NICKEL ELECTROPLATING CONTROL IN THE MODE WITH CURRENT REVERSAL CONSIDERING ITS LIMITING FREQUENCY
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
Volume 2014 № 1
, 2014
Rubrics: MANAGEMENT, MODELING, AUTOMATION
Authors:
1.
Tambov State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Automated Decision Support Systems)
2.
Tambov State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 37
to 44
Status:
Published
Received:
05.01.2014
Accepted:
25.01.2014
Published:
25.01.2014
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.3.072. 1:621.357.7
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK 31.221.5:34.663.054
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.3.072. 1:621.357.7
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK 31.221.5:34.663.054
Language:
Russian
Keywords:
electroplated coating, reverse current, transfer function, bandwidth, pulse width, coating uniformity, electroplating process control
Abstract (English):
Using reverse current during electroplating can increase the uniformity of the obtained coatings. When electroplating in a mode with reverse current the variable parameters are amperage of direct and reverse current as well as their pulses duration. For research process in this mode, the limits of variation of pulse duration or process frequency must be set. Frequency limit of the process can be found by providing a plating bath in the form of an equivalent circuit and by determining the bandwidth of the resultant circuit. The bandwidth is determined from the module of transfer function system. Its value can be found by conducting an experiment and determining the value of the constituent elements of the equivalent circuit using the techniques described in this research. The limited values of duration of direct and reverse currents for nickel electroplating process during the mode with current reversal are obtained. Available equipment does not allow experimental studies with obtained pulse durations. The device of current reversal with characteristics allowing conduction of experiments with pulse duration of 1 ms has been designed. Based on the device a computerized control system of electroplating process in the mode with current reversal is made. Application of the created system has improved the uniformity of the coating by 18.9 %, compared to plating using only a direct current.
Using reverse current during electroplating can increase the uniformity of the obtained coatings. When electroplating in a mode with reverse current the variable parameters are amperage of direct and reverse current as well as their pulses duration. For research process in this mode, the limits of variation of pulse duration or process frequency must be set. Frequency limit of the process can be found by providing a plating bath in the form of an equivalent circuit and by determining the bandwidth of the resultant circuit. The bandwidth is determined from the module of transfer function system. Its value can be found by conducting an experiment and determining the value of the constituent elements of the equivalent circuit using the techniques described in this research. The limited values of duration of direct and reverse currents for nickel electroplating process during the mode with current reversal are obtained. Available equipment does not allow experimental studies with obtained pulse durations. The device of current reversal with characteristics allowing conduction of experiments with pulse duration of 1 ms has been designed. Based on the device a computerized control system of electroplating process in the mode with current reversal is made. Application of the created system has improved the uniformity of the coating by 18.9 %, compared to plating using only a direct current.
Keywords:
electroplated coating, reverse current, transfer function, bandwidth, pulse width, coating uniformity, electroplating process control
electroplated coating, reverse current, transfer function, bandwidth, pulse width, coating uniformity, electroplating process control
Введение Одним из важных качественных показателей гальванических покрытий является неравномерность. Неравномерность покрытия возникает вследствие неоднородности электрического поля в электролите. Это приводит к дополнительному расходу электроэнергии и металла покрытия, а если на некоторых участках покрываемого изделия толщина покрытия будет меньше заданной, то оно будет забраковано. Значение критерия неравномерности рассчитывается по формуле , (1) где – минимальная толщина покрытия; – толщина покрытия в точке с координатами (x, y, z); – площадь поверхности катода. Существуют следующие методы повышения равномерности гальванических покрытий: - электрохимические (изменение плотности тока, применение тока специальной формы); - геометрические (использование фигурного анода, биполярного электрода, токонепроводящего перфорированного экрана, многоанодных систем). Геометрические способы являются сложными в технологическом плане и связаны со сложностью выбора конфигурации и перемещения анодных секций. Применение импульсных режимов повышает качество покрытия, однако, как показано в [1], для таких процессов, как меднение, хромирование, никелирование, цинкование, серебрение, золочение и многих других применение реверсивных токов даёт ещё лучшие результаты. При реверсировании тока за время включения напряжения «обратной» полярности скорость растворения металла покрытия на ближайших к анодам участках поверхности детали будет больше, чем на остальных. Это приводит к получению более равномерных покрытий по сравнению с использованием импульсного режима. Кроме того, периодическое изменение направления тока способствует получению светлых и блестящих покрытий, а также позволяет уменьшить внутренние напряжения в покрытиях. График изменения реверсивного тока показан на рис. 1. Рис. 1. График изменения реверсивного тока: Iк – сила тока прямого направления (ток катодной поляризации); Iа – сила тока обратного направления (ток анодной поляризации); tк – время осаждения металла (катодный период); tа – время анодной поляризации (анодный период) Целью исследований являлась разработка системы управления процессом никелирования с использованием реверсивного тока для улучшения равномерности получаемых покрытий. Из графика на рис. 1 видно, что процесс гальванопокрытия в режиме с реверсированием тока является частотным процессом. Следовательно, для управления таким процессом необходимо определить его предельную частоту (минимальную длительность включения прямого и реверсивного тока). Решение поставленной задачи рассмотрим на примере процесса никелирования. Никелевые покрытия широко используют в различных отраслях промышленности. Это объясняется физико-механическими и химическими свойствами никеля. В [2] экспериментально установлено, что для получения твердых блестящих никелевых покрытий из электролита Уоттса длительность импульса прямого тока должна быть не более 2 секунд, длительность обратного импульса – от 4 до 50 % от длительности прямого. В [3] твёрдые никелевые покрытия были получены при общей длительности прямого и обратного импульсов равной от 10 до 100 секунд, при этом длительность прямого импульса составляла от 80 до 95 % общей. В [1] для получения твёрдых покрытий оптимальным считают время включения прямого тока от 0,02 до 0,035 с, время включения обратного тока – от 0,004 до 0,0065 с. В [1–3] исследовалась зависимость внешнего вида и твёрдости покрытия, получаемого из электролита Уоттса, от длительности прямого и реверсивного токов. При этом равномерность получаемого покрытия не рассматривалась. Кроме того, в перечисленных исследованиях не указано обоснование выбора границ изменения длительности прямого и реверсивного токов для экспериментальных исследований. Нахождение значения предельной частоты исследуемого процесса Исходя из [4], представим гальваническую ванну в виде следующей эквивалентной схемы (рис. 2). Рис. 2. Эквивалентная схема электрохимической системы: R – активное сопротивление межфазовой границы; r – активное сопротивление электролита; C – ёмкость межфазовой границы; Uвх – входное напряжение; Uвых – выходное напряжение. Ёмкость C имеет реактивное сопротивление ZC Для нахождения полосы пропускания цепи используем соотношение , где K(ω) – передаточная функция; ω – циклическая частота процесса. Реактивное сопротивление рассчитывается по формуле . (2) . . (3) Подставив (2) в (3), получим . (4) Выделив в выражении (4) действительную и мнимую части, получим . (5) Значение модуля передаточной функции, соответствующее полосе пропускания цепи, равно 0,5 [5]. Таким образом, построив график зависимости модуля передаточной функции от циклической частоты и найдя значение ωпр, при которой модуль K(ωпр) = 0,5, получим предельную частоту для гальванического процесса в режиме с реверсированием тока. Опишем разработанную методику нахождения значений R, r, C в соответствии с данными, приведенными в [4], суть которой состоит в следующем. При подаче ступенчатого воздействия в режиме стабилизированного тока снимается характеристика зависимости заднего фронта импульса от времени. После выключения тока ёмкость C разряжается на сопротивление R от напряжения Uст – U(+0) до напряжения поляризации. Разрядный ток равен: (6) где Uп – напряжение поляризации. Уравнение (6) преобразуется к виду (7) В формуле (7) произведение RC является постоянным. Тогда получаем (8) где t – время разряда от напряжения U(+0) до напряжения Uп(t). Из формулы (8) можно найти значение RC: (9) Далее, необходимо найти U(+0). Был проведен эксперимент, который заключался в следующем. На гальваническую ванну было подано единичное ступенчатое воздействие длительностью 3 секунды, по заднему фронту которого было определено U(+0). Его значение находится из графика на рис. 3, построенного по результатам эксперимента. Рис. 3. График единичного ступенчатого воздействия Увеличим масштаб графика для упрощения нахождения U(+0). Результат показан на рис. 4. Рис. 4. Фрагмент графика единичного ступенчатого воздействия Зная значение U(+0) и Uст, находим значение падения напряжения на межфазовой границе: (10) На основе (10) находим значение сопротивления электролита: Для практического нахождения значения iст в систему дополнительно введено сопротивление 1 Ом. Так как это сопротивление активное, оно не вносит искажений в динамические характеристики цепи. В этом случае падение напряжения на этом сопротивлении будет численно равно iст. Далее можно найти сопротивление межфазовой границы и электролита: Далее можно найти сопротивление межфазовой границы: (11) Подставив (11) в (9), получим значение ёмкости межфазовой границы C. Полученные значения R, r, C являются данными для нахождения граничной частоты гальванического процесса. Для этого была разработана программа в системе Mathcad 15. Модуль передаточной функции находится из формулы (5) по формуле Зависимость модуля передаточной функции от частоты гальванического процесса представлена на рис. 5. Рис. 5. Зависимость модуля передаточной функции от частоты процесса Из графика на рис. 5 можно найти начальное приближение для нахождения предельной частоты f0, при которой модуль передаточной функции равен 0,5. С помощью стандартной функции root() системы Mathcad найдено точное значение f0 = 198 Гц. Полученное значение f0 свидетельствует о том, что для управления гальваническим процессом нанесения никелевого покрытия из электролита Уоттса в режиме с реверсированием тока сумма длительностей включения прямого и обратного токов должна быть не менее 5·10-3 с. Практическая реализация системы управления гальваническим процессом Используемый в промышленности высокоточный программируемый выпрямительный агрегат Flex Kraft способен выдавать импульсы прямого и реверсивного токов не менее 1 секунды. Оборудование с возможностью установить длительность импульса от единиц миллисекунд серийно не выпускается, а индивидуальный заказ для промышленных предприятий или для исследовательских целей является чрезмерно затратным. В связи с этим было разработано устройство реверсирования тока (мостовой инвертор) [6], схема которого представлена на рис. 6. Рис. 6. Схема устройства реверсирования тока Схема устройства подробно описана в [7]. Использованные в схеме устройства MOSFET-транзисторы обладают высокой скоростью переключения (порядка нескольких наносекунд), кроме того, они имеют хорошие температурные характеристики и низкую стоимость. На основе данного устройства была разработана компьютеризированная система управления гальваническим процессом с использованием реверсивного тока. Структурная схема системы представлена на рис. 7. Рис. 7. Структурная схема компьютеризированной системы управления гальваническим процессом Мостовой инвертор соединяется по интерфейсу RS-232 с COM-портом компьютера. Выпрямительный агрегат соединяется с мостовым инвертором согласно представленной схеме. На выпрямительном агрегате задается только значение силы тока, а длительность нанесения покрытия и управление частотой процесса осуществляется с помощью управления мостовым инвертором. Мостовой инвертор соединяется положительным выводом с анодом гальванической ванны, а отрицательным – с катодом (покрываемой деталью). Управление мостовым инвертором в системе происходит с помощью программы, написанной на Delphi 2007. Работа программы проверялась в операционных системах (ОС) Windows XP и 7. Использование ОС семейства Windows накладывает ограничения на время включения прямого и обратного тока не менее 1 миллисекунды. Это ограничение согласуется с ограничением на предельную частоту исследуемого процесса и не влияет на полученные результаты. Были проведены экспериментальные исследования процесса нанесения никелевого гальванического покрытия с применением разработанной компьютеризированной системы. Катодная и анодная плотности тока были постоянны и равны 500 А/м2. Границы интервалов изменения tк и tа были выбраны исходя из полученного значения предельной частоты f0, а также исследований [3], показывающих, что никелевое покрытие не будет рыхлым при частоте импульсов от 10-2 до 10-1 Гц и скважности от 80 до 95 %. В экспериментах использовался электролит Уоттса, температура электролита поддерживалась на уровне 52 °С. Электролит перемешивался воздухом из барботера. В качестве электродов использовались стальные пластины размерами 3 × 3 см, расстояние между пластинами – 4,5 см. Время нанесения покрытия 1 час. Для измерения толщины полученного покрытия применялся прибор «Константа К5», а для измерения микротвёрдости Hμ – микротвёрдомер «ПМТ-3М». Равномерность покрытия рассчитывалась по формуле (1). Результаты экспериментов приведены в таблице. Результаты экспериментов № эксперимента Катодный период tк, с Анодный период tа, с Неравномерность покрытия R Микротвёрдость Hμ, 106 Па 1 9 1 0,272 2576,824 2 15 1 0,208 2463,04 3 19 2 0,257 1815,646 4 30 3 0,236 2669,029 5 32 6 0,269 2652,354 6 37 7 0,265 2628,812 7 48 7 0,291 2516,009 8 52 9 0,251 3058,446 9 54 12 0,224 2682,762 10 65 13 0,225 2047,138 11 83 6 0,203 2633,717 12 2 0,2 0,218 2343,37 13 0,4 0,04 0,204 2338,466 14 0,02 0,004 0,201 2292,363 Экспериментальные исследования показали, что разработанная компьютеризированная система управления процессом нанесения гальванического покрытия в режиме с реверсированием тока при малых значениях длительности прямого и обратного токов приводит к повышению равномерности никелевого гальванического покрытия на 18,9 % по сравнению с нанесением покрытия только прямым током. Выводы и результаты 1. Разработан подход к определению предельной частоты процесса нанесения гальванического покрытия в режиме с реверсированием тока. 2. Получено значение предельной частоты процесса нанесения никелевого гальванического покрытия в режиме с реверсированием тока. 3. Разработано устройство реверсирования тока, позволяющее устанавливать длительность импульса прямого и обратного тока от 1 миллисекунды. 4. Создана компьютеризированная система управления гальваническим процессом с использованием реверсивного тока. 5. Проведены экспериментальные исследования, показывающие улучшение равномерности никелевого гальванического покрытия при управлении процессом в режиме с реверсированием тока на 18,9 % по сравнению с использованием только прямого тока.
1. Bahvalov G. T. Novaya tehnologiya elektroosazhdeniya metallov / G. T. Bahvalov. M.: Metallurgiya, 1966. 151 s.
2. Pat. 2470775 SShA, MPK C25D. Electroplating nickel and cobalt with periodic reverse current / G. W. Jernstedt, Myron Ceresa; zayavitel' i patentoobladatel' Westinghouse electric corp. № 759796; zayavl. 09.07.1947; opubl. 24.05.1949. 12 s.
3. Kollia S. Elektroosazhdenie blestyaschih nikelevyh pokrytiy s ispol'zovaniem reversivnogo impul'snogo toka / S. Kollia, F. Kotzia, N. Spirellis // Gal'vanotehnika i obrabotka poverhnosti. 1992. № 5-6. S. 23-26.
4. Gorodyskiy A. V. Vol'tamperometriya. Kinetika stacionarnogo elektroliza / A. V. Gorodyskiy. Kiev: Nauk. dumka, 1988. 176 s.
5. Gonorovskiy I. S. Radiotehnicheskie cepi i signaly: ucheb. dlya vuzov / I. S. Gonorovskiy. M.: Radio i svyaz', 1986. 512 s.
6. Reshenie Rospatenta ot 06.09.2013 g. o vydache patenta RF na poleznuyu model' po zayavke № 2013116258/07(024018). Mostovoy reguliruemyy invertor / Litovka Yu. V., Egorov S. A., Egorov A. S.
7. Litovka Yu. V. Ustroystvo realizacii rezhima reversirovaniya toka s zadannoy dlitel'nost'yu impul'sa / Yu. V. Litovka, A. S. Egorov // Voprosy sovremennoy nauki i praktiki. Universitet im. V. I. Vernadskogo. 2013. № 2 (46). S. 280-286.
