滚镀电流密度的定量控制

侯 进

(邯郸市大舜电镀设备有限公司，河北 邯郸 056106)

0 前 言

电镀过程是通过定量控制施加在阴极零件表面的电流密度来实现的。挂镀只要确定全部零件的面积，然后乘以给定的电流密度，即可确定挂镀槽上所需要施加的电流。而滚镀并非全部零件受镀，只有露在外面的表层零件是受镀的，被表层零件屏蔽、遮挡的内层零件，因不能与镀液充分接触，可近似地认为是不受镀的。但表层零件的面积是难以准确计算的,并且目前滚镀的电流密度尚不能像挂镀一样通过赫尔槽试验来确定。因此滚镀时零件实际受镀面积难以确定，电流密度也难以确定，难以像挂镀一样做到定量控制零件表面的电流密度。

1 电流密度定量控制的重要性

电流密度定量控制对镀层的结晶、沉积速度等产生较大的影响，关系到产品质量和生产效率等问题，意义重大。其作用可概括为：

(1)获得结晶细致、合格的镀层 任何镀液都会给定一个允许使用的电流密度范围，也称作获得合格镀层的电流密度范围。电镀生产时必须将施加在零件表面的电流密度严格控制在这个范围内，否则，电流密度低于下限，阴极可能沉积不上镀层或沉积的镀层不符合要求；超过上限，阴极电流效率下降，镀层可能会烧焦或烧黑[1]。因此，电流密度定量控制的意义，首先是可以获得结晶细致、合格的镀层。

(2)加快镀层沉积速度，提高生产效率 在允许使用的电流密度范围内，尽可能使用大的电流密度，可以加快镀层沉积速度，缩短施镀时间，提高生产效率。

(3)提高复杂零件低凹部位镀覆性能 复杂零件低凹部位镀覆性能往往不尽人意，滚镀尤甚，其根本原因在于该部位电流密度较小，以至于可能达不到获得合格镀层所需要的电流密度下限。尽可能使用大的电流密度，可以提高复杂零件低凹部位的电流密度，提高其镀覆性能。

总之，对电流密度进行定量控制，是为了电镀生产“又好又快”，即获得优质镀层和高效生产，重要性不言而喻，滚镀挂镀概莫能外。

2 挂镀电流密度控制方法

挂镀槽上所需要施加电流的关系表达式如下：

I=SJK

(1)

式中I—— 一个镀槽上需要施加的电流强度，A

S—— 一个镀槽中零件的总面积，dm2

JK—— 工艺给定的电流密度，A/dm2

(1)零件总面积S的确定 零件总面积S可先确定1个零件的面积，然后乘以1个挂具上零件的数量，再乘以镀槽中带零件的挂具的个数即可。

(2)给定电流密度JK的确定 电流密度JK由工艺给出，而工艺给出的电流密度是由赫尔槽试验确定的。图1给出了一种利用赫尔槽试验确定某工艺生产时允许使用的电流密度范围的参考方法。

图1 赫尔槽试验确定电流密度范围参考方法

图中赫尔槽试片镀层光亮范围在AB之间，则在AB的1/2处划一条线C，再在CB间靠近C端的1/3处划一条线D，则CD间对应的电流密度范围为生产时允许使用的电流密度范围，C和D 2处的电流密度分别为电流密度上限和下限[2]。

这样，挂镀槽上所需要的电流强度I，通过并不复杂的数学计算就可以确定了。

3 滚镀过程中电流密度的变化

3.1 零件在滚筒内的分布状况

如图2所示，根据所处位置的明显不同，将滚筒内的小零件分成2部分：位于斜线区域的内层零件和位于标圆圈记号区域的表层零件。事实上，内层零件和表层零件没有严格的界限，零件之间越密实界限就越清楚，否则比较模糊。建立这样一个模型，是为了便于分析和讨论问题。另外，根据表层零件所处位置的不同，将其分成紧贴滚筒内壁的表层零件，简称表内零件(图1中标空心圆“○”记号的零件)，和表外零件(图1中标实心圆“●”记号的零件)2部分[3]。

图2 滚筒中内层零件与表层零件分布示意图

3.2 零件在滚筒内运行的不同阶段

滚镀过程中零件表面的电流密度是不断变化的，根据图2中零件的分布状况，将滚镀过程中零件的运行分成3个特殊阶段，每个阶段的电流密度状况均有所不同，如图3所示。

图3 滚镀件电流密度随运行时间的变化关系

(1)t1阶段，即运行至内层零件位置时：零件表面的电化学反应基本停止，可将电流密度近似视作零。这时，这部分零件仅起电流传输的作用，并不参与阴极反应。

(2)t2阶段，即运行至表内零件位置时：可将零件表面的电流密度视作断续的。当零件(上的某点)经过孔眼处时电流密度较大，称之为瞬时电流密度Jp，其值大或远大于平均电流密度Jm。经过非孔眼处时电流密度极小，可近似视作零。因此，此阶段作用在零件表面的电流密度实际是一种脉冲式的[4]。

(3)t3阶段，即运行至表外零件位置时：零件表面的电流密度平稳、连续，但相对较弱，一般认为其实际电流密度J小于平均电流密度Jm。

3个阶段循环交替运行，其次序、频率及每个阶段运行的时间等是随机的，目前尚无规律可循。3个阶段零件表面的电流密度按“…近似为零→脉冲式电流或平稳电流→近似为零…”周期性变化。

4 通行的滚镀电流密度控制方法

通行的滚镀电流密度控制方法，是一种按全部零件面积计的方法，大致为将一滚筒零件的全部面积计算出，然后乘以一定的电流密度，即电镀时该滚筒所需要施加的电流，其关系表达式如下：

I=SMJK

(2)

式中I—— 一只滚筒上需要施加的电流强度，A

S—— 零件的公斤面积，dm2/kg

M—— 一只滚筒中零件的质量，kg

JK—— 给定的电流密度，A/dm2

式中，一只滚筒中零件的质量M比较容易确定，若能确定公斤面积S及给定的电流密度JK，则可确定电镀一滚筒零件所需要的电流强度I。

4.1 公斤面积S的确定

滚镀件往往尺寸较小，且多形状复杂，较难确定其准确面积。可按图纸计算出1个零件的面积，然后乘以1 kg该零件的数量即可。若无图纸，可按实际测量来确定其面积。若是复杂零件，按图纸或测量可能均难以确定其准确面积。现介绍2种常见滚镀件公斤面积的确定方法。

4.1.1 板状冲压件公斤面积的确定

板状冲压件公斤面积的关系表达式如下：

(3)

式中S—— 板状冲压件的公斤面积，dm2/kg

M—— 1个零件的质量，g

γ—— 零件的密度，g/cm3

h—— 零件的厚度，mm

l—— 零件几何图形的总边长，mm

零件的厚度h可用游标卡尺或螺旋测微器准确测量。零件几何图形的总边长l，是指零件外缘和所有内孔周长的总和。简单零件的总边长可通过直尺或游标卡尺测量并计算得到，复杂零件在测总边长时如果存在特殊曲线，可用线绳比划后再进行测量并计算得到[5]。

4.1.2 紧固件公斤面积的确定

可采用图表法确定普通紧固件的公斤面积。图4列出了不同规格螺丝、螺母所对应的公斤面积数值，查图表即可获得某种规格螺丝或螺母的公斤面积[6]。

图4 不同规格螺丝、螺母所对应的公斤面积图

4.2 给定电流密度JK的确定

这种方法给定的电流密度JK称作全部零件电流密度，它等于通过镀槽的电流与滚筒内全部零件面积的比值。全部零件电流密度是不存在的、虚拟的，是为计算方便所设的一个假想值。因为滚镀时只有表层零件受镀，内层零件几乎是不受镀的，将不受镀的内层零件也计入受镀面积，其比值必然是不真实的。

全部零件电流密度可能会在滚镀配方中给出，或不同的人有不同的数据，但均为经验数据，受滚筒尺寸、大小、装载量、开孔率、零件品种等诸多因素的影响较大。有从业不深者直接使用挂镀的电流密度，这往往远远超过滚镀所能承受的电流限度，造成镀层严重烧焦、烧黑等。

按全部零件面积计的优点是，至少从形式上实现了像挂镀一样通过数学计算方便、快捷地获得确切数据或调整电流，且避开了获得零件实际受镀面积的困难。缺点是，将包含不受镀零件的全部零件计入面积是不科学的，且全部零件电流密度来历不明。生产中有人用系数来修正全部零件面积或电流密度，但这个系数同样来历不明。因此，这种方法称为“定量控制”名不副实。

5 科学的滚镀电流密度控制方法

科学的滚镀电流密度控制方法应该是按有效受镀面积计，并采用赫尔槽试验所确定的电流密度值，其关系表达式如下：

I=SJK

(4)

式中I—— 一只滚筒上需要施加的电流强度，A

S—— 一只滚筒中零件的有效受镀面积，dm2

JK—— 给定的电流密度，A/dm2

5.1 零件有效受镀面积S的确定

零件有效受镀面积一般指表层零件上实际受镀部分的面积，理论上可以通过几何运算的方法推导得出，但难度较大，问题多多。

(1)生产中使用的滚筒形式较多，有六角形滚筒、七(八)角形滚筒、圆形滚筒、钟形滚筒、振动电镀等，为简化且实用起见，一般以生产中最常见的六角形滚筒及形状简单的圆形滚筒为例来推导有效受镀面积。

(2)对于六角形滚筒来讲，滚镀过程中表层零件的面积是“…最小→最大→最小…”周期性变化的，取不同位置的面积代表表层零件面积，会产生不同的影响。滚镀过程中圆形滚筒的表层零件面积是不变的。

(3)无法采用统一的公式表达所有滚筒装载量下零件的有效受镀面积，一般规定滚筒装载量为1/3、2/5、1/2等，这给实际操作带来麻烦。

(4)表层零件并非全部面积受镀，其中表内零件位于筒壁非开孔部分的面积是不受镀的，所以表内零件的面积需要经过滚筒开孔率修正。

(5)滚筒开孔率修正后得到的仅仅是表层零件实际受镀部分的平面面积，但表层零件不可能是完全的平面，而是坑洼不平的凹凸面，它比平面面积要大或大得多。所以，表层零件实际受镀部分的平面面积需要经过一个复杂系数的修正才能得到其真实面积，即滚镀的有效受镀面积S。其表达式如表1所示。

表1 滚镀有效受镀面积精确计算公式

注：表中r为滚筒半径(dm)，六角形滚筒时r为滚筒内对角的1/2，l为滚筒长度(dm)，μ为滚筒开孔率(%)，a为复杂系数(>1)。

另外，振动电镀的有效受镀面积精确计算公式为：

(5)

式中S—— 振动电镀有效受镀面积，dm2

r1—— 振筛外圆半径，dm

r2—— 振筛内圆半径，dm

h—— 零件厚度，dm

μ—— 筛底、筛壁开孔率，%

a—— 复杂系数(>1)

5.2 给定电流密度JK的确定

这种方法是按零件的实际受镀面积计入的，理论上应该可以使用赫尔槽试验确定的电流密度，即一般工艺配方中给定的电流密度。但滚镀是在封闭状态下进行的，滚筒壁板的阻碍作用使阴极区域主金属离子浓度下降较大，允许使用的电流密度上限也会下降较大。这种方法的电流密度上限可由下式确定：

JK2=μ·JK1

(6)

式中JK2—— 滚镀的电流密度上限，A/dm2

JK1—— 挂镀的电流密度上限，A/dm2

μ—— 滚筒开孔率，%

这种方法仅考虑了滚筒开孔率的影响，没有将壁板厚度的因素包含进去，计算结果未免有偏差，具体应用时应根据情况修正或调整。至于电流密度下限，因滚镀给电流的原则是，在不超过上限的前提下尽可能使用大电流，则一般可以不考虑。

按有效受镀面积计的优点是科学、合理，真正实现了滚镀电流密度的定量控制。缺点是，有效受镀面积公式中的复杂系数a尚不能通过精确计算获得，如何使a更准确，是这种方法完善与否的关键所在。

6 简易的滚镀电流密度控制方法

目前来看，按全部零件面积计和按有效受镀面积计，2种方法的计算结果均可能有不同程度的偏差，需要经过生产实践修正或调整。大致是，先施于计算所得的电流，发现镀层烧焦或粗糙，说明电流过大超过上限，应下调；发现镀速慢、镀层亮度差、低电流密度区镀层质量差等，说明电流小或过小，应逐步上调至镀层产生烧焦或粗糙止；如果镀层质量较好，说明电流在合适的范围内，但也要试着逐步上调至镀层产生烧焦或粗糙止。如此通过试验摸索出电流上限(一般为镀层产生烧焦或粗糙时的电流)，以便在不超过上限的前提下尽可能使用大电流生产。

并且，在随后遇到相同或相近情况或体系内有因素(主要包括滚筒尺寸、大小、装载量、开孔率、零件规格品种、镀液性能等)发生变化时，可参考该电流上限给电流。这时，为省却计算的繁琐，快速地投入生产，往往会用到一种简易的滚镀电流密度控制方法——按筒计，即按滚筒给电流。比如，普通紧固件酸性滚镀锌，采用一种载重量50 kg的滚筒电流常常控制在160～250 A/筒，采用20 kg的滚筒常常控制在100～150 A/筒。

按筒计是电镀工作者在长期生产实践中摸索出的一种简易的滚镀电流密度控制方法，它虽然缺乏理论上的依据，但避免了确定零件面积(包括全部零件面积和有效受镀面积)的困难，很多时候能够快速地投入生产，尤其适合批量恒定的滚镀生产。缺点是，需要大量的经验，否则，在影响滚镀电流的其他因素如滚筒尺寸、大小、装载量、开孔率、镀件规格品种、镀液性能等变化后，可能会不知所措，这对从业不深者是个考验。

7 小 结

(1)合理运用滚镀电流密度控制方法，可以提高产品质量和生产效率。

(2)目前通行的滚镀电流密度控制方法是按全部零件面积计，优点是至少从形式上实现了滚镀电流密度的定量控制。缺点是，将包含不受镀零件的全部零件计入面积是不科学的，且电流密度为经验数据，同样不科学。

(3)科学的滚镀电流密度控制方法是按有效受镀面积计，优点是真正实现了滚镀电流密度的定量控制，科学性优于其他方法。 缺点是，复杂系数a不能精确获得，准确性受到影响。

(4)简易的滚镀电流密度控制方法是按筒计，优点是简单、快捷，尤其适合恒定生产。缺点是需要大量的经验，而经验需要长时间积累，所以不适合很多人。

(5)目前滚镀尚无一种像挂镀一样精确的电流密度控制方法，生产中可能需要3种方法并用，以切实应对滚镀电流密度定量控制的“老大难”问题。