Электрическое поле гальванической ванны при использовании барабанной оснастки

Главная » Литература » Статьи » Электрическое поле гальванической ванны при использовании барабанной оснастки
Автор: Андреев И.Н., Зотеев К.А., Межевич Ж.В., Коробов А. С.

Казанский государственный технологический университет, кафедра ТЭП
Россия, 420012, Казань, ул. К.Маркса, 68, тел. (843)2318967 andrin@kstu.ru
Для оценки параметров процесса формирования покрытий в барабанах с учетом случайного характера появления деталей в различных областях рабочего поля загрузки (РП) разрабатываются модели процесса электроосаждения с учетом известных теоретических представлений [1] и довольно большого экспериментального опыта, отраженного в многочисленных публикациях, рассмотренных, в частности, в обзоре [2]. В основе работы  [1] лежит представление о том, что поляризующий ток распределяется в некоторой «активной» зоне загрузки по экспоненциальному закону:J=j0exp (-γx), где х – координата, отсчитываемая от внешнего контура загрузки внутрь, а jплотность тока на внешнем контуре РП. 

Однако способ определения значения этой величины не очевиден, так как электрическое поле ванны при использовании барабанной оснастки для нанесения гальванических покрытий может быть весьма неоднородным. Неучет этого обстоятельства может сказываться на эффективности моделей производственных процессов, используемых в системах автоматизированного управления гальваническими линиями [3].

Целью данной работы является оценка характера распределения потенциала в пространстве между анодами и покрываемыми деталями во вращающемся барабане и плотности тока на поверхности электродов. 

Распределение потенциала 
E и плотности тока (1/ρ)х(dE/dn) на электродах определяли на основе решения задачи о распределении потенциала Е в поле ванны и на поверхности электродов. При этом использовалась математическая модель, включающая уравнение для потенциала в плоском поле гальванической ванны и граничные условия, сформулированные в рамках краевой задачи, представленной уравнением Лапласа для плоского поля и соответствующими граничными условиями:

где x и y – координаты поля, ηа и ηк - анодная и катодная поляризационные характеристики, SаSкSи– поверхности анодов катода и изоляторов, а Uк – клеммовое напряжение на ванне. Для визуализации полученных решений использовали ресурсы пакета Cell-DesignL-ChemInc. в D-версииПри проведении расчетов использовали прямоугольную ячейку с размерами 100х100 см, глубиной 1 см. Напряжение на клеммах принимали равным 5 В.

Геометрия расчетной области показана на рис.1. Отличительные особенности рассматриваемой модели электрохимической ячейки состоят в том, что катод в этой системе (совокупность одновременно обрабатываемых деталей, загруженных во вращающийся барабан) размещен несимметрично относительно анодов; ток между электродами проходит через перфорированную стенку барабана; часть перфорации барабана может быть перекрыта прилегающими к стенке деталями.

К важной особенности рассматриваемой совокупности отдельных элементов катода следует отнести также и то обстоятельство, что часть деталей (1-12 на рис.1) неподвижно связана с поверхностью барабана во время его движения, другая часть (12-20 на рис.1) – свободно перемещается (пересыпается) под действием силы тяжести, но большая часть деталей (если загрузка производится деталями небольших размеров) находится внутри РП за пределами внешних слоев (21-29 на рис.1). Но в процессе вращения барабана эти детали могут оказываться в положении 12-20, а затем и в положениях 1-12. 

Рис. 1. Схема взаимного расположения анодов и покрываемых деталей при нанесении покрытий во вращающемся цилиндрическом барабане: А1 и А2- аноды, Б-перфорированная обечайка барабана, 1-29 покрываемые детали. Стрелкой показано направление вращения барабана в рабочем состоянии.


Рис. 2.Картина эквипотенциальных линий в электролите в пространстве между анодными и катодными поверхностями при нанесении покрытий на детали с использованием вращающегося цилиндрического барабана

Результаты интегрирования уравнения Лапласа приведены на рис. 2 и рис.3 в виде картины эквипотенциалей и эпюр токов на электродах. 

Полученные данные позволяют констатировать, что ток между выделенными группами деталей и между деталями в группах распределяется неравномерно. На деталях группы 1-12 плотность тока высокая, особенно в области наибольшего приближения к аноду (рис.3), здесь же имеет место высокое падение напряжения в отверстиях перфорации барабана. На деталях группы 12-21 ток оказался ниже, но распределен более однородно (рис.3). В рассматриваемые результаты следует, вероятно, внести коррективы, предположив, что большая часть отверстий перфорации может в реальных условиях (в отличие от рассматриваемой модели) перекрываться загруженными в барабан деталями группы 1-12. Тогда основная часть тока будет проходить к загрузке через перфорацию со стороны деталей группы 12-21. Результаты проведенных расчетов показывают, что таким образом можно   оценивать характер распределения тока между внешними слоями поляризованной загрузки. В использованной в расчетах совокупности электрохимических параметров ток локализовался практически только на первом слое загрузки. При этом ток на поверхности отдельных деталей оказался неоднородным, Максимальные значения имели место со стороны отверстий в перфорации барабана (рис.3).

Полученные в данной работе результаты позволяют реализовать подход к расчету технологической операции гальванопокрытий в ваннах с барабанной оснасткой. Численное решение задачи состоит в том, что вследствие перемещения поляризованных деталей вдоль контура рабочего поля загрузки ток, приходящийся на каждую деталь, усредняется, и главным фактором, определяющим характер распределения скорости осаждения металла на каждой детали, оказывается перемешивание, которое может моделироваться путем реализации схемы статистических испытаний.

Рис. 3. Эпюры распределения тока на анодах и цилиндрических электродах в плоском поле, электролизера, имитирующего гальваническую ванну с цилиндрическим барабаном с перфорированными стенками, загруженным деталями 

Процесс моделирования на примере шаров в качестве покрываемых объектов можно представить следующим образом. В исходном состоянии рабочее поле подвески заполнено плотно прилегающими друг к другу шарами. При включении поляризующего тока на части шаров во внешнем слое РП осаждается слой металла, толщина которого зависит от отстояния каждого шара от внешнего контура РП. Предполагается, что через выбранный промежуток времени процесс электролиза прекращается, все содержимое загрузки перемешивается и вновь “засыпается” в РП. Теперь вблизи внешнего контура РП могут оказаться уже другие шары, которые также “воспримут” некоторый слой металла. Чередующиеся процессы поляризации и перемешивания при моделировании электрохимического процесса можно повторять столько раз, сколько раз это происходит в реальном процессе формирования покрытий во вращающихся (цилиндрических или лопастных) или качающихся промышленных или лабораторных барабанах. Результатом расчетов по этой схеме является получение любых практически интересных показателей электрохимических процессов с учетом геометрии деталей, размеров барабанов, степени их загрузки и свойств электролитов. Полученные нами  результаты расчета распределения толщины покрытий находятся в качественном согласии с приведенными в [4] экспериментальными данными.

Литература:
  1. Craig S.E., Harr R.E., Mathiesen P. Plating, 1974, v. 60, № 12, p.1101.
  2. Андреев И.Н. Влияние технологических факторов на характеристики защитных гальванических покрытий «Коррозия и защита от коррозии» (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР), 1985, т.11, с. 174-205. 
  3. Андреев И.Н.,  Ившин Я.В., Кайдриков Р.А. и др. В сб.: Прикладная электрохимия, Казань, КХТИ, 1980, с.42-45. Гибкие автоматизированные гальванические линии: справочник. Ред. Зубченко В.Л. – М.: Машиностроение, 1989.- 672с. (см. с.565).
  4. Андреев И.Н.,  Ардашев А.Я., Кайдриков Р.А. и др. Защита металлов, 1984, т. 20, № 1, с. 155.