电镀工艺实验讲义.doc

应用化学专业实验讲义沈阳理工大学环境与化学工程学院2013年3月前言 为了更好的贯彻理论联系实际的教学原则，巩固和加深所学专业工艺基础理论知识的理解，加强实际操作技能的基本训练，提高学生分析问题的能力，培养合格的腐蚀和防护应用型高级技术人才，根据本专业大纲和专业特点，编写了专业工艺实验讲义。 本实验讲义分三部分，上部分为电镀与氧化工艺实验部分，由周琦编写；中册为防锈与表面涂层实验部分，由郭贤烙编写。下册为涂料与涂装工艺实验部分，由易翔、肖鑫编写。由于编者水平有限，时间仓促，讲义中缺点和错误在所难免，敬请各位读者批评指正，以便修改和完善。 编者 2013年3月目录实验一 阴极电流效率的测定实验二 电镀分散能力的测定实验三 覆盖能力测定实验四 化学镀镍实验五 赫尔槽试验实验六 铝的阳极氧化和电解着色实验一 阴极电流效率的测定一、 实验目的与内容通过实验了解电镀工艺测定阴极电流效率最常用的方法，铜库仑计的构造和工作原理，并学会使用，测定DE型锌酸盐镀锌液在不同电流密度下的阴极电流效率。二、 实验原理电镀过程中，阴极上除沉积欲镀金属外，往往还发生像氢离子还原等副反应，就会消耗掉一部分电流，这就存在电流的利用率即电流效率的问题。电流效率就是在电极上析出某物质，如镀液，所需的电量，与通过电解槽的总电量之比，常以百分率表示，即根据法拉第的电解定律，当直流电通过电解质溶液时，在阴极上析出物质的量与通过的电量成正比，因此，析出某物质所需要的电量可根据称量析出物质的质量由电解定律求出式中：Q通过电解质溶液的电量W析出物质的重量 g;K析出物质的电化当量 g/Ah;A析出物质的原子量;n电极反应得失的电子数；F法拉第常数。 电流效率也等于电极上实际析出物质的量（W）与根据通过的量按电解定律计算应得到该物质的量（Wo）的之比，即 k = W/W0 100% (3) W0 = KQ0 = (A/nF) Q0 (4)电镀液中电流效率的大小反映了通过镀槽的电量的利用率。当电流密度相同时，电流效率越高，由该镀液的阴极沉积的速度越快，即功效就高。不同的镀种，或同一种镀种不同的配方电流效率都不同，电流效率是评定电镀工艺优劣的技术指标之一。电流效率可通过实验求出，由（1）、（2）式或（3）（4）式可知，只要测出物质的重量及通过电解槽的总电量就可求出电流效率。电解析出物质的重量可用称量的方法求出，而通过的电量则需要库仑计（或电量计）测出。所谓库仑计就是这样的电解槽，其中通过的电量与电极上析出物质的重量符合电解定律，即它的电流效率为100%，因此，可以根据电极上析出物质之重量计算电解槽中通过的电量，其关系式为（2）式。要求库仑计必须具备下述条件：（1） 电极反应中没有副反应；（2） 电解槽中没有漏电现象；（3） 电极上析出的物质能全部收集起来而无如何损失。库仑计种类很多，最常用的是铜库仑计和银库仑计，铜库仑计组成如下：CuSO4H2O 125g/L H2SO4(密度1.84) 25ml/L 乙醇（95%） 50ml/L溶液中加入乙醇的目的是防止 Cu2+Cu 2Cu+ 反应的发生。通过此库仑计的电量是称量阴极铜片质量来确定的。根据（2）式可得出库仑计测量的电量：Q0 = (nF/A)w。=（226.8/63.54）w。=w。/1.185(安时)式中：W铜库仑计阴极的增重。Q。通过库仑计阴极的总质量三、 实验仪器及线路1铜库仑计 2，3，4被测电镀槽 K开关 A直流电流表 E整流电源或直流电源 图1 电流效率测量电路图四、 实验步骤1 电极准备，铜库仑计的阴、阳极为紫铜，镀锌槽阴极也使用铜片，测量镀锌槽阴极片面积，分别做上标记，然后用清水清洗，用电吹风吹干，存放在干燥器内。2 取铜库仑计阴极一片和镀锌阴极三片（其面积比1：1/2：1/3）。先用台秤称取其大致重量，再用分析天平分别称重，并记录其重量。3 将铜库仑计溶液，锌镀液分别倒入各槽中，然后按图1线路连接好，控制镀锌槽所需的电流进行电镀，并记录其实验温度。4 通电20分钟后，取出铜库仑计和镀锌槽的阴极片，然后断电，用水清洗干净，用电吹风吹干试片，最后称重，记录结果，即可计算出阴极电流效率。按上述步骤重做一次，把记录数据填好，在计算平均值。5 清洗台面，收拾仪器，保持台面整洁干净。五、 数据处理1. 将实验数据列入下表，进行电流效率的计算，并讨论之。 = Q/Q。X100% =(mm/Km)/(mcu/Kcu) x100% =(mmKcu)/(mcuKm) x100%Km=1.220g/AhKcu=1.185g/Ah镀锌阴极面积 dm2, 温度 0C 槽液成分阴极试片增量变化电流强度铜度仑计阴极（g）镀锌槽阴极（g）K通电前重 a通电后重 b增重Wcu=b-a通电前重a1通电后重b1增重b1-a11A/dm22A/dm23A/dm2 Kcu=1.185g/Ah Kzu=1.220g/Ah2以Dk为槽轴，k为纵轴，做出阴极电流密度与阴极电流效率取两次的平均值的关系曲线。并讨论电流效率与分散能力的关系。六、思考题1若库仑计或任一镀锌槽的阴极和阳极接触，对实验结果有何影响？2库仑计的铜阴极片面积做得很大，为什么？3停镀后，若不及时从镀锌槽取出试片，会引起k偏低还是偏高？实验二 电镀液分散能力的测定一、 实验目的和内容1. 通过实验加深理解电镀液分散能力的概念。2. 学会用弯曲阳极化测定DE型 酸盐镀锌溶液的分散能力。3. 了解电镀液成分对分散能力的影响。二、 实验原理分散能力又称均镀能力，它是指电镀液所具有的使金属在阴极表面上均匀分布的能力。对电镀不但要求结晶细致，与基体金属结合牢固，而且要求镀层在各处厚度均匀。但是，在电镀中往往有凸出较厚，凹处太薄的不均匀现象。镀层厚度的均匀性与电镀液的电导、电流效率及阴极极化等电化学因素，与电镀时阴极的形状、位置、电解槽形状、大小等几何因素及基体金属的形状性质有关。其中电化学因素是主要因素，因为电镀液的电化学因素直接影响到电流的分布，亦即影响到金属镀层的均匀性。三、分散能力的测定方法镀液的分散能力常以下三种方法，其中哈林槽法最为常用。1 哈林槽法，即直接测量法哈林槽是一种内腔尺寸为150 X50 X70mm的矩形槽，测定时槽的两端各放一个阴极，在两个阴极之间放入一个与阴极尺寸（50 X70mm）相同的网状阳极或带孔的阳极，（宽50mm,高80mm以上），阴极到远阴极及近阴极的距离之比为2:1。在通电一段时间后用称量法求得远近阴极上的镀层的质量，用下面公式计算镀液的分散能力：图3哈林槽 式中 TP均镀能力即分散能力（%）; M近近阴极镀后增重（g）; M远远阴极镀后增重（g）。用此式计算分散能力时，最佳值为100%，最差为100%。应用哈林槽测分散能力还有多种其它公式，写报告时应注明采用哪种计算公式。注意：（）进行分散能力比较时，应用同一仪器，同一计算公式；镀前、镀后必须用相同方法称量远、近阴极。（）远、近阴极应同时通电和断电，并同时取出。对镀层在镀液中会发生化学溶解时，断电后应立即将远、近阴极从测试槽中取出。（）测试电流应控制在保证远、近阴极背面获得良好的镀层的范围内。（）测试时，远、近阴极在镀液中面积必须相同。数据处理 记录表 试验温度：阴极名称阴极面积（dm2）电流（A/dm2）电流强度（A）称重前（g）称重后（g）增重（g）镀液分散能力近阴极远阴极弯曲阴极测定法弯曲阴极法是通过测量与阳极不同距离、不同相对位置的阴极上的镀层的厚度，然后利用公式计算出镀液的分散能力。弯曲阴极法测定分散能力时，采用的装置见图4，电解槽紧贴于镀槽一端，阴极用薄钢板制成，阴极规格及弯曲后的侧视图见5。弯曲后各面边长为29mm，厚度为0.20.5mm，被镀面积位为1dm2,背后无需绝缘。测试时，槽内镀液量为3L、阴极电流密度为0.51A/dm2时，电镀时间为20分钟；当电流密度为1.5 A/dm2时，电镀时间为15分钟；电流密度为35A/dm2，电镀时间为10分钟，沉积速度慢的可适当延长电镀时间。镀毕，将阴极取出清洗，干燥。计算分散能力时，先测量A、B、C、E各面中央镀层的厚度即SA、SB、SD、SE，然后按下式计算分散能力： 分散能力最好时为100%，最差时为0。 利用本方法测分散能力时，使用的电流密度必须适当，尤其是A面，镀层必须良好，切忌形成海绵状镀层或其它疏松、不平整镀层。 本方法操作简便，测定所用时间短，能较全面的反映阴极凹凸部分镀层在去表面的分布状况；缺点是测厚法比测重法精确度差。数据记录与处理： 电流密度： 电镀时间： 电极面积： 镀层厚度:A面 B面 C面 D面 电流强度： 分散能力：T.P=3.梯形槽测定法利用赫尔槽试验也能做分散能力的测定，赫尔槽结构及其装置见赫尔槽试验一节。作赫尔槽试验时，电流常选择0.53A。常用的电流为1A，电镀时间为514分钟。赫尔槽阴极样板在被测镀液中镀覆以后，按照图6所示划分8个部分，然后分别测出18各主格中心的镀层厚度d1、d2d8，最后根据下式求出分散能力： 式中dn是比选择的任一方格的镀层厚度，d1为第一号方格的镀层厚度。 分散能力最佳为100%，最差为0。实验数据记录及处理阴极面积： 电流 1A 电镀时间：15min镀层厚度()：1 2 3 4 5 6 7 8分散能力： T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8四药品级溶液：碱性锌酸盐镀锌液 ZnO 1015g/L NaOH 100150g/l EDTA二钠 0.51g/L 香草醛 0.050.1g/L DE 46ml/L 温度：10-40 电流密度：13A/dm2四、 实验步骤本实验采用弯曲阴极法测定锌酸盐镀锌液的分散能力。（1）试片准备：先将表面光滑的试片，经过除油除锈干燥后在试片背后及四个端面（非工作面）涂上过氯乙烯绝缘漆，放到105-115的烘箱里烘干。（2）取出烘干的试片，在空气中冷却。（如需称重，则在分析天平上称重并记录）（3）量取试片工作面积，以确定通过电镀槽的总电流。（4）按原理图链接电路，电镀20min （5）电镀完后，烘干试片并称重或测镀层厚度。（6）切断电源，将阴极取出并放入蒸馏水中保存。（7）更换镀液，用过的镀液进行回收，重复以上步骤。（8）实验完毕，倒回镀液，清洗整理。六、 思考题（1） 如何改善分散液的分散能力？（2） 用不同方法的分散能力能否进行比较？为什么？实验三 电解液覆盖能力的测定一、 实验目的和内容1. 通过实验加深和理解电解液覆盖能力的概念，并学会用直角阴极及管型内壁测定DE型锌酸盐镀锌液的覆盖能力。2. 了解镀液成分对深镀能力的影响。二、 实验原理覆盖能力（也叫深镀能力）是指电解液在镀件的深凹部位或内孔中是否沉积镀层的能力。它也是电解液性能的重要指标之一。电镀时，在阴极上要沉积相出金属，阴极的电极电位必须要达到某一最小值，此时它所对应的能析出的金属的最小电流密度称为临界电流密度（i临）。临界电流密度的大小取决于被沉积金属和基体金属的本性以及电解液的组成和温度等。如在酸性镀铜中i临为几个mA/dm2，而在镀铬时为1020 A/dm2。由于电流分布的不均匀，在零件的深凹部位的实际电流密度，可能大大低于临界电流密度，因而该处就没有发生金属沉积。为使这些部位也能镀上金属，必须提高平均电流密度。电流密度分布越不均匀，则要求平均电流密度也越大。但由于受到极限电流密度的限制，它又不能限制的提高，否则尖端部位就会被烧焦。因此，电解液的覆盖能力取决电流分布以及极限电流密度id对临界电流密度的比值id/i临，极化值愈大，电解液的覆盖能力愈好。此外，基体金属的本性、结构以及表面状态对覆盖能力也有较大的影响。比如在镀铬时对基体铜、镍、黄铜、钢进行覆盖能力的测定，测定的结果，覆盖能力按下述次序递减： 铜镍黄铜钢为了改善覆盖能力，在生产中常采用两种方法：在开始电镀的瞬间采用冲击电流；在基体上先镀一层覆盖能力好的中间镀层。基体金属组织不均匀或含有其它金属杂质及化合物，则由于沉积金属在不同基体上析出的难易程度不同，而引起金属分布不均匀。根据实验结果，金属析出的过电位与氢的过电位依基体材料大致有下列关系： 氢的过电位增大 Pt、Pd、Ni、Fe、Ag、Cu、Zn、Sn、Hg、Cd、Pb 金属的过电位增大虽然上述次序并非永远如此，但它表明了氢的过电位低的基体金属，析出就困难。所以，若基体金属材料不均匀或其表面上含有能降低氢的过电位的金属杂质，则在此表面位置上就可能无镀层析出。基体金属的表面状态对覆盖能力有较大的影响。在基体的不洁净部位，金属的沉积就比较困难，甚至有可能没有金属镀层。例如，基体表面有锈、不连续的薄油膜、肉眼不易察觉的氧化膜以其表面活性物质等的污染。基体金属的表面清洁度也会影响到金属的沉积。因为，在粗糙的表面上其真实面积比表现面积大得多，这就显著的降低真实电流密度。若某些部位的真实电流密度小于临界电流密度，则该处的电位就达不到金属的析出电位，从而就不可能在该处有金属沉积。由上可知，光洁度越高，覆盖能力越好。3、 仪器、药品、原理图1. 仪器设备：电源、导线、试片、镊子、铜管；2. 药品：NaOH、ZnO、DPE-III、三乙醇胺；覆盖能力常用C表示，其测定目前尚无统一方法。下面介绍的角形阴极法（如直角阴极）适用于深镀能力差的镀液，如镀铬溶液。管型内壁法及凹穴法适用于一般镀液。. 角形能极测定法角形阴极材料一般选用的铜板。阴极长7.5cm，宽2.5cm，在离一端2.5cm处将极板弯折90。,如图10,阳极为与工业生产相同材料的平板.电解槽内腔为90。45。用玻璃、硬聚氯乙烯等绝缘材料制成。测试装置如图11所示。测试时，将阴极做必要的前处理，使壁面紧贴槽壁，需镀部分浸入镀液中，使角形阴极受镀面积为10mm5mm，电流密度按工艺要求选取，时间510min，镀后用带小方格划线的有机玻璃板复上，量取镀层占应镀表面积的百分比。2管形内壁测量法用内径 530mm，长30100mm的钢管或铜管，对其内壁电镀，镀后将其剖开，观察镀层达到的深度，评定镀液的覆盖能力。为简便起见，也可用给绝缘材料制成的管子，内径与长 图12 管形内壁法测定覆盖能力装置度与上述相同，其中插入一根与管子相同长的狭铜皮或软铁皮，镀后取出，根据镀层达到的深度评定覆盖能力。通常用镀层达到的深度比内径的百分数表示。覆盖能力好的也可将管子一头封闭，采用单阳极电镀，镀后用同样方法评定覆盖能力。测试装置如图12所示。 由于测定镀液覆盖能力的方法不一，因此，写实验报告时除将CP的百分比表示出来外，还应将试验装置交代清楚或用图说明。三、 实验步骤本实验采用管形内壁法测锌酸盐镀锌液的覆盖能力。1 把剖开的铜管内壁仔细打磨光亮，经除油，除锈（除去被镀层），清洗干净，同时把两块锌阳极进行打磨并清洗干净。2 测量铜管的截面积、长度。3 铜管对接好，并在其外壁缠上一层绝缘胶布，以防外壁上镀上锌层，然后按路线图所示接好路线。4 接通电流，进行电镀，电流密度为200mA/dm2，电镀时间为3min。5 先取出铜管，后断电，去掉绝缘胶布，将铜管锯开，测量管内壁无镀层的长度（或有镀层的长度），并将测量结果记录于表中。6 评定镀液的深镀能力。四、 实验数据处理阳极材料： 温度：阴极材料： 电流：阴极内径： 时间：阴极长度： 镀层覆盖长度：深镀能力：五注意事项1. 电源的使用。2. 铜管放置应位于槽的中央，处于水平状态，槽液的深度。3. 电流强度大小，电流应从零慢慢调到0.2A，不可超过0.2A。六 思考题1 如何提高镀液的覆盖能力？2 用不同的测得的覆盖能力值能否进行比较？为什么？3 溶液中成分对深度能力有何影响？七计算公式1. 深镀能力=镀层长度/铜管的总长度。2. 深镀能力=镀层长度/铜管的内径。实验四 化学镀镍1、 实验目的: 1.通过实验进一步了解化学镀镍的基本原理； 2.初步掌握化学镀镍的配制方法和工艺操作要领。2、 实验原理 化学镀是采用化学的方法使金属离子沉积到其他机体上去的方法。被镀件浸入相应的镀液中提供电子使金属离子还原沉积在制件表面。 还原作用仅发生在催化表面。一旦在制件表面开始有金属沉积，则被沉积的金属为了能继续下去，金属本身应具有催化剂的性质。化学镀的特点如下：1. 镀层具有良好的耐蚀性、耐磨性和磁性能，且镀层硬度高，孔隙少等优点；2. 均镀能力好；3. 不需要电源、镀层表面没有导电触点；4. 可以在金属、非金属、半导体上产生金属沉积。 化学镀镍是化学镀中应用最为广泛的一种方法。所用还原剂有次磷酸盐、肼、硼氢化二钠和二甲基胺硼烷等。目前大多采用次磷酸钠为还原剂，硼氢化二钠和二甲基胺硼烷因价格较贵，只有少量使用。化学镀镍层的结晶细致，孔隙率低，硬度高，镀层均匀，可焊性好，镀液深度能力好，化学稳定性高，目前已广泛应用于电子、航天、精密仪器、日用五金、电器和化学工业中。 目前广泛用于生产是以亚磷酸钠为还原剂的化学镀镍工艺，其化学镀镍反应机理，尚无统一的认识，主要有三种理论，即：原子氢态理论、氢化物理论、电化学理论。1.原子氢态理论 该理论认为：镍的沉积是依靠镀件表面的催化作用，使次亚磷酸根分解析出初生态原子氢。NaH2PO2 = Na+ +H2PO2- 催化表面H2PO2- +Ho HPO32- +H+ +2H0H0在制件表面使Ni2+还原成金属镍：Ni2+ +2H0 Ni+2H+同时，原子态氢又与H2PO2- 作用使磷析出H2PO2- + H0 H2O+OH-+P还有部分原子态氢相互作用生成氢气析出：2H0 H2 由这一理论导出的次亚磷酸根的氧化和镍的还原反应可综合为：Ni2+ +H2PO2- HPO32- +3H+ +Ni1. 氢化物理论氢化物理论认为：次亚磷酸钠在催化表面催化脱氢生成还原能力更强的氢负离子H- H2PO2- +H2O 催化表面 HPO32- +2H+ +H-在催化表面上，H-使Ni2+还原成金属镍：Ni2+ + 2H- Ni + H2 同时在溶液中的H+ +H- H2 磷来源于一种中间产物，如偏磷酸根(PO2-)在酸性的界面条件下，由下述反应生成：2PO2- + 6H- +4H2O 2P + 3H2 +8H- 镍还原总反应可表示为：Ni2+ + H2PO2- + H2O HPO32- + 3H+ + Ni2. 电化学理论电化学理论认为：次亚磷酸根被氧化释放出点子，使Ni2+ 还原成为金属镍。次亚磷酸根释放电子：H2PO2- + H2O H2PO3- + 2H+ +2e金属镍离子Ni2+得到电子还原成Ni:Ni2+ + 2e Ni氢离子得到电子还原为氢气：2H+ + 2e H2 次亚磷酸根得到电子析出磷：H2PO2- + e P + 2OH-镍还原总反应式：Ni2+ + H2PO2- + H2O H2PO3- + 2H+ + Ni电化学理论还认为：化学镀镍过程是依靠产生原电池的作用，在电池负极与正极将分别发生下述反应：负极：H2PO2- + H2O -2e H2PO3- + 2H+正极： Ni2+ + 2e Ni2H+ + 2e H2 H2PO2-+ e P + 2OH-化学镀镍的上述三种理论，对化学镀镍过程都能作出一定解释，但也都不完全。在书刊和其他一些文献中引用较多的是原子氢态理论，其次是氢化物理论，电化学理论引用较少。3、 实验用品 普通铁片或不锈钢片 一块 烧杯 若干 电炉 一个 镊子 一只 温度计 一只4、 实验工艺配方及条件：化学镀镍配方及工艺条件：（配制溶液250ml为宜） 硫酸镍（NiSO47H2O)2530g/L 乳酸 25g/L 苹果酸 10g/L 次亚磷酸钠 2025g/L pH值 4.454.8 温度 8595沉积速度 1522m/h五、实验方法及步骤1.将铁片按电镀前处理要求规范进行处理，即试样除油除锈水洗1:1盐酸浸蚀水洗 化学镀镍水洗干燥2. 在烧杯中加入乳酸，用碳酸氢钠溶液中和至PH值为4.6左右，领取一个烧杯用热蒸馏水溶解硫酸镍，溶解后在不断搅拌下注入前述溶液中，所得混合液过滤入槽。3.进行化学镀时，先把预先溶解好并经过过滤的次磷酸钠溶液加入槽内，搅拌均匀后加入蒸馏水至所需体积，最后用10%稀硫酸或氢氧化钠溶液调整PH值至规定范围上限值。4.把烧杯放在电炉上加热，温度控制在8595之间，把铁片放入的同时，用铁丝引发，直至有大量气泡冒出后可停止引发，镀30min后取出试片。5.测量试片厚度，如要求镀层厚度很厚，可以继续化学镀。6.化学镀镍完毕，立即过滤化学镀镍液，留待下次试验使用。7.沉积速度计算：V = m x 104AT式中m为试片增重(g)，为镀层密度（取7.8gcm-3)A为试片表面积（cm2）T为施镀时间（h)V为镀层沉积速度（m/h)4、 思考题1. 试片在进行化学镀时，为什么要进行引发？2. 化学镀和电镀进行比较，化学镀有哪些优点？实验五 赫尔槽试验一、 实验目的和内容 1.掌握赫尔槽试验的原理和方法，并学会记录，观察与分析赫尔槽试片； 2.通过对DE型镀锌液的赫尔槽试验，了解该独有各组分的作用，主要杂质的影响和消除方法，以及阴极允许电流密度范围之确定。二、 实验原理赫尔槽是ROHull于1935年设计的形似梯形的一种电镀工艺试验仪，它具有结构简单，使用方便，速度快，效果好，消耗镀液少等特点，是电镀工艺者必须掌握的试验手段，随着电镀技术的发展，赫尔槽的用途和结构都有了新的发展，不仅用于研究镀液组分的影响，添加剂的选择，查明故障，确定电流密度范围等，而且用于测定分散能力，深镀能力。镀层的其他性能（整平性、脆性、内应力、耐蚀性等），能测定镀液和镀层的许多主要性能。在电镀中，阴极和阳极总是平行放置的，如图14（a）所示，为的是阴极上各部位电流密度趋向均匀分布。但如果把阴极斜放，使阴极各部位与阳极的距离不同，如图14（b）所示，则阴极上的电流密度就随各部位而异，赫尔槽就是应用这个原理设计的。在赫尔槽中，阴极两端与阳极距离不同，离阳极近的一端叫近端，电流密度大，随着远离阳极电流密度逐渐变小，距阳极最远的一端称为远端，电流密度最小，如267毫升的赫尔槽试片上近端与远端电流密度相差50倍，因此通过一次赫尔槽试验就可以直接从阴极试片上观察到不同电流密度下镀层的状况，改变电镀液的组分和工艺参数并分别做赫尔槽试验，对阴极试片进行比较和分析从而可确定合理的配方和工作规范。图14 本实验选267ml赫尔槽中加250ml镀液进行试验，这样往赫尔槽中加1克物质，则相当与于每升镀液中加了4克物质。267ml赫尔槽斜置阴极上的各点的电流密度值与该点距阳极距离的对数成反比关系可按下式计算： ikI(5.15.24logl)ik-阴极上的某点的电流强度（A/d）；I-试验时电流强度（A）；l-阳极上某点距近端的距离（cm）为了便于对比和总结各种经验条件选的镀层状况，可将试验结果用绘图方式记录下来，但是在同一距离处赫尔槽阴极试片随着高度的不同，其镀层质量状况不一致，如图（A）,一般选图16所示的符号记录镀层的表面状态，如这些符号还不足以说明情况时还可配合文字说明。（单位：mm）三、 实验步骤 (1)将背面涂有过氯乙烯清漆的阴极试片进行除油，除锈，用清水洗赫尔槽和锌阳极，按图5接好线路； (2)取已配好的DE型锌酸盐基基础镀液（ZnO 12g/L NaOH 120g/L）250ml倒入赫尔槽内，在室温下，用1安培电流镀5分钟，取出试片，用水清洗，热风吹干，将结果填入记录表中（下同）； (3)加DE添加剂1ml（即4ml/L）于(2)溶液中，搅拌均匀进行试验； (4)加EDTA 0.25克（即1g/L）和香草醛0.025克（0.1g/L）于溶液(3)中，搅拌均匀，进行试验，电镀水洗干燥后，先出光，继低铬钝化约30mm高度。 (5)在溶液（4）中，加醋酸铅0.04g/L，搅拌后电镀试验；试片干燥后出光，钝化约30mm高度，对比观察记录结果； (6)往(5)中再加醋酸铅0.04克/升重做一次。 (7)重新取DE镀锌液（并非基础液）250毫升放入赫尔槽中，加醋酸铜0.04g/L搅拌后进行试验； (8)往(7)中再加醋酸铜0.4g/L，试片吹干后钝化约30mm高度，将(7)(8)试片进行对比； (9)将(8)倒入烧杯中，加锌粉12克，搅拌10分钟，静止倾泻过滤，滤液倒回已清洗的赫尔槽中。若阳极锌板有置换铜，应在退锌槽中退除，重做一次试验，并与(7)(8)对比。四、 试验结果讨论3. DE型添加剂、EDTA、香草醛等在溶液中有何作用？4. DE型镀锌溶液最佳的工作电流密度范围？5. Pb2+ Cu2+金属离子对镀层质量和钝化膜有何影响，怎样消除？6. 赫尔槽阴极片绘图记录表如下：（参考用）固 定 条 件电流 时间 温度 电流强度试 片 电 流 密 度（Dk)5.45 3.74 2.78 2.08 1.54 1.09 0.72 0.40 0.11 试 片 表 观 描 述变 动 条 件1、基础液2、（1）+DE3、（2）+EDTA+香草醛4、（3）+0.04g/L醋酸铅5、（3）+0.08g/L醋酸铅6、（3）+0.04g/L醋酸铜7、（3）+0.08g/L醋酸铜8、（7）+锌粉处理后六、赫尔槽试验操作及注意事项1.赫尔槽试验操作首先按赫尔槽试验装置的要求连接好线路，量取250ml试验镀液，置于267ml赫尔槽中，控制镀液温度在指定的范围内。放入准备好的并经充分洗净的阳极和阴极，分别使它们紧贴在各自的槽壁上。然后将电源正极接在阳极上，负极接在电源阴极上，要求接触导电良好。打开电源开关，调节至试验所需的电流强度（一般用1A或2A，镀铬用510A）。试验时，保持电流恒定，防止由于阳极钝化或其它原因引起电流下降或上升。试验时间一般为5min或10min，特殊情况下可自行决定。试验结束后，取出阴极样板经充分清洗、干燥，最后将样板上的镀层绘图记录。阴极样板如需保存，应涂上清漆后干燥，并在样板上注明镀液类型，试验日期，试验条件以其编号等。2.试验操作注意事项取样和加料：赫尔槽试验的首要问题是取得具有代表性的镀液，如果是从生产镀槽中取样，要将镀液搅拌均匀后取样，使所取镀液的成分与镀槽中镀液成分一致。赫尔槽试验加料时，固体（可溶性）可直接加入镀液中，搅拌至完全溶解。不宜直接加入镀液的原料，要配置成尽可能浓的溶液，按量加入，搅拌均匀。试验温度控制和搅拌：试验镀液的温度，要与实际生产时相同，生产时要加温的镀液，赫尔槽试验时镀液也要加温。因赫尔槽不宜直接加热。一般是将试验镀液放入在杯中，加热至高于控制温度上限35，然后倒入赫尔槽中，待温度降至操作温度上限时开始试验，经510min，温度可能降至操作温度的下限左右，这样可使试验温度基本上控制在规定的范围内。冬天因镀液降温较快，最好将赫尔槽浸在盛有热水的容器中隔水保温，以防止试验镀液温度降温太快而影响试验结果。在电镀生产中，有的镀液需要搅拌或阴极移动搅拌，而赫尔槽中的阴极不能移动，可用玻璃棒以手工轻微搅动镀液或装上小型搅拌装置。试验中是否需要搅拌镀液，要看具体情况，凡是不需搅拌同样能反映生产中情况的试验，一般可不必搅拌试验镀液。七、钝化时的要求（1）高铬钝化要求空停，钝化膜在空气中形成，低铬钝化不需要空停，钝化膜在钝化液中就能形成，但必须严格控制时间，时间段不能形成钝化膜，时间长可能是镀层退掉（钝化镀液强酸性）。（2）温度要求：必须严格控制温度。试验六 铝的阳极氧化和电解着色一、 实验目的与内容通过实验进一步掌握铝的硫酸阳极氧化基本原理，并了解铝的装饰性阳极氧化及染色和电解着色的一般工艺过程。二、 实验基本原理铝及其合金在大气中其表面会自然形成一层厚度为4050薄的氧化膜。虽然能使金属稍微有些钝化，但由于它太薄，孔隙率大，机械强度低，不能有效地防止金属腐蚀。用电化学方法即阳极氧化处理后，可以在其表面上获得厚达几十到几百微米的氧化膜。后者的耐蚀性力很好。硫酸阳极氧化所得的氧化膜厚度在520微米之间，硬度较高，孔隙率大，吸附性强，容易染色和封闭。而且具有操作简便、稳定、成本低等特点，故应用最为广泛。当把零件挂在阳极上，阴极用铅棒，通入电流后，发生如下反应：阴极上： 阳极上： Al 3e Al3+ 6OH- 3H2O 3O2- 2Al3+ 3O2- Al2O3 399(卡)硫酸还可以与Al,Al2O3发生反应 2Al 3H2SO4 Al2(SO4)3 3H2 Al2O3 3H2SO4 Al2(SO4)3 3H2O铝阳极氧化膜的“生长”和“溶解”这对矛盾中发生和发展的。通电后的最初数秒钟首先生成无孔的致密层（叫无孔层，或阻挡层），它虽只有0.010.015um。可是具有很高的绝缘性。硫酸对膜产生腐蚀溶解。由于溶解的不均匀性，薄的地方（孔穴）电阻小，离子可能过，反应继续进行，氧化膜生长，又伴随着氧化膜溶解。循环往复。控制一定的工艺条件特别是硫酸浓度和温度可使膜的生长占主导地位。必须注意，氧化膜的生成和成长过程是由于氧离子穿过无孔层与铝离子结合成氧化膜的，与电镀过程恰恰相反，电极反应是在氧化膜与金属铝的交界处进行，膜向内侧面生长。铝阳极氧化膜的生长和溶解规律可用其电压时间曲线来说明。见图26、图27.A区：在最初10秒钟内曲线直线上升，电压激剧增高，说明生成了无孔层电阻增大，这时成膜占主导，阻碍了反应继续进行。当外电压高时，O2-能穿过薄的地方继续反应。故无孔层的厚度取决于电压、即电压高时，无孔层相应增厚，反之亦然。B区阳极电位达到最高值开始下降，说明无孔层达到极限（一定电压下），由于硫酸腐蚀溶解造成孔穴，电阻下降，电压降低。1铝 2无孔层 3多空层图26 氧化膜生长阶段示意图 图27 时间电压曲线C区：20秒钟后，电压稳定，这时膜在不断增厚（多孔层），无孔层则生长和溶解在达到动态平衡溶解和生长在孔穴底部进行，时间延长孔穴变成孔隙，逐步形成一定厚度的氧化膜。硫酸氧化膜，多孔隙，有很强的化学活性，利用这一特点，人们在铝阳极氧化膜上进行染色或电解着色，达到耐蚀和装饰双重目的。有机染色是将氧化制品放入有机染色槽中，利用氧化膜的化学和物理吸附作用，将染料分子吸附于氧化膜微孔中而成色。有机染色色种多，艳丽是其优点，但耐磨，耐晒，耐光性能差，只适合于室内装饰和日用五金制品之装饰。电解着色是将氧化制品浸入含有金属盐的水溶液中，通入低压交流电，由于氧化膜的阻挡层具有整流作用，金属离子在铝阴极的阻挡层上还原成金属胶态粒子，由于金属盐种类不同，或由于金属沉积量不同，胶态粒子大小和粒度分布不同，对光波产生选择性吸收和散射作用而显示出不同颜色。电解着色膜耐晒、耐热、耐光、耐磨性好，耐蚀性高，广泛用作建筑铝材，交通车辆等室内外防护装饰。铝阳极氧化膜无论着色与否，用于何场合，都必须进行封孔处理，以达到防蚀，抗沾污等目的。常用的方法有沸水中煮沸约30分钟，氧化膜与水反应生成Al2O33H2O，体积膨胀而将孔封闭。当