任國鵬，　安成強(qiáng)，　佟　威，　郝建軍

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽　110159)

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ANSYS輔助分析電鍍鉻技術(shù)中陽極的選擇

任國鵬，安成強(qiáng)，佟威，郝建軍

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽110159)

摘要：目前常采用象形陽極來提高鍍鉻層均勻性，但是象形陽極的設(shè)計只能依靠經(jīng)驗(yàn)積累和現(xiàn)場檢測，無法達(dá)到預(yù)判的目的。借助ANSYS有限元分析軟件，模擬電鍍實(shí)驗(yàn)，對邊角處電場強(qiáng)度進(jìn)行分析，能夠判斷邊角處鍍層厚度。分析不同形狀的陽極，不同距離的極間距對電場強(qiáng)度的影響，通過實(shí)際鍍層厚度值進(jìn)行驗(yàn)證。得出在相同陰陽極間距下，c形狀陽極使R角處電場強(qiáng)度增強(qiáng)，提高R角鍍層厚度效果明顯。對于相同形狀的陽極，陰陽極間距減小，R角處電場強(qiáng)度增加，厚度增加。當(dāng)選用相同條件下的陽極時，R角大小發(fā)生變化，R角處鍍層厚度也會發(fā)生改變。R角越大，鍍層越厚。

關(guān)鍵詞:鍍硬鉻； R角鍍層； 分散能力； 象形陽極； ANSYS電場分析

引　言

電鍍硬鉻是一種傳統(tǒng)的表面電鍍技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用70多年[1]。鍍鉻層具有硬度高，耐磨、耐蝕性強(qiáng)并能長期保持表面光亮；加熱θ在500℃以下，對鍍鉻層的性能沒有明顯影響等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于防護(hù)性鍍層[2-3]。但是標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻液分散能力很低，對于一些復(fù)雜形狀的鍍件，若采用常見的平板陽極，會發(fā)生鍍層不均勻現(xiàn)象。以結(jié)晶器R角為例，據(jù)統(tǒng)計，結(jié)晶器內(nèi)表面R角處鍍鉻層過于偏薄是目前常見的一個現(xiàn)象。測量結(jié)果顯示，結(jié)晶器內(nèi)表面R角處鍍鉻層δ為20～30μm，而正常表面鍍層δ為80～100μm。結(jié)晶器在使用一段時間后，R角處鍍層往往首先脫落，漏出材料基體，發(fā)生腐蝕破壞，造成巨大損失。為解決R角處鍍層薄，提高鍍液分散能力，常采用象形陽極來達(dá)到目的[4-7]。但是象形陽極的選擇僅有依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試。本論文采用ANSYS軟件模擬分析電場強(qiáng)度，為陽極的選擇提供數(shù)據(jù)支持和理論分析[10-11]。

1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻液的基礎(chǔ)上，設(shè)計幾種形狀的陽極，利用ANSYS有限元分析軟件模擬分析電場強(qiáng)度的變化情況。根據(jù)電場強(qiáng)度的分布情況，確定最優(yōu)的陽極形狀。

實(shí)驗(yàn)選用的R角為銅管內(nèi)角，半徑10mm。所用陽極為目前常用的幾種：(a)直角陽極；(b)直角陽極的直角處內(nèi)切圓；(c)直角處外界3/4圓。(d)尖角陽極。如圖1所示。

圖1　鍍鉻陽極示意圖

ANSYS實(shí)驗(yàn)分析過程中，采用二維區(qū)域進(jìn)行電場分析，采用平面PLANE230單元對區(qū)域劃分網(wǎng)格，得到有限元模型。實(shí)驗(yàn)中陰極接電源負(fù)極，陽極接電源正極，在陽極上施加電壓為U，陰極上施加電壓為0，設(shè)陽極電阻為R1、陰極電阻為R2、電鍍液電阻為R3。根據(jù)拉普拉斯方程求解。

分析的結(jié)果經(jīng)過處理后，可以得到區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的電場強(qiáng)度，電場強(qiáng)度與電流密度分布對應(yīng)，所以可以分析出區(qū)域內(nèi)電流密度的分布。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1陽極形狀對電場分布的情況

ANSYS模擬分析不同形狀的陽極在陰陽極距離相同的情況下，電場強(qiáng)度的對比如圖2所示。

圖2　不同形狀的陽極在相同距離下的電場強(qiáng)度對比

圖2中紅色區(qū)域代表電場分布最強(qiáng)的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)電場最強(qiáng)，電場線分布最密集；由里層向外層電場強(qiáng)度依次較弱，藍(lán)色區(qū)域代表電場分布最弱的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)電場線稀少，電場較弱。從圖2中可以看出，在R角處及附近區(qū)域，c形狀的陽極作用效果使得此區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度明顯強(qiáng)于其它形狀的作用。

2.2陰陽極間距對電場分布的情況

ANSYS模擬分析相同形狀的陽極在不同陰陽極距離的情況下，電場分布情況如圖3所示。

從圖3可以看出，對于相同形狀的陽極，陰陽極間距減小，R角處電場強(qiáng)度提高，進(jìn)而鍍層沉積量增加，R角處鍍層變厚。對于a形狀的陽極，減小陰陽極間距，可以達(dá)到提高R角處鍍層厚度的目的，但是其效果明顯低于c形狀。

圖3　相同形狀的陽極在不同陰陽極間距下的電場分布圖

2.3陽極對不同形狀R角鍍層厚度的影響

ANSYS模擬分析陽極對不同形狀R角鍍層厚度的影響。圖4為在相同陽極條件下，R角處電場強(qiáng)度的分布情況。從圖4可以看出，在R角處電場強(qiáng)度較弱，電流密度低。R角越大，電場強(qiáng)度越大，電場線分布越密集。

圖4　相同條件下的陽極對不同R角形狀的電場分布圖

2.4陽極形狀及陰陽極間距對R角鍍層厚度的影響

由于ANSYS分析屬于模擬分析，所得數(shù)據(jù)僅是理論支持，無法達(dá)到宏觀上數(shù)據(jù)論證。所以選用三種形狀的陽極，進(jìn)行電鍍實(shí)驗(yàn)，調(diào)整陰陽極間距，測試鍍層厚度，所得結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，減小陰陽極間距離，R角鍍層厚度增加。在相同距離下，形狀c的象形陽極對于提高R角鍍層厚度效果強(qiáng)于形狀a，強(qiáng)于形狀b。當(dāng)陰陽極間距為5mm且選用c形狀陽極時，R角鍍層δ可以達(dá)到40μm，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。倘若繼續(xù)減小陰陽極間距，R角鍍層厚度會繼續(xù)增加，但是考慮到實(shí)際生產(chǎn)中，不能過度減小陰陽極間距，這會導(dǎo)致陽極過大，不便于操作以及導(dǎo)致陰陽極間鍍液分布過少，鍍液流通效果不佳，施鍍效果惡化。所以陽極形狀選擇c型，陰陽極間距離設(shè)置為5mm。

圖5　陰陽極間距對R角鍍層厚度的影響

3　結(jié)　論

1)在相同陰陽極間距下，c形狀陽極使R角處電場強(qiáng)度增強(qiáng)，提高R角鍍鉻層厚度效果明顯強(qiáng)于其他形狀。

2)對于相同形狀的陽極，陰陽極間距減小，R角處電場強(qiáng)度增加，鍍鉻層厚度增加。

3)當(dāng)選用相同條件下的陽極時，R角大小發(fā)生變化，R角鍍鉻層厚度也會發(fā)生改變。R角越大，鍍層厚度越厚。

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doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.07.007

收稿日期：2016-01-15修回日期： 2016-03-02

中圖分類號：TQ153.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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