CC BY
131
К ВОПРОСУ О СПОСОБАХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ ДЕТАЛИ ПРИ ГАЛЬВАНИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
© Васильева Н.Г.*
Филиал Уфимского государственного авиационного технического университета, г. Кумертау
В статье рассмотрена одна из сложнейших задач процесса нанесения гальванического покрытия - обеспечение равномерности распределения металла на изделии. Выполнен обзор способов определения площади деталей при гальваническом процессе, так как от этого параметра зависит подаваемая в электрохимическую ванну плотность тока, а следовательно и толщина покрытия и указаны их недостатки.
Ключевые слова гальванические покрытия, толщина покрытия, равномерность гальванопокрытия, способов измерения площади деталей в гальваническом процессе.
Одним из наиболее эффективных технологических путей повышения надежности работы деталей и узлов машин и механизмов является нанесение на рабочую поверхность изделий различных покрытий.
Покрытия представляют собой поверхностный слой детали, целенаправленно создаваемый воздействием окружающей среды на поверхность материала подложки (детали), и характеризующийся конечной толщиной, а так же химическим составом и структурно-фазовым состоянием, качественно отличающимися от аналогичных характеристик материала для создания покрытий.
В настоящее время существует достаточно много способов нанесения покрытий, которые можно классифицировать по разным признакам: по методу получения, по виду технологического процесса, по используемым материалам, нанесение покрытий из растворов, расплавов газов и т.д.
Одним из самых старых способов повышения качества поверхности изделия является электрохимическое осаждение металла. Гальванические покрытия нашли широкое применение в автомобилестроении, авиационной, радиотехнической и электронной промышленности благодаря широкому выбору материала покрытия и высокой технологичности процесса.
Технологический процесс нанесения гальванопокрытий характеризуется значительным количеством величин, подлежащих контролю и регулированию: плотность тока, рН, температура, уровень электролита, длительность процесса обработки, прочность сцепления покрытия с основой и т.д. [1].
Толщина покрытия является одним из основных параметров, контроль которых необходим всегда. Согласно закону Фарадея она связывает три ос-
* Старший преподаватель кафедры «Промышленная автоматика».
новных величины процесса нанесения гальванического покрытия (плотность тока, длительность процесса, выход потоку), и может быть выражена формулой:
с г-т- Э ■ ВТ
о =-
Р
где г - плотность тока, А/см2;
т - продолжительность электролиза, мин;
Э - электрохимический эквивалент, гМ/ч;
ЕГ - выход по току,%;
р - плотность осаждаемого металла, г/см3.
Расчет по этой формуле дает лишь представление о средней толщине покрытия. На практике ток распределяется по поверхности изделия неравномерно, особенно при покрытии деталей сложной конфигурации, и как следствие фактические плотность тока и толщина покрытия на разных участках поверхности различны [2].
Обеспечение равномерности распределения металла на изделии является одной из сложнейших задач. В этой связи актуальность приобретают методы управления равномерностью гальванических покрытий, включающие управление процессами электроосаждения на основе информации, поступающих от измерительных устройств, в частности датчиков плотности, поскольку эта величина в основном определяет скорость процесса осаждения. В тоже время плотность тока - это отношение силы тока к площади электрода, поэтому при выполнении работ по нанесению покрытий в первую очередь определяют площадь деталей, подлежащих покрытию.
Самый элементарный и самый распространённый способ вычисления площади заключается в разбиении детали на элементарные плоские фигуры и плоскости, площади которых подсчитываются отдельно, а затем суммируются [3].
Проведем обзор разработанных способов измерения площади деталей в гальваническом процессе.
В патенте № 133610 [4] описывается способ, позволяющий определить площадь любой криволинейной поверхности. Для этого измеряемую поверхность вначале покрывают клеящим веществом, удерживающем плотно укладываемые на поверхности шарики одинакового размера, которые затем плотно укладываются на плоскость в виде равновеликого соизмеряемой поверхностью прямоугольника. Площадь, соответствующую площади измеряемой поверхности определяют как произведение двух измеренных сторон прямоугольника.
Изобретение, описанное в патенте № 694563 [5] может быть использовано для измерения площади, выполненных из электропроводных материалов, и для автоматического регулирования плотности тока в гальванических
194
НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ - 2014
ваннах. Т.е. измеряют удельную электропроводность электролита, ток, расстояние между электродами и напряжение на электродах ванны, а площадь деталей вычисляют как отношение произведения тока гальванической ванны на расстояние между электродами к произведению напряжения гальванической ванны на удельную электропроводность электролита.
Патент № 739330 [6] предполагает после пропускания тока выдерживать паузу, необходимую для восстановления концентрации разряжающихся ионов на поверхности объекта, пропускание тока вторично, измерив, интервал времени до момента скачкообразного изменения потенциала катода, характеризующего данный электролит, и по этому времени вычисляют площадь.
Способ контроля площади поверхности путем сопоставления площади контролируемой поверхности с площадью эталонной при их электрохимической поляризации в растворах электролитов, заключающийся в том, что измеряют отдельно ток электрической цепи с эталонной поверхностью и ток электрической цепи с контролируемой поверхностью или общий ток этих цепей, а площадь контролируемой поверхности определяют как функцию от токов электрических цепей и площади эталонной поверхности изложен в патенте № 484390 [7].
В патенте № 2091706 [8] описан способ измерения площади поверхности электропроводного изделия предусматривающий погружение его в раствор вместе с образцом сравнения известной площади, выполненным из того же материала; изделие вместе с образцом сравнения подвергают анодному оксидированию при одинаковом для обоих изделий напряжении, температуре и составе раствора, снимают зависимость анодного тока от времени анодирования. Поскольку плотность тока в этих условиях есть величина в каждый момент времени постоянная для обоих изделий, то площадь поверхности определяется по формуле:
S = scp
I (t)
Iср (t)
где S - площадь поверхности изделия;
Scp - площадь поверхности образца сравнения;
I(t) - сила тока, проходящая через изделие;
Icp(t) - сила тока, проходящая через образец сравнения в определенный момент времени.
К общим недостаткам перечисленных способов можно отнести: отсутствие возможности автоматизации процесса; при деталях различной конфигурации равенство плотностей тока на детали и вспомогательном электроде практически не бывает, что приводит к ошибкам при измерении площади детали; недостаточную чувствительность, обусловленную неравномерным распределением силовых линий по контролируемой поверхности и диффузионными явлениями.
К тому же опыт показывает, что на плоских катодах, отстоящих на одинаковом расстоянии от анодов, плотность тока и толщина покрытия распределяются неравномерно: на углах и краях плотность тока значительно больше расчетной, а на средней части меньше. Еще больше неравномерность распределения тока и металла наблюдается при покрытии профилированных изделий, у которых имеются значительные выступы и углубления.
Наряду со способами определения площади деталей подвергаемых гальваническим покрытиям в последнее время все большую популярность приобретают системы автоматизированного проектирования гальванических процессов, позволяющих выполнять расчеты распределения гальванического покрытия по поверхности детали в электрохимической ванне. Сложность для таких систем представляет только геометрическое описание поступающих на обработку деталей-катодов, так как на предприятиях информация о большинстве деталей представлена в виде машиностроительных чертежей на бумажных носителях. В настоящее время производство качественной и конкурентоспособной продукции возможно только на основе интеграции систем проектирования, управления и контроля за технологическими параметрами.
Список литературы:
1. Васильева Н.Г., Грачева Л.Н. К вопросу автоматизации технологического процесса нанесения гальванических покрытий на примере анодного оксидирования // Технические науки: традиции и инновации: материалы международ. заоч. науч. конф. (г.Челябинск, январь, 2012) / Под общ. ред. Г.Д. Ах-метовой. - Челябинск: Два комсомольца, 2012. - С. 58-62.
2. Стекольников Ю.А., Стекольникова Н.М. Физико-химические процессы в технологии машиностроения: учеб. пособие. - Елец: Издательство Елецкого государственного университета имени И.А. Бунина, 2008.
3. Зальцман Л.Г., Черная С.М. Спутник гальваника. - 3-е изд., доп. - К.: Техника, 1989. - 191 с.
4. Пат. 133610. Способ определения площади неровных поверхностей / В.Ф. Миняйлов № 661487/26; заявлено 1.04.1960; опубликовано в «Бюллет-не изобретений» № 22 за 1960 г.
5. Пат. 694563. Способ измерения площади деталей при гальваническом процессе / Л.Б. Сабашников, В.Ф. Фоменко, П.В. Канищев, А.М. Кудим, В.П. Баталин № 2616259/22-02; заявл. 16.05.1978; опуб. 30.10.79, Бюл. № 40.
6. Пат.739330. Способ измерения площади поверхности электрпровод-ного объекта / П.М. Вячеславов, В.А. Терешкин, Б.Г. Карбасов, Б.М. Миль-ман № 2660680/25-68; заявлено 08.09.78; опубликовано 05.06.80, Бюл. № 21.
7. Пат.484390. Способ контроля площади поверхности / И.Г. Захватов № 1926714/25-28; заявлено 03.05.73; опубликовано 15.09.75, Бюл. № 34.
8. Пат.2091706. Способ измерения площади поверхности электропроводного изделия / А.В. Перистый, А.В. Костюнин № 2091706; заявлено 01.06.1993; опубликовано 27.09.1997, Бюл. № 41.
