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                            電鍍電源工作原理

                            2014/10/26 9:40:18點擊:
                            電鍍 電源 

                                1 引言
                                電鍍是采用電化學方法使金屬離子還原為金屬,并在金屬或非金屬制品表面形成符合要求的平滑、致密的金屬覆蓋層。電鍍后的鍍層性能在很大程度上取代了原來基體的性質, 起裝飾和防護作用。隨著裝飾業的發展及膜保護需求量的增加,人們對電鍍質量的要求越來越高。但目前電鍍技術仍存在某些缺陷,諸如加工時間長、鍍層厚度均勻性差、鍍層容易出現缺陷以及存在較大內應力等。這些缺陷限制了電鍍技術的應用和發展,不能適應當前的生產,尤其是精密制造的需要[1]。電鍍生產采用何種電源對鍍層質量的影響很大。脈沖電鍍是一項新的電鍍技術,本文就電鍍電源中脈沖電源技術作簡單介紹。
                                 2 電鍍電源的發展
                                 2.1 電鍍的基本原理
                                 電鍍電源是用來在電鍍中產生電流的裝置,電流通過鍍槽是電鍍的必要條件,鍍件上的金屬鍍層在電流流過電鍍槽時,引起電化學反應而形成。電鍍過程如圖1所示。
                                                 
                                 從電鍍的基本原理可以看出, 改進鍍層質量可以從兩個方面入手:①調整電鍍溶液; ②改進電鍍電源,F實中,廣泛采用了改進電鍍電源的方法。關于這點,可以從電鍍電源的發展演變過程中看出。
                                2.2 電鍍電源的發展階段
                                 電鍍電源經歷了四個發展階段:
                                (1) 直流發電機階段 這種電源耗能大、效率低、噪聲大,已經被淘汰。
                                (2) 硅整流階段 是直流發電機的換代產品, 技術十分成熟,但效率低, 體積大, 控制不方便。目前, 仍有許多企業使用這種電鍍電源。
                                (3) 可控硅整流階段 是目前替代硅整流電源的主流電源, 具有效率高、體積小、調控方便等特點。隨著核心器件———可控硅技術的成熟與發展,該電源技術日趨成熟, 已獲得廣泛應用。
                                (4) 晶體管開關電源即脈沖電源階段 脈沖電鍍電源是當今最為先進的電鍍電源, 它的出現是電鍍電源的一次革命。這種電源具有體積小、效率高、性能優越、紋波系數穩定, 而且不易受輸出電流影響等特點。脈沖電鍍電源是發展的方向, 現已開始在企業中使用[2]。
                                3 脈沖電鍍及脈沖電源的研究與分析
                                3.1 脈沖電鍍
                                 脈沖電鍍是一項新的電鍍技術。它的特點是由脈沖電流對電極過程動力學的特效影響所決定的, 其中最主要的是對傳質過程中的影響。在直流電鍍時, 鍍液中被鍍出的金屬離子在陰極表面附近溶液中逐漸被消耗, 造成了該處被鍍金屬離子與溶液中該離子的濃度出現差別。這種差別隨著使用的電流密度增高而
                            加大。當陰極附近液層中的該離子的濃度降到 0 時, 就達到了所謂的極限電流密度, 傳質過程完全受擴散控制。
                                 在脈沖電鍍時,由于有關斷時間的存在,被消耗的金屬離子利用這段時間擴散、補充到陰極附近,當下一個導通時間到來時,陰極附近的金屬離子濃度得以恢復,故可以使用較高的電流密度。因此,脈沖電鍍時的傳質過程與直流電鍍時的傳質過程的差異,造成了峰值電流可以高于平均電流,促使晶種形成的速度遠遠高于晶體長大的速度,使鍍層結晶細化,排列緊密,孔隙減小,電阻率低。
                                 此外,直流電鍍時的連續陰極極化電位下的各種物質, 在陰極表面的吸脫附過程與脈沖條件下的間斷高陰極極化電位下的吸脫附過程的機理有很大差異,造成了同樣的溶液配方及添加劑在電源波形不同時,表現的作用差別也很大。
                                3.2 脈沖電源
                                 脈沖電源分為數字脈沖電源和模擬脈沖電源。所謂數字脈沖電源, 是采用微處理器及數字電路對脈沖電源中的直流斬波進行控制, 并實現數字顯示與數字調節的電源。它是當今最為先進的電鍍電源, 由于與計算機技術相結合, 使其控制更加方便和靈活。目前是電鍍電源發展的方向。數字脈沖電源的原理示意圖如圖 2 所示。                    
                                 與傳統的模擬脈沖電源相比, 數字脈沖電源具有如下優點:
                                (1) 驅動波形規整,極大地改善了斬波后的輸出波形,對提高電鍍質量十分有利;
                                (2) 采用數字調控,直觀簡單;
                                (3) 波形調節范圍寬,調節步進可以至 0.1 ms;
                                (4) 溫度漂移系數小,能長期穩定連續運行。
                                 在目前的應用中,普遍采用大功率開關管 IGBT對直流電源進行斬波,達到脈沖輸出的目的。數字控制器發出的方波驅動信號控制 IGBT 的通斷。改變數字控制器的信號, 可以實現對輸出脈寬及頻率的可調。
                                 數字脈沖電鍍實質上是一種通、斷直流電鍍。所不同的是數字脈沖電鍍有三個獨立的參數(脈沖平均電流密度I、導通時間及關斷時間BEDEquation.DSMT4)可調;而一般直流電鍍只有一個參數(電流或電壓)可調。因此, 采用數字脈沖電鍍就為槽外控制鍍層提供了有力的手段。大量的實踐證實, 數字脈沖電鍍是一項既能提高鍍層質量, 又能提高沉積速率的經濟效益很高的電鍍新技術。圖3為數字脈沖電源的電流波形。
                                                   
                                4 鍍層含量與脈沖頻率的關系
                                 在圖3中當電流脈沖寬度不變時,由圖4可見, 鍍層中金屬含量隨著脈沖頻率的增大而逐漸減少。
                                                   
                                在平均電流密度I不變的條件下由下式可知:
                                                    
                                 頻率越低,峰值電流越大,即在脈沖寬度的時間內,就會使靠近陰極處的金屬離子急劇減少。由于在較短的時間內,基質金屬的沉積速度較快,輸送到陰極并嵌入鍍層中的速度趕不上基質金屬的沉積速度。因此,為了提高鍍層質量和效率,可以根據不同的鍍層金屬溶液,對脈沖電源的頻率和脈寬進行適當調整, 實現對峰值電流的改變。
                                5 結束語
                                國內外電鍍工作者大量的實踐證實, 數字脈沖電鍍是一項既能提高鍍層質量, 又能提高沉積速率的電鍍新技術。智能化脈沖電源是改善電鍍工藝的較好途徑, 只要根據不同的鍍層金屬溶液要求, 設置相應的參數如脈寬、頻率、溫度等, 智能化脈沖電源就能自動完成對工件的電鍍加工。
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