电镀工艺

定义

电镀工艺指在含有所需镀层金属离子的溶液中，以待镀制件为阴极、以镀层金属或惰性材料为阳极，通入直流电后使金属离子在制件表面还原并结晶成层的加工方法^[1]。按较窄的含义，它专指这种电沉积过程；按较宽的含义，则还包含化学镀、转化膜形成以及镀前净化、平整、光亮化等一整套表面处理作业^[4]。

中国国家标准在定义电镀时采用较宽的界定，把镀前处理、镀上金属层和镀后处理都纳入其中，并说明其目的在于装饰、防护或获取新的表面特性^[5]。制件基体既可以是钢铁、铜、铝、镁等金属，也可以是经活化、敏化等预处理的ABS塑料等非金属材料^[6]。

原理

电镀的实质是电解池中的氧化还原反应。金属阳极失去电子溶解为离子，阴极上的金属离子得到电子被还原为金属原子并沉积。以镀镍为例，两极的主反应可写作：

阴极：$\mathrm{Ni^{2+} + 2e^- \rightarrow Ni}$；阳极：$\mathrm{Ni - 2e^- \rightarrow Ni^{2+}}$^[1]。阴极上还可能同时析出氢气，阳极上可能析出氧气，属于副反应^[1]。由于镀液几乎都为水溶液，只有能从盐水溶液中还原的金属才可电沉积^[7]。

多数电镀采用与镀层成分相同的可溶性阳极，溶解出的金属可补充镀液中消耗的离子；镀铬等少数工艺因阳极溶解困难，改用铅、铅锑合金等不溶性阳极，靠定期补加铬化合物维持浓度^[6]。镀液一般由提供金属离子的主盐、络合剂、导电盐、缓冲剂以及光亮剂、整平剂、润湿剂等添加剂组成^[2]。

整个沉积过程包括液相传质、电极反应和电结晶等步骤，电流密度、温度、搅拌、pH 值等参数都会影响镀层质量^[6]。法拉第在 1833 年前后通过定量实验确立了电解析出物质的量与通过电量成正比的关系，即法拉第电解定律，为电镀提供了计量依据^[8]。

发展历程

电镀依赖稳定电源，1800 年伏打制成的电池组使电解实验在欧洲迅速展开^[8]。现有文献认为，1805 年意大利学者布鲁尼亚泰利(Brugnatelli)以银质奖章为负极，在金盐溶液中实现了镀金，这是较早具有实用意义的电沉积实验记录^[9]。

1830 年代起，英国埃尔金顿(Elkington)家族等人在镀银、镀金工艺的工业化上取得进展，电镀银餐具开始进入市场，并逐渐取代传统的包银工艺^[10]。1831 年法拉第发现电磁感应后，电磁发电机逐步取代伏打电池成为电镀电源，为规模化生产创造了条件^[11]。

20 世纪上半叶，电镀的科学研究与行业组织逐步成型。1925 年英国成立电镀与沉积技术协会，此后相关标准、镀液分析和添加剂研究不断推进^[12]。20 世纪后半叶，技术变革使电镀重心更多转向功能用途，而不仅是装饰和艺术用途^[11]。

应用

按用途区分，镀层可分为防护性、防护装饰性、装饰性、耐磨减摩、电性能、磁性能、可焊性、耐热和修复用等类别。镀锌常用于钢铁防大气腐蚀，铜-镍-铬体系兼顾装饰与防护，金、银镀层用于降低接触电阻，锡及锡铅镀层用于改善可焊性^[2]。

日常生活中，水龙头、门把手等多采用铜/镍/铬多层镀层，人造首饰常用仿金或金银镀层；工业上镀锌板用于提高铁板耐蚀性，硬铬镀层用于耐磨场合，部分昂贵易损件还可通过电镀恢复尺寸^[13]。电子工业中，电镀用于印制电路板的孔金属化和线路加厚，半导体晶圆金属化也使用电镀铜工艺^[14]。

除金属基体外，塑料经活化、敏化等预处理后可电镀，从而在保持轻质的同时获得金属外观和导电表面^[13]。当镀层特别厚或以电沉积方法直接制造制品时，该工艺另称电铸^[4]。

局限

电镀对基体导电性有要求。塑料、木材、纸、玻璃、陶瓷、橡胶、混凝土等不导电材料无法直接电镀，须先做导电化处理^[15]。镁等活泼金属浸入镀液后会发生剧烈的置换反应，铝、钛表面致密氧化膜也使电镀困难，需要锌酸盐处理或特殊蚀刻等前置工序，流程由此变得复杂^[15]。

镀液多为水溶液体系，因此可电沉积的金属限于能从其盐的水溶液中还原的种类^[7]。镀层厚度一般只有几微米到几十微米，对深孔、盲孔等复杂部位，镀层分布的均匀性受电流分布制约，需要靠搅拌、添加剂和电源波形等手段调节^[2]。

电镀使用大量强酸、强碱和重金属溶液，部分工艺还涉及氰化物和六价铬，工艺过程会产生含重金属、含氰、含铬等废水以及废气和废渣^[3]。中国为此制定了《电镀污染物排放标准》(GB 21900—2008)，对总铬、六价铬、总镍、总镉、总氰化物等项目的排放限值和监控位置作出规定，其中第一类污染物须在车间或生产设施排放口考核^[16]。传统化学沉淀法虽能使出水达标，但会产生属危险废物的电镀污泥，重金属资源也未能回收，行业因此向膜分离、资源回收等方向推进^[17]。

参见

• 化学镀 —— 不依靠外电源、由还原剂提供电子而获得金属镀层的方法。

• 电铸 —— 利用电沉积制造或复制金属制品的工艺。

• 阳极氧化 —— 通过电解在铝等金属表面生成氧化膜的转化膜技术。

• 电解 —— 电镀所依据的电化学基本过程。

• 镀锌板 —— 以电镀锌层提高耐蚀性的钢板产品。