電鍍硬鉻技術(shù)發(fā)展綜述及操作要點

劉俊蓮 *，陳華三，江冰

（1.內(nèi)蒙古一機集團北方實業(yè)公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032；2.中國電子科技集團43 所，安徽 合肥 230022； 3.青島環(huán)境科學研究院，山東 青島 266003）

硬鉻鍍層具有耐磨、硬度高、穩(wěn)定等特點而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。在當前國內(nèi)裝飾、防護性電鍍加工效益日益滑坡的情況下，電鍍硬鉻仍然保持較高利潤而吸引著眾多生產(chǎn)廠家。雖然污染問題使其應(yīng)用日益受到限制，但目前尚無可普及的理想取代工藝?？梢灶A測，國內(nèi)電鍍硬鉻生產(chǎn)在短期內(nèi)無法被取代。因此，提高電鍍硬鉻生產(chǎn)技術(shù)水平具有實際意義。

1 電鍍硬鉻工藝

選擇合適的電鍍硬鉻工藝是正常生產(chǎn)的首要問題。硬鉻電鍍主要追求鍍層沉積速率高，厚度分散均勻。較為理想的工藝應(yīng)具有如下特點：

(1) 電流密度大，可獲得高沉積速率；

(2) 溫度范圍寬，以利于鍍覆初期減少升溫所耗用的能源，中后期減少鍍液冷卻水用量；

(3) 鍍液不含氟化物，減少因零件低電流密度區(qū)或非鍍覆區(qū)鐵基體的溶解而污染鍍液，且避免鉛合金陽極腐蝕；

(4) 鍍液分散能力好，減少鍍層橢圓度；

(5) 鍍層光亮、不結(jié)瘤，減少后道磨光工作量；

(6) 鍍層硬度高，耐磨性好。

除此之外，從減少污染的角度而言，低鉻酸酐濃度也是重要的一個特點。

1.1 常用工藝

1.1.1 傳統(tǒng)工藝

鍍液的主要成分為：鉻酸酐180～250 g/L，硫酸1∶100(質(zhì)量比)。

該工藝目前在國內(nèi)使用最為普遍，其優(yōu)點是鍍液成分簡單，但存在鍍液分散、覆蓋能力差，鍍層易結(jié)瘤，電流效率低等缺點，因此在很多地方已被其他新型工藝所取代。

1.1.2 采用稀土添加劑的低濃度硬鉻工藝

該工藝具有“三低一高”(即低鉻酸酐濃度、低溫度、低電流密度及高電流效率)的特點，分散能力及覆蓋能力也較好，屬于第二代鍍鉻技術(shù)。從鍍液成分方面可將鍍液分為兩大類──含氟工藝和不含氟工藝。二者相比，前者電流效率更高、復鍍性較好。但含氟鍍液會帶來鍍件低電流密度區(qū)基體腐蝕及鉛陽極腐蝕的問題，導致鍍液不穩(wěn)定[1]。為了改善陽極性能，含氟工藝推薦使用鉛-錫合金陽極，但仍不能徹底解決腐蝕問題。不含氟工藝由于不含氟離子，使用較為安全，但不具有含氟溶液的高效率，其效率之所以高于普通鍍鉻，鉻酸酐濃度低是主要原因之一。

20世紀80年代末，國內(nèi)研制應(yīng)用的鍍硬鉻工藝大多為含氟工藝。90年代以后，各類不含氟的稀土鍍鉻工藝紛紛研究成功并投入生產(chǎn)。稀土鍍鉻工藝目前已較為成熟，其種類、品種也很多，各具特點，在國內(nèi)至今仍有一定的應(yīng)用，但以裝飾性鍍鉻為主，硬鉻電鍍方面使用不是太普遍。這是因為：

其一，硬鉻電鍍追求的是高沉積速率，需要高電流密度及較高溶液溫度配合。而具有低溫、低電流密度等特點的稀土鍍鉻工藝與硬鉻電鍍工藝特點正好相反；

其二，含氟溶液在較高溫度時對零件低電流密度區(qū)以及鉛合金陽極的腐蝕加劇；

其三，硬鉻溶液反向電解處理產(chǎn)生鐵離子積累，由于稀土鍍鉻工藝的鉻酸酐濃度較低，對鐵的容忍量也低。另外，陽極密度過低也易導致三價鉻含量上升[2]等問題。

以上種種原因限制了稀土工藝在硬鉻方面的應(yīng)用。但有些特殊情況下，采用稀土工藝還是較為合理的。如山東淄博周村一帶是造紙機械烘缸電鍍的集散地。大的烘缸直徑可達6 m，長度超過4 m，需電鍍幾十μm 厚的硬鉻。按常規(guī)工藝計算，需使用數(shù)萬安培的電鍍整流器。不但整流器投資大，而且需要單獨配備電力變壓器。20世紀90年代初第一家上馬烘缸電鍍鉻的周村愛國電鍍廠為此進行了周密的工藝比較和考察，綜合一次性投資、電力施工及工藝維護管理等因素，選擇了以低電流密度為特征、不含氟的稀土鍍鉻工藝，僅以2 臺6 kA 的整流器并聯(lián)使用即滿足了要求。該鍍鉻工藝一直使用至今，經(jīng)20年的生產(chǎn)驗證，性能穩(wěn)定，鍍液已多達十幾萬升，幾乎成為當?shù)睾娓族冦t的標準工藝[3]。由此可見，對于稀土工藝鍍硬鉻，不能輕率投產(chǎn)，但也不能完全否定，應(yīng)根據(jù)具體情況，綜合各方面因素來確定。

1.1.3 高效硬鉻電鍍工藝

顧名思義，這種鍍鉻工藝特點是高效率、高沉積速度。它主要采用多元磺酸或其鹽類作為主添加劑。我國從20世紀80年代開始引進國外工藝。90年代末期，國內(nèi)的自主產(chǎn)品已全面取代進口產(chǎn)品，質(zhì)量基本相同。這種硬鉻工藝的特點是不含氟，陽極腐蝕減輕；電流效率高達27%，電流密度高達80 A/dm2，溫度可達70 °C，最高沉積速率達100 μm/h 以上，鍍層微裂紋數(shù)、亮度也具有良好的指標，目前已成為硬鉻電鍍的主流工藝[4]。這類工藝應(yīng)屬于第三代鍍鉻工藝。雖然需使用專用添加劑，但綜合成本下降。特別是產(chǎn)量較大的專業(yè)硬鉻電鍍生產(chǎn)廠家，應(yīng)優(yōu)先選用這種工藝。

1.1.4 脈沖及換向硬鉻電鍍工藝

鉻鍍層在電鍍過程中會產(chǎn)生大量的氫化鉻(CrH或CrH2)，導致鍍層出現(xiàn)裂紋及抗腐蝕性能下降。脈沖電鍍通過控制脈沖電流參數(shù)，如脈沖電流密度、脈沖導通時間、脈沖關(guān)閉時間、頻率等可細化鍍層結(jié)晶，降低透底的裂紋尺度及數(shù)目，改善鍍層質(zhì)量。雙向脈沖電鍍鉻還可獲得納米晶的特殊鍍層結(jié)構(gòu)，進一步降低裂紋尺度及數(shù)目，提高鍍層抗腐蝕能力，降低鍍層應(yīng)力[5]。

如湖南常德紡織機械廠生產(chǎn)中使用標準單脈沖技術(shù)電鍍硬鉻，采用高達80 A/dm2的電流密度，明顯地提高了電流效率和沉積速率，縮短了電鍍時間，產(chǎn)量提高2～3 倍，能耗降低50%左右，節(jié)約原料約34%。其生產(chǎn)的平板件周邊與中心鍍層厚度差也減小，減少了磨削加工工時，鉻層最大厚度由原來的0.3 mm 提高至1 mm 以上[6]。

王長亮等[7]在A-100 鋼基體上開展了單脈沖電鍍硬鉻研究。在電流密度50 A/dm2、脈沖周期75 s、占空比0.8 的條件下制備出無裂紋的鍍鉻層，其顯微硬度為765 HV，鍍鉻層厚度約12 μm 時除氫后不產(chǎn)生裂紋，約20 μm 時除氫后產(chǎn)生少量裂紋，鍍層的沉積速率為10～12 μm/h，其氫脆性能滿足HB 5067 標準的要求。該研究還發(fā)現(xiàn)，一個脈沖周期內(nèi)鍍鉻層沉積厚度為0.23～0.27 μm 時最終所得鍍層的裂紋最少。

有研究[5]表明，在CrO3250 g/L、H2SO43 g/L 的溶液中，采用雙向脈沖電鍍鉻，用原子力顯微鏡觀察鍍層形貌可發(fā)現(xiàn)鉻層結(jié)構(gòu)致密，沒有明顯的裂紋。而且在溫度49 °C，陰極電流密度Jk= 42.0 A/dm2，陽極電流密度Ja= 51.5 A/dm2，正、反向電流時間分別為 6.23 s 和 28.5 ms 的條件下得到的鍍層表面晶粒最細密，表面最平整。

1.1.5 納米復合電鍍硬鉻

金屬零件上納米級粒度硬質(zhì)顆粒復合鍍鉻是近年來研究的熱點。特別是納米金剛石具有最高的硬度以及巨大的比表面積和表面活性，形成復合鍍層后，在機械摩擦過程可吸附于摩擦表面，形成微軸承潤滑膜，減少了摩擦表面之間的直接接觸；同時精細粒子的填平性能也起到了輔助減磨作用。鍍層中分散的納米金剛石可有效降低鉻鍍層的應(yīng)力。因此，納米金剛石復合鍍鉻對于減少鍍層裂紋，提高鍍層顯微硬度，改善鍍層的內(nèi)應(yīng)力，強化零件的抗磨損能力，均具有顯著作用，是強化金屬表面的有效方法之一[8]。

由于金剛石屬非極性立方結(jié)構(gòu)，具有較強的憎水性。干態(tài)的納米金剛石粉不易浸潤，用戶難以使用。市售的納米金剛石均為水性懸濁液，即使存放很短時間也會自然集聚成微米級團粒態(tài)，使用時必須重新分散處理，工藝及設(shè)備較為復雜，一般電鍍企業(yè)難以使用，因而限制了納米金剛石復合電鍍的推廣應(yīng)用。張來祥等人使用簡單的高速電動攪拌器設(shè)備與有機磺酸類陰離子表面活性劑配合，得到了以單顆粒納米金剛石分散為主、可穩(wěn)定保存4 個月以上的水分散體系，方便了電鍍企業(yè)的使用[9]。

1.2 操作要點

電鍍硬鉻之前必須仔細地進行除油、除銹等前處理。鋁、鋅、鎂及其合金等部件在硬鉻電鍍之前，最好預先鍍一層鎳。除此之外，還應(yīng)注意如下環(huán)節(jié)：

(1) 反向電解。為了提高鍍層結(jié)合力，硬鉻電鍍之前，特別是當鍍層較厚時，需要進行反向電解。應(yīng)注意的是，電解時間及電流要隨鍍層厚度及基體材料不同而變化。

(2) 階梯送電。正常鍍覆時采取階梯送電4～6 次，每次送電時間2～5 min。

(3) 去除結(jié)瘤。硬鉻電鍍一段時間后，邊、角等處極易結(jié)瘤，或者產(chǎn)生毛刺。應(yīng)定期取出工件，用砂紙進行打磨處理。有條件可使用廢舊機床等機械作為輔助設(shè)備，否則采用手工處理。打磨結(jié)束后重新入槽時最好階梯送電。送電時間及次數(shù)應(yīng)由實踐摸索確定。離槽時間過久應(yīng)重新進行反向電解。

(4) 鍍后處理。電鍍硬鉻結(jié)束后需進行研磨處理。一般使用機加工方法，如磨光或布輪拋光，應(yīng)根據(jù)零件要求而定。

2 電源設(shè)備

各類電鍍工藝中，鍍鉻是受電源波形影響最大的鍍種之一。因此，選擇電鍍電源設(shè)備更顯重要。目前國內(nèi)的電鍍電源幾乎全部使用整流器。除極特殊情況外，直流發(fā)電機已不再使用。因此，只討論整流設(shè)備選擇應(yīng)注意的事項。

2.1 傳統(tǒng)硅整流器

硅整流器由于使用歷史長、技術(shù)成熟，目前是整流器主流產(chǎn)品。鍍鉻用的硅整流器選型使用時應(yīng)注意如下幾個方面。

2.1.1 整流電路

整流電路對波形平滑程度影響最大。一般而言，大型整流器多使用帶平衡電抗器的雙反星型整流電路，整流元件并聯(lián)導通，波形最為平滑，整流效率較高，工作也較為可靠，因此優(yōu)先推薦。橋式整流電路波形與雙反星型整流電路相同，但電流效率低，一般不推薦使用。三相半波整流電路波形差，更不推薦使用。

2.1.2 整流元件類型

整流元件即通常所說的二極管。由于整流器所有的輸出電流都要經(jīng)過整流元件，因此，整流元件可以說是整流器的心臟。整流元件分為硅整流元件和可控硅整流元件兩種。整流元件的類型也決定了整流器的類型。傳統(tǒng)鍍鉻整流器使用硅整流器。雖然可控硅技術(shù)已有了長足的發(fā)展，且在電鍍上的應(yīng)用也日趨增多，但筆者還是推薦使用硅整流器。其原因有如下幾個方面：

(1) 波形?？煽毓枵鞑捎每刂普髟〞r間與截止時間來控制電流。整流器滿負荷使用時，波形與硅整流器相同，但輸出電流太小而達不到額定輸出電流，電流波形變差，影響硬鉻電鍍質(zhì)量。而硅整流器使用自耦調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器等電感性器件調(diào)壓方式，輸出電流大小對波形幾乎無影響。而硬鉻電鍍生產(chǎn)期間電流的調(diào)節(jié)往往很頻繁，因此可控硅整流器在電流較小時會對質(zhì)量產(chǎn)生影響。

(2) 維修問題。除用戶提出特殊要求(如加有電流密度自動控制、安培小時計等附加功能器件)外，一般硅整流設(shè)備中幾乎無弱電元器件；因此，除工作可靠外，出現(xiàn)故障后的維修也相對較為容易?？煽毓鑴t不然，其觸發(fā)電路部分是由眾多弱電電子元件組成，在電鍍車間的生產(chǎn)環(huán)境下，安裝使用再仔細也難免遭受有害氣體的腐蝕。這些電子元件出現(xiàn)問題后，不但維修技術(shù)性太強，一般電鍍廠無法自行修復，而且會由于這些不起眼的小元件出現(xiàn)的問題，導致三相電流不平衡，損壞價值昂貴的可控硅整流元件。如保護電路不完善，還會出現(xiàn)惡性循環(huán)，燒壞多個可控硅元件。

可控硅的優(yōu)點只是電流效率高于硅整流。

2.2 開關(guān)電源

開關(guān)電源制作技術(shù)已經(jīng)成熟，并在電鍍行業(yè)得以廣泛應(yīng)用。它兼有硅整流器的波形平滑及可控硅整流器的調(diào)壓方便的優(yōu)點，而且電流效率高(可達90%以上)、體積小。與硅整流電源相比，高頻開關(guān)電源具有以下特點：

(1) 體積小，節(jié)省設(shè)備的占地面積。

(2) 制造成本低，價格便宜。

(3) 電流效率高，一般可達90%以上，與硅整流電源相比，節(jié)能35%以上。

(4) 高頻開關(guān)電源技術(shù)復雜程度高，一旦出現(xiàn)故障，使用廠家很難自己維修。目前的方法是，對有條件的用戶進行專人培訓，小故障自己排除，大故障由制造廠家維修。為避免耽誤生產(chǎn)，絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)一般要配備開關(guān)電源備用機。

(5) 高頻開關(guān)電源內(nèi)含控制電路和功率器件，對環(huán)境的條件要求較為嚴格，因為一般采用風冷形式，所以要求電源的放置環(huán)境應(yīng)無污染，以降低因環(huán)境條件造成的故障。若環(huán)境條件難以改進，也可以選用油浸防腐式高頻開關(guān)電源。

(6) 高頻開關(guān)電源技術(shù)含量高，用戶在使用中應(yīng)避免以往對待硅整流設(shè)備那樣粗放型的設(shè)備使用管理方式，而應(yīng)提高維護意識，科學地使用和管理設(shè)備，達到低價采購、節(jié)能使用、省錢維護的目的。

由于開關(guān)電源本質(zhì)上輸出的是15～20 kHz 的脈沖波形，用于鍍鉻的高頻脈沖電源最好在輸出端增設(shè)鐵氧體電感濾波器，以提高輸出波形的平滑度。

2.3 換向電源設(shè)備

硬鉻電鍍之前一般需要反向電解。因此需要電源極性換向裝置。簡單的方法是使用手動換向開關(guān)。由于電流很大，開關(guān)通、斷時會形成較大的電火花，開關(guān)很容易損壞。將觸點浸入變壓器油中可以延長其使用壽命。可控硅整流器實現(xiàn)換向比較容易，由于是無觸點換向，因此不會產(chǎn)生火花腐蝕，但可控硅元件會產(chǎn)生電壓降，浪費電能。

2.4 多功能電源設(shè)備

基于電鍍硬鉻的工藝特點，結(jié)合電氣自動控制技術(shù)，設(shè)計制作多功能電鍍電源有利于控制硬鉻電鍍質(zhì)量。如具有反向電解、沖擊電流、定時換向、自動控制電量等功能的電鍍硬鉻專用整流器的工作過程設(shè)想如下：

(1) 工件經(jīng)過前處理入槽后首先進行反向電解。反向電解時間、電流密度可以通過程序預設(shè)。

(2) 反向電解結(jié)束后，整流器自動進入大電流沖擊狀態(tài)。電流一般為正常電流的1～2 倍，時間約10 s。

(3) 沖擊電流結(jié)束后，電流自動降低至正常值而進入鍍層加厚階段。

(4) 每正向電解15～20 min，鍍層厚度達5～10 μm時，反向電解約20 s，循環(huán)往復。正反向時間可以預置。

(5) 整流器定時器自動計時，或自動安培小時電量自動計量，可控制鍍鉻層厚度。定時結(jié)束后聲光報警、自動斷電。

采用如上工藝獲得的硬鉻鍍層裂紋少，具有良好的耐鹽霧性能，鍍層結(jié)合力也有所提高。

2.5 脈沖電源設(shè)備

近年來，脈沖電鍍鉻技術(shù)已成為國際上研究的熱點，并逐步應(yīng)用于各種電鍍鉻的工業(yè)化生產(chǎn)中。隨著電力電子科學技術(shù)的發(fā)展，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，促使脈沖電鍍電源的功能、電流波形多樣化。脈沖直流電源生產(chǎn)技術(shù)已趨成熟,，在鍍鉻方面也開始應(yīng)用。

現(xiàn)代的脈沖電鍍電源是基于高頻開關(guān)電源進行功能擴展而成的，主電路由整流濾波、高頻逆變、降壓變壓、斬波輸出和輸出濾波等部分組成，引入單片計算機或其他功能電子電路組成程序控制單元，輸出波形及控制功能可通過程序預置實現(xiàn)[10]。脈沖方式也由原來簡單的正、負脈沖擴展成為連續(xù)單脈沖輸出、間斷單脈沖輸出、正反向連續(xù)脈沖輸出、正反向非連續(xù)脈沖輸出等4 種類型。基于這4 種類型可組合出更多種脈沖。脈沖實例如下：

2.5.1 單脈沖

單脈沖是指只有正向電壓、電流輸出，無反向電壓、電流輸出的波形。可分為3 種：

(1) 簡單單脈沖。早期的脈沖電源只具有簡單的通、斷功能。輸出波形如圖1最左邊部分所示。鍍鉻生產(chǎn)時需設(shè)定的波形參數(shù)有3 個，即通態(tài)時間ton、關(guān)斷時間toff和平均電流。脈沖周期T = ton+ toff。

圖1 具有輪廓脈沖的電源輸出波形Figure 1 Pulse waveform with idle time

(2) 具有輪廓脈沖的單脈沖波形。輸出波形如圖1所示。與單脈沖不同的是：電源輸出若干個連續(xù)脈沖(ton-k)后停留了一段時間(toff-k)。脈沖周期T = ton-k+ toff-k。生產(chǎn)時需設(shè)定的波形參數(shù)比簡單單脈沖多了通態(tài)輪廓時間 ton-k和關(guān)斷輪廓時間toff-k。

(3) 疊加直流的單脈沖波形。即簡單脈沖或具有輪廓的單脈沖波形疊加直流后的波形，如圖2最左邊部分所示波形。與簡單脈沖及輪廓單脈沖不同的是，多了直流疊加電壓(或電流)。

圖2 具有直流疊加、輪廓脈沖的正負雙脈沖波形Figure 2 Pulse reverse waveform with idle time and superposed direct current

2.5.2 正負雙脈沖

正負雙脈沖輸出電壓、電流的極性隨時間不同而變化。早期的正負雙脈沖比較簡單，如圖3a所示。由于電壓、電流的變化突然，對電源的沖擊較大，因此圖3b所示的波形比較合理。其他正負雙脈沖波形示例如圖2和圖4所示。由于參數(shù)比較復雜，此處不再贅述。

圖3 普通雙脈沖波形Figure 3 Common pulse reverse waveform

圖4 具有輪廓脈沖的正負雙脈沖波形Figure 4 Pulse reverse waveform with idle time

2.5.3 波形類型對電鍍鉻的影響

脈沖鍍硬鉻不用改變工藝配方，而是通過電鍍過程脈沖波形變換產(chǎn)生電磁攪拌作用，從而改善離子的遷移方式及雙電層狀態(tài)，沉積速率與時間呈線性關(guān)系增長。在脈沖導通時間極短的情況下，內(nèi)擴散層維持在極薄的狀態(tài)，可在高電流密度(脈沖峰值)下進行電鍍，大幅度地提高鍍鉻電流效率，促進成核反應(yīng)，控制晶核成長，使結(jié)晶更加細化、均勻，從而獲得比直流鍍鉻致密得多的鍍層。由于脈沖鍍鉻，特別是使用反向脈沖時，伴隨陰極吸附的氫和雜質(zhì)在脈沖中斷時可以被解吸，降低了內(nèi)應(yīng)力，因此鍍層韌性得到提高。

有關(guān)脈沖鍍鉻的理論研究及文獻資料目前尚不多見，各種新出現(xiàn)的擴展波形用于電鍍硬鉻方面的研究更少。但脈沖鍍鉻具有廣闊的發(fā)展前景，有待進一步關(guān)注。

3 工藝輔助裝置

3.1 掛具

電鍍硬鉻掛具應(yīng)根據(jù)零件形狀及尺寸等情況現(xiàn)場設(shè)計制作。設(shè)計掛具時，主要應(yīng)考慮承重、電接觸及發(fā)熱問題。因鍍硬鉻電流很大，掛具與零件接觸部位的導電面積應(yīng)盡可能大，并有足夠的承重支撐能力。質(zhì)量輕的零件導電接觸部位必須采用彈性結(jié)構(gòu)。掛具與極棒等外線路部分接觸也應(yīng)良好。如有必要可考慮使用循環(huán)水冷卻裝置。設(shè)計時可與硬鉻鍍槽冷卻水統(tǒng)籌考慮。

硬鉻電鍍的掛具通常根據(jù)需要添加輔助陽極及輔助陰極裝置。如方形管狀零件內(nèi)壁存在4 個直角內(nèi)縫，給硬鉻電鍍帶來了較大的困難。采用象形陽極等技術(shù)可很好地解決這一問題[11]。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，超長桿、軸類零件需采用兩端兩次鍍鉻時，接縫處使用細鐵絲制作圓形或方形象形輔助陰極，可以獲得具有良好結(jié)合力及平滑過渡效果的鍍層。

通常掛具只與直流電源的負極(陰極)相連。而輔助陽極是在掛具上用與負極絕緣的導線將鉛絲等象形陽極引入到被鍍零件的低凹處附近，或者是電力線達不到的內(nèi)腔位置附近，以增加該部位鍍層的厚度。

輔助陰極則相反。它是在靠近零件尖角、棱邊位置用與電源陰極相連的鐵絲進行遮擋，以減薄這些部位的鍍層厚度，避免燒焦、結(jié)瘤現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2 窄縫及遮擋技術(shù)

窄縫和遮擋都是使用絕緣材料放置到陽極及鍍件之間，調(diào)節(jié)電流分布，提高鍍層厚度均勻性。

窄縫是在絕緣材料上開設(shè)窄縫或小孔，使電流能夠通過窄縫到達零件與窄縫或小孔對應(yīng)部位，提高該區(qū)域的鍍層厚度；屏蔽則相反，是在零件棱邊等電力線集中的尖端部位使用絕緣材料進行遮擋，迫使電流“繞路”而降低尖端部位的電流密度，降低被遮擋部分的鍍層厚度。

窄縫及遮擋對于提高鍍層厚度均勻性具有很好的效果，但目前在生產(chǎn)中往往被忽視。窄縫及遮擋的主要優(yōu)點是復用性、重現(xiàn)性、可靠性及安全性，電鍍形狀復雜的產(chǎn)品時可代替脆性大、易損耗且需經(jīng)常更換的輔助陽極，從而避免了因微陽極下垂等原因引起的短路現(xiàn)象。窄縫和遮擋裝置可安裝在掛具上或固定在鍍糟中，省時省力，減少費用，并可以使用高電流密度而縮短電鍍時間；也可與鍍槽及輔助陽極相配合而靈活設(shè)計掛具，達到提高鍍層厚度均勻性的目的。窄縫和遮擋技術(shù)的采用，對硬鉻電鍍具有非常重要的意義。

3.2.1 窄縫和遮擋的材料

窄縫和遮擋材料在鍍鉻溶液中應(yīng)具有較好的化學穩(wěn)定性；當溫度達到65 °C 時形狀不應(yīng)發(fā)生變化；應(yīng)有足夠強度以支承自重而不產(chǎn)生曲翹及下垂。材料中不能含有導電的顏料和纖維，以免表面出現(xiàn)“枝狀”鍍層。經(jīng)常使用的聚合物材料是聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、過氯乙烯(CPVC)、聚偏氯乙烯(PVDC)等。酚醛、三聚氰胺類熱固性層壓樹脂由于不能耐鉻酸氧化，一般不宜使用。大型窄縫和遮擋可以使用涂塑鋼，結(jié)構(gòu)上可使用螺栓連接，制作容易，成本低廉。

3.2.2 窄縫和遮擋的類型

窄縫和遮擋技術(shù)兩者配合，可使用大面積陽極，許多情況下可控制鍍槽中三價鉻含量的上升。

對于具有內(nèi)角的零件，可用遮擋裝置減少棱、角等部位電力線密度；同時用由4 個面圍成的狹縫盒將電流導向內(nèi)角，使鍍層極難沉積的內(nèi)角部位也獲得均勻的鍍層沉積。如采用循環(huán)泵類設(shè)備使鍍液強制流向內(nèi)角處，則效果更好。

遮擋裝置的效果取決于其尺寸、形狀及與鍍件的相對位置。另外，陰陽極間距、鍍液成分、工藝條件(如溫度、攪拌及電流密度)、輔助電極的設(shè)置等因素也有影響。

為了降低平板類零件邊棱上鍍層的厚度，可采用“邊框式遮擋”。這種結(jié)構(gòu)類似于鑲嵌照片的相框，其尺寸應(yīng)略大于平板零件，邊框的寬度一般為2～5 cm，安放位置靠近平板零件邊棱表面。由于鍍液性能不同，其距離無一定之規(guī)，可通過實驗確定。

裝設(shè)在局部或點狀陽極上的遮擋有時稱為“三明治”陽極。這種設(shè)計具有獨特優(yōu)點，可用于鍍覆較深的徑向溝槽或鼓狀物內(nèi)角，可有效引導電流流向所需部位并對溝槽側(cè)壁起到保護作用。

3.2.3 窄縫及遮擋的位置

在陰陽極間距合適的情況下，窄縫及遮擋與鍍件的距離對邊棱的影響較其他部位大得多，習慣上遮擋靠棱邊較近。一般情況下，遮擋與鍍件的合適間距不超過1 cm。對于類似壓延輥和印刷版之類的較大型陰極也是如此。陰陽極間距很小時，使用狹屏蔽即可得到良好效果，但間距增大則效果甚微。寬屏蔽對陽極位置要求不高。但從簡化掛具結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、方便制作、降低成本及減少鍍液帶出等方面考慮，一般以近陽極間距、狹屏蔽為宜。

實際生產(chǎn)中，陰陽極間距一般為5～10 cm。對于小型塑料模和金屬徽章印模，極間距一般為0.55～2.50 cm，但無一定之規(guī)。陰陽極間距受掛具制作技術(shù)及設(shè)計、安裝等因素限制。要獲得最佳效果，陽極應(yīng)靠近遮擋，但不應(yīng)阻止新鮮鍍液向陰極流動。當陽極面積小于陰極面積時，鍍液流動一般不受阻礙。正常電流密度下，電極表面析出的氣體可促進溶液流動。

陽極面積較大時可采用鉆孔方法或使用鉛格子陽極，以利于鍍液流動；但陽極開孔的尺寸又限制了極間距。如兩極相距太近，鍍層厚度及外觀會出現(xiàn)與陽極開孔形狀相似的圖案。對于常規(guī)圓柱形陽極，極距太小時也限制了鍍液的流動。一般情況下不使用在遮擋裝置上鉆孔的方法來改善鍍液流動性。因為一個小孔即可流過較大的電流，使遮擋作用失效。

電鍍件表面積對陰、陽極位置選擇具有影響。鍍件面積大時，遮擋尺寸及陰陽極間距應(yīng)增加。反之，小型鍍件且對鍍層技術(shù)指標要求較高時，應(yīng)使用狹小的遮擋及較近的陰陽極間距。增加陰陽極間距及遮擋寬度可改善帶有孔洞、溝槽及浮雕的零件低凹處的鍍層分布。然而槽電壓隨電極距離的增大而提高，限制了極間距的增加。9～18 V 直流電源適用于各種鍍鉻工藝。

遮擋并不局限于具有平面棱邊的平面制品，對于形狀復雜的零件其實更為重要。用于大型零件的圓柱形遮擋可采用塑料板加熱彎曲的方法制作，小型的遮擋則采用塑料管或小塑料塊機械加工而成，不規(guī)則形狀可采用塑料板塊焊接制做。這樣，遮擋可安裝在掛具上或制成易于裝掛的形式。

熱塑性塑料，如PVC、CPVC、PE、PP 及樹酯類，可用熱空氣焊槍(或爐內(nèi))加熱，溫度達塑料軟化點以上時即可彎曲成所需形狀，冷卻時用鉗子夾持定型，也可用零件或其他特殊方法定型。熱成形工藝一般只限于1～6 mm 的塑料板。厚塑料板可在需彎曲部位的反面刻上折痕，以提高彎曲成形的精確性。彎曲之前先對該部位加熱。彎曲后將折痕缺口用焊接方法填補起來，以提高掛具強度。

無論是安裝在槽內(nèi)還是固定在掛具上，水平遮擋在一般情況下均作為永久性或半永久性裝置使用。安裝在槽內(nèi)的遮擋及各種長度的分體式遮擋應(yīng)采用涂塑鋼制作，以提高其剛性。

3.2.4 注意事項

任何鍍層厚度控制技術(shù)也解決不了因陽極清洗及活化不當而引起的故障。陽極要一直保持良好導電狀態(tài)，且要及時去掉槽內(nèi)無用的陽極；否則，即使是最優(yōu)秀的窄縫及遮擋，鍍層厚度控制系統(tǒng)也會失去作用。

4 陽極及微孔陶瓷電解裝置

目前鍍鉻陽極主要使用純鉛、鉛銻合金及鉛錫合金3 種材料制作。純鉛陽極用于標準鍍鉻溶液中，耐蝕性等性能較好，但硬度差，易變形。因此，常使用鉛銻合金以改善陽極的機械性能。鉛錫合金陽極在含氟溶液中的耐蝕性較前兩者好，因此一般用于含氟類型的鍍液，如目前流行的稀土添加劑及氟硅酸型鍍液等。鉛錫型陽極使用時應(yīng)注意錫含量不宜過高，否則會導致三價鉻含量過高。

鍍鉻陽極本身不溶解，只起導電作用。正常使用時，陽極表面產(chǎn)生一層致密、褐色的過氧化鉛膜，其厚度較小，不影響導電，并可將三價鉻氧化為六價鉻。但使用不當時，鍍鉻鉛陽極表面易產(chǎn)生一層厚度較大的黃色鉻酸鉛膜，影響導電。此時應(yīng)即刻清除，否則影響鍍層厚度均勻性，并易導致三價鉻含量上升。

應(yīng)注意的是陽極電流密度。為了控制三價鉻含量，目前的技術(shù)資料及電鍍工藝書無一例外地提示要注重陰極/陽極面積比；但僅此還遠遠不夠。鉛或鉛合金之所以具有降低三價鉻的作用，是由于表面過氧化鉛的生成。而維持過氧化鉛的存在，須有足夠大的陽極電流密度。如果由于溫度過低或其他原因引起陰極電流過小，即便陰、陽極面積比例合適，陽極電流密度也可能很小，過氧化鉛將會被溶解，真實有效的陽極面積也會相應(yīng)減小，三價鉻含量就會失控。

除上述3 種陽極之外，精密儀器設(shè)備電鍍硬鉻常使用鍍鉑鈦網(wǎng)做陽極。其突出優(yōu)點是陽極表面狀態(tài)好，沒有鉛及鉛合金類陽極所具有的鈍化、導電不均勻等缺點，使用壽命也較長。一般鉑鍍層的厚度2～3 μm即可達到要求。目前進口的塑料印刷輥表面硬鉻電鍍設(shè)備幾乎全部使用鈦網(wǎng)鍍鉑陽極。由于具有極為優(yōu)越的性能，國外已使用多年，目前正逐步被國內(nèi)用戶所接受。國內(nèi)亦研究出了鈦基鍍鉑技術(shù)，并有了專門 生產(chǎn)廠。這類陽極的最大問題是價格昂貴，因此推廣有一定的困難。

微孔陶瓷用于去除鍍液中的金屬離子具有一定的效果。據(jù)筆者觀察，有些企業(yè)之所以感覺不到效果，主要是使用方法不當。正確的方法是：正常電鍍時微孔陶瓷電解裝置應(yīng)同時開機工作；生產(chǎn)結(jié)束后，有條件的企業(yè)最好仍然開機，維持小電流電解。這樣才能有效地避免金屬離子雜質(zhì)的積累。當然，微孔陶瓷體積不能過小，否則金屬離子的產(chǎn)生和電解去除達不到平衡，不能完全控制金屬離子的積累。

5 結(jié)語

硬鉻電鍍成功與否由多種因素決定，雜亂無章的電鍍現(xiàn)場管理很難實現(xiàn)成功的硬鉻生產(chǎn)。除本文論述的常見因素外，尚有許多不可預料的因素影響，應(yīng)在生產(chǎn)實踐中根據(jù)情況采取對策。實踐經(jīng)驗更為重要。生產(chǎn)中要不斷總結(jié)經(jīng)驗，積累數(shù)據(jù)，使得硬鉻電鍍技術(shù)不斷完善、提高。

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