WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     || 2 |

«Андреев И.Н., Межевич Ж.В., Зотеев К.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ И НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДВЕСОЧНОЙ ОСНАСТКИ Учебное пособие Казань 2006 УДК 541.13(076.5) ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Андреев И.Н., Межевич Ж.В., Зотеев К.А.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА

ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

И НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПОДВЕСОЧНОЙ ОСНАСТКИ

Учебное пособие Казань 2006 УДК 541.13(076.5) Моделирование распределения тока при электрохимической обработке и нанесении покрытий с использованием подвесочной оснастки: Учебное пособие/ И.Н. Андреев, Ж.В. Межевич, К.А.Зотеев;

Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2006. 00с.

.

ISBN 0-0000-0000- Пособие знакомит с приемами экспериментального исследования и моделированием распределения тока на обрабатываемых поверхностях с применением экранов, биполярных электродов и дополнительных анодов. Дано описание лабораторных работ специального раздела практикума по дисциплине «Основы теории и практики электроосаждения металлов и сплавов» с использованием опыта преподавания этого курса на кафедре ТЭП КГТУ. Выполнение работ сопровождается построением ПД-портретов моделирующих электролизеров с использованием графопостроителя пакета Excel.

Приведены также расчетные задания для самостоятельной работы студентов по решению задач распределения тока в электрохимических объектах с использованием пакета программ Cell-Design.

Предназначено для студентов химико-технологических специальностей вузов.

Подготовлено на кафедре технологии электрохимических производств Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета.

ISBN 0-0000-0000- Рецензенты: проф. Ахметов Т.Г., проф. Сайфуллин Р.С.

Электронная версия пособия доступна по адресу:

http://andreevin.narod.ru/ © Андреев И.Н., Межевич Ж.В., Зотеев К.А.

© Казанский государственный технологический университет, Введение Толщина металлического покрытия h, получаемого в результате гальванической операции, является важным показателем качества готового изделия. Она определяется значением локальной плотности тока j по формуле:

h = j q /d (1) (здесь: q – электрохимический эквивалент, – продолжительность процесса электроосаждения, –выход металла по току, d – плотность металла) и по этой причине оказывается величиной распределенной по поверхности обрабатываемых деталей, так как электрическое поле у поверхности покрываемых деталей обычно неоднородно вследствие сложности геометрии покрываемых деталей. При использовании подвесочной оснастки покрываемые детали имеют фиксированное положение в гальванической ванне, и это положение определяет количество электричества, приходящееся в процессе электролиза на каждую деталь и каждый элемент ее поверхности, так как электрическое поле за промежуток времени, в течение которого проводится операция, мало изменяется. При использовании для нанесения покрытий бесподвесочной технологической оснастки, при применении которой детали загружают в приспособление (барабаны, колокола, сетки-качалки и т.п. устройства) насыпью, в процессе электролиза детали внутри гальванической ванны перемещаются в некотором пространстве, ограниченном стенками этого приспособления. В этом состоит существенное различие «подвесочных» и «бесподвесочных» операций нанесения покрытий, так как во втором случае количество электричества, приходящееся на каждую деталь за время операции, практически не зависит от ее первоначального положения в пространстве ванны, а определяется условиями перемешивания.

При оценке параметров электрохимических процессов формирования покрытий в гальванических ваннах могут применяться численные методы интегрирования краевой задачи для потенциала в области между электродами. Однако компьютерные специализированные пакеты прикладных программ для численного расчета вторичного распределения плотности тока на трехмерных электродах пока малодоступны, что затрудняет определение электрохимических параметров процессов покрытий с использованием подвесок.

Рассмотрим общую постановку задачи, используемой для оценки параметров распределения тока на поверхности деталей при применении подвесочной оснастки. Расчетная схема наиболее распространенного в гальванотехнике электрохимического объекта - гальванической ванны с симметрично расположенными катодом и анодами приведена на рис. 1.

Обозначения имеют смысл: Sa,Skповерхности электродов, область интегрирования, РППрабочее поле подвески На рисунке изображен только один анод, так как предполагается, что сечение ванны симметрично относительно оси y. Расчеты распределения тока на электродах двухэлектродной ванны для получения электрохимических металлопокрытий можно проводить на основе решения следующей нелинейной краевой задачи:

Здесь - оператор Лапласа для функции Е, (x,y), Sa, Sk поверхности анода и катода; a, k - анодная и катодная поляризация, - удельное сопротивление электролита; n направление внешней нормали к электродной поверхности, Uk клеммовое напряжение электролитической ванны; Sи поверхности стенок ванны и зеркала электролита. Приведенная система уравнений может быть дополнена выражениями, определяющими распределение тока на каждом из электродов и суммарные токи через каждый электрод. Последнее выражение используется в процессе решения в качестве средства контроля сходимости процесса интегрирования:



В зависимости от особенностей решаемой задачи общая схема электрохимического объекта, приведенная на рис.1, может быть модифицирована с учетом конкретной геометрии катода. В частности, результаты расчетов распределения потенциала (рис.2) или плотности тока (рис.3) на поверхности катодных подвесок и анодных корзин, выполненых для разных вариантов гальванических ванн, могут использоваться при выборе оборудования для проектируемого промышленного объекта.

Для оценки степени неравномерности распределения тока на поляризованной поверхности применяют отношения экстремальных значений плотности тока на покрываемой поверхности: Кк= Jмин/Jсред (критерий Каданера) [1] и Ки= Jmax/Jmin (критерий Иванова) [2].

Эти критерии применяют при исследовании влияния различных факторов в процессе электроосаждения, влияющих на равномерность распределения тока по поверхности катода. При этом влияние каждого фактора на равномерность распределения тока оценивают степенью изменения критерия. Например, показатель рассеивающей способности электролитов, измеренный с помощью ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами, представляет собой отношение построенное с использованием критерия Иванова K и и K и, определенного для двух условий: в отсутствие поляризации катода и при ее учете, то есть применительно к первичному и вторичному распределениям тока.

Выражения, аналогичные (9), можно также применить при исследовании эффективности приспособлений, используемых для повышения равномерности покрытий:

K и2 представляют собой отношения экстремальных значений плотности тока на поверхности, соотвественно, в исходной ситуации и при применении приспособления, предназначенного для улучшения равномерности распределения тока. Так можно оценить эффективность использования проводящего и непроводящего экранов, биполярного электрода и дополнительных анодов, являющихся элементами подвесочных устройств, предназначенных для этой цели. Если для моделирования таких устройств используется ячейка с разноудаленными плоскопараллельными электродами, значения критерия Иванова K и и K и находят как отношение токов на разноудаленных катодах ячейки - Jб и Jд.

Рассчитанные значения плотности тока на поверхности катода могут быть использованы для расчета среднего значения толщины покрытия на деталях, одновременно покрываемых на подвеске (или в бесподвесочном приспособлении) по формуле:

Это значение можно использовать для комплексной оценки технологической точности операции с использованием выражения:

где - мера технологической точности; N - число деталей в обрабатываемой партии (или на подвеске, в барабане).

Рис.2. Распределение значений потенциала Е в пространстве между поверхностью анодной корзины и границей рабочего поля подвески (расчет выполнен для рабочей ванны автоматической линии многослойных покрытий глубиной 1500 мм, с межцентровым расстоянием мм при клеммовом напряжении В, уд. сопротивлении электролита 5 Ом.см) В приведенных выражениях (3) и (4) фигурирует поляризация электродов, которая, вместе с проводимостью электролита, определяет параметр процесса, который принято называть рассеивающей способностью электролита (процедура количественной оценки этой величины регламентируется ГОСТ 9.309-86). Этот параметр при выбранной геометрии покрываемых деталей определяет распределение тока. В тех нередких случаях, когда рассеивающая способность не обеспечивает требуемой степени равномерности покрытий, прибегают к дополнительным средствам, позволяющим регулировать параметры распределения плотности тока на покрываемой поверхности. Среди таких средств наибольшее распространение имеют экраны (проводящий и непроводящий), а также биполярный электрод и дополнительный анод. Предлагаемое вниманию читателя пособие состоит из двух частей. Первая часть посвящена моделированию распределения тока в гальванических ваннах с помощью ячейки с разноудаленными плоско-параллельными электродами, а во второй части описаны упражнения по компьютерному моделированию распределения тока на электродах в разнообразных ячейках.

Первая часть пособия содержит краткое описание лабораторных работ, которые позволяют познакомиться с приемами исследования при оценке равномерности распределения тока на катодной поверхности на основе физического моделирования с использованием ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами (работа 1), а также с принципами регулирования распределения тока на поверхности профилированного катода с помощью экранов (работа 2), биполярного электрода и дополнительного анода (работы 3 и 4). В этих работах также в качестве средства моделирования распределения тока и его корректирования использованы разные варианты ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами.

Применяемые в ходе выполнения работ лабораторные модели позволяют непосредственно наблюдать влияние на распределение тока на раздельных катодах проводящего и непроводящего экранов, а также электрохимических реакций на биполярном электроде и дополнительном аноде. С помощью предлагаемых схем измерений также можно исследовать влияние переменных факторов на электрические характеристики моделирующих электролизеров, что позволяет определять «цену» повышения равномерности распределения тока на катодной поверхности, которая выражается в повышении расхода электроэнергии, например, вследствие увеличения общего сопротивления электролизера в случае использования непроводящего экрана. При ознакомлении со средствами регулирования равномерности распределения тока на лабораторных моделях в этой части пособия предложено применять в качестве инструмента поляризационные диаграммы, облегчающие понимание принципов «работы» этих средств.

Вторая часть пособия рассчитана на использование пакета программ Cell-Design электрохимических ячеек с произвольными границами. В этой части пособия содержится краткое описание учебных упражнений, которые позволяют познакомиться с приемами работы с пакетом Cell-Design при оценке равномерности распределения тока на внешних границах рабочего поля подвесок в гальванических ваннах разных типов (работа 5), при выборе параметров размещения деталей на подвесках внутри рабочего поля (работа 6), при выборе параметров средств оптимизации распределения тока (работа 7). В этой части работы приведены также задания, позволяющие познакомиться с примами использования пакета при расчете распределения тока на индикаторных электродах ячеек сравнения (работа 8) и на электродах ячеек, которые использовали разные авторы при изучении проблемы рассеивающей способности электролитов и равномерности покрытий (работа 9). В работе 10 студент соприкоснется с темой, связанной с метрологическими характеристиками мерных датчиков, предназначенных для измерения плотности тока в работающих гальванических ваннах.

В приложении 1 дано краткое руководство по использованию опций пакета Cell-Design при выполнении заданий практикума, а приложение 2, подготовленное доц. Валеевым Н.Н., облегчит работу студента при планировании экспериментов и решении оптимизационных задач.

Литература:

1. Каданер Л.И. Равномерность гальванических покрытий.Харьков.: Изд-во Харьков.гос. ун-та, 1960.- 414 с.

2. Иванов В.Т. Расчеты электрических полей в многоэлектродных электрохимических системах с биполярными электродами. // Электрохимия. - 1974. - Т.10, № 11. - С. 1657 - 1662.

3. Иванов В.Т., Гусев В.Г., Фокин А.Н. Оптимизация электрических полей, контроль и автоматизация гальванообработки. / // М.: Машиностроение. М. - 1986. - 216 с.

4. Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (подвески, анодные корзины и погружные электрохимические модули) Казань, Изд. Казан. гос. технолог. ун-та. 2006.

Часть Работа 1. Моделирование распределения тока на катоде с использованием ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами Цель работы – освоение методических приемов изучения влияния плотности тока на его распределение на электродах ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами, измерений составляющих общего напряжения на элементах ячейки; ознакомление с влиянием природы электролитов и электродных процессов на показатели рассеивающей способности электролитов.

Для моделирования неравномерного распределения тока на катодной поверхности при оценке (измерении) рассеивающей способности электролитов применяют ячейки (электролизеры) разнообразных конструкций [1]. Наиболее простой из них является прямоугольная ячейка, показанная на рис. 4, с тремя плоскопараллельными электродами - одним анодом и двумя разноудаленными катодами [2]. При использовании такой ячейки рассеивающую способность выражают через значения критерия Иванова K и и K и, определенные для первичного (без учета влияния поляризации) и вторичного (с учетом поляризации электродов) распределений тока на «ближнем» и «дальнем»

катодах:

где K и и K и - отношения экстремальных значений токов на катодах. K и и K и рассчитываются по формулам: K и = Rд/Rб =lд / lб,, а K и = Jmax/Jmin= Jб/Jд), где Rд и Rб - сопротивления электролита в «длинном» и «коротком» межэлектродных промежутках; lд и lб – протяженности «длинного» и «короткого» межэлектродных промежутков; Jб и Jд – токи на «ближнем» и «дальнем» катодах.

Такая ячейка позволяет определять и поляризационный показатель рассеивающей способности электролитов, представляющий собой отношение катодной поляризуемости к удельному сопротивлению электролита (критерий Вагнера [3]):

Здесь dE/dj представляет собой производную, определенную на поляризационной кривой в точке, соответствующей средней плотности тока. Эту величину заменяют наклоном секущей катодной поляризационной кривой, проведенной через точки на поляризационной кривой, соответствующие плотностям тока на ближнем и дальнем катодах. То есть производную dE/dj заменяют отношением (Eд – Eб )/(jб –jд ), в котором Eд и Eб - значения потенциалов на катодной поляризационной кривой при плотностях тока jб и jд, соответствующих ближнему и дальнему катодам.

Поляризационный показатель Rj применяют в расчетах с использованием критерия электрохимического подобия Э = Rj / lo (lo - определяющий геометрический размер системы).

Для определения показателей рассеивающей способности по формулам (13) и (14) можно провести прямые измерения всех необходимых величин непосредственно на ячейке, используя схему, представленную на рис. 5, или выполнить расчеты тех же величин на основе эквивалентной электрической схемы ячейки, приведенной на рис.6. Во втором случае в качестве исходных данных, кроме размеров ячейки и электродов, применяют результаты поляризационных и кондуктометрических измерений для выбранных электролитов, так как номиналы сопротивлений, указанных на эквивалентной схеме, зависят от поляризации электродов и удельного сопротивления электролита.

Методика выполнения работы Эксперименты на моделирующей ячейке. В работе используют один из типов ячеек для моделирования неравномерного распределения тока при электроосаждении в гальванических ваннах. На схеме, приведенной на рис. 4, ячейка представляет собой прямоугольный сосуд из органического стекла, в котором размещены два одинаковых электрода 1б и 1д прямоугольной формы из стали или никелированные стальные пластины (при меднении в кислом электролите). Внутреннее пространство электролизера между плоскими электродами 1б и 1д разделяется на «короткий» и «длинный» межэлектродные промежутки с помощью анода, представляющего собой перфорированную цинковую, медную или никелевую пластину (в зависимости от процесса). При хромировании анодная пластина свинцовая. Электрическая схема экспериментальной установки состоит из двух цепей: поляризующей и измерительной.

Поляризующую цепь собирают, используя в качестве источника питания потенциостат, работающий в гальваностатическом режиме. Вольтметр потенциостата предназначен для измерения напряжения на отдельных участках изучаемого электролизера с точностью до второго десятичного знака. Общий ток, измеряемый амперметром, распределяется между ближним и дальним катодами. В качестве электрода сравнения в измерительной цепи используется хлорсеребряный стандартный электрод с потенциалом 0,201 В.

Рис.4. Схема включения в питающую цепь моделирующего электролизера с плоскопараллельными разноудаленными катодами (1б и 1д) и одним анодом (2); 3 – электролит в межэлектродных пространствах, А – амперметр, U - вольтметр для измерения клеммового напряжения, При измерении электродного потенциала капилляр электролитического ключа электрода сравнения должен быть плотно прижат к центру погруженной части электрода; для достижения стационарного значения потенциала требуется выдержка в течение 1-2 мин.

Данные, полученные в результате непосредственных замеров, заносят в таблицу, столбцы которой именуются в соответствии с обозначениями измеряемых величин на рис 5.

Используя таблицу экспериментальных данных, в пакете Excel получают поляризационные диаграммы (ПД - портреты) электролизера при моделировании процессов цинкования, меднения, никелирования и хромирования.

непосредственных измерений на ячейке, которые используют для построения поляризационной диаграммы, дополняют расчетными величинами, которые позволяют провести анализ взаимосвязи между компонентами общего напряжения электролизера и распределением тока между ближним и дальним катодами Рис.5. Схема моделирующего электролизера и включения его в питающую и измерительную цепи с одним анодом (2) и двумя катодами (1бл и1д) в электрическую цепь с приборами для измерения тока и составляющих общего напряжения на ячейке; 3 – электролит в межэлектродных пространствах; А – амперметр, U - вольтметр для измерения клеммового напряжения, Еа и Ек- вольтметры для измерения потенциалов катода и анода; Uбл и Uд - вольтметры для измерения падения напряжения в электролите между анодом и ближним катодом, между анодом и дальним катодом соответственно; П5848 потенциостат Например, можно выделить столбцы со значениями токов на ближнем и дальнем катодах, содержащих значения K и и K и, а также значения показателей рассеивающей способности, так как они тоже являются функцией плотности тока на катоде.

На ПД-портрете следует обратить внимание на «поведение» перфорированного анода в электролизере при использовании разных электролитов. Появление разности потенциалов на разных сторонах анода является свидетельством отклонений от идеальности ячейки по сравнению с ее эквивалентом (рис. 6). При сопоставлении собственных результатов с литературными данными нужно учесть, что «чужие»

данные могут быть представлены в другой шкале электродных потенциалов. Для приведения электродных потенциалов к водородной шкале необходимо учитывать потенциал хлорсеребряного электрода сравнения, равный 0,201 В.

Рис.6. Эквивалентная электрическая схема моделирующего электролизера (рис.4) с плоскопараллельными разноудаленными катодами и одним анодом. Iо, Iб, Iд –токи, протекающие через анод, ближний и дальний катоды, соответственно Упражнение 1. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах электролизера и на показатели рассеивающей способности Т и Rj электролита цинкования (состав и режим указывает преподаватель).

Опыт производят при комнатной температуре, значения плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяют с шагом 50 А/м2. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анодов - цинковые перфорированные пластины с разной степенью перфорации.

Упражнение 2. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах электролизера и на показатели рассеивающей способности Т и Rj кислого электролита меднения.

Опыт производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные предварительно никелированные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анодов - медные перфорированные пластины с разной степенью перфорации.

Упражнение 3. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах электролизера и на показатели рассеивающей способности Т и Rj электролита никелирования.

Опыт производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анодов никелевые перфорированные пластины с разной степенью перфорации.

Упражнение 4. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах электролизера и на показатели рассеивающей способности Т и Rj тетрахроматного электролита хромирования.

Опыт производят при значениях плотности тока от 50 до 5000 А/м2, изменяя ее с шагом100 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, и в качестве анодов - свинцовые перфорированные пластины с разной степенью перфорации.

По результатам измерений, произведенных для каждой комбинации электродов, на отдельном графике строят кривые зависимости всех измеренных значений составляющих общего напряжения на клеммах электролизера от тока, протекающего через электролизер и его параллельные цепи, то есть строят ПДпортреты изучаемых электрохимических объектов. На других графиках представляют зависимости токов, протекающих через ближний и дальний катоды, а также показателей рассеивающей способности Т и Rj от общего тока, протекающего через электролизер.

Пример ПД-портрета электролизера, полученный с использованием графопостроителя Excel, приведен на рис. 7.

Упражнение 5. Ознакомиться с влиянием состава электролита меднения (соотношения концентраций сульфата меди и серной кислоты) на составляющие напряжения на клеммах электролизера и на показатели рассеивающей способности Т и Rj кислого электролита меднения.

Опыт производят при значениях плотности тока от 50 до 650А/м, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные предварительно никелированные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода - медную перфорированную пластину.

Составы электролитов выбирают из таблицы.

Номер электролита При анализе экспериментальных данных полезно сопоставить на ПД-портрете результаты измерений с расчетными значениями тех же величин, дать объяснения расхождениям, сделать заключение о правдоподобности значений обсуждаемых величин.

Расчетные значения можно получить, используя эквивалентную схему моделирующей ячейки, приведенную на рис.6, и независимые исходные данные: результаты поляризационных измерений и значения удельного сопротивления электролитов.

Остальные данные получают, измеряя размеры элементов ячейки, так как значения напряжения Uэл могут быть рассчитаны на основе геометрических параметров модельного электролизера по формуле где l – расстояние между электродами; S – сечение электролита в этой части прямоугольного электролизера; а - удельное сопротивление электролита, которое можно измерить, используя прием определения этой величины на постоянном токе.

Специальная ячейка для проведения таких измерений и описание измерительной процедуры имеются в лаборатории.

Рис. 7. ПД-портрет лабораторного электролизера, использованного для моделирования распределения тока на разноудаленных плоскопараллельных катодах (обозначения на кривых соответствуют Численные эксперименты. Как было отмечено, простая конструкция ячейки для измерения рассеивающей способности, имеющая прямоугольную форму и плоскопараллельные разноудаленные электроды, позволяет получить ее электрический аналог в виде параллельно-последовательного соединения линейных и нелинейных сопротивлений (см. рис.6). Благодаря этому, имея минимум исходных данных (анодную и катодную поляризационные кривые и удельное сопротивление электролита), можно рассчитать распределение тока между разноудаленными катодами в ячейке любых размеров и получить значения показателей рассеивающей способности. Расчеты можно производить для электродных процессов с гладкими и Nобразными поляризационными кривыми [4]. Ниже приведены задания численного моделирования гальванической ванны (упражнения 6 и 8) и ячеек с плоскопараллельными разноудаленными катодами (упражнения 7 и 9) для процессов с гладкими и N-образными поляризационными кривыми.

Упражнение 6. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах гальванической ванны на основе расчетов с использованием литературных (или справочных) данных поляризационных измерений (для анодного и катодного процессов) и проводимости электролита. Состав электролита указывает преподаватель (предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят на основе эквивалентной схемы, содержащей три последовательно включенных сопротивления: два из них – это сопротивления эквипотенциальных границ электродэлектролит для анода и катода, третье - сопротивление электролита в прямоугольном межэлектродном пространстве.

Значения падений напряжений на этих сопротивлениях находят для значений плотности тока от 50 до 5000 А/м2, изменяя ее с шагом 100 А/м2. При расчете предполагают, что площади поверхности покрываемых деталей и анодных корзин совпадают с площадью сечения электролита в межэлектродном промежутке.

Размеры ванны (мм): размер вдоль оси катодной штанги – 1500, расстояние между осями анодной и катодной штанг –300, глубина –1500.

Расчеты рекомендуется выполнять в пакете Excel.

Итоговыми результатами численного эксперимента должны быть вольт-амперная характеристика гальванической ванны и зависимость удельного расхода электроэнергии при получении гальванического покрытия толщиной 24 мкм от общего тока через ванну, представленные с использованием графопостроителя Excel.

Упражнение 7. На основе численного эксперимента ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами и на показатели рассеивающей способности Т и Rj для одного из широко используемых в гальванотехнике электролитов. Состав электролита указывает преподаватель (предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят при известных анодной и катодной поляризационных кривых и удельном сопротивлении электролита для значений плотности тока от 50 А/м2 до значения, в 2-3 раза превышающего рабочую плотность тока для выбранного электролита, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Размеры моделирующей ячейки lд и lб принять равными 250 и 50 мм, площадь поверхности катодов - 25 см2. При расчете используют эквивалентную электрическую схему, представленную на рис.6. Расчеты рекомендуется выполнять в пакете Excel. Итоговыми результатами численного эксперимента должны быть вольтамперная характеристика ячейки, зависимости токов на ближнем и дальнем катодах и показателей рассеивающей способности электролита от общего тока через ячейку и средней катодной плотности тока, представленные с использованием графопостроителя Excel.

Упражнение 8. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах гальванической ванны на основе расчетов с использованием литературных (или справочных) данных поляризационных измерений (для анодного и катодного процессов) и проводимости электролита. Состав электролита указывает преподаватель (предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят для условий, приведенных в упражнении 5, но для N-образной катодной поляризационной кривой.

Упражнение 9. На основе численного эксперимента ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами и на показатели рассеивающей способности Т и Rj для одного из широко используемых в гальванотехнике электролитов. Состав электролита указывает преподаватель (предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят для условий, приведенных в упражнении 6, но для N-образной катодной поляризационной кривой.

Герасименко А.А., Микитюк В.И. Определение параметров электрохимических процессов осаждения покрытий (Справочные таблицы). – М:. Металлургия, 1980.- 110 с.

2. Haring H., Blum W.// Trans. Electrochem. Soc. –1923, v.44.-Р.283.

Оптимизация электрических полей, контроль и автоматизация гальванообработки. / В.Т. Иванов, В.Г. Гусев, А.Н. Фокин // М.:

Машиностроение. - М. - 1986. - 216 с.

Андреев И.Н. Расчет стационарного распределения тока на электродах ячейки Херинга-Блюма. // Тр. Моск. хим.технол.ин-та.С.22-25.

Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (подвески, анодные корзины и погружные электрохимические модули) Казань, Из-во. Казан.гос.технолог. ун-та. 2006.

Работа 2. Исследование эффективности экранов на гальванической подвеске Цель работы – ознакомиться с принципами регулирования тока на катоде с помощью проводящего и непроводящего экранов на основе измерений электрических параметров электролизеров с разноудаленными плоско-параллельными электродами, моделирующими систему основной катод – экран.

При проектировании технологической оснастки (подвесок) в гальванотехнике наиболее часто используется способ регулирования распределения тока c применением проводящих или непроводящих экранов, служащих конструктивными элементами приспособлений для нанесения покрытий. Иногда непроводящие экраны являются самостоятельными специальными устройствами для получения требуемого распределения тока на подвеске [1]. Применение проводящих экранов сопряжено с расходом металла и электроэнергии вследствие осаждения металла на дополнительных катодных поверхностях. Покрывающиеся элементы приспособлений нуждаются в периодической замене, особенно часто в тех случаях, когда введение дополнительной операции удаления осажденного металла с поверхности проводящего экрана приводит к быстрому изменению его геометрических параметров. На поверхности непроводящих экранов металл не выделяется. Это обеспечивает длительное сохранение параметров приспособлений и не вызывает расходов по обслуживанию. Однако такие устройства в гальванической ванне увеличивают до некоторой степени сопротивление межэлектродного промежутка, так как уменьшается сечение электролита, по которому протекает ток между анодом и катодом ванны.

Вследствие увеличения клеммового напряжения на ванне при сохранении средней плотности тока на деталях возрастает удельный расход электроэнергии на получение покрытий с фиксированными параметрами.

На рис. 8 приведены схемы проводящего и непроводящего экранов, которые могут быть элементами приспособления (подвески), используемого для нанесения гальванических покрытий. Такие экраны применяют для регулирования распределения тока на поляризованной поверхности.

Проводящий экран является дополнительным электродом в электрохимической системе и подключен параллельно с основным. Его располагают в электролите около выступающего элемента основного электрода. В этом случае проводящий экран «оттягивает на себя» часть тока, приходящегося на выступающий элемент поверхности основного электрода, тем самым обеспечивая более равномерное распределение тока на поляризованной поверхности основного электрода.

Рис. 8. Схемы взаимного расположения основного (1) и вспомогательного (2) электродов и проводящего (4) и непроводящего (6) экранов в гальванической ванне. 5-источник тока Непроводящий экран обычно представляет собой тонкую пластину из непроводящего материала, размещенную в электролите возле выступающего элемента рельефа поверхности основного электрода. Благодаря этому протяженность пути тока между выступающим элементом поверхности основного электрода и вспомогательным электродом возрастает, что и обеспечивает повышение равномерности распределения тока на поверхности основного электрода. Такая пластина закрепляется на подвеске и обычно защищается от контакта с электролитом, как и все другие части подвески, слоем непроводящего материала.

Исследование распределения тока на поверхностях электродов в некоторых случаях может производиться численным интегрированием уравнения Лапласа для плоского электрического поля, показанного, например, на рис. 9. Одним из возможных приемов, используемых при проектировании таких элементов гальванической оснастки, может быть проведение расчетов с использованием математической модели в виде уравнения Лапласа с соответствующими граничными условиями. В системе уравнений учитываются параметры электрохимических реакций на катодной и анодной поверхностях, а также геометрические характеристики обрабатываемой детали и средств регулирования распределения тока, их взаимное расположение. Численные решения системы уравнений позволяют получать распределения тока по поверхности детали, а критерий равномерности Ки дает возможность оценить степень близости распределения к требуемому. При необходимости в выбранную совокупность значений параметров проектируемого устройства вносят изменения, рассчитывают при новых исходных данных распределение тока, оценивают соответствующий критерий равномерности, сравнивают его с предыдущим значением и принимают решение на очередном шаге решения задачи в целом.

распределения тока на катоде двухэлектродной ванны при получении электрохимических металлопокрытий в случае, когда в межэлектродном пространстве находится непроводящий экран (см. рис. 9), при следующей постановке задачи:

где (x, y) ; -оператор Лапласа для функции Е (потенциал в точке поля); S а, Sк, Sи, Sэ - поверхности анода и катода, стенок ванны, зеркала электролита и непроводящего экрана, регулирующего распределение тока; a, k - анодная и катодная поляризация; - удельное сопротивление электролита; nнаправление внешней нормали к поверхностям Sa, Sk, Su, Sэ; Uk клеммовое напряжение на электролитической ванне.

Распределение тока на электродах и общий ток через электролизер можно определить на основе следующих выражений:

Результаты такого расчета приведены на рис. 10. Здесь показан характер влияния параметров примененного непроводящего экрана на распределение тока на профилированном катоде и плоском аноде гальванической ванны.

Сравнение рис. 10а и 10б показывает, что на выступающем элементе катода ток перераспределяется следующим образом: на вершине выступа плотность тока уменьшается почти в 2 раза, но возрастает на противоположном конце выступающего участка. На распределение тока на аноде также сказывается включение в межэлектродный промежуток непроводящего экрана. Если в отсутствие экрана на части анода со стороны выступа на катоде плотность тока повышена, то при установке экрана ток на этом конце анода снижается. Отмечено также, что введение экрана в межэлектродное пространство приводит к уменьшению суммарного тока, проходящего через электролизер при постоянном напряжении (2 В) на его клеммах.

Рис. 10. Результаты расчета распределения тока (А/см2) на ступенчатом катоде и на аноде тока на ступенчатом катоде и на аноде с использованием модели (12)-(18): а -. условия интегрирования: U = 2 В, = 5 Омсм; б - при введении в пространство между ними непроводящего экрана. Условия интегрирования: U = 2 В, = 5 Омсм.

При ознакомлении с принципами регулирования распределения тока по поверхности покрываемых деталей с использованием в конструкциях приспособлений проводящих и непроводящих экранов полезными могут оказаться моделирующие электролизеры, в которых имитируется влияние электрохимических процессов и параметров конструкций экранов на перераспределение тока на элементах катода. В таких электролизерах можно моделировать влияние поляризации электродов и проводимости электролита, оценивая при этом эффективность регулирующих устройств, изменяя состав электролита. На рис.11 приведены схемы ячеек, которые позволяют реализовать выбранный способ моделирования распределения тока на профилированном катоде.

Данные, полученные в результате непосредственных замеров, заносят в таблицу, столбцы которой именуются в соответствии с обозначениями измеряемых величин на рис. 12.

Используя таблицу экспериментальных данных, в пакете Excel получают поляризационные диаграммы (ПД - портреты) ячеек при моделировании процессов цинкования, меднения, никелирования и хромирования. На рабочем листе Excel таблицу результатов непосредственных измерений на ячейке, которые используют для построения поляризационной диаграммы, дополняют расчетными величинами, с помощью которых можно провести анализ взаимосвязи между компонентами общего напряжения электролизера и распределением тока между ближним и дальним катодами. Например, можно выделить столбцы со значениями токов на ближнем и дальнем катодах, рассчитанными значениями K и и K и2, а также со значениями показателей эффективности приспособления (с проводящим или непроводящим экраном):

так как они тоже являются функциями плотности тока на катоде.

Методика выполнения работы Эксперименты на моделирующей ячейке. В качестве емкости для электролизера используют прямоугольный сосуд из органического стекла вместимостью 0,2-0,5 дм3. В электролизер помещают две стальные пластины, изолированные с обратной стороны, которые будут выполнять роль «дальнего» и «ближнего»

катодов, перфорированную анодную пластину (цинковую, медную, никелевую или свинцовую - в зависимости от состава изучаемого электролита).

Непроводящий экран, показанный на рис. 11б, представляет собой перфорированную пластину из непроводящего материала с отверстиями небольшого диаметра. Проводящий экран может быть изготовлен в виде рамки из непроводящего материала, в которую вмонтирована стальная проволока, прикрепленная к рамке. Она включается в электрическую проводящую цепь по схеме рис. 11.

Рис.11. Схемы ячеек для моделирования распределения тока на разноудаленных элементах катода в отсутствие регулирующих устройств (а), при применении проводящего (б) и непроводящего (в) экранов: 1б, 1д – ближний и дальний от анода элементы катода; 2 – анод перфорированный; 3 – электролит в межэлектродных пространствах; 4- проводящий экран; 5 - источник тока; 6 – непроводящий экран; R – регулирующее сопротивление в цепи Измерения производят в соответствии со схемой, показанной на рис.12. Измерения на ячейке, соответствующей рис.

11а, позволяют получить значения K и, т.е. значения критерия Иванова, соответствующие подвеске, на которой не установлены средства регулирования распределения тока.

Рис.12. Схема измерений для построения ПД – портретов электролизеров, моделирующих приспособления для регулирования распределения тока на катоде с использованием проводящего и непроводящего экранов: А – амперметр; U - вольтметр для измерения клеммового напряжения; Еа и Ек- вольтметры для измерения потенциалов катода и анода; Uэл - вольтметр для измерения падения напряжения в электролите; П5848- потенциостат Измерения на ячейках, соответствующих рис. 11б и 11в, позволяют получить значения K и, отвечающие приспособлениям с проводящим или непроводящим экраном соответственно.

При проведении измерений и анализе результатов следует руководствоваться эквивалентными электрическими схемами исследуемых ячеек, приведенными на рис. 13-15. Первая из них соответствует случаю, когда в межэлектродных пространствах нет дополнительных элементов.

Эквивалентная схема рис. 14 соответствует физической схеме, приведенной на рис. 11б, а эквивалентная схема рис. соответствует ячейке, приведенной на рис. 11в.

Рис.13. Эквивалентная электрическая схема ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами, имитирующими профилированный катод и анод в гальванической ванне, соответствующая рис.11а Рис.14. Эквивалентная электрическая схема ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами, имитирующими профилированный катод и анод в гальванической ванне. Rэ – сопротивление непроводящего экрана, находящегося в промежутке между анодом и ближним Рис.15. Эквивалентная электрическая схема ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами, имитирующими профилированный катод и анод в гальванической ванне. Rэ – сопротивление проводящего экрана, находящегося в промежутке между анодом и ближним Упражнение 1. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с проводящим и непроводящим экранами, и на показатели K и, K и и Эпр при цинковании (состав электролита указывает преподаватель).

Опыт производят при комнатной температуре. Значения плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяют с шагом 50 А/м2. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода цинковую перфорированную пластину.

Упражнение 2. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с проводящим и непроводящим экранами, и на показатели K и, K и и Эпр при меднении в кислом электролите.

Опыт производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные предварительно никелированные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода - медную перфорированную пластину.

Упражнение 3. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с проводящим и непроводящим экранами, и на показатели K и, K и и Эпр при никелировании в стандартном электролите.

Опыт производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода - никелевую перфорированную пластину.

Упражнение 4. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с проводящим и непроводящим экранами, и на показатели K и, K и и Эпр при хромировании в тетрахроматном электролите.

Опыты производят при значениях плотности тока от 50 до 5000 А/м2, изменяя ее с шагом 100 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода - свинцовую перфорированную пластину.

По результатам измерений, проведенных для каждой комбинации электродов в указанном диапазоне поляризующего тока, на отдельном графике строят кривые зависимости всех измеренных значений составляющих общего напряжения на клеммах электролизера от тока, протекающего через электролизер и его параллельные цепи, то есть строят ПД-портреты изучаемых электрохимических объектов. На других графиках представляют зависимости токов, протекающих через ближний и дальний катоды, а также зависимости показателей K и, K и и Эпр от общего тока, протекающего через моделирующую ячейку.

Пример ПД-портрета электролизера, полученный с использованием графопостроителя Excel, приведен на рис. 16.

Упражнение 5. Ознакомиться с влиянием состава электролита меднения (соотношения концентраций сульфата меди и серной кислоты) на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с проводящим и непроводящим экранами, и на показатели K и, K и и Эпр при меднении.

Опыты производят при значениях плотности тока от 50 до 650, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные предварительно никелированные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода - медную перфорированную пластину.

При анализе экспериментальных данных полезно сопоставить на ПД-портрете результаты измерений с расчетными значениями тех же величин, дать объяснения расхождениям, сделать заключение о правдоподобности значений обсуждаемых величин. Расчетные значения можно получить, используя эквивалентную схему моделирующей ячейки, приведенную на рис.6, и независимо полученные исходные данные:

поляризационные измерения и значения удельного сопротивления электролитов.

Составы электролитов выбирают из таблицы:

электролита Остальные данные получают, измеряя размеры элементов ячейки, так как значения напряжения Uэл могут быть получены расчетом на основе геометрических параметров модельной ячейки по формуле где l – расстояние между электродами; S – сечение электролита в этой части прямоугольного электролизера; а - удельное сопротивление электролита, которое можно измерить, используя прием определения этой величины на постоянном токе.

Специальная ячейка для проведения таких измерений и описание измерительной процедуры имеются в лаборатории.

Численные эксперименты. Как было отмечено выше, простая конструкция ячеек, используемых для моделирования распределения тока на профилированных катодах, имеющих прямоугольную форму и плоскопараллельные разноудаленные электроды, позволяет получать их электрические аналоги в виде параллельно-последовательного соединения линейных и нелинейных сопротивлений (рис. 13-15). Благодаря этому, имея минимум исходных данных (анодную и катодную поляризационные кривые и удельное сопротивление электролита), можно рассчитать распределение тока между разноудаленными катодами в ячейках любых размеров и получить значения показателей K и, K и и Эпр.

Рис. 16. ПД-портрет лабораторного электролизера, использованного для моделирования процесса перераспределения тока на поверхности детали при применении экранирующих устройств на подвеске.

(обозначения на кривых соответствуют обозначениям, приведенным на Расчеты можно проводить для электродных процессов с гладкими и N-образными поляризационными кривыми [2]. Ниже приведены задания для численного моделирования ячеек с плоскопараллельными разноудаленными катодами, имитирующих влияние проводящего и непроводящего экранов, применяемых при цинковании, меднении, никелировании, хромировании или любом другом гальваническом процессе, для процессов с гладкими (упражнение 7) и N-образными (упражнение 8) поляризационными кривыми.

Упражнение 7. На основе численного эксперимента ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами и на показатели K и, K и и Эпр при имитации приспособлений с проводящим и непроводящим экранами для одного из широко используемых в гальванотехнике электролитов (по указанию преподавателя, предпочтительно, из следующих процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят при известных анодной и катодной поляризационных кривых и удельном сопротивлении электролита для значений плотности тока от 50 А/м2 до значения, в 2-3 раза превышающего рабочую плотность тока для выбранного электролита, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Размеры моделирующей ячейки lд и lб принять равными 250 и 50 мм, площадь поверхности катодов 25 см2. Параметры экранов (R и Rэ) согласовать с преподавателем. При расчете используют эквивалентные электрические схемы, представленные на рис.13-15. Расчеты рекомендуется выполнять в пакете Excel. Итоговыми результатами численного эксперимента должны быть вольтамперная характеристика ячейки, зависимости токов на ближнем и дальнем катодах и показателей K и, K и и Эпр от общего тока через ячейку и средней катодной плотности тока, представленные с использованием графопостроителя Excel.

Упражнение 8. На основе численного моделирования ячеек, имитирующих приспособления с проводящим и непроводящим экранами, ознакомиться с принципами управления распределением тока на поверхности покрываемых деталей.

Установить влияние плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки на основе расчетов с использованием литературных (или справочных) данных поляризационных измерений (для анодного и катодного процессов) и проводимости электролита. Состав электролита указывает преподаватель (предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят для условий, приведенных в упражнении 6, но для N-образной катодной поляризационной кривой.

Литература:

1. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник. Т.2. М:.

Машиностроение.- стр. 167.

2. Андреев И.Н. Расчет стационарного распределения тока на электродах ячейки Херинга-Блюма. // Тр. Моск. хим.-технол.ин-та.- 1977.

- №95. - С.22-25.

3. Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (подвески, анодные корзины и погружные электрохимические модули) Казань, Изд. Казан. гос. технолог. ун-та. 2006.

Работа 3. Исследование гальванической подвески с биполярным электродом Цель работы – ознакомиться с принципом регулирования распределения тока на поверхности покрываемых деталей в гальванотехнике с помощью растворимых и нерастворимых биполярных электродов; рассмотреть влияние важных электрохимических факторов на перераспределение тока в параллельных проводящих цепях, определяющих распределение тока, на основе исследования электрических параметров модельных электролизеров с биполярными электродами.

Один из наиболее часто используемых способов регулирования распределения тока при проведении электрохимических операций в гальванотехнике - применение непроводящих экранов, которые могут являться конструктивными элементами приспособлений для нанесения покрытий и получения требуемого распределения тока на поверхности деталей. Их применяют, в частности, в приспособлениях для нанесения многослойных покрытий типа медь-никель-хром на видовые поверхности деталей.

Применение непроводящих экранов, в отличие от проводящих, не сопряжено с расходом электроэнергии на осаждение металла на дополнительных катодных поверхностях, их параметры в процессе работы не изменяются. Это обеспечивает длительное сохранение параметров приспособлений и не вызывает расходов по обслуживанию, однако такие устройства в гальванической ванне увеличивают сопротивление межэлектродного промежутка, так как уменьшается сечение электролита, по которому протекает ток между анодом и катодом ванны. Вследствие увеличения клеммового напряжения на ванне при сохранении средней плотности тока на деталях возрастает удельная электроэнергия, расходуемая на получение покрытий с фиксированными параметрами. Использование биполярных электродов для оптимизации распределения тока на поверхности деталей по сравнению с непроводящими экранами позволяет снизить клеммовое напряжение, так как биполярный электрод может иметь большую проводимость, чем электролит в межэлектродном промежутке.

Рис. 17 Схема взаимного расположения основного (1), вспомогательного (4) и биполярного (3) электродов в На рис. 17 приведена схема взаимного расположения покрываемой детали, имеющей большое углубление, и биполярного электрода, который может быть элементом приспособления (подвески). Такой электрод позволяет увеличить плотность тока на поверхности детали внутри углубления, вследствие чего получаемое покрытие будет более равномерным.

При проектировании приспособлений для нанесения однослойных гальванических покрытий может решаться задача оптимизации, учитывающая электрохимические и геометрические параметры биполярного электрода, который может быть растворимым или нерастворимым. Во втором случае появляются некоторые преимущества оснастки, проявляющиеся в процессе ее эксплуатации.

Если в качестве ресурса оптимизации используются параметры биполярного электрода [1-4] (рис. 18), может быть сформулирована следующая краевая оптимизационная задача:

Здесь Е- потенциал электрода в области интегрирования (x, y) ;

-оператор Лапласа для функции Е; S a, S k, S u, - поверхности анода и катода, стенок ванны и зеркала электролита; Sbe поверхность биполярного электрода, координаты которого в области интегрирования и размеры анодного и катодного участков при известных характеристиках анодной и катодной реакций, протекающих на этих его участках являются управляющими параметрами в задаче оптимизации, состоящей в минимизации функционала:

Этот функционал есть выражение критерия равномерности Иванова. При этом следует принять во внимание выражения:

электрохимической системы, описываемой нелинейной краевой задачей (25)—(34), при интегрировании могут быть определены вольт-амперные характеристики гальванической ванны и найдены энергетические характеристики процесса.

Для уяснения физической сущности задачи в работе предлагается использовать лабораторную модель электрохимической системы, включающей биполярный электрод.

Она представляет собой прямоугольную ячейку с одним анодом и двумя катодами, расположенными на разных расстояниях от анода. Таким образом, в ячейке два электрода могут моделировать участки катодной поверхности, находящиеся на разных расстояниях от анода. В больший межэлектродный промежуток помещается биполярный электрод в виде двух плоских пластин, соединенных между собой накоротко. Пластины изготовлены из того же металла, что и анод ячейки. Тогда соединенные накоротко эти пластины имитируют растворимый биполярный электрод.

Если пластины, имитирующие в ячейке анодный и катодный концы биполярного электрода, сделать меньше по площади поверхности, чем сечение прямоугольной ячейки (рис.19), появляется возможность наблюдать влияние протекания параллельных токов в направлении одного из катодов модели на электрические характеристики системы.

Если одну из пластин, имитирующих концы биполярного электрода, изготовить из нерастворимого металла (или оксида), ячейка превратится в модель электрохимической системы, включающей нерастворимый биполярный электрод.

Методика выполнения работы Эксперименты на моделирующей ячейке. В качестве емкости для моделирующей ячейки используют прямоугольный сосуд из органического стекла вместимостью 0,2-0,5 дм3.

В ячейку помещают анод (из меди, никеля или цинка), два катода из меди или стали и две пластины, имитирующие биполярный электрод. Эти пластины могут быть медными, никелевыми или цинковыми в тех случаях соответственно, когда они имитируют растворимые биполярные электроды в электролитах меднения, никелирования или цинкования.

В тех же случаях, когда имитируется нерастворимый биполярный электрод, пластина, соответствующая анодному концу биполярного электрода, должна быть из нерастворимого материала. При проведении опытов со щелочным электролитом цинкования может быть использована пластина из углеродистой стали. На ней при анодной поляризации выделяться будет кислород, благодаря пассивности железа в этих условиях. Но при экспериментировании с другими электролитами необходимо воспользоваться титановой пластиной с двуокисномарганцевым оксидным покрытием.

Рис.19. Схемы ячеек для моделирования распределения тока на разноудаленных элементах катода в отсутствие регулирующих устройств (а), при применении биполярного электрода, полностью перекрывающего проводящую часть межэлектродного пространства (б) и биполярного электрода, шунтированного электролитом (в): 1б, 1д – ближний и дальний от анода элементы катода; 2 – анод перфорированный, 3 – электролит в межэлектродных пространствах; Кбэ-катодный конец биполярного электрода; Абэ-анодный конец биполярного Рис.20. Схемы измерений для построения ПД – портретов ячеек, моделирующих приспособления для регулирования распределения тока на катоде с использованием биполярного электрода (см. рис.19): А – амперметр; U - вольтметр для измерения клеммового напряжения; Еа и Ек- вольтметры для измерения потенциалов катода и анода; Uэл вольтметр для измерения падения напряжения в электролите; П5848потенциостат Значения измеряемых величин заносят в таблицу, столбцы которой поименованы в соответствии с электрической схемой, приведенной на рис. 20.

Работу производят в несколько этапов. Первоначально выполняют измерения в ячейке, имитирующей неравномерное распределение тока на разноудаленных элементах катода. Затем в больший межэлектродный промежуток на некотором расстоянии друг от друга помещают две замкнутые накоротко пластины из одного металла, которые имитируют растворимый биполярный электрод. Расстояние между пластинами соответствует длине биполярного электрода в реальном приспособлении для нанесения покрытия.

Эта система позволяет наблюдать распределение тока между его электролитным и металлическим (через биполярный электрод) путями. Для оценки вклада в проводимость межэлектродного промежутка электролитного проводника измеряют электрическую проводимость используемого электролита, применяя методику и схему измерений на постоянном токе. Затем рассчитывают падение напряжения в электролите для сравнения этой величины с результатом прямых измерений Uэл (см. рис. 20).

Ниже предлагается несколько упражнений, позволяющих обучающемуся ознакомиться с «поведением» биполярного электрода в электролитах для нанесения наиболее распространенных гальванических покрытий (цинкового, медного, никелевого). Упражнение 4 позволит детальнее рассмотреть влияние электрохимических свойств электролита на эффективность приспособления, предназначенного для улучшения равномерности покрытий. Упражнения следует выполнять на основе измерений с использованием лабораторных моделей, а также путем численного моделирования.

Упражнение 1. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с растворимым и нерастворимым биполярными электродами, и на показатели K и, K и и Эпр при цинковании (состав электролита указывает преподаватель).

Рис.21. Эквивалентная электрическая схема ячейки, моделирующей распределение тока на разноудаленных катодах Рис.22. Эквивалентная электрическая схема ячейки, моделирующей приспособление для регулирования распределения тока на катоде с использованием биполярного электрода, полностью перекрывающего сечение со стороны дальнего электрода (соответствующая рис. 19б) Рис.23. Эквивалентная электрическая схема ячейки, моделирующей приспособление для регулирования распределения тока на катоде с использованием биполярного электрода, не полностью перекрывающего сечение со стороны дальнего электрода (соответствующая рис. 19в) Опыты производят при комнатной температуре, значения плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяют с шагом 50 А/м2. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода - цинковую перфорированную пластину.

Упражнение 2. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с растворимым и нерастворимым биполярными электродами, и на показатели K и, K и и Эпр при меднении в кислом электролите.

Опыты производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные предварительно никелированные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода - медную перфорированную пластину.

Упражнение 3. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с растворимым и нерастворимым биполярными электродами, и на показатели K и, K и и Эпр при никелировании в стандартном электролите.

Опыты производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода никелевую перфорированную пластину.

Упражнение 4. Ознакомиться с влиянием состава электролита меднения (соотношения концентраций сульфата меди и серной кислоты) на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с растворимым и нерастворимым биполярными электродами, и на показатели K и, K и2 и Эпр при меднении.

Опыты производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные предварительно никелированные пластины, изолированные с нерабочей стороны, а в качестве анода медную перфорированную пластину.

электролита По результатам измерений, проведенных для каждой комбинации электродов в указанном диапазоне поляризующего тока, на отдельном графике строят кривые зависимости всех измеренных значений составляющих общего напряжения на клеммах ячейки от тока, протекающего через ячейки и их параллельные цепи, то есть строят ПД-портреты изучаемых электрохимических объектов. На других графиках представляют зависимости токов, протекающих через ближний и дальний катоды, а также зависимости показателей K и, K и и Эпр от общего тока, протекающего через моделирующую ячейку. При анализе экспериментальных данных полезно сопоставить на ПДпортрете результаты измерений с расчетными значениями тех же величин, дать объяснения расхождениям, сделать заключение о правдоподобности значений обсуждаемых величин. Расчетные значения можно получить, используя эквивалентные электрические схемы моделирующих ячеек, приведенные на рис.

21-23, и независимо полученные исходные данные: результаты анодных и катодных поляризационных измерений (в том числе, и на нерастворимом аноде) и значения удельного сопротивления электролитов. Остальные данные получают, измеряя размеры элементов ячейки, так как значения напряжения Uэл могут быть получены расчетом на основе геометрических параметров модельной ячейки по формуле где l – расстояние между электродами; S – сечение электролита в этой части прямоугольного электролизера; - удельное сопротивление электролита, которое можно измерить, используя прием определения этой величины на постоянном токе.

Специальная ячейка для проведения таких измерений и описание измерительной процедуры имеются в лаборатории.

Пример ПД-портрета электролизера, полученный с использованием графопостроителя Excel, приведен на рис. 24.

Численные эксперименты. Как было отмечено выше, простая конструкция ячеек, используемых для моделирования распределения тока на профилированных катодах, имеющих прямоугольную форму и плоскопараллельные разноудаленные электроды, позволяет получать их электрические аналоги в виде параллельно-последовательного соединения линейных и нелинейных сопротивлений. На рис. 21-23 приведены эквивалентные электрические схемы трех ячеек. Первая схема соответствует ячейке с разноудаленными катодами и перфорированным анодом, которая моделирует распределение тока на сложнопрофилированном катоде. Вторая схема соответствует ячейке, в которой часть электролитического проводника в «длинном» межэлектродном промежутке заменена биполярным электродом. На третьей схеме появилось дополнительное сопротивление, шунтирующее биполярный электрод. Оно соответствует сопротивлению электролита, находящегося рядом с биполярным электродом в ячейке.

Благодаря возможности замены ячейки простыми электрическими аналогами, появляется возможность, имея минимум исходных данных (анодную и катодную поляризационные кривые и удельное сопротивление электролита) рассчитать распределение тока между разноудаленными катодами в ячейках любых размеров и получить значения показателей K и, K и и Эпр. Расчеты можно производить для электродных процессов с гладкими и Nобразными поляризационными кривыми [2].

Ниже приведены задания для численного моделирования ячеек с плоскопараллельными разноудаленными катодами, имитирующих влияние биполярных электродов, применяемых для улучшения распределения тока на поверхности деталей при цинковании, меднении, никелировании или любом другом гальваническом процессе, имеющем гладкие (упражнение 5) и Nобразные (упражнение 6) поляризационные кривые.

Упражнение 5. На основе численного эксперимента ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки с разноудаленными плоскопараллельными электродами и на показатели K и, K и и Эпр при имитации приспособлений с растворимым и нерастворимым биполярными электродами для одного из широко используемых в гальванотехнике электролитов (по указанию преподавателя, предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение или никелирование).

Расчеты производят при известных анодной и катодной поляризационных кривых и удельном сопротивлении электролита для значений плотности тока от 50 А/м2 до значения в 2-3 раза превышающего рабочую плотность тока для выбранного электролита, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Размеры моделирующей ячейки lд и lб принять равными 250 и 50 мм, площадь поверхности катодов 25 см2. При расчете используют эквивалентные электрические схемы, представленные на рис. 21-23. Расчеты рекомендуется выполнять в пакете Excel. Итоговыми результатами численного эксперимента должны быть вольтамперная характеристика ячейки, зависимости токов на ближнем и дальнем катодах и показателей K и, K и и Эпр от общего тока через ячейку и средней катодной плотности тока, представленные с использованием графопостроителя Excel.

Рис. 24 ПД-портрет лабораторного электролизера, использованного для моделирования перераспределения тока на катоде с использованием биполярного электрода (обозначения на кривых соответствуют Упражнение 6. На основе численного моделирования ячеек, имитирующих приспособления с растворимым и нерастворимым биполярными электродами, ознакомиться с принципами управления распределением тока на поверхности покрываемых деталей, установить влияние плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки и значения показателей K и, K и и Эпр на основе расчетов с использованием литературных (или справочных) данных поляризационных измерений (для анодного и катодного процессов) и проводимости электролита. Состав электролита указывает преподаватель (предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят для условий, приведенных в упражнении 6, но для N-образной катодной поляризационной кривой.

Обучающемуся предлагается провести по возможности более полный анализ совокупности экспериментальных данных на ПД – портретах ячеек, моделирующих распределение тока на поверхности профилированного катода и влияние на это распределение параметров биполярного электрода в совокупности с электрохимическими параметрами электролита. На основе такого анализа можно сделать собственные выводы об изучаемом объекте.

Литература:

1. Каданер Л.И. Равномерность гальванических покрытий. - Харьков.:

Изд-во. Харьков.гос. ун-та, 1960.- 414 с.

2. Иванов В.Т. Расчеты электрических полей в многоэлектродных электрохимических системах с биполярными электродами. // Электрохимия. - 1974. - Т.10, № 11. - С. 1657 - 1662.

3. Иванов В.Т., Гусев В.Г., Фокин А.Н. Оптимизация электрических полей, контроль и автоматизация гальванообработки. - М.:

Машиностроение, 1986. - 216 с.

4. Фомичев В.Ф., Машовец В.П. Исследование системы с биполярными электродами в виде комплекса круговых цилиндров. // Ж. физ.химии.Т. 35, № 4. - С. 5. Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (подвески, анодные корзины и погружные электрохимические модули) Казань, Изд-во Казан.гос.технолог. ун-та. 2006.

Работа 4. Исследование распределения тока в системе с дополнительными анодами Цель работы – ознакомиться с принципами регулирования тока на катоде с помощью дополнительных анодов на основе измерений электрических параметров электролизеров с разноудаленными плоско-параллельными электродами, моделирующими систему катод – анод внешний, анод внутренний.

При проектировании технологической оснастки для нанесения покрытий на сложно профилированные детали, например на детали типа стаканов, в гальванотехнике часто используют дополнительные аноды для обеспечения большей равномерности распределения тока на внутренних и наружных поверхностях таких деталей [1].

Для обеспечения равномерного распределения тока на внешней Sвш и внутренней Sвн поверхностях детали (рис.25) необходимо строго позиционировать электроды. В приспособлениях для нанесения покрытий на такие детали внутренние аноды растворяются особенно интенсивно, поэтому приходится их часто заменять, что приводит к повышению трудозатрат на выполнение гальванических операций. Для повышения стабильности технологических операций в некоторых случаях могут использоваться нерастворимые аноды. Но при этом процессы на внешних и внутренних анодах протекают при разных электродных потенциалах. Для регулирования распределения тока на внешней и внутренней поверхностях покрываемой детали необходимо дополнительно регулировать ток в поляризующей цепи.

Показанная на рис.25 система является частным случаем многоэлектродных систем, используемых в гальванотехнике для нанесения равномерных покрытий на детали сложной формы.

Исследование распределения тока на поверхностях электродов в некоторых случаях может проводиться численным интегрированием уравнения Лапласа для плоского электрического поля, показанного, например, на рис. 26, с соответствующими граничными условиями, в которых учитываются параметры электрохимических реакций на катодной и анодной поверхностях, а также геометрические характеристики обрабатываемой детали и средства регулирования распределения тока, их взаимное расположение.

Численные решения системы уравнений позволяют получать распределение тока по поверхности детали, а критерий равномерности Ки дает возможность оценить степень близости распределения к требуемому. При необходимости в выбранную совокупность значений параметров проектируемого устройства вносят изменения, рассчитывают при новых исходных данных распределение тока, оценивают соответствующий выбранной совокупности критерий равномерности Ки, сравнивают его с предыдущим значением и принимают решение на очередном шаге решения задачи в целом.

При этом для моделирования распределения тока на катоде гальванической ванны при получении электрохимических металлопокрытий с использованием дополнительных анодов (см.

рис. 26) можно решать следующую нелинейную краевую задачу:

где (x, y) ; -оператор Лапласа для функции Е; Sa, Sk, Su, поверхности анода и катода, стенок ванны и зеркала электролита;

Sa1, Sa2- поверхности дополнительных анодов, регулирующих распределение тока; a, k - анодная и катодная поляризация; удельное сопротивление электролита; n- направление внешней нормали к поверхностям S a, S k, S u, S a1, S a 2 ; Uk - клеммовое напряжение электролитической ванны; U a1, U a2 - напряжение на клеммах катод - дополнительный анод.

При ознакомлении с принципами регулирования распределения тока по поверхности покрываемых деталей с использованием дополнительных анодов в конструкциях приспособлений полезными могут оказаться моделирующие ячейки, в которых имитируется влияние таких анодов на перераспределение тока на внутренних и внешних элементах катода. В таких ячейках можно наблюдать совместное влияние поляризации электродов и проводимости электролита на эффективность регулирующих устройств, если соответствующим образом подобрать состав электролита. На рис. 28 и 29 приведены схемы ячеек, которые позволяют проводить такие наблюдения.

Аноды ячеек, имитирующие внешний и внутренний аноды приспособления, включены в поляризующую цепь через регулирующие сопротивления, которые позволяют выравнивать токи, приходящиеся на обе стороны катодной пластины.

Рис. 27. Схемы электрохимических ячеек, моделирующих систему, включающую трубчатый катод (2), внешний и внутренний аноды Рис. 28. Схема измерения падений напряжения на элементах внутренних цепей ячейки, моделирующей систему, включающую трубчатый катод(2), внешний и внутренний (нерастворимый) аноды (1вш, 1вн): А, U - амперметр и вольтметр, R – регулирующее гальванопокрытий с использованием ячеек, схемы которых приведены на рис.28, можно проводить измерения электрических параметров элементов, имитирующих элементы устройства для регулирования распределения тока. При этом можно использовать схему измерений, приведенную на рис.29. На основе этих измерений могут быть построены ПД – портреты моделирующих ячеек, которые можно использовать для анализа влияния переменных параметров на распределение тока между внутренней и внешней поверхностями катода.

Методика выполнения работы Эксперименты на моделирующей ячейке В качестве емкости для ячейки используют прямоугольный сосуд из органического стекла вместимостью 0,2-0,5 дм3. В ячейку помещают два анода из цинка, меди, никеля или свинца (при хромировании) и катодную стальную пластину, «работающую» с обеих сторон. Электроды перед началом опыта механически обрабатывают и промывают, высушивают, а в случае использования кислого электролита меднения стальной катод предварительно никелируют.

Рис. 29. Эквивалентная электрическая схема ячейки, моделирующей систему, включающую трубчатый катод, внешний и внутренний аноды Рис. 30. Эквивалентная электрическая схема ячейки, моделирующей систему, включающую трубчатый катод, внешний и внутренний аноды.

Регулирующее сопротивление R включено в цепь внутреннего анода Рис. 31. Эквивалентная электрическая схема ячейки, моделирующей систему, включающую трубчатый катод, внешний и внутренний нерастворимый аноды. Регулирующее сопротивление R включено в цепь Ток и напряжение на электролизере измеряют с точностью до 0,01 измеряемой величины. Электрическая схема включения ячейки и все измеряемые величины указаны на рис. 27 и 28.

По результатам измерений, проведенных для каждой комбинации электродов в указанном диапазоне поляризующего тока, на отдельном графике представляют зависимости всех измеренных значений составляющих общего напряжения на клеммах ячейки от тока, протекающего через ячейку и ее параллельные цепи, то есть строят ПД-портреты изучаемых электрохимических объектов. На других графиках представляют зависимости токов, протекающих через «внутреннюю» и «внешнюю» стороны катода, а также зависимости показателей моделирующую ячейку.

Упражнение 1. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с растворимым и нерастворимым дополнительным анодами, и на показатели K и, K и и Эпр при цинковании (состав электролита указывает преподаватель).

Опыты производят при комнатной температуре, значения плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяют с шагом 50 А/м2. В качестве двухстороннего катода используют стальную пластину, и в качестве внутреннего и внешнего анодов - цинковые пластины.

Упражнение 2. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с растворимым и нерастворимым дополнительным анодами, и на показатели K и, K и и Эпр при меднении (состав электролита указывает преподаватель).

Опыты производят при комнатной температуре, значения плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяют с шагом 50 А/м2. В качестве двухстороннего катода используют стальную предварительно никелированную пластину, и в качестве внутреннего и внешнего анодов - медные пластины.

Упражнение 3. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с растворимым и нерастворимым дополнительными анодами, и на показатели K и, K и и Эпр при никелировании (состав электролита указывает преподаватель).

Опыты производят при комнатной температуре, значения плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяют с шагом 50 А/м2. В качестве двухстороннего катода используют стальную пластину, и в качестве внутреннего и внешнего анодов - никелевые пластины.

Упражнение 4. Ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей дополнительными анодами, и на показатели K и, K и и Эпр при хромировании (состав хроматного электролита указывает преподаватель).

Опыты производят при комнатной температуре, значения плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяют с шагом 50 А/м2. В качестве двухстороннего катода используют стальную пластину, и в качестве внутреннего и внешнего анодов - свинцовые пластины.

Упражнение 5. Ознакомиться с влиянием состава электролита меднения (соотношения концентраций сульфата меди и серной кислоты) на составляющие напряжения на клеммах ячейки, моделирующей приспособления с проводящим и непроводящим экранами, и на показатели K и, K и и Эпр при меднении.

Опыты производят при значениях плотности тока от 50 до 650 А/м2, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Температура комнатная. В качестве катодов используют стальные предварительно никелированные пластины, изолированные с нерабочей стороны, и в качестве анода - медную перфорированную пластину.

При анализе экспериментальных данных полезно сопоставить на ПД-портрете (рис.32) результаты измерений с расчетными значениями тех же величин, дать объяснения расхождениям, сделать заключение о правдоподобности значений обсуждаемых величин. Расчетные значения можно получить, используя эквивалентную схему моделирующей ячейки, приведенную на рис.6 и независимые исходные данные:

поляризационные измерения и значения удельного сопротивления электролитов.

электролита Остальные данные находят в результате измерения размеров элементов ячейки, так как значения напряжения Uэл могут быть получены расчетом на основе геометрических параметров модельной ячейки по формуле:

где l – расстояние между электродами, S – сечение электролита в этой части прямоугольного электролизера, а - удельное сопротивление электролита (можно измерить, используя прием определения этой величины на постоянном токе). Специальная ячейка для проведения таких измерений и описание измерительной процедуры имеются в лаборатории.

Численные эксперименты. Как было отмечено, простая конструкция ячеек, имеющих прямоугольную форму и плоскопараллельные разноудаленные электроды, которые используют для моделирования распределения тока на профилированных катодах, позволяет получать их электрические аналоги в виде параллельно-последовательного соединения линейных и нелинейных сопротивлений (рис. 29-31).

Рис. 32 ПД-портрет лабораторного электролизера, использованного для моделирования перераспределения тока на катоде с использованием дополнительного нерастворимого анода (обозначения на кривых соответствуют обозначениям на рис.28) Благодаря этому, имея минимум исходных данных (анодные и катодные поляризационные кривые и удельное сопротивление электролита), можно рассчитать распределение тока между «внешней» и «внутренней» сторонами катода в ячейках любых размеров и получить значения показателей K и, K и2 и Эпр. Расчеты можно производить для электродных процессов с гладкими и N-образными поляризационными кривыми [2]. Ниже приведены задания для численного моделирования ячеек с плоскопараллельными разноудаленными анодами. С помощью таких ячеек имитируют влияние растворимого и нерастворимого внутреннего анодов и регулирующих сопротивлений в цепях внешнего и внутреннего анодов, применяемых при цинковании, меднении, никелировании, хромировании или любой другой гальванической операции для процессов с гладкими (упражнение 7) и N-образными (упражнение 8) поляризационными кривыми.

Упражнение 7. На основе численного эксперимента ознакомиться с влиянием плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки с разноудаленными плоскопараллельными анодами и на показатели K и, K и и Эпр при имитации приспособлений с растворимым и нерастворимым внутренним анодами для одного из широко используемых в гальванотехнике электролитов (по указанию преподавателя, предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят при известных анодной и катодной поляризационных кривых и удельном сопротивлении электролита для значений плотности тока от 50 А/м2 до значения в 2-3 раза превышающего рабочую плотность тока для выбранного электролита, изменяя ее с шагом 50 А/м2. Размеры моделирующей ячейки lд и lб принять равными 250 и 50 мм, площадь поверхности катодов с каждой стороны 25 см2. Параметры экранов регулирующих сопротивлений в цепи внутреннего и внешнего анодов R согласовать с преподавателем. При расчете используют эквивалентные электрические схемы рис. 29-31. Расчеты рекомендуется выполнять в пакете Excel. Итоговыми результатами численного эксперимента должны быть вольтамперные характеристики ячейки, зависимости токов на ближнем и дальнем катодах и показателей K и, K и и Эпр от общего тока, протекающего через ячейку, и средней катодной плотности тока, представленные с использованием графопостроителя Excel.

Упражнение 8. Ознакомиться на основе численного моделирования ячеек, имитирующих приспособления с растворимым и нерастворимым внутренними анодами, с принципами управления распределением тока на внутренней и внешней поверхностях покрываемых сложнопрофилированных деталей. Установить влияние плотности тока на составляющие напряжения на клеммах ячейки на основе расчетов с использованием литературных (или справочных) данных поляризационных измерений (для анодного и катодного процессов) и проводимости электролита. Состав электролита указывает преподаватель (предпочтительно, из следующего набора процессов: цинкование, меднение, никелирование или хромирование).

Расчеты производят для условий, приведенных в упражнении 7, но для N-образной катодной поляризационной кривой.

Литература:

1. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. Т.2. // М.

Машиностроение. -1985.стр. 167.

2. Андреев И.Н. Расчет стационарного распределения тока на электродах ячейки Херинга-Блюма. // Тр. Моск. хим-технол.ин-та.- 1977.

-. №95. - С.22- 3. Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (подвески, анодные корзины и погружные электрохимические модули) Казань, Изд. Казан.гос.технолог. ун-та. 2006.

Часть Работа 5. Оценка равномерности распределения тока на внешних границах рабочего поля подвесок в гальванических ваннах разных типов Цель работы – ознакомиться с приемами применения пакета программ Cell-Design для анализа влияния основных размерных параметров ванн гальванических линий (включая параметры рабочего поля подвески) на распределение тока при гальванообработке.

В каталогах гальванического оборудования в качестве одного из главных параметров указывают габарит подвески [1,2].

Этот параметр вместе с внутренними размерами гальванических ванн и размерами анодных корзин определяют геометрические характеристики электрического поля в межэлектродном промежутке. Если эти данные дополнить электрическими параметрами электролита и межфазных границ, можно, пользуясь пакетом программ Cell-Design, получить расчетным путем параметры распределения тока на внешних границах рабочего поля подвесок. Эти данные могут быть основой для выбора оптимальных геометрических параметров рабочих зон гальванооборудования. В работе 5 предлагается ознакомиться с приемами работы с пакетом программ Cell-Design для решения таких задач.

Упражнение 1. Произвести расчеты распределения тока по границе рабочего поля подвески для ванн гальванических линий, поперечные разрезы которых приведены в [3] на рис. 2.

Исследовать влияние высоты анодных корзин в этих ваннах.

Пример расчета распределения тока в внешней границе рабочего поля подвески приведен на рис. 34. Расчет выполнен для одной половины подвески, определенной осью симметрии (рис.33).

Рис. 33. Схема вертикального сечения однорядной гальванической ванны – схема расчетной ячейки для моделирования распределения тока на электродах, соответствующая упр. Рис. 34. Результат расчета распределение плотности тока на внешней границе рабочего поля подвески для размеров ванны, близких к Упражнение 2. Произвести расчеты распределения тока по границе рабочего поля подвески для ванн гальванических линий, поперечные разрезы которых приведены в [3] на рис. 3.

Исследовать влияние высоты анодных корзин в этих ваннах.

Полученные результаты сопоставить с результатами, полученными при выполнении упр.1.

Упражнение 3. Произвести расчеты распределения тока по границе рабочего поля подвески для гальванических ванн ручного обслуживания, размеры которых соответствуют нормативам (см. в [3] табл. 1).

Упражнение 4. Исследовать влияние геометрических параметров ванн в горизонтальном сечении (см. рис.4 в [3]) на показатель равномерности распределения тока на внешней границе рабочего поля подвески.

Литература:

1. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник. М.

Машиностроение. -Т.2- С. 167.

2. Оборудование для химической, электрохимической обработки поверхности и нанесения покрытий: Каталог.- Тамбов,.2001.

3. Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (подвески, анодные корзины и погружные электрохимические модули) /Казан.гос.технолог. ун-та. Казань, 2006.-112 с.

Работа 6. Оценка равномерности распределения тока при выборе параметров размещения деталей на подвесках внутри рабочего поля Цель работы – ознакомиться с приемами применения пакета программ Cell-Design для анализа и оптимизации геометрических условий в ваннах (параметров оснастки), влияющих на распределение тока при гальванообработке сложнопрофилированных деталей.

Как известно [1-3], внутри габаритов подвески, т.е. внутри рабочего поля подвески, обрабатываемые детали могут располагаться в один или в два ряда в зависимости от размеров и других геометрических особенностей. Расчеты распределения тока с использованием пакета программ Cell-Design могут использоваться для анализа влияния геометрических соотношений в рамках рабочего поля подвески на распределение тока на поверхности деталей, а также могут быть средством оптимизации процесса в ванне. Предлагаемые упражнения позволяют выработать навыки решения задач такого рода.

Упражнение 1. Произвести расчеты для исследования влияния размеров расчетной ячейки (а, б, в) на показатель равномерности распределения тока на поверхности цилиндрических деталей, размещенных на однорядной подвеске (рис.35). Полученные данные представить в виде полинома, используя прил. 2. Пример результатов расчета для одного из сочетаний размеров ванны и деталей приведен на рис. 36.

Рис.35. Схема однорядной подвески с цилиндрическими деталями (а) и расчетная ячейка для моделирования распределения тока (б) Упражнение 2. Произвести расчеты для исследования влияния размеров расчетной ячейки (а, б, в, г) на показатель равномерности распределения тока на поверхности цилиндрических деталей, размещенных симметрично на двухрядной подвеске (рис.35). Полученные данные представить в виде полинома, используя приложение 2. Сопоставить полученные результаты с результами, приведенными в [3].

Упражнение 3. Произвести расчеты для исследования влияния размеров расчетной ячейки (а, б, в, г) на показатель равномерности распределения тока на поверхности цилиндрических деталей, размещенных на двухрядной подвеске в шахматном порядке (рис.39). Полученные данные представить в виде полинома, используя прил. 2. Сопоставить полученные результаты с результатами, приведенными в [3].

Рис. 36. Результат расчета распределения плотности тока на поверхности цилиндрической детали, обрабатываемой на однорядной подвеске (размеры расчетной ячейки 300х200 мм) Рис.37. Схема двухрядной подвески с цилиндрическими симметрично размещенными деталями (а) и расчетная ячейка для Упражнение 4. Произвести расчеты для исследования влияния длины анодов на показатель равномерности распределения тока на поверхности С-образной детали при вертикальном ее завешивании в ванне между анодами (рис.40).

Рис. 38. Распределение плотности тока на поверхности одной из симметрично расположенных цилиндрических деталей (размеры Сравнить полученную расчетную картину распределения эквипотенциалей с экспериментальными данными, приведенными в [2].

Рис.39. Схема двухрядной подвески с цилиндрическими деталями, размещенными в шахматном порядке (а), и расчетная ячейка для моделирования распределения тока (б) Пример результатов расчета распределения тока по поверхности С-образной детали приведен на рис. 41.

Упражнение 5. Произвести расчеты для исследования влияния взаимного расположения обрабатываемой детали и анодов на показатель равномерности распределения тока на поверхности С-образной детали при горизонтальном ее завешивании в ванне между анодами (рис.42).

Рис. 41. Распределение плотности тока на поверхности С-образной детали при вертикальном размещении в ванне с укороченными анодами Сравните полученную расчетную картину распределения эквипотенциалей с экспериментальными данными, приведенными в [2]. Пример результатов расчета распределения тока по поверхности С-образной детали для ячейки с размерами 200х мм приведен на рис. 43.

Рис. 42 Схема горизонтального сечения гальванической ванны с С-образной деталью при размещении анодов по периферии детали. Расчетная ячейка имеет размеры 300х200 мм Упражнение 6. Произвести расчеты для исследования влияния взаимного расположения обрабатываемых деталей и анодов на двухрядной рамной подвеске для нанесения многослойных покрытий на колесные колпаки на показатель равномерности распределения тока на их поверхности (см. рис.6 и рис.18 в [2]). При расчете использовать расчетную схему ячейки, приведенную на рис.44.

Рис. 43. Распределение плотности тока на поверхности С-образной детали при горизонтальном ее размещении в ванне (размеры Упражнение 7. Произвести расчеты для исследования влияния взаимного расположения четырех бамперов и анодов на рамной подвеске для нанесения многослойных покрытий на показатель равномерности распределения тока на их поверхности (см. рис.6 и рис.19 в [2]).

При расчете использовать расчетную схему ячейки, соответствующую горизонтальному центральному сечению, приведенную на рис. 44. При анализе результатов расчетов обратить внимание на значительные расхождения плотностей токов на видовых и невидовых поверхностях покрываемых деталей, которое может иметь место при выбранном способе размещения бамперов при нанесении многослойных покрытий.

Литература:

1. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник. М.

Машиностроение. - Т.2- С. 167.

2. Андреев И.Н. Технологическая оснастка для гальванических линий (подвески, анодные корзины и погружные электрохимические модули) /Казан.гос.технолог. ун-та. Казань, 2006.- 112 с.

3. Андреев И.Н., Кушниковская Г.А. К выбору конструктивных элементов технологических спутников при проектированиии процессов гальванопокрытий // Защита металлов. - 1984. - Т.20, №4. - С.650.

Работа 7. Оценка равномерности распределения тока при выборе параметров средств оптимизации распределения тока Цель работы – ознакомиться с приемами применения пакета программ Cell-Design для оптимизации распределения тока при гальванообработке сложнопрофилированных деталей с помощью дополнительных электродов, проводящего и непроводящего ток экранов.

Как известно [1, 2], из-за сложной геометрии покрываемых деталей, наличия на их поверхностях углублений или выступов даже при высокой рассеивающей способности выбранного электролита не удается достичь требуемых параметров равномерности покрытий. В качестве ресурса оптимизации технологического процесса в таких случаях могут быть использованы параметры проводящего и непроводящего экранов, монополярного и биполярного электродов, размещаемых обычно внутри рабочего поля подвески. В данной работе студенту предлагаются упражнения, которые позволят освоить некоторые приемы использования пакета программ Cell-Design для решения таких задач.

Упражнение 1. Произвести расчеты для исследования распределения тока на детали в гальванической ванне, размеры которой показаны в [2] на рис. 61, при нанесении медного покрытия на деталь с большим углублением. Сравните полученную расчетную картину распределения эквипотенциалей с экспериментальной картиной, приведенной в [2] на рис.61.

Упражнение 2. Произвести расчеты для исследования влияния размеров а, б, в и г (см. рис 46) на показатель равномерности распределения тока на детали в гальванической ванне, размеры которой показаны в [2] на рис. 61, при нанесении медного покрытия при изменении в некотором диапазоне (до 100%) размеров а, б, в и г. Исходными принять размеры ячейки, приведенной в [2] на рис.61.

Упражнение 3. Произвести расчеты для исследования влияния на показатель равномерности распределения тока на детали в гальванической ванне, размеры которой показаны в [2] на рис. 61, при нанесении медного покрытия при изменении в некотором диапазоне (до 100%) размеров а, б, в и г (см. рис 47).

Исходными принять размеры ячейки, приведенной в [2] на рис.61.



Pages:     || 2 |


Похожие работы:

«К 90 Культура Чувашского края. Часть I: Учебное пособие / В. П. Иванов, Г. Б. Матвеев, Н. И. Егоров и др. /Сост. М. И. Скворцов. - Чебоксары: Чув. к н. изд-во, 1995. - 350 с. Пособие предназначено для использования в и з у ч е н и и предметов К у л ь т у р а родного к р а я, История Ч у в а ш и и, Родная литература и др. в общеобразовательных ш к о л а х, системе профессионального обучения и в ы с ш и х ш к о л а х Ч у в а ш с к о й Республики, ч у в а ш с к и х ш к о л а х за ее...»

«Стр 1 из 255 7 апреля 2013 г. Форма 4 заполняется на каждую образовательную программу Сведения об обеспеченности образовательного процесса учебной литературой по блоку общепрофессиональных и специальных дисциплин Иркутский государственный технический университет 130201 Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Наименование дисциплин, входящих в Количество заявленную образовательную программу обучающихся, Автор, название, место издания, издательство, год издания...»

«ПРИКАЗ РОСГИДРОМЕТА от 23.10.2012 № 634 ОБ УТВЕРЖДЕНИИ ПОЛОЖЕНИЯ О ПОРЯДКЕ ПОДГОТОВКИ И ИЗДАНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ В ФЕДЕРАЛЬНОЙ СЛУЖБЕ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В целях реализации задач по изданию научно-технической литературы, необходимой для обеспечения оперативно-производственной и научной деятельности Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды п р и к а з ы в а ю: 1. Утвердить прилагаемое Положение о порядке подготовки и...»

«Министерство образования и науки Республики Казахстан ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.Д.Серикбаева Н.Ю. Акименко Методические указания к дипломному проектированию для студентов специальности 050805,5В080500 – Водные ресурсы и водопользование Усть-Каменогорск 2011 2 УДК 628.1/3 Акименко Н.Ю. Методические указания по организации и проведению итоговой государственной аттестации для студентов специальности 050805,5В080500 – Водные ресурсы и водопользование согласно...»

«Министерство образования Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра автоматизации механосборочного производства 681.5(07) O – 363 Огарков С.Ю., Виноградова Н.В. ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТОВ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 210200 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ Учебное пособие Челябинск Издательство ЮУрГУ 2003 УДК 681.51.001.2(076.5) Огарков С.Ю., Виноградова Н.В. Оформление курсовых и дипломных проектов по специальности 210200 “Автоматизация...»

«Методические рекомендации по созданию и развитию промышленных (индустриальных) парков, в отношении которых предполагается софинансирование мероприятий по созданию их инфраструктуры за счет субсидий федерального бюджета Российской Федерации, предоставляемых бюджету субъекта Российской Федерации, в рамках оказания государственной поддержки малого и среднего предпринимательства субъектами Российской Федерации 1. Основные понятия и термины, используемые в тексте настоящих Рекомендаций Промышленный...»

«Уважаемые выпускники! В перечисленных ниже изданиях содержатся методические рекомендации, которые помогут должным образом подготовить, оформить и успешно защитить выпускную квалификационную работу. Рыжков, И. Б. Основы научных исследований и изобретательства [Электронный ресурс] : [учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальностям) 280400 — Природообустройство, 280300 — Водные ресурсы и водопользование] / И. Б. Рыжков.— Санкт-Петербург [и др.] : Лань,...»

«Учебно-тематическое планирование по географии Классы 9 А, 9 Б Учитель Григорьева О. Г. Количество часов Всего 68час; в неделю 2 час. Плановых контрольных уроков 13, тестов 13 ч.; Планирование составлено на основе: 1. стандарта основного общего образования по географии (базовый уровень, приказ Минобразования россии №1089 от 05.03. 2004 г.) 2. примерной программы для основного общего образования по географии (базовый уровень, Сборник нормативных документов. География: М., Дрофа, 2004 г.); 3....»

«Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение – Крюковская средняя общеобразовательная школа Рассмотрено Согласовано Утверждаю Руководитель МО Заместитель директора Директор МБОУ _ КолесникЛ.В. школы по УВР Крюковская СОШ _ Бояринцева Л.А. _ Колесник А.Т. Протокол № Приказ № _ от 2013г. 2013г. от _2013г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПЕДАГОГА Литвиновой Виктории Ивановны по учебному курсу География 10 класс базовый уровень Крюково 2013 г. Пояснительная записка Статус документа Данная рабочая...»

«РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ГУСЕВСКИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ АННОТАЦИИ К ПРОГРАММАМ УЧЕБНЫХ ДИСЦИПЛИН, ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ПО ОСНОВНОЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 111801 ВЕТЕРИНАРИЯ Гусев ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА БД.01 РУССКИЙ ЯЗЫК 1....»

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет естественных наук Кафедра аналитической химии Научно-учебно-методический Центр Хроматография Курсовая работа Идентификация основных компонентов пихтового масла и соснового скипидара методом ВЭЖХ Выполнила: студентка гр. 047 М.С.Вяткина Научный руководитель: А.Г.Друганов Новосибирск - 2004 2 Содержание 1. ВВЕДЕНИЕ 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 2.1. Жидкостная хроматография в системах с динамическим модифицированием 2.2. Образование -комплексов с Ag+ 3....»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра органической, биологической химии и МПХ Методические рекомендации по курсу ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Для студентов, обучающихся по специальностям 110201 Агрономия 050102 Биология Горно-Алтайск РИО Горно-Алтайского госуниверситета 2009 Печатается по решению методического совета Горно-Алтайского госуниверситета Методические рекомендации...»

«Тема Нормы жизни в обществе Цель урока: сформировать первоначальные представления о нормах морали и права, как регуляторах поведения в обществе. Задачи урока: Показать специфику морали как совокупности неписанных правил; Показать специфику права как систем норм, закрепленных в законах; Развить навыки оценки поступков человека с позиций права и морали. Материалы к уроку: Учебное пособие; ящик для игры Почтовое отделение; карточки для дидактического лото; таблички право и мораль по числу команд;...»

«Государственное казенное учреждение Новосибирской области Новосибирский институт мониторинга и развития образования Результаты мониторинга качества начального общего, основного общего, среднего (полного) общего образования в общеобразовательных учреждениях Новосибирской области (I этап 2013 г.) Новосибирск 2013 1 ББК 74.24 Р 34 Р 34 Результаты мониторинга качества начального общего, основного общего, среднего (полного) общего образования в общеобразовательных учреждениях Новосибирской области...»

«Дальневосточный государственный университет В.В. Исаева СИНЕРГЕТИКА ДЛЯ БИОЛОГОВ Вводный курс Учебное пособие Владивосток 2003 Учебное пособие составлено на основе курса лекций для студентов кафедры клеточной биологии Дальневосточного государственного университета, читаемого автором в течение нескольких лет, и представляет собой адаптированное для биологов, упрощенное и иллюстрированное изложение основных идей нелинейной науки (нередко называемой синергетикой), включающее теории бифуркаций и...»

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО “Уральский государственный горный университет” Л. И. Комарова, В. В. Морилов, Б.И. Бортник КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Методические указания для самостоятельной работы студентов очного и заочного обучения экономических специальностей Екатеринбург 2010 Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО “Уральский государственный горный университет” ОДОБРЕНО Методической комиссией Института геологии и геофизики УГГУ 200 г. Председатель комиссии...»

«РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПЕДАГОГА Михайлова Павла Васильевича По технологии, 7 класс Предмет, класс и т.п. Рассмотрено на заседании педагогического совета протокол № от сентября 2013 г. 2013 - 2014 учебный год ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Данная рабочая программа по технологии для 7 класса разработана на основе: 1. Статьи 32, 55 Закон РФ об образовании. 2. Федеральный компонент государственного образовательного стандарта начального общего, основного общего и среднего (полного) общего образования (Приказ МО...»

«Аналитическая справка по апробации и внедрению новых учебно - методических комплектов в 2013 – 2014 учебном году. С целью повышения уровня образовательных достижений обучающихся МБОУ - СОШ № 1 п. Степное и стимулирования роста профессионального мастерства педагогов, в качестве эксперимента на школьном уровне в 2013/2014 учебном году начата апробация УМК по геометрии, физике, информатике и продолжена апробация новыхУМК по географии, математике и биологии. 1. В 1 полугодии 2013/2014 учебного года...»

«МОСКОВСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Н. Л. Нагибина, Н. Г. Артемцева, Т. Н. Грекова ПСИХОЛОГИЯ ИСКУССТВА: ТИПОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД Учебное пособие Издательство Московского гуманитарного университета 2005 ББК 88.4 Н 16 Рецензенты: И. И. Ильясов, доктор психологических наук, заслуженный профессор МГУ им. М. В. Ломоносова К. А. Абульханова, действительный член РАО, профессор, зав. лабораторией психологии личности ИП РАН Ю. Н. Олейник, кандидат психологических наук, зав. кафедрой общей психологии и...»

«621.396.62.(07) № 4132 M545 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кафедра радиоприемных устройств и телевидения Южный федеральный университет Приоритетный национальный проект Образование Методические указания по выполнению лабораторной работы ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМНИКОВ ДИАПАЗОНА УКВ Для студентов радиотехнических...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.