电镀生产过程稳定性分析
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电镀生产过程稳定性分析 |
这些年针对电镀生产的稳定性做了一些分析与总结，希望能够对同行或者电镀企业有所帮助。
首先，工艺流程设计是决定品质水准及产出量的决定性因素。这里以五金电镀工艺流程为例，大致包含以下流程的组合：
除蜡——除油——电解除油——活化——电镀层1——电镀层2——成品
1、该电镀工艺流程中，所提到的工艺段都是互为补充，相互相成，每一个工艺段都有其 工艺条件及工艺处理时间的要求，各个工艺段在设计时，工艺时间必须要平衡，任何一个时间短都会影响产出及品质。
2、上述工艺如果前处理时间短，则可能很多污染物处理不干净，会引起起泡、毛刺、麻点、花斑等不良。
3、上述工艺如果电镀层工艺时间不足，则肯定性能及厚度要求达不到，无法满足品质要求。
4、具体设计工艺的基本依据是：品质标准、产能、节拍三个因素。
其次、生产线的设备配置可以说是电镀线的“免疫系统”，我这里把电镀生产线的抗污染物能力称之为“免疫能力”。这些设施配置主要包括：超声波、过滤机、整流器、空气搅拌系统、水洗及喷淋水洗、车间隔离防尘等六个方面。
只要有生产，就会有污染物的产生及带入。电镀生产过程中污染物的来源分为：挂具/产品带入污染物、水中的污染物、大气中的污染物、镀槽中有机物分解产生的污染物、阳极溶解的阳极泥等五大类，人为操作问题属于管理问题，这里不做讨论。
1、超声波属于辅助前处理工艺段除蜡、除油设备，作用非常明显，如果所配备的功率不足，在工艺时间范围内，无法去除抛光蜡及油污等污染物，这些污染物会带到后面的电镀槽，引起颗粒物杂质、有机物杂质，从而影响镀层质量；如果选用的型号与频率不对，可能会损害诸如锌合金、铝合金这类基材的材质。
2、过滤机的作用是过滤掉工艺槽中的颗粒物杂质，从而达到消除毛刺的作用，提升电镀产品品质。如果过滤精度不够，部分杂质无法过滤掉，在镀层中形成麻点等问题；如果过滤量不足，无法快速有效的将带入或者镀槽积累的颗粒物杂质过滤掉，则会产生毛刺。
3、整流器是电镀过程中提供高频或者直流电的电源，这里关键考虑的输出功率、波形，必须仔细核算功率需求，并依据不同镀种的要求选择合适的输出波形，必要时需要加滤波装置。
4、空气搅拌系统主要是向镀槽提供干净的空气，搅拌镀液，减少镀液的浓差极化现象，提高工作电流密度，提高生产效率。电镀生产一般用卢氏风机提供搅拌动力，设备上没有空气净化装置，其工作时不仅吸入空气，同时也将大气中的粉尘、油滴、其他液体污染物等吸入，进入到镀槽，直接影响电镀产品品质。
5、水，在电镀生产中无处不在，离开水就无法生产。自来水中含有大量的钙、镁、铁等离子，也含有泥沙、藻类、胶体悬浮物等，部分弱酸性水洗槽、含磷水洗槽一段时间后会生长细菌，这些都会很大程度上影响生产品质。
6、水洗的作用是清洗产品，避免工艺间的交叉污染。如果水洗次数不足，一些酸、碱、盐类物质无法清洗干净，特别是很多工艺间水洗采用多次逆流清洗，挂具上端的溶液难以清洗到，带入到后工艺污染槽液或者与槽液反应生成难溶解盐类物质。而且在水洗过程中，水洗槽也会积累一些污染物，电镀工件一般是带带负电荷的，很容易吸附这些污染物，增加喷淋清洗，可以很好的改善这些问题。
7、车间的隔离防尘设施主要是将电镀线与上挂操作车间隔离，避免操作车间或外界大气的粉尘在产品起落过程中，黏附在产品上形成颗粒点，同时也改善整个厂区的空气状况，保证员工健康。
第三、工艺槽的成分比例控制，则是电镀工艺的抗污染物能力（这里说的污染物指金属杂质与有机杂质）。各种镀液中绝对都会有金属杂质及有机杂质存在，因为无论金属阳极、主盐、添加剂都是含有杂质的，而各种镀液都会有一定的杂质容忍度。技术管理者的关键工作是维护好镀液的成分比例在最佳状态，提升镀液的杂质容忍度，同时通过一定的手段，定期将有害杂质处理一部分，将杂质控制在镀液容忍范围内，从而维持生产的稳定性。
关于镀液的抗污染能力，分四部分阐述：镀液成分及比例、镀槽中的阴/阳极反应、金属杂质的来源、有机杂质的来源。这里以镀镍槽为例进行分析。
1、不同成分分析及作用
| 成分 | 含量范围 g/l | 最佳值 g/l | 作用 | 备注 |
| 硫酸镍 | 240-300 | 270 | 提供金属离子 | 浓度及比例决定镀液对金属杂质的容忍度，也是光亮剂使用范围的关键条件 |
| 氯化镍 | 50-60 | 55 | 阳极极化剂 | |
| 硼酸 | 40-50 | 45 | PH缓冲剂 | |
| 光亮剂 | 1~2 | 1.5 | 次级光亮剂 | 三者的浓度控制决定镀层的均镀、深镀能力，三者的比例是镀液稳定性的关键因素 |
| 辅助剂 | 3~5 | 4 | 辅助光亮剂 | |
| 柔软剂 | 8~12 | 10 | 初级光亮剂 | |
| 湿润剂 | 1~3 | 2 | 降低表面张力 | 降低镀液表面张力 |
2、不同成分之间的决对比例及相对比例
| 硫酸镍 | 氯化镍 | 硼酸 | 光亮剂 | 辅助剂 | 柔软剂 | 湿润剂 | |
| 硫酸镍 | 270：55 | 270：45 | 270：2 | 270：4 | 270：10 | 270：2 | |
| 氯化镍 | 55：270 | 55：45 | 55：2 | 55：4 | 55：10 | 55：2 | |
| 硼酸 | 45：270 | 45：55 | 45：2 | 45：4 | 45：10 | 45：2 | |
| 光亮剂 | 2：270 | 2：55 | 2：45 | 2：4 | 2；10 | 2：2 | |
| 辅助剂 | 4：270 | 4：55 | 4：45 | 4：2 | 4：10 | 4：2 | |
| 柔软剂 | 10：270 | 10：55 | 10：45 | 10：2 | 10：4 | 10：2 | |
| 湿润剂 | 2：270 | 2：55 | 2：45 | 2;2 | 2；4 | 2：10 |
3、电镀镍过程的阴阳极反应：
1）阴极反应
Ni2+ +2e——Ni（金属镀层沉积反应）
2H+ +2e——H2 （阴极附近添加剂加氢反应的氢原子来源）
M+ +e——M（金属杂质沉积反应）
从阴极区反应及副反应，可以知道阴极不仅仅有金属析出而形成镀层，而且由于阴极不断析出氢气，导致阴极区附近的HO-不断聚集，阴极区PH有不断升高的趋势。同时由于阴极区不断产生大量的原子氢，会引起添加剂在阴极发生加氢反应，形成有机杂质而不断消耗。
2）阳极反应
Ni -2e——Ni2+（主反应）
4HO- -4e——2H2O + O2（阳极附近氧化添加剂的氧原子来源）
2Cl- -2e——Cl2（阳极附近氧化添加剂的氯离子来源）
M -e——M+（金属杂质溶解于镀液中）
从阳极区的反应及副反应，可以发现阳极不仅仅有金属溶解成金属离子的反应，而且由于阳极区不断有水电解析出氧气，导致阳极区H+不断积累，阳极区的PH有不断升高的趋势。同时由于阳极区不断析出原子氧及原子氯，这两种原子具有明显的氧化性，可以快速氧化有机添加剂，被氧化的添加剂形成不利于镀液稳定的有机杂质。
4、添加剂在电镀过程的消耗方式及分解产物，主要包含：电极极化过程参与镀层反应、打气搅拌分解、随工件带出消耗，这里只分析参与反应的消耗方式及产物。
| 添加剂类型 | 作用 | 反应 | 分解产物 |
| 初级光亮剂 | 镀层细化剂，增加镀层柔韧性及延展性，抵消次级光亮剂的张应力 |
1、部分以NiS或者Ni2S3形式进入镀层 2、在阴极部分体现为加氢反应 3、部分在阳极被氧化 |
有机杂质 |
| 次级光亮剂 | 提高阴极极化作用，获得光亮镀层，改善分散、深度能力，增加镀层的脆性 |
1、在阴极参与金属离子的电化学反应过程，并进入镀层 2、在阴极加氢反应称为副产物 3、在阳极与原子氧、原子氯成为副产物 |
有机杂质 |
| 辅助光亮剂 | 提升阴极极化作用，改善镀层的覆盖能力，降低镀液对金属杂质的敏感性、加快出光速度、降低次级光亮剂的消耗 |
1、屏蔽金属杂质 2、在阴极加氢反应称为副产物 3、在阳极与原子氧、原子氯成为副产物 |
有机杂质 |
| 湿润剂 | 改善镀液表面张力 | 随打气搅拌消耗 |
5、镀液的PH控制与阳极控制
电镀过程中，由于阴阳极的各种主反应与副反应的影响，阴极发生析氢反应、阳极发生析氧反应，都会影响镀液的Ph变化，镀镍液的PH一般维持在4.0~4.6比较好。
1）PH低，溶液导电性增加，阴极电流密度增加，但是阴极发生的吸氢反应也会更加明显，当PH低于3.0一下，阴极大量的吸氢反应，导致电流效率严重降低，甚至低区无镀层。
2）PH高，阴极电流效率高，但是由于阴极区由于吸氢反应，导致大量的OH-积累，形成大量的Ni（OH）2沉淀，与金属离子共沉积，形成粗糙镀层设置毛刺。
很多企业为了控制成本，镍阳极的数量严重不足，这种做法对于生产稳定性有很大的影响。
1）阳极面积不足，导致阳极电流密度非常大，阳极区产生的氧气非常多，一方面引起阳极镍与氧发生反应：Ni2+ — e——Ni3+、产生形成Ni（OH）3，进一步脱水生成Ni2O3暗棕色沉淀黏附在阳极，导致阳极钝化；另一方面，由于阳极区电流密度大，副反应多，更加加剧添加剂分解，引起镀液中有机物积累，镀液的稳定性减弱。
第四、污染物的来源及处理方法
| 杂质类型 | 来源 | 预防方法 | 日常处理方式 |
| 金属杂质 | 不纯阳极杂质含量高溶解 | 使用高质量金属 |
1、电镀过程+弱电解 2、生产过程加除杂剂 3、调整PH使部分杂质沉淀过滤 4、氧化、还原反应处理 |
| 镀件掉落槽液溶解 | 每班清槽底 | ||
| 其他金属制品在槽液溶解 | 正确操作规范 | ||
| 机械设备腐蚀铁锈落入渡槽 | 定期维护保养 | ||
| 镀液交叉污染 | 杜绝交叉污染 | ||
| 有机杂质 | 添加剂分解 | 合理控制添加剂范围 |
1、活性炭吸附 2、双氧水+活性炭吸附 3、高锰酸钾+双氧水+活性炭 4、控制镀液PH |
| 空气搅拌带入大气中的油污 | 空气过滤 | ||
| 原材料带入的有机物 | 线外溶解并过滤 | ||
| 前处理的有害有机物带入镀槽 | 注意水洗效果 | ||
| 工件自身油污未除净带入镀槽 | 控制前处理参数及条件 | ||
| 设备保养时油污掉入镀槽 | 正确的操作规范 |
日常管理与控制的关键手段是预防带入，辅助以有计划、有步骤的简单的处理方式，净化镀液，确保镀液的稳定性。尽量少使用非常规的手段来净化镀液，这样的做法不仅影响品质，也影响生产的连续性。
第五、电镀生产稳定的几道防线
1、工艺设计与设备配置至关重要
“工欲善其事，必先利其器”，如果工艺设计及设备配置没有依据高品质要求进行规划，后续生产将收到致命的约束。
2、各种成分的标准范围及均衡是杂质容忍度的能力体现
镀液分为基础盐部分与添加剂部分。镀液的基础盐部分类似于“人体的基本身体素质”，这部分决定了镀液抵御“污染物”的能力与“杂质容忍度”，也决定了添加剂的使用范围，这部分非常关键。而添加剂之间的比例就如“体液调节”一样，影响电镀过程的各个组分在电解反应过程的作用效果，控制的关键是组分之间的平衡，避免“添加剂比例失调”。
3、原材料的选择与污染物处理频率管理
使用优质原材料是提升电镀品质及稳定生产的一个重要环节，优质原材料所含的杂质及污染物少，对镀液稳定及品质提升有很大的帮助。
在电镀生产及停工期间，镀液中的有机物时刻都会产生并积累，因此定期的镀液维护是控制有机杂质在不影响品质范围内的关键措施，这些措施包含：彻底过滤槽液、活性炭处理频率、清洗镀槽、清洗过滤器材等措施，这些工作做到位，就不会引发严重的杂质污染的问题。企业需要依据生产实际需求制定工艺维护标准及作业指导书。
4、工艺及生产的标准化管理
管理是解决持续稳定生产的关键因素。“三分技术、七分管理”是对电镀企业管理的最好总结，没有良好的管理与团队，个人技术再强也无法实现持续稳定生产的要求。技术管理的目标就是将日常的技术操作规范化、标准化、定时定期化，让技术问题变成日常管理工作，完成日常工作流程“计划安排——落实执行——监督检查——结果反馈与纠正”的闭环化管理，做到“事事有人做，人人有指标”。
管理的难度在于，建立《工艺规范》、《作业指导书》。工艺规范与作业指导书的编制需要耗费大量的时间与精力，这需要将整个团队经验进行综合与总结，才能够编制出适合于企业需要的指导性文件。凭空编制的文件会适得其反。
企业有规范的《工艺文件》、《作业指导书》等，现场管理就能够实现按部就班、规范管理，实现人与工作的有效结合，确保工艺与生产的稳定。
