Подача энергии

Как уже отмечалось, большинство процессов электролитического окрашивания используют переменный ток и он обеспечивается подачей от однофазного автотрансформатора. Такие трансформаторы обычно имеют допустимое напряжение 25-30 вольт и допустимую нагрузку по току в ½-2/3 от мощности выпрямителей для анодирования, и оснащены соответствующими автоматическими средствами контроля напряжения, тока и времени.

Хотя во многих случаях могут применяться простые источники энергии, были приложены значительные усилия, в особенности в последние годы, с целью разработать более сложные источники. Простой тип источника энергии обеспечивает в основном синусоидальный выход по току, но выпрямляющее действие анодной пленки приводит к неравномерной форме токовой кривой, если произвести измерения в ванне окрашивания, как это показано на рисунке. Как можно видеть, анодная часть цикла окрашивания сокращена в сравнении с катодной частью, и они показывают небольшое несовпадение фазы.

Вследствие такого эффекта некоторые разработчики предложили использовать для окрашивания асимметричную форму волны. Gedde предложил реализовать это посредством диодов или тиристоров, так чтобы подаваемое напряжение переменного тока модулировалось по амплитуде и/или частоте таким образом, чтобы обратиться в асимметричное. Типичные схемы приведены на рисунке и утверждается, что они дают  лучшее управление цветом и более высокую скорость окрашивания, чем традиционные источники подачи энергии. С другой стороны, Pechiney получала ассиметричные колебания путем наложения пост. тока на обычный переменный.

Система Gedde для получения смещенной формы волны

С той поры наблюдалась значительная активность в области источников питания, проявляемой, в частности компаниями в Испании, Японии и Германии. Применение Iongrafом прерывистого питания уже упоминалось нами, и оно описано также у Showa Aluмiniun и у Endasa. Требуемые формы волны легко получаются использованием тиристоров и тиристорное управление является базисом для последующего изобретения у Rodriguez. Применяемый аппарат включает силовой трансформатор, вторичная обмотка которого имеет одну фазу присоединенной непосредственно к нагрузке, а вторую фазу присоединенной к нагрузке через встречно   включенные тиристоры. Один из тиристоров инициируется в соответствии с предустановленной программой, а второй приводится в действие в соответствии с несимметрией средних величин напряжения, прикладываемого в положительных и отрицательных полуциклах пер. тока, таким образом, чтобы способствовать устранению несимметрии. На практике отрицательная (окрашивающая) полуволна служит опорной точкой, а положительная полуволна симметрируется относительно нее. Утверждается, что этот метод дает значительно улучшенную кроющую способность и хорошее распределение металла в пленке. Более поздняя версия этой системы от Endasa содержит описание еще более сложного воплощения с операционным усилителем, но целью по-прежнему остается симметрирование положительных и отрицательных частей кривой напряжения. Необходимость этого вызывается емкостными эффектами, возникающими на загрузке (обрабатываемом материале). Когда к анодированной загрузке прикладывается пер. ток, оксидный слой действует как конденсатор, заряженный до пиковой величины прикладываемого напряжения. Однако, когда цикл реверсируется (делается обратным), скорость разряда меньше, чем снижение прикладываемого напряжения, и она меняется в соответствии с объемом загрузки, толщины анодной пленки и условиями анодирования, так что действительные величины напряжения, которые загрузка реально испытывает, выше ожидаемых (расчетных). Поскольку эффект непостоянного действия, он с трудом поддается контролю средствами традиционной практики окрашивания, что ведет к сложностям с однородностью цвета от одной загрузки к другой.

Другим подходом стало применение пульсирующих напряжений и Endasa заявила систему, в которой производится двухстадийная обработка в окрашивающем электролите. , Первая стадия привлекает положительное пульсирующее напряжение порядка 20-30 В, а затем на основной период окрашивания на него накладывается отрицательный импульс. Nippon Light Metal Co. в Японии приняла схожий подход, но с использованием пакетов дискретных импульсов напряжения, которые периодически реверсируются. Предпочтительны прямоугольные импульсы и формы положительных и отрицательных волн могут быть симметричными. В дальнейших разработках этого метода они описывают применение пост. тока (катодного), на который накладываются

последовательности импульсов с положительным напряжением. Типы применяемых колебаний показаны на рисунке ниже. Рекомендуется, чтобы применялся короткий начальный период, с заготовкой, подвергающейся анодированию в окрашивающей ванне, с целью модифицирования барьерного слоя покрытия. Затем следует окрашивание в обычной манере с использованием пост. тока с накладываемыми импульсами положительного напряжения, при этом отношение положительной части цикла (ta) к отрицательной части (tc) лежит в диапазоне 0.005-0.30. Для такой системы рекомендуется титановый противоэлектрод и заявляется о качественном прохождении окрашивания с высокой кроющей способностью. Применение этого процесса окрашивания Unicol было детализировано в Японии. Использование пульсирующих токов и периодической реверсии (изменения направления на обратное) тока также описано Rikenом. Novoмax поведала о системе, которая привлекает тиристорное управление на вторичной стороне источника питания для генерирования формы волны, при которой скорость возрастания напряжения в отрицательной (окрашивающей) части колебания ниже, чем в положительном полуцикле. Как обычно, форма кривой напряжения смещается в направлении отрицательной стороны. Утверждается, что это улучшает кроющую способность. Применение несимметричного тока также заявлялось Alusiusse. Henkel осветила сложный источник питания, в котором средствами диодов и тиристоров амплитуда положительного и отрицательного полуциклов, а также отношение уровня сигнала положительного полуцикла к уровню сигнала отрицательного полуцикла в прикладываемом окрашивающем напряжении пер. тока являются переменными и регулируемыми независимо друг от друга. Как сообщается, этот метод дает очень короткое время окрашивания – в 2 минуты для темной бронзы и в 4 минуты для черного цвета в электролитах на основе олова. Они также отмечают, что путем варьирования относительных уровней сигнала в положительном и отрицательном полуциклах можно в одно и то же время окрашивания получать гамму оттенков. Это может оказаться важным при работе на автоматических установках и оборудовании непрерывного действия. Аналогичный принцип используется Elca.

Импульсные волны, используемые при окрашивании Nippon Light Metals Co.

Прием, который стал очень важным в электролитическом окрашивании, это использование этапа начального анодирования постоянным током до самого окрашивания пер. током. Впервые, вероятно, это было описано YKK. В указываемом документе (см. библиографию) они заявляют технологию, по которой материал анодируется в растворе для электролитического окрашивания и прикладывается пост. ток перед тем, как приступить к собственно окрашиванию пер. током в том же растворе. Окрашивающий электролит должен содержать по меньшей мере две соли металлов, с наличием или без сильного раскисляющего соединения. Примеры показывают смеси сульфата никеля и сульфата марганца в качестве солей металлов, и

тиосульфат аммония в качестве раскисляющего соединения. Преимущества окрашивания с применением пост./пер. тока заключаются в улучшенной равномерности цвета и это достигается модифицированием барьерного слоя анодной пленки в постоянной части цикла. Применительно к этому Cheмal and Befeld показали важность проведения подобной обработки в растворах, способных к созданию барьерного слоя. При их исследованиях заготовка выдерживалась в окрашивающем растворе без тока в течение 0.5-5 минут между этапами пост. и пер. тока. Поскольку многие окрашивающие электролиты содержат такие соли, как соли борной кислоты, условие формирования барьерного слоя легко выполняется. В этом же патенте они решают еще одну проблему, а именно пассивации электродов. Чтобы преодолеть это явление, пост. ток 2-9 вольт пропускается между противоэлектродами как анодами и вспомогательными электродами как катодами до того, как начинается обработка пост./пер. током с целью окрашивания. Fujisash заявляет процесс окрашивания, в котором материал вначале обрабатывается в окрашивающем электролите путем приложения напряжения почти положительной формы волны. Затем производится окрашивание в том же электролите с применением несимметричного напряжения и таким образом, чтобы положительное напряжение было меньше отрицательного. Некоторые подробности этого процесса были опубликованы позже, в частности, применительно к никелевому электролиту. Как и обычно отмечаются равномерность цвета и более быстрый ход окрашивания, но также меньшая чувствительность электролита к загрязнениям, таким как натриевые.

О еще одном подходе сообщает Ronain, в соответствии с которым материал сначала анодируется традиционным способом, а затем обрабатывается в ванне сильно разбавленной серной кислоты (менее 4 г/л) под пер. током с пиковым напряжением в пределах 55-85 В. Пер. ток подается от вторичной стороны трансформатора к тому, что описывается как многофазная цепь, таким образом, что распределение заряда между фазами сбалансировано. Тот же источник затем применяется для электролитичесого окрашивания материала в растворе соли металла и снова при высоких пиковых напряжениях. В чем-то похожий подход применялся Aiden’ом в Японии, который понижал конечное напряжение в ванне анодирования с серной кислотой до очень малых величин перед переходом к общепринятому электролитическому окрашиванию.

Ряд производителей, в частности в Японии, делали попытки сочетать операции анодирования и окрашивания в одной ванне, с применением пер. тока для сернокислотного анодирования, и добавляя в ванну соли соответствующих металлов. Похоже, однако, что это должно приводить к сульфидным цветам , а также к традиционным результатам процесса электролитического окрашивания.

Судя по интенсивной активности в данной области, понятно, что из использования специальных источников питания можно многое извлечь для технологии электролитического окрашивания, но сложность некоторых систем, а также наличие многочисленных альтернативных вариантов делает оценку этих альтернатив весьма сложной.