一例裝飾性鍍鉻光亮度不足故障的解決方案

李曉靜

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473009；2.河南省柔性制造重點實驗室，河南 南陽 473009）

裝飾性鍍鉻層較薄(厚度一般為0.25 ～ 0.50 μm)，且光亮美觀，被廣泛應用于機電產(chǎn)品和儀器儀表等零部件的防護與裝飾。某企業(yè)電鍍車間承接了批量化端蓋產(chǎn)品的電鍍?nèi)蝿?。該端蓋采用精銅類基材，外徑45 mm，壁厚2.5 mm，上表面有寬13.5 mm、高8 mm的雙圓角凸臺，凸臺包含2個不同尺寸的沉頭平孔。要求鍍層耐腐蝕、耐磨損，外觀高亮(見圖 1)。安排的電鍍工藝主要經(jīng)歷堿銅、焦銅、酸銅、光亮鎳、鎳封和裝飾鉻6個環(huán)節(jié)。

圖1 電鍍裝飾鉻后的端蓋產(chǎn)品外觀Figure 1 Appearance of an end cap product electroplated with decorative chromium coating

車間在對端蓋電鍍裝飾鉻時出現(xiàn)鍍層光亮度不足和發(fā)灰的問題。技術人員首先考慮鍍液中鉻酸酐與硫酸的比例不當；其次是采取措施，除去預處理工序中未除盡的表面油、銹、氧化皮等污物。調(diào)整鍍液中鉻酸酐與硫酸的比例并除油、除銹后，鍍層的光亮度提高，但并未達到理想的效果。很快又出現(xiàn)鍍鉻層發(fā)灰，甚至局部粗糙和斑點現(xiàn)象。因此不得不中斷電鍍鉻工序，以免造成更大的損失。引起鍍層不良的原因往往不是單一的，解決電鍍故障時必須全面查找并綜合考慮各種誘發(fā)因素，才能有效排除故障[1]。在查閱相關文獻并召開技術協(xié)調(diào)會議后，技術人員按照綜合因素排查法，最終解決了上述問題。

1 原因分析與解決措施

1.1 鍍液中鉻酸酐與硫酸的質量濃度比偏高

在標準溫度(45 ～ 50 °C)下電鍍裝飾鉻時，即便鉻酸(即鉻酸酐的水溶液)的濃度在很大范圍內(nèi)浮動，也能得到光亮鉻。但是鉻酸酐的含量會影響鍍液的導電性，并最終影響電鍍質量。另外，鉻酸酐與硫酸的比值也會影響鍍層性能。如果兩者的比值偏低，勢必會加大膠體膜的溶解能力，使陰極極化減弱，鍍層發(fā)暗；偏高則可能會發(fā)生局部膠體膜溶解現(xiàn)象。膠體膜的溶解速率高于成膜速率時，鉻沉積受阻，所得鍍層結晶粗糙，表面發(fā)灰，缺乏金屬光澤。

在現(xiàn)場采用鍍鉻溶液分析方法(即在硫酸溶液中用硫酸亞鐵銨滴定，以苯基代鄰氨基苯甲酸作為指示劑)測定鉻酸酐的濃度，采用硫酸根快速測定儀檢測硫酸濃度后發(fā)現(xiàn)，該車間電鍍過程中鉻酸酐與硫酸的質量濃度之比高達145∶1，這是鍍層光亮度變差的可能原因之一。

處理措施：一般情況下，應將鉻酸酐與硫酸的質量濃度比控制在(80 ～ 100)∶1，最佳值為100∶1。因此將鍍液中鉻酸酐和硫酸的質量濃度比調(diào)整到100∶1，各自的質量濃度為：鉻酸酐130 ～ 170 g/L，硫酸 0.4 ～ 1.0 g/L。

1.2 鍍液中三價鉻離子含量偏高

鍍液中的三價鉻離子來源于六價鉻離子在陰極表面的還原反應。同時，氧化反應又使三價鉻離子在陽極表面重新生成六價鉻離子。因此，鍍液中三價鉻離子的含量在氧化還原過程中逐步達到平衡，此時三價鉻離子的含量由陰陽極面積之比決定。陰陽極面積之比一般取1∶2為宜。

三價鉻離子是陰極膠體膜的主要成分，只有當鍍液中三價鉻離子濃度適中，金屬鉻才能正常沉積。配制鍍液時通常用乙醇、草酸等還原劑令六價鉻離子還原而產(chǎn)生三價鉻離子。三價鉻離子含量過低相當于硫酸根含量偏高，會造成陰極膜不連續(xù)，在較高電流密度下才能析出鉻。三價鉻離子濃度偏高相當于硫酸根濃度偏低，此時陰極膜厚度增大，鍍液的導電能力變?nèi)?，槽壓增大，鍍層的光亮范圍減小，尖角部位燒焦，凹處則不能被金屬鉻完全覆蓋，呈暗色和斑點。

經(jīng)過現(xiàn)場的工件視檢，發(fā)現(xiàn)有三價鉻離子偏高的跡象，且與化學分析結果相符。

處理措施：在陰極面積遠小于陽極面積的情況下，通過電解來降低三價鉻離子的含量，可令鍍液的覆蓋能力得到提高，從而提高鍍層光亮度。

1.3 鍍液中金屬雜質含量過高

鍍鉻液中主要有鐵、銅、鋅、鉛等雜質，可能的來源有：金屬工件落入鍍槽，鍍件凹槽處未完整覆蓋鍍鉻區(qū)域而發(fā)生溶解，以及原材料本身。

鍍液中的鐵含量低于3 g/L時，不會影響鍍層性能；鐵含量為3 ～ 5 g/L時，對鍍層光亮度的影響較弱；鐵含量超過5 g/L時，鍍層缺乏金屬光澤，伴隨著陰極電流密度減小，鍍鉻溶液的電阻變大，工作電流波動明顯；鐵含量超過10 g/L時，鍍液呈棕褐色，鍍層局部出現(xiàn)斑點。鍍液中銅、鋅和鉛積累太多會影響鍍液的覆蓋能力。原則上，鋅和鉛均不得超過3 g/L，銅不得超過5 g/L。

經(jīng)技術人員確認，前期曾經(jīng)有金屬制品落入鍍槽，導致金屬制品被腐蝕而產(chǎn)生大量鐵離子。視檢發(fā)現(xiàn)，鍍鉻液的顏色較深，而且槽電壓比初期時高很多，說明鍍鉻液可能已經(jīng)受到銅、鋅、鉛等雜質的污染。

處理措施：先將鍍液稀釋至CrO3含量在130 g/L左右，再加入732#強酸性陽離子交換膜進行處理。

1.4 陽極導電不良

鍍鉻采用的是不溶性鉛合金陽極，陽極導電不良會嚴重影響鍍層質量[3-4]。陰極生成的三價鉻離子會通過氧化反應而在陽極上生成重鉻酸根，從而保證三價鉻離子濃度在適宜的范圍內(nèi)?？紤]到鍍鉻溶液的分散能力稍差，必須重視陰極和陽極間的幾何因素。適當?shù)年枠O擺放方式和有效的屏蔽措施能提高電鍍的品質。另外，鉛合金陽極很容易被腐蝕而在表面生成導電能力很弱的黃色膜層(主要成分為鉻酸鉛)，影響陽極的導電能力。因此在生產(chǎn)中必須加強陽極的維護和保養(yǎng)。

現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)：陰陽極面積之比約為1∶2，符合要求，但鉛合金陽極表面覆蓋了一層黃色的膜，說明陽極發(fā)生了腐蝕，這可能是誘發(fā)鍍層表面亮度不足的原因之一。

處理措施：將陽極取出并置于清水中，用鋼絲把黃色的鉻酸鉛刷洗掉。如果仍難以去除，可用堿液浸泡后再刷。有條件者改用耐蝕性較好的鉛銻合金陽極。

1.5 鍍液溫度異常

在鍍鉻工藝中，陰極電流密度和鍍液溫度之間是密切相關的[5]。鍍液溫度較低而電流密度較高時，鍍層較暗且有燒焦現(xiàn)象，硬度高，脆性大；鍍液溫度較高而電流密度較低時，鍍層呈乳白色，硬度低；只有在適宜的溫度(45 ～ 60 °C)和電流密度(30 ～ 45 A/dm2)下，才能獲得表面光亮的鍍層，組織硬度較高[6]。另外，鍍液溫度的波動不宜超過2 °C。

查看生產(chǎn)車間的巡檢記錄(每2 h檢驗1次)，鍍液溫度始終處于50 ～ 55 °C的范圍內(nèi)，電流密度控制在(40 ± 1) A/dm2的范圍內(nèi)，兩者均無異常，說明它們都不是造成本次鍍層光亮度差的原因。

1.6 鍍液中硝酸根離子含量過高

鍍液中的硝酸根離子含量高于0.1 g/L，就會使鉻層發(fā)灰，缺乏光澤，導致鍍液的深鍍能力和陰極電流效率降低，腐蝕陽極。

采集溶液分析其化學成分，發(fā)現(xiàn)鍍液中硝酸根離子的質量濃度約為 0.05 g/L，在允許的范圍內(nèi)，因此這也不是造成鍍層光亮度差的原因。

2 結語

端蓋產(chǎn)品在電鍍裝飾鉻時出現(xiàn)光亮度不足的問題，表現(xiàn)為鍍層缺乏金屬光澤，嚴重時局部發(fā)灰、粗糙和有斑點。單純調(diào)整鉻酸酐與硫酸的比例并除油除銹后，未能徹底解決問題?，F(xiàn)場調(diào)研和定性試驗發(fā)現(xiàn)，鍍鉻層光亮度不足與三價鉻含量過高、金屬雜質混入、陽極導電不良等因素有關。采取相應措施后成功解決了問題，獲得了高光亮度的鍍層。在實際生產(chǎn)中遇到電鍍故障，應綜合考慮諸多因素，有重點地進行處理和化解。