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空間因素
電鍍過程有關(guān)的各種空間要素，包括鍍槽形狀、陽極形狀、掛具形狀、陰極形狀、制件在鍍槽中的分布、陰陽極間的距離等，所有這些因素對(duì)電極過程都有一定影響，如果處理不當(dāng)，有些因素還會(huì)給電鍍的質(zhì)量造成嚴(yán)重的危害。
①電解槽。
它是電鍍過程進(jìn)行的場(chǎng)所。從表面來看，電解槽的大小、形狀是決定電極及制品在槽內(nèi)的分布的先天因素，但是，在許多場(chǎng)合，電解槽的大小和形狀應(yīng)該是根據(jù)制品的大小和形狀來確定的。
目前電解槽的形狀基本上是長(zhǎng)方體為主，也就是由長(zhǎng)寬高三個(gè)尺寸來確定一個(gè)槽體。槽體一經(jīng)確定，所有參數(shù)也就是確定的了。
②電極。
它包括陽極、作為陰極的掛具，它們的形狀和大小也可以歸納為立方體，電極的幾何因素還包括陽極與陰極的相對(duì)位置，還有掛具的結(jié)構(gòu)和掛具上制品的分布。陽極特別是帶陽極籃的陽極和掛具，對(duì)于一個(gè)鍍種或產(chǎn)品相對(duì)也是確定的。
③電鍍產(chǎn)品。
它是構(gòu)成陰極的一部分，對(duì)電鍍來說，產(chǎn)品的幾何形狀是不確定的，是變動(dòng)量最大的幾何因素。對(duì)于電解冶金和電解精煉，制品也就是陰極總是與陽極一樣做成平板型。當(dāng)陰極和陽極成平行的平板狀時(shí)，可以認(rèn)為陰極上電流密度分布是接近理想狀態(tài)的，也就是各部分的電流密度相等。
空間因素影響的原理
①一次電流分布。
在金屬的電鍍過程中，金屬析出的量與所通的電流的大小是成正比的，同時(shí)還受電流效率的影響。根據(jù)歐姆定律，影響陰極表面電流大小的因素，在電壓一定時(shí)，主要是電阻。
而電解質(zhì)溶液導(dǎo)電也符合歐姆定律，由于電鍍過程涉及金屬和電解質(zhì)溶液兩類導(dǎo)體，電流在進(jìn)入電解質(zhì)溶液前的路徑是相等的，并且與電解質(zhì)溶液的電阻比起來，同一電路中的金屬導(dǎo)線上的電阻可以忽略，這樣，當(dāng)電流通過電解質(zhì)溶液到達(dá)陰極表面時(shí)，影響電流大小因素就是電解質(zhì)溶液的電阻。
由于陰極形狀和制品的位置的不同，這種電阻的大小肯定是不同的，這就決定了一有電流通過陰極，其不同部位的電流值是不一樣的。人們將電流通過電解槽在陰極上形成的電流分布稱為一次電流分布。并且可以用陰極上距陽極遠(yuǎn)近不同的任意兩點(diǎn)的比，來描述這種分布：
式中K1一次電流分布狀態(tài)數(shù);
I近、I遠(yuǎn)—距陽極近端和遠(yuǎn)端的電流強(qiáng)度;
R近、R遠(yuǎn)—從陽極到陰極近端和遠(yuǎn)端的電解液的電阻。
由這個(gè)一次電流分布的公式可以得知，當(dāng)陽極與陰極的所有部位完全距離相等時(shí)，I近、I遠(yuǎn),R近、R遠(yuǎn)K1=1這是理想狀態(tài)，在實(shí)際上是不存在這種狀態(tài)的。
當(dāng)在陽極和陰極同時(shí)是平整的平板電極時(shí)，接近這種狀態(tài)。而除了電解冶金可以接近這種理想狀態(tài)之外，其他電鍍過程都不可能達(dá)到這種狀態(tài)，而是必須采用其他方法來改善一次電流分布。
②二次電流分布。
由于電鍍過程最終是在陰極表面雙電層內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，而實(shí)際上，這個(gè)過程又存在電極極化的現(xiàn)象，這就使一次電流分布中的電阻要加上電極極化的電阻：
式中R遠(yuǎn)極化、R近極化分別表示陰極表面遠(yuǎn)陰極端和近陰極端的極化電阻。
二次電流分布受極化的影響很大，而極化則受反應(yīng)電流密度的影響。一般電流密度上升，極化增大。電流密度則與參加反應(yīng)的區(qū)域的面積有關(guān)，這一點(diǎn)非常重要。
人們可以通過加入添加劑等手段來改變近端的電極極化或縮小高電流區(qū)的有效面積，這都會(huì)使近端的電阻增加，從而平衡了與遠(yuǎn)端電阻的差距，使表面的電流分布趨向均勻。
但是，當(dāng)幾何因素的影響太大時(shí)，也就是遠(yuǎn)、近陰極上的電流分布差值太大時(shí)，二次電流分布的調(diào)節(jié)作用就沒有多大效果了。
這就是深孔、凹槽等部位難以鍍上鍍層或即使鍍上鍍層也與近端或高電流區(qū)的鍍層相差很大的原因。因此，盡量減少一次電流分布的不均勻性，是獲得均勻的金屬沉積層的關(guān)鍵。
③陰極上金屬分布與分散能力。
通過對(duì)一次電流分布和二次電流分布的分析，可以得知陰極上的金屬電鍍的厚度受電流分布的影響，或者說，在電流效率一定時(shí)，陰極上金屬鍍層的厚度與所通過的電流強(qiáng)度成正比。
電流效率在這里也是一個(gè)重要的概念，因?yàn)殡姌O過程發(fā)生時(shí)，不是所有的電流都用在了沉積金屬上，設(shè)想一下，如果在近端或者說高電流區(qū)，可以讓一部分電流不用來沉積金屬，而是進(jìn)行其他離子的還原，這樣，鍍層的厚度就得到了一定控制，從而與遠(yuǎn)端或低電流區(qū)的鍍層厚度趨于平衡，這與二次電流分布有相似的作用。
同樣，這種作用也是在一定范圍內(nèi)才有效的，當(dāng)幾何因素成為決定性因素時(shí)，這些調(diào)節(jié)就有限了。但是，這種調(diào)節(jié)能力還是體現(xiàn)了不同電解液沉積金屬均勻性特征，成為衡量鍍液分散能力的指標(biāo)。
分散能力(TP)與電流分布的關(guān)系可以用下式表示：
由于電極過程中實(shí)測(cè)Kl和K2需要很專業(yè)的儀器和人力資源，在實(shí)際電鍍過程中，對(duì)鍍液分散能力的測(cè)量采用的是與這一公式的原理相同而測(cè)試的項(xiàng)目不同的遠(yuǎn)近陰極法，也就是將不易測(cè)量的電阻值，特別是極化的電阻避開，而采用測(cè)量遠(yuǎn)近陰極上金屬沉積物的重量和遠(yuǎn)近陰極的距離這樣兩組很容易測(cè)量的參數(shù)，得出了電鍍過程的分散能力公式：
空間因素的影響及消除的方法
①槽體體積和形狀的影響。
電解槽槽體的形狀和空間結(jié)構(gòu)直接影響陽極和陰極的配置。對(duì)于既定的電解槽，由于尺寸已經(jīng)確定，這時(shí)只能因地制宜地配置陽極和陰極，盡量避免鍍槽幾何因素的不利影響。
如果鍍槽不符合下邊所介紹的尺寸配置，則在電鍍過程中會(huì)出現(xiàn)高電流區(qū)燒焦，低電流區(qū)鍍層達(dá)不到厚度要求，甚至鍍不上的情況。
但是最好的方法是根據(jù)所要加工的產(chǎn)品的大小和形狀來設(shè)計(jì)電解槽，這樣才可以將鍍槽的幾何因素的影響減到最小。
為了使問題簡(jiǎn)明化，這里的討論都是以手動(dòng)單槽操作為例。多槽和自動(dòng)線所要遵循的原則是一樣的，可以以此類推。
首先要確定的是電解槽采用單排陰極還是雙排陰極，這將確定鍍槽的寬度。對(duì)于單排陰極，是將產(chǎn)品掛在鍍槽中間的陰極杠上，兩邊配置陽極。如果是雙排陰極，則要在槽中布置三排陽極，這就要求槽體有足夠的寬度。
一個(gè)基本的原則是要保證兩極間的距離在250mm以上，對(duì)于槽寬來說，還要加上陽極和陰極本身的厚度和陽極朝槽壁要留有的50～100mm的空間，這樣算下來，一個(gè)單排陰極鍍槽的寬度至少在800mm左右。
再說長(zhǎng)度，長(zhǎng)度要依據(jù)陰極掛具的寬度和一槽內(nèi)打算掛幾掛來確定。無論是掛多少，在鍍槽兩邊陰極的外端點(diǎn)要距槽端板100～150mm，兩掛之間的距離應(yīng)該保持在100mm。如果一個(gè)單一掛具的寬度是500mm，每槽掛兩掛，這時(shí)鍍槽的長(zhǎng)度就是1400mm。
最后是鍍槽的深度。鍍槽的深度應(yīng)該是掛具浸入電解液內(nèi)的長(zhǎng)度加上距槽底150mm以上，和掛具上部的制件距電解液面100mm以下。這時(shí)，如果掛具的長(zhǎng)度是600mm，則鍍槽的深度要至少保持在1000mm。這就是一個(gè)可以一次掛兩掛500mm×600mm的框式掛具、制品的厚度約150mm的常規(guī)鍍槽。電解液的容量約1000L。很多中小規(guī)模電鍍廠的單槽都是這種規(guī)格。
電解槽除了常用1000L的之外，還有2000L、2500L、3000L等幾種規(guī)格。有些行業(yè)和鍍種要用到更大的電解槽，如10000L，甚至于100000L。
②電極幾何形狀的影響。
這里所說的是陰極和陽極的幾何形狀的影響，而不涉及陽極的純度和物理狀態(tài)。
首先必須保證陽極的表面積是陰極的l.5～2倍。這是因?yàn)樵陔婂冞^程中，陽極的溶解電流密度與陰極的電鍍電流密度是不同的，陽極的電流密度基本上是陰極電流密度的1/2左右，也就是當(dāng)電流通過電解槽時(shí)，陽極的表面積只有比陰極大一倍，才能保證陽極處在正常的溶解狀態(tài)。
如果陽極的面積與陰極一樣大小，則陽極會(huì)因?yàn)殡娏髅芏冗^高而處于鈍化狀態(tài)。這時(shí)陽極就會(huì)不溶解而只會(huì)產(chǎn)生大量氧的析出，或是雖然仍然可以溶解，但是金屬離子是以高價(jià)態(tài)的離子進(jìn)入鍍液而對(duì)電鍍過程帶來危害。除了有些電鍍工藝要求陽極以高價(jià)態(tài)溶解，通常都要保持陽極的活化狀態(tài)，使其能正常溶解。
為了使陽極有相對(duì)穩(wěn)定的表面積，最好要采用陽極籃，這樣，在可溶性陽極籃由于溶解而表面積減少時(shí)，不溶性的陽極籃的表面積可以緩沖陽極減少對(duì)電鍍過程的影響。
如果是采用板式陽極，則要經(jīng)常檢查和補(bǔ)充，不要等陽極面積損失較大以后才補(bǔ)，否則會(huì)使陽極因電流密度升高而鈍化，分散能力會(huì)下降。電解液穩(wěn)定性也會(huì)因金屬離子的失調(diào)而下降。
陽極的懸掛要注意，應(yīng)由中間向槽兩端均勻分開，并且保持中間密度高兩邊少的原則。也就是中間掛的要多一些，兩端掛的要少一點(diǎn)，這有利于電流的分布均勻。另外，陽極的下端要比掛具的下端短100～150mm，這樣可以防止掛在下端的產(chǎn)品因電流過大而燒焦。
電鍍過程中的陰極，包括制品和掛具。由于掛具是承載制品的重要工具，并且本身也要通過電流和會(huì)在所有導(dǎo)電部位獲得鍍層，因此掛具的幾何形狀對(duì)電鍍的分布和質(zhì)量、生產(chǎn)效率等都會(huì)有所影響。
為了保持良好的導(dǎo)通狀態(tài)，掛具上必須有與產(chǎn)品連接的可靠的掛鉤。并盡量采用張力掛鉤，而避免重力掛鉤。
所謂張力掛鉤，是指產(chǎn)品與掛具的連接鉤是采用有彈性的材料制作，并至少有兩個(gè)連接點(diǎn)，以張開和收縮形式與產(chǎn)品適合裝掛的部位連接。而重力掛鉤則是將產(chǎn)品掛在剛性的單一掛鉤上，靠產(chǎn)品的重量來保持與陰極的連接。
掛具上的產(chǎn)品之間最好保持50mm距離，掛具的下端距槽底還要有150mm的距離。陽極與陰極的距離，要保持在200～250mm。
③產(chǎn)品形狀的影響。
需要進(jìn)行電鍍加工的產(chǎn)品，大多數(shù)的形狀不可能是簡(jiǎn)單的平板，而即使是平板型，表面的一次電流分布也只是接近理想狀態(tài)，實(shí)際上由于“邊緣效應(yīng)”，四周的電流還是比中間要大一些，更不要說那些有深孔、凹槽或起伏較大的異形產(chǎn)品。這些外形過于復(fù)雜的產(chǎn)品，在進(jìn)行電鍍加工時(shí)，突起的部位會(huì)因電流過大而燒焦，而低凹部位則又因電流小而鍍得很薄或根本鍍不上。對(duì)于這種有復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，就是用分散能力再好的鍍液，也不可能鍍出合格的產(chǎn)品，這時(shí)就要采取一些防止幾何因素影響的措施：
A.輔助陽極。
對(duì)于凹槽或深孔的制品，如果對(duì)這些部位的鍍層厚度有比較嚴(yán)格的要求，而用常規(guī)電鍍法又無法達(dá)到質(zhì)量要求時(shí)，就要采用輔助陽極的方法。
輔助陽極是在掛具上對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的凹槽、深孔部位，專門設(shè)置一個(gè)與陰極絕緣而另有導(dǎo)線與陽極相連接的小型不溶性陽極。用來彌補(bǔ)這些部位因距陽極太遠(yuǎn)而電阻過大導(dǎo)致的電流偏低，通過輔助陽極的這種趨近作用，使這些部位的鍍層能夠達(dá)到需要的厚度。
這種陽極一般是安置在產(chǎn)品掛具上，與掛具保持絕緣，有專門的導(dǎo)線與陽極相連，但是也有采用獨(dú)立輔助陽極的方式。這時(shí)的輔助陽極也有采用可溶性陽極的。這樣可以保證這些平時(shí)難以鍍上鍍層或鍍得的鍍層的厚度達(dá)不到要求時(shí)，獲得合格的鍍層。
B.仿形陽極。
對(duì)于形狀特殊的產(chǎn)品，為了能獲得均勻的電鍍層，需要制作仿形陽極。所謂仿形陽極，就是讓陽極的形狀與制品的外形形成陰模狀態(tài)的造型。這樣可以保證陽極各點(diǎn)與制品的外形距離基本是一致的，從而在電鍍過程中獲得均勻的鍍層，這是保證一次電流分布處在相對(duì)均勻狀態(tài)的較好辦法，但是不適合被電鍍制件形狀經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合。
仿形陽極的作用與輔助陽極是一樣的，但它是更直接地通過讓陽極的起伏與陰極基本對(duì)應(yīng)的方法，使陰極表面的一次電流分布趨向均勻。適合于比較定型而又批量較大的產(chǎn)品的加工。這種仿形陽極不需要單獨(dú)設(shè)置，而是在電解槽中代替常規(guī)的平板陽極，操作上比輔助陽極方便。
C.屏蔽陰極。
有些制品沒有明顯的凹槽部位，但有較大的突起或尖端，這時(shí)為了防止突起或尖端在電鍍過程中燒焦，要在這些突起或尖端部位設(shè)置屏障物來屏蔽過大的電流。這種用來屏蔽陰極過大電流的屏障物，就是屏蔽陰極。這種屏蔽陰極又分為兩種，一種是參加電極反應(yīng)的受電式屏蔽，這種方式是讓高電流區(qū)的電流分流，減少高電區(qū)不正常沉積;另一種是電中性的屏蔽，采用塑料類材料制成，增加高電流區(qū)的電阻，使突起部位的電流強(qiáng)度有所下降。
文章來源：中國電鍍網(wǎng)公眾號(hào)
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