光亮镀锌及化镀镍(汪烨森)

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，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：
．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 ℃
．退锌溶液：稀盐酸
．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
．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℃
．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）
．点滴法测定镀锌层厚度溶液：
KI 200g/L
I2 200g/L
尖端内径毫米滴管，溶液在镀层表面停留60秒，每一滴溶液溶解镀层厚度μm（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×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×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；
．取出，洗净，擦干，称量；
．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
碱性光亮镀锌
铁片面积：×=
电镀锌的电流密度：÷(2××10^-1) dm2=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
电镀后质量/g
镀层质量/g
电流效率/%
镀层厚度/μm 质量法点滴法
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C) 对于铁片1：
锌的理论析出量：m=s × 10min × 60s/min × C =
锌的实际析出量：m′=133mg
电流效率= × 100% = %
对于铁片2：
锌的理论析出量：m=s × 10min × 60s/min × C =
锌的实际析出量：m′=
电流效率= × 100% = %
(2)用质量法计算两片光亮锌镀层的厚度；(锌的密度为cm3) 对于铁片1：d = (2×× g/cm3)=×10^-4cm=μm
对于铁片2：d′=(2×× g/cm3)=×10^-4cm=μm
(3) 点滴法测定锌镀层厚度
4滴×μm = μm
化学镀镍
铁片面积：×=
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
电镀后质量/g
镀层质量/g
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/%
沉积速度/(μm/h)
具体计算如下：
(1) 计算镍磷合金镀层的厚度(密度按cm3计)
d″ = (2 ××cm3 )=×10^-4cm=μm
(2) 化学镀镍的沉积速度(μm /h)
V = μm / (1/3h) = μm/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，则可得孔隙率约为14mm2/1225mm2 × 100%=%
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%和%。

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
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
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。

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。

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。

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。