第十七講──赫爾槽試驗(一)

袁詩璞

【電鍍基礎講座】

第十七講──赫爾槽試驗(一)

袁詩璞

赫爾槽試驗是現代電鍍新工藝試驗，新助劑開發及改進，鍍液工藝維護等過程中最基本、最便捷的手段之一，不可或缺。不能熟練掌握赫爾槽試驗，就稱不上是合格的電鍍技術工作者。然而，如何認識、正確操作該項試驗，卻有許多問題值得討論。

1 分析化驗與小槽試驗

調整電鍍液有 3個途徑：一是憑經驗判斷，二是進行化驗分析，三是通過試驗判定。對應用年久、已有經驗的老工藝，憑觀察工件鍍層狀況，判定該如何調整，不能說完全無用。例如：一看氰化鍍銅層的色澤、低電流密度區狀況，就能立即判斷出游離氰濃度的高低。但這也只能在鍍層已表現出異常時才能判斷，且要有相當豐富的實踐經驗，對新工藝、新助劑的采用則無法判定(因無經驗可言)。

1. 1 依分析化驗結果調整鍍液

完全依分析化驗結果來調整鍍液的工藝人員，稱不上合格，因為分析化驗具有相當大的局限性。

1. 1. 1 分析方法本身有問題

有一名經驗豐富、化學基本功很扎實的大學本科畢業的老分析員告訴筆者，書上所載的分析化驗方法相互傳來抄去，其中有不少本身就有問題。筆者也學過分析化學、儀器分析等專業課程，有些方法并不切合大生產實際。例如，用于化驗分析氯化鉀鍍鋅液中氯化鉀的常規方法只適于新配鍍液，而不適于大生產中應用已久的鍍液。講一個真實的故事：多年前一位電鍍廠化驗員與工藝員吵得不可開交。化驗員堅持說自己的化驗結果是準確的，標準液是剛標定了的，終點判定也是準確的，計算無誤，鍍液中的氯化鉀就是多了。工藝員卻堅持說，氯化鉀就是少了很多，要至少補充60 g/L才能生產。其實兩人都是對的。問題不在于誰是誰非，而在于分析方法本身有問題：先化驗總氯、總鋅，換算出氯化鋅，余氯再從理論上換算為氯化鉀。大生產中用鹽酸酸洗，清洗不凈(尤其是管件)時會將鹽酸不斷帶入鍍液中；平時因陰極電流效率遠低于陽極電流效率，鍍液pH會不斷上升，又用鹽酸調低 pH，總氯量不斷上升，而 K+因帶出損耗又不斷減少。K+對提高鍍液電導率起重要作用(效果比Na+好)，而上述工廠并無條件用選擇性鉀離子電極法或高級儀器分析K+含量，只能采用常規化驗法分析總氯。因此化驗員雖然很辛苦，但結果沒有任何作用；工藝員根據實際電鍍或實驗判定氯化鉀少了許多，是符合實際的。類似的問題還是應該以工藝試驗結果為準。

1. 1. 2 工廠分析手段的欠缺

現代儀器分析發展很快，對遠在幾億光年的星球，能用光譜分析其組分；我國“嫦娥一號”飛船繞月球飛行，也能分析月球表層組分含量；DNA法可分析千年古尸。但這些都要求采用高科技儀器分析手段，一般電鍍廠沒有能力采用這些高級儀器分析，連鍍液中微量金屬雜質都難以分析，這是現實。

1. 1. 3 化驗人員的責任心與操作水平

分析化驗的準確性受人為因素影響很大。同樣一種鍍液，找不同地方、不同化驗人員分析，可能結果相差很大，這與化驗人員的責任心、知識水平、操作熟練程度密切相關。化驗是一項要求科學嚴謹、細心耐心的工作。例如使用分析天平的熟練程度(對苛性鈉等易潮解物，動作慢了則越稱越重)，對標準溶液是否及時標定、更新，滴定終點的判定，采用重量法時對沉淀的洗滌與收集(如鍍鉻液，特別是低鉻鈍化液中硫酸的重量法分析，光亮酸銅液中Cl?的常規分析等的結果幾乎不可信)，干擾物質的去除等等，影響因素太多。要考察化驗準確性很簡單：精確稱取分析純材料配液，叫化驗一下，即可看出誤差。筆者原所在國營企業有一名正宗大學科班畢業的老化驗員，她對電鍍液的分析在成都地區可稱王牌水平，但帶的幾個徒弟都半途而廢，原因是不能達到她近乎苛刻的要求，比如搖三角瓶要搖得均勻，清洗燒杯、三角瓶等要求內外完全親水，并用蒸餾水淌一次。

1. 1. 4 無法常規化驗的組分太多

鍍液中含量少、影響大的無機雜質、有機雜質無法分析。現代廣泛采用由多種有機中間體復配而成的添加劑、光亮劑，即使知道組分，也無法分析；售品更多以代號表示，連組分都不知，分析化驗更無從談起。

作者并不否定分析化驗的作用，但常規化驗僅供參考，還須輔以試驗驗證。對于合金電鍍，鍍液或鍍層中合金元素的多少，難以通過試驗來確定。此時，準確的分析化驗就很必要了。

1. 2 試驗方法的選擇

試驗可供選擇的方法有多種：

(1) 在小型鍍槽中利用小型工件作小試。此法用液量較大，且陰陽極距離近，不能真實反映大生產的幾何因素對分散能力等的影響，只能作為新工藝、新助劑等研發的第二階段試驗用(研發通常包括實驗室試驗、小試、中試和生產應用4個階段)。

(2) 燒杯內試驗。小燒杯試驗用液不多，但用試片試驗時，只能反映某一特定電流密度下的情況，難以在同一試片上反映出寬電流密度范圍內鍍層的狀況，但可用不同基體材料小件(特別是難鍍材料)判定電鍍效果。

(3) 赫爾槽試驗。其最大的優點是：能用很少的鍍液，一次試驗即可反映出十分寬廣的電流密度范圍內鍍層的狀況。它是實驗室應用最廣、最快捷的試驗方法。正因為如此，一經發明，就迅速獲得了推廣應用。

2 赫爾槽及陰極試片上的電流分布

2. 1 赫爾槽

赫爾槽是1939年英國人R. O. Hull發明的一種小型電鍍試驗槽，又譯為霍爾槽。因形為梯形，故又稱梯形槽。按盛液體積來分，有1 000 mL、534 mL、320 mL、267 mL、250 mL等多種尺寸。用得最多的是267 mL(英制用)和 250 mL(公制用)兩種。我國采用公制，為便于換算，多直接于267 mL的赫爾槽中盛裝250 mL鍍液使用，其內尺寸如圖1所示。

圖1 267 mL赫爾槽內尺寸Figure 1 Internal dimension of 267-mL Hull cell

整體注塑成形的赫爾槽尺寸比較準確，自行用有機玻璃粘接或用塑料板焊接的，個別尺寸很不準確。改良型赫爾槽則是在AB、CD所在面上鉆孔，放入液位合適的大容器中使用，但用得少。

2. 2 赫爾槽陰極試片上電流密度的分布

試驗時，在圖1中的AD邊放陽極，BC邊放陰極試片。試片B端距離陽極最近，鍍液電阻最小，因而電流密度最大，稱為高端或近端；C端正好相反，稱為低端或遠端。標準尺寸 267 mL赫爾槽的陰極試片上，電流密度的分布可用式(1)計算：

其中：Jk──陰極上某位置的電流密度(A/dm2)；

I──選用的電流強度，即試驗用電流(A)；

L──陰極試片上該位置距近端的距離(cm)。

式(1)僅適于L為1 ～ 9 cm范圍內的計算，L ＜1 cm或L ＞9 cm都不適用。表1為計算結果。

表1 267 mL赫爾槽陰極試片上的陰極電流密度的分布Table 1 Distribution of cathodic current density on the test coupon in a 267-mL Hull cell

若電流強度非整數，如0.3 A、1.5 A等，以1 A為基數，按比例換算。

若陰、陽極(特別是陽極)過厚時，同樣裝250 mL鍍液，液位上升過多，陰極試片受鍍面積加大，實際的陰極電流密度會有所下降，但規律不變，可用作相對比較。

（未完待續）

第十六講思考題的參考答案：

1.三相電器的輸入接線應符合電器銘牌要求。如標有380V/220V、Y/△，線電壓為380 V時應接成星形，只有線電壓為220 V的特殊情況下才能接成三角形。

2.若缺相運行，電動機會無法啟動或過熱燒壞；變壓器會使付邊缺相或電壓不正常；整流器會造成直流波形殘缺等，大大增加輸出直流的紋波系數；電加熱器，或加熱功率下降或無法加熱。

3.線徑相同時，銅絲比鉛保險絲的熔斷電流大幾陪。隨意用銅絲代替保險絲，多起不了保險作用，失去裝保險的意義。

[ 編輯：溫靖邦 ]