電鍍基本運算

點擊數：55242018-05-21 15:47:10　來源: 邯鄲市大舜電鍍設備有限公司|脈沖電鍍電源系列|滾鍍機系列|振鍍機系列|直流電鍍電源系列

當電流通過鍍鎳溶液時，在陰極上沉積出金屬鎳，同時陽極上有鎳溶解。那么，通入一定的電量后，在陰極能鍍上多少重量、陽極又能溶解多少重量的金屬鎳呢？1834年，木工出身的法拉第通過大量的實驗，總結出兩條定律，描述這種通入的電量與電極反應產物的重量之間的關系。

1 法拉第定律

（1）法拉第第一定律

法拉第第一定律：電流通過電解質溶液時，在電極上析出或溶解的物質的量（M）與通過的電量（Q）成正比。用公式表示即：

M=CQ（C為比例常數）

運用上述公式，只要能夠知道比例常數C的數值，就可根據通過電鍍槽的電量Q（Q可通過電流強度I和電鍍時間t確定，即Q=It），來計算電極上有多少物質析出或溶解。法拉第通過進一步的試驗，在下面的定律中告訴我們這個比例常數C是如何求得的。

（2）法拉第第二定律

法拉第第二定律：在電極上每析出或溶解1克當量的任何物質所需要的電量都是1法拉第（1法拉第=96500庫倫=26.8安培·小時）。

對參加電極反應的物質來說，它的克當量就是該物質的原子量與它在電極反應時得失的電子數（或化合價）之比，并以“克”為單位。例如，鎳的原子量是58.7，電極反應時它得失的電子數都是2（或此時鎳的化合價為兩價），所以1克當量的鎳就等于58.7/2=29.35（克）。

因此，鍍鎳時通入1法拉第（或96500庫倫或26.8安培·小時）的電量，能析出或溶解29.35克鎳。根據法拉第第一定律公式M=CQ，即C=M/Q，比例常數C的含義是指單位電量所能析出或溶解的物質重量，C又叫做電化學當量。

這樣的話，鎳的電化學當量C=M/Q=29.35克/26.8安培·小時=1.095克/安培·小時。其它金屬的電化學當量可查看相關手冊，此處略。

知道了電化學當量C的數值，就可根據通過鍍槽的電流強度I和電鍍時間t，計算出電極上有多少物質析出或溶解。

【例題1】在酸性鍍銅溶液中，以80A電流電鍍0.5h，問能鍍出多少克銅（假設陰極只析出銅）？

解：必須注意，在不同的鍍液中，銅的化合價可能不同。在酸性鍍銅、焦磷酸鹽鍍銅溶液中銅呈兩價，在氰化鍍銅溶液中銅呈一價。因此，查電化學當量表時不要搞錯。這里是兩價銅離子在陰極放電還原，查表可知C=1.186克/安培·小時

又知，I=80A，t=0.5h，將這些數值代入公式M=CQ=CIt可得：

M=1.186×80×0.5=47.44（克）

答：陰極上能鍍出47.44克銅。

2 電流效率

然而，在電鍍時，往往通入鍍槽1法拉第的電量，在陰極上卻得不到1克當量的金屬鍍層，是不是法拉第定律有誤呢？

當然不是。因為電鍍時，陰極上實際進行的反應不只是金屬離子放電還原。比如鍍鋅時，陰極上除進行鋅離子放電還原（Zn²⁺+2e=Zn）外，同時還有氫離子放電析出氫氣（2H⁺+2e=H₂↑）。通常把這種與主反應（如Zn²⁺的還原）同時進行的反應叫做“副反應”（如H⁺的還原）。由于副反應的存在，使得用于沉積金屬的電流只是所通過的總電流的一部分，而其余部分則消耗在副反應上了。把電極上所析出的鋅與氫的量合起來計算所消耗的電量，仍然是符合法拉第定律的。

陽極上也是一樣，除了有金屬溶解外，也有副反應存在。通常發生的是OH^-放電而析出氧氣：4OH^--4e=2H₂O+O₂↑。在鍍鎳槽中，陽極還可能放出氯氣：2Cl^--2e=Cl₂↑。

由于副反應的存在，對鍍層重量來說，就存在一個效率的問題，因而提出了電流效率的概念。計算電流效率的公式如下：

η=M^∕/M×100%

式中η——電流效率（陰極電流效率為η_k，陽極電流效率為η_A）（%）；

    M^∕——電極上實際析出或溶解的金屬重量（克）；

    M——由總電量換算出的析出或溶解的金屬重量（克）。

由上式可推導出電極上實際析出或溶解的金屬重量M^∕：

M^∕=Mη=CItη

【例題2】已知氰化鍍銅中，通過鍍槽的電流是150A，電鍍時間為1.5h，陰極電流效率η_k=70%。問能鍍出多少克銅？

解：查表得C=2.371可/安培·小時（注意：此時銅呈一價）

又知：I=150安培，t=1.5小時，η_k=70%

把上述數據代入公式得：

M^∕=CItη=2.371×150×1.5×70%=373.43（克）

答：可鍍出373.43克銅。

電流效率是評定鍍液性能的一項重要指標。提高電流效率可加快鍍層沉積速度，減少電能消耗。一般酸性鍍液，如鍍鎳、酸性鍍銅、酸性鍍鋅等，電流效率都接近100%；焦磷酸鹽鍍液的電流效率也較高，一般均大于90%；氰化鍍液的電流效率較低，一般為60～70%；鍍鉻溶液的電流效率更低，一般僅為10～20%。

生產中會發現，在弱酸性鍍液（如酸性鍍鋅、鍍鎳等）中，鍍液的PH值會隨著電鍍時間延長而逐漸升高，而弱堿性鍍液（如焦磷酸鹽鍍銅）中，PH值會隨著電鍍時間延長而逐漸下降。這是什么原因呢？主要是陰、陽兩極電流效率的不均衡造成的。在弱酸性鍍液中，陰極電流效率低于陽極電流效率，這意味著陰極消耗的H⁺多于陽極消耗的OH^-，從而使整個鍍液的H⁺含量相對減少，因此PH值會逐漸升高。在弱堿性鍍液中，陰極電流效率高于陽極電流效率，這意味著陰極消耗的H⁺少于陽極消耗的OH^-，使整個鍍液的H⁺含量相對增加，因此PH值會逐漸下降。

3 鍍層厚度和沉積速度的計算

（1）鍍層厚度的計算

根據式M^∕=CItη，

另外M^∕=Sdγ,I=DS,

將以上式子合并后可得鍍層厚度的計算公式：

d=CD_ktη_k×100/60γ

式中：

d——電鍍層厚度（微米）；

 C——電化學當量（克/安培·小時）；

D_k——陰極電流密度（安培/ 分米²）；

t——電鍍時間（分）；

η_k——陰極電流效率（%）；

γ——電鍍層金屬密度（克/厘米³）。

式中d實際是平均厚度，也就是假定鍍上的金屬均勻分布在零件表面。事實上鍍層的厚度分布是不均勻的，在尖角、邊緣處較厚，超過平均厚度；凹入處較薄，低于平均厚度。

【例題3】在鋅酸鹽鍍鋅中，所采用的電流密度是1安培/ 分米²，時間為45分鐘，該溶液的電流效率為78%。問鍍上的鍍層厚度為多少微米？

解：查表可知鋅的密度γ為7.14克/厘米³，電化學當量C為1.22克/安培·小時，將全部數據代入公式可得：

d=CD_ktη_k×100/60γ

=1.22×1×45×78%×100/60×7.14

≈10（微米）

答：鍍上的鍍層厚度約為10微米。

另外，因為滾鍍的電流密度D_k、實際受鍍面積S均不能確定，所以目前尚不能確定滾鍍的鍍層平均厚度d，而只能通過經驗大致獲得。

（2）鍍層沉積速度的計算

鍍層沉積速度V就是單位時間內所鍍上的鍍層厚度，則V=d/t,代入鍍層厚度計算公式后得：

V= CD_kη_k×100/60γ

【例題4】在氯化銨-氨三乙酸鍍鋅中，采用的電流密度為1.5安培/ 分米²，電流效率為95%。求這時的沉積速度。又若鍍35微米鋅層，需要多長時間？

解：V= CD_kη_k×100/60γ

     =1.22×1.5×95%×100/60×7.14

     =0.4（微米/分）

鍍35微米鋅層所需時間：

t=d/V=35/0.4≈87(分鐘)

答（略）