电镀基本运算

点击数：60162018-05-21 15:47:10　来源: 邯郸市大舜电镀设备有限公司|脉冲电镀电源系列|滚镀机系列|振镀机系列|直流电镀电源系列

当电流通过镀镍溶液时，在阴极上沉积出金属镍，同时阳极上有镍溶解。那么，通入一定的电量后，在阴极能镀上多少重量、阳极又能溶解多少重量的金属镍呢？1834年，木工出身的法拉第通过大量的实验，总结出两条定律，描述这种通入的电量与电极反应产物的重量之间的关系。

1 法拉第定律

（1）法拉第第一定律

法拉第第一定律：电流通过电解质溶液时，在电极上析出或溶解的物质的量（M）与通过的电量（Q）成正比。用公式表示即：

M=CQ（C为比例常数）

运用上述公式，只要能够知道比例常数C的数值，就可根据通过电镀槽的电量Q（Q可通过电流强度I和电镀时间t确定，即Q=It），来计算电极上有多少物质析出或溶解。法拉第通过进一步的试验，在下面的定律中告诉我们这个比例常数C是如何求得的。

（2）法拉第第二定律

法拉第第二定律：在电极上每析出或溶解1克当量的任何物质所需要的电量都是1法拉第（1法拉第=96500库伦=26.8安培·小时）。

对参加电极反应的物质来说，它的克当量就是该物质的原子量与它在电极反应时得失的电子数（或化合价）之比，并以“克”为单位。例如，镍的原子量是58.7，电极反应时它得失的电子数都是2（或此时镍的化合价为两价），所以1克当量的镍就等于58.7/2=29.35（克）。

因此，镀镍时通入1法拉第（或96500库伦或26.8安培·小时）的电量，能析出或溶解29.35克镍。根据法拉第第一定律公式M=CQ，即C=M/Q，比例常数C的含义是指单位电量所能析出或溶解的物质重量，C又叫做电化学当量。

这样的话，镍的电化学当量C=M/Q=29.35克/26.8安培·小时=1.095克/安培·小时。其它金属的电化学当量可查看相关手册，此处略。

知道了电化学当量C的数值，就可根据通过镀槽的电流强度I和电镀时间t，计算出电极上有多少物质析出或溶解。

【例题1】在酸性镀铜溶液中，以80A电流电镀0.5h，问能镀出多少克铜（假设阴极只析出铜）？

解：必须注意，在不同的镀液中，铜的化合价可能不同。在酸性镀铜、焦磷酸盐镀铜溶液中铜呈两价，在氰化镀铜溶液中铜呈一价。因此，查电化学当量表时不要搞错。这里是两价铜离子在阴极放电还原，查表可知C=1.186克/安培·小时

又知，I=80A，t=0.5h，将这些数值代入公式M=CQ=CIt可得：

M=1.186×80×0.5=47.44（克）

答：阴极上能镀出47.44克铜。

2 电流效率

然而，在电镀时，往往通入镀槽1法拉第的电量，在阴极上却得不到1克当量的金属镀层，是不是法拉第定律有误呢？

当然不是。因为电镀时，阴极上实际进行的反应不只是金属离子放电还原。比如镀锌时，阴极上除进行锌离子放电还原（Zn²⁺+2e=Zn）外，同时还有氢离子放电析出氢气（2H⁺+2e=H₂↑）。通常把这种与主反应（如Zn²⁺的还原）同时进行的反应叫做“副反应”（如H⁺的还原）。由于副反应的存在，使得用于沉积金属的电流只是所通过的总电流的一部分，而其余部分则消耗在副反应上了。把电极上所析出的锌与氢的量合起来计算所消耗的电量，仍然是符合法拉第定律的。

阳极上也是一样，除了有金属溶解外，也有副反应存在。通常发生的是OH^-放电而析出氧气：4OH^--4e=2H₂O+O₂↑。在镀镍槽中，阳极还可能放出氯气：2Cl^--2e=Cl₂↑。

由于副反应的存在，对镀层重量来说，就存在一个效率的问题，因而提出了电流效率的概念。计算电流效率的公式如下：

η=M^∕/M×100%

式中η——电流效率（阴极电流效率为η_k，阳极电流效率为η_A）（%）；

    M^∕——电极上实际析出或溶解的金属重量（克）；

    M——由总电量换算出的析出或溶解的金属重量（克）。

由上式可推导出电极上实际析出或溶解的金属重量M^∕：

M^∕=Mη=CItη

【例题2】已知氰化镀铜中，通过镀槽的电流是150A，电镀时间为1.5h，阴极电流效率η_k=70%。问能镀出多少克铜？

解：查表得C=2.371可/安培·小时（注意：此时铜呈一价）

又知：I=150安培，t=1.5小时，η_k=70%

把上述数据代入公式得：

M^∕=CItη=2.371×150×1.5×70%=373.43（克）

答：可镀出373.43克铜。

电流效率是评定镀液性能的一项重要指标。提高电流效率可加快镀层沉积速度，减少电能消耗。一般酸性镀液，如镀镍、酸性镀铜、酸性镀锌等，电流效率都接近100%；焦磷酸盐镀液的电流效率也较高，一般均大于90%；氰化镀液的电流效率较低，一般为60～70%；镀铬溶液的电流效率更低，一般仅为10～20%。

生产中会发现，在弱酸性镀液（如酸性镀锌、镀镍等）中，镀液的PH值会随着电镀时间延长而逐渐升高，而弱碱性镀液（如焦磷酸盐镀铜）中，PH值会随着电镀时间延长而逐渐下降。这是什么原因呢？主要是阴、阳两极电流效率的不均衡造成的。在弱酸性镀液中，阴极电流效率低于阳极电流效率，这意味着阴极消耗的H⁺多于阳极消耗的OH^-，从而使整个镀液的H⁺含量相对减少，因此PH值会逐渐升高。在弱碱性镀液中，阴极电流效率高于阳极电流效率，这意味着阴极消耗的H⁺少于阳极消耗的OH^-，使整个镀液的H⁺含量相对增加，因此PH值会逐渐下降。

3 镀层厚度和沉积速度的计算

（1）镀层厚度的计算

根据式M^∕=CItη，

另外M^∕=Sdγ,I=DS,

将以上式子合并后可得镀层厚度的计算公式：

d=CD_ktη_k×100/60γ

式中：

d——电镀层厚度（微米）；

 C——电化学当量（克/安培·小时）；

D_k——阴极电流密度（安培/ 分米²）；

t——电镀时间（分）；

η_k——阴极电流效率（%）；

γ——电镀层金属密度（克/厘米³）。

式中d实际是平均厚度，也就是假定镀上的金属均匀分布在零件表面。事实上镀层的厚度分布是不均匀的，在尖角、边缘处较厚，超过平均厚度；凹入处较薄，低于平均厚度。

【例题3】在锌酸盐镀锌中，所采用的电流密度是1安培/ 分米²，时间为45分钟，该溶液的电流效率为78%。问镀上的镀层厚度为多少微米？

解：查表可知锌的密度γ为7.14克/厘米³，电化学当量C为1.22克/安培·小时，将全部数据代入公式可得：

d=CD_ktη_k×100/60γ

=1.22×1×45×78%×100/60×7.14

≈10（微米）

答：镀上的镀层厚度约为10微米。

另外，因为滚镀的电流密度D_k、实际受镀面积S均不能确定，所以目前尚不能确定滚镀的镀层平均厚度d，而只能通过经验大致获得。

（2）镀层沉积速度的计算

镀层沉积速度V就是单位时间内所镀上的镀层厚度，则V=d/t,代入镀层厚度计算公式后得：

V= CD_kη_k×100/60γ

【例题4】在氯化铵-氨三乙酸镀锌中，采用的电流密度为1.5安培/ 分米²，电流效率为95%。求这时的沉积速度。又若镀35微米锌层，需要多长时间？

解：V= CD_kη_k×100/60γ

     =1.22×1.5×95%×100/60×7.14

     =0.4（微米/分）

镀35微米锌层所需时间：

t=d/V=35/0.4≈87(分钟)

答（略）