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電気めっき（電気化学的析出または電着とも呼ばれる）は、直流電流を用いて金属の陽イオンを還元することにより、固体基板上に金属コーティングを形成するプロセスである。コーティングされる部分は電解槽の陰極（負極）として機能し、電解液はコーティングされる金属を陽イオンとする塩の溶液であり、陽極（正極）は通常、その金属の塊、または何らかの不活性導電性材料である。電流は外部電源から供給される。
電気めっきは、耐摩耗性、耐腐食性、潤滑性、反射率、電気伝導性、外観など、対象物の表面特性を向上させるために、産業および装飾芸術において広く用いられています。また、サイズ不足または摩耗した部品の厚みを増したり、複雑な形状の金属板を製造したりするためにも用いられます（このプロセスは電鋳と呼ばれます）。さらに、プリント基板や集積回路の銅配線を形成する際に、銅やその他の導体を析出させるためにも使用されます。また、銅などの金属を精製するためにも用いられます。
前述の金属の電気めっきは、電気還元プロセス（すなわち、作用電極に負極または陰極電流が流れる）を利用します。「電気めっき」という用語は、電気酸化（すなわち、作用電極に正極または陽極電流が流れる）下で起こるプロセスにも時折使用されますが、そのようなプロセスは電気めっきよりも陽極酸化と呼ばれる方が一般的です。その一例として、塩化物溶液中で銀線上に塩化銀を形成して銀／塩化銀（AgCl）電極を作るプロセスが挙げられます。
電解研磨は、電流を用いて金属物体の表面から最外層を選択的に除去するプロセスであり、電気めっきのプロセスの逆である。[ 1 ]
スローイングパワーは、めっき電流の均一性、ひいてはめっき金属の厚さの均一性を、陽極に近い部分と遠い部分で比較する指標となる重要なパラメータです。これは主にめっき液の組成と温度、および動作電流密度に依存します。 [ 2 ]めっき浴のスローイングパワーが 高いほど、より均一なコーティングが得られます。 [ 3 ]
電気めっきは、1805年にイタリアの化学者ルイージ・ヴァレンティーノ・ブルニャテッリによってヨーロッパで発明されました。ブルニャテッリは、5年前に同僚のアレッサンドロ・ボルタが発明したボルタ電池を利用して、最初の電気めっきを行いました。ブルニャテッリの発明はフランス科学アカデミーによって抑圧され、その後30年間は一般産業で使用されることはありませんでした。1839年までに、イギリスとロシアの科学者たちは、印刷機の版への銅めっきのために、ブルニャテッリのものと類似した金属めっきプロセスを独自に開発しました。
1930年代の研究では、パルティア帝国ではバグダッド電池に似た装置を使って電気めっきが行われていた可能性があると理論づけられていたが、これは後に否定され、これらの品々は水銀を使った火金めっきであったことが判明した。[ 4 ]
ロシアのボリス・ヤコビは、ガルバノプラスチックを再発見しただけでなく、電気鋳型とガルバノプラスチック彫刻を開発した。ガルバノプラスチックはロシアで急速に流行し、発明家のピョートル・バグラチオン、科学者のハインリヒ・レンツ、SF作家のウラジーミル・オドエフスキーなどがこの技術のさらなる発展に貢献した。19世紀半ばのロシアにおける電気めっきの使用で最も有名な事例としては、サンクトペテルブルクの聖イサアク大聖堂の巨大なガルバノプラスチック彫刻と、世界で3番目に高い正教会であるモスクワの救世主キリスト大聖堂の金メッキされたドームが挙げられる。[ 5 ]
その後まもなく、イギリスのバーミンガムのジョン・ライトは、シアン化カリウムが金と銀の電気めっきに適した電解質であることを発見しました。ライトの協力者であるジョージ・エルキントンとヘンリー・エルキントンは、1840年に電気めっきの最初の特許を取得しました。この2人はバーミンガムで電気めっき産業を設立し、そこから世界中に広まりました。現在バーミンガム科学博物館のシンクタンクにある1844年のウールリッチ発電機は、産業界で使用された最古の発電機です。[ 6 ]これはエルキントン家によって使用されました。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
ハンブルクのノルトドイチェ・アフィネリーは、1876年に生産を開始した最初の近代的な電気めっき工場でした。[ 10 ]
電気化学の発展に伴い、電気めっきとの関連性が理解されるようになり、装飾目的以外の金属電気めっき技術も開発されました。ニッケル、真鍮、錫、亜鉛の商業的な電気めっきは1850年代までに確立されました。エルキントン家の特許に基づいた電気めっき槽や装置は、多数の大型物体へのめっきや、特定の製造・工学用途に対応できるよう、規模を拡大していきました。
19世紀後半に発電機が開発されたことで、めっき業界は大きな恩恵を受けた。より高い電流が利用できるようになったことで、腐食防止、耐摩耗性の向上、そして外観の改善が求められる金属製の機械部品、ハードウェア、自動車部品などを大量に処理することが可能になった。
二度の世界大戦と航空産業の発展は、硬質クロムめっき、青銅合金めっき、スルファミン酸ニッケルめっき、その他多数のめっきプロセスを含む、さらなる開発と改良を促した。めっき装置は、手動式のタール塗り木製タンクから、毎時数千キログラムの部品を処理できる自動化装置へと進化を遂げた。
アメリカの物理学者リチャード・ファインマンの最初のプロジェクトの一つは、プラスチックに金属を電気めっきする技術の開発でした。ファインマンは友人の独創的なアイデアを成功裏に発明に発展させ、雇用主（そして友人）がそれまで果たせなかった商業上の約束を守ることを可能にしました。[ 11 ]
電解めっき槽内の電解液には、析出させる金属の陽イオン（カチオン）が含まれている必要があります。これらの陽イオンは陰極で還元され、ゼロ価状態の金属となります。例えば、銅の電気めっき用電解液は硫酸銅(II)溶液であり、これはCu²⁺陽イオンとSO₄²⁻陰イオンに解離します。陰極では、 Cu²⁺が2個の電子を受け取って金属銅に還元されます。
陽極が陰極にコーティングされる金属でできている場合、陽極では逆反応が起こり、陽極が溶解した陽イオンに変化する可能性があります。たとえば、銅は陽極で2つの電子を失ってCu 2+に酸化されます。この場合、陽極が溶解する速度は陰極にめっきされる速度と等しくなり、したがって電解液中のイオンは陽極によって継続的に補充されます。その結果、陽極から陰極への金属の効率的な移動が実現します。[ 12 ]
陽極は、鉛や炭素など、電気化学的酸化に抵抗する材料で作られる場合もある。その場合、陽極では酸素、過酸化水素、その他の副生成物が生成される。この場合、めっきされる金属のイオンは、溶液から引き抜かれるため、（連続的または定期的に）浴槽に補充する必要がある。[ 13 ]
めっきは、一般的には単一の金属元素で行われ、合金ではありません。しかし、真鍮やはんだなど、一部の合金は電着めっきが可能です。めっきされた「合金」は「真の合金」（固溶体）ではなく、めっきされる元素金属の微細な結晶です。めっきされたはんだの場合、真の合金が必要であると判断される場合があり、めっきされたはんだを溶融して、錫と鉛を結合させて真の合金にします。真の合金は、めっきされたままの混合物よりも耐食性に優れています。
多くのめっき浴には、析出させる金属のシアン化物に加えて、他の金属のシアン化物（例えばシアン化カリウム）が含まれています。これらの遊離シアン化物は陽極の腐食を促進し、金属イオン濃度を一定に保つのに役立ち、導電率の向上にも寄与します。さらに、炭酸塩やリン酸塩などの非金属化学物質が添加され、導電率を高めることもあります。
基材の特定の領域にめっきを施したくない場合は、めっき浴が基材に接触しないように遮断材を使用します。一般的な遮断材には、テープ、箔、ラッカー、ワックスなどがあります。[ 14 ]
まず、ストライクまたはフラッシュと呼ばれる特殊なめっき層を用いて、 高品質で基材への密着性に優れた非常に薄い（通常0.1μm未満の厚さ）めっき層を形成します。これは、その後のめっき工程の基礎となります。ストライクめっきでは、高電流密度と低イオン濃度のめっき浴を使用します。この工程は時間がかかるため、所望のストライク膜厚が得られた後は、より効率的なめっき工程が用いられます。
ストライキング法は、異なる金属のめっきと組み合わせて使用されることもあります。耐食性を向上させるために金属上に1種類のめっきを施したいが、その金属が基材との密着性が本質的に低い場合、両方に適合するストライクを最初に堆積させることができます。この状況の1つは、亜鉛合金に対する電解ニッケルの密着性が低い場合で、この場合、両方に良好な密着性を持つ銅ストライクが使用されます。[ 13 ]
パルス電気めっきまたはパルス電着（PED）プロセスでは、電位または電流を2つの異なる値の間で急速に交互に切り替えることで、振幅、持続時間、極性が等しい一連のパルスが生成され、その間に電流はゼロになります。パルスの振幅と幅を変更することで、堆積膜の組成と厚さを変更することが可能です。[ 15 ]
パルス電気めっきの実験パラメータは通常、ピーク電流/電位、デューティサイクル、周波数、および実効電流/電位で構成されます。ピーク電流/電位は、電気めっき電流または電位の最大設定です。デューティサイクルは、特定の電気めっき期間において電流または電位が印加されている時間の有効部分です。実効電流/電位は、デューティサイクルと電流または電位のピーク値を乗算することによって計算されます。パルス電気めっきは、電気めっき膜の品質を向上させ、高速堆積中に蓄積された内部応力を解放するのに役立ちます。短いデューティサイクルと高い周波数の組み合わせは、表面の亀裂を減らすことができます。ただし、一定の実効電流または電位を維持するためには、高い電流/電位と高速スイッチングを提供する高性能電源が必要になる場合があります。パルス電気めっきのもう1つの一般的な問題は、特に白金などの高価で不活性な電極の場合、逆電気めっき中に陽極材料がめっきされて汚染される可能性があることです。
パルス電気めっきに影響を与えるその他の要因としては、温度、陽極と陰極のギャップ、攪拌などが挙げられます。ほとんどの化学反応の速度はアレニウスの法則に従って温度とともに指数関数的に増加するため、パルス電気めっきは加熱された電気めっき浴で実施することで析出速度を向上させることができます。陽極と陰極のギャップは、陽極と陰極間の電流分布に関係します。ギャップと試料面積の比率が小さいと、電流分布が不均一になり、めっきされた試料の表面形状に影響を与える可能性があります。攪拌は、バルク溶液から電極表面への金属イオンの移動/拡散速度を増加させる可能性があります。理想的な攪拌条件は、金属電気めっきプロセスによって異なります。
密接に関連するプロセスとして、ブラシ電気めっきがあります。これは、めっき液を染み込ませたブラシを用いて、局所的な領域または対象物全体にめっきを施す方法です。ブラシは通常、グラファイト製の本体に吸収性の布を巻き付けたもので、この布はめっき液を保持し、めっき対象物との直接接触を防ぎます。ブラシは、低電圧で3～4アンペアの直流電源の陽極に接続され、めっき対象物（陰極）は接地されます。作業者はブラシをめっき液に浸し、対象物に塗布します。めっき液が均一に分布するように、ブラシを常に動かしながら作業を進めます。
ブラシ電気めっきは、タンクめっきに比べて、携帯性、何らかの理由でタンクめっきができない物品のめっきが可能であること（ある用途では、建物の修復における非常に大きな装飾支持柱の一部のめっき）、マスキングの必要性が低いまたはまったくないこと、めっき液の必要量が比較的少ないことなど、いくつかの利点があります。主に工業的に部品修理に使用され、摩耗したベアリング面にニッケルまたは銀の析出が行われます。技術の進歩により、最大 0.025 インチの析出が達成され、均一性が維持されています。タンクめっきと比較した場合の欠点としては、作業者の関与度が高いこと（タンクめっきは多くの場合最小限の注意で実行でき、使用される溶液は有毒であることが多い）、および同じ厚さのめっきを達成する際のばらつきが挙げられます。
この電気めっき技術は、多数の小型物体に対して業界で最も一般的な方法の1つです。物体は樽型の非導電性ケージに入れられ、めっきする金属の溶解イオンを含む化学浴に浸されます。次に樽が回転し、樽内のさまざまな部品に電流が流れ、部品同士が接触することで回路が完成します。その結果、非常に均一で効率的なめっきプロセスが実現しますが、めっきプロセス中に最終製品の表面が摩耗する可能性があります。高度に装飾的なものや精密に設計されたものには適していません。[ 16 ]
電気めっきを成功させるには、油の分子層がコーティングの密着を妨げる可能性があるため、清潔さが不可欠です。ASTM B322は、電気めっき前の金属洗浄に関する標準ガイドです。洗浄には、溶剤洗浄、高温アルカリ性洗剤洗浄、電気洗浄、超音波洗浄、酸処理などがあります。最も一般的な工業用清浄度試験は、表面を徹底的にすすぎ、垂直に保持するウォーターブレイク試験です。油などの疎水性汚染物質があると、水が玉状になって崩れ、水が急速に排水されます。完全に清浄な金属表面は親水性であり、水が玉状になったり排水されたりしない、途切れない水の膜を保持します。ASTM F22はこの試験の別バージョンを規定しています。この試験では親水性汚染物質は検出されませんが、電気めっきは水溶液を使用するため、これらの汚染物質を容易に除去できます。石鹸などの界面活性剤は試験の感度を低下させるため、徹底的にすすぐ必要があります。
スローイングパワー（またはマクロスローイングパワー）は、陽極に近い部分と陽極から遠い部分におけるめっき電流の均一性、ひいてはめっき金属の厚さの均一性を測定する重要なパラメータです。これは主にめっき液の組成と温度に依存します。[ 2 ]マイクロスローイングパワーは、貫通穴などの小さな凹部をプロセスがどの程度充填またはコーティングできるかを示します。[ 17 ]スローイングパワーは、無次元のワグナー数で特徴付けることができます。
ここで、Rは普遍気体定数、Tは動作温度、κはめっき液のイオン伝導率、Fはファラデー定数、Lはめっき対象物の等価サイズ、αは伝達係数、i は表面平均全電流密度 (水素発生を含む)です。ワグナー数は、運動抵抗とオーム抵抗の比を定量化します。ワグナー数が高いほど、より均一な析出が得られます。これは、めっき対象物のサイズ ( L ) を小さくし、電流密度| i |を小さくし、 αを低下させる化学物質 (電流の電圧に対する感度を低下させる) を添加し、溶液の伝導率を上げる (例えば、酸を添加する) ことによって、実際に実現できます。同時発生する水素発生は通常、 | i |を増加させることで電気めっきの均一性を向上させますが、この効果は水素気泡や水酸化物析出物による閉塞によって相殺される可能性があります。[ 18 ]
ワグナー数を正確に測定するのはかなり難しいため、通常は標準セルで実験的に取得しやすい他の関連パラメータが代わりに使われます。これらのパラメータは、2 つの比率から導き出されます。1 つは、陽極に「近い」陰極の特定領域のめっき厚さと陰極から「遠い」領域の厚さの比M = m 1 / m 2 、もう 1 つは、これらの領域から電解質を通って陽極までの距離の比L = x 2 / x 1です。たとえば、ハーリング・ブルム セルでは、2 つの独立した陰極に対してL = 5であり、めっき厚さの比がM = 6 となるセルのハーリング・ブルム投射力は100% × ( L − M ) / L = −20%となります。[ 17 ]他の慣例としては、ヒートリー投球力100% × ( L − M ) / ( L − 1)、フィールド投球力100% × ( L − M ) / ( L + M − 2)、[ 19 ] およびルーク投球力100% × L / ( L + M − 1)がある。ルーク投球力を除いて、投球力を大きくする（負の値が小さくする）ことで、より均一な厚さが得られる。ルーク投球力は、これらの定義のいずれに従っても、負の値が小さい方で最小値が 0、最大値が 100 になるという利点がある。
投下力などのセル性能を表すパラメータは、生産めっき浴で見られる条件と同様の条件を再現することを目的とした、さまざまな設計の小型試験セルで測定されます。[ 17 ]
ハーリング・ブルムセルは、めっき浴のマクロスローイングパワーを測定するために使用されます。このセルは、中央に固定された陽極と2つの平行な陰極で構成されています。陰極は陽極から1:5の比率で離れています。マクロスローイングパワーは、一定時間直流電流を流したときの2つの陰極でのめっきの厚さから計算されます。このセルは、パーペックスまたはガラスで作られています。[ 20 ] [ 21 ]
ハルセルは、電気めっき浴の状態を半定量的にチェックするために使用されるテストセルの一種です。使用可能な電流密度範囲、添加剤濃度の最適化、不純物の影響の認識、およびマクロスローイング能力の指標を測定します。[ 22 ]ハルセルは、実験室規模でめっき浴を再現します。めっき溶液のサンプルと整流器に接続された適切な陽極が満たされます。「作業」は、めっき浴の「健全性」を示すためにめっきされるハルセルテストパネルに置き換えられます。
ハルセルは、267ミリリットルのめっき浴溶液を保持する台形容器です。この形状により、試験パネルを陽極に対して斜めに配置することができます。その結果、めっきは長さに沿ってさまざまな電流密度でめっきされ、これはハルセル定規で測定できます。溶液の容量により、添加剤濃度を半定量的に測定できます。267 mL に1グラム添加すると、めっき槽内で 0.5オンス/ガロンに相当します。 [ 23 ]
電気めっきは、加工物の化学的、物理的、機械的特性を変化させます。化学的には、ニッケルなどのコーティングは耐食性を向上させることができます。物理的には、電気めっきは表面の明るさ、反射率、色などの外観を変化させることができます。機械的には、堆積層は引張強度や表面硬度などの特性を変化させることができ、これらは工具などの用途において重要です。[ 24 ]
例えば、銅メッキまたはニッケルメッキされた回路に酸性金メッキを施すと、接触抵抗を低減しつつ表面硬度を高めることができます。軟鋼に銅メッキされた部分は、表面硬化処理の際にマスキング領域として機能し、局所的な硬化を防ぐことができます。錫メッキされた鋼は、錫の酸化による表面の光沢低下を防ぐために、薄いクロム層で仕上げられることがよくあります。
固体基板上に金属コーティングを形成するための、電解還元を用いない代替プロセスがいくつか存在する。
