Распределение тока между покрываемыми деталями при использовании подвесок елочного типа

Главная » Литература » Статьи » Распределение тока между покрываемыми деталями при использовании подвесок елочного типа
Автор: Зотеев К.А., Межевич Ж.В., Гаянова Д.Х., Загидуллин А.Р., Павлов С.М.,

Казанский государственный технологический университет, кафедра ТЭП
Россия, 420012, Казань, ул. К.Маркса, 68, тел. (843)2318967 andrin@kstu.ru
Известно, что на распределение тока между покрываемыми деталями в гальванической ванне оказывают влияние не только электрохимические и геометрические факторы: рассеивающая способность электролита, геометрия и размещение деталей в объеме ванны, но также в заметной степени конструкция применяемой технологической оснастки. Было показано, что и при проектировании типовой подвесочной оснастки необходимо учитывать влияние параметров ее элементов на рас­пределение тока между однотипными деталями с учетом характера поляризационных характеристик процессов электроосаждения. В частности,  применительно к подвескам елочного типа при нанесении покрытий на детали средних размеров, может быть использован графический метод расчета распределения тока внутри подвески [1-5], позволяющий проводить расчетные процедуры, как при гладких, так и при N-образных поляризационных характеристиках электродных процессов.
Целью данной работы является оценка степени неравномерности распределения тока между покрываемыми деталями при меднении, цинковании и никелировании, которая обусловлена электрическим сопротивлением элементов конструкции подвески елочного типа.

Рис. 1.Схема подвески елочного типа с покрываемыми деталями: 1- токоподводящий крюк подвески, 2-- токопроводящие стержни подвески, 3 –токоотводы от стержня к деталям, 4- покрываемые детали.

Рис. 2.Эквивалентная электрическая схема подвески елочного типа с покрываемыми деталями: r1-r4- сопротивления токоотводов от стержня к деталям, r5-r8-поляризационные сопротивления на границах деталей с электролитом, r9-r11- сопротивления участков центрального стержня, I1-I4- токи, приходящиеся на детали, I5-I6-токи, проходящие через участки центрального стержня.

В рассматриваемой конструкции подвески ток к покры­ваемым деталям подводится от источника тока через крюк, участки центрального стержня и токоотводы к деталям с контактными устройствами (рис. 1). Для оценки влияния сопротив­лений конструктивных элементов подвески на распределение тока между деталями может быть использована эквивалентная электрическая схема, отвечающая распределению тока в подвеске, приведенная на рис. 2. Из схемы видно, что значения то­ков, приходящихся на каждую деталь, зависят от сопротивлений всех элементов схемы, включая сопротивления контактов и переходные сопротивления границы детали с электролитом.
 
Таблица 1. Зависимость степени неравномерности распределения тока на деталях при меднении, цинковании и никелировании на елочных подвесках, изготовленных из углеродистой стали, от природы электролита, плотности тока (1 и 3 А/дм2) и площади поверхности покрываемых деталей (1 и 3 дм2)
 
 
Электролиты по данным  Н.Т.Кудрявцева [6]
Степень неравномерности распределения тока (%) на деталях площадью 1 дм2 при плотности тока (А/дм2):
Степень неравномерности распределения тока (%)  на деталях площадью 3 дм2 при плотности тока (А/дм2):
1
3
1
3
Электролиты меднения (см. [6] с. 236)
Сернокислый электролит (1,5н.CuSO4 + 1,5 н. H2SO4);
10,20
10,30
20,00
21,04
Пирофосфатный (0,72 н.CuSO4, 3,85 н. K4P2O7, 20-30 г/л NH4NO3)
-
1,04
-
3,00
Пирофосфатный  без NH4NO3;
-
0,71
-
2,13
Цианистый (0,94н.CuCN и 0,2NaCNсвоб)
0,35
-
1,04
-
Цианистый электролит (0,94н.CuCN и 0,45н.NaCNсвоб).
0,32
-
0,95
-
Электролиты цинкования (см. [6] с. 135)
Эл-лит №1: 1,5н. ZnSO4 + 0,3 н.Al2(SO4)3, 0,3 н. Na2SO4 при рН 4,5;
5,24
6,52
12,62
14,96
Эл-лит №2: 1,5н. ZnSO4 + 0,3 н. Al2(SO4)3, 0,3 н. Na2SO4,декстрин 10 прирН 4,5;
2,79
2,97
7,4
7,93
Эл-лит №3: 0,35 н. ZnO; 4,6 н. NH4Cl, 20 г/л H3BOклей 1 г/лрН 6,8
2,12
2,35
5,85
6,35
Эл-лит №4: ZnSO4?7H2O-54-60 г/л; Na4P2O7·10H2O - 220 г/л; (NH4)2HPO4-18-20 г/л; Декстрин-3-5 г/л; рН=8,3-8,5
0,58
1,14
1,71
3,28
Эл-лит №5: ZnO-10 г/л; NaOНобщ - 80 г/л; NaOНсвоб - 60 г/л; SnCl4-1 г/л
1,79
-
4,95
-
Эл-лит №6: ZnO-10 г/л; NaOНобщ -100 г/л; NaOНсвоб - 80 г/л; ПЭИ2000-1 г/л
1,15
1,85
3,28
5,18
Эл-лит №7: ZnO-40 г/л; NaCNобщ -83-122 г/л; NaOНобщ -68 г/л; NaCN:Zn-2,5-3,5 г/л
0,63
1,03
1,79
2,94
Электролиты никелирования (см. [6] с. 275)
2н NiSO4 , 0,5 моль/л H3BO3рН=4.0; температура 25оС
0,38
-
0,97
-
2н NiSO4 , 0,5 моль/л H3BO3рН=4.0; температура 50оС
0,47
-
1,39
-
2н NiSO4 , 0,5 моль/л H3BO3рН=4.0; температура 65оС
0,55
-
1,60
-
Осо­бенность принятой схемы состоит в том, что поверхности всех покрываемых деталей при расчетах при­нимаются эквипотенциальными, что позволяет проводить расчет распре­деления тока для данной конкретной конструкции без учета геометрических условий в гальванической ванне, в которой подвеска может применяться. Следует отметить, что приведенная схема предполагает также, что неконтактные места подвески надежно изолированы.
При проведении расчетов использовали следующие исходные данные: материалы стержней подвески, из которых собрана конструкция, - латунь или углеродистая сталь, стержни диаметром 15 мм2, поверхность покрываемых деталей 1 или 3 дм2, плотность тока 1 или 3 А/дм2, токоподводы к деталям изготовлены из нержавеющей стали (проволока диаметром 4 мм), число покрываемых деталей на подвеске принято равным 8. Для расчета поляризационного сопротивления границы деталь-электролит использовали результаты поляризационных измерений для ряда электролитов, приведенные Кудрявцевым Н.Т. в [6]. Для упрощения расчетов нелинейные поляризационные кривые линеаризовали, используя две точки на поляризационной кривой: точку, соответствующую бестоковому потенциалу и точку, соответствующую рабочей плотности тока. При расчете токов, приходящихся на каждую деталь, решали систему линейных уравнений, составленную на основе законов Кирхгофа для эквивалентной электрической схемы подвески. Степень неравномерности распределения тока между деталями оценивали критерием Иванова Ku=Imax/Imin.
Примеры результатов расчетов, проведенных для подвески, соответствующей рис. 1 и 2 (для 8 деталей на оснастке), сведены в табл. 1. Они показывают, что влияние электрического сопротивления элементов конструкции может быть существенным, а использованный прием оценки степени неравномерности распределения тока оказался, несмотря на принятые упрощения, чувствительным к природе электролита и режимным параметрам процесса электроосаждения.
В заключение следует отметить, что описанная методика расчета может быть использована для решения и некоторых других задач. В частности, могут быть рассчитаны такие значения  сопротивлений элементов рамной подвески, которые обеспе­чивают наиболее равномерное распределение тока между деталями, например, в крупносерийном производстве многослойных покрытий, когда поля­ризационные характеристики процессов на разных операциях могут существенно отличаться. Описанная схема расчетов может быть также основой для статисти­ческого моделирования при оценке влия­ния на показатели технологической точности гальванических процессов случайных изменений контактных сопротивлений вследствие естественного износа оснастки в процессе ее нормальной эксплуатации.
 
 
ЛИТЕРАТУРА
 
1.       Андреев И.Н., Халитова Ф.А. В сб.: Прикладная электрохимия. Теория, технология и защитные свойства гальванических покрытий. Казань.: КХТИ, 1980, с.60.
2.       Андреев И.Н. В сб.: Прикладная электрохимия. Теория, технология и защитные свойства гальванических покрытий. Казань.: КХТИ, 1983, с.62.
3.       Андреев И.Н., Валеев Н.Н., Мищенко М. С. Защита металлов, 1985, т. 21, № 5, с. 809.
4.       Гибкие автоматизированные гальванические линии: справочник. Ред. Зубченко В.Л. – М.: Машиностроение, 1989.- 672с (см. с.181).
5.       Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (учебное пособие). – Казань.: Изд-во КГТУ, 2006. – 120с.
6.       Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. - М.: Химия, 1979. - 351 с.