ANSYS辅助分析电镀铬技术中阳极的选择

任国鹏，　安成强，　佟　威，　郝建军

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳　110159)



ANSYS辅助分析电镀铬技术中阳极的选择

任国鹏，安成强，佟威，郝建军

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳110159)

摘要：目前常采用象形阳极来提高镀铬层均匀性，但是象形阳极的设计只能依靠经验积累和现场检测，无法达到预判的目的。借助ANSYS有限元分析软件，模拟电镀实验，对边角处电场强度进行分析，能够判断边角处镀层厚度。分析不同形状的阳极，不同距离的极间距对电场强度的影响，通过实际镀层厚度值进行验证。得出在相同阴阳极间距下，c形状阳极使R角处电场强度增强，提高R角镀层厚度效果明显。对于相同形状的阳极，阴阳极间距减小，R角处电场强度增加，厚度增加。当选用相同条件下的阳极时，R角大小发生变化，R角处镀层厚度也会发生改变。R角越大，镀层越厚。

关键词:镀硬铬； R角镀层； 分散能力； 象形阳极； ANSYS电场分析

引　言

电镀硬铬是一种传统的表面电镀技术，已经应用70多年[1]。镀铬层具有硬度高，耐磨、耐蚀性强并能长期保持表面光亮；加热θ在500℃以下，对镀铬层的性能没有明显影响等优点而被广泛用于防护性镀层[2-3]。但是标准镀铬液分散能力很低，对于一些复杂形状的镀件，若采用常见的平板阳极，会发生镀层不均匀现象。以结晶器R角为例，据统计，结晶器内表面R角处镀铬层过于偏薄是目前常见的一个现象。测量结果显示，结晶器内表面R角处镀铬层δ为20～30μm，而正常表面镀层δ为80～100μm。结晶器在使用一段时间后，R角处镀层往往首先脱落，漏出材料基体，发生腐蚀破坏，造成巨大损失。为解决R角处镀层薄，提高镀液分散能力，常采用象形阳极来达到目的[4-7]。但是象形阳极的选择仅有依靠经验和现场调试。本论文采用ANSYS软件模拟分析电场强度，为阳极的选择提供数据支持和理论分析[10-11]。

1　实验内容

实验在标准镀铬液的基础上，设计几种形状的阳极，利用ANSYS有限元分析软件模拟分析电场强度的变化情况。根据电场强度的分布情况，确定最优的阳极形状。

实验选用的R角为铜管内角，半径10mm。所用阳极为目前常用的几种：(a)直角阳极；(b)直角阳极的直角处内切圆；(c)直角处外界3/4圆。(d)尖角阳极。如图1所示。

图1　镀铬阳极示意图

ANSYS实验分析过程中，采用二维区域进行电场分析，采用平面PLANE230单元对区域划分网格，得到有限元模型。实验中阴极接电源负极，阳极接电源正极，在阳极上施加电压为U，阴极上施加电压为0，设阳极电阻为R1、阴极电阻为R2、电镀液电阻为R3。根据拉普拉斯方程求解。

分析的结果经过处理后，可以得到区域内任一点的电场强度，电场强度与电流密度分布对应，所以可以分析出区域内电流密度的分布。

2　实验结果分析

2.1阳极形状对电场分布的情况

ANSYS模拟分析不同形状的阳极在阴阳极距离相同的情况下，电场强度的对比如图2所示。

图2　不同形状的阳极在相同距离下的电场强度对比

图2中红色区域代表电场分布最强的区域，此区域内电场最强，电场线分布最密集；由里层向外层电场强度依次较弱，蓝色区域代表电场分布最弱的区域，此区域内电场线稀少，电场较弱。从图2中可以看出，在R角处及附近区域，c形状的阳极作用效果使得此区域内电场强度明显强于其它形状的作用。

2.2阴阳极间距对电场分布的情况

ANSYS模拟分析相同形状的阳极在不同阴阳极距离的情况下，电场分布情况如图3所示。

从图3可以看出，对于相同形状的阳极，阴阳极间距减小，R角处电场强度提高，进而镀层沉积量增加，R角处镀层变厚。对于a形状的阳极，减小阴阳极间距，可以达到提高R角处镀层厚度的目的，但是其效果明显低于c形状。

图3　相同形状的阳极在不同阴阳极间距下的电场分布图

2.3阳极对不同形状R角镀层厚度的影响

ANSYS模拟分析阳极对不同形状R角镀层厚度的影响。图4为在相同阳极条件下，R角处电场强度的分布情况。从图4可以看出，在R角处电场强度较弱，电流密度低。R角越大，电场强度越大，电场线分布越密集。

图4　相同条件下的阳极对不同R角形状的电场分布图

2.4阳极形状及阴阳极间距对R角镀层厚度的影响

由于ANSYS分析属于模拟分析，所得数据仅是理论支持，无法达到宏观上数据论证。所以选用三种形状的阳极，进行电镀实验，调整阴阳极间距，测试镀层厚度，所得结果如图5所示。从图5可以看出，减小阴阳极间距离，R角镀层厚度增加。在相同距离下，形状c的象形阳极对于提高R角镀层厚度效果强于形状a，强于形状b。当阴阳极间距为5mm且选用c形状阳极时，R角镀层δ可以达到40μm，能够满足实际应用要求。倘若继续减小阴阳极间距，R角镀层厚度会继续增加，但是考虑到实际生产中，不能过度减小阴阳极间距，这会导致阳极过大，不便于操作以及导致阴阳极间镀液分布过少，镀液流通效果不佳，施镀效果恶化。所以阳极形状选择c型，阴阳极间距离设置为5mm。

图5　阴阳极间距对R角镀层厚度的影响

3　结　论

1)在相同阴阳极间距下，c形状阳极使R角处电场强度增强，提高R角镀铬层厚度效果明显强于其他形状。

2)对于相同形状的阳极，阴阳极间距减小，R角处电场强度增加，镀铬层厚度增加。

3)当选用相同条件下的阳极时，R角大小发生变化，R角镀铬层厚度也会发生改变。R角越大，镀层厚度越厚。

参考文献

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[2]任雪峰，杨培霞，刘安敏,等.代铬镀层的研究进展[J].化学通报，2013,76(1):39-44.

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[4]游丽梅，彭东强，钱志强,等.内孔镀铬夹具的设计及应用[J].电镀与精饰，2013,35(7):29-31.

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[7]奚兵.再谈镀铬层厚度均匀性[J].电镀与环保，2012,32(6)：49-50.

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[10]杨建明.电沉积分布均匀性改善技术的研究进展[J].材料保护，2010,43(4)：38-41.

[11]李卫权.镀铬Pb-Sn合金阳极结构的改进[J].电镀与精饰，2014,36(7):33-36.

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.07.007

收稿日期：2016-01-15修回日期： 2016-03-02

中图分类号：TQ153.2

文献标识码：A

ANSYS Used for the Choice of the Anode in Chromium Plating

REN Guopeng,AN Chengqiang,TONG Wei,HAO Jianjun

(School of Environmental and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract:Now the hieroglyphic anode is often used to improve the uniformity of chromium plating layer,but the design of the hieroglyphic anode can only rely on the accumulation of experience and on-site inspection which can't achieve the goal of anticipation. With the aid of ANSYS finite element analysis software,electroplating experiment was simulated to analyze the electric field intensity in the corners,so the plating thickness in the corners can be estimated.The effects of different shapes of anode and electrode spacing with different distance on the electric field intensity were analyzed.Compared with the actual coating thickness value,the results were verified.It was concluded that under the same distance between anode and cathode,using C shape anodic,the electric field strength in R angle place was increased,and the plating thickness was obviously enhanced. For the same shape of anode,when the distance between anode and cathode was decreased,the electric field strength in R angle place was increased and the plating thickness was also added.When the anode was elected under the same conditions,the plating thickness in R angle place will alter with the change of R angle size.Moreover,the larger the R angle was,the thicker the coating was.

Keyword:chromium plating;the coating of R angle;the dispersion ability;hieroglyphic anode;ANSYS analysis of electric field