电镀实验讲义.docx

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电镀实验讲义

实验一铝及其铝合金阳极氧化

一、实验目的：

通过实验进一步掌握铝及其合金的硫酸阳极氧化的基本原理，并了解铝的装饰性阳极氧化及染色的一般工艺过程。

二、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40～50Å的氧化膜，此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，可以在表面上获得厚达几十到几百微米的氧化膜，后者的耐蚀能力很好。

硫酸阳极化法所得的氧化膜厚度在5～20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，阴极用铝片或铅板，通入电流后，发生如下反应：

阴极上：

2H﹢2e→H2

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

铝阳极氧化膜的生成是在“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0.01～0.015µm,可是具有良好的绝缘性，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，离子可以通过，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：

见图一、图二。

A区：

在最初10秒内曲线直线上升，

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。

ABC

图一氧化膜生长阶段示意图

1.铝2.无孔层3.多孔层

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。

12-

10-

电压8-

（伏）6-

4-ABC

2-

时间（秒）

1020304050

图二电压曲线

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达到动态平衡，溶解和生成在孔穴底部进行，时间延长孔穴变成孔隙，逐渐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。

常用的封孔法有沸水法和常温法两类。

沸水法是将铝制品侵入纯水中煮沸约30分钟，氧化膜与水反应生成

AL２O３•H2O，体积膨胀而将孔封闭。

当水温低于80℃时，可能生成AL２O３•3H2O，这是不稳定的，可逆性的水化物，耐蚀性差，所以沸水法一定要在95～100℃下进行。

为节省能源，提高封闭质量和速度，八十年代研制出常温快速封闭剂。

它是利用金属的水能作用、氧化膜的水化作用以及形成表面络合物等三种作用的综合，可在常温下迅速达到封孔之目的，其速度可提高1～2倍。

质量亦明显提高，湖南大学研制的GKC-F封闭剂已在国内普及应用。

三、仪器及线路图

A+E-

——————1K

——————

————2

——————3

E—直流电源A—电流表V—电压表K—单刀开关

I—阴极铅板2—阳极铝片3—氧化槽R—电阻

四、药品及溶液配方：

化学除油:

Na2CO310～20g/L

Na3PO410～20g/L

Na2SiO３10～20g/L

OP-10乳化剂１～３ml/L

T60～80℃

t5～10min

化学抛光：

H3PO4（d=1.70）800ml/L

H2SO4（d=1.84）120ml/L

HNO3（d=1.46）80ml/L

T90～110℃

t20～80s

阳极氧化液：

H2SO4200g/l

染色液:

茜素黄0.3g/l

茜素红0.5g/l

T50～70℃

t1～3min

封闭：

蒸馏水煮沸

t5～10min

腐蚀液：

盐酸HCl50ml

K2Cr2O76g

蒸馏水75ml

五、实验步骤

1、铝片或铝合金片经化学除油→热水洗→冷水洗→化学抛光→热水洗→冷水洗后存放于盛蒸馏水的容器中。

2、按图接好线路，将氧化液倒入氧化槽中，挂上铅阳极。

3、取两块铝片（或铝合金片）计算面积，挂入阳极，通电后始终保持1A/dm2的电流密度，氧化15分钟，记录槽温和槽电压的变化。

4、氧化后的阳极片清洗干净放入蒸馏水中（不要用手摸试片），然后取一片放入染色液中进行染色，然后用热水封闭。

5、取另一片试片用冷风吹干，然后将腐蚀液1—2滴滴在试片已阳极氧化和未经阳极氧化（自然氧化）的部位，记录从橙色变成绿色的时间，以此判断天然的氧化膜和阳极氧化膜的耐蚀性。

变色越慢，耐蚀性越好。

6、实验后，拆除线路，将电解氧化液、着色液倒回相应的瓶中。

六、注意事项

1、阳极氧化时挂具与试片必须接触良好，每次实验前，接触点的氧化膜必须清除掉，确保每个电极都发生电极反应。

2、氧化后的试片不得用热水洗和用手摸。

3、染色时染色液的温度要保持50--70℃，如温度过低，则染色过浅，封闭时会出现退色现象（常称为流色）。

七、问题讨论

1、影响氧化膜质量的因素有哪些？

1、氧化膜的着色方法有几种？

所得膜层颜色为何不同？

实验二阴极电流效率的测定

一、实验目的：

1、了解电镀工艺中测定阴极电流效率的常用方法；

2、掌握用库仑计测阴极电流效率的方法；

3、了解电流效率随电流密度的变化规律。

二、基本原理：

在电镀过程中，阴极上主要发生沉积欲镀金属的反应，除此以外，还经常伴有一些副反应，如氢气的析出，有机化合物的还原，高价金属离子还原为低价金属离子等。

因此通过电镀槽的总电量就不能全部用于金属的沉积，而是有一部分消耗于副反应而浪费掉了，所以存在一个电流效率的问题。

所谓电流效率（η）就是电极上析出某物质所需要的电量（Q）与通过电解槽的总电量（Q0）之比，常以百分比表示，即

η=Q/Q0×100%

（1）

根据法拉第电解定律，当直流电通过电解质溶液时，在阴极上析出物质的质量与通过的电量成正比。

因此，析出某物质所需要的电量（Q）可根据称量析出物的质量求出：

Q=m/k=（nＦ/A）·m

（2）

式中：

Q—通过电解质溶液的电量

m—析出物质的质量

k—析出物质的电化当量

n—电板反应得失电子数

F—法拉第电解常数（96500库仑/克当量或26.8安·时/克当量）

A—析出物质的原子量

所以，电流效率也可以表示为电极上实际析出物质的质量（m）与根据法拉第电解定律计算应得到该物质的质量（m0）之比，即

η=m/m0×100%（3）

m0=kQ0=（A/nF）Q0（4）

电镀中，电流效率的大小反应了通过电解槽的电量的利用率。

当电流密度相同时，电流效率越高，则该镀液的阴极沉积速度越快，反之则相反。

不同镀种，则电流效率不同，如镀银的电流效率接近100%，镀锌、镀镉的电流效率为80～90%，镀铬的电流效率最小，只有13%左右，同一种镀种用不同的配方，电流效率也不一样。

因此电流效率也是评定电镀工艺性能优劣的指标之一。

电流效率可通过实验求出，由

（1）

（2）式或（3）（4）式可知，只要测出电极上析出物质的质量及通过电解槽的总电量就可以求出电流效率。

三、实验方法及内容：

（一）库仑计法

1、库仑计的种类：

库仑计是一种特殊形式的电解槽，其中通过的电量与电极上析出某一产物的质量之间符合法拉第电解定律，即在电解槽中通过法拉第电量（96500库仑或26.8安时），电极上析出的物质为1克当量，也就是说，该电极反应的电流效率为100%，因此可以根据电极上析出物质的质量计算出电解槽中通过的电量。

为了提高测量的精确度，要求库仑计具备以下条件：

a.电极反应中没有副反应，全部电量都用于所要求的某一电极反应；

b.电解槽中没有漏电现象；

c.电极上析出的物质能全部收集起来而无任何损失。

库仑计按测量生成物的方法以及精确度不同可分为多种，如：

（1）碘库仑计，也叫滴定库仑计，它是用硫代硫酸钠滴定点库仑计中电解生成的碘含量的方法来测量电量。

此法精确度高，但操作复杂，不常用。

（2）气体库仑计，也叫容量库仑计，即根据电极上析出气体的体积来计算电量，如电解15%的KOH或NaOH溶液。

这种库仑计主要用来测微小的电量。

（3）重量库仑计，根据电极上析出金属的重量来计算电量，如银库仑计和铜库仑计。

精密的银库仑计的精确度可达0.005%，铜库仑计的精确度可达0～0.05%。

虽然铜库仑计不十分精确，但使用比较方便，故它仍然得到了最广泛应用。

2、铜库仑计法测定电流效率

（1）铜库仑计的组成：

铜库仑计是根据电解槽中阴极上沉积出来的金属铜的质量来计算通过电解槽的电量，它通常是采用有机玻璃容器或塑料容器，其中放有三个极片，靠边缘的两个为阳极，是纯铜；中间的一个是阴极，为铜片或预先镀了铜的钢片。

铜库仑计的电解液成分如下：

CuSO4·5H2O125g/L

H2SO4（d=1.84g/cm3）25ml/L

乙醇50ml/L

溶液中加入乙醇的目的是为了防止放生下面的反应：

Cu+Cu2+→2Cu+，此反应消耗了少量的阴极上形成的金属铜，从而使电流效率下降。

随着测量线路中通过的电流大小不同，阴极尺寸的大小也应不同，选择阴极尺寸的原则是使阴极电流密度维持在0.2～2A/d㎡之间。

通过库仑计的电量是由称量阴极增加的质量来确定的。

根据

（2）式得：

Q0=（nF/A）·m0=（2×26.8/63.54）·m0=m0/1.185（安时）

式中：

m0—库仑计阴极铜的增加的质量

Q0—通过库仑计阴极的总电量

（2）测定线路图：

R

AAAAAAAAAAAAAAAAAA

A

。

+

。

-

..K

E—直流电源R—滑线电阻A—直流电流表

K—开关1—铜库仑计2—电镀槽

（3）实验用品：

库仑槽计1个

电镀槽1个

直流电流表1块

滑线变阻器1个

直流电源1台

导线若干

分析天平1架

铜阴极（铜片或镀铜钢片）1片

铜阳极（纯铜片）2片

阴极试片若干

阳极试片2片

库仑计溶液、电解液、除油液、除锈液、砂纸、滤纸、吹风等。

（4）实验内容：

1测定酸性镀锌液在电流为0.5，1，1.5A时的电流效率。

2测定碱性锌酸盐无氰镀锌液在电流为0.5，1，1.5A时电流效率

镀锌液配方如下：

酸性镀锌液：

ZnSO4•7H2O215g/L

KAL（SO4）2•12H2O45g/L

AL2（SO4）3•18H2O20g/L

NaSO4•10H2O50g/L

碱性锌酸盐镀锌液：

ZnO15g/L

NaOH120g/L

DPE-III5ml/L

N（CH2-CH2OH）325ml/L

（5）实验步骤：

1配好被测镀液；

2将所有试片用砂纸打磨光亮，除去砂尘，然后再进行除油，除锈，并用自来水冲洗干净，再用吹风机吹干,

3将处理好的阴极试片，先用托盘天平粗称，然后分别在分析天平上称量。

称量后，计算IK=？

（IK=DK•S浸）

4按原理图接好线路，把阴极试片分别放入库仑计和电镀槽中（带电下槽），并记下时间，同时再次核对一下电流是否正确；

5通电20min，带电取出槽中的阴极试片，进行清洗，用吹风机吹干，称量，把记录表中的数据填好，再计算电流效率；

6如此测量2～3次，分别求出电流效率后取其平均值。

（6）数据处理：

计算公式：

η=Q/Qº×100%=（ΔmZn/KZn）/（ΔmCu/KCu×100%

=（ΔmZn×KCu）/（ΔmCu×KZn）×100%

KZn=1.220g/A·h

KCu=1.185g/A·h

1数据记录：

槽液成分：

________________________________

电流强度:

_____________阴极面积：

_____________

电镀时间：

____________实验温度：

_____________

电流密度

（A/d㎡）

次数

电解槽

阴极质量（g）

阴极增加质量（g）

电流效率

（%）

电流效率平均（%）

镀前

镀后

1

电镀槽

库仑计

2

电镀槽

库仑计

根据求出的电流效率与电流密度的关系进行作图，并对曲线进行分析讨论。

（二）仪器法—DD-1型电镀参数测试仪

1、实验原理：

电流效率可用沉积一定量金属的理论耗电量Qº与实验耗电量的比值来表示，即

η=Q/Qº×100%

（1）

也可由同电量下金属实际析出质量（m）与理论上的金属析出质量（mº）之比：

即

η=m/mº×100/%

（2）

当通电时，阴极上金属的理论沉积量：

mº=k·Iº·tº（3）

式中：

k—电化当量

Iº—金属沉积时的电流强度

tº—通电时间

如果实际析出的金属用电解法以电流效率100%溶解时，则：

m=K·I·t（4）

式中：

K—电化当量

I—金属溶解时电流

t—溶解时间

把公式（3）（4）代入

（2）得

η=It/（Iºtº）×100%（5）

DD—1型电镀参数测试仪就是根据这一原理设计的，把电镀与溶解的电流恒定为同一值，这样只要记录下电镀时间和溶解度层所需的时间即可求出电流效率。

这就大大简化了实验过程，缩短了实验时间。

使用该仪器测量电流效率时应注意的几个问题：

（1）必须采用和镀层不同的金属做基体，因为不同的金属在同一电解液中的电位不同，当镀层溶解到露出基体金属时电位开始上升并有一个突跃，直到镀层完全溶解后电位随之稳定。

以电位突跃记为溶解终点。

（2）为减少终点判断误差，要使用面积较小的研究电极（不大于1c㎡）。

（3）必须选用适当的电解液配方，以保证镀层阳极溶解的电流效率为100%，并基本上不溶解基体金属。

各种电解液配方见下表：

镀

层

金

属

电

解

液

编

号

基

体

金

属

镉

铬

铜

镍

银

锡

锌

铅

钢

A1

A2

A4

A5

A6

A3

A8

A9

铜及铜合金

A1

A2

A7

A3

A3

A9

镍

A1

A2

A4

A6

A3

A8

A9

铅

A1

A2

A4

A8

A8

A1：

KI100g/L（有I2的痕迹）

A2:

Na2SO4100g/L

A3:

HCL73g/L（将比重1.18的盐酸175ml冲稀到11L）

A4：

酒石酸钾钠80g/L,NH4NO3·100g/L

A5：

NH4NO4800g/L,硫脲5g/L

A6:

NaNO3100g/L,HNO33mL/L

A7:

硫氰酸钾180g/L

A8：

NaCL200g/L

A9:

CH4COONa200g/L,CH3COONH4200g/L

1、实验内容：

（1）测量酸性镀锌液在不同电流密度下的电流效率；

（2）测量碱性镀锌液在不同电流密度下的电流效率。

2、实验用品：

DD-1型电镀参数测试仪1台

电解池2个

锌电极（S=1cm2）1支

铜电极（S=1cm2）1支

秒表1块

导线若干

碱性、酸性镀锌液，镀层阳极溶解液

3、实验步骤：

（1）熟悉仪器面板各旋钮及接线柱分布图；

（2）根据测量要求置仪器有关开关位置；

打开电源开关，“予控—工作”档置“予控”；“控I—控Φ”档置“控I”；“复位—扫描”档置“复位”；电极选择开关置“总”或“1”；测量选择开关置“阴极”。

（3）调节“电平”使电流表指示在所欲恒定电流值；

（4）将电极用砂纸打磨光亮，除油擦洗干净放入电解池中，阳极接“辅助”和“参比”两接线柱上，阴极接“研究1”；

（5）将“予控—工作”档置“工作”，同时记录时间to，电镀时间一般在10—20min内，停镀时把“予控—工作”档扳回“予控”；

（6）取出电极用蒸馏水洗净后放入进行阳极溶解的电解池中，把被测电极与辅助电极的接线夹对换，这样被测电极（原阴极）就变成了阳极，而原来的阳极变成了阴极（注意：

不可扳动“测量选择”开关，否则由于仪器线路的阻值的改变，电流发生很大变化，影响测量结果）。

依照上述沉积时的步骤操作，记下时间t（以电压表指示的电压发生突跃后并转为稳定时作为溶解的终点时间），把测量所得to与t1代入式（6）可计算出电流效率；

（7）整理数据，分析实验结果，写出实验报告。

实验三电镀镍工艺

一、实验目的:

1、了解镀镍层的性质和用途并掌握镀镍的原理；

2、学会配制镀镍液并掌握镀镍工艺。

二、实验原理：

镍是白色微黄的金属，具有铁磁性。

通常在其表面存在一层钝化膜，因而具有较高的化学稳定性。

镀镍的应用面很广，可分为防护装饰性和功能性两方面。

作为防护装饰性镀层镍可以镀覆在低碳钢、锌铸件、某些铝合金、铜合金表面，保护基体材料不受腐蚀，并通过抛光暗镍镀层，达到装饰的目的。

镍在城市的大气中易变暗，所以光亮镍镀层上往往再镀一薄层铬，使其抗蚀性更好，外观更美。

另外，也有在光亮镍镀层上镀一层金或一薄层仿金镀层，并覆以透明的有机覆盖层，从而获得金色装饰层。

塑料经处理后也可镀镍，使塑料零件金属化，即轻又美。

在镍镀层的功能性方面，最另人注目的是修复电镀，在被损的、被腐蚀的，或加工过度的零件上镀比实际需要更厚的镀层，然后经过机械加工，使其达到规定的尺寸。

镍的交换电流密度值很小，所以镍离子在阴极上还原时出现较大的电化学极化，这对形成细晶的镍镀层具有决定性的作用。

镀镍液中存在的阳离子有Ni2＋、Na＋、H＋和Mg2＋，由于Na＋、Mg2＋的电极电位很低，镀镍的阴极过程实际上只是Ni2＋和H＋的竟相放电。

其电极反应为：

Ni2＋＋2e→Ni

2H＋＋2e→H2

实际镀镍的过程中，镍不但优先析出，而且有较高的电流效率。

电镀镍时的阳极反应主要是金属镍的溶液：

Ni－2e→Ni2＋

镍具有较高的钝化能力，若阳极极化较大，则可能导致阳极析氧：

2H2O－4e→4H＋＋O2

活性很强的新生氧使其钝化更为严重。

阳极钝化问题已被很好解决。

在通常的瓦特镀镍液中加入适当的光亮剂，可以直接镀得光亮的镀层，镀后不需抛光，但抗蚀性较差，由于第二类光亮剂的使用，使镀层应力增大，光亮的镍镀层具有层状的结构。

为了提高镍镀层的抗蚀性，发展了半光亮镀镍。

半光亮镀镍溶液采用不含硫的光亮剂，如香豆素，1，4-丁炔二醇等，并采用甲醛、醋酸和甲酸等作为稳定剂，所以镀层中基本上不含硫（含硫量抵于0.005%），镀层电位较正，约在－30～－60mV之间，抗蚀性较高。

半光亮镍具有柱状的结构。

由于半光亮镍镀液中所用的光亮剂多数含不饱和的碳链，所以半光亮镍镀层的平整性较好；又由于在半光亮镀镍溶液中所加光亮剂含量很低，通常，半光亮镍镀层比光亮镍镀层具有较低的内应力。

三、实验配方及用品:

1、实验配方及工艺条件（以半光亮镍为例）

硫酸镍240～280g/L

氯化镍45～60g/L

硼酸30～40g/L

丁炔二醇0.2～0.3g/L

醋酸1～3mL/L

十二烷基硫酸钠0.01～0.02g/L

pH4～4.5

温度（℃）45～50

阴极电流密度（A/dm2）3～4

2、实验仪器及用品

直流电源一台

托盘天平一台

分析天平一台

pH计一台

铁架台一个

搅拌器一套

抽滤器一套

电镀槽一个

电炉子两个

玻璃棒两支

量筒（10ml）一个

烧杯若干

导线若干

钢铁片一片

镍板两块

砂纸若干

镊子一把

四、实验步骤：

1、镀液配制：

（1）将计算量的硫酸镍和氯化镍用热蒸馏水（或去离子水）溶解，加入0.5～1ml/L的双氧水（30%），搅拌半小时，然后加入1～2g/L活性炭，搅拌半小时，静止数小时（最好隔夜）。

（2）过滤溶液，加入事先用沸水溶解好的硼酸。

（3）将所需的添加剂分别按下列要求配制成溶液

①丁炔二醇：

用热水配成0.3g/L溶液；

②醋酸：

用热水配成2mL/L溶液；

③十二烷基磺酸钠：

用沸水配成0.02g/L溶液。

（1）将配制好的添加剂分别按需要量加入硫酸镍和氯化镍的溶液中，再加蒸馏水至所需体积，充分搅拌。

2、镍阳极的处理：

镍阳极在通电溶解过程中有不溶性物质进入镀液，可用涤纶布袋或阳极框，以减少镀层粗糙和毛刺的产生。

3、铁片的前处理：

先将铁片进行打磨，水洗，然后除油、除锈。

4、连接好线路，保持温度在45～50℃下，电流密度为3A/dm2，电镀5min。

5、实验完毕，断电。

五、结果讨论：

可另选几个试片，适当改变时间、电流密度进行电镀，比较镀层状况。

实验四化学镀镍工艺

一、实验目的：

1、了解化学镀的原理及特点，

2、掌握化学镀镍的方法。

二、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。

Mn++ne

M0

还原作用仅仅发生在催化表面。

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沉积下去，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。

化学镀可以做为单独的加工工艺，用来改善材料的表面性能和用于不适合电镀制件的表面金属沉积。

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