高频开关电源纹波系数对电镀硬铬质量的影响

王庆浩*，梁汝华

（东莞常晋凹版模具有限公司，广东 东莞 523577）

电镀电源经历了电池、电子管、晶体管、晶闸管、高频逆变等阶段的发展，电源波形也存在较大差异。近年来高频直流电源因效率较高而得到了普及应用[1]，但因为使用厂家对整流器纹波系数的认识不足和生产 厂家利益的驱使，大多数高频直流电源出厂时没有加装滤波器，电源以高频脉冲直流输出[2]。希望能够通过本文提高广大电镀工作者和整流器生产厂家对整流器纹波系数的认识，并进一步提高电镀行业的质量水平。

1 实验

镀液组分：CrO3(德国维恩公司)250 g/L，Cr3+2.6 g/L，H2SO42.7 g/L，VOP-873 硬铬添加剂(德国维恩公司)20 mL/L。施镀温度(55 ± 2) °C，阳极为德国烧结式铂金涂层阳极。

采用美国安捷伦示波器(DSO6014A)测试普通开关电源在安装滤波器(东莞常晋凹版模具有限公司CJLB-500)后纹波系数的变化。采用265 mL 标准赫尔槽(10 A，5 min)测试镀液的深镀能力和均镀能力。在500 mL 平板镀槽中获得不同硬镀层试样后，采用英国牛津6587 扫描电子显微镜(放大1 000 倍)观察镀铬层表面裂纹，采用MIC10 超声波无损硬度测试仪(德国GE 公司)测试镀层硬度，采用Taber-I 耐磨性试验机(东莞市广益仪器有限公司)测试镀层的磨损量以评价镀层的耐磨性能，采用称重法(上海精密科学仪器有限公司的TQ328A分析天平)获得镀层的沉积量并以此计算电流效率，采用贴滤纸法测试镀层的孔隙率。

对比实验均在标准实验室内完成，具体情况与生产现场可能有一定的差异。

2 结果与讨论

2.1 普通高频开关电源安装滤波器后电源波形的对比

从图1可以看出，普通高频开关在不同测试水平时基状态下，纹波系数都超过60%，而加装滤波器后电源纹波系数降低至5%以下。

2.2 加装滤波器前后电镀硬铬的深镀能力比较

如图2所示，加装滤波器前镀液的深镀能力为7.5 cm，加装滤波器后镀层的深度能力则超过8 cm，提高了约6.7%，同时高区烧焦程度有所降低。

2.3 加装滤波器前后电镀硬铬的均镀能力比较

从图3和表1可知，加装滤波器后镀层各测试点的均镀能力均由不同程度的提高。

加装滤波器前的试片 加装滤波器后的试片 测试点 厚度/ μm 比值/ % 厚度/ μm 比值/ %1.0 cm 5.64 100.0 5.47 100.0 2.5 cm 3.31 58.7 3.77 68.9 4.0 cm 2.21 39.2 2.18 39.8 6.0 cm 1.67 29.6 1.79 32.7

2.4 加装滤波器前后电镀硬铬层微裂纹分布和特性的比较

采用厚度0.3 mm、尺寸为6.5 cm × 5.0 cm 的抛光黄铜试片为基材，在电流密度50 A/dm2下镀5 min。从图4分析可知，加装滤波器后镀层的裂纹更浅，分布更均匀，数量更多。

2.5 加装滤波器前后电镀硬铬层显微硬度的比较

采用厚度为5 mm、尺寸6.5 cm × 5.0 cm 的铜锌合金板为基材，在50 A/dm2下电镀13 min，镀层厚度为(12 ± 1) μm，显微硬度测试点如图5所示，结果见表2。可以看出，电源加装滤波器后镀层的显微硬度只提高了0.97%左右，但显微硬度的均匀度更好。

表2 普通高频开关电源加装滤波器前后电镀硬铬层显微硬度的测试结果Table 2 Results of microhardness testing for hard chromium coatings obtained before and after adding a filter to an ordinary high-frequency switching power supply

2.6 加装滤波器前后电镀硬铬层耐磨性的比较

试样制备同2.5，测试点如图6所示，测试结果见表3。由表3可知，加装滤波器前，镀层磨损后的厚度损失值平均为1.57 μm；而加装滤波器后，镀层磨损后的厚度损失值平均为1.32 μm。可见，加装滤波器后镀层的耐磨性提高了约15.9%。

表3 普通高频开关电源加装滤波器前后 电镀硬铬层耐磨性测试结果Table 3 Results of anti-wear testing for hard chromium coatings obtained before and after adding a filter to an ordinary high-frequency switching power supply

2.7 加装滤波器前后电镀硬铬电流效率的比较

采用厚度0.3 mm、尺寸为6.5 cm × 5.0 cm 的抛光黄铜试片为基材，在电流密度50 A/dm2下镀10 min。按100%电流效率计算，理论铬层质量应为2.691 6 g。从表4可知，给高频开关电源加装滤波器，对电流效率基本没有影响。

电源类型 实际铬层质量/ g 实际电流效率/ % 无滤波器 0.659 4 24.50 有滤波器 0.660 1 24.52

2.8 加装滤波器前后电镀硬铬层亮度的比较

通过试片的肉眼鉴别，加装滤波器对镀层的光亮性没有提高。

2.9 加装滤波器前后电镀硬铬层孔隙率的比较

采用厚度0.3 mm、尺寸为6.5 cm × 5.0 cm 的抛光黄铜试片为基材，在电流密度50 A/dm2下电镀20 s。从图7所示的实验结果可知，在0.16 dm2面积内，无滤波器时所得镀层上的孔隙数量约为28 个，加装滤波器后所得镀层的孔隙数量约为10 个，后者的孔隙率比前者减少了64%。

3 结语

通过以上测试可知，在普通高频开关电源上加装滤波器后，纹波系数可由60%以上降至低于3%，镀液的深镀能力、均镀能力以及镀层的微裂纹分布、耐磨性能等方面有一定提高，镀层孔隙率大幅降低，镀层显微硬度、光亮度以及电流效率则基本与没有加装滤波器时保持一致，但高区烧焦的程度得到降低。根据电镀铬的胶体膜理论，没有滤波装置的高频开光电源以矩形波纹形式输出，甚至还会产生毛刺状杂波，对电镀过程中阴极表面胶体膜的形成和溶解产生一定的负面影响，以至于影响阴极表面的电化学状态，造成镀铬层沉积结构的改变，最终使某些物理性能受到负面影响。

高频开关滤波器分为两种类型：一种是在高频开关电源控制电路上进行控制抑制，另一种是在输出直流电路上进行修正。本文使用的滤波器属于后者，采用大功率储能电子元件(电容、电感)对直流波形的峰值进行抑制、谷值进行补偿，并对高频逆变整流过程中产生的毛刺进行消减[3]。这种类型的滤波器优点是安装方便(安装方式如图8所示)，对原设备的控制电路不会产生影响，缺点则是成本相对较高。但近年来伴随着大功率储能元件的国产能力越来越高，其制作成本正逐步降低。以12 V/6 000 A 整流器为例，进口低纹波系数(5%以内)的整流器售价7 万左右，普通国产高频开关电源(纹波系数超过40%)的市场价格为3 万左右，而加装滤波器(使纹波系数低于3%以内)的成本 在1 万左右。可见，在普通国产高频开关上加装滤波器的性价比还是具有一定的优势。

[1]杜颖,杜永甫,党孟军.高频开关电源在电镀生产线上的应用[J].金属制品,2010,36 (2): 49-50.

[2]袁诗璞.对高频开关电源的困惑[J].电镀与涂饰,2006,25 (7): 52-56.

[3]谯劼.电源纹波抑制器的原理与设计[J].磁性材料及器件,2009,40 (5): 47-49,54.