鍍鉻Pb-Sn合金陽極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

李衛(wèi)權(quán)

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

引 言

國內(nèi)傳統(tǒng)的砂模鑄造鉛-錫合金陽極板工藝，容易產(chǎn)生冷隔、鑄瘤、縮孔及氧化物夾雜等缺陷，在電沉積過程中，極易受到鍍鉻溶液的腐蝕，外表面會(huì)出現(xiàn)片狀剝落或不連續(xù)的蜂窩狀孔洞，并且會(huì)產(chǎn)生大量的陽極泥渣進(jìn)入鍍液;如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著使用時(shí)間的推移，一些腐蝕嚴(yán)重的極板在施鍍過程中會(huì)發(fā)生斷裂掉入鍍槽，給產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)組織和安全帶來極大的隱患。近幾年來，國內(nèi)鍍鉻陽極制造技術(shù)發(fā)展較快，但關(guān)于這方面的技術(shù)文獻(xiàn)資料并不多，比較好的供應(yīng)商主要集中在常州武進(jìn)、江蘇興化及山東青島等地，這些制造企業(yè)都在采用改進(jìn)后的精密壓鑄加工工藝，即鉛-錫合金陽極經(jīng)精密鑄造后，再多次采用專用設(shè)備冷擠壓延成型，成品外觀光亮平整，鉛-錫合金結(jié)晶致密，金相組織成分均勻，抗壓強(qiáng)度高，具有良好的導(dǎo)電性能。但由于供應(yīng)商在陽極設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制作過程中、陽極結(jié)構(gòu)及加工工藝等方面仍存在一些缺陷，導(dǎo)致極板在連續(xù)使用過程中，吊裝及銅排芯部導(dǎo)電部位容易產(chǎn)生過熱、出現(xiàn)孔洞甚至發(fā)生斷裂等缺陷。根據(jù)多年來積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在壓延陽極制造新技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)原有鍍鉻陽極板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并制訂了詳細(xì)的陽極棒加工制作標(biāo)準(zhǔn)，提高了鍍鉻陽極的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

1 鍍鉻陽極設(shè)計(jì)原理

在電沉積過程中，影響鍍層質(zhì)量的幾何元素包括陰極和陽極的形狀和尺寸，陰極和陽極在鍍槽中的分布情況、鍍槽形狀、陰陽極間的距離等。這些因素對(duì)分散能力的影響，一方面會(huì)造成陰極各部位到陽極的距離不同，另一方面也會(huì)造成各部位對(duì)電流的屏蔽和產(chǎn)生"尖端或邊緣"效應(yīng)，直接影響到陰極表面電力線分布的不均勻性，造成工件表面的電流分布也不均勻［1］。

改善分散能力的有效途徑之一，可以在盡可能的條件下，增大陰極到陽極的距離或盡可能減小陰極各部位到陽極的距離差異。由于增加陰極工件到陽極的距離受到鍍槽形狀和尺寸的限制，因此主要方法是減小陰極各部位到陽極的距離差異。在電鍍生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工件的具體形狀和尺寸，選擇陽極的形狀及安裝位置。陽極的形狀特別對(duì)分散能力及覆蓋能力低的電鍍液關(guān)系重大。通常設(shè)計(jì)陽極時(shí)，原則上是仿形，即陽極的工作面要求與被鍍工件表面形狀基本類似，陽極的形狀也應(yīng)該根據(jù)陰極工件的幾何形狀來決定［2］。對(duì)于大部分輥軸類零件，陽極應(yīng)設(shè)計(jì)為圓柱形，分布在陰極工件周圍，電流從正反面通過，電力線分布較均勻，最好避免采用平板形陽極［1］。另外要求陽極、陽極鉤及與陽極杠接觸部位有足夠的導(dǎo)電截面積，確保導(dǎo)電良好，否則會(huì)將部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗掉，并且會(huì)造成鍍液溫度上升。

目前，國內(nèi)企業(yè)在電鍍鉻生產(chǎn)中通常采用鉛-錫(6% ～8%錫)合金陽極。研究表明，鉛合金中加入錫可以顯著提高其耐蝕性能，減少其陽極膜電阻，同時(shí)這些性能的改善隨錫含量的增加更為顯著［3］。陽極所含金屬材料成分的純度、制造工藝、幾何形狀及結(jié)構(gòu)等，都會(huì)對(duì)沉積層在陰極上的分布、鍍層質(zhì)量、生產(chǎn)效率、加工成本及鍍液污染的程度等造成直接的影響，因此，制作鍍鉻陽極各金屬原材料成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)都要求在99.9%以上，否則將會(huì)導(dǎo)致鍍液中的金屬雜質(zhì)累積性的增加［4-5］。

新陽極最好帶電入槽，陽極表面會(huì)很快生成一層暗褐色的PbO2［5］。暗褐色PbO2是一種正常的覆蓋層，它可以導(dǎo)電并保護(hù)陽極表面在受到鉻酸浸蝕時(shí)難以生成導(dǎo)電性很差的黃色鉻酸鉛膜。在不通電的情況下，鍍鉻液中的鉛合金陽極，由于受到鉻酸浸蝕而在其表面形成導(dǎo)電性很差的黃色鉻酸鉛(PbCrO4)膜，使槽電壓升高，甚至導(dǎo)致陽極不導(dǎo)電，對(duì)工件鍍層質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，不生產(chǎn)時(shí)，要及時(shí)將陽極吊出，洗刷干凈，浸在清水槽中［6-7］。

根據(jù)國內(nèi)壓延鉛-錫合金陽極制作現(xiàn)狀，結(jié)合近年來的實(shí)際生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)平板型陽極在制作和電鍍應(yīng)用過程中，主要存在的問題。

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不合理性。在電沉積過程中，由于壓延鉛-錫合金陽極板與紫銅排連接處橫截面為一長方形，在電鍍過程及工件鍍后水洗過程中，鉻酸殘液容易在此處積存，腐蝕紫銅，并將會(huì)逐漸滲入銅排與鉛-錫合金的夾縫中。由于金屬電極電位的差異，會(huì)構(gòu)成原電池，加劇極板腐蝕，造成極板中的鉛-錫合金與銅排之間間隙越來越大，最終在電沉積過程中由于接觸電阻過大，使鉛-錫極板局部發(fā)熱，熔融形成孔洞。長期使用，不但會(huì)造成工件鉻層不均勻，而且會(huì)導(dǎo)致極棒導(dǎo)電不良，在其表面形成黃色鉻酸鉛(PbCrO4)膜，污染鍍液并從過熱部位斷裂，掉入鍍槽;

2)銅排澆注長度過短。連續(xù)生產(chǎn)條件下，鍍鉻溶液不斷蒸發(fā)，隨著液面不斷下降至銅排澆注處，如不及時(shí)補(bǔ)充槽液，該部位很容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，導(dǎo)致極板內(nèi)部鉛-錫合金局部發(fā)生熔融，造成局部出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)電能力急劇下降;

3)對(duì)于輥軸類零件，就鍍層的均勻性而言，在鍍槽圓周方向均勻分布的圓柱形陽極明顯優(yōu)于平板型陽極;

4)平板型陽極在制作、運(yùn)輸、裝掛及使用過程中較易產(chǎn)生彎曲變形;

5)國內(nèi)陽極供應(yīng)商在鍍鉻陽極制造過程中存在不規(guī)范的行為，錫含量往往偏低。行業(yè)內(nèi)也缺乏相應(yīng)的合金成分檢測標(biāo)準(zhǔn)和鍍鉻陽極制作技術(shù)規(guī)范。

2 鍍鉻陽極簡圖

某鍍鉻工件，d=220mm，l=2000mm(外形尺寸)，采用平板狀鉛-錫合金陽極，詳細(xì)尺寸如圖1所示。

圖1 鉛-錫合金陽極板

優(yōu)化改進(jìn)后的棒狀(圓柱形)鉛-錫合金陽極見圖2。

圖2 鉛-錫合金陽極棒

3 新型陽極棒設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于大型軸類鍍鉻零件，設(shè)計(jì)鍍鉻槽大多為立式結(jié)構(gòu)。為獲得厚度均勻的鍍層，一般鉛-錫合金陽極裝掛形式為沿圓周方向垂直懸掛，均勻分布;對(duì)于復(fù)雜零件則需采用輔助陽極、象形陽極或局部用絕緣材料屏蔽等方法。本文中新型陽極棒的主要設(shè)計(jì)思路如下:

1)從安全角度考慮。由于圖1、圖2所示單根極棒質(zhì)量約130kg，最大電流負(fù)荷為1000A，設(shè)計(jì)單個(gè)紫銅掛鉤規(guī)格為50mm×12mm，導(dǎo)電截面積為600mm2?？紤]以上因素，極棒紫銅掛鉤位置增加了鋼結(jié)構(gòu)加固板，采用不銹鋼螺栓緊固后，銅焊連接;

2)對(duì)于輥軸類電鍍零件。根據(jù)其鍍層具體技術(shù)要求，電沉積過程中陽極電力線分布的均勻性以及需克服尖端及邊緣電流效應(yīng)，將原有平板形陽極板改為圓柱形陽極棒;

3)由于新型陽極采用壓鑄冷擠工藝，極棒與銅排澆注成型后，結(jié)合強(qiáng)度非常高。在設(shè)計(jì)過程中，取消了原有極板中間的增加加強(qiáng)鐵芯的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)延長了銅排的澆注長度，既提高了其在電解質(zhì)溶液中的耐蝕性，又防止了芯部銅排由于電鍍液位過低產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，延長了極棒的使用壽命;

4)設(shè)計(jì)時(shí)將鉛-錫合金陽極板與紫銅排連接處結(jié)構(gòu)改為圓錐形。在電鍍過程及工件鍍后水洗過程中，鉻酸殘液很難在此處積存，延長了極棒的使用壽命;

5)由于陽極在液面交接部位通過的電流密度較大，易熔斷，且較易受到化學(xué)和電化學(xué)作用的腐蝕，因此包鉛外露部分需做防腐處理，通常采用用耐鉻掛具膠涂覆。

6)設(shè)計(jì)技術(shù)要求紫銅板非接觸導(dǎo)電部位需做搪錫處理。

4 新型鍍鉻陽極棒技術(shù)要求

1)金屬材質(zhì)成分要求，(8% ±0.5%)Sn，其它為 Pb，雜質(zhì) w≤0.5%;

2)鉛-錫合金陽極棒按圖紙及技術(shù)要求加工，熔模成型，鑄件尺寸應(yīng)符合圖紙要求;

3)采用最新壓鑄工藝加工，經(jīng)精密鑄造和專用設(shè)備多次冷擠，壓延成型，陽極合金成分均勻，無偏析現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，不易彎曲，導(dǎo)電能力優(yōu)良，電沉積過程中陽極渣極少;

4)鉛、錫和銅等原材料標(biāo)號(hào)均為國標(biāo)1#，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%，為國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品牌，保證其品質(zhì);

5)澆注時(shí)，銅與鉛-錫接觸部分氧化物去除干凈，確保結(jié)合良好;整體無砂眼、冷隔、縮松、氣孔及氧化物夾渣等影響機(jī)械性能及使用壽命的缺陷存在;

6)銅掛鉤按圖紙要求加工，確保壓延極棒結(jié)構(gòu)緊固，導(dǎo)電良好，吊裝便捷、安全可靠，使用壽命較長;吊鉤需上緊固螺栓，材質(zhì)采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，并做防腐處理;

7)銅排需做搪錫處理，包鉛外露部分需做防腐處理(除90°折彎內(nèi)角與陽極座接觸面外)，一律用掛具膠涂覆，確保不會(huì)被鉻酸腐蝕;

8)成品鉛-錫合金陽極棒圓柱度≤0.1mm/m。

5 鍍鉻陽極質(zhì)量檢測

1)用外徑千分尺、游標(biāo)卡尺等測量工具檢測陽極各部位幾何尺寸，均在允許公差范圍內(nèi)。

2)采用金屬分析儀檢測兩種陽極成分，見表1。

表1 壓延鉛-錫合金陽極成分

從表1可以看出，按照新陽極技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同一廠家制作的新型壓延陽極板與陽極棒合金成分比較接近，Pb與Sn的含量符合技術(shù)要求，雜質(zhì)w≤0.5%。

6 改進(jìn)后應(yīng)用效果

1)節(jié)約電能。在同一鍍槽(d1000mm×3000mm)中，保持溶液成分、濃度、初始溫度、工裝夾具及施鍍時(shí)間等條件不變，對(duì)同種鋼鐵零件(d220mm×2000mm)分5批次共10件進(jìn)行連續(xù)施鍍。在陰極I為2500A時(shí)，采用原有鑄造陽極板，測得槽電壓平均值U為12.6V;而采用壓延陽極板，在陰極I為2500A時(shí)，測得的槽電壓平均值U為11.9V。由于兩種極板結(jié)構(gòu)、規(guī)格和截面積(120mm×20mm)完全相同，據(jù)此計(jì)算，選用新型壓延鉛-錫合金陽極可節(jié)電5.56%。

2)使用壽命對(duì)比。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，連續(xù)生產(chǎn)條件下，壓延陽極棒使用3年，表面狀態(tài)良好，外觀呈暗褐色，有輕微腐蝕，但無起皮脫落及形成孔洞等現(xiàn)象，大大減輕了陽極泥渣對(duì)鍍液的污染;而采用普通鑄造極板，同等工況，3～6個(gè)月鍍鉻陽極表面即會(huì)逐漸出現(xiàn)上述缺陷，使用壽命一般不超過1年;采用壓延陽極板，1年～1.5年，極板表面無起皮脫落現(xiàn)象，但部分極板表面形成導(dǎo)電性很差的黃色鉻酸鉛(PbCrO4)膜，且端頭銅排與鉛-錫合金之間的夾縫越來越大，局部熔融形成孔洞，出現(xiàn)斷裂掉槽現(xiàn)象，使用壽命一般不超過2年。

3)鍍鉻層質(zhì)量。將鍍鉻后機(jī)件放在無反射光的白色平臺(tái)上，光照條件為40W日光燈。用肉眼進(jìn)行觀察，保持眼部與工件距離為750～800mm［8］。經(jīng)檢測，鉻鍍層表面平滑，結(jié)晶均勻細(xì)致，鍍層表面無針孔、麻點(diǎn)、起瘤、脫皮、起泡、色澤不勻及斑點(diǎn)等缺陷，克服了采用普通鑄造極板電鍍時(shí)，非電解質(zhì)、電解質(zhì)附著在基材或鍍層上，產(chǎn)生麻坑或氣流痕跡以及結(jié)瘤等缺陷。

根據(jù)GB/T4956-1985磁性金屬基體上非磁性覆蓋層厚度測量方法［8］，采用時(shí)代TT260涂覆層測厚儀，對(duì)上述軸類零件(d220mm×2000mm)的鍍層厚度進(jìn)行測量。采用壓延陽極板，圓周及軸向鉻層δ為0.052～0.063mm。而采用壓延陽極棒，圓周及軸向鉻層δ為0.06～0.065mm，均勻性較好。

7 結(jié)論

采用設(shè)計(jì)改進(jìn)后的新型鉛-錫合金陽極棒，電鍍鉻時(shí)電力線分布均勻，改善了鍍液的分散能力;耐蝕能力，陽極泥渣量極少，減輕了對(duì)鍍液的污染，鍍層表面質(zhì)量得到了顯著提高。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，使用壽命已從普通極板的1年左右提高到3年以上，節(jié)電約5%。

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