電鍍工藝管理——電源因素對電鍍過程的影響

在電鍍加工或實驗過程中，不少人有過這樣的經(jīng)驗，即使完全按照技術資料提供的配方和化學原料來重復某項電鍍過程，結果與資料的介紹仍然有很大的差異，經(jīng)過一些周折，才發(fā)現(xiàn)是使用了不同的電源。不同電源對電鍍過程有影響是肯定的，所謂不同的電源主要是指電源的波形的不同。大家知道所有的電源根據(jù)供電方式的不同應有單相和三相之分。對于直流電源來說，除了直流發(fā)電機組或各種電池的電源在正常有效時段是平穩(wěn)的直流外，由交流電源經(jīng)整流而得到的直流電源，都多少帶有脈沖因素，尤其是半波整流，明顯有負半周是沒有正向電流的，即使是單相全波，也存在一定脈沖率，加上所采用的濾波方法的不同、供電電網(wǎng)的穩(wěn)定性等，都會使電鍍電源存在著明顯的不同。但是，在沒有注意到這種不同時，其對電鍍過程的影響往往會被忽視。

通常認為，平穩(wěn)的直流或接近平穩(wěn)的直流是理想的電鍍電源。但是，實際情況并非如此，在有些場合，有一定脈沖的電流可能對電鍍過程更為有利。   

事實上，早在20世紀l0年代，就有人用換向電流進行過金的提純。在20世紀50年代，則有人用這種方法試驗從溴化鉀一三溴化鋁中鍍鋁，與此同時，可控硅整流裝置的出現(xiàn)，使一些電鍍技術開發(fā)人員注意到不同電源波形對電鍍過程的影響，這種影響有時是有利的，有時是不利的。到了20世紀70年代，電源對電鍍過程存在影響已經(jīng)成為電鍍工作者的共識。現(xiàn)在，電源波形已經(jīng)作為工藝參數(shù)之一在有些工藝中成為必要條件。

(1)描述電源波形的參數(shù)

在有關電源波形影響的早期的研究中，一般使用兩個概念來定量地描述電源波形，這就是波形因素(F)和脈沖率(W)。F=I_eff/I_o

式中I_eff表示電流的交流實測值；

Io-表示直流的穩(wěn)定成分；

I-表示電路中的總電流。

這種表達方式比較簡明，并且所有幾個參數(shù)都能用電表進行測量獲得。根據(jù)上述表達方式，各種電源波形的參數(shù)見表。

電源波形及參數(shù)

(2)電源波形影響的機理

人們已經(jīng)知道，在電鍍過程中出現(xiàn)的電化學極化和濃差極化都影響金屬結晶的質量，并且分別可以成為控制電鍍過程的控制因素，但是，這兩種極化中各個步驟對反應速度的影響，都是建立在通過電極的電流為穩(wěn)定直流的基礎上的，而沒有考慮波形因素的影響。當所用的電源存在交流成分時，電極的極化是有所變化的。

    由于電鍍過程的不可逆性，電源輸出的波形和實際流經(jīng)電解槽的波形之間的差異是無法得知的。直接觀察電極過程的微觀現(xiàn)象也不是很容易，因此，要了解電源波形影響的真實的情況和機理是存在著困難。但是可以從不同電源波形所導致的電鍍沉積的結果來推論其影響。

現(xiàn)在已經(jīng)可以明確，電源波形對電鍍過程的影響有積極的，也有消極的。對有些鍍種有良好的作用，對另一些鍍種就有不利的影響。有一種解釋認為，只有受擴散控制的反應，才適合利用脈沖電源。人們已經(jīng)知道，在電極反應過程中，電極表面附近將由于離子濃度的變化而形成一個擴散層。當反應受擴散控制時，擴散層比較變厚了一些，并且由于電極表面的微觀不平而造成擴散層厚薄不均勻，容易出現(xiàn)負整平現(xiàn)象，使鍍層不平滑。在這種場合下，如果使用了脈沖電源(負半周、在零電流停止一定時間)，就使得電極反應有周期性的停頓，這種周期性的停頓使溶液深處的金屬離子得以進入擴散層而補充消耗了的離子，使微觀不平造成的極限電流的差值趨于相等，鍍層變得平滑。如果使用有正半周的脈沖，則因為陰極上有周期性的短暫陽極過程，使過程變得更為復雜。這種短暫的陽極過程有可能使微觀的突起部位發(fā)生溶解，從而削平了微觀的突起而使鍍層更為平滑。

當然，脈沖電鍍的首要的作用是減少了濃度的變化。研究表明，使用頻率為20赫的脈沖電流時，陰極表面濃度的變化只是用直流時的l／3；而當頻率達到l000赫時，只是直流時的1／23。

現(xiàn)在已經(jīng)認識到，波形因素不僅僅對擴散層有影響，而且對添加劑的吸附、改變金屬結晶的取向、控制鍍層內應力、減少滲氫、調整合金比例等都能起到一定作用。

(3)電源波形對各種電鍍過程的影響

    ①對鍍銅的影響。普通酸性鍍銅幾乎不受脈沖的影響，但是在進行．相調制之后，分散能力大大提高。氰化物鍍銅使用單相半波電源(W=121％)后，在不常會使鍍層燒焦的電流密度下電鍍，可以得到半光亮鍍層。酸性光亮鍍銅在采用相位調制后，可用W=142％的脈沖電流，使分散能力進一步提高，低電流區(qū)的光亮鍍增加。

②對鍍鎳的影響。對于普通(瓦特型)鍍鎳，采用脈沖為W=144％和234％的電流，鍍層表面的反射率提高。以鏡面的反射率為l00，對于平穩(wěn)直流，不論升溫與否，鍍層的反射率有40左右。而采用單相不完全整流(W=234％)和三相不完全整流(W=144％)時，隨著溫度的升高，鍍層的反射率明顯地增加。45℃時，是60；60℃時，達到70；而在70℃時，可以達80^。另外，交直流重疊，可以得到低應力的鍍層，這種影響對氨基磺酸鹽鍍鎳也有同樣的效果。

脈沖率對光亮鍍鎳的影響不大，這可能是由于光亮鍍鎳結晶的優(yōu)先取向不受脈沖電流的影響，但是采用周期斷電，可以提高其光亮度。

③對鍍鉻的影響。鍍鉻對電源波形非常敏感。有人對低溫鍍鉻、微裂紋鍍鉻、自調鍍鉻以及標準鍍鉻做過試驗^[9]，對于低溫鍍鉻，試驗證明，要采用脈沖盡量小的電源，但W值仍可以達到30％。對于微裂紋鍍鉻，由于隨著脈沖的加大，裂紋減少，當脈沖率達到W=60％時，裂紋完全消失，因而不宜采用脈沖電流。三相全波的W-4.5％，可以用于鍍鉻。

對于標準鍍鉻，在不用波形調制(如皺波)時，W不應超過66％。但是在采用皺波之后，則頻率提高，鍍層光亮。   

自調鍍鉻在Cr0₃為250g／L，K₂FSiF₆為12.5g／L，SiS0₄為5g／k的鍍液中，在40℃時電鍍，當脈沖率達到40％時，鍍層明顯地減少，而W超過50％時，又能獲得較好的鍍層，但是當w達到l08％時，則不能電鍍。在采用阻流線圈調制之后，w在60％以內，可以使鍍層的外觀得到改善。

④對鍍銀的影響。普通鍍銀的分散能力隨波形因素的增加而下降，但是光亮鍍銀不受影響。采用單相半波整流進行光亮鍍銀，隨著電流密度的增加，鍍層的平滑度也增加。

⑤對合金電鍍的影響。有人利用不同頻率的脈沖電流，對4種不同組分的鎳鐵合金受脈沖電流的影響做過實驗，證明，采用交流頻率對鐵的析出量有明顯影響。同時與鍍液中絡合物的濃度也有關。在頻率增加時，鐵的含量增加，因為頻率增大后，陰極表面的微觀陽極作用降低，使鐵的反溶解降低，從而增加了鐵的含量。但是在絡合物含量低時，則鐵的增加量不明顯。

通過對碘化物體系脈沖電鍍Ag-Ni合金工藝的研究證明，隨著[Ni²⁺]／rAg⁺]濃度比增大，鍍層中鎳含量上升；鍍液溫度升高時，鍍層中鎳含量降低；增大平均電流密度會提高鍍層中鎳含量，但使鍍層表面變差；占空比和頻率的變化也對鍍層成分有一定影響；增加反向脈沖的個數(shù)，會使鍍層表面狀況好轉，隨鍍層中鎳質量分數(shù)升高，結晶變得粗大。