电镀时的温度、时间、还有电流密度等等，从而得到所需的镀层厚度，借助电镀还能够在大多数的金属材料上面镀覆金属及其合金层，以此让金属制品能够满足一定的要求。

① 对制品表面施以装饰性外观，改变色调和增加光泽；

② 提高金属表面的抗腐蚀性能，延长使用寿命；

第③点，对金属制品与非金属制品表面之处的力学性能加以改善，诸如提升硬度，增强耐磨性，增添润滑性，以及提高耐热性等等。

赋予制件表面特殊的物理性能，这种性能有钎焊性，有磁性，有电磁屏蔽性，有导电性，还有其他特殊功能性。

18.1　铝及其合金制件电镀的重要性［1-3］

自二十世纪二十年代，世界上首例电镀专利发表之后，电镀率先于钢铁制品之上，得到了迅速且广泛的运用。

铝及其合金具备质轻的特性，有着比强度大的优点，在通常环境当中不容易被腐蚀，这些优良性能，让其备受人们的青睐，它已经被广泛应用于飞机领域、汽车行业、航天器材方面、石油化工范围、通信网络区域、计算机范畴、电器等各个工业部门里边，以及家庭的日常用品里头，铝及其合金已然成为当今世界除了钢铁以外使用最为广泛的金属。

质地偏软的纯铝，虽有着较高耐蚀性，可在机械强度要求较高的场合，是无法满足要求的。为提高铝的机械强度，常常会在铝中添加像镁、铜、锌、硅又或者锰等若干合金元素从而形成铝合金，然而铝合金的耐蚀性相较纯铝却明显下降了，再加上铝合金存在耐磨性差以及接触电阻大等缺点，在诸多场合影响到了铝合金的使用性能。所以，在铝及铝合金制件上进行电镀就显得格外重要，刚好能够弥补其某一方面的不足 ，正越来越引发人们对于它的关注。然而，鉴于铝以及其合金自身所具备的化学与物理特性，致使铝制品上面的电镀相较于钢铁基材之上施镀是困难许多的，因而必须开展一些特殊的处理。

18.2　铝及其合金的化学物理特性

铝以及它的合金，具备着强度比较高，并且密度极小，有着质地轻便这种特点，还易于加工从而形成形状等优秀的特性，然而，它们存在一些化学物理特性，这些特性对于在其制品的表面开展电镀这件事情来说是不利的。

① 由于铝的标准电极电位呈现极负的状态（EΘ=-1.67V），所以当制件浸入槽液之中时，很快就会与槽液里电位相对较正的金属离子产生置换反应，进而生成结构疏松且容易剥落的接触镀层，最终对后续电镀层的结合力造成影响。

② 铝，其化学性质极为活泼，对氧有着很强的亲和力，极容易生成氧化铝（Al2O3）薄膜，在利用碱蚀、酸浸等方式除去旧氧化膜后，其表面又会迅速生成一层全新的氧化膜。

③ 铝属于典型的两性金属，在酸溶液里容易溶解，在碱溶液当中也容易溶解，其基体易于被腐蚀。在电镀槽液之中，会因为铝的溶解致使 Al3+增多，进而污染电镀溶液。

电镀时，铝因其线胀系数比多数金属大，铝为24×10 - 6/℃（20℃），镍为13.7×10 - 6/℃（20℃），铬为8.1×10 - 6/℃（20℃），基体与镀层间易生内应力，进而影响镀层结合力，尤其温度变化时，镀层易现裂纹、起泡、起皮等缺陷。

⑤ 铝合金当中要是有硅元素、铜元素、镁元素等，这些元素的含量越高，通常对于镀层的结合力所产生的影响就越大。

上述这些因素，直接致使铝及其合金制件上电镀的难度得以增加。为可以获取到结合力优良的镀层，除开如同其他金属制品在施镀之前务必要严格开展除油、除锈等镀前预处理之外，还得采取某些特殊的镀前预处理办法，将制件表面的氧化物去除掉，并且有效地防止其再次生成，阻拦铝及其合金制件在电解液里置换反应的出现，从而让电镀过程能够顺利地进行。

十八点三，镀前预处理方式，十八点三一，预处理常规技巧以及工艺准则规范。

铝以及它的合金所制成的制件，在电镀之前的预处理常规办法，不存在任何特别突出的特性，跟铝的阳极氧化、化学转化膜处理情况相同，制件的表面依据不一样的需求，开展喷丸（砂）、机械抛光、化学或者电化学抛光、化学清洗以及浸蚀等步骤，其一般的工艺规范如下。

（1）利用有机溶剂开展除油操作，借助汽油、三氯乙烯等有机溶剂去洗去制件表面所存在的油污 ，近年来研发出了诸多可供使用的金属清洗剂，并且一些专门服务适用于制成铝制件的金属清洗剂已然实现商品化，这些也均可予以使用 ，目的在于避开有机溶剂具备的可燃性以及毒性所带来的危害。

（2）碱性除油

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该配方，一方面能够将制件表面的油污除掉，另一方面会使表面的自然氧化膜被溶解，进而让基体金属表面暴露出来，最终使制件具备理想的镀前表面状态。

（3）碱蚀

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（4）进行酸洗出光操作，将制件表面碱蚀之后的挂灰以及其他成分予以除去，从而让基体金属的结晶能够充分暴露出来，其工艺规范如下：

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配方 2 适用于高硅的铝合金，特别是铝合金铸件。

18.3.2　预处理的特殊方法

制件是铝及其合金制成的，经过上述常规预处理之后，表面的油污、脏物以及自然氧化膜都被除去了，基体金属得以充分暴露。然而，该表面会马上和空气或者溶液里的氧反应，氧化后生成一层薄且致密的氧化膜，因此在电镀之前还得进行一些特殊的处理法子。主要包含以下几种：

① 经盐酸浸蚀活化表面后直接电镀或先预镀中间镀层；

② 阳极氧化；

③ 条件化处理；

④ 浸锌处理；

⑤ 化学镀 Ni-P 合金；

⑥ 浸 Ni-Zn 合金处理。

18 点 4，预处理特殊方法的工艺规范以及电镀实例，其中编号为 4 至 42，18 点 4 点 1，盐酸活化直接镀硬铬。

制作流程是，先进行除油处理，接着实施碱蚀操作，随后做出光的步骤，再开展HCl活化行为，之后进行电镀硬铬过程，最后开展后处理动作。

（2）活化液工艺规范

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天津大学的姚素薇，［4］等其他人，运用刚才提到的办法，于铝合金制件之上，得到了质量值得信赖的硬铬层。

（3）镀铬工艺所遵循的规范。在1920年的时候，G. T. ［5］率先凭借CrO3和H2SO4提出了关于镀铬的工艺。到了1925年，C.G. Fink［5］把镀铬工艺引入到了工业生产当中。镀铬有低、中、高这三种不同的浓度，一般是以中等浓度作为标准的镀铬液，它的工艺条件如下：

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使工艺规范发生变更，于标准镀铬液之中能够获取装饰铬层或者耐磨硬铬层。然而，为了达成节省 CrO3消耗之目的，且将废水、废气里的含铬量予以降低，电镀硬铬层通常会采用低浓度的镀液，以下是其工艺条件：

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1967年，有着W."6，10"之称身份的美国，申请了一项有关包含稀土化合物的镀铬方面的专利。1974年，被称作贺考昭"6，10"的日本，发表了1篇有关运用稀土化合物在低浓度的情况下进行镀铬的文章。20世纪80年代时，我国有着陈惠国"7"这样称呼的等人，也在这一领域方面展开了研究，并且渐渐将其推广应用到生产实际当中。陈氏镀铬液涉及的工艺条件是如下这般：

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注：S为面积。

加入稀土的镀铬液具有如下特点：

① 稀土化合物对于 CrO3 电解液而言，有着它那独特的作用，少量的稀土阳离子在电沉积的过程当中，对电解液的阴极还原进程产生强烈影响，进而改变了电化学特性。

② 稀土阳离子能对镀液性能起到改善作用，它使得镀液可以在低温范围以及宽温度范围之内进行操作，进而能够让 CrO3 浓度得以降低，如此一来可以节约成本，并且还能减少环境污染。

添加少量稀土化合物，能够极大程度地提升阴极电流效率，以及分散能力，还可以使镀液性能中的光亮区范围得到提高，并且能够进一步增强镀铬层硬度方面、耐磨性能方面、耐蚀性方面等镀层性能。

依据本法所获取的那个硬铬层对铝基体而言结合力是良好的，其显微硬度在镀前呈 HV109这一数值，镀后硬度有所增加，耐磨性能相较于镀前有近乎约5倍如此程度的提高。

18.4.2　直接镀锌或闪镀 Zn-Fe 合金预镀层

是这样子来的工艺流程，先是经过去除油污这一步骤，然后实施碱蚀，接下来进行出光，之后镀上叫做电镀锌或者 Zn-Fe 合金的预镀层，最后开展后处理有。

镀锌前预处理均采用常规方法。

（2）工艺规范

① 直接电镀薄锌层

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本法对高纯铝适用，这种电解液有特点，其氢氧化钠含量比一般氰化镀锌电解液低，其质量最好与氧化锌含量相近，如此可减少游离NaOH对铝件的腐蚀，从而改善镀锌层与铝基体的结合力，另外本法使用的电流密度DK较低，所以能相应减少游离NaCN的量，操作时直接带电进槽电镀就行。

② 闪镀锌铁 Zn-Fe 合金

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能作为Fe2+络合剂的，是三乙醇胺、葡萄糖酸钠、酒石酸盐或者山梨醇的混合物。镀锌添加剂有的是要加入有机胺 - 环氧氯丙烷系列的光亮剂，像DPE -Ⅲ 这类的。

（3）镀层性能

Zn - Fe合金镀层呈现出灰色，含有的铁量处在3%至5%（质量分数）这个范围。它能够跟基体铝、镀铜层进行相互扩散从而形成合金，此外它的热胀系数与铝非常相近，所以镀层结合异常牢固。

② 电镀 Zn - Fe 合金层，均匀地覆盖在整个铝及其合金制品的表面，镀液的分散能力很强，进而确保随后的电镀能够正常开展。

③ 铝制件在经过闪镀 Zn - Fe 合金之后，再去镀铜等其他金属镀层时，必须要带电入槽，要以大电流去冲击镀，这个大电流是正常电流密度的 2 至 3 倍，冲击镀的时间为 3 至 5 分钟，之后接着按正常电流密度施镀，一直到达到所需厚度为止。

④ 镀液里，高氢氧化钠浓度对铝基体有着活化作用，闪镀的 Zn - Fe 合金层比较薄，能够再镀氰化铜层，之后在酸性镀铜槽液中加厚，并且还可以套镀镍和铬层用作装饰用途。

18.4.3　直接预镀镍后仿金镀

除去油污，进行碱蚀处理，然后出光，接着预镀镍，再镀光亮镍，之后进行仿金电镀，最后做后处理，这是工艺流程。

（2）工艺规范

•预镀镍

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•镀光亮镍

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•仿金镀

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仿金镀层也就是 Cu-Zn 合金镀层，通过对镀层当中的铜、锌比例予以调节，能够得到类似 18K、24K 金那般的金黄色镀层。

18.4.4　阳极氧化后电镀

（1）磷酸交流阳极氧化后镀亮镍套铬

下面是工艺流程，先是除油，之后是碱蚀，再之后是出光，接着是阳极氧化，然后是活化，随后是电镀亮铜，再接着是脱膜，之后是镀亮镍，接着是套铬，最后是后处理。

② 工艺规范

•阳极氧化

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在槽液当中能够添加一些无机物，这些无机物主要是用于增加氧化膜的孔隙率。当进行硬铝氧化的时候，电压以及时间要取下限，而防锈铝、纯铝氧化时电压、时间要取上限，并且电压需要软启动。从配方 3 开始，先是 60s 电压为 45V，在这之后维持在 30V就行。添加硫酸能够增加溶液的导电性，借此减少外形复杂零件对于电流密度的敏感性，同时还能够缩短阳极氧化时间，添加冰醋酸同样是为了进一步改善氧化膜的质量，进而提高铝和铝合金与电镀层的结合力。配方2里的磷酸浓度范围极为宽泛，能够依据不一样的铝合金牌号试验，来确定适宜的浓度以及电压范围，借此在铝基体之上生成厚且多孔的氧化膜，能在膜孔底以及膜面上产生金属的沉积，增高镀层的结合力。

•活化

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•电镀亮铜

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正在进行镀件操作，镀件是带电进入槽内的，电流呈现出逐级上升的态势。首先，在电流为0.2至0.3A每平方分米的情况下进行电镀，持续时间为5至10分钟；接着，在电流为0.5至0.6A每平方分米时进行电镀，时长为15至20分钟；最后，在电流为0.8至1.0A每平方分米时开展电镀，时间跨度是20至25分钟。

•脱膜

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•电镀亮镍

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•电镀铬

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（2）镀铜槽液里，阳极氧化反向电镀铜。复旦大学的郭湛和、郁祖湛［20］开展研究，在铝合金制件上一步法镀铜取得成功，且其已投入生产。该方法的特点在于，在镀铜电解液中，先把铝件当作阳极，于1.0至2.5A/dm2的条件下，处理30至60分钟，促使铝件表面先生成一层Al2O3氧化膜，而后将电流反向，好让铝件作为阴极进行铜的沉积。在这铜层之上，还能够再镀其他金属，像镍、银等。这一工艺，适用于那些，由防锈铝、锻铝、硬铝、压铸铝等合金打造而成的制件的电镀，特别地，它非常适用于那种，铜含量比较高的铝合金。

① 镀前预处理方法采用常规工艺。

② 工艺规范如下。

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18.4.5　表面条件化处理后电镀

通过把铝及其合金制件浸在存有络合剂的腐蚀性溶液里作微腐蚀，且在其表面生成络合物，进而阻止氧化膜再次生成，还让制件表面维持良好活性状态，此为表面条件化处理的原理。条件化处理工艺规范列于表 18-1。

表 18-1　条件化处理工艺规范

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铝及其合金制品表面，在经过条件化处理之后，能够进行预镀镍，还能够进行化学镀Ni - P合金等18 章 铝及铝合金的电镀，之后再电镀所需的镀层，以此让镀层获取良好的结合力，在试验条件下不会出现起皮的情况，不会出现起泡的情况，也不会出现脱落的情况。

18.4.6　浸锌处理后电镀

（1）一般概念，铝以及其合金所制的部件表面，在经过常规的预处理之后，再去进行浸锌处理。这是当前铝合金电镀运用得最为广泛而且最为成功的一种方式。浸锌溶液的配方数量不少，溶液浓度存在低、中、高的不同区分。处理方法从一次浸锌转变为以两次浸锌为主。目前又从单纯的浸锌发展到浸锌合金等方法。

浸锌典型工艺规范见表 18-2。

表 18-2　浸锌典型工艺规范

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（2）浸锌的机理以及所起的作用情况。当把铝及其合金制件浸入到表18 - 2所列出的那个溶液当中的时候，这时候就会发生如下的反应。

阳极：　　　　Al+3OH-→Al（OH）3+3e

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阴极：

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Zn2++2e→Zn

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在上述反应里，铝被溶解掉，锌进行置换并沉积在铝基体表面。因为锌与铝的标准电位较为接近，并且氢在锌表面的超电压比较高（0.75V），所以所发生的共轭反应缓慢且均匀，所形成的置换锌层相对致密。D. S. ［27］觉得：一般性的锌置换过程是让3个铝原子被溶解，置换成2个锌原子。若于置换液里添加三氯化铁（FeCl3）1g/L，以及酒石酸钠钾（·4H2O）10g/L，那么会致使9个铝原子溶解进而置换出1个锌原子，如此便能提升铝表面的活性，从而获取较薄且结合力强的Zn - Fe合金层，与此同时加入镍离子能够形成Zn - Ni合金，这些合金的氧化趋势相对较小，可让浸锌层维持活性，还能使其耐蚀性能得到提高。