УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Полезная модель относится к устройствам нанесения гальванических покрытий электролитическим способом и может быть использована, в частности, для покрытия мелких изделий.
Сложность нанесения гальванических покрытий на мелкие изделия (детали) заключается в том, что к ним во многих случаях невозможно применить способ подвески (см., например, авторское свидетельство СССР SU 1815274 A1), при котором деталь закрепляется в гальванической ванне статически на подвеске. Недостатками такого способа в случае мелких деталей является как трудоемкость их подвешивания (чем меньше размер деталей и чем их больше), так и то, что точки контакта с подвеской плохо покрываются и могут быть уже соизмеримы с размером самих мелких деталей.
В связи с этим для мелких деталей более применимы устройства, где они помещаются россыпью и контактируют с катодом гальванической цепи, а равномерность покрытия обеспечивается постоянным перемешиванием деталей.
Устройства такого рода (см., например, авторские свидетельства СССР SU 1477792 A2 или SU 1558999 A2) состоят из перфорированного барабана, выполненного в виде состыкованных между собой конусов, установленных с возможностью вращения под углом к горизонту, при этом на внутренней поверхности барабана закреплены чередующиеся между собой лопасти для перемешивания изделий. Барабан помещается под углом в ванну с гальваническим раствором. Обрабатываемые изделия, помещенные в барабан россыпью, перемещаются в нем по сложной траектории и многократно подвергаются ударному воздействию. В итоге исключается возможность появления после покрытия слипшихся между собой деталей, а само покрытие получается плотным и блестящим. Подача отрицательного потенциала к поверхности изделий, проходящих в процесс обработки по указанным участкам внутренней поверхности барабана, осуществляется через выполняющую роль разветвленного проводника массу изделий, контактирующих друг с другом и катодным проводником.
В таких устройствах решается проблема перемешивания мелких изделий и предотвращения их слипания между собой путем подъема деталей внутренними лопастями барабана до того момента, как сила гравитации не превысит силу трения изделия о стенки барабана, и деталь срывается вниз. Для эффективности процесса регулируется угол наклона оси барабана, а также форма и угол встроенных лопастей.
Однако с уменьшением размера обрабатываемых деталей увеличивается отношение площадь/объем. Таким образом, оказывается, что вес, определяемый объемом, уже не может преодолеть силы трения, определяемые площадью поверхности деталей. И такие детали будут вращаться «прилипшими» к стенке барабана без перемешивания и без нормального нанесения гальванического покрытия со всех сторон. Для изделий из разных материалов такое критическое отношение площадь/объем будет зависеть от удельного веса материала, а также плотности электролитов. Например, изделия из меди имеют критическое отношение площадь/объем при линейных размерах уже на уровне миллиметра и менее.
Кроме того, в случае очень малых размеров обрабатываемых деталей трудно конструктивно выполнить барабан или колокол с обязательной перфорацией размером ячейки меньше размера деталей.
Известно устройство для нанесения гальванического покрытия на мелкие детали (см. авторское свидетельство СССР SU 1353841 A1) с иным методом перемешивания. В устройстве кассету с деталями погружают в электролитическую ванну, при этом приводят во вращение составной магнитный ротор. Детали, попадая во вращающееся магнитное поле, намагничиваются и, взаимно отталкиваясь, равномерно распределяются вдоль кассеты, чему способствует форма кассеты в виде параболы. Все детали загрузки получают возможность одновременно участвовать в электрохимической обработке, при этом исключается вероятность их слипания, сцепления и механического повреждения. Однако в таком устройстве можно наносить гальванические покрытия только на детали из магнитного материала. Немагнитные детали перемешиваться таким методом не будут.
Задачей полезной модели является создание устройства для гальванических покрытий, обеспечивающего повышение качества обработки и снятие нижнего ограничения по размеру обрабатываемых изделий (менее 1 мм) для проведения процессов гальванического нанесения покрытий.
Техническим результатом полезной модели является повышение равномерности покрытия мелких изделий.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для нанесения гальванических покрытий на изделия включает гальваническую ванну для заполнения электролитом и размещения изделий россыпью, а также помещенные в ванну катод и анод, выполненные с возможностью подключения к источнику электропитания, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит трубчатый элемент с установленным в нем обратным клапаном, при этом один конец трубчатого элемента опущен в ванну, а другой соединен со средством подачи сжатого воздуха с обеспечением возможности формирования в ванне импульсной струи электролита.
Кроме того, указанный технический результат достигается в частных вариантах реализации полезной модели за счет того, что:
- в качестве средства подачи сжатого воздуха использован воздушный компрессор или магистраль сжатого воздуха, соединенные с трубчатым элементом через пневмоклапан,
- пневмоклапан соединен с микроконтроллером исполнительного устройства, гальваническая ванна выполнена цилиндрической формы и имеет коническое дно,
- конец катода расположен на дне гальванической ванны.
В предлагаемом устройстве реализован способ перемешивания покрываемых изделий, пригодный для обработки сверхмалых изделий практически без ограничения нижнего предела размеров, с равномерным перемешиванием и предотвращением слипания деталей.
Схема заявленного устройства приведена на Фиг. 1. На Фиг. 1а показан момент между импульсами, а на Фиг. 1б - момент подачи импульса.
Заявленное устройство для нанесения гальванических покрытий на изделия 1, размещаемые россыпью, содержит гальваническую ванну 2 для заполнения электролитом 3. В ванне 2 размещены катод 4 и анод 5, подключаемые к источнику электропитания (на чертежах не показан). Конец катода 4, предпочтительно, размещен на дне ванны 2 для обеспечения его гарантированного контакта с обрабатываемыми изделиями 1 с образованием электрической цепи с анодом 5, который также опущен в ванну 2. Ванна 2, предпочтительно, выполнена цилиндрической формы с коническим дном, обеспечивающим улучшенное перемешивание обрабатываемых изделий и возврат мелких деталей на дно в область электрического контакта.
В ванне 2 также размещен трубчатый элемент 6, внутри которого установлен обратный клапан 7. При этом нижний конец трубчатого элемента 6 опущен в ванну 2 до уровня россыпи деталей 1, а верхний конец через пневмоклапан 8 соединен со средством 9 подачи сжатого воздуха. В качестве средства 9 подачи сжатого воздуха может быть установлен воздушный компрессор или магистраль сжатого воздуха. Пневмоклапан 8 соединен с микроконтроллером 10 исполнительного устройства для управления процессом открытия/закрытия пневмоклапана 8. Устройство работает следующим образом.
Детали 1 россыпью помещают на дно гальванической ванны 2, заполненной электролитом 3, приводя в контакт с катодом 4. При подаче электропитания между катодом 4 и анодом 5 замыкается электрическая цепь, и происходит гальваническое осаждение покрытия на детали 1. В ванне 2 может обеспечиваться поддержание заданной температуры электролита, например, за счет помещения ее на водяную баню (не показана).
В начальный момент (Фиг. 1а) пневмоклапан 8 закрыт (воздух не поступает), и электролит 3 поднимается вверх по трубчатому элементу 6 до уровня электролита в ванне.
Затем пневмоклапан 8 (Фиг. 1а) открывается на короткий период времени, и с помощью средства 9 в трубчатом элементе 6 создается воздушный импульс путем подачи в него воздуха, который вытесняет электролит 3 из трубчатого элемента 6. В результате формируется импульсная струя электролита 3, направляемая на россыпь деталей 1. Детали 1 под действием струи поднимаются над дном ванны 2, интенсивно перемешиваясь, и затем опять оседают на дно, восстанавливая контакт гальванического процесса.
Электролит 3 за время перекрытия воздушной линии клапаном 8 снова заполняет объем трубчатого элемента 6 за счет обратного клапана 7 (Фиг. 1а). Последующий импульс подается после того, как не менее 95% изделий опустилось на дно ванны.
Частота и сила импульса, определяющая время открытия пневмоклапана 8, задается микроконтроллером 10 исполнительного устройства. Сила импульсов струи электролита и их периодичность должны обеспечивать подъем мелких деталей над дном на уровень р=30÷40 мм. Если сила импульса потока такая, что детали не поднимаются на указанную высоту, то имеется часть из них, которые не отрываются от дна, что не обеспечивает их перемешивание и, таким образом, равномерность покрытия. Если за период между импульсами менее 95% деталей успевают вернуться на дно, то находящиеся во взвешенном состоянии детали не имеют электрического контакта и исключаются из гальванического процесса, что увеличивает время процесса и, кроме того, снижает его стабильность, так как уменьшается эффективная площадь контакта, а следовательно, нарушаются параметры гальванического процесса.
Примеры использования заявленного устройства
Пример 1. Гальваническое никелирование медных контактных электродов миниатюрных термоэлектрических охлаждающих модулей.
Размер изделий (электродов) 0,8×0,88×1,0 мм.
Предварительно подготовленные медные изделия (отмытые и с химически очищенной поверхностью) в количестве 1500 шт. помещают россыпью в гальваническую ванну с электролитом для никелирования.
Раствор в ванне поддерживают при заданной температуре для используемого гальванического раствора за счет внешнего нагрева (ванна помещается на водяную баню). Состав раствора никелирования и необходимая температура раствора приведены в таблице 1.
Давление в воздушной магистрали устанавливают на уровне 2 атм.
Микроконтроллером исполнительного устройства 10 устанавливают длительность воздушного импульса так, чтобы инициированным импульсом потока электролита детали поднимались над дном на 30÷40 мм (Фиг. 1б), период следования импульсов регулируют так, чтобы в промежутке между импульсами не менее 95% деталей успели опуститься на дно.
Ток гальванического процесса величиной 0,8 А рассчитывался из эффективной общей площади деталей, принимающих участие в процессе, и необходимой средней плотности тока для данного гальванического процесса.
Длительность процесса - 20 мин. Длительность процесса определена исходя из необходимости получения толщины покрытия заданной величины - 3 мкм.
По окончании процесса раствор сливают для повторного применения, детали извлекают из ванны и тщательно промывают деионизованной водой.
Толщина получаемого слоя никеля на деталях составляет 3 мкм.
Пример 2. Гальваническое золочение медных контактных электродов поверх слоя никеля.
Изделия те же, что в Примере 1 после никелирования. Размер изделий 0,8×0,88×1,0 мм.
Отмытые от электролита медные детали после никелирования в количестве 1500 шт.помещают россыпью в гальваническую ванну с электролитом для золочения.
Раствор в ванне поддерживают при заданной температуре для используемого гальванического раствора за счет внешнего нагрева (ванну помещают на водяную баню). Состав раствора золочения и необходимая температура раствора приведены в таблице 1.
Давление в воздушной магистрали устанавливают на уровне 2 атм.
Микроконтроллером исполнительного устройства устанавливают длительность воздушного импульса так, чтобы инициированным импульсом потока электролита детали поднимались над дном на 30-40 мм (Фиг. 1б), период следования импульсов регулировали так, чтобы в промежутке между импульсами не менее 95% деталей успели опуститься на дно.
Ток гальванического процесса - 0,08 А.
Длительность процесса - 45 мин. Длительность процесса определена исходя из необходимости получения толщины покрытия заданной величины - 1,5 мкм.
Раствор сливают для повторного применения, детали извлекают из ванны и тщательно промывают деионизованной водой.
Толщина получаемого слоя золота на деталях поверх слоя никеля составляет 1,5 мкм.
Таблица 1.
Состав раствора для гальванических процессов и рабочая температура процессов
Процесс
Состав электролита в ванне, pH
Рабочая температура процесса
Никелирование
NiSO<sub>4</sub>*7H<sub>2</sub>O - 250÷320 г/л
25±5°C
NaCl - 5÷20 г/л
H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub> - 25÷40 г/л
pH - 5,0-5,5
Золочение
K[Au(CN)<sub>2</sub>] - 8÷12 г/
65±3°C
NH<sub>4</sub>H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub> - 20÷40 г/л
(NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub> - 40÷80 г/л
pH - 5,2÷5,6
Таким образом, применение предлагаемого устройства для нанесения гальванических покрытий позволяет повысить эффективность перемешивания изделий (деталей) в процессе нанесения покрытия, повысить плотность и равномерность толщины покрытия, а также исключить появление слипшихся между собой изделий даже в случае неблагоприятной их конфигурации и сверхмалых размеров. При этом обеспечивается проведение процессов нанесения покрытий с помощью обычных, широко используемых электролитов.