第八讲──影响镀层厚度分布均匀性的因素
1 使镀层厚度分布均匀的重要性
电沉积时总希望镀层厚度在工件上的分布越均匀越好。当工件上沉积的总金属量相同时，若厚度分布不均匀，则会带来很多坏处：
（1）对于阳极性镀层，镀层薄处经不起牺牲腐蚀会先使基体产生锈蚀。而一个制件部分锈蚀后则已不合格，造成了镀层过厚处金属的浪费。若为保证最薄处不生锈，只能加大平均厚度，导致电镀成本增大。
（2）对于阴极性镀层，薄处镀层孔隙率高，很易产生点状锈蚀，继而锈点加大，形成连片锈蚀。与阳极性镀层相比，阴极性镀层薄处锈蚀更快。对于局部防渗氮、渗碳镀层，薄处易形成孔眼，失去保护作用。若厚度均匀则各部分孔隙率差别不大，总体防蚀性提高。例如，对电池钢壳滚镀亮镍，壳内(特别是靠底部的地方)镀层很薄，甚至在清洗烘干时即已起小锈点、泛黄，为此要“出白”处理，迅速用水溶性封闭剂封闭后干燥。
（3）对于光亮性电镀，镀层薄处因阴极电流密度小，故光亮整平性差，影响整体外观。
（4）合金电沉积时，不同厚度处的合金组分不相同，或外观不均(如仿金镀)，又或抗蚀性不一致(如锌镍合金)。
（5）不同厚度处镀层的物理、机械性能(如脆性、内应力等)不一样。若镀后还要作冲压成型等机加工处理，镀层过厚处往往机加工性能不良(起皮、开裂、粉状脱落等)。
2 镀液性能因素──电镀液的分散能力
2.1 镀液的分散能力与深镀能力
这是镀液的两项重要技术指标，一般为新工艺研究的必测指标。
镀液的分散能力是指镀液使镀层厚度分布均匀的能力，又称均镀能力，通常用T·P表示。在其他条件相同时，分散能力越好，则镀层厚度分布越均匀。测定分散能力的方法常用“远近阴极法”，其结果应标出K值(远近阴极距离之比)及所采用的计算公式，否则是无意义的；也可用赫尔槽试片测定3或8个点的镀层厚度再作计算。
镀液的深镀能力是指镀液使复杂件深凹处沉积镀层的能力，又称覆盖能力。常用通孔或盲孔管件作试验，比较镀层深入的尺寸。其结果应标明孔内径、管长与试验时管件的悬挂方式，否则无可比性。
分散能力与深镀能力属于“铁路警察各管一段”：分散能力只管厚度均匀性，不管复杂件深凹处能否沉积上镀层；而只要复杂件深凹处能沉积上镀层，则可认为深镀能力好，但不管各处镀层厚度的差异有多大。有关镀液分散能力影响因素的结论比较明确，但对影响深镀能力的因素却缺乏研究。只能推断金属的析出电位越正，深镀能力就越好。原因是工件深凹处阴极电流密度很小，阴极极化值也就很小，测定出的阴极负电位也负得少。
2.2 阴极上的电流分布
当只考虑几何因素对阴极电流分布的影响时，称为“一次电流分布”；若同时考虑电化学因素的影响，则称为“二次电流分布”。电流分布不等于金属分布，因为后者还与不同阴极电流密度时的电流效率有关。在此，先讨论二次电流分布的影响因素，即不考虑阴极电流效率影响的问题。显然，此时工件上的阴极电流密度分布越均匀，则镀层厚度分布越均匀。
2.2.1 几个概念
（1）远阴极与近阴极
将一个工件装挂于阴极杆上，同一个阴极工件的不同部位到阳极的距离不可能完全相同(与工件装挂方式及其本身形状和复杂程度有关)。离阳极最近的一点(或线、面)称为“近阴极”，其与阳极的距离以l近表示；离阳极最远的一点(或线、面)称为“远阴极”，其与阳极的距离用l远表示。
（2） 远近阴极距离差
远、近阴极与阳极距离之差，称为远近阴极距离差，以∆l表示，则Δl=l远−l近。
（3）镀液的电导率
镀液为正负离子导电，是第二类导体，它也存在电阻。镀液单位体积(边长为1cm的正方体，即1cm3)的电阻称为镀液的电阻率，以ρ表示。电阻的倒数称 为电导，电阻率的倒数则为电导率，单位为“西门子/厘米”(S/cm)。电流通过电阻时会产生电压降。平时所说的“槽电压”就是电流通过镀液、阴极杆与挂具、挂具与工件及阳极相关部分总串联电阻的电压降。镀液的电导率越高，则槽电压越低。整流器的输出电压要高于槽电压，其差值则为汇流排、汇流排与阴阳极杆接触电阻、汇流排与整流器输出板接触电阻等“外电阻”的电压降。若汇流排(或软线)面积过小、接头太多或接头接触不良，外电路上发热量大，直流损耗也就大。当阴阳极杆的截面积过小时，也有压降损失，两个端头测得的槽电压会有差别。将直流回路上的电压损失尽量降低，是必要的节能措施。滚镀时，浸入镀液中滚筒孔眼的总表面积为镀液的导电面积。若滚桶孔眼过小、开孔率过低，该值则很小，槽电压很高，槽液发热快，甚至整流器开至最大，电流也上不去。如镀亮镍，挂镀时选用12V整流器已可，而滚镀一般应选15~18V的才行。
（4） 阴极极化度
阴极极化度Δϕk为阴极极化曲线的斜率.
2.2.2 影响二次电流分布的因素
设近阴极的电流密度为Jk,近，远阴极的电流密度为Jk,远，则可推导出下述公式：
当远、近阴极的电流密度相等，其上镀层厚度相同，分散能力最好。但实际上不可能办到，只能希望两者越接近于1越好。为此，式右边第二项越接近于零或越小就越好，即分子越小或分母越大就越好。阴极极化度与添加剂、配合物电镀的配合状况等有关，而提高电导率可通过加入导电盐、调整pH等来实现。
（1）远近阴极距离差∆l越小越好
对于平板件的装挂，有如图1所示A、B、C三种挂法：A为板平面与阴极杆平行，此时∆l最小，仅为板厚度的1/2，但挂件数最少；B为倾斜一定角度，随着倾角不同，∆l也不同，装挂量比A大；C为板平面与阴极杆垂直，此时∆l最大，为板宽度的1/2，但装挂量最大。从分散能力的角度讲，A最好，C最差。A挂法虽一次装挂少，但镀速最快，整板亮度最均匀，可能5min能取一槽。而B特别是C挂法会有以下问题：
① 电流不敢开大，否则近阴极处易烧焦。
② 因分散能力差，镀层厚度相差大，要保证板中间部位的最低厚度，边上部分就要镀很厚，加之平均电流密度不能大，故要镀很长时间，甚至一个多小时，浪费了镀层金属，想快反而快不起来。
③ 对于任何光亮性电镀，阴极电流密度越小处光亮整平性越差，最后整板亮度不均匀。譬如板件氯化物镀锌后若彩钝，板周边附近色泽鲜艳但中间部分色淡甚至灰暗，蓝白钝时周边蓝度好，但中间部位发黄、发花。
④ 引发其他问题，甚至造成返工。例如光亮酸铜前预镀暗镍或铜，预镀层都薄，中间部位更薄，再镀酸铜时，中间部位阴极电流密度又小，电沉积速度可能小于通过高孔隙的置换速度，造成中间部位因严重置换而发花、起泡、脱皮。
（2）近阴极到阳极的距离越大越好
l近越大，则电流密度分布越均匀。要增大l近，一般只有加大阴阳极间的距离。对于图1中的A挂法，不但∆l最小，而且l近也最大。为加大阴阳极间的距离，镀槽不宜设计过窄。单排电镀时，槽净宽不宜小于0.8m。即使槽的净宽达到1m，除去槽两边阳极所占位置，以及槽侧加热/冷却器本身与阳极绝缘物(防止加热/冷却器与阳极相碰而打火击穿)所占位置，实际最大阴阳极 距离也仅0.4m左右。另外，当镀槽不够宽时，不宜挂双排工件。若要挂双排，槽净宽不宜小于1.2m。
2.3 金属分布
实际金属厚度的分布还与阴极电流效率随阴极电流密度变化的情况有关。有3种情况：
（1）阴极电流效率几乎不随阴极电流密度变化而变化。这种情况不多见，硫酸盐酸性镀铜基本属于这种情况。此时金属的分布与二次电流分布基本一致。
（2）阴极电流密度增大时阴极电流效率下降。多数工艺属于这种情况，阴极电流密度增大时，副反应(如析氢)加剧，阴极电流效率降低。此时，金属分布均匀性好于二次电流分布均匀性。原因是近阴极处电流密度大，但阴极电流效率低，部分抵消了由于阴极电流密度大所导致的镀速提高。
（3）阴极电流密度增大时阴极电流效率也增大。这种情况也不多，六价铬镀铬即是如此。此时金属分布均匀性比二次电流分布均匀性还差：近阴极处电流密度大，镀速快，若阴极电流效率大，主反应强烈而析氢副反应减少，这无异于“雪上加霜”，使金属分布更不均匀。
3 阳极的影响
阳极的分布影响电力线的分布。电力线越密集之处，电流密度越大，镀速也越快。电力线分布越均匀，则阴极电流密度分布越均匀，镀层厚度分布也越均匀。
3.1 水平方向阳极排布的影响
水平方向阳极排布是均匀分布好还是集中分布好？是密一点好还是稀一点好？对于长件电镀(如钢管镀锌)，生产中常有如图2中a、b、c三种阳极排布。
采用a的阳极分布时，水平方向阳极总长度超过工件许多，工件左右两头的电力线过于集中、紧密，采用b排布，阳极水平方向两头均短于工件长度(一般宜短10~15cm)，则电力线分布较均匀，工件两头镀层不致过厚，也不易烧焦，是合理的阳极分布。因此，阳极在阳极杆上的位置不应一成不变，而宜根据工件情况，适时给予恰当的调整。
图2中c排布则阳极过少、过稀，当阳极过稀时，电力线分布很不均匀，离阳极近的一段电力线密集，电流密度较大，镀层光亮性好；两阳极间隔处对应的工件部分则情况刚好相反。原则上，在阳极面积允许大的情况下，阳极越密集，则电力线分布越均匀，电镀效果越好。
3.2 垂直方向阳极长度的影响
3.2.1 滚镀的阳极长度
滚镀时，工件集中在滚桶下部分。当阳极过短时，仅通过滚桶上部孔眼使上部工件导电，而集中在桶下部的工件则缺少电流，因而耗时长且效果差。原则上，阳极长度超出滚桶最下部分10~15cm，工件的受镀面积才最大，滚镀快且效果好。
3.2.2 阴阳极的相对长度与上下相对位置
（1）一般而言，阳极的长度应略短于工件(或挂具)垂直方向的长度；否则因槽底空间过多，阳极又过长时，工件下端电力线过于集中，下端镀层厚且易烧焦。对于定型产品加工，应先认真考虑阳极或挂具的设计。
（2）当工件较短时，对于定型产品，最好设计挂具，多件连接装挂；对于非定型产品，若图省事，为取挂快而不愿连接，单件钩或栓挂，则一方面应注意铜挂钩长度要适宜，另一方面只能减小平均电流密度以防上部或下部烧焦。当工件悬挂较深时，上部易烧焦。
实际生产中，阳极长度是不好轻易变动和灵活掌握的。像镀铬的不溶性阳极，一旦成型就很难改变，此时不妨采用“阳极屏蔽法”来调整其有效导电长度：阳极外面设一个两头系软线的PVC塑料板，通过调整其高度来调整阳极被屏蔽的下端长度，起到调整阳极有效长度的作用。而对于可溶性阳极，多数会出现溶损后过短的问题，故应及时检查、更新。
4 传质不均造成厚度分布不均匀
当电镀大平面工件(如大铁板镀锌)时，由于平板中间部位的主盐金属离子消耗后的传质补充速度小于周边主盐金属离子的补充速度，浓差极化较大，往往中间部位镀层薄、亮度差。此时若静镀，效果很差，采用阴极移动则稍好。当允许空气搅拌时，最好采用空气搅拌。另一办法是在板中间部位设法加辅助阳极。
本文来自《电镀与涂饰》2009年第28卷第3期。
