高频脉冲电源在电镀中的节能降耗作用

1、高频脉冲电源在电镀中的节能降耗作用表面处理是金属制品防止电化学腐蚀的一个重要过程,常见的表面处理有电 镀、电泳、阳极氧化等。电镀是采用电化学方法使金属离子还原为金属 , 并在金属或非金属制品表面形 成符合要求的平滑、 致密的金属覆盖层。 电镀后的镀层性能在很大程度上上取代 了原来基体的性质 , 起装饰和防护作用。电镀电源是用来在电镀中产生电流的装置 , 电流通过镀槽是电镀的必要条件。 分析电镀的过程, 节能降耗主要从电源设备和电镀方式着手, 采用高频脉冲电源 既可以实现电源设备节能又能实现电镀方式节能。电源:直流电机 -硅整流 -可控硅整流 -高频开关电源高频脉冲电源电镀方式:直流平滑电镀 -

2、直流脉冲电镀 -单向脉冲电镀直流叠加脉冲电镀双向脉冲电镀降低电源设备电耗, 主要的方式是淘汰硅整流和可控硅整流电源 , 使用高频开 关整流电源。 高频开关整流电源将传统的工频交流整流转变为交直交直的高频整流, 有脉宽 (PWM 和脉频 (PFM 调制方式, 通过新型功率半导体器件, 如 IGBT 、 TGCT 、 功率 MOS 管、 快恢复二极管、 萧特基二极管等和新型磁型材料如高导铁氧 体、 纳米微晶、 纳米非晶等及相应的控制技术应用极大地减少了交流电转换为直 流电过程中的能量损失, 根据不同的单位使用对比, 采用高频整流电源比硅整流 和可控硅整流降低电耗 20%-40%。提高电沉积速度,是

3、从电化学反应的途径着手, , 降低电镀过程中的能耗。在 直流电镀时 , 传统直流电镀由直流电源给电解槽施加一个电场,在电场的作用 下, 阴极和溶液界面的离子扩散层较厚, 阴极表面金属离子浓度降低, 形成浓差 极化现象,影响了电沉积速度, ,使用较大的电流密度不但不能提高镀速,反而 使阴极上的氢气析出量增加,电流效率降低,镀层质量变坏出现氢脆、针孔、麻 点、 烧焦和起泡等, 电镀过程中的极化现象和析氢反应 , 会降低电流效率 , 增加能 耗。 有效的解决方案是采用脉冲电镀, 脉冲电镀由于有关断时间, 被消耗的金属 离子利用这段时间扩散补充到阴极附近、 当下一个导通时间到来时, 阴极附近的 金属离

4、子浓度得以恢复, 故可以使用较高的电流密度。 脉冲电镀峰值电流可以大 大高于平均电流, 提高了电沉积速度。 晶粒形成速度高于晶体长大的速度, 使镀 层结晶细化, 排列紧密, 孔隙减少, 硬度增加。 采用脉冲电镀可以降低电镀电耗。 脉冲电镀主要由单向脉冲和双向脉冲构成。 因此 , 高频脉冲电源不但从电能转换方面降低了转换损失 , 而且从电化学方面提 高了电沉积速度、缩短电镀时间、降低电耗、提高电镀质量。脉冲电镀的优点 脉冲电镀与传统的直流电镀比较,有如下优点:1镀件质量高,主要表现为:具有镀层孔隙率低,可得到光亮均匀致密的镀层, 提高镀层的抗腐蚀性能;较好的结合力,较好的分散力,能增加镀层的密度

5、,增 加硬度,提高延展性和耐磨性,改进了镀层的物理性能。 。 G . Saravanan 等 在 钢基底上分别采用直流和双向脉冲电镀铬, 研究发现, 脉冲电镀铬层的孔隙率只 有 0. 008 1%,而直流电镀铬层的孔隙率则达到 0. 362%,进一步证实了双向 脉冲电镀铬技术可大幅度降低镀层的孔隙率。2镀层厚度薄,在相同的镀层性能指标的前提下,可使镀层厚度减薄 1/3-1/2, 进而可节约原材料(如黄金、白银等 10%-20%,这对金、银、锡、锗、镍等贵 金属来说,具有十分重大的经济意义。3生产效率高,脉冲电镀大幅度提高了瞬时电流密度,使其平均电流密度有可 能大于直流电镀的实际电流密度。因而,

6、加速了电沉积速度,使生产效率增高, 一般可减少受镀时间 1/2-1/3,或更多的时间。4 减少添加剂的应用 在直流电镀中, 为了实现合金共沉积、 增加镀层的光亮度 或者是改善镀层的物理性能, 通常要加入络合剂、 光亮剂等添加剂, 而这些添加 剂通常都是毒性很强的溶液, 所以对生产和环保非常不利。 使用脉冲电镀, 可以 通过调节电源参数来获得好质量的镀层,而又不使用任何的添加剂。我们用脉冲电解的等效电容模型来进一步阐述脉冲电源的电化学反应机理 将脉冲电源和阳极、阴极、槽液用如图 1所示的电容模型来表示。图 l 中:为阴 极双电层电容; R 为电解液电阻; 为阳极双电层电容。 等效电容 图 l 脉

7、冲电镀的电容模型在阴阳极上加上一定的直流电压后, 通过槽液的电流一方面参与电化学反应而 被消耗掉, 具体表现在将电解液由分子态转变成离子态, 这就是所谓的法拉第电 流, 在阳极发生氧化反应, 阴极发生还原反应, 在宏观上表现为阳极金属蚀除或 阴极析气, 另一方面参与建立或改变双电层, 这部分电流的作用类似于给电容器 充电,它使电极极化,在宏观上表现为分解电压。需要说明的是,电化学的电极 电容不同于一般平扳电容, 它在电极板上要发生氧化还原反应, 导电回路是由电 子导体 (阴阳极 和离子导体 (电解液 串联组成。 当电极电容增加时, 电源通过导 电回路对极板充电,极板上积聚的电荷增加;而电容减小

8、时,电容放电,极扳上 积聚的电荷减少,同时发生氧化还原反应。根据图 l 所示的等效电路,求得总阻抗 z ,进而求得阳极有效电容 ,|Z|= 式中:为阳极总电容。同样,在阴极上的有效电容也可以以同样方式求出。从上式可以看出由于电阻的存在, 使总阻抗增大, 电容的容抗作用减小, 导 致电容下降,而且频率越高,有效电容下降越大,极化减小,从而有更多的电量 用于电化学反应, 使电流效率增加。 由于电解池本身可以看成一个大电容等效成 一个阳极电容、 一个阴极电容和槽液电阻的组合, 电解质溶液 (或熔融态电解质 可以看成是有一定的介电常数的电介质, 在槽端阴极和阳极加上直流电压时, 槽 内将产生电介质极化

9、现象, 使得实际的分解电压大于理论电压, 直流电压产生的 电场梯度越大, 浓差极化现象越大。 脉冲型利用电解池的电容特性, 采用了直流 电正向加电断电 -加电的或加电断电反向 -断电 -加电方式,形成电 流的脉冲张弛, 使得超电势降低, 减少电介质极化和电极极化效应, 活化电解质 溶液,合适的脉冲间隔使电解液得以充分更新 , 降低液体梯度,有利于消除浓差 极化,有效改善了电流分布的不均匀性、加快了电离子的运动。在这种情况下, 脉冲直流电源显然比一般直流电源效率高。也就是讲, 通过反复的高频充放电, 可以有效地改善溶液的浓差极化和电极极 化效应, 这也是高频脉冲电源比高频直流电源更加节能降耗。

10、如江苏法尔胜集团 采用脉冲电镀同直流电镀比较,省电 40%左右,提高效率 16% ,钢丝镀层结合牢 固 , 钢丝的耐腐蚀性能和锌层的均匀性均有所提高。 基于高频脉冲电源在电化学的应用效果远大于直流电源, 脉冲电源也在迅速地 进行发展,从镀金、银到镀锌、镀镍、镀铜、镀铬、脉冲抛光、脉冲电解、脉冲 阳极氧化等领域, 可以说未来的电化学将由直流电化学发展到脉冲电化学。 目前 大功率高频脉冲电源已经在高频脉冲双向硬铬电源, 多波型电源, 高频脉冲铝阳 极氧化电源, 高频脉冲不锈钢抛光电源, 高频脉冲电解电源, 高频脉冲感应加热 电源等方面应用,功率已经达到 800KW 。节能降耗效果较好,如如 24V

11、/15000A高频脉冲铝阳极氧化电源,单位时间电耗降低 30%,加工时间缩短 8分钟。 18V/15000A高频脉冲硬铬电源,单位时间电耗降低 25%。加工时间缩短 3分钟。 目前,在高频脉冲电源上,还有很多的路要走,对不同的电化学处理和加工,频 率、占空比、电压、峰值电流、脉冲波型、离子分解速度、温度等多方面的问题 和大功率电源电路和元器件都需要进一步的研究和发展。 总的来讲, 发展高频脉 冲电镀是当前电镀行业节能减耗的发展趋势。参考文献:1、 于永民,孙斌 脉冲电镀应用现状及对策分析 表面技术 2006 (3 P822、 陈少华 脉冲电解及其国内外研究慨况 安徽化工 2007 (6 P173、 王希等 基于电容模型的脉冲电解、电化学光整、蚀刻加工机理分析 机械科 学与技术 2005 (12 P14504、 向国扑 脉冲电镀理论与应用 天津科学技术出版社 19895、 韩桂利 电镀电源的发展与新技术 天津冶金 2007 (1 P456、 卞建春等 开关电源脉冲电镀 金属制品 2006 (2 P257、 Sara