电镀电源对电镀工艺过程的影响
2017-12-14
电镀属于电解加工过程。不言而喻，电源的性能、类型、特征等因素必将对电镀工艺过程产生重要影响。特别是在现代电镀技术飞速发展的今天，电镀电源更具有重要地位。因此，了解电镀电源对电镀工艺过程的影响很有必要。本文就电镀电源和低纹波系数整流电源在电镀行业中的应用所取得的一些经验和教训加以介绍，以期让电镀界同仁在选择整流电源、解决电镀故障、提高电镀质量方面引起足够重视。
1•整流器的基本原理及类型
1.1传统硅整流器
硅整流器使用历史长，技术成熟，目前是整流器主流产品。
1.1.1整流电路。工业生产中一般采用三相调压器调压，50Hz三相工频变压器降压的普通硅整流器。各种整流电路获得的均是脉动直流电，不是纯直流，或多或少地含有交流成分。为了比较脉动成份的多少，可用纹波系数来表示，其含义为交流成份在直流成分中占的百分比，其数值越小，交流成份越少，越接近纯直流。
各种整流电路的波动系数不同。其由大到小的次序为：三相半波整流、三相全波桥式整流或带平衡电抗器的六相双反星形整流。其中后者工作时整流元件并联导通，波形最为平滑，整流效率较高，工作也较为可靠，时最为常用的一种。
为了获得低纹波输出，则必须采用滤波或其它特殊措施。利用电容、电感贮能元件进行滤波，是将脉动直流转变为较为平滑的直流的常用措施。但实际生产中，除试验用的小型整流器之外，工业生产基本上不进行滤波。特殊情况可使用大电感。电容在低电压、大电流情况下不适用于滤波。电容滤波，对工频整流只适合于非常小功率的整流电源。例如输出10A的单相全波整流器，要达到低纹波输出，其滤波电容要达0.1F以上。随着频率的提高，所需电容量减小。
可控硅利用改变可控硅管导通角来调整输出平均直流大小的普通可控硅整流器，可控硅管输出的是间断脉冲波，其纹波系数的受导通角控制，输出纹波系数大于普通硅整流电路。特别是在使用电流低于额定电流较大的情况下，输出波形脉动系数更大。
1.1.2.整流元件类型
整流元件即通常所说的二极管。由于整流器所有的输出电流都要经过整流元件，因此，可以说是整流器的心脏。整流元件分为硅整流元件和可控硅整流元件二种。镀铬整流器主要使用硅整流元件。虽然可控硅技术已有了长足的发展，且在电镀上应用也日趋增多，但笔者还是推荐使用硅整流器。其原因主要是波形问题。可控硅整流是采用控制整流元件导通时间与截止时间长短来控制电流的。整流器满负荷使用时波形好。但输出电流较小时电流波形变差。电流越小，波形越差。而硅整流器输出电流大小对波形几乎无影响。
1.2开关电源
目前一种新型电镀电源设备-开关电源正在发展之中。它兼有硅整流器的波形平滑性优点及可控硅整流器的调压方便的优点，电流效率最高(可达90%以上)，体积最小，是大有前途的整流器。目前制造技术已解决了功率问题，数千安培至上万安培的大功率开关电源已进入生产实用阶段。目前市售的开关电源电路属于“硬开关”，由于模块在电流通断过程的储能释放问题，虽然较硅整流器、可控硅整流器电流效率都高，但仍有较大的“开关”损耗，并造成了对电子模块的冲击，使用过程设备故障率也较高。
最为先进的开关电源是“软开关”电源电路。工作过程电子模块通断换向点正好处于电流为零的瞬间，因此无“开关”损耗及能量冲击，今一步提高了整流效率，将低了故障率。但这类开关电源的技术难度较大，成本也较“硬开关”高，国内生产“软开关”电镀电源的为数不多。可喜的是我市开关电源的生产技术已步入国内的前列。青岛艾特电子技术有限公司最新研发的XBD系列谐振变频电镀电源，采用西安交大的谐振软开关核心技术，生产的电镀电源产品具有更高的电流效率及可靠性。该产品目前已批量生产，投入销售。从而为广大电镀用户提供了更大的开关电源选择余地。
开关电源其频率已达音频，通过滤波实现低纹波输出更为简便易行。而且稳流、稳压等功能更易实现。因此，开关电源，特别是使用“软开关”电源电路的开关电源是今后发展的方向。
1.3脉冲电源设备
随着电力电子科学技术的发展，电镀整流器正在由单一功能向多功能发展。由于脉冲电源主要是由嵌入式单片计算机等进行控制，因此，除实现脉冲输出之外，一般具备多种控制功能。
1.3.1.自动稳流稳压。传统硅整流器电流或电压无法自动稳定，随电网电压的波动而波动。而脉冲电源则拥有高精度的自动调节功能。如电网三相电压波动达上百伏时，脉冲电源输出电压可以几乎不变。脉冲电源的自动调节功能一般具有二种模式：
第一，恒电流限压模式。当电镀工艺参数，如零件面积、温度、浓度、酸碱度等工艺条件发生改变时，常规整流器电流会发生波动。而恒电流模式下，输出电流自动恒定在设定值不发生改变。这对需精确计算硬铬厚度情况下是很有用的。采用恒流模式时的限压功能目的是保护设备不被烧坏。
第二，恒电压限流模式。当电镀工艺参数发生改变时，输出电压自动恒定在设定值不发生改变。这种模式硬铬电镀不常使用，但对于铝氧化着色则大有作用。
1.3.2多段式运行模式。铝阳极氧化或硬铬电镀时，往往需要进行反向电解、大电流冲击、阶梯送电等操作。传统电源只能靠手工实现。而具有多段式运行模式的脉冲电源则只需提前设定，生产时可自动按顺序进行自动调节。这一功能对硬铬电镀是非常有用的。目前国产脉冲电源已达到三段式运行，每一段时间可在0～255秒内调节设定。
1.3.3双向脉冲功能。正负脉冲频率、占空比、正反向输出时间均可独立调节，使用灵活、方便。配合硬铬电镀工艺，可获得不同物理性能的镀层。
1.3.4直流叠加功能。输出正反向脉冲电流的同时，由同一台电源叠加输出一纯直流成分，更拓宽了脉冲电源的使用范围及用途。
近几年来，国产多功能脉冲电源技术已趋于成熟，其中脉冲波形垂直程度，波形平稳程度、稳定性、抗干扰性等指标达到甚至超过了国外水平。
直流电源波形对电镀质量有突出的影响，例如：高频率定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源电镀时会产生特殊效应，这也是普通直流电源电镀无法达到的效果，有些现象还不能用常规电化学理论来加以解释。而直流波形对电镀沉积的影响目前还难以从理论上进行预测，只能通过大量的试验来作相对比较，筛选出适宜的波形。
2•电镀电源对电镀工艺的影响
2.1镀铬
各类电镀工艺中，镀铬是受电源波形影响最大的镀种之一。镀铬必须采用低纹波直流电源，否则光亮范围窄，镀层易发花、发灰，这一点已为不少人认同，但实践中仍有因对其认识不足，往往由于纹波系数过大影响套铬质量而束手无策的事时有发生。因此，电镀电源的选择就更显重要。
对于经常使用反向电解的电镀硬铬生产，需要电源极性换向装置。简单的方法是使用手动换向开关。由于电流很大，开关通、断时会形成较大的电火花，开关很容易损坏。将触点浸入变压器油中可以延长使用寿命。可控硅整流器实现换向比较容易，由于是无触点换向，不会产生火花腐蚀。如电流变化不大时，可考虑使用可控硅极换向装置。
电源波形对镀铬的影响较大。而且往往容易被操作者忽视。如某厂小件镀装饰铬，覆盖能力非常差，反复调整镀液中硫酸与铬酐的比值，仍无效。经现场查验，采用1000A老式可控硅整流器，且平均电流仅200A左右，负荷率很低，显然输出纹波系数太大。换接一台双反星形输出的硅整流器，镀铬即转为正常。另有某厂镀铬上午生产正常，下午即出现装饰铬局部发灰，无法生产，怀疑镀液故障，反复加硫酸、碳酸钡调整一两天，均无法解决。分析原因，镀液成分不可能突变，怀疑硅整流管有损坏造成波形残缺而增大纹波。用钳形电流表测定各整流管电流，发现断路2支，更换新管后，故障消除。
镀微裂纹硬铬，输出纹波过大时，裂纹不细密且分布不均匀。
采用脉冲电镀铬，也可得到优良的镀层。研究表明，当采用工艺条件为：频率1000Hz，占空比通：断=1/5，平均电流密度40A/dm2，30度温度，获得的镀铬层耐磨性提高三倍;耐腐蚀性提高5倍。
2.2光亮酸性镀铜
一般情况下，光亮镀铜都有一个规律：从赫尔槽试片上看，阴极电流密度越大的地方，镀层光亮整平性越好;电流密度越低，光亮整平性越差。试图扩展低电流密度区光亮范围，始终是电镀工作者不断追求的目标。需要从光亮剂、工艺配方与工艺条件、设备等多方面入手。光亮酸性镀铜是迄今光亮整平性最好的镀种之一。但在实践中，采用同样的配方、工艺条件，使用相同的光亮剂，得到的光亮整平性与光亮范围，却可能出现较大差异。究其原因，与所用直流电源输出纹波系数大小有很大关系。据有关资料，二十多年前，国内在开发MN系列光亮酸性镀铜添加剂时就已证实。规律是：输出纹波系数越小，镀层光亮整平性越好，光亮电流密度范围越宽。而且，纹波越小，光亮剂的用量也会越小。遗憾的是时至今日并未引起电镀工艺技术人员的重视。
2.3半光亮和光亮镀镍
通常情况下，光亮镀镍对整流输出纹波系数要求没有镀铬和光亮酸性镀铜那样高，但也确实需要采用普通低纹波输出直流电源，才能确保光亮镀镍层质量，且能保证后续套铬的质量。如某厂使用的调压器式六相双反星形带平衡电抗器的老式硅整流器，质量一致较好。后改用12V普通可控硅整流器，大电流使用时效果还可以，但在小电流输出时就很不理想，镀层出现发花、发灰等钝化现象，使用18V普通可控硅电源，效果更差，致使后续套铬频频出现质量问题，要指出的是，套铬电源没有问题。开始时只是在镀镍液和光亮剂上找原因，做试验，一直不得其解，最后查到是否是电源引起，换用波纹系数较小的开关电源，问题一下子就解决了，效果一直很好，后续镀铬也一直不再发生类似质量问题。
研究表明，采用脉冲电源镀镍同样可提高镀层孔隙率，延展性，硬度，降低镀层内应力，并提高镀液分散能力。不加光亮剂，或只加直流电镀时1/100的光亮剂，可获得光亮镀层。金属镀层的尺寸也达到了钠米晶级。因此，在当前镍价上涨，而脉冲整流器价格下降时期，考察选用脉冲电镀还是很有必要的。
2.4硫酸盐酸性镀锡
硫酸盐光亮酸性镀锡本身就是不易镀好的镀种，其原因是大生产中易引入杂质且不好处理(包括四价锡离子)、允许温度范围窄，目前光亮剂多数不理想，可供选择的中间体远不如镀亮镍的多，因而镀层光亮范围很不易调宽。另一个不太引人重视的是，该工艺也要求采用低纹波系数直流电源，否则会出现与光亮酸性镀铜相类似的故障。不重视电镀整流电源的选择，有时会造成雪上加霜。
国外有公司对不加光亮剂的脉冲镀锡做过研究，发现采用占空比25%-30%，频率1000-10000Hz的波形，可得到亚钠米镀层晶体。这种晶体对于镀层提高耐热蚀、熔融锡浸润性等性能是非常重要的。
2.5电泳涂装。
电泳涂漆时若直流纹波系数大，也会增加涂层孔隙率，涂层与基体的结合力也下降、抗盐雾试验不易过关。因此，该工艺也要求采用低纹波系数直流电源。由于电泳涂漆的特殊性，对电流电源还有一些特殊要求。例如：
(1)整机应具有软启动功能;
(2)电源应具有定时自动关机报警的功能。这是由于槽电压已超过人体安全电压，因而在手工操作时，易产生触电事故。
2.6贵金属电镀
很早以来，脉冲电镀在贵金属方面就已获得了成功应用。目前在贵金属工业生产中仍有大量的应用。之所以成功，纠其原因，主要是贵金属电镀规模普遍偏小，脉冲电源设备已与解决。而普通重金属电镀，大功率脉冲电源设备，无论从制造方面，还是价格上，均难以推广。
2.7电镀合金及复合电镀
合金电沉积的难点：一是保持镀层中合金成份比例无明显波动，二是在宽的电流密度范围内合金成份比例一致。采用低纹波系数直流电源，有利于提高镀层质量。
同样，使用脉冲电镀也可得到高品质的镀层。铜锡、钴镍、镍钨等工艺使用脉冲电镀已进行了详尽的研究。但目前应用尚少。
2.8铝氧化。
采用脉冲氧化比普通直流氧化具有明显的优势。氧化膜层硬度，厚度，速率等方面性能显著提高。在军工等制品方面已得到较多的应用。
3•其它应注意的问题。
3.1镀液温升问题
纹波系数大的直流电源及脉冲电源往往会加快温升。从理论上分析，这是由于任何非纯直流与正弦波，都能分解为纯直流与一次、二次、三次、多次谐波。纹波系数越大，其谐波分量也越大。一般情况下，交流谐波对直流电沉积无贡献，但却能产生大量欧姆热，加快了镀液温升。可见，采用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波系数直流电源，有利于降低镀液温升。特别是氯化物镀锌和锌酸盐镀锌夏天最头痛的问题之一是镀液温升(特别是滚镀)过快，加大添加剂消耗量，恶化镀液、镀层性能。采用平滑直流有利于将低镀槽温度。
3.2整流器负荷率对文波系数的影响。
工作电流越接近整流器的额定电流，波形越平滑。特别是可控硅整流电源更为明显。选择整流器时应根据工艺要求选取额定输出电源电压接近最大需求值，避免使用中产生“大马拉小车”现象，保证整流电源输出纹波系数始终保持在较低值。
整流电源由于因整流管有损坏而造成缺相运行。对于三相电镀电源二言，虽然某一相电出现故障，但此时的整流器输出电流波形却只相当于单项，三减一不等于二，等于一。因此，为保持其良好性能，应经常进行维护、检修。最好能备有一台示波器及时查看输出直流波形。
4•结束语
必须充分重视直流电源波形对电镀质量的影响。采用低纹波电源或功能性脉冲电源能改善电镀质量。电镀生产中应注意电镀整流器的正确选用。
