第十二讲──影响镀层烧焦的因素
烧焦是电镀的常见故障之一。指工件阴极电流密度过大而超过工艺规范上限时镀层出现的非正常沉积。本讲将从道理上对引起烧焦故障的多种可能原因进行简单分析。
1 烧焦现象
烧焦的共同点是：位置总出现在阴极电流密度最大的工件凸出或端头部位，决不会出现在工件深凹处的低电流密度区。但对于不同镀种或同一镀种的不同工艺，烧焦的外观表现不尽相同。例如：
对于氯化物微酸性镀锌，烧焦呈疏松黑色海绵状； 而对于碱性锌酸盐镀锌，烧焦呈白灰色粗糙状，镀层附着力尚好。
对于氰化镀铜，烧焦呈结晶不细致的砖红色；光亮酸铜的烧焦呈暗色海绵状疏松物；而对于多数无氰碱铜，烧焦呈暗色较粗糙结晶。
对于镀镍，烧焦处镀层粗糙且常伴有脱皮现象。镀铬的烧焦呈灰色无光状。酸性光亮镀锡的烧焦则呈暗色雾状。
2 烧焦的实质
阴极电流密度越大，主盐金属离子放电还原越快。当扩散、对流、电迁移的传质速度低时，阴极界面液层中主盐金属离子浓度低，浓差极化过大，H+易放电还原而导致析氢。剧烈的析氢使还原后的金属原子无法排列为正常结晶而形成疏松多孔的沉积物。另外，析氢后界面液层中pH升高，可能形成金属氢氧化物(甚至进而分解为氧化物)或碱式盐，并夹杂在镀层中。上述两种情况下均不能形成结晶有序排列的正常镀层而出现烧焦。即烧焦的根本原因可归结为：
（1）阴极界面液层中主盐金属离子浓度过低；
（2）主盐金属离子放电过于困难，造成 H+放电析氢
（3）阴极界面液层中 pH 过高；
（4）镀层中夹杂较多非纯镀层金属的化合物。
烧焦的多种外在原因均可根据上述几条加以分析和理解。
3 烧焦的多种可能性
3. 1 其他条件正常时的烧焦
任何电镀工艺条件中都规定有相应工艺允许的阴极电流密度(一般指平均电流密度)的范围。即使镀液成分、液温、pH、搅拌等条件均正常时，所施加的阴极电流密度过大，超过工艺允许的上限时，镀层也易烧焦。电镀直流电源应均可从 0V起连续调压，正是为了适应将电流密度调整到较佳值的需要。对于定型产品或尺寸镀铬件，可根据槽中工件的表面积来确定所采用的总电流。对于非定型产品，则只能灵活掌握。根据相应工艺，对电流进行灵活调整，是电镀熟练操作人员应具有的基本素质之一。电流过小时，生产效率低，低电流密度区镀层光亮性、整平性下降，深镀能力差；若电流过大，则工件易烧焦。在大生产中，常见几种不良操作方式：
（1）随意开电，掌握不了最佳值，其中也包括实际经验不足。如氯化钾镀锌时，工件上不冒氢气泡，说明电流肯定小；大冒氢气泡处，则必然产生烧焦；最佳情况是工件尖角凸起处略冒氢气泡。不锈钢或镍上闪镀镍时，必须大冒气泡，否则活化作用不良。酸性亮铜不允许冒氢气泡，否则冒泡处必然烧焦。
（2）手工操作时整槽工件取出部分后不及时减电，余下部分电流密度过大，特别是空缺边上的一挂上电流密度最大，很易烧焦。
（3） 取完工件后也不降低整流器输出电压，再放入的少量几挂电流过大，入槽即烧焦。电镀镍等易钝化金属时，因双性电极现象过强，局部还易起皮。正常操作是依槽中工件多少，及时增减电流。
3. 2 非正常情况产生的烧焦
3. 2. 1 主盐浓度过低
对于氯化钾镀锌、光亮酸铜、镀镍等简单盐电镀， 当主盐浓度过低时，镀层易烧焦。原因是：(1)主盐浓度过低时，阴极界面液层中主盐浓度本身很低，电流稍大，放电后即缺乏金属离子，H+易乘机放电；(2)镀液本体的主盐浓度低，扩散与电迁移速度都下降，阴极界面液层中金属离子的补充速度也低，浓差极化过大。
配合物电镀则较复杂。若单独提高主盐浓度，则配合比变小，阴极电化学极化不足。在保持配合比不变的前提下，要提高主盐浓度，配位剂浓度应按比例提高，即镀液应浓，但这受多种因素制约，镀液浓度不可随意提高。
赫尔槽试验时，若认为主盐浓度过低，可补加后再试验，使烧焦区在其他条件相同的情况下，达到或接近新配液的试片高端烧焦范围。
3. 2. 2 镀液pH过高
简单盐电镀：
（1） pH高时，阴极界面液层中H+浓度本身就低，量不大的H+还原即会使pH升高至产生烧焦的值。
（2）镀液本体的H+浓度低时，H+向阴极界面液层的扩散、电迁移速度也低，来不及补充阴极界面液层中H+的消耗，其pH上升更快，也加剧烧焦。
配合物电镀：
一方面，与简单盐电镀一样，阴极界面液层中 H+放电后pH升高更快；另一方面，多数碱性条件下的配合物电镀，随着镀液pH上升，在相同配合比时形成的配离子更加稳定，主盐金属离子放电更为困难，H+的放电则相对更易。正是由于这两方面原因，镀层更易烧焦。这也许是多数配合物电镀的允许阴极电流密度上限都较小的主要原因。单从烧焦而言，特别是对于简单盐电镀，pH低些为好；但镀液pH对镀液性能的影响是多方面的，应综合考虑各方面因素后确定最佳pH。比如pH低时，光亮剂的吸附性能下降，需用量与消耗量都大增，造成有机杂质增加过快。因镍价上涨，不少电镀厂的镀镍液中主盐浓度控制得很低，这容易使镀层烧焦，为防止烧焦又要将pH调得很低；但主盐浓度低了又会出现光亮整平性下降等其他问题。故pH过低并非好事。电镀技术的复杂性之一就在于不能简单地根据某一种需求而随意改变配方与工艺条件，而应综合权衡得失。
3. 2. 3 镀液中pH缓冲剂过少
镀液中的pH缓冲剂不仅对镀液本身pH有缓冲作用，更重要的是对阴极界面液层pH的缓冲作用。当其含量低时，高阴极电流密度区因其本体浓度低，同样因镀液中浓度低，缓冲剂向阴极界面液层扩散的速度下降，其对阴极界面液层中pH的缓冲作用差，H+稍一放电，界面液层中pH上升更快，镀层更易烧焦。镀镍、氯化钾镀锌液中的缓冲剂---硼酸，还具有细化镀层结晶、提高镀层光亮性等作用，所以非但不能缺，而且应根据不同液温条件，尽量多加至不结晶析出为宜。不少人很不注重氯化钾镀锌液中硼酸的及时补加，所以电镀质量上不了档次。
3. 2. 4 镀液阴极极化值过大
镀液阴极极化值越大，主盐金属离子放电越困难，H+越易乘机放电，镀层越易烧焦。
（1）配合物电镀
当主盐浓度相同时，配合物电镀的配位剂含量越高，即配合比越大，或因pH等条件控制不当，生成的主盐配离子放电还原越困难，造成阴极电化学极化值过大，H+越易放电，镀层越易烧焦，允许阴极电流密度上限越低。对于氰化镀铜，当游离氰化物过高时， 阴极电流效率下降，易析氢，同时允许阴极电流密度下降。
（2）简单盐电镀
简单盐电镀时，若添加剂加入过多，吸附产生的添加剂膜层过厚，主盐金属离子难于穿透吸附层放电，但 H+是体积很小的质子，易于穿透吸附层放电析氢，镀层容易烧焦。另外，添加剂过多还有其他副作用，所以任何添加剂、光亮剂都必须坚持少加勤加的原则。
3. 2. 5 降低镀液分散能力的几何因素的影响
当其他条件正常时，归纳一下几何因素对烧焦的影响：
（1） 若镀槽过窄或挂双排工件，近阴极到阳极的距离过近，电流密度稍大则近阴极处镀层易烧焦。
（2） 若工件装挂不良，造成远、近阴极的距离差过大，为满足生产效率、保证低电流密度区镀层的光亮整平性，电流开得稍大则近阴极处镀层易烧焦。
3. 2. 6 电力线分布不均匀造成的烧焦
这主要与阳极尺寸以及阳极与阴极的相对位置有关。电力线分布不均时，电力线过于密集之处，阴极电流密度大，镀层易烧焦。
（1）阳极过长而工件过短时，工件下端电力线过于密集，易烧焦。
（2）工件过短而垂直悬挂于镀液中过深时，上部电力线密集，易烧焦。
（3）工件过短而悬挂于镀液中过浅时，下部电力线密集，易烧焦；
（4）水平方向上阳极的分布远长于工件横向放置的长度时，工件两头电力线密集，易烧焦。
（5） 阳极过少、分布过于稀疏(或部分不导电)时，距阳极近的工件处电力线密集，易烧焦。
3. 2. 7 液温过低
液温过低时，扩散、对流、电迁移的速度都下降。无论对于简单盐电镀还是配合物电镀，高电流密度处的主盐金属离子放电消耗后，都来不及传质补充，浓差极化过大，H+易放电而导致镀层烧焦。硼酸这类缓冲剂易因液温低而结晶析出并沉于槽底，实际镀液中缓冲剂的浓度不够，这也会加剧烧焦。
3. 2. 8 搅拌不足
搅拌是提高对流传质速度的主要手段。采用阴极移动或旋转，可使工件表面液层与稍远处镀液间出现相对流动；空气搅拌则可使整个镀液产生翻动，起到均质作用。搅拌强度越大，对流传质效果越好。加快阴极界面液层中主盐金属离子放电后的补充速度，以及界面液层中H+、缓冲剂等的补充速度，均有利于减少烧焦、扩大允许电流密度。但搅拌也会降低浓差极化，使低电流密度区镀层的光亮整平性下降，且有可能使某些工艺(如氯化钾镀锌)的深镀能力下降。因此，对搅拌强度应予以控制，以兼顾扩大允许电流密度与搅拌所带来的某些副作用。例如：实施阴极移动时，要规定每分钟移动次数与行程；阴极旋转时，应调整阴极回转头的转速；而空气搅拌则应在无油空压气进气线路上加装调整进气量的阀门。对于常规电镀，工件表面液层中镀液的流动只能呈比较温和的层流状。在高速电镀时，为尽量扩大允许电流密度而又不至于导致镀层烧焦，则要采用十分强烈的搅拌，使表面液 层的流动呈不规则的湍流状，如采用高速液流法、镀液喷射法、硬粒子磨擦法等。
3. 2. 9 杂质的影响
杂质对电镀的影响非常复杂，很难有共通的规律可循，只能对相应工艺作具体试验来确定其影响、允许浓度与去除方法。例如，Cl−是氯化物镀锌中重要的导电阴离子，但在碱性锌酸盐镀锌液中却是杂质，会使镀层起竖状条痕。硝酸根在无氰碱铜液中可借其在宽电势范围内代替H+优先放电而起到扩大允许电流密度、降低使用温度的作用；但在镀镍液中不但会大大降低深镀能力，甚至使低电流密度区镀层漏镀，而且使高电流密度区镀层易烧焦起皮，且起皮处发黑。
4 滚镀时的烧焦
滚镀时只有滚筒孔眼处能导电，孔眼间隙处是绝缘的。镀层的烧焦表现为工件上有孔眼大小的粗糙镀层，俗称“起滚筒眼”。疏松的海绵状烧焦物会在随后工件的相互摩擦中被除去而留下印记。滚镀是否易因烧焦而起滚筒眼，取决于几个因素：
（1）滚镀镀液本身的性能。如组分含量、液温、pH等是否良好，是否允许有较大的阴极电流密度。
（2）施加于每桶工件的总电流。总电流越大，越易起滚筒眼。
（3）工件形状。一般平面小件(如标件平垫圈)或小工件的平面处易因紧贴滚筒内壁而易起滚筒眼。
（4）工件在滚筒内的翻转状况。一方面取决于工件的装载量，装载量过大，翻转效果差，易起滚筒眼；另一方面取决于滚筒的结构，如六方形滚筒的平面部分易紧贴工件而使工件起滚筒眼，圆筒形滚筒则不易使平面件紧贴(但其翻动效果不及六方形滚筒)。
（5）滚筒的开孔率(即孔眼总表面积与滚筒总表面积之比)越大，电流分散性越好，孔眼处的电流密度越小，工件起滚筒眼的可能性越小。一般开孔率不应低于 40%。
（6）滚筒的长度与筒径之比。采用细而长的滚筒时，工件的受镀面积大，工件翻转快，烧焦起滚筒眼的可能性较小。
（7） 装载量。装载量越大，工件翻动效果越差，越易起滚筒眼。那种为多装工件而采用又短又粗的滚筒的做法是不恰当的。
（8）阳极长度。滚筒的阳极越长，电力线分布越均匀，工件受镀面积越大，烧焦起滚筒眼的可能性越小。
5 结语
影响工件烧焦的因素非常多，可能由单一因素引起，也可能同时有多个因素在起作用。各个电镀厂点的镀液配方、工艺条件、生产方式、设备设施，工艺管理水平，工人的操作水平与责任心等均不尽相同，因此，产生烧焦故障时，应认真、全面、冷静地分析具体原因，有针对性地加以解决。
本文来自《电镀与涂饰》2009年第28卷第7期。
