侯 進(jìn)

(邯鄲市大舜電鍍設(shè)備有限公司，河北 邯鄲 056106)

0 前 言

電鍍過程是通過定量控制施加在陰極零件表面的電流密度來實(shí)現(xiàn)的。掛鍍只要確定全部零件的面積，然后乘以給定的電流密度，即可確定掛鍍槽上所需要施加的電流。而滾鍍并非全部零件受鍍，只有露在外面的表層零件是受鍍的，被表層零件屏蔽、遮擋的內(nèi)層零件，因不能與鍍液充分接觸，可近似地認(rèn)為是不受鍍的。但表層零件的面積是難以準(zhǔn)確計(jì)算的,并且目前滾鍍的電流密度尚不能像掛鍍一樣通過赫爾槽試驗(yàn)來確定。因此滾鍍時零件實(shí)際受鍍面積難以確定，電流密度也難以確定，難以像掛鍍一樣做到定量控制零件表面的電流密度。

1 電流密度定量控制的重要性

電流密度定量控制對鍍層的結(jié)晶、沉積速度等產(chǎn)生較大的影響，關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等問題，意義重大。其作用可概括為：

(1)獲得結(jié)晶細(xì)致、合格的鍍層 任何鍍液都會給定一個允許使用的電流密度范圍，也稱作獲得合格鍍層的電流密度范圍。電鍍生產(chǎn)時必須將施加在零件表面的電流密度嚴(yán)格控制在這個范圍內(nèi)，否則，電流密度低于下限，陰極可能沉積不上鍍層或沉積的鍍層不符合要求；超過上限，陰極電流效率下降，鍍層可能會燒焦或燒黑[1]。因此，電流密度定量控制的意義，首先是可以獲得結(jié)晶細(xì)致、合格的鍍層。

(2)加快鍍層沉積速度，提高生產(chǎn)效率 在允許使用的電流密度范圍內(nèi)，盡可能使用大的電流密度，可以加快鍍層沉積速度，縮短施鍍時間，提高生產(chǎn)效率。

(3)提高復(fù)雜零件低凹部位鍍覆性能 復(fù)雜零件低凹部位鍍覆性能往往不盡人意，滾鍍尤甚，其根本原因在于該部位電流密度較小，以至于可能達(dá)不到獲得合格鍍層所需要的電流密度下限。盡可能使用大的電流密度，可以提高復(fù)雜零件低凹部位的電流密度，提高其鍍覆性能。

總之，對電流密度進(jìn)行定量控制，是為了電鍍生產(chǎn)“又好又快”，即獲得優(yōu)質(zhì)鍍層和高效生產(chǎn)，重要性不言而喻，滾鍍掛鍍概莫能外。

2 掛鍍電流密度控制方法

掛鍍槽上所需要施加電流的關(guān)系表達(dá)式如下：

I=SJK

(1)

式中I—— 一個鍍槽上需要施加的電流強(qiáng)度，A

S—— 一個鍍槽中零件的總面積，dm2

JK—— 工藝給定的電流密度，A/dm2

(1)零件總面積S的確定 零件總面積S可先確定1個零件的面積，然后乘以1個掛具上零件的數(shù)量，再乘以鍍槽中帶零件的掛具的個數(shù)即可。

(2)給定電流密度JK的確定 電流密度JK由工藝給出，而工藝給出的電流密度是由赫爾槽試驗(yàn)確定的。圖1給出了一種利用赫爾槽試驗(yàn)確定某工藝生產(chǎn)時允許使用的電流密度范圍的參考方法。

圖1 赫爾槽試驗(yàn)確定電流密度范圍參考方法

圖中赫爾槽試片鍍層光亮范圍在AB之間，則在AB的1/2處劃一條線C，再在CB間靠近C端的1/3處劃一條線D，則CD間對應(yīng)的電流密度范圍為生產(chǎn)時允許使用的電流密度范圍，C和D 2處的電流密度分別為電流密度上限和下限[2]。

這樣，掛鍍槽上所需要的電流強(qiáng)度I，通過并不復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算就可以確定了。

3 滾鍍過程中電流密度的變化

3.1 零件在滾筒內(nèi)的分布狀況

如圖2所示，根據(jù)所處位置的明顯不同，將滾筒內(nèi)的小零件分成2部分：位于斜線區(qū)域的內(nèi)層零件和位于標(biāo)圓圈記號區(qū)域的表層零件。事實(shí)上，內(nèi)層零件和表層零件沒有嚴(yán)格的界限，零件之間越密實(shí)界限就越清楚，否則比較模糊。建立這樣一個模型，是為了便于分析和討論問題。另外，根據(jù)表層零件所處位置的不同，將其分成緊貼滾筒內(nèi)壁的表層零件，簡稱表內(nèi)零件(圖1中標(biāo)空心圓“○”記號的零件)，和表外零件(圖1中標(biāo)實(shí)心圓“●”記號的零件)2部分[3]。

圖2 滾筒中內(nèi)層零件與表層零件分布示意圖

3.2 零件在滾筒內(nèi)運(yùn)行的不同階段

滾鍍過程中零件表面的電流密度是不斷變化的，根據(jù)圖2中零件的分布狀況，將滾鍍過程中零件的運(yùn)行分成3個特殊階段，每個階段的電流密度狀況均有所不同，如圖3所示。

圖3 滾鍍件電流密度隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系

(1)t1階段，即運(yùn)行至內(nèi)層零件位置時：零件表面的電化學(xué)反應(yīng)基本停止，可將電流密度近似視作零。這時，這部分零件僅起電流傳輸?shù)淖饔?，并不參與陰極反應(yīng)。

(2)t2階段，即運(yùn)行至表內(nèi)零件位置時：可將零件表面的電流密度視作斷續(xù)的。當(dāng)零件(上的某點(diǎn))經(jīng)過孔眼處時電流密度較大，稱之為瞬時電流密度Jp，其值大或遠(yuǎn)大于平均電流密度Jm。經(jīng)過非孔眼處時電流密度極小，可近似視作零。因此，此階段作用在零件表面的電流密度實(shí)際是一種脈沖式的[4]。

(3)t3階段，即運(yùn)行至表外零件位置時：零件表面的電流密度平穩(wěn)、連續(xù)，但相對較弱，一般認(rèn)為其實(shí)際電流密度J小于平均電流密度Jm。

3個階段循環(huán)交替運(yùn)行，其次序、頻率及每個階段運(yùn)行的時間等是隨機(jī)的，目前尚無規(guī)律可循。3個階段零件表面的電流密度按“…近似為零→脈沖式電流或平穩(wěn)電流→近似為零…”周期性變化。

4 通行的滾鍍電流密度控制方法

通行的滾鍍電流密度控制方法，是一種按全部零件面積計(jì)的方法，大致為將一滾筒零件的全部面積計(jì)算出，然后乘以一定的電流密度，即電鍍時該滾筒所需要施加的電流，其關(guān)系表達(dá)式如下：

I=SMJK

(2)

式中I—— 一只滾筒上需要施加的電流強(qiáng)度，A

S—— 零件的公斤面積，dm2/kg

M—— 一只滾筒中零件的質(zhì)量，kg

JK—— 給定的電流密度，A/dm2

式中，一只滾筒中零件的質(zhì)量M比較容易確定，若能確定公斤面積S及給定的電流密度JK，則可確定電鍍一滾筒零件所需要的電流強(qiáng)度I。

4.1 公斤面積S的確定

滾鍍件往往尺寸較小，且多形狀復(fù)雜，較難確定其準(zhǔn)確面積?？砂磮D紙計(jì)算出1個零件的面積，然后乘以1 kg該零件的數(shù)量即可。若無圖紙，可按實(shí)際測量來確定其面積。若是復(fù)雜零件，按圖紙或測量可能均難以確定其準(zhǔn)確面積?，F(xiàn)介紹2種常見滾鍍件公斤面積的確定方法。

4.1.1 板狀沖壓件公斤面積的確定

板狀沖壓件公斤面積的關(guān)系表達(dá)式如下：

(3)

式中S—— 板狀沖壓件的公斤面積，dm2/kg

M—— 1個零件的質(zhì)量，g

γ—— 零件的密度，g/cm3

h—— 零件的厚度，mm

l—— 零件幾何圖形的總邊長，mm

零件的厚度h可用游標(biāo)卡尺或螺旋測微器準(zhǔn)確測量。零件幾何圖形的總邊長l，是指零件外緣和所有內(nèi)孔周長的總和。簡單零件的總邊長可通過直尺或游標(biāo)卡尺測量并計(jì)算得到，復(fù)雜零件在測總邊長時如果存在特殊曲線，可用線繩比劃后再進(jìn)行測量并計(jì)算得到[5]。

4.1.2 緊固件公斤面積的確定

可采用圖表法確定普通緊固件的公斤面積。圖4列出了不同規(guī)格螺絲、螺母所對應(yīng)的公斤面積數(shù)值，查圖表即可獲得某種規(guī)格螺絲或螺母的公斤面積[6]。

圖4 不同規(guī)格螺絲、螺母所對應(yīng)的公斤面積圖

4.2 給定電流密度JK的確定

這種方法給定的電流密度JK稱作全部零件電流密度，它等于通過鍍槽的電流與滾筒內(nèi)全部零件面積的比值。全部零件電流密度是不存在的、虛擬的，是為計(jì)算方便所設(shè)的一個假想值。因?yàn)闈L鍍時只有表層零件受鍍，內(nèi)層零件幾乎是不受鍍的，將不受鍍的內(nèi)層零件也計(jì)入受鍍面積，其比值必然是不真實(shí)的。

全部零件電流密度可能會在滾鍍配方中給出，或不同的人有不同的數(shù)據(jù)，但均為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，受滾筒尺寸、大小、裝載量、開孔率、零件品種等諸多因素的影響較大。有從業(yè)不深者直接使用掛鍍的電流密度，這往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滾鍍所能承受的電流限度，造成鍍層嚴(yán)重?zé)?、燒黑等?/p>

按全部零件面積計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，至少從形式上實(shí)現(xiàn)了像掛鍍一樣通過數(shù)學(xué)計(jì)算方便、快捷地獲得確切數(shù)據(jù)或調(diào)整電流，且避開了獲得零件實(shí)際受鍍面積的困難。缺點(diǎn)是，將包含不受鍍零件的全部零件計(jì)入面積是不科學(xué)的，且全部零件電流密度來歷不明。生產(chǎn)中有人用系數(shù)來修正全部零件面積或電流密度，但這個系數(shù)同樣來歷不明。因此，這種方法稱為“定量控制”名不副實(shí)。

5 科學(xué)的滾鍍電流密度控制方法

科學(xué)的滾鍍電流密度控制方法應(yīng)該是按有效受鍍面積計(jì)，并采用赫爾槽試驗(yàn)所確定的電流密度值，其關(guān)系表達(dá)式如下：

I=SJK

(4)

式中I—— 一只滾筒上需要施加的電流強(qiáng)度，A

S—— 一只滾筒中零件的有效受鍍面積，dm2

JK—— 給定的電流密度，A/dm2

5.1 零件有效受鍍面積S的確定

零件有效受鍍面積一般指表層零件上實(shí)際受鍍部分的面積，理論上可以通過幾何運(yùn)算的方法推導(dǎo)得出，但難度較大，問題多多。

(1)生產(chǎn)中使用的滾筒形式較多，有六角形滾筒、七(八)角形滾筒、圓形滾筒、鐘形滾筒、振動電鍍等，為簡化且實(shí)用起見，一般以生產(chǎn)中最常見的六角形滾筒及形狀簡單的圓形滾筒為例來推導(dǎo)有效受鍍面積。

(2)對于六角形滾筒來講，滾鍍過程中表層零件的面積是“…最小→最大→最小…”周期性變化的，取不同位置的面積代表表層零件面積，會產(chǎn)生不同的影響。滾鍍過程中圓形滾筒的表層零件面積是不變的。

(3)無法采用統(tǒng)一的公式表達(dá)所有滾筒裝載量下零件的有效受鍍面積，一般規(guī)定滾筒裝載量為1/3、2/5、1/2等，這給實(shí)際操作帶來麻煩。

(4)表層零件并非全部面積受鍍，其中表內(nèi)零件位于筒壁非開孔部分的面積是不受鍍的，所以表內(nèi)零件的面積需要經(jīng)過滾筒開孔率修正。

(5)滾筒開孔率修正后得到的僅僅是表層零件實(shí)際受鍍部分的平面面積，但表層零件不可能是完全的平面，而是坑洼不平的凹凸面，它比平面面積要大或大得多。所以，表層零件實(shí)際受鍍部分的平面面積需要經(jīng)過一個復(fù)雜系數(shù)的修正才能得到其真實(shí)面積，即滾鍍的有效受鍍面積S。其表達(dá)式如表1所示。

表1 滾鍍有效受鍍面積精確計(jì)算公式

注：表中r為滾筒半徑(dm)，六角形滾筒時r為滾筒內(nèi)對角的1/2，l為滾筒長度(dm)，μ為滾筒開孔率(%)，a為復(fù)雜系數(shù)(>1)。

另外，振動電鍍的有效受鍍面積精確計(jì)算公式為：

(5)

式中S—— 振動電鍍有效受鍍面積，dm2

r1—— 振篩外圓半徑，dm

r2—— 振篩內(nèi)圓半徑，dm

h—— 零件厚度，dm

μ—— 篩底、篩壁開孔率，%

a—— 復(fù)雜系數(shù)(>1)

5.2 給定電流密度JK的確定

這種方法是按零件的實(shí)際受鍍面積計(jì)入的，理論上應(yīng)該可以使用赫爾槽試驗(yàn)確定的電流密度，即一般工藝配方中給定的電流密度。但滾鍍是在封閉狀態(tài)下進(jìn)行的，滾筒壁板的阻礙作用使陰極區(qū)域主金屬離子濃度下降較大，允許使用的電流密度上限也會下降較大。這種方法的電流密度上限可由下式確定：

JK2=μ·JK1

(6)

式中JK2—— 滾鍍的電流密度上限，A/dm2

JK1—— 掛鍍的電流密度上限，A/dm2

μ—— 滾筒開孔率，%

這種方法僅考慮了滾筒開孔率的影響，沒有將壁板厚度的因素包含進(jìn)去，計(jì)算結(jié)果未免有偏差，具體應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)情況修正或調(diào)整。至于電流密度下限，因滾鍍給電流的原則是，在不超過上限的前提下盡可能使用大電流，則一般可以不考慮。

按有效受鍍面積計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是科學(xué)、合理，真正實(shí)現(xiàn)了滾鍍電流密度的定量控制。缺點(diǎn)是，有效受鍍面積公式中的復(fù)雜系數(shù)a尚不能通過精確計(jì)算獲得，如何使a更準(zhǔn)確，是這種方法完善與否的關(guān)鍵所在。

6 簡易的滾鍍電流密度控制方法

目前來看，按全部零件面積計(jì)和按有效受鍍面積計(jì)，2種方法的計(jì)算結(jié)果均可能有不同程度的偏差，需要經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐修正或調(diào)整。大致是，先施于計(jì)算所得的電流，發(fā)現(xiàn)鍍層燒焦或粗糙，說明電流過大超過上限，應(yīng)下調(diào)；發(fā)現(xiàn)鍍速慢、鍍層亮度差、低電流密度區(qū)鍍層質(zhì)量差等，說明電流小或過小，應(yīng)逐步上調(diào)至鍍層產(chǎn)生燒焦或粗糙止；如果鍍層質(zhì)量較好，說明電流在合適的范圍內(nèi)，但也要試著逐步上調(diào)至鍍層產(chǎn)生燒焦或粗糙止。如此通過試驗(yàn)摸索出電流上限(一般為鍍層產(chǎn)生燒焦或粗糙時的電流)，以便在不超過上限的前提下盡可能使用大電流生產(chǎn)。

并且，在隨后遇到相同或相近情況或體系內(nèi)有因素(主要包括滾筒尺寸、大小、裝載量、開孔率、零件規(guī)格品種、鍍液性能等)發(fā)生變化時，可參考該電流上限給電流。這時，為省卻計(jì)算的繁瑣，快速地投入生產(chǎn)，往往會用到一種簡易的滾鍍電流密度控制方法——按筒計(jì)，即按滾筒給電流。比如，普通緊固件酸性滾鍍鋅，采用一種載重量50 kg的滾筒電流常?？刂圃?60～250 A/筒，采用20 kg的滾筒常?？刂圃?00～150 A/筒。

按筒計(jì)是電鍍工作者在長期生產(chǎn)實(shí)踐中摸索出的一種簡易的滾鍍電流密度控制方法，它雖然缺乏理論上的依據(jù)，但避免了確定零件面積(包括全部零件面積和有效受鍍面積)的困難，很多時候能夠快速地投入生產(chǎn)，尤其適合批量恒定的滾鍍生產(chǎn)。缺點(diǎn)是，需要大量的經(jīng)驗(yàn)，否則，在影響滾鍍電流的其他因素如滾筒尺寸、大小、裝載量、開孔率、鍍件規(guī)格品種、鍍液性能等變化后，可能會不知所措，這對從業(yè)不深者是個考驗(yàn)。

7 小 結(jié)

(1)合理運(yùn)用滾鍍電流密度控制方法，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

(2)目前通行的滾鍍電流密度控制方法是按全部零件面積計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是至少從形式上實(shí)現(xiàn)了滾鍍電流密度的定量控制。缺點(diǎn)是，將包含不受鍍零件的全部零件計(jì)入面積是不科學(xué)的，且電流密度為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同樣不科學(xué)。

(3)科學(xué)的滾鍍電流密度控制方法是按有效受鍍面積計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是真正實(shí)現(xiàn)了滾鍍電流密度的定量控制，科學(xué)性優(yōu)于其他方法。 缺點(diǎn)是，復(fù)雜系數(shù)a不能精確獲得，準(zhǔn)確性受到影響。

(4)簡易的滾鍍電流密度控制方法是按筒計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是簡單、快捷，尤其適合恒定生產(chǎn)。缺點(diǎn)是需要大量的經(jīng)驗(yàn)，而經(jīng)驗(yàn)需要長時間積累，所以不適合很多人。

(5)目前滾鍍尚無一種像掛鍍一樣精確的電流密度控制方法，生產(chǎn)中可能需要3種方法并用，以切實(shí)應(yīng)對滾鍍電流密度定量控制的“老大難”問題。