高頻開關(guān)電源紋波系數(shù)對電鍍硬鉻質(zhì)量的影響

王慶浩*，梁汝華

（東莞常晉凹版模具有限公司，廣東 東莞 523577）

電鍍電源經(jīng)歷了電池、電子管、晶體管、晶閘管、高頻逆變等階段的發(fā)展，電源波形也存在較大差異。近年來高頻直流電源因效率較高而得到了普及應(yīng)用[1]，但因為使用廠家對整流器紋波系數(shù)的認識不足和生產(chǎn) 廠家利益的驅(qū)使，大多數(shù)高頻直流電源出廠時沒有加裝濾波器，電源以高頻脈沖直流輸出[2]。希望能夠通過本文提高廣大電鍍工作者和整流器生產(chǎn)廠家對整流器紋波系數(shù)的認識，并進一步提高電鍍行業(yè)的質(zhì)量水平。

1 實驗

鍍液組分：CrO3(德國維恩公司)250 g/L，Cr3+2.6 g/L，H2SO42.7 g/L，VOP-873 硬鉻添加劑(德國維恩公司)20 mL/L。施鍍溫度(55 ± 2) °C，陽極為德國燒結(jié)式鉑金涂層陽極。

采用美國安捷倫示波器(DSO6014A)測試普通開關(guān)電源在安裝濾波器(東莞常晉凹版模具有限公司CJLB-500)后紋波系數(shù)的變化。采用265 mL 標準赫爾槽(10 A，5 min)測試鍍液的深鍍能力和均鍍能力。在500 mL 平板鍍槽中獲得不同硬鍍層試樣后，采用英國牛津6587 掃描電子顯微鏡(放大1 000 倍)觀察鍍鉻層表面裂紋，采用MIC10 超聲波無損硬度測試儀(德國GE 公司)測試鍍層硬度，采用Taber-I 耐磨性試驗機(東莞市廣益儀器有限公司)測試鍍層的磨損量以評價鍍層的耐磨性能，采用稱重法(上海精密科學(xué)儀器有限公司的TQ328A分析天平)獲得鍍層的沉積量并以此計算電流效率，采用貼濾紙法測試鍍層的孔隙率。

對比實驗均在標準實驗室內(nèi)完成，具體情況與生產(chǎn)現(xiàn)場可能有一定的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 普通高頻開關(guān)電源安裝濾波器后電源波形的對比

從圖1可以看出，普通高頻開關(guān)在不同測試水平時基狀態(tài)下，紋波系數(shù)都超過60%，而加裝濾波器后電源紋波系數(shù)降低至5%以下。

2.2 加裝濾波器前后電鍍硬鉻的深鍍能力比較

如圖2所示，加裝濾波器前鍍液的深鍍能力為7.5 cm，加裝濾波器后鍍層的深度能力則超過8 cm，提高了約6.7%，同時高區(qū)燒焦程度有所降低。

2.3 加裝濾波器前后電鍍硬鉻的均鍍能力比較

從圖3和表1可知，加裝濾波器后鍍層各測試點的均鍍能力均由不同程度的提高。

加裝濾波器前的試片 加裝濾波器后的試片 測試點 厚度/ μm 比值/ % 厚度/ μm 比值/ %1.0 cm 5.64 100.0 5.47 100.0 2.5 cm 3.31 58.7 3.77 68.9 4.0 cm 2.21 39.2 2.18 39.8 6.0 cm 1.67 29.6 1.79 32.7

2.4 加裝濾波器前后電鍍硬鉻層微裂紋分布和特性的比較

采用厚度0.3 mm、尺寸為6.5 cm × 5.0 cm 的拋光黃銅試片為基材，在電流密度50 A/dm2下鍍5 min。從圖4分析可知，加裝濾波器后鍍層的裂紋更淺，分布更均勻，數(shù)量更多。

2.5 加裝濾波器前后電鍍硬鉻層顯微硬度的比較

采用厚度為5 mm、尺寸6.5 cm × 5.0 cm 的銅鋅合金板為基材，在50 A/dm2下電鍍13 min，鍍層厚度為(12 ± 1) μm，顯微硬度測試點如圖5所示，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯娫醇友b濾波器后鍍層的顯微硬度只提高了0.97%左右，但顯微硬度的均勻度更好。

表2 普通高頻開關(guān)電源加裝濾波器前后電鍍硬鉻層顯微硬度的測試結(jié)果Table 2 Results of microhardness testing for hard chromium coatings obtained before and after adding a filter to an ordinary high-frequency switching power supply

2.6 加裝濾波器前后電鍍硬鉻層耐磨性的比較

試樣制備同2.5，測試點如圖6所示，測試結(jié)果見表3。由表3可知，加裝濾波器前，鍍層磨損后的厚度損失值平均為1.57 μm；而加裝濾波器后，鍍層磨損后的厚度損失值平均為1.32 μm?？梢?，加裝濾波器后鍍層的耐磨性提高了約15.9%。

表3 普通高頻開關(guān)電源加裝濾波器前后 電鍍硬鉻層耐磨性測試結(jié)果Table 3 Results of anti-wear testing for hard chromium coatings obtained before and after adding a filter to an ordinary high-frequency switching power supply

2.7 加裝濾波器前后電鍍硬鉻電流效率的比較

采用厚度0.3 mm、尺寸為6.5 cm × 5.0 cm 的拋光黃銅試片為基材，在電流密度50 A/dm2下鍍10 min。按100%電流效率計算，理論鉻層質(zhì)量應(yīng)為2.691 6 g。從表4可知，給高頻開關(guān)電源加裝濾波器，對電流效率基本沒有影響。

電源類型 實際鉻層質(zhì)量/ g 實際電流效率/ % 無濾波器 0.659 4 24.50 有濾波器 0.660 1 24.52

2.8 加裝濾波器前后電鍍硬鉻層亮度的比較

通過試片的肉眼鑒別，加裝濾波器對鍍層的光亮性沒有提高。

2.9 加裝濾波器前后電鍍硬鉻層孔隙率的比較

采用厚度0.3 mm、尺寸為6.5 cm × 5.0 cm 的拋光黃銅試片為基材，在電流密度50 A/dm2下電鍍20 s。從圖7所示的實驗結(jié)果可知，在0.16 dm2面積內(nèi)，無濾波器時所得鍍層上的孔隙數(shù)量約為28 個，加裝濾波器后所得鍍層的孔隙數(shù)量約為10 個，后者的孔隙率比前者減少了64%。

3 結(jié)語

通過以上測試可知，在普通高頻開關(guān)電源上加裝濾波器后，紋波系數(shù)可由60%以上降至低于3%，鍍液的深鍍能力、均鍍能力以及鍍層的微裂紋分布、耐磨性能等方面有一定提高，鍍層孔隙率大幅降低，鍍層顯微硬度、光亮度以及電流效率則基本與沒有加裝濾波器時保持一致，但高區(qū)燒焦的程度得到降低。根據(jù)電鍍鉻的膠體膜理論，沒有濾波裝置的高頻開光電源以矩形波紋形式輸出，甚至還會產(chǎn)生毛刺狀雜波，對電鍍過程中陰極表面膠體膜的形成和溶解產(chǎn)生一定的負面影響，以至于影響陰極表面的電化學(xué)狀態(tài)，造成鍍鉻層沉積結(jié)構(gòu)的改變，最終使某些物理性能受到負面影響。

高頻開關(guān)濾波器分為兩種類型：一種是在高頻開關(guān)電源控制電路上進行控制抑制，另一種是在輸出直流電路上進行修正。本文使用的濾波器屬于后者，采用大功率儲能電子元件(電容、電感)對直流波形的峰值進行抑制、谷值進行補償，并對高頻逆變整流過程中產(chǎn)生的毛刺進行消減[3]。這種類型的濾波器優(yōu)點是安裝方便(安裝方式如圖8所示)，對原設(shè)備的控制電路不會產(chǎn)生影響，缺點則是成本相對較高。但近年來伴隨著大功率儲能元件的國產(chǎn)能力越來越高，其制作成本正逐步降低。以12 V/6 000 A 整流器為例，進口低紋波系數(shù)(5%以內(nèi))的整流器售價7 萬左右，普通國產(chǎn)高頻開關(guān)電源(紋波系數(shù)超過40%)的市場價格為3 萬左右，而加裝濾波器(使紋波系數(shù)低于3%以內(nèi))的成本 在1 萬左右。可見，在普通國產(chǎn)高頻開關(guān)上加裝濾波器的性價比還是具有一定的優(yōu)勢。

[1]杜穎,杜永甫,黨孟軍.高頻開關(guān)電源在電鍍生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].金屬制品,2010,36 (2): 49-50.

[2]袁詩璞.對高頻開關(guān)電源的困惑[J].電鍍與涂飾,2006,25 (7): 52-56.

[3]譙劼.電源紋波抑制器的原理與設(shè)計[J].磁性材料及器件,2009,40 (5): 47-49,54.