有的奥运金牌“秃噜皮”了⋯⋯给一块银牌镀金有几种方法?

百家 作者:果壳 2021-08-28 15:57:24 阅读:451

8月23日晚,东京奥运会女子蹦床冠军朱雪莹在社交平台上发问,“你们的奖牌……也能抠掉一层皮吗?”


“涉事”金牌,左上部的剥落区域清晰可见|朱雪莹微博


配图是她在此次东京奥运会获得的金牌,金牌上有一块一毛钱硬币大小的面积“秃噜皮”了,肉眼看着都十分明显。朱雪莹解释说,自己没有故意抠金牌,因为发现奖牌上缺了一小块,以为脏了,用手蹭了蹭没有变化,于是抠了一下,没想到掉皮了。


我们今天不过多讨论金牌“秃噜皮”的原因,主要聊聊东京奥运会金牌的制作工艺。


牌取材回收于千家万户 


据东京奥组委公开资料显示,东京奥运会奖牌所用的金银铜三种金属,全部从废弃的手机等电子机器中提取。


从2017年4月到2019年3月的两年间,东京奥组委在日本全国开展了名为“从都市矿山制造,大家的奖牌”的运动。这项活动回收了近8万吨的小型家用电器。最终,项目获得了32千克金、3500千克银,以及2200千克铜,满足了奥运会和残奥会5000枚奖牌的需求。


回收而来的金属经过提纯精炼,被分别还原回单质原料状态,再由机械加工的方式分割成与接近最终奖牌的大小。


之后,采用冷压的方式,在奖牌正反两面同时形成胜利女神尼姬像及奥运五环等图样。


奥运的银牌由纯银制成,铜牌由青铜(铜95%、锡5%)制成,金牌是用银质作为基底,在基底的表面再镀覆一层金,这个镀金层的重量为6克。奖牌构造的差异也导致银牌、铜牌和金牌的工序不同。


银牌和铜牌只要在冷压工序后稍作一些热处理和表面抛光,即可作为成品出厂。而金牌比较特殊,需要在基底上再进行一次镀覆工艺。


废旧电子器件制作的工艺品  | twenty20.com


 给金牌镀金有几种方法?


给金牌镀金有几种方法?

让一层金属附着在另外一层表面的技术有很多,工业界应用最广的便是电镀和化学镀,除此之外磁控溅射也是比较常见的方法。


电镀是利用电流驱使溶液中的金属离子,使其附着在希望得到沉积的表面上。镀覆之前,基板需要进行多道清洗工序,以便让表面的油污和氧化物等杂质脱离。


真正进入最后一道电镀槽之前,基板金属的表面应该是非常清洁的。此过程中,露出表面的新鲜基板原子活性很高,急需和另外的物质相结合以降低表面能,因为只有这样才能让它们达到更加稳定的状态。此时,电流推动溶液中的异种金属离子前往基板表面,并在这里还原为单质,同时还能和基板金属紧密结合。通俗来说,电镀过程可以理解为让两种金属长在一起。


电镀最大的制约因素是基板必须能够导电。其次,电镀能够实现的镀层/基体组合其实是有限的,很多金属无法利用电镀的方式进行镀覆。此外,很多金属只能镀覆在与其适配的特定的金属表面,如果更换了基底,效果就会大打折扣。


镀铬的餐具可以保持长久的光亮 | twenty20.com


化学镀不限基板的材质。化学镀同样是在工业上常用的金属镀覆方式,只要把基板浸入到含有镀层元素离子的溶液中,在特定的反应条件下,离子就会在基板表面沉积析出,这与电镀不同,化学镀是不需要电流驱动的。


例如,我们把铁棒插入硫酸铜溶液中后,铜离子就会析出到铁表面,而铁则会以离子的形式进入到溶液中。经过一段时间后,铁棒表面就会形成均一的铜镀层。


此外,银镜反应也可以算得上是一种化学镀方法。


化学镀最大的优势在于它的基板不需要具有导电性就可以进行镀覆,例如塑料、玻璃乃至硅片等都可以用化学镀的方式,在其上形成致密的镀层。例如,想要在塑料表面电镀一层光亮的镀铬装饰层,就只能先用化学镀方式在塑料表面镀上一层金属,这样才能在此基础上进行电镀。


利用化学镀方法加工的镀镍零件 | AliceLr


很多种类的镀层既可以用化学镀的方式进行,也可以用电镀的方式进行。例如银和金的镀层,通过以上两种方式都可以实现制备。但化学镀和电镀的镀层在性质上还是存在很大的差异,具体的工艺条件也会极大地影响镀层的性质。


和化学镀相比,电镀最大的优势在于效率高,镀层生长可以非常迅速。而化学镀则必须控制反应速度,不能过快,否则就会产生各种镀层缺陷。


集成电路板经常有镀银或者镀金的需求,但集成电路板一般是树脂材质,不能导电。因此,工厂都会先在电路板上需要进行镀覆的地方,利用化学镀方式镀上一层钯。这层钯可能只有几十个纳米厚,它们排列紧密强度高,能够为后续的电镀工艺提供导体层,因此我们经常把这层钯叫做种子层。有了种子层,就可以再进行电镀金或者电镀银的后续工艺。


话说回来,电路板上为什么需要用到大量的金、银、铜材料呢?


首先,金可以起到很好的抗氧化作用,高温焊接时候能够和液态焊料良好浸润,获得高质量焊点。


而银作为具有极高电导率热导率的金属,在电路板中经常用作导线和接头。


铜价格相对便宜,且导电导热良好,因此常作为电路板中导电部分的基板。这也是为什么东京奥运会回收的大量废旧手机能够提炼出奖牌制造所需的贵金属的原因。


电路板上含有大量的金、银、铜 | twenty20.com


磁控溅射是制作高纯镀层的不二选择。磁控溅射的原理和电镀、化学镀又有不同。磁控溅射是利用高压电场让靶材表面的原子电离,并以等离子体的形式轰击希望镀覆的基材表面,从而紧密附着在基材上的镀层方式。


假如我们希望在银板上镀金,那么就用金来充当靶材。和电镀相比,磁控溅射的优势在于纯净度非常高,金属靶材都是高纯金属,而这个过程在抽成高真空的腔室中进行,几乎不会引入杂质。


但电镀则不同,电镀的镀槽环境复杂,是多种无机盐和有机物的混合体系,镀层中往往含有大量的夹杂物。这些夹杂物将随着镀覆过程的进行会混入镀层之中,无法清除。


磁控溅射还有一个好处:它不像电镀一样,存在很多的不可行组合,基本上只要是能制成靶材的物质,都可以很好地在基板上进行镀覆,对于金属类别组合的条件没有那么苛刻。


当然,在反应条件上则相反,磁控溅射需要高真空环境,成本比电镀显然还是要高上不少。电镀槽可以有几十米长几米宽,而磁控溅射的腔室受到真空度制约,很难做到这么大,即使是工业级设备的腔室,也可能就只有你家洗衣机的滚筒那么大。


磁控溅射,图中紫色光芒即为靶材上方的等离子体 | 作者拍摄


 为什么我认为东京奥运会金牌 

采用的是“电镀”技术?


既然至少有三种方法,那么东京奥运会采用的是哪种方法给银牌镀金的呢?


我分析后认为应该是“电镀”。


为什么这么说?


本届奥运会金牌上的镀金量为6克(符合奥委会对金牌规格作出的规定)。而金的密度为19.32克每立方厘米,据此,我们可以推算出镀金层的总体积为0.31立方厘米。而本次奖牌尺寸为直径8.5厘米,奖牌两个表面的总面积为113.43平方厘米。所以,镀金层的平均厚度大约为27微米。


这个数字看起来不大,但实际上已经超出了化学镀和磁控溅射的加工极限,因为这两者的镀层生长速度仅在每小时1微米左右。而电镀27微米镀层则只要几十分钟就能完成,在生产效率上占据优势,而且成本与其他两种方法相比也是最低的。


在“金牌秃噜皮事件”后,笔者通过上述分析和计算,意识到东京奥运会的金牌使用的镀层工艺几乎只能是电镀。


这一点也在奥组委发布的宣传视频中找到了证据支持。


金牌的电镀工艺流程(注意三个电流触点)| 奥组委官方Youtube


无论是电镀、化学镀还是磁控溅射,都是人类已经使用多年的成熟金属镀膜技术,只要工艺流程过硬,一般不会出现镀层不良的现象。大部分情况下,镀层的接合处具有极高的强度,即便界面发生断裂,也往往是发生在靠近某一层金属的一侧,而非沿着整个界面发生剥离。


金在银表面的电镀是使用历史最为悠久的电镀方式之一,这一方面是由于金是稀贵金属、性质稳定,倾向于在电解质溶液中被还原。另外一方面则是由于银和金的晶体结构类似、原子尺寸相近,因此能够“相似相溶”。


实际上,金银合金的组成百分比可以从1%到100%,这种现象叫做无限固溶。从这个意义上说,在银表面镀金算不上是什么高难度的工艺技术。不过,既然是工艺,肯定有参数设置的合理性以及良率的问题。


无论本次事件的原因是什么,作为制造业的从业人员,我想对自己和同行们说,唯有提高质量意识,才能提供经得住时间考验的产品。


出品:科普中国
制作:张昊
作者单位:大阪大学
监制:中国科学院计算机网络信息中心
(本文中标明来源的图片已获得授权)




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