4电镀金刚石钻头(1)

电镀金刚石钻头(1)第一节基本定律一、两类导体在盛有溶液的镀槽中装置阳极(如镍板)和阴极(如钻头)，接通直流电源后，可以看到线路中电流表的指针移动。这表明整个线路中有电流通过。在电镀中，电流从直流电源经外导线(如铜线)引入镍阳极，经过溶液再进入阴极(如钻头钢体)，然后经外导线又回到直流电源，如图1-1。第一章电镀钻头原理图1-1镀镍槽示意图钻头镍板凡能使电流通过的物体就叫导体，电流的实质是带电粒子在外电场的作用下在导体中沿一定方向的移动。当电流通过电镀槽的时候，整个线路(包括镀槽)构成一个通路。显然，这个通路中的每一段都应当有带电粒子在其中沿一定方向移动。但是，在各种导体中移动的带电粒子并不相同。如图1-1所示，通电时，在两电极中及电极在直流电源相连接的外导线（铜线）中移动的带电粒子是自由电子。这种导体叫做第一类导体(依靠电子导电)，电流的方间是正电荷移动的方向，而电子是带负电的，故电子移动的方向刚好与电流的方向相反。当电流通过两电极间的溶液时，其中移动着的带电粒子是离子。这种由电解质溶液形成的导体属于第二类导体(依靠离子导电)。带正电荷的阳离子(例如Ni2+和Na+离子等)和带负电荷的阴离子(例如SO42-和CI-离子等)同时存在于溶液中，而且两种类型的离子都参加导电。阳离子和阴离子所带的电荷不同，在电场力的作用下，阳离子向阴极移动，而阴离子则向阳极移动。两种离子移动的方向虽不相同，但其传递电流的方向却是一致的。我们知道，在通电前，阴离子和阳离子虽在溶液中不停地进行着杂乱无章的热运动，但从宏观上看，可以认为它们在溶液中的分布是均匀的。当通电后，假定有两个阳离子移向阴极，这就表示着一定数量的电流在溶液中自阳极流向阴极。另一种情况，如果是两个阴离子移向阳极，则其所产生的效果和两个阳离子移向阴极时相同，也同样地表示出溶液中的电流是自阳极向阴极流动。所以说，导电时，溶液中所有阴离子和阳离子都按照一定方向移动，尽管阴阳两种离子移动的方向相反，但其所传递的电流方向却完全一致。电流通过电镀槽是电镀生产中最根本的条件之一。在镍钴胎体钻头的电镀中，电镀溶液中主要成分有硫酸镍(NiSO4)、硫酸钴(CoS04)、氯化钠(NaCI)和硼酸(H3BO3)等。阳极是金属镍板，阴极是被镀的钻头钢体。通电后，阳极镍板不断地溶解，而阴极上的被镀钢体逐渐地镀上了一层金属镍，也就是说，通过电流的作用把阳极上的镍按照一定的比例逐步移到了阴极上。综上所述，电流在整个电镀过程中的通路可以分为两个部分．即在溶液中是离子导电；而在溶液外(包括电极本身)则是电子导电。例如图1-1中的电流是自直流电源流向镍阳极，经过溶液和铁阴极又回到直流电源中。也可看成是自由电子自直流电源流向铁阴极，经过溶液和镍阳极返回到直流电源中。既然溶液中导电的不是自由电子，那么流向铁阴极的那些自由电子到哪里去了呢?而从镍阳极上流出的自由电子又是从哪里来的？在电极上是电子导电；而在溶液中就变成了离子导电。显然，自由电于消失和出现的过程，就发生在电极与溶液的交界面处。当自由电子自直流电源流到铁阴极上以后，就在电极和溶液交界面处与溶液中的Ni2+离子相结合而成为金属镍，并覆盖或沉积在铁阴极的表面上，即通常所说的镀上了一层镍（胎体金属）其反应式如下。Ni2++2e＝Ni这是一个化学还原反应。因为这个反应有电子直接参加，又称为电化学反应或电极反应。类似的反应也发生在镍阳极。在镍板表面的镍原子给出电子后转移到溶液内，而电子则流回直流电源中。这个反应也是在镍阳极与溶液的界面上发生的，即Ni-2e＝Ni2+这就是我们在镀镍时所观察到的阳极不断变薄的原因。这是一个氧化反应，是另一种类型的电极反应.在电镀过程中，由于电流在整个电路中通过，在电极及溶液的界面上不可避免地要发生变化-电极反应；而且，阴极上总是发生还原反应，阳极上总是发生氧化反应。电镀加工或电镀钻头生产，就是以阴阳两极的电极反应为基础的。二、法拉第定律电镀槽通电时，电极与溶液界面间有化学反应发生。当通过电镀槽的电流达到稳态时，由外电路流向阴极的电子全部参加电极反应。对镀镍的阴极过程来说，自直流电源流过来的自由电子越多，则镀上的镍层越厚。为了了解在施镀时间内镀层的厚度或质量，有必要寻求电流强度与电极上所形成产物的量的关系。根据生产实践及实验结果，总结出了描述电极上通过的电量与电极反应产物质量之间的关系。(1)法拉第定律电流通过电镀槽时，在电极上析出物质的量与溶液中通过的电量关系，可用下式表示：式中：m-为电镀时电极上析出物质的量(g)；M-其摩尔质量；Q-电镀时消耗的电量(C)；F-法拉第常数(96485C/mol)；n-电极反应中的电子数；I-通过溶液的电流强度(A)；t-通过电流的时间(h)。由上式可知，只要通过电镀槽时的电流以100％的电流效果用于电极反应，而没有漏电现象和其它副反应发生，就可以根据所消耗的电量计算出在电极上发生反应时被析出物质的量。于是，对镀镍的阴极(钻头钢体)来说，就可以计算出镀层镍的质量。nMItnMFQm96485(2)电流效率电流效率是指电极上通过单位电量时，某一反应所析出产物的实际质量与按法拉第定律算出析出质量之比：也就是，输入电镀槽的电量中实际用于析出金属所占的百分数。若输入的电量全部用于金属的析出，则电流效率为100％。但实际上并非如此。如镀镍溶液，常用导电离子数量不足而出现溶液的内阻。内阻越大，电流效率随之降低。除了克服溶液的内阻以外，Ni2+离子在阴极还原时H+也同时放电，所以析出H2气越多，电流效率也越低，即在一般的生产条件下，电极上不可能只发生一个电化学反应。综上所述，电极上某一反应的电流效率总是不等于100％。镀镍的阴极电流效率是比较高的。提高电流效率，则能节约电能，且提高劳动生产率，在生产上有很大的实际意义。量按法拉第公式算出的质实际析出的质量三、溶液的电导率电流通过任何导体时都会遇到一定的阻力。我们用电阻来表示导体的这种特性。例如，镍镀槽以外的电路，导线越长，则其电阻越大。如果直流电源的电压大小是一定的，则随着导线电阻的增大，电流强度按一定比例下降。电流强度I与电位差V和电阻R的关系，可由欧姆定律表示：I=V/R同样，镀槽中的电解质溶液也具有一定的电阻。例如镀镍时，在维持槽电压不变的条件下，如果移动极板缩小两极间的距离，就可以观察到电流强度的增加；如果扩大电极面积，同样也可以看到电流强度增大的现象。这就说明，电解质溶液作为一个导体，其电阻与导体长度(两极间距离)和截面积的大小有关。和第一类导体(电线)一样，电解质溶液的电阻R也与导体的长度L成正比，与导体的截面积S成反比：R＝ρL/S式中：ρ-是比例常数，称为电阻率。任何导体电阻的大小，都取决于导体材料本身的特性和它的几何形状(长度和截面积)。因为导体的几何形状对电阻的影响，使得由不同物质构成的导体难以进行比较。因此，从导体的电阻中抽出有共性的东西，即导体的电阻率ρ，以便于比较。由上式可知，ρ表示每边长1cm的立方体溶液的电阻。习惯上常采用电阻和电阻率的倒数来描述电解质溶液导电能力的大小。电阻的倒数称为电导，电阻率的倒数称为电导率(κ)。κ=1/ρ=L/RS电导率与电阻率的含义刚好相反，但它们是用不同形式描述的同一件事情。电导率的单位西(门子）每厘米(S/cm)。它表示每边长1cm的立方体溶液的电导。电导率和电阻率一样，已经排除了溶液的几何形状的影响，故可以只讨论溶液的特性对电导率的影响。由于通常的镀液(如镀镍溶液)那是以水为溶剂，因此，这里只讨论影响水溶液电导率的因素。电解质溶液之所以导电，是由于其中的离子在电场作用下沿着一定方向移动的结果。其导电能力的大小，取决于溶液中离子数量的多少和离子运动速度的大小。凡是对这两个方面有影响的因素，都要影响溶液的电导率。(1)电解质的属性在通常的镀镍槽中，总是要添加一定数量的硫酸钠Na2SO4和硼酸H3BO3。Na2S04是强电解质，在溶液中完全以离子的形式存在；而H3BO3是弱电解质。弱电解质的电离度一般是很小的，电离出来的离子很少，放强电解质的电导率比弱电解质大得多。因此，向镀液中添加Na2SO4,可以大大增加溶液的电导率；而向其中添加H3BO3的目的是为了调节镀液的酸度。不同的电解质是由各种不同的离子组成的。不同的离子在电场的作用下移动的速度也不一样。离子所带电荷越多，受到外电场推动力也越大，故其移动速度也越大。在离子电荷相同的条件下，H+离子在外电场作用下的移动速度比其它离子快5-8倍，OH-离子的移动速度比一般离子快2-3倍。所以，强酸(如H2SO4、HNO3HCI)和强碱(NaOH和KOH等)的电导率比其它电解质大得多。(2)浓度在溶液中溶解的电解质越多，则单位体积中离子的数目也越多，即浓度越高，电导率也越大。例如，为了提高镀镍溶液的电导率，镀槽中除了溶解有Ni2SO4以外，还要加入一定数量的Na2SO4或NaCI。当镀液中Na2SO410H2O含量由80g/L增大到160g/L时，可使镀液的电导率增加30％左右。但是溶液的电导率与溶液的浓度并不是成正比关系。例如，在镀铬溶液中主要成分是铬酐(CrO3)。随着CrO3浓度的增加，开始时溶液电导率增大，但在CrO3浓度进一步增大时，电导率反而下降。例如，在45度时电导率最大的浓度是450g/L。这种现象可以解释如下：随着溶液浓度的增加，一方面单位体积中导电离子的数目增加，电导率应当增加；另一方面，由于溶液中的离子彼此间总是存在着一定的相互作用力，每一个离子的运动都要受到其它离子的牵制，因而妨碍它的运动。浓度越大，离子靠得越紧，它们之间的相互作用表现得越强烈，因而离子运动就越困难，致使导电能力降低，电导率减小。所以说，浓度的增大，在对电导率的影响上，存在着两个互相矛盾的因素。一般说来，在溶液浓度较小时，前一因素(离子数量增多)起主导作用，故电导率随着浓度的增加而增大，但在溶液浓度过大的，离子间相互作用力显著增强，后一因素则起了主导作用，因而电导率随着浓度的增加而下降，所以在电导率与浓度的关系上就出现了最高点。(3)温度镀镍的温度通常是不高的，在一定电压条件下提高槽温就会观察到电流增大的现象。其原因之一就是升高温度可以使离子运动速度增大，因而提高溶液的导电能力。各种溶液的电导率，都可以直接测出来。通常在溶液中加入一定量的导电盐类(如镀镍溶液中的NaCI)，以提高镀液的电导率。这对于节约电能和改善镀液的分散能力均起着重大的作用。但导电盐类也不可加得过多，一方面它有可能反而会使镀液的电导率下降，另一方面镀液浓度过高，粘度也相应增大，不但有可能使电极反应的进行遇到阻力，而且会使镀件出槽时夹带出来镀液的量增加，造成额外的损失，甚至当槽温变化时还可能出现某些物质结晶析出的现象。四、离子的电迁移与电极反应现以镀镍为例来讨论离子在电场作用下的运动与电化学反应的关系。假定镀镍时溶液中只合有NiSO4一种电解质。电流在镀液中通过，只是靠着Ni2+和SO42-两种离子的移动。Ni2+离子向阴极移动，而SO42-离子则移向阳极。两种离子移动的方向虽然不同，但其导电的方向却是一致的。通常把离子在电场作用下的移动称为电迁移。显然，这两种离子当中的每一种离子所传送的电流只是镀槽中通过的总电流的一部分。例如，镀槽中通过96485C电量时，Ni2+离子或SO42-离子在镀液中所传送的电量都小于96485C。96485C电量是6.023x1023个电子量。Ni2+和SO42-离子都是2价的，每一离子所传送的电量等于电子的两倍。1mol离子中共含有6.023x1023个离子。所以说，0.5mol的离子可完成传送96485C电量的任务。既然线路中通过的总电量是96485C，那么导体的每一截面上也都应当通过96485C电量。对镀槽来说，镀液中每一截面上也都应有96485C电量通过。溶液中导电的任务既然是靠着Ni2+和SO42-两种离子来完成的，只有通过任何一截面的两种离子的数量之和等于0.5mol(假如通过任一截面移向阴极的Ni2+离子0.2mol，而移向阳极的SO42-离子