第十七讲──赫尔槽试验(一)

袁诗璞

【电镀基础讲座】

第十七讲──赫尔槽试验(一)

袁诗璞

赫尔槽试验是现代电镀新工艺试验，新助剂开发及改进，镀液工艺维护等过程中最基本、最便捷的手段之一，不可或缺。不能熟练掌握赫尔槽试验，就称不上是合格的电镀技术工作者。然而，如何认识、正确操作该项试验，却有许多问题值得讨论。

1 分析化验与小槽试验

调整电镀液有 3个途径：一是凭经验判断，二是进行化验分析，三是通过试验判定。对应用年久、已有经验的老工艺，凭观察工件镀层状况，判定该如何调整，不能说完全无用。例如：一看氰化镀铜层的色泽、低电流密度区状况，就能立即判断出游离氰浓度的高低。但这也只能在镀层已表现出异常时才能判断，且要有相当丰富的实践经验，对新工艺、新助剂的采用则无法判定(因无经验可言)。

1. 1 依分析化验结果调整镀液

完全依分析化验结果来调整镀液的工艺人员，称不上合格，因为分析化验具有相当大的局限性。

1. 1. 1 分析方法本身有问题

有一名经验丰富、化学基本功很扎实的大学本科毕业的老分析员告诉笔者，书上所载的分析化验方法相互传来抄去，其中有不少本身就有问题。笔者也学过分析化学、仪器分析等专业课程，有些方法并不切合大生产实际。例如，用于化验分析氯化钾镀锌液中氯化钾的常规方法只适于新配镀液，而不适于大生产中应用已久的镀液。讲一个真实的故事：多年前一位电镀厂化验员与工艺员吵得不可开交。化验员坚持说自己的化验结果是准确的，标准液是刚标定了的，终点判定也是准确的，计算无误，镀液中的氯化钾就是多了。工艺员却坚持说，氯化钾就是少了很多，要至少补充60 g/L才能生产。其实两人都是对的。问题不在于谁是谁非，而在于分析方法本身有问题：先化验总氯、总锌，换算出氯化锌，余氯再从理论上换算为氯化钾。大生产中用盐酸酸洗，清洗不净(尤其是管件)时会将盐酸不断带入镀液中；平时因阴极电流效率远低于阳极电流效率，镀液pH会不断上升，又用盐酸调低 pH，总氯量不断上升，而 K+因带出损耗又不断减少。K+对提高镀液电导率起重要作用(效果比Na+好)，而上述工厂并无条件用选择性钾离子电极法或高级仪器分析K+含量，只能采用常规化验法分析总氯。因此化验员虽然很辛苦，但结果没有任何作用；工艺员根据实际电镀或实验判定氯化钾少了许多，是符合实际的。类似的问题还是应该以工艺试验结果为准。

1. 1. 2 工厂分析手段的欠缺

现代仪器分析发展很快，对远在几亿光年的星球，能用光谱分析其组分；我国“嫦娥一号”飞船绕月球飞行，也能分析月球表层组分含量；DNA法可分析千年古尸。但这些都要求采用高科技仪器分析手段，一般电镀厂没有能力采用这些高级仪器分析，连镀液中微量金属杂质都难以分析，这是现实。

1. 1. 3 化验人员的责任心与操作水平

分析化验的准确性受人为因素影响很大。同样一种镀液，找不同地方、不同化验人员分析，可能结果相差很大，这与化验人员的责任心、知识水平、操作熟练程度密切相关。化验是一项要求科学严谨、细心耐心的工作。例如使用分析天平的熟练程度(对苛性钠等易潮解物，动作慢了则越称越重)，对标准溶液是否及时标定、更新，滴定终点的判定，采用重量法时对沉淀的洗涤与收集(如镀铬液，特别是低铬钝化液中硫酸的重量法分析，光亮酸铜液中Cl−的常规分析等的结果几乎不可信)，干扰物质的去除等等，影响因素太多。要考察化验准确性很简单：精确称取分析纯材料配液，叫化验一下，即可看出误差。笔者原所在国营企业有一名正宗大学科班毕业的老化验员，她对电镀液的分析在成都地区可称王牌水平，但带的几个徒弟都半途而废，原因是不能达到她近乎苛刻的要求，比如摇三角瓶要摇得均匀，清洗烧杯、三角瓶等要求内外完全亲水，并用蒸馏水淌一次。

1. 1. 4 无法常规化验的组分太多

镀液中含量少、影响大的无机杂质、有机杂质无法分析。现代广泛采用由多种有机中间体复配而成的添加剂、光亮剂，即使知道组分，也无法分析；售品更多以代号表示，连组分都不知，分析化验更无从谈起。

作者并不否定分析化验的作用，但常规化验仅供参考，还须辅以试验验证。对于合金电镀，镀液或镀层中合金元素的多少，难以通过试验来确定。此时，准确的分析化验就很必要了。

1. 2 试验方法的选择

试验可供选择的方法有多种：

(1) 在小型镀槽中利用小型工件作小试。此法用液量较大，且阴阳极距离近，不能真实反映大生产的几何因素对分散能力等的影响，只能作为新工艺、新助剂等研发的第二阶段试验用(研发通常包括实验室试验、小试、中试和生产应用4个阶段)。

(2) 烧杯内试验。小烧杯试验用液不多，但用试片试验时，只能反映某一特定电流密度下的情况，难以在同一试片上反映出宽电流密度范围内镀层的状况，但可用不同基体材料小件(特别是难镀材料)判定电镀效果。

(3) 赫尔槽试验。其最大的优点是：能用很少的镀液，一次试验即可反映出十分宽广的电流密度范围内镀层的状况。它是实验室应用最广、最快捷的试验方法。正因为如此，一经发明，就迅速获得了推广应用。

2 赫尔槽及阴极试片上的电流分布

2. 1 赫尔槽

赫尔槽是1939年英国人R. O. Hull发明的一种小型电镀试验槽，又译为霍尔槽。因形为梯形，故又称梯形槽。按盛液体积来分，有1 000 mL、534 mL、320 mL、267 mL、250 mL等多种尺寸。用得最多的是267 mL(英制用)和 250 mL(公制用)两种。我国采用公制，为便于换算，多直接于267 mL的赫尔槽中盛装250 mL镀液使用，其内尺寸如图1所示。

图1 267 mL赫尔槽内尺寸Figure 1 Internal dimension of 267-mL Hull cell

整体注塑成形的赫尔槽尺寸比较准确，自行用有机玻璃粘接或用塑料板焊接的，个别尺寸很不准确。改良型赫尔槽则是在AB、CD所在面上钻孔，放入液位合适的大容器中使用，但用得少。

2. 2 赫尔槽阴极试片上电流密度的分布

试验时，在图1中的AD边放阳极，BC边放阴极试片。试片B端距离阳极最近，镀液电阻最小，因而电流密度最大，称为高端或近端；C端正好相反，称为低端或远端。标准尺寸 267 mL赫尔槽的阴极试片上，电流密度的分布可用式(1)计算：

其中：Jk──阴极上某位置的电流密度(A/dm2)；

I──选用的电流强度，即试验用电流(A)；

L──阴极试片上该位置距近端的距离(cm)。

式(1)仅适于L为1 ～ 9 cm范围内的计算，L ＜1 cm或L ＞9 cm都不适用。表1为计算结果。

表1 267 mL赫尔槽阴极试片上的阴极电流密度的分布Table 1 Distribution of cathodic current density on the test coupon in a 267-mL Hull cell

若电流强度非整数，如0.3 A、1.5 A等，以1 A为基数，按比例换算。

若阴、阳极(特别是阳极)过厚时，同样装250 mL镀液，液位上升过多，阴极试片受镀面积加大，实际的阴极电流密度会有所下降，但规律不变，可用作相对比较。

（未完待续）

第十六讲思考题的参考答案：

1.三相电器的输入接线应符合电器铭牌要求。如标有380V/220V、Y/△，线电压为380 V时应接成星形，只有线电压为220 V的特殊情况下才能接成三角形。

2.若缺相运行，电动机会无法启动或过热烧坏；变压器会使付边缺相或电压不正常；整流器会造成直流波形残缺等，大大增加输出直流的纹波系数；电加热器，或加热功率下降或无法加热。

3.线径相同时，铜丝比铅保险丝的熔断电流大几陪。随意用铜丝代替保险丝，多起不了保险作用，失去装保险的意义。

[ 编辑：温靖邦 ]