恒电流密度滚镀锌试验研究

姜立军，李哲林，杜贵平

（华南理工大学，广东 广州 510640）

恒电流密度滚镀锌试验研究

姜立军*，李哲林，杜贵平

（华南理工大学，广东 广州 510640）

设计了一种适合滚镀的电流密度传感与测试装置，采用全数字控制的高频开关电源，在恒电流密度下进行了滚镀锌闭环控制试验研究。结果表明：在相同工件、相同时间的条件下，恒电流密度闭环控制模式比恒电压模式节能 10%，且膜厚均值较大；随着电镀时间延长，恒电流密度闭环控制模式下的镀层厚度变化趋于平缓，但镀层厚度分散程度较恒电压控制模式时大。

碱性镀锌；滚镀；电流密度；控制；膜厚；能耗

Author’s address:South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

1 前言

电镀时，经过赫尔槽试验确定合适的电流密度后，根据工件的种类和数量，计算工件表面积；然后设定电源输出参数，电镀电源进入恒压或恒流工作模式，通过控制电镀时间，获得所需厚度的镀层。恒定的电流密度是得到稳定镀层厚度的关键。一般来说，镀槽中溶液组分、pH、电流效率、工件面积、镀液温度等参数都是基本固定的，因此，采用不同的电流密度范围进行电镀，可以获得所需的镀层质量。

对于滚镀而言，工件在电镀过程中处于翻滚状态，电镀表面积呈现周期性变化[1]；工件表面之间的接触电阻随着工件的翻转，也处于变化的状态；滚筒翻转过程中，电极接触状态变化，导致电极接触电阻也是变化的。同时，由于镀液流动受到滚筒结构的限制，滚筒内部溶液浓度及温度与滚筒外部有较大差别，电流效率降低。因此，在恒压或恒流工作模式下，工件表面所获得的实际电流是不确定的，这往往导致滚镀工件镀层厚度分布范围较大。为了达到最低镀层厚度要求，需要延长电镀时间或加大电源输出，但可能导致部分工件镀层过厚或者产生“眼子印”[2]，造成产品质量问题。其原因在于无法保证工件获得恒定的电流密度。因此，对于滚镀而言，控制电流密度是改进电镀质量的重要手段。

2 电流密度在线测量原理

滚镀过程中，由于零件间的叠合、屏蔽等原因，很难确定施镀中的有效面积。在大批量的滚镀生产中，一般通过多次的工艺实验或依据操作者的经验，寻找和总结出适合具体情况的电流密度值，但这毕竟要花相当长的时间，而且当工艺条件改变之后，就必须重新试验摸索。

要获得电流密度值，关键在于获得电镀时流经工件表面的电流及工件有效表面积。直接从变压器二次测或整流测分流的方法[3-4]测量电镀电流，并不能精确反映滚筒内工件实时获得的电流状态；由于滚镀时工件有效表面积随时变化，因此也不能直接用工件总面积通过计算来确定电镀时工件的实时电流密度。

本文采用磁敏专利传感器[5]，设计了一个适合滚镀使用的专用电流密度测量及实现闭环控制的实验装置，其工作时的结构框图如图 1所示。其中，测针部件 7深入滚筒内，随工件一起进行电镀，测针面积已知。测针感受到的电流经切换开关1接入软磁体9，软磁体9另一端由导线10直接与电源阴极12相接，电镀开始时就可以构成电流回路。由于磁敏传感器的输出端电压e2会随测针电流变化而显著变化，通过适当的变换电路，可以保证测量装置11的输出端13的输出电压与测针电流呈线性关系，从而作为控制信号，用以控制电镀电源的输出。

图1 结构框图Figure 1 Block diagram

当测针直径为0.8 mm，导电部分长为4 mm时，导电面积AC= 10−3dm2。若镀件电流密度为1.5 A/dm2，则测针流过电流IC= 1.5 mA，测量电路内阻r0= 0.2 Ω，测量电路压降UC= 0.3 mV，因此可以认为测针与工件等电位。测针直径及长度都很小，可以保证使用 1周后再更换，而不至于使导电面积发生很大变化，导致测量不准。

3 电源控制策略

数字化电镀电源的硬件结构包括主电路和控制电路两大部分，如图2所示[6]。主电路包括6部分：输入整流，功率因数校正，高频逆变电路，主功率变压器，输出整流和输出滤波电路。控制电路包括TMS320LF2407A控制器，采样电路，过温保护电路，隔离驱动，上位机通讯，液晶显示和CAN通讯电路等。恒电流密度控制的主要工作过程为：首先通过上位机设置需要使用的电流密度值，电流密度在线测量装置实时测量滚镀槽内的电流密度，该测量值与设定值比较，其差值转换为0 ～ 5 V的控制电压信号。当设定值大于测量值时，控制系统控制电镀电源，调节输出电压升高，导致电镀电流增加，测针电流密度增大，直到测量电流密度值与设定值相等；反之，当测量值大于设定值时，则降低电源输出电压，以保持电流密度恒定。

图2 电镀工艺参数过程控制系统总体结构Figure 2 Overall structure of parameter control system for electroplating process

4 工艺试验

试验目的：比较高频电源恒电流密度工作模式和恒压工作模式下，镀层厚度均值，镀层厚度分散程度及单位工件、单位膜厚下的能耗。

采用碱性滚镀锌工艺，镀液温度30 °C，滚筒转速10 r/min，pH = 14。镀锌液配方为：氧化锌15 g/L，99%片碱 125 ～ 130 g/L，Z-707(主要成分为羧酸类配合物) 6 mL/L，Z-705(主要成分为胺类化合物和烟酸类物质)依哈氏片最佳条件选择。

滚筒由青岛鑫东胜机电设备有限公司生产，其参数如下：尺寸390 mm × 800 mm(内对角 × 筒身长)；开孔直径1.5 mm，正三角形排布，120个/dm2；装载量40 kg。采用1.0 A/dm2恒电流密度或12 V恒电压工作模式。

由于正常生产时工件电镀时间为60 min，工件重约18 kg，因此选择上下各1个水平所获得的镀层厚度及能耗为试验依据。电镀效果的主要评价指标体现在理想镀层厚度的获得及其稳定性，以及单位质量工件获得单位厚度的镀层所消耗的能量(下文简称为单位能耗)。试验结果见表1，其中控制组表示恒电流密度模式，无控制组表示恒电压模式。

经过计算可知，在恒电压模式下，单位质量工件获得单位厚度的镀层所消耗的平均电能为0.060 kW·h；而在恒电流密度闭环控制模式下，所消耗的平均电能为0.054 kW·h。因此可以认为，恒电流密度闭环控制 条件下可以节能10%。

单位工件质量获得单位镀层厚度所需的电能消耗实验结果见图3。

图3 能耗比较Figure 3 Comparison of energy consumption

在恒电流密度闭环控制模式下，电镀时间少于65 min时，其能耗指标明显比恒压模式要低；但在随后的电镀过程中，能耗指标反而升高，效率降低。分析其原因，可能是随着电镀时间延长，探针同时被电镀，导致探针表面积增加。因此，电流密度控制器测得的电流密度比实际值小，使得电镀电源必须输出更高电压来满足电镀时的恒定电流密度，导致能耗加大。

另一方面，比较了不同膜厚下两种试验工况的膜厚均匀度，以膜厚标准差表示，结果见图4。

图4 膜厚均匀度比较Figure 4 Comparison of coating thickness uniformity

由图 4可知，恒电流密度闭环控制模式下，膜厚标准差随着厚度增加而平缓增加，表明电镀工作状态相对平稳。但其分散度比无控制组反而要大，这可能与电流密度测试仪的时间滞后性有关，还需进一步试验研究。

5 结论

在相同工件、相同时间的条件下，恒电流密度闭环控制模式比恒电压控制模式节能 10%，且膜厚均值较大。随着电镀时间延长，恒电流密度闭环控制模式下，镀层厚度变化趋于平缓，而且该模式具有较好的镀层厚度稳定性，但镀层厚度分散程度较恒电压工作模式时大。

[1] 侯进. 滚筒转速对零件混合周期的影响[J]. 电镀与精饰, 2008, 30 (10): 25-27.

[2] 吴双成. 滚镀中电流的控制研究[J]. 电镀与环保, 1999, 19 (3): 16-20.

[3] 杨国清. 精密电镀电流的检测与数值换算[J]. 电工技术学报, 1999, 14 (2): 69-72, 68.

[4] 侯培国, 韩薇, 崔法毅. 电镀电流的模糊控制[J]. 控制工程, 2008, 15 (6): 699-671, 719.

[5] 邱安生. 电镀电流参数在线测量[J]. 电镀与环保, 2007, 27 (1): 32-36.

[6] 李雄涛, 杜贵平, 李树强. 基于电源装备的电镀工艺过程控制系统[J].电镀与涂饰, 2007, 26 (2): 51-53.

[ 编辑：温靖邦 ]

Experimental study on barrel zinc electroplating at constant current density //

JIANG Li-jun*, LI Zhe-lin, DU Gui-ping

A current density sensing and measuring device suitable for barrel plating was designed. A closed-loop control experiment of barrel zinc electroplating at constant current density was conducted using a fully-digitallycontrolled high-frequency switch power supply. The results showed that the closed-loop constant current density control mode could reduce energy consumption by about 10% and produce coatings with larger average thickness as compared to that by constant voltage control mode for similar workpiece and same plating time. The coating thickness tended to be a constant with extending plating time under constant current density control, but was more scattered than that under constant voltage control.

alkaline zinc plating; barrel plating; current density; control; coating thickness; energy consumption

TQ153.15

A

1004 – 227X (2010) 01 – 0009 – 03

2009–06–18

2009–07–27

“十一五”国家科技支撑计划项目（2008BAF34B09）；粤港关键领域突破项目（20070101-2）。

姜立军（1968–），男，湖南益阳人，博士，副教授，主要从事在线质量监控、过程控制研究。

作者联系方式：(E-mail) ljjiang@scut.edu.cn。