光亮镀锌及化学镀镍汪烨森.doc

实验15 光亮镀锌及化学镀镍
1.实验目的
１.1．学习和实践碱性光亮光亮镀锌的实验室操作流程，了解电镀的基本原理和工艺．
1.２．学习并掌握化学镀镍的原理以及实验室的操作方法．
2.实验原理
2.１．电镀和化学镀的概念
电镀就是利用电化学方法在金属制品表面上沉积出一层其它金属或合金的过程．电镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀液；待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在金属表面被还原形成镀层．为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变．电镀层比热浸层均匀，一般都较薄，从几个微米到几十微米不等，电镀能增强金属制品的耐腐蚀性、增加硬度和耐磨性、提高导电性、润滑性、耐热性和表面美观等性能．
通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件．镀层大多是单一金属或合金，如锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等；还有覆合层，如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银-铟层等．电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外，还有非铁金属，如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前，必须经过特殊的活化和敏化处理．
化学镀就是在不通电的情况下，利用氧化还原反应在具有催化表面的镀件上，获得金属合金的方法，用于提高抗蚀性和耐磨性，增加光泽和美观．管状或外形复杂的小零件的光亮镀镍，不必再经抛光，一般将被镀制件浸入以硫酸镍、次亚磷酸钠、乙酸钠和硼酸所配成的混合溶液内，在一定酸度和温度下发生变化，溶液中的镍离子被次亚磷酸钠还原为原子而沉积于制件表面上，形成细致光亮的镍磷合金镀层．钢铁制件可直接镀镍．锡、铜和铜合金制件要先用铝片接触于其表面上1-3分钟，以加速化学镀镍．化学镀镍的反应可简单地表示为：
NiSO4 + 3NaH2PO2+3H2O = Ni + 3NaH2PO3 + H2SO4 + 2H2
反应还生成磷，形成镍磷合金．
2.２．镀液的组成
电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电盐、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成．通电后，电镀液中的金属离子，在电场作用下移动到阴极上还原形成镀层．阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金属离子的浓度．在有些情况下，如镀铬，是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极，它只起传递电子、导通电流的作用，电镀液中的铬离子浓度，需依靠定期地向镀液中加入铬化合物来维持．
镀液的性能：
分散能力：镀液使零件表面镀层厚度均匀分布的能力；
覆盖能力：镀液使零件深凹处沉积出金属镀层的能力．
2.３．电镀的工艺控制
电镀时，阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制．
2.４．电镀的工艺过程
镀前处理（机械整平，抛光，除油，酸洗除锈，水洗）→电镀（挂镀或滚镀）→镀后处理（除氢，钝化，封闭，老化）→质量检验
2.５．镀层的性能测定
外观（表面粗糙度，光泽），镀层厚度，孔隙率，镀层机械性能，耐腐蚀性，结合力，钎焊性，金相结构，其他特殊性能（电学，光学，磁学性能）．
3.实验仪器和药品
仪器：直流稳压电源1台，0.5级500mA电流表1台，水浴锅1台，电子分析天平1台（共用），秒表（手机）；药品：
3.1．碱性光亮镀锌镀液配方及操作条件：
成分或条件 范围 标准
氧化锌 8～15g/L 12 g/L
氢氧化钠 80～120 g/L 100 g/L
BH-332 走位剂（开缸时用） 6～8 ml/L 8 ml/L
BH-336 光亮剂 3～5 ml/L 4 ml/L
Dk（阴极电流密度） 1～4 A/dm2 3 A/dm2
温度 15～40 ℃ 25 ℃
3.2．退锌溶液：稀盐酸
3.3．锌镀层钝化液：
铬酐 200 g／L
硫酸 10 g／L
硝酸 10 g／L
温度 室温
时间 2-5秒
3.4．化学镀镍溶液：
硫酸镍 30 g/L
次亚磷酸钠 10 g/L
醋酸钠 10 g/L
硼酸 5 g/L
温度 90℃
3.5．镍镀层孔隙率的测定溶液：
铁氰化钾 20 g/L
氯化钠 20 g/L
贴滤纸 10分钟
孔隙率=孔隙斑点数/被测表面积（个/cm2）
3.6．点滴法测定镀锌层厚度溶液：
KI 200g/L
I2 200g/L
尖端内径1.5-2.0毫米滴管，溶液在镀层表面停留60秒，每一滴溶液溶解镀层厚度1.8μm（30℃）。
4.实验步骤
4.１．在镀槽中加适当碱性光亮镀锌溶液；
4.２．剪3.5cm×3.5cm铁片，计算面积，用盐酸退锌，去除挂灰，擦干，称量，用去污粉除油；
4.３．安装．两片锌片阳极在两边，待镀铁片作阴极在中间，三者平行，串连电流表．打开直流稳压电源，加大电流，使电流密度在3 A/dm2左右，电镀20分钟，注意维持稳流，记录准确电流强度，计算电流密度；
4.４．电流调至零，关闭直流稳压电源，取下铁片．立即用水冲洗，擦干，用分析天平称量质量；
4.５．按同样方法再镀一块；
4.６．取一块镀锌铁片用点滴法测定厚度，滴１滴测定溶液维持60秒，用滤纸吸干，再滴第二滴，用同样方法做，直到露出底层金属，计算锌镀层厚度。反复弯折铁片角度90度试验镀层的结合力；
4.７．另一块镀锌铁片用镊子放入钝化液中2-5秒，取出洗净，观察颜色变化；
4.８．拿50ml干净烧杯用去离子水配制化学镀镍溶液50ml；放进90℃水浴中加热恒温10分钟；
4.９．剪3.5cm×3.5cm铁片， 计算面积．用盐酸退锌，去除挂灰，擦干，称量，用去污粉除油．放入化学镀镍溶液中镀20分钟；
4.10．取出，洗净，擦干，称量；
4.11．剪一块比铁片稍小的滤纸，浸入测定孔隙率的溶液后，贴在铁片中间10分钟（注意不要有气泡）取下滤纸，数出蓝色斑点的数目；

5 实验数据处理
5.1 碱性光亮镀锌
铁片面积：3.5cm×3.5cm=12.25cm2
电镀锌的电流密度：0.8A÷(2×1.225×10^-1) dm2=3.265A/dm2
所得到的镀锌铁片表面发暗，钝化后略带淡黄色，耐弯折。

铁片1
铁片2
电镀前质量/g
2.0920
2.0739
电镀后质量/g
2.2250
2.2010
镀层质量/g
0.1330
0.1270
电流效率/%
75.59
78.05
镀层厚度
/μm
质量法
7.57
7.22
点滴法

7.20
具体计算如下：
(1) 计算碱性光亮镀锌的电流效率；(锌的理论析出量为0.339mg/C)
对于铁片1：
锌的理论析出量：m=0.8C/s × 10min × 60s/min × 0.339mg/C = 162.72mg
锌的实际析出量：m′=133mg
电流效率= 133.0mg/162.72mg × 100% = 75.59%
对于铁片2：
锌的理论析出量：m=0.8C/s × 10min × 60s/min × 0.339mg/C = 162.72mg
锌的实际析出量：m′=127.0mg
电流效率=127.0mg/162.72mg × 100% = 78.05%
(2) 用质量法计算两片光亮锌镀层的厚度；(锌的密度为7.17g/cm3)
对于铁片1：d = 0.1330g/(2×12.25cm2×7.17 g/cm3)=5.69×10^-4cm=7.57μm
对于铁片2：d′=0.1270g/(2×12.25cm2×7.17 g/cm3)=5.69×10^-4cm=7.22μm
(3) 点滴法测定锌镀层厚度
4滴 ×1.8μm = 7.20μm
5.2 化学镀镍
铁片面积：3.5cm×3.5cm=12.25cm2
所得到的镀镍铁片表面较光亮，厚薄较均匀

铁片
电镀前质量/g
2.2224
电镀后质量/g
2.2844
镀层质量/g
0.062
镍磷合金镀层厚度/μm
3..05
蓝色斑点数目/个(以4cm2为基准)
14
孔隙率/%
1.15
沉积速度/(μm/h)
9.14
具体计算如下：
(1) 计算镍磷合金镀层的厚度(密度按8.30g/cm3计)
d″ = 0.062g/(2 ×12.25cm2 ×8.30g/cm3 )=3.44×10^-4cm=3.05μm
(2) 化学镀镍的沉积速度(μm /h)
V = 3.05μm / (1/3h) = 9.14μm/h
(3) 计算孔隙率，说明所取斑点的大小，描述斑点的分布情况
在滤纸上所得的蓝色斑点分布不均匀，斑点主要分布在滤纸的一边，另一边很少斑点，且斑点大小不一。选取大小为中上的斑点为14个。
假设每个蓝色斑点面积为1mm2，则空隙总面积为14mm2， 
滤纸的面积为12.25cm2，则可得孔隙率约为14mm2/1225mm2 × 100%=1.15%
6 结果与讨论
分析光亮镀锌的电流效率，其电流效率分别为75.7%和72.2%。电流效率良好，其误差原因可能为：
（1） 在电镀过程中搅拌过于剧烈导致部分析出的锌无法镀在铁片，导致较大的误差。
（2） 铁片预处理时未能用洗涤剂完全除去铁片上的油污，导致部分位置无法镀上锌。
（3） 镀锌时所用电流较小，镀片发暗。
（4） 电极甲子露出水面部分不一致导致电流作用面积不同，从而产生误差。
化学镀镍实验所制的铁片孔隙率良好，但铁片边缘斑点较大，可能是搅拌时玻璃棒碰到铁片导致铁片边缘镀层生成受影响；也可能因为与铁片表面的粗糙度有关，此因素会影响电镀物质的沉淀附着。
7 思考题
7.1 电镀溶液中的络合剂起什么作用？写出碱性镀锌的电极反应。
答：电镀络合剂是电镀液中的重要成分。络合剂其实是与镀液主盐络合，形成更稳定的金属络合离子，这样就增加了浓度极化和电化学极化，使金属沉积速度减慢，镀层更为细致。游离络合剂含量高，阳极溶解好，阴极极化作用大，镀层结晶细致，镀液的分散能力和覆盖能力较好，但是阴极电流效率降低，沉积速度减慢，过高时，还会使镀件的低电流密度处镀不上镀层；络合剂含量低，镀层的结晶粗，镀液的分散能力和覆盖能力较差。
碱性镀锌的电极反应：Zn(OH)42- + 2e- = Zn + 4OH
7.2 为什么碱性镀锌要用较大的电流密度，而镀完后零件要立即冲洗干净？
答：低电流密度区光亮度差。
因为产品电镀完毕出槽之后，表面及孔洞粘附有大量的镀液，而镀液本身通常都有一定的腐蚀性。如果不清洗干净，会对镀层及基体产生腐蚀，影响了产品的外观及防护性能。故镀件出槽后，应即用清水冲洗干净，然后加以干燥。
7.3 化学镀镍溶液为什么要加缓冲剂？
答：化学镀镍过程中由于有氢离子产生，使溶液pH值随施镀进程而逐渐降低，为了稳定镀速及保证镀层质量，化学镀镍体系必须具备PH值缓冲能力，也就是说使之在施镀过程中pH值不至于变化太大，能维持在一定pH值范围内的正常值。某些弱酸（或碱）与其盐组成的混合物就能抵消外来少许酸或碱以及稀释对溶液pH值变化的影响，使之在一个较小范围内波动，这种物质称为缓冲剂。缓冲剂缓冲性能好坏可用pH值与酸浓度变化图来表示，酸浓度在一定范围内波动而pH值却基本不变的体系缓冲性能好。
7.4 化学镀镍的溶液镀后发生了什么变化，分析可能的原因；
答：化学镀镍的溶液镀后颜色绿色变浅，溶液的体积减小。化学镀镍的过程中由于镍的析出导致二价镍离子量变少，绿色变浅；且生成氢气逸出，故溶液体积总体变小。
7.5 化学镀镍有什么优点？
答：化学镀镍硬度高、耐磨性良好，化学稳定性高、镀层结合力好。由于化学镀镍层含磷(硼)量的不同及镀后热处理工艺的不同，镀镍层的物理化学特性，如硬度、抗蚀性能、耐磨性能、电磁性能等具有丰富多彩的变化，是其他镀种少有的。所以，化学镀镍的工业应用及工艺设计具有多样性和专用性的特点。