بازده کاتدی حمام آبکاری در آن چگالی جریان، تعیین میشود.
چگالی جریان موضعی نیز، بهنوبهی خود، توسط توزیع جریان اولیه و قطبش موضعی تعیین میشود. توزیع جریان اولیه، همانگونه که بعداً توضیح داده خواهد شد، بهطور کامل توسط هندسهی سلول آبکاری تعیین میشود. توزیع جریان، مستقل از خواص محلول تهیهشده است، توزیع جریان الکتریکی در سراسر محلول، درست تا سطح الکترود، یکنواخت میباشد.
اصطلاح "قطبش"، همهی پدیدهها را، هم پدیدههای فیزیکی و هم الکتروشیمیایی، که بهمنظور تغییر خواص محلولِ در مجاورت الکترود اعمال میشوند، دربر میگیرد. این تغییرات منجر به یک "توزیع جریان ثانویه" یا "توزیع جریان موضعی" واقعی، که متفاوت از توزیع جریان اولیه است، میشوند.
بسیاری از متغیرهای جزیی و نامحسوس، بر روی توزیع فلز رسوبدادهشده بهروش الکتریکی (الکتروانباشت) اثر میگذارند؛ بههرحال هر یک از از این متغیرها ممکن است در یکی از 4 دستهی زیر قرار گیرند:
آنهایی که توزیع جریان اولیه را کنترل میکنند؛
آنهایی که به حمام آبکاری و شرایط عملیاتی مربوط میشوند، که تابع تغییر توزیع جریان اولیه هستند؛
ویژگیهای مربوط به شکل و طراحی قطعهی کار که فینفسه توزیع جریان اولیه را کنترل نمیکند، اما بااینحال برای تغییر آن بهکار میرود؛
متغیرهایی که مربوط به رابطهی بازده حمام آبکاری با چگالی جریان هستند.
در اغلب شرایط عملی، توزیع جریان اولیه، فاکتور کنترلکننده در تعیین توزیع فلزی میباشد. زمانیکه توزیع جریان اولیه، یکنواخت یا خیلی نزدیک به یکنواخت است، قطبش کاتد و بهدنبال آن توزیع فلزی نیز معمولاً بههمان اندازه یکنواخت خواهد بود.
زمانیکه توزیع جریان اولیه بهمقدار قابلتوجهی غیر یکنواخت است، ممکن است سایر انواع فاکتورها، هم در بهبود و هم در بدترشدن یکنواختی توزیع فلزی، بیش از آنچهکه در غیاب آنها انتظار میرود، فعالیت کنند، اما بهطور کلی نمیتوانند کاملاً برتأثیر برجستهی توزیع جریان اولیه، غلبه نمایند.
توزیع جریان اولیه
توزیع جریان در طول یک الکترود در غیاب قطبش الکترود و سایر فاکتورهای توزیع، توزیع جریان اولیه نام دارد. توزیع جریان اولیه منحصراً و بهطور کامل توسط هندسهی سیستم که شامل شکل و اندازهی الکترودها و رسانایی آنها میباشد، و در موارد نادر —زمانیکه الکترودها سطوح همپتانسیل ندارند— توسط ارتباط فضایی الکترودها با یکدیگر و با مرزهای الکترولیت، طبیعت رسانای این مرزها و شکل و موقعیت سایر اجسام رسانا یا نارسانا در الکترولیت، تعیین میشود. درعمل، چنین اجسامی —اجسام رسانا یا نارسانای درون الکترولیت— میتوانند بهعنوان عایق جریان و یا کاهشدهندهی جریان برق باشند.
نظریهی عمومی میدان پتانسیل از جمله نظریههای علمی مورد علاقهی جهانی است که توجه فیزیکدانان ریاضی را بهمحض آنکه مفهوم پتانسیل آشکار شده بود، بهخود جلب کرد. اولین کاربرد برای الکترولیتها توسط ریمن در سال 1855 و سپس توسط وِبِر ایجاد شد، اما این کاربردها تا زمان کَسپِر در سالهای 42-1939 و بعد از آن کِرونسبین —که کاربرد جدی تئوری در هر رسوبگذاری الکتریکی بهکار گرفته شد— چندان جدی نبودند.
موضوع از دیدگاه ریاضی بسیار پیچیده است، بهطوریکه در حال حاضر تنها سادهترین شرایط هندسی میتوانند درنظر گرفته شوند، و حتی باید تخمین زده شود که قطبش کاتد یکنواخت است و یا غایب درنظر گرفته میشود. بنابراین؛ در حال حاضر بحث مفصل پیرامون نتایج این بررسیهای تئوری چندان کاربردی نخواهد بود. بههرحال یک درک عمومی از نظریهی میدان پتانسیل و قوانین کلی معدودی که ناشی از کار ریاضی هستند، کمک بسیار زیادی برای آبکاران هستند و از بسیاری از تصورات و تفسیرهای نادرست آزمایشات جلوگیری میکنند.
هرزمان که یک پتانسیل الکتریکی، یعنی ولتاژ، بین دو الکترود در یک الکترولیت اعمال میشود، هر نقطه درون محلول الکترولیت، بخشی از پتانسیل متوسط مابین دو الکترود را برعهده میگیرد. بهدلیلاینکه رسانایی الکتریکی الکترودهای فلزی معمولاً چندین میلیون برابر الکترولیت میباشد، با حاشیهی خطای کمی میتوان هر نقطه از سطح الکترود را در پتانسیل مشابهی فرض کرد؛ یعنی؛ سطح الکترود را میتوان سطح همپتانسیل در نظر گرفت. بهطور مشابهی، سطوح همپتانسیل، در محلول الکترولیت اطراف هر الکترود یافت میشوند؛ نزدیک به یک الکترود، سطح همپتانسیل بهلحاظ شکل با الکترود مشابهت دارد؛ بههرحال بهمجرد حرکت یک نقطه از سطح همپتانسیل به مکانی دورتر از سطح الکترود، شکل تغییر خواهد کرد؛ تا زمانیکه آخرین نقطه منتقل شود که سطح همپتانسیلِ نزدیک به الکترود دوم، شکلی با انطباق بیشتر یا کمتر از آن الکترود بگیرد (شکل1).
شکل (1) سطوح همپتانسیل در یک مخزن الکترولیت با دو الکترود خطی (+ و -)
شکل این سطوح همپتانسیل در این مورد و یا شرایط سادهی مشابه دیگر ممکن است توسط دادههای ریاضی تخمین زده شود ]5و3 [و بهطور تجربی تأیید شود ]29و7و6[. محاسبه یا رسم تجربی مسیری که جریان در آن انتشار مییابد نیز امکانپذیر است (شکل 2).
شکل (2) آرایش شکل (1)، نشاندهندهی سطوح همپتانسیل (مشخصشده با خطچین) و سطوح نیرو (خطوط پُر)
در این نقشه یک مقدار مساوی از جریان، یعنی آمپرهای مساوی، در طول هریک از مسیرهای الکترولیت محصورشده با خطوط پیوسته و بعضی جریانهای تعریفنشده بین خطوط بیرونی و مرزهای عایق، جریان مییابند. در فهم اهمیت فوقالعادهی این نمودارهای خطوط همپتانسیل، مقایسهی آنها با نقشهی خطوط شناختهشدهتر که توسط جغرافیدانان استفاده میشود (شکل3) —که در آن نقاط همارتفاع توسط خطوط، به یکدیگر متصل میشوند— میتواند کمککننده و مفید باشد.
شکل (3) نقشهی خطوط همتراز فرضی، نشاندهندهی تشابه بین خطوط همتراز و خطوط همپتانسیل
شکل 3، یک تپه و یک پرتگاه را در طول ساحل (ارتفاع صفر) نشان میدهد، و هر منحنی تراز 20 فوت مرتفعتر میباشد. بهآسانی میتوان مشاهده کرد که در طول فواصل یکسان CDوAB تفاوت قابلملاحظهای در شیب زمین وجود دارد و فرود بارش روی تپه در A بهسرعت به دریا خواهد رفت؛ درحالیکه، حرکت آن از C بسیار کندتر خواهد بود.
درمعنای بسیار واقعی، این همچنین نموداری از خطوط همپتانسیل است —خطوطی که در فاصلهی نزدیک به یکدیگر، بهشکلی متراکم قرار دارند— شیب در دامنه است. در نمودارهای پتانسیل الکتریکی ما، دانسیتهی جریان، شبیه به جریان آب، زمانیکه خطوط همپتانسیل بسیار نزدیک به یکدیگر هستند؛ بیشترین مقدار است.
شکل1، از لحاظ نقشهبرداری، میتواند بهعنوان یک تپه با یک پرتگاه با شیب تند در جلو و پرتگاهی با شیب تدریجی و ملایم در عقب، تفسیر شود. در فاصلهی کمی دورتر، در سطحی تقریباً معادل سطح زمین یک حفرهی قاشقی شکلی وجود دارد که معدنی سنگی با یک شیب بسیار تند در سمت تپهی حفره و شیب کمتر در طرف دیگر است.
یک قانون پایه در تئوری میدان پتانسیل آن است که آثار سطوح همپتانسیل و سطوح نیرو در هر صفحه، یک شبکهی متعامد تشکیل میدهند که در آن این سطوح در زوایای قائم یکدیگر را قطع میکنند. بهدلیل اینکه، الکترودها خودشان سطوح همپتانسیل هستند؛ این به آن معناست که جریان در جهتی عمود بر صفحه، از هر نقطه از الکترود وارد شده یا از هر نقطه از آن خارج میشود.
همچنین از اصول پایهای دیگر در تئوری میدان آن است که هر سطح همپتانسیلی میتواند توسط یک رسانای کامل بدون ایجاد تداخل در میدان، جایگزین شود. بهطور مشابه، جایگزینی یک مرز عایق برای هر خط از نیرو، در میدان تداخل و آشفتگی ایجاد نمیکند.
نکتهی حائز اهمیت آن است که بدانیم این مطلب تنها در صورتی درست میباشد که صفحهی جایگزین بهطور کامل جایگزین صفحهی اصلی شده باشد. بهطور عکس، زمانیکه چیزی یکی از خطوط شبکه را قطع میکند، میدان آشفته میشود؛ علاوهبراین، اثر جابجایی یک دیوار مخزن عایق نزدیک به الکترودها در شکل 4، نشان داده شده است ]6[.
شکل (4) آرایش شکل (1) با الکترودهای جایگزینشده از خط مرکز مخزن
این مطلب از آنچه گفته شد پیروی میکند که توزیع جریان روی الکترود استوانهای (A در شکل 1) و الکترود صفحهای (B-B از شکل 1)، توسط نمودار یکسانی تعریف میشود، همانطور که توزیع بین سیم (+، شکل 1) و سیلندر خارج از مرکز بیرونی (C از شکل 1) اینگونه میباشد. گیلمونت و والتُن، از این مفاهیم، در طراحی ”سلولِ هالِ“ِ اصلاحشدهی خود، استفاده کردند که یک توزیع جریان خطی را روی یک الکترود صاف میدهد؛ الکترود دیگر، منحنیشکل بوده و در طول یک سطح همپتانسیل جایگذاری شده است.
باید توجه شود که در این نمودارها، درواقع ما یک سیستم سه بعدی را در دو بعد نمایش میدهیم؛ که بهمعنای معرفی و نمایش سیستم واقعی است؛ نمودارها باید در جهتی عمود بر صفحهی بین دو مرز عایق حرکت داده شوند. این تنها بدان معنا است که الکترودها از سطح محلول به انتهای مخزن گسترش مییابند. زمانیکه این شرایط پیشتر دیده نشده باشد، همانند زمانیکه الکترود صفحهای بهطور کوتاهمدت از دیوارههای مخزن جدا باشد، آنچه رخ میدهد توسط هین بحث و بررسی شده است.
مشاهدهی جالب دیگری از این نمودارها ایجاد میشود. یک آند تنها، اگر بهقدر کافی از کاتد دور شده باشد؛ توزیع جریان مشابهی با یک ردیف از آندهای نسبتاً نزدیکتر به کاتد خواهد داشت؛ برای مثال در طول B-B از شکل 1.
جایگزینی جسم رسانا برای دیوارهای عایق، بهخوبی توسط کَسپِر ]3[ بحث شده و توسط لوکِنز b]4[ نمایش داده شده است. همانگونه که انتظار میرود، این کار تأثیر بسیار عمیقی دارد و در شرایطی که دو الکترود عایق از دیوارهها جدا باشند، همانگونه که لوکِنز نمایش داده است، منجر به توزیع جریان بسیار یکنواختتر از جلو به عقب در سراسر طول الکترودها میشود. بههرحال، این یک آرایش قابل استفاده برای مخزن آبکاری نیست و در اغلب شرایط مزیت این روش، در صورت وجود، در نصب و استفاده از مخزن آبکاری سنتیتر، اندک میباشد. اولویت برای مخازن عایق در بسیاری از زمینههای دیگر بهخوبی توجیه میشود.
کنترل توزیع جریان اولیه
هدف این بخش معرفی مجموعهای از کلیات دربارهی کنترل عملی توزیع جریان اولیه است.
2-1 توزیع جریان کاملاً یکنواخت
اساساً، تنها سه آرایش ممکن وجود دارد که توزیع جریان یکنواختی را ایجاد میکند ]3[: صفحات موازی بینهایت؛ استوانههای متحدالمرکز بینهایت؛ و کرههای هممرکز. هیچیک از این آرایشها تاکنون برای آبکاری پیشنهاد نشدهاند، اما تحت قوانین، ما از آزادیهای خاصی برخورداریم: (a) ممکن است هر خط یا هر سطح جریان را با یک مرز عایق جایگزین کنیم؛
(b) ممکن است هر سطح همپتانسیل را با یک الکترود جایگزین کنیم.
بنابراین، ما ممکن است در صفحات موازی بینهایت خود با سه دیوار عایق عمود و یک سطح هوا برای تشکیل ”سِل هَرینگ“ شناختهشده؛ جعبه (قفسه) ایجاد کنیم. برای اینکه سِل ساختهشده بهخوبی کار کند، دیوارهها باید دقیقاً عمود بر الکترودها باشند ]3[، درنتیجه، سِل هَرینگ باید همواره روی یک صفحهی واقعاً افقی قرار گیرد (اقدام احتیاطی که تاکنون دیده نشده که در متون ذکر شده باشد).
یک میلهی آویز آبکاری پر از قطعات صاف نزدیک به یکدیگر که بین دو ردیف از آندها، با فاصلهی مساوی از هریک از آنها، درون یک مخزن بهقدر کافی بزرگ برای پوششدادن آویز قرار گرفته؛ شبیهترین آرایش به سِل هرینگ است که یک آبکار احتمالاً دیده است.
بهطریق مشابهی، ممکن است بخشی از استوانههای هممرکز بینهایت ما؛ بهمنظور عایقسازی صفحات در زوایای عمود بر محور و حصول آرایشی برای توزیع جریان اولیهی یکنواخت، حذف شود. استوانهی مرکزی اغلب آند است، باید دقیق و بینقص جایگذاری شود؛ مگر زمانیکه قطر آن با توجه به استوانهی بیرونیتر خیلی کوچک باشد. بنابراین، بهترین راه، استفاده از کوچکترین آندی است که بهخوبی جریان را حمل کند؛ اما در اغلب شرایط این روش با مشکلی همراه است، زیرا دانسیتهی جریان کاتد، بهناچار، کوچکتر از دانسیتهی جریان آند است؛ بااینحال، معمولاً، باید بیشتر از حداقل مقدار ممکن باشد.
هَموند ]27[، پیرامون برخی از مشکلات لولههای آبکاری تفنگی، نمونهی اصلاحشدهی استوانههای هممرکز، بحث کرده است. یک ویژگی جالب سیستم استوانهی هممرکز، آن است که افت ولتاژ بین الکترودها در یک دانسیتهی جریان مشخص، تنها به نسبت شعاع آنها بستگی دارد؛ نه به مقدار مطلق آنها که ممکن است از چند میلیمتر تا چند مایل باشد. همانگونه که کَسپِر ]3[ اشاره میکند؛ در مقاطع شعاعی استوانههای هممرکز (شعاع دیوارههای عایق) نیز توزیع جریان اولیه کامل است.
حالت کرههای هممرکز یا مقاطع شعاعی آنها که همارز هستند؛ بسیار نادر بوده و مورد بحث نخواهد بود.
2-2 کنترل توزیع جریان غیر یکنواخت
این مسئله بهخوبی شناخته شده است که تقریباً تمامی آرایشها و تنظیمات عملی آبکاری، منجر به یک توزیع جریان غیر یکنواخت میشود. این امر تا حدی قابل تحمل است، اما اغلب نیازمند اصلاح برای تولید کار قابلقبول میباشد. توانایی تجسم —حتی بهطور ناقص— میدان پتانسیل اطراف قطعهی کار، کمک بزرگی در ایجاد تنظیمات مطلوب در هندسهی سیستم میباشد. در انجام این کار، مهمترین نکته، عدم غفلت از تأثیر مرزهای عایق است (اجزای مخزن و سطح محلول).
بنابراین، یک آویز که ممکن است توزیع جریان خوبی در طول قطعهی کار بدهد؛ زمانیکه در یک مخزن پر از سایر آویزها کار کند، توزیع جریان بسیار متفاوت و کمتر یکنواختی میدهد؛ نسبت به زمانیکه بهتنهایی یا در یک مخزن نیمهبارگیریشده کار کند.
یک مسئلهی مهم در توزیع فلزی، که نظریهی حاضر قادر به مقابلهی کمّی با آن نیست؛ رسوبگذاری در فاصلهها و شکافها است که توسط یک زاویه شناسایی میشود (شکل 5).
شکل (5) خطوط همپتانسیل بین صفحهی آندی A-B و زاویهی کاتد در مخزن الکترولیت
نظریه به ما میگوید که در یک زاویهی کامل با گوشههای کاملاً تیز، دانسیتهی جریان اولیه روی گوشههای خارجی تیز زاویه، خیلی زیاد است و روی گوشهی داخلی، خیلی ناچیز است. بنابراین از لحاظ تئوری، رسوب صفحه روی گوشهی داخلی یک زاویهی حقیقی (گوشهی صفر) (حتی یکی از 179 درجه)، غیر ممکن است؛ درحالیکه رسوب روی گوشههای خارجی شعاع صفر، ناگزیر باید سوزانده شود؛ اظهاراتی که هر آبکاری بهآسانی باور میکند. بسیاری از نویسندهها در مورد این مشکل بحث کردهاند ]13و9و3[. توزیع جریان اولیه، توسط اندازهی زاویه تحتتأثیر قرار نمیگیرد؛ بلکه فقط شکل زاویه و دو مورد ذکرشدهی اخیر با میکرو زاویهها سر و کار دارند (یکی از شرایط فوقالعادهای که در آن فاکتورهایی غیر از توزیع جریان اولیه کنترل میشوند؛ همانگونه که بهشکل خردمندانهای توسط کاردُس ]13 [بحث شده است).
یک سوءِتعبیر معمول با توجه به زوایا و شکافها، آن است که در فاصلهی دورتر از آند، توزیع جریان بهتر است. این تعبیر برمبنای این فرضیهی نادرست است که شار جریان در خطوطِ مستقیم است و این استنباط که وقتی آند دورتر است، فواصل مختلف از آند به نقاط نزدیک و دور زاویه (یا شکافها) بیشتر به یکدیگر نزدیک هستند.
بههرحال، همانگونه که میتوان در شکل 5 دید، آند AB میتواند بهطرف بالا بهسمت نزدیکترین موقعیت به CD، بدون اثرگذاری روی توزیع جریان، حرکت کند. کاتد یا کاتدها باید بهگونهای آرایش یابند که امکان ایجاد پوشش سادهای را برای کل سطح، چه سطح صاف باشد و چه بهصورت منحنی، فراهم کنند. آندها باید بهگونهای مرتب شوند که، نه ضرورتاً با شکل مجموعهی کاتدی، بلکه با شکل تخمینزدهشدهی آن سطح همپتانسیل که در ارتباط با مرزها، تمایل به دادن نزدیکترین تقریب به شار جریان خط مستقیم را دارد؛ منطبق شوند.
برای مثال، در آبکاری در یک زاویهی بزرگ (شکل 6)، بهترین آرایش آندی، آرایش منطبق با زاویه نیست (شکل a6)؛ آرایش بهتر شکل کرهای است (شکل b6)؛ بهتر از آن احتمالاً آرایش یک تکسیم (شکل c6) یا معادل آن، یک آند دور و ماسکهای عایق A-B، که یک شکاف تشکیل میدهند، است (شکل d6). سطوح پتانسیل در شکل 5 تنها از منظر حدس و گمان رسم شدهاند.
شکل (6) زاویهی کاتدی با آرایشهای گوناگون آند: (a) زاویهی منطبق، (b) آند مخروطیشکل، (c) آرایش نقطهای (سیمشکل) آند، (d) آند مجازی تشکیلشده توسط ماسکهای عایق
در چنین مشکلی، زمانیکه هزینه قابلقبول است، میتوان آنها را با راحتی بیشتر، توسط روش لوکِنز ]6 [یا با سختی بیشتر، توسط روش آنالوگ ]39و7 [با ورقهی رسانا، با استفاده از شکلها و اندازههای مختلف سپرهای عایق ترسیم کرد. استفاده از سپرهای عایق در این شرایط، نسبت به استفاده از ”کاهشدهندههای جریان“ در گوشههای بیرونی زاویه ارجح است؛ زیرا اگرچه کاهشدهندههای جریان، گوشهها را از آبکاری خارج از صفحه حفاظت میکنند؛ اما آنها هنوز صفحهی رسوبدادهشده در بخش داخلی زاویه را بیشتر کاهش میدهند.
شکل d6 همچنین استفاده از سپر عایق AB را برای حفاظت گوشههای خارجی نشان میدهد. در این شرایط، یک جسم کاهشدهندهی جریان برق میتواند بهخوبی عمل کند؛ اما شرایط پیچیدهتر بوده و مقداری از فلز آبکاری بههدر میرود. در تجسم اثر احتمالی سپرهای عایق، بهتر است بهخاطر بسپاریم که سطح همپتانسیل تشکیلشده توسط شکافها یا مناطق باز بهجامانده از سپر عایق، تبدیل به آند مؤثری همانند AC، BD و خطوط شکستهی بیرونی شکل d6، میشود.
روسِلوت ]42 [اخیراً نتایج یک ارزیابی آزمایشی از اثرات سپرهای عایق، کاهشدهندههای جریان و رساناهای دوقطبی روی سپر عایق با استفاده از صفحهی رسانا را برای آنالیز دوبعدی از ساختارها و پیکربندیهای ساده، منتشر کرده است. او نشان میدهد که یک سپر عایق که بهخوبی جایگذاری شده باشد، بهاندازهی یک کاهشدهندهی جریان مؤثر است؛ یک کاهشدهندهی جریان ممکن است 25 تا 50 درصد یا بیشتر از جریان برق را کاهش دهد.
کرونسبین ]11 [اندازهگیریهای کمی، بهمنظور تعیین اثر شعاع فیلت (سَربَند) در بهبود توزیع رسوب روی قسمت داخلی زاویه انجام داد؛ و به این نتیجه رسید که، بهعنوان یک قانون کلی، هیچ بهبود بیشتری توسط افزایش شعاع سَربَند به بالاتر از 01/0 اینچ/ اینچ ساق زاویه ایجاد نمیشود.
هنوز هیچ قانون مشابهی برای لبهها یا گوشههای تیز خارجی، دردسترس نیست؛ اما واضح است که تنها، حد بالایی شعاع مطلوب توسط سایر ملاحظات کاربردی تنظیم میشود. هین ]5 [و همکارانش نشان دادهاند که، زمانیکه دو الکترود موازی با طولهای مساوی، بین دو دیوار جانبی عایق و عمود بر آنها در فواصل مختلف از آنها قرار میگیرند، با دیوارهای پشتی با فاصلهی زیاد، تسهیمبندی جریان بین جلو و پشت الکترودها میتواند محاسبه شود.
همانگونه که انتظار میرود، این امر تابعی است از درجهای که الکترودها فاصلهی بین دیوارها را پر میکنند.
آمار و ارقام گِردشدهی آنها بهشرح زیر است:
عرض کاتد، بهعنوان درصد فاصلهی دیوار تا دیوار توزیع جریان اولیه، درصد جریان کلی در جلو
95 5/97
84 92
72 5/86
58 79
50 75
هر سپر خودرو در قفسهای از سپرهایی که بهصورت پشتبهپشت آبکاری شدهاند، تقریبی از این طرح است؛ زیرا بنابر مفهوم مثال بالا، بین هر دو سپر، یک صفحهی همپتانسیل که معادل با یک مرز عایق است، قرار دارد. فاصلهی سپرها از یکدیگر تعیین میکند که چهمقدار رسوب فلزی در پشت آنها نشسته است.
گاهیاوقات بینظمیهایی که در توزیع جریان وجود دارد، ممکن است توسط چرخاندن یا حرکتدادن آند یا کاتد برطرف گردد؛ بنابراین در هر مشکل مربوط به آبکاری یک استوانه،اگر استوانه بتواند حول محور خودش بچرخد، نابرابریها در فاصلهی آند و بنابراین نابرابریها در توزیع فلزی در سراسر محیط استوانه، میتواند رفع شود. نابرابریها در طول محور استوانه ناشی از مقاطع کاهش تدریجی یا مقاومت بالا در الکترود کوچکتر ]28 [باید توسط روشهای دیگری رفع شوند. این کار ممکن است نیازمند کاهش تدریجی هدفمند یکی از الکترودها باشد. در شرایطی که الکترود بزرگتر بهدلیل مقطع دیوارهی نازک یا ترکیبات ساختاری، افت ولتاژ مطلوبی در طول خود داشته باشد، سپس با ایجاد اتصال آندی در یک انتها و اتصال کاتدی در انتهای مخالف و انتخاب مقطع آند برای حصول افت ولتاژ مشابه در هر فوت برای کاتد، گاهیاوقات امکان خنثیکردن اثر مقاومت الکترود وجود دارد. این کار حداقل در یک مثال انجام شده است ]29[. در چنین ترتیب و آرایشی، آند باید حلنشدنی باشد یا بهبیانی نباید در مقطع انتخابی تغییر کند تا محاسبات را برهم نزند.
فاصلهی آند-کاتد که معمولاً در اغلب تأسیسات تجاری یافت میشود، نمیتواند بیشتر از 8 تا 16 اینچ باشد. بههرحال، یک مسئلهی قابل توجه که اغلب نادیده گرفته میشود و منجر به مشکل و شکایتی میشود که اغلب شنیده میشود، آن است که: «کار روی پایین یا بالای یک قطعه سوخته است».
این شرایط میتواند ناشی از وجود مقدار زیادی محلول، بالا و پایین قطعه باشد. فاصلهی قسمت بالایی قطعهی کار تا سطح محلول معمولاً نباید بیش از 2 تا 3 اینچ باشد، مگر آنکه بهدلیل نیاز به جریان بالا در این نقطه باشد. انتهای قطعهی کار دارای مشکل حساستری میباشد؛ زیرا بسیاری از محلولهایی که استفاده میشوند، دارای یک لایه از لجن در انتها هستند که آبکار دوست ندارد این لایهی لجن بهم بخورد؛ بنابراین قطعهی کار معمولاً در فاصلهی 8 تا 12 اینچ و اغلب بیشتر از انتهای مخزن، نگاهداشته میشود. یک راه بسیار ساده برای خروج از این مشکل آن است که دیوارههای عایق طراحیشده در داخل مخزن به شکل راست قرار گیرند یا با پلاستیک یا آجر شل ساخته شوند؛ همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است.
شکل (7) نمایی از پوشاندن انتهای قطعهی کار از جریان اضافی
دیوارهها باید تا حد امکان نزدیک به صفحهی کاتد باشد. این کار بهطور مؤثری مقدار جریان دریافتشده توسط انتهای قفسه را بدون تشدیدکردن مشکل لجن کف مخزن کاهش میدهد.
روش اصلاح معمولی استفاده از آندهای کوتاهتر از قطعهی کار، تأثیر کمی دارد و در بسیاری از شریط اصلاً کار نمیکند؛ مانند زمانیکه فاصلهی آند-کاتد بهاندازهی کافی برای تشکیل یک میدان همپتانسیل به شکل یک صفحه، زیاد باشد، که معادل با استفاده از آندهای قَدّی کاملاً نزدیک به قطعهی کار میباشد.
تعداد آندها در هر فوت مخزن معمولاً قابلملاحظه نیست؛ زیرا سطح همپتانسیل که در فاصلهی کمی دورتر قرار دارد بهطور عملی تبدیل به یک صفحه شده و معادل یک ورقهی آند است. بههرحال، اگر کاتدها کل طول مخزن را پوشش ندهند، همانطور که باید پوشش دهند، شرایط میتواند تا حدودی توسط ایجاد عرض مؤثری از آندها بهشکلی کوتاهتر از عرض کاتد، بهبود یابد. اینکه عرض آندها چهقدر کوتاهتر از عرض کاتد باشد، میتواند توسط آزمایش تعیین شود و فاصلهی آند-کاتد، همانطور که پیشتر بحث شد، مهم است. ترتیب و نظم قرارگیری قطعهی کار در یک ردیف، یعنی تناسب در نحوهی قرارگیری قطعات در ردیفهای مربوطه در مخزن، بعداً بحث خواهد شد؛ زیرا ملاحظاتی غیر از توزیع جریان اولیه ممکن است اعمال شود.
توزیع جریان ثانویه
انحراف توزیع جریان اولیه توسط دومین و سومین طبقه از فاکتورهای ذکرشده در آغاز این بحث منجر به توزیع جریان ثانویه میشود، که این امر همان چیزی است که در طی کار آبکاری فلزات روی میدهد. هدف این بحث آن است که صرفاً نشان دهد که چطور توزیع فلزی میتواند کنترل شود؛ بنابراین بسیاری از این فاکتورها تنها بهشکلی مختصر ذکر خواهند شد؛ زیرا بسیاری از آنها کاملاً تحتکنترل آبکار نیستند، اگرچه بهطور طبیعی در انتخاب حمام آبکاری و شرایط عملیاتی دخیل میباشند.
اثرات طبقهی دوم، تحتعنوان ”پلاریزاسیون“ نام برده میشوند که بهمعنای تأثیر عبور جریان برق در افزایش مقاومت یا هر پدیدهای با اثر مشابه، تا جاییکه به توزیع جریان مریوط میشود، است. بنابراین، برای مثال، ترکیب لایهی کاتدی توسط تأثیر جریان برق تغییر میکند که منجر به کاهش غلظت یونهای رسانا و درنتیجه افزایش مقاومت (پلاریزاسیون غلظتی) میشود.
یک آند میتواند با فیلمی با مقاومت بیشتر پوشش داده شود (پلاریزاسیون شیمیایی) یا تخلیهی گاز ممکن است، سطح مقطع مؤثر عبور جریان را کاهش دهد (پلاریزاسیون گاز). زمانیکه آندهای تهیهشده بهطور یکنواخت قطبیده میشوند، هیچ اثری روی توزیع جریان کاتدی وجود ندارد؛ بههرحال، پلاریزاسیون غیریکنواخت تأثیری خواهد داشت (تأثیر منفی)، که درصورت خواستن میتوان گاهیاوقات آن را توسط تغییر آرایش آند رفع کرد تا توزیع جریان آندی یکنواختتری بهدست آید؛ این کار توسط تغییر ترکیب شیمیایی حمام آبکاری یا تغییر شرایط آبکاری (شامل همزدن)، برای کاهش پلاریزاسیون آّندی یا برای اینکه پلاریزاسیون آندی را یکنواختتر کنیم، صورت میگیرد. پلاریزاسیون گاز میتواند توسط همزدن یا جهتگیری قطعهی کار، کاهش یابد.
همزدن، پلاریزاسیون غلظتی را نیز کاهش میدهد؛ اما این کار همواره مطلوب نیست، چراکه ممکن است تأثیر بدی روی قدرت پرتابی داشته باشد. با اشاره به کاتد، خواص الکتروشیمیایی که توزیع جریان ثانویه را تعیین میکنند، پلاریزاسیون کاتدی و رسانایی محلول است.
توزیع جریان اولیه بین دو نقطهی 1 و 2 روی یک کاتد (شکل 8) توسط معادلهی زیر داده میشود:
معادلهی (1) i_1/i_2 = d_2/d_1
i1 و i2 دانسیتههای جریان در نقاط 1 و 2 و به ترتیب در فاصلههای d1 و d2 از آند هستند —d1 و d2 فاصلههای اندازهگیریشده، معادل طول خطوط نیروی طیشده توسط جریان میباشند—.
شکل (8) توزیع جریان اولیه روی یک کاتد
توزیع جریان ثانویه، بهطور عمومی توسط معادلهی زیر بیان میشود ]40و39و35[:
معادلهی (2) (i_1^')/(i_2^' )= d_(2+K dE/dI)/d_(1+K dE/dI)
K: رسانایی محلول و dE/dI : شیب منحنی پلاریزاسیون کاتدی بین دانسیتههای جریان i1 و i2 میباشد. ترمهای دوم در صورت و مخرج یکسان هستند و واحد طول را دارند. بنابراین اثر ترکیبی پلاریزاسیون و رسانایی، معادل با افزودن محلولی با طول معادل با طولهای مسیرهای d1 و d2 میباشد.
بنابراین دیده میشود که توزیع جریان ثانویه همواره بیشتر یا کمتر از مقدار بهبودیافتهی توزیع جریان اولیه است. همچنین باید به این نکته توجه داشت که پلاریزاسیون و رسانایی، بهتنهایی خواص ذاتی محلول نیستند، اما به دیگر فاکتورهای خارجی مثل دما، همزدن و دانسیتهی جریان بستگی دارند. علاوهبراین، پلاریزاسیون غلظتی میتواند رسانایی محلول را در مجاورت کاتد تغییر دهد.
درجهی بهبود توزیع جریان ثانویه نسبت به توزیع جریان اولیه، بیشتر خواهد شد، زمانیکه مقدار ترمهای دوم صورت و مخرج کسر افزایش یابد؛ بهاینعلت که، مقدار بهبود توزیع جریان در محلولی با رسانایی بالا که تحت شرایطی کار میکند که پلاریزاسیون کاتدی بهسرعت با دانسیتهی جریان افزایش مییابد، بیشتر میباشد.
شرط دوم، معمولاً فقط در دانسیتههای جریان نسبتاً کم بهدست میآید. گروه سوم از فاکتورهای مؤثر بر توزیع فلزی، شامل هندسهی نامتعارف یا خاصیت فلزی قطعهی کار میباشد؛ بنابراین قطعههای کار فنجانیشکل یا وجود حفرههای کور (حفرههای بسته) ممکن است نیازمند موقعیتیابی ویژه یا حتی جهتگیری مجدد در طول آبکاری باشد.
ایجاد برش قالبی یا گردکردن لبههای تیز حفرههای بسته، توزیع جریان اولیه را تا حدودی بهبود خواهد بخشید. زمانیکه ماهیت سیستم الکترولیت فلز کاتد بهگونهای است که لایهنشانی فلز نیازمند ولتاژ اضافی بالایی است، ممکن است بدون استفاده از روشهای خاصی مانند: ضربهزدن در ابتدای کار در دانسیتهی جریان بالا تا زمانیکه فواصل پوشانده شود یا استفاده از فلز همراه دیگری با ولتاژ اضافی کمتر و یا استفاده از الکترودهای کمکی یا دوقطبی، فواصل بین صفحات اصلاً پوشانده نشود.
بنابراین مشاهده شده است که توزیع جریان ثانویه توسط مجموعهی بسیار پیچیدهای از متغیرها کنترل میشود و اثر هریک از این موارد، نمیتواند بههیچوجه، بهطور کلی پیشبینی شود.
