电镀溶液性能测试

电镀溶液性能测试

第一节 电镀溶液电导的测定

电镀溶液作为一种电毹液存在着溶液的内部电阻。利用交流电桥法可以方便地测定溶液的电阻Rx，然后求电阻的倒数即得电导Lx

交流电桥法测定溶液电导的线路，如图10—4—1所示。

可变电阻R。，尺：，尺，和电解池C组成了电桥的四个臂，当电桥平衡时，E、F间无电流通过，这时四臂之间有下列关系：

R1、R2、R3数值可由实验测得，故可从上面关系式求出电镀溶液的电阻。

测出溶液的电阻后，要计算电导率还必须知道电导池中两极间距离1与电极面积s的比值(专)。对于一个给定的电导池来说，两极间的距离及面积是固定的，因而比值舌是个常数，称为电导池常数

而电导率日则为。

图10—4—1交流电桥线路

电导池常数通常用一定浓度的氯化钾溶液作为标准溶液间接测量出来。表10—4—1列出不同温度下，几种浓度的氯化钾溶液的电导率。

表10—4—1 不同浓度氯化钾溶液的电导率

使用上海第二分析仪器厂和天津第二分析仪器厂生产的DDS-11型电导仪可以方便地测

定溶液的电导及电导率。仪器配有三种不同的电导电极，设有温度补偿，测量范围0Ixs／cm～104Ixs／cm，其相当的电阻率范围为∞Q．·l3／／l～10Q·em。当配上适当的组合单元设备后，可达到自动记录的目的。沈阳无线电八厂生产的DD-3型电镀参数测试仪也可以测量电镀溶液的电导。

第二节pH值的测定

电镀溶液的pH值是一个常用的质量控制指标，经常正确的测定和调整溶液pH值，是确保电镀质量的关键之一。

用pH试纸测定电镀溶液的pH值是生产中最常用的方法。测定时将试纸的一端浸入欲测溶液中，0．5s后取出与试纸所带的标准色版比较，即可测知溶液的pH值范围。

市售pH试纸分广泛试纸和精密试纸两种，如表10—4—2所列。

pH试纸使用方便，适用于现场监测，但准确性较差，还会因长期搁置或遇到酸碱气体而失效。pH值的精确测定可选用pH值测定仪(pH计或酸度计)。上海第二分析仪器厂生产的25型酸度计和天津第二分析仪器厂生产的PHS-73A型酸度计是目前国内常用的二种酸度计。它们采用玻璃电极为测量电极，甘汞电极为参比电极。测量pH值范围为0～14，精度为0．02pH。测量过程必须注意：

(1)玻璃电极的玻璃球由特种玻璃制成，壁很薄，切忌与硬物相碰。初次使用时应先在蒸馏水中浸24h。平时不用时也应将玻璃球浸在蒸馏水中。

表10-4—2常用pH试纸规格

(2)甘汞电极在使用时应注意在内部小玻璃管内充满饱和的氯化钾溶液并有少量的氯化钾晶体，在弯管内不许有气泡将溶液隔断。平时不用时可把橡皮套将下端毛细孔套住或浸泡在饱和的氯化钾溶液中。

(3)如果自行配制标准缓冲溶液，所用的化学药品要用分析纯以上的试剂，所用的蒸馏水电导率应在2 X 10-6Ω-1·cm叫左右。

酸性标准缓冲液为0．05mol／L(10．21g／L)的邻苯二甲酸氢钾溶液，当温度20℃时，溶液pH值为4．0。

碱性标准缓冲液为0．01mol／L(3．81g／L)的硼砂溶液，当温度20℃时，溶液pH值为9．22。标准缓冲溶液一般在三个月内有效。

第三节 电流效率的测定

电镀溶液一般使用库仑计来测量电流效率。库仑计是一种特殊形式的电解槽，其所通过的电量与电极上析出的某一产物的质量之间符合法拉第定律。因此可以根据电极上析出物质之质量计算出电解槽通过的电量。为了提高测量的准确度，要求库仑计具备以下条件：

(1)电极反应中没有副反应，电流效率为l00％；

(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任何损失。

库仑计有碘库仑计、质量库仑计和气体库仑计等几种。常用的是质量库仑计(铜库仑计)。铜库仑计使用比较方便，其精确度可达0．1％～0．05％，已完全满足电镀工艺的需要，因而得到了广泛的应用。其工作温度为l8℃～25℃；阴极电流密度应控制在0．2A／dm2～2A ／dm2。

铜库仑计通常采用玻璃容器，其中放有三个极片，靠边的两个为阳极(纯铜片)，中间的一个是阴极，材料为铜片或预先镀上一层铜的铝片。铜库仑计中的溶液成分如下： 硫酸铜(CuS04·5H20) 1259／L

硫酸(H2S04)(密度l．84) 25mIML

Z．醇(C2H5OH) 50mL／L

测量时的线路，按图10—4—2连接。

测量前将库仑计的阴极试片日和待测溶液槽中阴极试片A洗净、烘干，并在分析天平上准确称重。按待测溶液的工艺规范通入电流，电镀一段时间后，取出试片A、曰，洗净、烘干，再准确称重。从两次称重结果计算试片A、B经电镀后的增重。阴极电流效率可按下式计算：

式中：凡。为待测阴极电流效率；口为待测溶液槽中阴极试片A实际增重(g)；6为铜库仑计上阴极试片B实际增重(g)；而为待测溶液槽中阴极上析出物质的电化当量(g／A·h)；1．186为铜的电化当量(g／A·h)。

图10—4—2库仑计测定电流效率

第四节分散能力和覆盖能力的测定

一、分散能力的测定

(一)哈林阴极法

在试验槽中放两个尺寸相同的金属平板做阴极，在两阴极间放人一个与阴极尺寸相同的带孔的或网状阳极，并使两个阴极与阳极有不同的距离。试验完毕后测量远近阴极上沉积金属的增重，来计算该溶液的分散能力。

按阴极的不同放置方法及试验槽形状和尺寸的不同，有如图l0 —4—3所示的几种形式。最常用的是图l0—4—3(C)的形式。试验槽用透明有机玻璃制成，内部尺寸为l50mm×50mmX 70mm。

阴极尺寸为50mm X 50mm X l mm。阴极材料一般采用铜或黄铜板，表面要求平整光亮，试样背面及侧面应用丙烯酸清漆绝缘，并在105℃～l l5℃烘干15min备用。

阳极材料与一般工业电镀相同。最好采用网状阳极以增加表面积，防止阳极极化的影响。 根据溶液性质的不同来选择两极问的距离(K值)，工作电流密度范围较广和分散能力较好的溶液，可选择较大的K值。反之，可选择较小的K值。近远阴极距阳极的比例常采用1／2、1／3，当采用l／5时，某些溶液在较高电流密度下测定，则近阴极表面底部会出现海

绵状、树枝状或泥状的沉积物，这样引起较大的测量误差。

试验电流的选择原则与K值选择原则相似，通常在0．5A～2A之间。试验时问可选取30min。如有温度要求，则需采用恒温装置。

图10—4—3测定分散能力的装置1、2—阴极；3—阳极；4—隔板。

试验完成后，清洗阴极，并置于l05℃～115℃烘箱中干燥l5min，待试样冷却后用分析天平称．出镀层的质量，然后按下式计算分散能力： ·

式中：r为分散能力(％)；K为远阴极离阳极的距离与近阴极离阳极的距离之比；M近为近阴极上电镀后的增重(g)；M远为远阴极上电镀后的增重(g)。

按这个公式计算所得的分散能力值在+100％～0的范围内变化。即分散能力最好为+100％。此外，尚有其他计算分散能力的公式。

应该指出的是，采用此方法来比较同一镀种不同工艺规范的分散能力时，必须条件相同，否则会得出错误的结论。

电镀参数测试仪也可用来测定镀液的分散能力。该仪器是采用远近阴极法测量与阳极距离不同的阴极上的电流分布。测定槽的结构，如图l0—4—4所示。

(二)弯曲阴极法

阴极试样的形状及尺寸，如图10—4—5所示。试验槽尺寸为160mm×180mm×120mm。阳极材料与一般工业电镀时的阳极相同，其尺寸为l50mm×50mm×5mm，浸入溶液中的面积为0．55dm2

图l0—4—4哈林法所用试验槽

图上与阳极对应为阴极，阴极阳极之间的距离比为l：2：3：4：5。

图10—4—5弯曲阴极法测分散能力

(相当于阳极浸入溶液高度为110mm)。弯曲阴极各边长度均为29mm，厚度为0．2mm～0．5mm，浸入溶液两面的面积为ldm2，背面不绝缘，阴极材料一般采用轧制的软钢板。

电镀时间与电流密度的选择根据溶液性质而定。当电流密度为0．5A／dm2～1A／dm2时，电镀20min；电流密度为2A／dm2时，电镀l5min；电流密度为3A／dm2～5A／dm2时，电镀10min。

分散能力计算方法，首先测量阴极A、B、D、E各面中央部位的厚度，然后分别计算出

各面厚度与A面厚度之比，即，将此3个百分数取平均值即为分散能力。其计算式为：

本方法测定了各面镀层厚度的绝对值和各面镀层厚度的分布比，这就便于了解镀层在凹凸部分的表面金属分布状况，因而观察实验结果较全面。但需注意电流密度的选择，当试验电流选择不适当时，A面易生成粉末状或树枝状结晶，导致实验可靠性下降。

(三)霍耳槽试验法

试验装置及说明见“霍耳槽试验”。电流强度可以在0．5A一3A范围内选取，试验时间根据溶液情况，一般为10min～15min。

试验完成后将梯形槽阴极试样，按图l0—4—6所示划分成8个部分，然后测出l号～8

号方格中心部位镀层的厚度，根据下式计算分散能力：

式中为2～8方格中任选方格的镀层厚度为1号方格中镀层厚度。这样求得的分散能力数值在0％～l00％之间。

二、覆盖能力的测定方法

(一)直角阴极法

选用厚度为0．2mm的软钢板或铜板做阴极，阴极背面绝缘，其形状及尺寸，如图10—4—7所示。

图10—4—6霍耳槽测定分散能力的阴极试样图形

图10—4—7直角阴极法测覆盖能力

测定时，阴极试样浸入镀液并使直角面正对阳极。电流密度在1A／dm2～3A／dm2之间选取，电镀时间通常为30min。电镀后将阴极拉平，以阴极弯曲处镀上金属的百分数评定镀液覆盖能力。此法仅用于覆盖能力差的镀液(如镀铬液)。

(二)平行阴极法

平行阴极法用于测定镀铬溶液的覆盖能力。试验装置及试样尺寸，如图10—4—8所示。

图10—4—8平行阴极法试验装置

1—塑料块；2—平行阴极，紫铜片厚0．1mm—0．2mm；3—40mm x50mm，厚2mm—3mm(铅锡)

阴极。

试验槽采用容量为1L的烧杯，平行阴极置于烧杯中间，烧杯两侧安装阳极。试样外侧面不绝缘。覆盖能力的大小以阴极试样内侧面上沉积镀层的面积百分数来表示。

(三)内孔法

本方法是采用带内孔的圆柱形阴极。其内径为φlOmm×50mm和+10mm×100mm的低碳钢管或铜管、黄铜管。装置示意图如图10—4—9所示。当采用短试样时可一面放置阳极。 电镀后将试样在适当的溶液中浸蚀2s～5s(如镀锌可在钝化溶液中处理5s，空气中暴露5s)，水洗烘干后将试样纵向切开，观察内孔中镀上的镀层的长度，即可评定覆盖能力。此法一般用于覆盖能力较好的溶液。

(四)凹穴试验法

本方法是采用带有l0个凹穴的阴极(见图l0—4—10)，凹穴深度由l．25mm逐渐增加至12．5mm，每个凹穴的直径为12．5mm。这样第一个凹穴的深度为其直径的l0％，依次递增，最后一个凹穴的深度等于直径。试验时，通电一定时间后，观察凹穴的内表面镀上金属的程度来判断溶液的覆盖能力。例如，对某种溶液试验后，l个～6个凹穴的内表面全部镀上金属，而第七个凹穴内表面没有全部镀上金属，那么这种溶液的覆盖能力可评为60％。此法也一般用于覆盖能力较好的溶液。

图l0—4—9内孔法测覆盖能力示意图

图10—4—10凹穴阴极测定覆盖能力

第五节霍耳槽试验

一、霍耳槽试验在电镀中的应用

霍耳槽是一种试验效果好、操作简单、所需溶液体积小的小型电镀试验槽。它可以较好地确定获得外观合格镀层的电流密度范围及其他工艺条件(如温度、pH值等)，用于研究溶液主要组分和添加剂的影响，帮助分析溶液产生故障的原因。此外，利用霍耳槽还可以测定镀液的分散能力、整平性及镀层的内应力。因此，霍耳槽试验在电镀工艺试验研究和现场生产质量控制方面都得到了广泛的应用。

二、霍耳槽的结构

霍耳槽的典型结构，如图10-4-ll所示。槽体材料一般用耐酸、碱的透明塑料(如有机玻璃)，以便于观察试验情况。霍耳槽的阴、阳极之间不是平行的，而是保持一定的角度，这是霍耳槽的主要特点。

图10—4—11霍耳槽结构

根据霍耳槽内所装溶液的容积可分为250mL、500mL、l000mL三种类型。常用的是250mL 的霍耳槽。250mL和l000mL霍耳槽的具体尺寸列于表10—4—3。

表10—4—3霍耳槽内部尺寸／mm