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荣强杯—涂层技术论文大赛丨弹性丙烯酸乳液改性水性沥青防水防锈涂料的研制与性能【陈中华 张耀宗 彭亮】

   2020-06-28 1480
核心提示:电镀镍过程智能控制方法的探讨王思醇,岑廷刺,罗毅,田军,宋泽洪(贵州振华群英电器有限公司)作者简介:王思醇,副高职称,从
 
 

 

电镀镍过程智能控制方法的探讨

王思醇,岑廷刺,罗毅,田军,宋泽洪(贵州振华群英电器有限公司)

 

作者简介:王思醇,副高职称,从事表面处理研究。

 

文章全文

随着我国工业化进程的不断加快,所有制造业的产品质量要求不断提升,大型装备和关键设备所用的元件和部件的质量要求也不断提高。

 

部分异形部件或特殊零件的表面处理直接影响装备质量,如深孔零件要求镀层厚度一致,内应力不能有突变。

 

大型装备上的部件大多数由多种材料组合而成,常常有陶瓷、铁镍合金、铜和铜合金、银合金、焊料等,也有类似于深孔螺纹的铜合金与铁合金铆接组成的部件。

 

对于大型装备或关键设备上的部件产品,铆接、焊接处镀层的质量要求非常严格,除要求孔隙率低、结合力高之外,厚度也要求高度一致。

 

不然,设备在恶劣环境下长时间使用,其部件的不同金属焊接处或连接处就会发生原电池腐蚀,大大降低部件的生命周期,导致大型装备或关键设备质量下降,甚至造成重大损失。

 

目前,异形、多金属基体的部件多数采用电镀镍工艺,常常存在的问题是镀层厚度均匀性差,且内应力不稳定,变化大。

 

镀层厚度均匀性差会影响产品装配质量,而镀层内应力状态不良会影响产品的使用性能。在长期试验中发现,电镀液的成分、pH和电流密度的变化对镀层质量的稳定性有很大影响。

 

实践证明,大批量电镀生产过程中各工艺参数的变化会直接导致镀镍层厚度和内应力发生变化。因此,为了保证各工艺参数变化在匹配范围内或最佳范围内,笔者进行了镀镍过程智能控制的探索。

 

首先根据产品失效反馈,对镀层质量存在的问题进行梳理,确定影响镀镍层厚度和内应力的主要因素。然后由此入手,确定温度、pH等可控制要素的最佳范围,找出控制要素与镀镍层质量指标之间的关系。

 

最后通过自动控制设备对工艺条件进行约束,建立相应的输入−输出关系,从而实现镀镍过程的智能控制,达到稳定镀层质量的目的。

 

1 方法

1. 1 分析镀镍过程中影响镀层质量的要因

1. 1. 1 影响镀层厚度(δ)的要因

根据法拉第定律,单位表面积镀层的厚度取决于电镀零件通过的电流及其持续的时间。除此之外,镀层的厚度还与电流效率有关。

 

在实际应用中,不同镀镍体系的电流效率不同。镀层厚度的均匀性则取决于电解液的分散能力、零件的形状、电镀的方式、浓差极化的程度等因素。根据电化学理论,电流通过镀液是以金属离子移动导电,形似以电力线的形式存在。

 

电力线会在零件的边缘或凸出部位高度集中,形成边缘效应或尖端效应,使得零件边缘和尖端位置的镀层较厚。有深孔或螺纹的部件常常因边缘效应和尖端效应而影响装配质量。

 

1. 1. 2 影响镀层内应力(S)的要因

根据电化学理论,金属离子在阴极上电结晶(金属离子还原成金属原子)的过程均伴随着副反应(如析氢)的发生。部分氢原子或配位剂杂质等会与金属原子一同电结晶于镀层,形成内应力。

 

电结晶的过程与一般结晶不同,无需晶核为先决条件,因此电结晶过程有生成速率和成长速率之分,前者指金属离子还原成金属原子的速率,而后者指金属原子形成晶核结晶的速率。

 

当生成速率大于成长速率,原子间相互挤压,就会形成镀层内应力。晶核生长过程存在的缺陷同样会产生镀层内应力。

 

对于电镀过程,产生镀层内应力的要因有阳极的溶解速率或阳极钝化,阴极极化电位或过电位,阴、阳极电流密度,电解液的金属离子浓度、温度和pH,以及镀层厚度(一般镀层越厚,内应力越大)等。

 

实验表明,阴、阳极的极化电位以及阳极的溶解或钝化,与通过阴阳极的电流密度、电解液的组成、工艺装置、工艺条件等有关。

 

因此,要确保镀层内应力稳定,就必须严格控制电镀过程的工艺参数。

 

1. 2 梳理控制镀层质量的措施

影响镀层厚度和内应力的要素主要是电流密度、电解液的成分(主要是金属离子浓度)、pH和温度,搅拌,以及电镀时间。

 

1. 2. 1 电流密度(j)的控制

使用输出电流波动<0.05 A、波纹系数<1%的高频开关电源。电流密度控制在1.5 ~ 2.0 A/dm2之内。

 

1. 2. 2 电解液成分、pH和温度的控制

使用主副槽设计,主槽的Ni2+质量浓度、pH和温度可在线显示及报警,副槽进行pH的自动检测和调节,电解液的pH控制在4.0~ 4.2的范围内;副槽的Ni2+在线检测、调节,被控制在72 ~ 76 g/L的范围内,而氯离子(Cl−)每2 h分析一次,被控制在11.5~ 14.0 g/L的范围内;使用保温槽体实现温度控制,主、副槽均自动进行温度补偿,控制范围为(50 ± 1) °C。

 

1. 2. 3 搅拌的控制

使用循环过滤机和净化空气搅拌以降低浓差极化,主槽溶液经过滤机过滤后进入副槽,然后由副槽打回主槽。过滤机输入口位于主槽底部两侧。

 

1. 2. 4 电镀时间(t)的控制

结合开关电源输出电流,设定镀层厚度,根据表面积来按电量(A·h)报警控制。

 

1. 3 通过实验或从生产记录中获得控制曲线

1. 3. 1 Ni2+质量浓度(ρ)与电流效率(η)的关系

电流效率与阴极极化电位有关。按Tafel公式,阴极的极化电位(过电位)与电流密度成正比。

 

于是在电流密度恒定的情况下,忽略阴极极化电位的变化,在允许的Ni2+质量浓度范围内考察电流效率的变化。

 

在(22 ± 2) °C、相对湿度<65%的环境下,采用万分之一天平称量工件镀镍前后的质量,得镀层质量m(单位:g),按式(1)计算电流效率,其中k是镍的电化学当量[0.018 25 g/(A·min)]。

 

试验条件:电解液温度(50 ±1) °C,pH 4.0 ~ 4.2,电流密度(1.7 ±0.05) A/dm2,时间(35 ±0.05) min(到了设定的时间后自动断电),纯铁样件

。Ni2+质量浓度镀前镀后在线分析,要求偏差<3%。取3次以上试验结果的平均值作为数据绘制了图1。

1. 3. 2 Ni2+质量浓度与镀层厚度的关系

镀层厚度与电流密度及电镀时间相关。然而即使电流密度和电镀时间均相同,在Ni2+质量浓度不同的情况下,由于电流效率存在差异,因此镀层厚度也存在差异。

 

在与1.3.1节相同的条件下,考察了不同Ni2+质量浓度下所得镀层的厚度。采用X射线测厚仪测量镀层厚度,结果为3次以上测量的平均值。

 

从图2可见,Ni2+质量浓度与镀层厚度之间近似成正比。

 

1. 3. 3 Ni2+质量浓度与电镀时间的关系

从镀层厚度与Ni2+质量浓度之间的关系可以推断,Ni2+质量浓度与电镀时间应成反比。

 

在其他条件与1.3.1节相同的情况下,选出厚度为(12 ± 0.03) μm的试样,然后查它们的施镀时间和当时的镍离子浓度,结果如图3所示。

 

1. 3. 4 Ni2+质量浓度与镀层内应力的关系

在与1.3.1节相同的条件下,考察了Ni2+质量浓度与镀层内应力的关系。因内应力测量要求镀层厚度大于40 μm,因此选择δ = 54 ~ 65 μm。

 

在设计要求的厚度范围内内应力的变化趋势与在测试范围内得到的趋势是相似的。

 

采用弯曲阴极法,按式(2)计算镀层内应力。样件为300 mm ×12 mm的软黄铜带(厚度d = 0.07 mm,弹性模量E = 1.1 ×106 MPa),弯曲半径r用QVSJT4030-CNC多功能投影测量仪测量。结果见图4。

 

1. 3. 5 电流密度与内应力的关系

通常,阴极电流密度越大,阴极过电位就越大,电结晶速率随之越快。电结晶速率决定了镀层内应力的变化,因此电流密度与镀层内应力相关。

 

采用1.3.4节所述方法,考察了不同电流密度与内应力的关系,Ni2+质量浓度范围为72 ~ 74 g/L,镀层厚度在50 ~ 55 μm之间。

 

1. 3. 6 温度与镀层内应力的关系

通常温度升高,溶液中的离子或分子运动速率加快。按照电化学反应原理,在一定条件下,温度升高,电结晶速率加快,镀层内应力就会发生变化。

 

在与1.3.5节相同的条件下,考察了镀液温度与内应力的关系,镀层厚度在53 ~ 60 μm之间。如图6所示,电解液温度会影响镀层的内应力。

 

这是因为阴极上的析氢反应或电结晶缺陷会随电解液温度的变化而变化。温度低时,金属离子迁移速率相对慢,阴极析氢的概率增大,镀层内应力大;温度高时,金属离子迁移速率相对快,金属离子在阴极表面还原成原子的速率快,然而金属原子在阴极表面形成结晶核的速率也发生着变化,当晶核生成速率与沉积速率不匹配时就会出现电结晶缺陷。原工艺要求温度为(50 ± 1) °C,但显然52 ~ 55 °C更适宜,因为此时镀层内应力最小。

 

 

1. 3. 7 pH与镀层内应力的关系

pH直接影响阴极反应,pH < 3或pH > 5时无法形成结合牢靠的镀层,所测到的内应力均不准确。

 

采用1.3.4节所述的方法考察了pH与镀层内应力的关系,试验温度为(53 ± 1) °C,镀层厚度在44 ~ 53 μm之间。结果如图7所示。

 

1. 3. 8 镀层厚度与镀层内应力的关系

镀层越厚,伴随电结晶过程的副反应(如吸附氢、结晶缺陷、杂质挤入等)可能越多,镀层内应力随之发生变化。

 

采用与1.3.4节相同的方法考察了镀层厚度与内应力的关系,试验温度为(53 ± 1) °C,Ni2+质量浓度为73 ~ 75 g/L,镀层厚度为8 ~ 12 μm。

 

由图8可知,在厚度设计要求范围内,镀层内应力变化不明显,趋势是镀层越厚,内应力越大。

虽然以上各组试验的数据与文献报道存在差异,但总的变化趋势是肯定的。

 

2 智能控制的输入与输出

根据上述试验数据,考虑到工艺装置完全可以将镀镍过程的温度和pH控制在恒定范围,因此它们对镀层质量的影响可以忽略。

 

因此,影响镀层厚度均匀性和镀层内应力的关键是Ni2+质量浓度、电流密度和电镀时间。

 

整理试验数据后发现,在工艺参数匹配的最佳控制范围,确保镀层厚度为8 ~ 12 μm,镀层内应力小于70 MPa时,Ni2+质量浓度( ρ = 72 ~ 76 g/L)、电流密度( j = 1.5 ~ 2.0 A/dm2)与电镀时间(t)存在如式(3)和式(4)所示的数学关系。

 

在智能控制中,当输入Ni2+质量浓度(单位:g/L)就可以根据式(4)求出电源需要输出的电流密度(单位:A/dm2),然后根据式(3)推算出需要电镀的时间(单位:min),电源自动调节电镀时间便可保证镀层质量。

由于电流密度需在工艺要求范围内,其与时间的关系较准确,偏差小于5%。但电镀过程中Ni2+质量浓度会逐渐减小,在恒定的电流密度下,镀层内应力就会增大。

 

智能控制需要在Ni2+质量浓度变化后,自动调节电流密度,以保证镀层内应力在可接受的范围内。

 

而电流密度变化后要保证镀层的厚度,电镀时间便要随之改变。实际生产中,不同Ni2+质量浓度下对应的电流密度和电镀时间,以及所得镀层的厚度与内应力测量结果列于表1(试验条件同1.3.4节)。可见镀层质量均符合要求。

 

3 镀层质量评估

3. 1 镀层内应力

高温焊料热熔焊接[(320 ± 2) °C,10 s]后用45倍显微镜检查焊料周围的镀层,未发现气泡。

 

3. 2 镀层厚度

半年来的检验记录显示,镀层厚度在(9.13 ~ 11.62) μm的范围内,符合(8 ~ 12) μm的设计要求。智能控制几个月下来,以往经常反馈的焊接气泡、焊接脱落、孔口尺寸大而影响装配等问题得到了杜绝。

 

4 结语

经生产验证,该智能控制方法是有效、可行的。但不同的工艺方法和镀层质量要求,对智能控制的设置或电源设计不同。

致谢

感谢广州市浦立电气有限公司提供了高精度电源,以及在实验过程中提供控制参数调节等方面的技术支持。感谢河北林安环保电镀设备厂对pH检测控制装置的技术帮助。

 

 
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