Упрощенный расчет распределения тока на деталях при использовании подвесок рамного типа

Главная » Литература » Статьи » Упрощенный расчет распределения тока на деталях при использовании подвесок рамного типа
Автор: Андреев И.Н., Зотеев К.А., Межевич Ж.В., Хасаншин А.И.

Казанский государственный технологический университет, кафедра ТЭП
Россия, 420012, Казань, ул. К.Маркса, 68, тел. (843)2318967 andrin@kstu.ru
 
На распределение тока на покрываемых деталях 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 применяемых подвесочных устройств. В некоторых случаях при конструировании подвесочных устройств  приходится компенсировать недостаточную рассеивающую способность электролита, например, за счет использования проводящих и непроводящих экранов или вспомогательных электродов, которые специальным образом проектируют для достижения оптимального распределения тока на обрабатываемых поверхностях. Опыт показывает, что и при проектировании типовой подвесочной оснастки необходимо учитывать влияние параметров ее элементов на рас­пределение тока между однотипными деталями. Было показано, что для решения такой задачи применительно к устройствам елочного типа при нанесении покрытий на детали средних размеров, может быть использован графический метод расчета распределения тока внутри подвески [1].

Целью данной работы является оценка степени неравномерности распределения тока на покрываемых деталях, которая обусловлена электрическим сопротивлением элементов конструкции подвесочного устройства рамного типа. 

Рис. 1.Схема рамной подвески с покрываемыми деталями: 1- крюк подвески, 2-5 - токопроводящие стержни подвески, 6 – покрываемые детали

Рис. 2.Эквивалентная электрическая схема рамной подвески с покрываемыми деталями: 1-11-узлы эквивалентной схемы, r1-r12- сопротивления токопроводящих стержней подвески, r13-r23- сопротивления эквивалентные токоподводам к деталям и переходным сопротивлениям на границе металл-электролит, точки 12-23 соответствуют внешней границе двойного электрического слоя со стороны электролита.

В рассматриваемой конструкции подвесочного устройства ток к покры­ваемым деталям подводится от источника тока через крюк и стержни, токоотводы с контактами  (рис. 1). Для оценки влияния сопротив­лений конструктивных элементов рамных подвесочных устройств на распределение тока между деталями может быть использована эквивалентная электрическая схема, отвечающая распределению тока в подвесочном устройстве рассматриваемого типа, 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. 

Осо­бенность принятой схемы состоит в том, что поверхности всех покрываемых деталей при расчетах при­нимаются эквипотенциальными, что позволяет проводить расчет распре­деления тока на данной конкретной конструкции без учета геометрических условий в гальванических ваннах, в которых могут подвески 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 рамная 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 в соответствии с рис. 1 и 2.. 

Для расчета поляризационного сопротивления границы деталь-электролит использовали результаты поляризационных измерений для ряда электролитов меднения, приведенные Кудрявцевым Н.Т. в [2]. 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.

Таблица 1. Распределение тока на деталях при меднении в сульфатном кислом электролите при плотности тока 3 А/ дм2, поверхность покрываемых деталей 1 дм2
 
Номер сопротивления, через которое ток подается к детали (рис.2)
Значения токов (А) на деталях, размещенных на рамной подвеске (рис.1), при меднении в сульфатном кислом электролите
(1,5н. CuSO4 + 1,5н. H2SO4)
Стержни подвески изготовлены из углеродистой стали
Стержни подвески изготовлены из латуни
13
3,08526459
3,04501451
14
3,03446139
3,02041385
15
3,08526459
3,0450145
16
3,08526459
3,04501451
17
3,03446139
3,02041385
18
3,08526459
3,0450145
19
2,94784996
2,9711871
20
2,89930948
2,9471829
21
2,94784996
2,9711871
22
2,94784996
2,9711871
23
2,89930948
2,9471829
24
2,94784996
2,9711871

Примеры результатов расчетов, проведенных для подвески, соответствующей рис. 1 и 2, приведенные в табл. 1 и 2, показывают, что влияние электрического сопротивления элементов конструкции может быть существенным, а использованный прием оценки степени неравномерности распределения тока оказался, несмотря на принятые упрощения задачи, чувствительным к режимным параметрам процесса электроосаждения.

Таблица 2. Зависимость степени неравномерности распределения тока на деталях при меднении на рамных подвесках, изготовленных из углеродистой стали, от природы электролита, плотности тока (1 и 3 А/дм2) и площади поверхности покрываемых деталей (1 и 3 дм2)
 
 
Электролит меднения [2]
Степень неравномерности распределения тока (%) на деталях площадью 1 дм2при плотности тока (А/дм2):
Степень неравномерности распределения тока (%)  на деталях площадью 3 дм2 при плотности тока (А/дм2):
1
3
1
3
Сернокислый электролит (1,5н. CuSO4 + 1,5 н.H2SO4);
-
6,41
-
12,39
Пирофосфатный (0,72 н.CuSO4, 3,85 н. K4P2O7, 20-30 г/лNH4NO3)
-
0,68
-
1,93
Пирофосфатный                без NH4NO3;
-
0,47
-
1,39
Цианистый (0,94н.CuCNи 0,2н.  NaCNсвоб)
0,23
-
0,68
-
Цианистый электролит (0,94н.CuCN и 0,45н. NaCNсвоб).
0,21
-
0,63
-

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 случайных изменений контактных сопротивлений в процессе естественного износа оснастки на показатели технологической точности гальванических процессов.

ЛИТЕРАТУРА
1.                   Андреев И.Н., Валеев Н.Н., Мищенко М. С.Защита металлов, 1985, т. 21, № 5, с. 809.; Гибкие автоматизированные гальванические линии: справочник. Ред. Зубченко В.Л. – М.: Машиностроение, 1989.- 672с; Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (учебное пособие). – Казань.: Изд-во КГТУ, 2006. – 120с.
2.                   Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. - М.: Химия, 1979. - 351 с.