По электрическому заряду при гальваническом покрытии можно оценить массу осаждённого металла и эквивалентную среднюю толщину покрытия, если заданы реакция, выход по току, плотность и площадь покрытия. Этот расчёт помогает понять, как исходные параметры процесса влияют на оценку. Он не позволяет определить минимальную толщину в корне резьбы кабельного ввода, сплошность покрытия в углублении или коррозионные характеристики готового узла.
Полезная последовательность такова: заряд, масса осаждённого металла, затем объём, делённый на площадь. Понимая эти этапы, можно рассматривать расчётное среднее значение и местный замер как дополняющие друг друга величины, а не как взаимоисключающие ответы.
Начните с осаждаемого металла и электрохимической реакции. При осаждении никеля из ионов никеля(II) на каждый атом никеля приходится два электрона. В эксперименте Pine Research по электроосаждению никеля изложены эта реакция, связь между зарядом и массой осадка по закону Фарадея, а также влияние конкурирующих реакций на выход по току.
Электрическую границу расчёта также нужно чётко определить. Ток, подаваемый на подвеску с несколькими деталями, не обязательно целиком проходит через один кабельный ввод. Осаждение может происходить и на открытых токопроводящих приспособлениях или других компонентах. Для расчёта массы всего подключённого комплекта нужна соответствующая площадь покрытия; для расчёта одной детали требуется обоснованно отнести к ней часть заряда.
Площадь покрытия — это фактическая открытая поверхность, включённая в модель. Это не силуэт детали на фотографии и не площадь её ограничивающего прямоугольника. Резьба, уступы, отверстия и углубления увеличивают площадь поверхности, если они открыты для осаждения. Маскированные участки и места контакта необходимо учитывать отдельно.
Для кабельного ввода сложной формы я бы использовал контролируемую геометрию и схему нанесения покрытия, чтобы оценить площадь, а затем зафиксировал неопределённость этой оценки. Если площадь не документирована, она может стать главным источником ошибки толщины, даже когда ток и время измерены точно.
Для постоянного тока , измеряемого в амперах, в течение времени , измеряемого в секундах:
Заряд измеряется в кулонах. Тридцать минут — это 1800 секунд, поэтому при постоянном токе 2 A за это время проходит 3600 C. Если данные указаны в ампер-часах, умножьте их на 3600, чтобы получить заряд в кулонах.
При изменяющемся токе используйте интегральное значение заряда:
При изменении тока, паузах или изменении нагрузки я предпочитаю использовать подходящий журнал заряда, а не номинальную настройку источника питания. Указанное среднее значение тока полезно, только если оно относится к нужному интервалу и электрической границе модели. Ток — не напряжение: умножение заданного напряжения на время не даёт заряд, вызвавший осаждение.
Для импульсно-реверсивных процессов или процессов с несколькими конкурирующими реакциями нужно отдельно учитывать осаждение и растворение. Простую модель для положительного тока нельзя распространять на такие процессы, просто складывая модули всех токов.
Для простой модели катодного осаждения одного металла:
Здесь — масса осаждённого металла в граммах, — молярная масса металла в г/моль, — число электронов на один осаждённый атом, а — выход по току в виде доли. Таблица физических констант CODATA NIST приводит постоянную Фарадея , приблизительно равную 96485.33212 C/mol.
В этой модели выход по току показывает долю заряда, которая приводит к осаждению требуемого металла. Другие катодные реакции также могут расходовать заряд. Используйте значение, подтверждённое для заданного электролита, условий работы и загрузки; пример из справочника или высокий КПД источника питания сами по себе не подтверждают выход по току при осаждении.
Для нашего гипотетического расчёта никелевого покрытия примем:
| Параметр | Значение в примере | Основание |
|---|---|---|
| Заряд, подведённый к моделируемой детали | 3600 C | 2 A в течение 30 min |
| Молярная масса | 58.69 g/mol | Округлённое значение для никеля |
| Число электронов | 2 | Восстановление никеля(II) |
| Выход по току | 95% | Принятое для этого примера значение параметра процесса |
| Плотность осадка | 8.90 g/cm³ | Плотность, принятая для этого расчёта |
| Открытая площадь поверхности покрытия | 100 cm² | Принятая площадь в модели |
Расчётная масса осадка составляет около 1.040 g. Значение 95% — явно заданное допущение для примера, а не характеристика какой-либо производственной ванны Bepto. Если выход по току меняется во время процесса, нужно использовать выход, взвешенный по заряду, либо оценивать процесс по подходящим временным интервалам.
Измерение массы до и после нанесения покрытия может помочь проверить общую оценку осаждения, если метод измерения позволяет учесть другие изменения массы. Однако оно не выявит тонкий участок. Потери при очистке, оставшаяся жидкость или неучтённые осадки делают разницу масс, измеренную без контроля условий, вводящей в заблуждение.
При плотности в g/cm³ и открытой площади в cm² эквивалентная средняя толщина в микрометрах равна:
Коэффициент переводит сантиметры в микрометры. Для указанного примера 1.040 g, делённые на 8.90 g/cm³ и 100 cm², дают около 11.69 µm. Это объём осадка, равномерно распределённый по моделируемой площади поверхности, в предположении тонкого покрытия.
Результат можно проверить, сопоставив его с исходными данными. При неизменных массе осадка и плотности удвоение площади вдвое уменьшает расчётную среднюю толщину. Если в рукописной формуле вместо 0.95 подставить выход по току 95, результат увеличится в 100 раз; поле калькулятора принимает значение в процентах. Проверяйте единицы поля, а не переносите в него дробное значение из формулы.
Расчёт не распределяет материал по отдельным поверхностям. При более высокой средней толщине в углублении всё равно может быть недостаточно покрытия. Результат также не определяет состав покрытия, пористость, адгезию или какое-либо заданное минимальное значение.
Покрывная способность характеризует возможность системы нанесения покрыть поверхность; рассеивающая способность — насколько равномерно распределяется толщина осадка на поверхностях, расположенных по-разному. Это различие объясняется в оригинальном исследовании Бюро стандартов «Рассеивающая способность при хромировании», особенно в определениях и обсуждении покрывной способности. Приведённые в исследовании численные результаты для хромовой ванны не являются режимами никелевого процесса.
На кабельном вводе открытая кромка и поверхность резьбы в углублении занимают разные положения относительно электрического поля и потока электролита. Поэтому могут иметь значение расположение деталей на подвеске, положение анода, экранирование и доступ электролита к поверхности. Сначала выясните, образуется ли сплошной осадок на труднодоступном участке, а затем проверьте, соответствует ли его местная толщина заданному требованию. Это разные вопросы.
Рассмотрим отдельный гипотетический пример: у двух участков одинаковой площади толщина составляет 2 µm и 10 µm. Их среднее с весами по площади равно 6 µm. Равномерный слой толщиной 6 µm на обоих участках имел бы тот же объём осадка, но совсем другое минимальное значение толщины. Это арифметический пример, а не профиль покрытия, измеренный на кабельном вводе.
Перед выбором мест измерения определите на чертеже значимые поверхности: доступные плоские участки, уступы, уплотнительные посадочные поверхности и соответствующие зоны резьбы. Результат измерения на удобном плоском участке следует обозначить именно как результат для этого участка.
Опубликованная область действия ISO 3497 поясняет, что рентгеновские методы в первую очередь определяют массу покрытия на единицу площади; плотность позволяет пересчитать её в линейную толщину. Для небольшого изогнутого кабельного ввода измерительную установку также нужно адаптировать к выбранному месту, размеру пятна измерения и системе покрытия. Локальный замер не описывает автоматически всю деталь.
На подготовленном поперечном шлифе можно исследовать выбранный слой в месте среза, тогда как поверхностный метод может охватывать другой участок. Сопоставляйте результаты, только предварительно проверив места измерений и допущения методов. В ISO 2177:2003 описано кулонометрическое измерение толщины путём контролируемого анодного растворения электропроводящих покрытий. Это процедура измерения, отличная от оценки производственного осаждения по журналу тока гальванической ванны.
Руководство по местной толщине гальванического покрытия и коррозии подробнее рассматривает измерения и приёмку. Адгезию, полноту покрытия, местную толщину и воздействие коррозии следует оценивать как отдельные результаты. После нанесения покрытия также проверьте резьбу и уплотнительные поверхности по их функциональным размерам: арифметическая оценка толщины не подтверждает совместимость при сборке или срок службы.
По заряду и выходу по току оценивают, сколько металла получает моделируемая деталь; деление его объёма на заданную площадь покрытия даёт среднюю толщину. Значение 11.69 µm из примера имеет смысл только при указанных реакции, выходе по току, площади и плотности. Изменение любого из этих параметров меняет смысл результата.
Для готового кабельного ввода перенесите эту оценку процесса в план измерений с указанием мест. Покрывная способность и распределение толщины объясняют, почему правдоподобное среднее значение может сочетаться с тонким или непокрытым участком, и почему при заданной на чертеже минимальной толщине нужны данные местных измерений.
Простая модель предсказывает удвоение средней толщины, если ток, выход по току, плотность и площадь покрытия не меняются. Фактические условия процесса могут измениться во время нанесения, а местное распределение покрытия по детали может отличаться. Прежде чем переносить эту пропорциональность на конкретную поверхность кабельного ввода, я бы изучил журнал заряда и соответствующие данные о процессе.
Только если распределение этого заряда на кабельный ввод обосновано. Ток может также поступать на другие детали и открытые токопроводящие приспособления; на них тоже может осаждаться металл. Сопоставьте электрическую границу с площадью, используемой в расчёте. Деление общего заряда подвески на площадь одного кабельного ввода обычно описывает неверную физическую модель.
Покрывная способность характеризует возможность осаждения металла на поверхность, включая труднодоступные участки. Рассеивающая способность характеризует распределение толщины осадка по участкам, находящимся в разных положениях. Поверхность может быть покрыта, но слой на ней может оказаться тоньше требуемого. Я оцениваю покрытие и местную толщину отдельно, а не рассматриваю любой из этих терминов как общую оценку качества покрытия.
Нет. Один и тот же объём осаждённого металла может распределиться равномерно или сконцентрироваться в одних местах, тогда как в других слой останется тонким. Эквивалентная средняя величина не содержит информации о расположении участков. Используйте подходящий план измерений для значимых поверхностей и сопоставляйте местные результаты с указанными в чертеже или спецификации покрытия критериями приёмки.