脈沖電鍍電源的工作原理及技術研究

　　前言

　　脈沖電鍍是通過槽外控制方法改善鍍層質(zhì)量的一種強有力的手段，相比于普通的直流電鍍鍍層，其具有更優(yōu)異的性能（如耐蝕、耐磨、純度高、導電、焊接及抗變色性能好等），且可大幅節(jié)約稀貴金屬，因此，在功能性電鍍中得到較好的應用。目前脈沖電鍍中所使用的多為方波脈沖。

　　脈沖電鍍電源能產(chǎn)生方波脈沖電流，它在用于電鍍時并不能得到理想的正方波，而是一種近似于梯形的波形，這會影響脈沖電鍍瞬時高電位有利作用的充分發(fā)揮。脈沖頻率對鍍層結晶也會產(chǎn)生較大影響，頻率過低，效果不明顯;頻率過高，波形畸變程度大，甚至脈沖電流會變成直流電流。脈沖電鍍電源的正確使用（如設備安裝、設備選型、參數(shù)選擇等）對脈沖波形、設備可靠性、脈沖電鍍優(yōu)越性的正常發(fā)揮等均產(chǎn)生重要影響。

　　1 脈沖電鍍的基本原理

　　常見的脈沖電流波形有方波、三角波、鋸齒波、階梯波等。根據(jù)確定脈沖波形的幾點原則（如實鍍效果、便于分析和研究、易于獲得和調(diào)控、便于推廣等），方波是最符合要求的脈沖波形。典型的方波脈沖波形，如圖1所示。由圖1可知：脈沖電流實質(zhì)上是一種通斷的直流電。

　　1.1 脈沖電鍍的基本參數(shù)

　　傳統(tǒng)的直流電鍍只有電流或電壓可供調(diào)節(jié)，而脈沖電鍍有脈沖電流密度（或峰值電流密度）Jp、脈沖導通時間ton和脈沖關斷時間toff3個獨立的參數(shù)。由ton和toff可以引出脈沖占空比γ。

　?。?）脈沖占空比γ計算公式

　　脈沖占空比γ指脈沖導通時間ton占整個脈沖周期（ton+toff）的百分比，可用下式表示：

　?。?）平均電流密度Jm、峰值電流密度Jp、脈沖占空比γ關系式

　　在一個脈沖周期內(nèi)，由于電流只在部分時間（ton）導通，而其他時間（toff）為零，因此，脈沖電鍍的電流密度有平均電流密度和峰值電流密度之分。平均電流密度Jm等于峰值電流密度Jp與脈沖占空比γ的乘積，可用下式表示：

　　由式（2）可以看出：Jm一定時，Jp會根據(jù)γ的不同而改變。

　　1.2 脈沖電鍍過程

　?。?）在脈沖導通期ton內(nèi)

　　峰值電流密度相當于普通直流電流密度（或平均電流密度）的幾倍甚至十幾倍。高的電流密度所導致的高過電位使陰極表面吸附的原子的總數(shù)高于直流電沉積的，其結果使晶核的形成速率遠遠大于原有晶體的生長速率，從而形成具有較細晶粒結構的沉積層。

　　（2）在脈沖關斷期toff內(nèi)高的過電位使陰極附近的金屬離子以極快的速度被消耗，當陰極界面金屬離子的質(zhì)量濃度為零或很低時，電沉積過程進入關斷期。在關斷期內(nèi)，金屬離子向陰極附近傳遞從而使擴散層中金屬離子的質(zhì)量濃度得以回升，并有利于在下一個脈沖周期使用較高的峰值電流密度。

　　脈沖電鍍過程中，當電流導通時，電化學極化增大，陰極區(qū)附近金屬離子被充分沉積;當電流關斷時，陰極區(qū)附近放電離子又恢復到初始的質(zhì)量濃度，濃差極化消除，并伴有對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現(xiàn)象。這樣的過程周期性的貫穿于整個電鍍過程的始末，其中所包含的機理構成了脈沖電鍍的最基本原理。

　　2 脈沖電鍍的優(yōu)越性及適用性

　　2.1 鍍層結晶細致

　　在脈沖導通期內(nèi)，由于使用較高的電流密度，使晶核的形成速率遠遠大于原有晶體的生長速率，因此可形成結晶細致的鍍層。鍍層結晶細致則密度大、硬度高、孔隙率低，即：大大提高鍍層的耐蝕、耐磨、焊接、韌性、導電率、抗變色性，降低鍍層的粗糙度，這對于功能性電鍍來說尤其重要。

　　所以，脈沖電鍍主要適用于功能性電鍍領域，改善鍍層的各項功能性指標，從而滿足鍍件在不同情況下較高的使用要求。

　　2.2 改善鍍液分散能力

　　在脈沖關斷期內(nèi)，陰極區(qū)域溶液中導電離子的質(zhì)量濃度會得到不同程度的回升，溶液電阻率減小，則分散能力改善。因此，脈沖電鍍所得的鍍層均勻性好。這不僅有利于功能性電鍍，對于某些高要求的裝飾性電鍍也非常重要（如大尺寸工件的裝飾性鍍金、銀等），脈沖電鍍分散能力好的特點可使工件表面鍍層的顏色均勻一致、質(zhì)量穩(wěn)定。

　　所以，在某些高要求的裝飾性電鍍中，采用脈沖電鍍是有積極意義的。但對于常規(guī)的防護-裝飾性電鍍，如自行車、緊固件電鍍等，則沒有必要采用脈沖電鍍。

　　2.3 提高鍍層純度

　　在脈沖關斷期內(nèi)，會產(chǎn)生一些對沉積層有利的吸脫附現(xiàn)象。例如：脈沖導通期內(nèi)吸附于陰極表面的不溶性雜質(zhì)（含光亮劑）在關斷期內(nèi)脫附返回溶液中，從而可得到純度高的鍍層。鍍層純度高，可使鍍層的某些功能性大大提高，如脈沖鍍銀可提高鍍層的焊接、導電、自潤滑、抗變色等性能，這在軍工、電子、航空航天等領域的鍍銀生產(chǎn)中是難能可貴的。

　　2.4 鍍層沉積速率加快

　　脈沖關斷期內(nèi)金屬離子的質(zhì)量濃度的回升降低了濃差極化，有利于提高陰極電流效率和陰極電流密度，從而提高鍍速。脈沖電鍍的這種優(yōu)越性，可用于某些對鍍層沉積速率要求較快的電鍍生產(chǎn)（如電子線材的卷至卷連續(xù)電鍍）。但對于普通的電鍍生產(chǎn)，若選擇脈沖電鍍的目的單純是為了提高生產(chǎn)效率，則似乎有些不太合適。

　　2.5 消除或減輕鍍層氫脆

　　脈沖導通期內(nèi)陰極表面吸附的氫在關斷期內(nèi)從陰極表面脫附，鍍層氫脆消除或減輕，物理性能得到改善。鍍層氫脆小，工件的抗斷裂強度提高，這對機械強度要求較高的產(chǎn)品有著重要的意義。

　　3 周期換向脈沖電鍍

　　3.1 基本原理

　　周期換向脈沖電鍍又稱雙向脈沖電鍍。典型的周期換向脈沖電流波形，如圖2所示。在正向脈沖之后引入反向脈沖，正向脈沖比反向脈沖持續(xù)時間長，反向脈沖幅度通常大于正向脈沖的。大幅度、短時間的反向脈沖所引起的高度不均勻陽極電流密度分布可使鍍層凸處被強烈溶解而整平。

　　周期換向脈沖電鍍與單脈沖電鍍相比，具有以下優(yōu)越性：

　?。?）反向脈沖可有效改善鍍層的厚度分布，鍍層厚度更均勻，整平性更好;

　?。?）反向脈沖的陽極溶解使陰極表面金屬離子的質(zhì)量濃度迅速回升，這有利于下一個陰極周期使用高的脈沖電流密度，又使得晶核的形成速率大于生長速率，鍍層致密度進一步提高;

　?。?）反向脈沖的陽極剝離使鍍層中有機雜質(zhì)（含光亮劑）的夾附大大減少，因而鍍層純度更高，抗變色能力更強，這一點在氰化鍍銀中尤為突出;

　?。?）反向脈沖使鍍層中夾雜的氫發(fā)生氧化，從而可消除氫脆或減小內(nèi)應力;

　?。?）周期性的反向脈沖使鍍件表面一直處于活化狀態(tài)，因此可得到結合力好的鍍層;

　?。?）反向脈沖有利于減薄擴散層的實際厚度，提高陰極電流效率，因此合