三价铬镀铬工艺参数自动化检测系统设计

李 蔚, 丁 汀

(1.河南机电职业学院 人文与设计学院，河南 新郑 451191； 2.河南机电职业学院 信息工程学院，河南 新郑 451191)



三价铬镀铬工艺参数自动化检测系统设计

李 蔚1, 丁 汀2

(1.河南机电职业学院 人文与设计学院，河南 新郑 451191； 2.河南机电职业学院 信息工程学院，河南 新郑 451191)

镀铬工艺参数的准确检测对镀层性能非常关键，当前的检测系统对相关参数选择不准确，对工艺影响较大。提出一种新的镀铬工艺参数检测系统设计方法，通过实验分析了硫酸盐三价铬镀铬工艺材料和工艺参数特点，分析了pH、电镀时间和铬质量浓度对硫酸盐三价铬镀铬层的影响，确定这三种参数对硫酸盐三价铬镀铬层耐腐蚀性起到的作用。以此为基础设计一种智能化参数检测系统对硫酸盐三价铬镀铬工艺参数进行检测，主要包括主板模块、无线个域网(Zigbee)模块和传感器模块，详细介绍了各模块的硬件设计过程。实验结果表明，该系统不仅能耗低，实际效果较好。

硫酸盐三价铬镀铬； 工艺参数； 自动化检测

引言

近年来，硫酸盐三价铬镀铬工艺因环保和耐腐蚀性高被广泛应用于各个领域，得到快速发展[1-3]。为了保证硫酸盐三价铬镀铬工艺的性能，需对影响工艺的参数进行实时检测，从而有针对性的采取不同的措施提高镀层性能[4-6]。

文献[7]提出一种基于CAN和RS485的硫酸盐三价铬镀铬工艺参数自动化检测方法，该方法检测点较多，检测结果准确。但在检测点位置发生改变的情况下，会造成硫酸盐三价铬镀铬工艺内部电缆发生错乱，大大增加了安装难度，导致成本增加；文献[8]、文献[9]和文献[10]分别提出峰均功率比、激光扫描方式和MPPT算法对不同的工艺参数进行检测，方法实现过程简单。但是这些传统方法容易受到系统资源与网络带宽限制，无法检测出其他参数，检测结果不可靠、且系统间互不兼容，导致成本增加，并且实现过程较为复杂，不适于实际应用。

针对上述方法的弊端，提出一种新的镀铬工艺参数自动化检测系统，选取合适的参数，设计一种参数自动化检测系统。实验结果表明，该系统不仅能耗低，而且具有很高的检测精度。

2 硫酸盐三价铬镀铬工艺参数的选取

2.1 硫酸盐三价铬镀铬工艺材料的选取

钛涂层阳极，尺寸为69.0mm×76.0mm×2.6mm；铜试片阴极，尺寸为115.0mm×61.5mm×0.4mm；试剂为CRSPIRIT 870三价铬电镀添加剂，硫酸铜，氧氧化钠，硫酸，乙醇等。

2.2 实验环境设置

硫酸盐三价铬镀铬镀液组成及工艺条件如下。

CRSPIRIT 870A 导电盐

291g/L

CRSPIRIT 870B 铬溶液

162mL/L

CRSPIRIT 870C 开缸剂

22mL/L

CRSPIRIT 870W 润湿剂

2mL/L

总铬

11g/L

θ

50℃

阴极电流

8A

电压

12V

pH

4

搅拌

轻微空气搅拌

2.3 不同参数对硫酸盐三价铬镀铬层的影响

2.3.1 pH对镀层的影响

将铜试片作底材，依次在pH为3、4、5、6和7的情况下进行赫尔槽试验与方形槽实验。赫尔槽试验θ为50℃，t为4min，电流4A。依据腐蚀电位与腐蚀电流对硫酸盐三价铬镀铬层的耐腐蚀情况进行判断，腐蚀电位利用CMB1510腐蚀测量仪进行测量。pH对镀层外观的影响见图1。

图1 pH对镀层外观的影响

分析图1可以看出，当溶液中pH逐渐增加时，低电流区的覆盖能力也随之提高。在pH为3的情况下，硫酸盐三价铬镀铬层色泽相对较暗，低电流区有阴影；在pH达到4的情况下，镀层白亮度在一定程度上有所提高；在pH在4～7范围内时，镀层色泽没有出现显著改变。

表1为pH对硫酸盐三价铬镀铬层耐腐蚀性影响结果。

表1 pH对镀层耐腐蚀性影响

pHφcorr/VIcorr/mA3-0．4411．314-0．4512．145-0．5530．916-0．5853．287-0．6255．45

分析表1可以看出，随着pH的逐渐增加，硫酸盐三价铬镀铬层腐蚀电位负移，腐蚀电流随着升高，说明镀层耐腐蚀性降低。因此pH可作为检测参数。

2.3.2 电镀时间对镀层的影响

将铜试片作底材，依次在5、10、20、30和50min时刻进行方形槽实验，pH为4，θ为50℃，电流6A。依据腐蚀电位与腐蚀电流对硫酸盐三价铬镀铬层的耐腐蚀情况进行判断。图2为电镀时间对硫酸盐三价铬镀铬层外观的影响结果。

图2 电镀时间对镀层外观影响

分析图2可以看出，电镀t在5～20min范围内时，硫酸盐三价铬镀铬层的光泽度很好；电镀t高于30min的情况下，硫酸盐三价铬镀铬层光泽度在一定程度上有所降低；在电镀t达到50min时，硫酸盐三价铬镀铬层基本没有光泽度。

表2为电镀时间对硫酸盐三价铬镀铬层耐腐蚀性的影响。

表2 电镀时间对镀层耐腐蚀性的影响

t/minφcorr/VIcorr/mA5-0．4511．1410-0．48511．9120-0．5620．2930-0．62439．8850-0．65742．57

分析表2可以看出，在电镀时间过长的情况下，硫酸盐三价铬镀铬层耐腐蚀性降低。因此电镀时间可作为参数被选取。

2.3.3 三价铬质量浓度对镀层的影响

铜试片作底材，分别在铬质量浓度为5、10、20和30g/L的情况下进行赫尔槽试验与方形槽实验。赫尔槽试验θ为50℃，电流4A，电镀t为4min；依据腐蚀电位与腐蚀电流对硫酸盐三价铬镀铬层的耐腐蚀情况进行判断。图3为铬质量浓度对硫酸盐三价铬镀铬层外观的影响。

图3 三价铬质量浓度对镀层外观影响

分析图3可以看出，在三价铬质量浓度逐渐增高的情况下，低电流区的覆盖能力明显降低。在铬质量浓度为5g/L的情况下，镀层色泽白亮，覆盖能力较佳；在铬质量浓度达到30g/L的情况下，镀层色泽在一定程度上变得暗淡，覆盖能力较好。

表3为铬质量浓度对硫酸盐三价铬镀铬层耐腐蚀性的影响。

表3 铬质量浓度对镀层耐腐蚀性的影响

ρ(铬)/(g·L-1)φcorr/VIcorr/mA5-0．59913．9910-0．45112．1420-0．47617．5630-0．52822．85

分析表3可以看出，当铬质量浓度大于20g/L时，腐蚀电位负移，腐蚀电流增加，说明当前镀层耐腐蚀性降低。

分析上述过程可知，pH、电镀时间和铬质量浓度对硫酸盐三价铬镀铬层耐腐蚀性起到关键的作用。因此，对上述硫酸盐三价铬镀铬工艺参数进行自动化检测具有重要意义，下面进行详细的分析。

3 硫酸盐三价铬镀铬工艺参数自动化检测系统设计

所设计的硫酸盐三价铬镀铬工艺参数自动化检测系统主要由主板模块、Zigbee模块和传感器模块构成。

3.1 主板模块设计

主板模块为设计的硫酸盐三价铬镀铬工艺参数自动化检测系统的核心，本节主板模块选用的主频为80MH的32位单芯片微控制器(8051单片机)，其型号为PIC32MX795F512L，其电路图如图4所示。

图4 主板模块电路图

立板模块选用的PIC32MX795F512L单芯片微控制器内置512 Kbyte Flash、以太网控制器等硬件。以上述硬件资源为基础，主板上扩展了各种接口，使PIC32MX795F512L处理器能够提供强大的信号处理能力。除此之外，PIC32MX795F512L处理器还内置时钟模块，能够对硫酸盐三价铬镀铬时间进行检测。

3.2 Zigbee模块设计

Zigbee模块主要负责实现不同采集节点和节点间的无线连接。由于硫酸盐三价铬镀铬工艺参数检测过程中所需采集节点数量较多，工作时间较长，在分簇子网内使用Zigbee模块可有效降低采集节点功耗和成本，提高系统性价比。Zigbee模块电路如图5所示。

图5 Zigbee模块电路图

Zigbee模块核心芯片选用MRF24J40MA，其支持Zigbee协议，传输速率很高，完全满足系统要求。

3.3 传感器电路设计

传感器选型主要考虑硫酸盐三价铬镀铬工艺参数检测要求、传感器功耗、测量精度等因素。在所设计的系统中，硫酸盐三价铬镀铬镀液pH选用传感器SHT75进行检测，硫酸盐三价铬镀铬镀液中铬质量浓度选用传感器T6004进行检测。总传感器电路如图6所示。

图6 传感器电路图

4 实验结果分析

为了验证本文提出的硫酸盐三价铬镀铬工艺参数自动化检测方法的有效性，需要进行相关的实验分析。实验将聚簇规则集方法和小波变换方法作为对比进行测试。

4.1 能耗测试

采用本文的系统对硫酸盐三价铬镀铬工艺参数进行自动化检测，不同类节点能耗情况如表4所示。其中第1类节点用于参数传输，第2类节点用于参数处理，第3类节点用于参数采样，第4类节点用于参数存储。

表4 不同节点能耗

t/d不同节点电池电量/%第1类节点第2类节点第3类节点第4类节点0100100100100309583728160897558649083693345

分析表4可以看出，随着时间的推移，第1类节点消耗了总电能的17%，第2类节点消耗了总电能的31%，第3类节点消耗了总电能的67%，第4类节点消耗了总电能的55%，电池均未消耗完毕，说明本文系统能够连续工作3个月以上，能耗较低。

4.2 参数检测精度测试

本节将检测误差作为衡量参数检测精度的指标，检测误差就是错误检测值与真实值之差。图7描述的是本文方法、聚簇规则集方法和小波变换方法对硫酸盐三价铬镀铬工艺中镀液pH的检测误差比较结果。

图7 三种方法pH检测误差比较

分析图7可知，聚簇规则集方法和小波变换方法的检测误差曲线波动较大，且一直高于本文方法，而本文方法的检测误差低于0.3，说明对镀液pH有很高的检测精度。

图8为本文方法、聚簇规则集方法和小波变换方法对硫酸盐三价铬镀铬镀液铬质量浓度检测误差比较结果。

图8 三种方法铬质量浓度检测误差比较结果

分析图8可以看出，采用本文设计系统的方法对硫酸盐三价铬镀铬工艺中镀液铬质量浓度进行检测，得到的检测误差低于0.4g/L，而聚簇规则集方法和小波变换方法的检测误差明显高于本文方法，说明本文方法有很高的检测精度。

5 结 论

提出了一种新的硫酸盐三价铬镀铬工艺参数自动化检测方法，介绍了硫酸盐三价铬镀铬工艺材料和工艺参数，分析了pH、电镀时间和铬质量浓度对硫酸盐三价铬镀铬镀层的影响，发现三种参数对硫酸盐三价铬镀铬层耐腐蚀性起到重要的作用。设计一种参数自动化检测系统对硫酸盐三价铬镀铬工艺参数进行检测，主要包括主板模块、Zigbee模块和传感器模块，详细介绍了各模块的硬件设计过程。实验结果表明，该方法不仅能耗低，而且具有很高的检测精度。

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Design of Process Parameters Automatic Detecting System for Trivalent Chromium plating

LI Wei1, DING Ting2

(1.School of Humanities and Design,Henan Mechanical and Electrical Vocational College,Xinzheng 451191,China; 2.School of Information Engineer,Henan Mechanical and Electrical Vocational College,Xinzheng 451191,China)

Accurate detection of chromium plating process parameters is critical to the coating performance,the current detection system is not accurate to the related parameters selection,which influences the process greatly.In this paper,a new design method of chromium plating process parameters detecting system was put forward.Through experiments，the plating material and process parameters of sulfate trivalent chromium plating were analyzed,the influences of pH,plating time and chromium mass concentration on the coating were studied,and the effects of these three parameters on corrosion resistance of the coating were confirmed.Based on the above，a new intelligent parameter detecting system was designed for sulfate trivalent chromium plating process parameters detection,including motherboard module,Zigbee module and sensor module,and each module hardware design process was introduced in detail.Experimental results showed that the system not only had low energy consumption,but also had better actual effects.

sulfate trivalent chromium plating; process parameters; automatic detection

2016-06-27

2016-07-28

国家自然科学基金(60883239)

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.12.008

TP274.5

A