CN116716645A - 一种提高电镀效率的装置和方法 - Google Patents

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CN116716645A CN202310773177.4A CN202310773177A CN116716645A CN 116716645 A CN116716645 A CN 116716645A CN 202310773177 A CN202310773177 A CN 202310773177A CN 116716645 A CN116716645 A CN 116716645A
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Abstract

本发明公开了一种提高电镀效率的装置和方法,涉及电镀的技术领域,包括槽体、可溶性阳极机构和不溶性阳极机构;可溶性阳极机构包括第一电源、可溶性金属阳极和第一阴极辊,可溶性金属阳极铺设在第一不溶性阳极架上,第一不溶性阳极架和第一阴极辊分别连接第一电源的正极和负极;不溶性阳极机构包括第二电源、第二不溶性阳极架和第二阴极辊,第二不溶性阳极架和第二阴极辊分别连接第二电源的正极和负极;槽体内盛放有电镀液;通过组合使用可溶性金属阳极和第二不溶性阳极架,使得电镀液中金属离子得以及时补充并维持长时间的动态平衡;通过独立控制第一电源和第二电源的电流,避免了发生阳极钝化,同时能够尽可能提升生产效率。

Description

一种提高电镀效率的装置和方法
技术领域
本发明属于电镀的技术领域,具体涉及一种提高电镀效率的装置和方法。
背景技术
硫酸盐镀锌工艺简单,成本低廉,性能稳定,电流效率高,因此广泛用于几何形状简单的零部件和型材电镀中,如电镀连续的圆形、矩形金属线材等。
目前硫酸盐镀锌多采用不溶性阳极,整个电镀过程为镀液中锌离子在作为阴极的待镀件表面放电而沉积为锌单质被带出镀液,其中还有少量氢离子放电生成氢气的副反应,此阴极反应的锌离子来自于中间反应槽内锌块与镀液中氢离子的化学反应,而不溶性阳极(如表面涂氧化铱的钛板)上则为水放电生成氧气和氢离子,生成的氢离子将继续用于中间反应槽和阴极的析氢副反应,如此,只需向镀液中补水和锌块即可形成不断循环的、镀液中参与反应的物质的动态平衡。
但是,随着对生产效率的要求不断提高,人们不得不加快钢丝的走线速度、加大电镀电流来满足生产需求;电流加大后镀槽阴阳极反应加快,尤其是阴极锌离子消耗加剧,而中间反应槽化学反应的速率变化不大,生成的锌离子不足以及时弥补阴极消耗,这种动态平衡也难以维持。现有技术采用的解决办法是定期向反应槽中添加硫酸,而使锌离子生成速率加快,但这样增加了原辅材料的消耗,缩短了镀液维护周期,相当于间接增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种提高电镀效率的装置和方法,能够提高电镀液的稳定性和提高生产效率。
本发明提供了如下的技术方案:
本发明第一方面提供了一种提高电镀效率的装置,包括槽体、可溶性阳极机构和不溶性阳极机构;所述可溶性阳极机构包括第一电源以及设于槽体内的可溶性金属阳极和第一阴极辊,所述可溶性金属阳极铺设在第一不溶性阳极架上,所述第一不溶性阳极架和第一阴极辊分别连接第一电源的正极和负极;所述不溶性阳极机构包括第二电源以及设于槽体内的第二不溶性阳极架和第二阴极辊,所述第二不溶性阳极架和第二阴极辊分别连接第二电源的正极和负极;所述槽体内盛放有含有所述可溶性金属阳极金属离子的电镀液。
优选地,所述电镀液包括硫酸盐镀液。
优选地,所述第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架均为板状结构,所述可溶性金属阳极呈粒装或块状铺设在第一不溶性阳极架表面,所述可溶性金属阳极的铺设面积可调。
优选地,所述第一阴极辊和第二阴极辊均至少有两个。
本发明第二方面提供了一种提高电镀效率的方法,所述方法包括,
确定可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例;
根据可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例,在第一不溶性阳极架表面铺设可溶性金属阳极;
连续监测槽体内电镀液的金属离子浓度;若监测到的阳极金属离子浓度偏离设定范围时,则调整可溶性金属阳极的铺设尺寸,直至电镀液的阳极金属离子浓度稳定;
基于生产要求提升待电镀线材的走线速度,并根据待电镀线材的走线速度增大电镀电流;
电镀电流调整完成后,继续监测槽体内电镀液的金属离子浓度,并通过调节可溶性阳极的铺设面积维持金属离子浓度稳定。
优选地,当电镀液内金属离子浓度超过设定范围时,减小可溶性金属阳极的铺设尺寸;当电镀液内金属离子浓度低于设定范围时,增大可溶性金属阳极的铺设尺寸。
优选地,所述增大电镀电流包括增大流经第一电源和第二电源的电流值;所述第一电源的电流值低于可溶性金属阳极发生临界钝化的电流值。
优选地,所述确定可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例的方法包括,
当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均未铺设可溶性金属阳极时,测定电镀时的阴极电流效率;
当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均铺满可溶性金属阳极时,测定电镀时的阳极电流效率;
基于测定的所述阳极电流效率和所述阴极电流效率,求得可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例。
优选地,所述可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例η3由公式(1)确定:
η3=1-(η2—η1) (1)
其中,η1为当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均未铺设可溶性金属阳极时测定的阴极电流效率;η2为当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均铺满可溶性金属阳极时测定的阳极电流效率。
优选地,η1用公式(2)求得:
η1=m1/m2 (2)
其中,m1为镀件基体上镀层的实际质量,m2为镀件上理论应沉积的质量;
η2用公式(3)求得:
η2=M1/M2 (3)
其中,M1为电镀后可溶性金属阳极溶解的质量,M2为可溶性金属阳极理论溶解的质量。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)通过组合使用可溶性金属阳极和第二不溶性阳极架,使得电镀液中金属离子得以及时补充并维持长时间的动态平衡;通过独立控制可溶性金属阳极的电流,避免了发生阳极钝化,可溶性金属阳极能够稳定、充分的提供金属离子;第二不溶性阳极架尽可能的满足大电流电镀,从而提高待电镀线材的走线速度,提升生产效率。
(2)可溶性金属阳极呈粒装或者块状铺设在第一不溶性阳极架的表面,能够提高可溶性金属阳极的溶解效率;可溶性金属阳极铺设在板状结构的第一不溶性阳极架上,能够保证第一不溶性阳极架上各个位置的可溶性金属阳极的溶解速率一致,同时能够方便调整可溶性金属阳极的铺设面积。
(3)在一个电镀装置上,当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均未铺设可溶性金属阳极时,测定电镀时的阴极电流效率,当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均铺设可溶性金属阳极时,测定电镀时的阳极电流效率,通过阳极电流效率和阴极电流效率,确定可溶性金属阳极的初始铺设尺寸,既能够保证镀液内金属离子浓度稳定,同时能够保证可溶性金属阳极初始铺设尺寸的计算简单高效。
附图说明
图1是本发明实施例提高电镀效率的装置结构示意图。
图中标记为:1为槽体,2为可溶性金属阳极,3为电镀液,41为第一不溶性阳极架,42为第二不溶性阳极架,51为第一阴极辊,52为第二阴极辊,6为线材。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种提高电镀效率的装置,包括槽体1、可溶性阳极机构和不溶性阳极机构。
可溶性阳极机构包括第一电源以及设于槽体1内的可溶性金属阳极2和第一阴极辊51,所述可溶性金属阳极2铺设在第一不溶性阳极架41上,所述第一不溶性阳极架41连接第一电源的正极,所述第一阴极辊51连接第一电源的负极;不溶性阳极机构包括第二电源以及设于槽体1内的第二不溶性阳极架42和第二阴极辊52,所述第二不溶性阳极架42连接第二电源的正极,第二阴极辊52连接第二电源的负极;待电镀的线材连续贴靠在第一阴极辊51和第二阴极辊52上;所述第一阴极辊51至少有两个,从而能够提高待电镀线材的电镀质量;第一电源和第二电源的电流独立控制;通过组合使用可溶性金属阳极2和第二不溶性阳极架42,使得电镀液3中金属离子得以及时补充并维持长时间的动态平衡;通过独立控制可溶性金属阳极2的电流,避免了发生阳极钝化,可溶性金属阳极2能够稳定、充分的提供金属离子,从而维持电镀液3的稳定;第二不溶性阳极架42尽可能的满足大电流电镀,从而提高待电镀线材的走线速度,提升线材电镀的生产效率。
槽体1内盛放有含有可溶性金属阳极2的金属离子的电镀液3。
具体地,所述电镀液3为硫酸盐镀液;也就是说电镀液3的主要成分是硫酸盐和硫酸溶液,而镀层金属可以根据实际生产需要进行选择;可选地,当可溶性金属阳极2为锌金属,也就是对线材6进行镀锌时,槽体1内的电镀液3的主要成分是硫酸锌和硫酸溶液;第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42为表面涂氧化铱的钛。
具体地,所述第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42均为板状结构,所述可溶性金属阳极2呈粒装或块状铺设在第一不溶性阳极架41表面,所述可溶性金属阳极2的铺设面积可调;可溶性金属阳极2呈粒装或者块状铺设在第一不溶性阳极架41的表面,能够提高可溶性金属阳极2的溶解效率;可溶性金属阳极2铺设在板状结构的第一不溶性阳极架41上,能够保证各个位置的可溶性金属阳极2的溶解速率一致,同时能够方便调整可溶性金属阳极2的铺设面积。
在一些其他实施例中,在所述槽体1内还安装有离子浓度检测件(图中未表示),用于检测电镀液3的阳极金属离子浓度,从而直观的看出电镀液3的阳极金属离子浓度;当然也可以将槽体1内的液体通过输送件(泵)输送至离子浓度检测件上,进行检测,离子浓度检测件自身的结构参考现有技术设定即可。
实施例2
本实施例提供一种提高电镀效率的方法,步骤如下:
步骤1、确定可溶性金属阳极2的铺设面积占第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42面积之和的比例。
具体地,利用实施例1所述的提高电镀效率的装置,所述确定可溶性金属阳极2的铺设面积占第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42面积之和的比例的方法为:
当第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42上均未铺设可溶性金属阳极2时,测定电镀时的阴极电流效率;此时电镀的镀层金属仅来自于硫酸盐电镀液3中;具体地,所述阴极电流效率为η1;η1由公式(2)求得,
η1=m1/m2 (2)
其中,m1为镀件基体上镀层的实际质量,m2为镀件上理论应沉积的质量;m1可采用称重法求得,m2可用法拉第定律(m=KIt,K为锌的电化学当量,I为镀锌电流,t为电镀时间)求得。
当所述第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42上均铺满可溶性金属阳极2时,测定电镀时的阳极电流效率,此时所述阳极电流效率为η2,η2用公式(3)求得,
η2=M1/M2 (3)
其中,M1为当所述第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42上均铺满可溶性金属阳极2时,电镀后可溶性金属阳极2溶解的质量,M2为当所述第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42上均铺满可溶性金属阳极2时,可溶性金属阳极2理论溶解的质量;M1可采用称重法求得,M2可用法拉第定律(m=KIt,K为锌的电化学当量,I为镀锌电流,t为电镀时间)求得。
基于测定的所述阳极电流效率η2和所述阴极电流效率η1,求得可溶性金属阳极2的铺设面积占第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42面积之和的比例。
具体地,所述可溶性金属阳极2的铺设面积占第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42面积之和的比例η3由公式(1)确定:
η3=1—(η2—η1)(1)。
2—η1)为第二不溶性阳极架42和未铺设可溶性金属阳极2的第一不溶性阳极架41面积之和所占第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42面积之和的比例;第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42的面积可以根据生产线需求(槽体1尺寸、电镀电流、线材的条数等)进行选取;在测定η1、η2的值时,其他的测定条件,例如第一不溶性阳极架41、第二不溶性阳极架42的面积、材质、第一电源和第二电源的电流、电镀液3浓度等均保持一致。
步骤2、根据所述可溶性金属阳极2的铺设面积所占第一不溶性阳极架41和第二不溶性阳极架42面积之和的比例,在第一不溶性阳极架41表面铺设可溶性金属阳极2。
步骤3、连续监测槽体1内电镀液3的金属离子浓度;若监测到的金属离子浓度偏离设定范围时,则调整可溶性金属阳极2的铺设尺寸,直至电镀液3的金属离子浓度稳定。
具体地,当电镀液3内阳极金属离子浓度超过设定范围时,减小可溶性金属阳极2的铺设尺寸;当镀液内阳极金属离子浓度低于设定范围时,增大可溶性金属阳极2的铺设尺寸;可溶性金属阳极2铺设尺寸的调整可以根据以往试验数据粗调整,然后根据当前电镀液3内阳极金属离子浓度进行精细调整;可溶性金属阳极2铺设尺寸的调整后,需要阳极金属离子浓度至少7天内维持在设定范围,才能够判定可溶性金属阳极2尺寸调整的合格。
步骤4、基于生产要求提升待电镀线材的走线速度,并根据走线速度增大电镀电流;电镀电流调整完成后,继续监测槽体1内电镀液3的金属离子浓度,并通过调节可溶性阳极的铺设面积维持金属离子浓度稳定。
增大电镀电流包括增大流经第一电源和第二电源的电流值;第一电源和第二电源的电流值可以采用等比例提高;所述第一电源的电流值低于可溶性金属阳极2发生临界钝化的电流值,以避免发生金属阳极的钝化;当待电镀线材的走线速度增大后,第一电源的电流值需要调整至临界钝化值以下,然后尽可能的提高第二电源的电流值,以满足生产要求,从而提高线材的电镀效率。
实施例3
对一黄铜的圆形待电镀线材进行镀锌工艺调整,该电镀线的镀锌槽(槽体有效长度4.20m,镀液主要成分为硫酸锌+硫酸),调整前该镀锌槽内仅采用不溶性的表面涂氧化铱的钛阳极。
(1)根据公式η1=m1/m2,当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均未铺设可溶性金属阳极,电镀的镀层金属仅来自于硫酸锌电镀液时,此时测定阴极电流效率,其中m1通过化学法褪镀称重测得,m2通过法拉第定律m=KIt求得,K为锌的电化学当量,I为镀锌电流,t为电镀时间;检测5次取阴极电流效率η1平均值89%。
(2)根据公式η2=M1/M2,当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均铺满可溶性金属阳极,测定阳极电流效率,其中M1通过称重法测得,M2通过法拉第定律求得。检测5次取阳极电流效率η2平均值143%。
(3)根据公式η3=1—(η2—η1),得出可溶性金属阳极的铺设面积占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例η3,即按照在第一钛阳极架和第二钛阳极面积之和的46%,在第一钛阳极架上(约1.93m长)铺可溶解的锌阳极。
(4)连续5天监测镀液中锌离子浓度如下表1:
表1锌离子浓度表
天数(d) 1 2 3 4 5
浓度(g/L) 52.3 55.6 57.6 59.8 62.0
由于锌离子浓度偏高并且即将超出正常范围,因此需要将第一钛阳极架上可溶解的锌阳极的铺设尺寸适当调短。
将电镀液稀释至正常范围,并适当减小可溶性锌阳极铺设尺寸后,进行跟踪如下表2:
表2锌离子浓度表
天数(d) 1 2 3 4 5 6 7
浓度(g/L) 49.6 50.1 49.8 51.0 51.0 50.6 51.2
锌离子浓度跟踪合格,因此已将锌离子浓度调整稳定在合格范围内,可溶性金属阳极的铺设尺寸合适。
实施例4
对一电镀纯锌的圆形线材电镀试验线(镀锌槽体1共12节,每节有效长度1.4m,镀液主要成分为硫酸锌+硫酸)进行提速调整。该试验线上线材直径1.94mm,预设镀层重量8g/kg,共20根钢丝,调整前该试验线铺设可溶性锌阳极的第一不溶性阳极架+第二不溶性阳极架各供3332A电流,走线速度32m/min。
(1)将走线速度调整至目标值40m/min,相应地第二电源电流值(未铺设金属阳极的第二不溶性阳极架的电流)增大至4358A,第一电源电流值(流经可溶性金属阳极的电流)增大至3850A(如果继续增大有阳极钝化风险)。
(2)连续7天监测镀液中锌离子浓度如下表3:
表3锌离子浓度
天数(d) 1 2 3 4 5 6 7
浓度(g/L) 50.3 49.3 48.0 47.2 46.7 45.8 44.2
锌离子浓度不断下降的原因可能是不溶性阳极区电流增大导致锌离子消耗加剧,但电流的增大同时导致了电流效率的下降,锌离子消耗并没有过于得快,使得锌离子浓度虽然下降但仍在标准范围内。后续可根据情况,适当延长可溶性金属阳极的铺设尺寸。
对比例1
对一圆形线材6试验线的镀锌槽(槽体1有效长度4.20m,镀液主要成分为硫酸锌+硫酸)的阳极区进行调整。测定该试验线阴极电流效率η1为91%,阳极为锌时的阳极电流效率η2为151%,η21=60%。
将其中第一不溶性阳极架表面铺满锌阳极,连续3天监测镀液中锌离子浓度如下表4:
表4锌离子浓度
天数(d) 1 2 3
浓度(g/L) 53.3 64.4 69.3
锌离子浓度在第二天即超出正常标准范围,由于锌阳极与镀液中氢离子的不断反应以及阴极的析氢反应的不断消耗,导致溶液氢离子浓度降低并使pH值也高于正常标准;第三天镀液开始变浑浊有固体析出。
对比例2
对一圆形线材6试验线的镀锌槽(槽体1有效长度4.20m,镀液主要成分为硫酸锌+硫酸)的阳极区进行调整。测定该试验线阴极电流效率η1为88%,阳极为锌时的阳极电流效率η2为148%,η21=60%。
将其中第一不溶性阳极架表面20%的部分铺锌阳极。连续7天监测镀液中锌离子浓度如下表5:
表5锌离子浓度
天数(d) 1 2 3 4 5 6 7
浓度(g/L) 49.8 47.5 45.5 42.8 40.1 38.6 38.0
由于锌阳极电化学溶解和化学溶解的速率跟不上阴极的消耗速率,导致镀液中锌离子浓度不断下降并在第六天低于标准范围,同时不溶性阳极不断析氧产生氢离子使得镀液总体氢离子浓度上升,pH值向标准范围下限靠近。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高电镀效率的装置,其特征在于,包括槽体、可溶性阳极机构和不溶性阳极机构;
所述可溶性阳极机构包括第一电源以及设于槽体内的可溶性金属阳极和第一阴极辊,所述可溶性金属阳极铺设在第一不溶性阳极架上,所述第一不溶性阳极架和第一阴极辊分别连接第一电源的正极和负极;
所述不溶性阳极机构包括第二电源以及设于槽体内的第二不溶性阳极架和第二阴极辊,所述第二不溶性阳极架和第二阴极辊分别连接第二电源的正极和负极;
所述槽体内盛放有含有所述可溶性金属阳极金属离子的电镀液。
2.根据权利要求1所述的提高电镀效率的装置,其特征在于,所述电镀液包括硫酸盐镀液。
3.根据权利要求1所述的提高电镀效率的装置,其特征在于,所述第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架均为板状结构,所述可溶性金属阳极呈粒装或块状铺设在第一不溶性阳极架表面,所述可溶性金属阳极的铺设面积可调。
4.根据权利要求1所述的提高电镀效率的装置,其特征在于,所述第一阴极辊和第二阴极辊均至少有两个。
5.一种基于权利要求1~4任一项所述装置提高电镀效率的方法,其特征在于,所述方法包括,
确定可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例;
根据可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例,在第一不溶性阳极架表面铺设可溶性金属阳极;
连续监测槽体内电镀液的金属离子浓度;若监测到的阳极金属离子浓度偏离设定范围时,则调整可溶性金属阳极的铺设尺寸,直至电镀液的阳极金属离子浓度稳定;
基于生产要求提升待电镀线材的走线速度,并根据待电镀线材的走线速度增大电镀电流;
电镀电流调整完成后,继续监测槽体内电镀液的金属离子浓度,并通过调节可溶性阳极的铺设面积维持金属离子浓度稳定。
6.根据权利要求5所述的提高电镀效率的方法,其特征在于,当电镀液内金属离子浓度超过设定范围时,减小可溶性金属阳极的铺设尺寸;当电镀液内金属离子浓度低于设定范围时,增大可溶性金属阳极的铺设尺寸。
7.根据权利要求5所述的提高电镀效率的方法,其特征在于,所述增大电镀电流包括增大流经第一电源和第二电源的电流值;所述第一电源的电流值低于可溶性金属阳极发生临界钝化的电流值。
8.根据权利要求5所述的提高电镀效率的方法,其特征在于,所述确定可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例的方法包括,
当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均未铺设可溶性金属阳极时,测定电镀时的阴极电流效率;
当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均铺满可溶性金属阳极时,测定电镀时的阳极电流效率;
基于测定的所述阳极电流效率和所述阴极电流效率,求得可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例。
9.根据权利要求8所述的提高电镀效率的方法,其特征在于,所述可溶性金属阳极的铺设面积所占第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架面积之和的比例η3由公式(1)确定:
η3=1-(η2—η1) (1)
其中,η1为当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均未铺设可溶性金属阳极时测定的阴极电流效率;η2为当第一不溶性阳极架和第二不溶性阳极架上均铺满可溶性金属阳极时测定的阳极电流效率。
10.根据权利要求9所述的提高电镀效率的方法,其特征在于,
η1用公式(2)求得:
η1=m1/m2 (2)
其中,m1为镀件基体上镀层的实际质量,m2为镀件上理论应沉积的质量;
η2用公式(3)求得:
η2=M1/M2 (3)
其中,M1为电镀后可溶性金属阳极溶解的质量,M2为可溶性金属阳极理论溶解的质量。
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