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幾何因素
這里所說(shuō)的幾何因素，是指與電鍍過(guò)程有關(guān)的各種空間要素，包括鍍槽形狀、陽(yáng)極形狀、掛具形狀、陰極形狀、制件在鍍槽中的分布、陰陽(yáng)極間的距離等，所有這些因素對(duì)電極過(guò)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(guò)程進(jìn)行的場(chǎng)所。從表面來(lái)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(lái)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(lái)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極特別是帶陽(yáng)極籃的陽(yáng)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(lái)說(shuō)，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(yáng)極一樣做成平板型。當(dāng)陰極和陽(yáng)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。
幾何因素影響的原理
①一次電流分布。
在金屬的電鍍過(guò)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(guò)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(lái)，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(guò)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(guò)陰極，其不同部位的電流值是不一樣的。人們將電流通過(guò)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(yáng)極遠(yuǎn)近不同的任意兩點(diǎn)的比，來(lái)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(yáng)極近端和遠(yuǎn)端的電流強(qiáng)度;
R近、R遠(yuǎn)—從陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)程都不可能達(dá)到這種狀態(tài)，而是必須采用其他方法來(lái)改善一次電流分布。
②二次電流分布。
由于電鍍過(guò)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(guò)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(guò)加入添加劑等手段來(lái)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(méi)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(guò)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(shuō)，在電流效率一定時(shí)，陰極上金屬鍍層的厚度與所通過(guò)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(guò)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(shuō)高電流區(qū)，可以讓一部分電流不用來(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)，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(guò)程的分散能力公式：
幾何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(yáng)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(yáng)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(guò)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(lái)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(wèn)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(yáng)極。如果是雙排陰極，則要在槽中布置三排陽(yáng)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(lái)說(shuō)，還要加上陽(yáng)極和陰極本身的厚度和陽(yáng)極朝槽壁要留有的50～100mm的空間，這樣算下來(lái)，一個(gè)單排陰極鍍槽的寬度至少在800mm左右。
再說(shuō)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(lái)確定。無(wú)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(shuō)的是陰極和陽(yáng)極的幾何形狀的影響，而不涉及陽(yáng)極的純度和物理狀態(tài)。
首先必須保證陽(yáng)極的表面積是陰極的l.5～2倍。這是因?yàn)樵陔婂冞^(guò)程中，陽(yáng)極的溶解電流密度與陰極的電鍍電流密度是不同的，陽(yáng)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(guò)電解槽時(shí)，陽(yáng)極的表面積只有比陰極大一倍，才能保證陽(yáng)極處在正常的溶解狀態(tài)。
如果陽(yáng)極的面積與陰極一樣大小，則陽(yáng)極會(huì)因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)高而處于鈍化狀態(tài)。這時(shí)陽(yáng)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(guò)程帶來(lái)危害。除了有些電鍍工藝要求陽(yáng)極以高價(jià)態(tài)溶解，通常都要保持陽(yáng)極的活化狀態(tài)，使其能正常溶解。
為了使陽(yáng)極有相對(duì)穩(wěn)定的表面積，最好要采用陽(yáng)極籃，這樣，在可溶性陽(yáng)極籃由于溶解而表面積減少時(shí)，不溶性的陽(yáng)極籃的表面積可以緩沖陽(yáng)極減少對(duì)電鍍過(guò)程的影響。
如果是采用板式陽(yáng)極，則要經(jīng)常檢查和補(bǔ)充，不要等陽(yáng)極面積損失較大以后才補(bǔ)，否則會(huì)使陽(yáng)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(yáng)極的懸掛要注意，應(yīng)由中間向槽兩端均勻分開(kāi)，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(yáng)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(guò)大而燒焦
電鍍過(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)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(yáng)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(shuō)那些有深孔、凹槽或起伏較大的異形產(chǎn)品。這些外形過(guò)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(guò)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(yáng)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(wú)法達(dá)到質(zhì)量要求時(shí)，就要采用輔助陽(yáng)極的方法。
輔助陽(yáng)極是在掛具上對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的凹槽、深孔部位，專門(mén)設(shè)置一個(gè)與陰極絕緣而另有導(dǎo)線與陽(yáng)極相連接的小型不溶性陽(yáng)極。用來(lái)彌補(bǔ)這些部位因距陽(yáng)極太遠(yuǎn)而電阻過(guò)大導(dǎo)致的電流偏低，通過(guò)輔助陽(yáng)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(yáng)極一般是安置在產(chǎn)品掛具上，與掛具保持絕緣，有專門(mén)的導(dǎo)線與陽(yáng)極相連，但是也有采用獨(dú)立輔助陽(yáng)極的方式。這時(shí)的輔助陽(yáng)極也有采用可溶性陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極。所謂仿形陽(yáng)極，就是讓陽(yáng)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(yáng)極各點(diǎn)與制品的外形距離基本是一致的，從而在電鍍過(guò)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(yáng)極的作用與輔助陽(yáng)極是一樣的，但它是更直接地通過(guò)讓陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極，操作上比輔助陽(yáng)極方便。
C.屏蔽陰極。
有些制品沒(méi)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(guò)程中燒焦，要在這些突起或尖端部位設(shè)置屏障物來(lái)屏蔽過(guò)大的電流。這種用來(lái)屏蔽陰極過(guò)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。
來(lái)源：電鍍網(wǎng)
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