实验15 光亮镀锌及化学镀镍实验报告

光亮镀锌及化学镀镍
1 实验目的
1.1 学习和实践氯化钾光亮镀锌的实验室基本操作流程，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及实验室的操作方法。

2 实验原理
电镀是利用电化学方法在金属制品表面上沉积出一层其他金属或合金的过程。

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。

为排除其他阳离子的干扰，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。

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层上，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。

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。

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。

3 仪器及药品
仪器：直流稳压电源，0.5级500mA电流表，水浴锅，电子分析天平，秒表。

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8~15 g/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℃
镀镍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
点滴法测定镀锌层厚度溶液
KI 200 g/L
I2200 g/L
尖端内径为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1.8um（30℃）
4 实验步骤
4.1 在镀槽中加适当氯化钾镀锌溶液；
4.2 剪3.5cm×3.5cm铁片，计算面积。

用盐酸退锌，去除挂灰，擦干，用去污粉除油，称量；
4.3 安装.两片锌片阳极在两边，待镀铁片做阴极在中间，三者平行，串联电流表，打开直流稳压电源，加大电流至250mA，电镀20分钟，注意维持稳流，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，水洗，擦干，用分析天平称量质量；
4.5 用同样的方法再镀一块；
4.6 取一块镀锌铁片用点滴法测定厚度，滴一滴测定溶液维持60秒，用滤纸吸干，再滴第二滴，用同样的方法做，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，浸入测定空隙率的溶液后，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；
镀前质量m1/g 镀后质量m2/g 镀层质量m/g 第一次电镀锌 1.93 2.03 0.10
第二次电镀锌 1.93 2.07 0.14 化学镀镍 1.94 2.00 0.06
点滴法测定镀层厚度是用了2滴检测溶液；
扭曲检测结合力：镀层牢固，没有脱落现象；
放入钝化液之后镀锌铁片颜色由银色变成黄色，再变成彩色光亮；
测孔隙率时使用了面积为3.3cm×3.3cm的滤纸，共数出93个蓝色斑点。

5.2电镀锌的电流密度：J=I/S=0.25A/(3.5cm×3.5cm)=0.0204A/cm2
碱性光亮镀锌的电流效率：
实验中锌的实际析出量为:
第一次镀锌：100mg/(0.25A×20min×60s/min)=0.3333mg/C
第二次镀锌：140mg/(0.8A×10min×60s/min)=0.2917mg/C
锌的理论析出量为0.339 mg/C
则镀锌的电流效率为：
第一次镀锌：（0.3333 mg/C）/（0.339 mg/C）×100%=98.32%
第二次镀锌：（0.2917mg/C）/（0.339 mg/C）×100%=86.05%
5.3质量法测得第一次镀锌的镀层厚度：
[0.10g/(7.17g/cm3)/(3.4cm×3.5cm)]/2=5.456×10-4cm
质量法测得第二次镀锌的镀层厚度：
[0.14 g/(7.17g/cm3)/(3.4cm×3.45cm)]/2=8.323×10-4cm
5.4镍磷合金镀层的厚度：(0.06g/(8.30g/ cm3))/( 3.45cm×3.5cm)=5.987×10-4cm
化学镀镍的沉积速度：5.987um/(20min×1/60h/min)=17.961um/h
5.5孔隙率：93/(3.3cm×3.3cm) = 8.53个/cm2
5.6评价两种镀层的外观：用镀锌法镀后得到的铁片表面较光滑和有光泽，而且镀层较厚，但均匀度不够高；用化学镀镍法得到的铁片表面光滑，镀层均匀，但光泽不及化学镀锌好，且镀层较薄。

6 讨论与分析
6.1本组实验中第一次镀锌用电流0.25A，第二次用0.8A，因为搅拌速度较快则在第二次中得到镀层比较好的铁片。

6.2由计算电流效率可知，第一次实验比较接近理论值，第二次则偏小较多，可能是因为第二次电流较大，搅拌速度较快使得镀层较难附着在铁片上。

6.3计算的孔隙率较大，滤纸上的斑点都是较小的，几乎没有连起来的斑点，估计是因为小气泡，以及预处理不够到位，或者含有其他杂质造成的。

6.4本次实验需要我们队铁片进行退锌、除灰、除油的预处理，这是实验成功的关键，实验时已经尽力完善此操作，但在其他操作时可能会用手触碰到铁片，使其沾上油污，影响镀层质量。

6.5本组比较两种方法发现，镀锌过程中赶走气泡的操作更需要技巧和经验，镀锌过程出泡不是很均匀，且有一侧有大量气泡，另一侧较少，搅拌太快会让锌层镀不上，太慢则不能镀到光滑的锌层。

但是，镀镍过程气泡均匀出现，比较容易掌控技巧。

7 思考题
7.1电镀溶液中的络合剂起哪些作用？写出碱性镀锌的电极反应。

电镀络合剂能与主盐的阳离子络合而成金属络离子。

在电镀过程中，能有效地促进阴极极化作用，提高电解液的均镀能力和深镀能力，从而使镀层结晶细致光滑；对保证镀层质量和电解稳定性，起着重要作用。

阴极反应：Zn(OH)2+2e-=Zn+2OH-
阴极副反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-
阳极反应：Zn-2e-=Zn2+
阳极副反应：4OH-4e-=O2↑+2H2O
7.2 如何选择电镀的电流密度，而镀完后零件要立即冲洗干净？
电流大小取决以下因素：温度、零件外型复杂程度、活动与搅拌等。

确定电镀电流密度的最好方法是进行霍尔槽试验，经过短时间试验便能得到在较宽的电流密度范围内镀液的电镀效果。

镀完后零件要立即冲洗干净是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？
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，化学镀镍体系必须具备PH 值缓冲能力，即能维持在一定pH值范围内的正常值，从而稳定镀速及保证镀层质量。

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。

化学镀镍的溶液镀后颜色绿色变浅，溶液的体积减小。

可能因为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；且水生成氢气逸出，故溶液体积总体变小。

7.5 化学镀镍有什么优点？
化学镀镍的有点有：工艺简单，适应范围广，不需要电源，不需要制作阳极。

镀层与基体的结合强度好，结合均匀。

成品率高，成本低，溶液可循环使用，副反应少。

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。