Намеренное избыточное нанесение покрытия

Технология нанесения покрытий развивалась медленнее, чем другие производственные процессы. В то время как в этой технологии происходили некоторые сдвиги в вопросах автоматизации, большинство производственных процессов уже работали с полностью автоматизированным управлением или развивались в этом направлении.

В попытках достигнуть приемлемых результатов в процессах металлизации делался особый упор на управление технологическими параметрами. Покрытчики повсеместно применяли узкий диапазон значений температуры раствора и концентрации (а также соблюдали требования к низкому уровню загрязнений). Кроме того, существовала необходимость в более точном регулирование электрического тока. Несмотря на эти усилия, в процессе все еще существует множество переменных, которые затрудняют получение согласованных результатов в узком диапазоне значений толщины покрытия и/или кроющей способности.

 

При одновременном покрытии нескольких деталей они электрически соединяются параллельно. Теоретически детали находятся в одинаковых электрических условиях. Однако на практике наблюдается разница в сопротивлении между деталями и подвесками и/или анодами и шинами в ванне. В схеме параллельного соединения напряжение общее, а электрический ток зависит от напряжений в каждой точке контакта и покрываемой детали. Любая разность потенциалов дает разные значения электрического тока на деталях и/или на анодах (это легко проверить, используя токоизмерительные клещи). Хотя выпрямитель подводит требуемый ток, толщина покрытия по-прежнему может отличаться на разных деталях.

 

Самый простой способ решить проблему с отклонением по толщине - это намеренно нанести чрезмерное покрытие. При этом наименее покрытая деталь в партии по-прежнему будет иметь минимальную заданную толщину покрытия, и соответствовать стандартам качества. Недостаток заключается в том, что многие детали будут иметь толщину покрытия больше, чем требуется. Несмотря на эффективность, чрезмерное покрытие нерационально, требует дополнительных затрат и сопряжено с дополнительными отходами. Применяя этот метод, покрытчики тратят больше энергии, времени и химических веществ, чем оплачивает заказчик, не говоря уже о том, что детали, подлежащие шлифовке после таких процессов, как твердое хромирование, требуют более длительного шлифования для удаления нежелательного излишнего покрытия.

 

Нанесение покрытий - это многогранный процесс с множеством факторов, которые следует учитывать. Два существенных фактора, которые, как известно, оказывают влияние на результаты металлизации, - это пульсация на выходе и точность измерений тока.

 

Низкая пульсация в узком диапазоне

 

Скорость осаждения покрытия зависит не только от плотности тока, но и от пульсации на выходе. Кремниевый управляемый выпрямитель с установленным фильтром пульсаций в лучшем случае обеспечивает пульсацию 5% при максимальном выходном напряжении. Выпрямители имеют свою пульсацию на выходе, на которую влияют выходные параметры - чем ниже выходное напряжение, тем выше пульсация. Это обстоятельство усугубляется, когда номинальное напряжение выпрямителя значительно выше, чем требуется для соответствующего процесса нанесения покрытия. Пульсация также будет увеличиваться по мере увеличения тока.

 

Усилия, направленные на контроль других переменных (поддержание температуры электролита и концентрации химических реагентов в узких пределах, инвестиции в компьютерное управление для поддержания постоянной плотности тока в различных процессах и др.), будут бесполезны, если покрытчик не считает, что незначительное изменение напряжения для поддержания постоянного тока может повысить пульсацию на выходе и привести к отклонениям толщины покрытия вне зависимости от контроля других параметров.

 

Высококачественные переключаемые выпрямители могут обеспечить пульсацию ниже 1% во всем диапазоне выходных напряжений.

 

Точный контроль и точные показания выходного напряжения и тока

 

В устаревших выпрямителях обычно используются огромные шунты для получения показаний электрического тока. Шунты - это резисторы, изготовленные из специального материала для поддержания постоянных электрических свойств независимо от температуры. Резисторы нагреваются при протекании через них электрического тока, что приводит к потерям в цепи.

 

Некоторые высококачественные переключаемые выпрямители подают постоянный ток, распределенный по модулям, а также достаточно точно работают с током, измеренным датчиками на эффекте Холла (без шунтирующих резисторов). Таким образом, достигается регулирование тока в пределах 1% от номинальных выходных значений.

 

Распределенная модульная архитектура

 

Высококачественные переключаемые модульные выпрямители обладают еще одной функцией, которую можно использовать для достижения равномерной толщины покрытия.

 

Каждую стойку с деталями (или одну деталь) можно по отдельности подключить к отрицательному полюсу на выходе модуля питания (или блока модулей питания), при этом общая положительная шина подключена ко всем анодам в ванне. Каждый выход будет компенсировать напряжение на каждой детали, чтобы обеспечить равный электрический ток. Равный электрический заряд (А-ч) обеспечит равномерную толщину покрытия на одновременно покрываемых деталях.

 

Подобным образом, каждый анод по отдельности можно подключить к положительному полюсу на выходе модуля питания (или блока модулей питания), при этом общая отрицательная шина подключена к детали в ванне. В этой ситуации каждый выход будет компенсировать напряжение на каждом аноде, чтобы обеспечить равный электрический ток и, соответственно, равный электрический заряд (А-ч), что позволит получить равномерную толщину покрытия на детали, покрываемой одновременно с нескольких анодов, например, твердое хромовое покрытие на валках и цилиндрах.

 

Высококачественные переключаемые модульные выпрямители позволяют существенно сократить избыточное нанесение покрытия (будь то преднамеренное или побочное действие). Это обеспечивает потенциальное сокращение (1) продолжительности нанесения покрытия, что позволяет покрывать больше партий в сутки, и (2) экономию энергии и материалов (аноды и химические реагенты).

 

Ниже приведен пример типичного процесса нанесения твердого хромового покрытия, где восемь деталей параллельно подключены к одному выпрямителю с тиристорным управлением:

 

 

В этом случае деталь, получающая наименьший ток (353 А), служит индикатором того, что работа выполнена в соответствии с установленными техническими требованиями. Если цель состоит в том, чтобы нанести покрытие толщиной 1,5 мил (38 микрон), средняя толщина покрытия для всех деталей будет на 15% больше заданной. Если выпрямитель с тиристорным управлением был заменен на высококачественный переключаемый выпрямитель с распределением, эта разница сопротивлений каждой детали больше не будет вызывать перепады электрического тока, как показано выше, а выразится в изменении напряжения для достижения одинакового электрического тока для всех деталей. В этом случае модульный выпрямитель сэкономит 15% энергии, материалов и времени.

 

 

Фелипе Атти - ведущий инженер-технолог в компании KraftPowercon, Inc. Прежде чем присоединиться к команде KraftPowercon, он занимался твердым хромированием с момента прохождения практики в области электроники в 1991 году. Получил степень бакалавра в области машиностроения в Университете Кашиас-ду-Сул, Бразилия, и степень магистра делового администрирования в Фонде Жетулиу Варгаса, Бразилия.

 

Компания KraftPowercon - мировой лидер в области промышленного преобразования энергии с 1935 года, а также разрабатывает и производит выпрямители для гальваники с 1950-х годов.

 

Среди значительных достижений компании KraftPowercon числится первый в мире переключаемый выпрямитель, разработанный специально для отделки металлов в 1983 году. 35 лет спустя эта технология стала отраслевым стандартом.