不同鍍鉻工藝的鉻層微觀形貌及性能對(duì)比分析研究

李瓊 忻堅(jiān)靜 李旭勇 夏媛 萬慧

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)普通鍍鉻工藝的不足之處，為了改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)儲(chǔ)備，文章探討了兩種新的電鍍鉻方法-自調(diào)節(jié)電鍍鉻和復(fù)合鍍鉻兩種鍍鉻工藝。對(duì)所制備的鍍鉻層硬度、結(jié)合力計(jì)表面形貌進(jìn)行了測(cè)試，并與傳統(tǒng)電鍍的鍍鉻層各個(gè)性能相比較。結(jié)果表明：自調(diào)節(jié)鉻層硬度大于復(fù)合鉻層與普通鉻層；三種工藝鍍層結(jié)合力質(zhì)量良好，均能滿足使用要求，自調(diào)節(jié)鍍層較復(fù)合鉻層結(jié)晶顆粒細(xì)致均勻，比普通鉻層的微觀形貌中的網(wǎng)狀裂紋更細(xì)，裂紋數(shù)量更少，因此耐腐蝕性能好?？偠灾哉{(diào)節(jié)鍍鉻工藝的鉻層能更好的滿足生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞：普通鍍鉻；自調(diào)節(jié)電鍍鉻；復(fù)合鍍鉻；鉻層；性能

中圖分類號(hào)：TG146.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）21-0106-03

Abstract： In view of the shortcomings of the traditional common chromium plating process， in order to improve the production process and improve the product quality， two new chromium plating methods， self-adjusting chromium plating and composite chromium plating， are discussed in this paper. The hardness of the chromium plating layer and the surface morphology of the bonding force meter were tested， and the properties of the chromium plating layer were compared with those of the traditional chromium plating layer. The results show that the hardness of self-adjusting chromium layer is higher than that of composite chromium layer and common chromium layer， the adhesion quality of the three kinds of coating is good， all of which can meet the requirements of application， and the crystal particles of self-adjusting coating are more fine and uniform than that of composite chromium layer. Compared with the common chromium layer， the network cracks in the micro-morphology of the chromium layer are finer and the number of cracks is smaller， so the corrosion resistance is better. In general， the chromium layer of self-adjusting chromium plating process can better meet the needs of production.

Keywords： common chromium plating； self-regulating chromium plating； composite chromium plating； chromium coating； properties

1 概述

電鍍是指通過電化學(xué)方法在固體表面上沉積一薄層金屬或合金的過程。對(duì)這個(gè)過程的形象說法，就是給金屬或者非金屬穿上一件金屬“外衣”，此金屬“外衣”稱為電鍍層。在進(jìn)行電鍍時(shí)，將被鍍件與直流電源的負(fù)極相連，欲鍍覆的金屬板與直流電源的正極相連，隨后，把它們一起放在電鍍槽中，鍍槽中有含欲鍍覆金屬離子的溶液，當(dāng)接通直流電源時(shí)，就有電流通過欲鍍金屬在陰極上沉積出來。

長期以來一直是采用傳統(tǒng)的普通鍍硬鉻工藝。但近幾年隨著電鍍工藝不斷發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用及市場(chǎng)要求不斷提高，傳統(tǒng)鍍鉻工藝暴露出越來越多的不足之處，以往對(duì)鍍鉻層的研究往往重視其耐蝕性、耐磨性，而對(duì)其微觀形貌的研究相對(duì)較少。但由于電結(jié)晶的原因，電鍍層中往往存在許多結(jié)構(gòu)缺陷。因此開展其他新型鍍鉻工藝鉻層與普通鍍鉻工藝的鉻層微觀形貌及其他機(jī)械性能的比較分析研究是非常有必要的。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中采用了普通鍍鉻、自調(diào)節(jié)鍍鉻及復(fù)合鍍鉻三種槽液。試樣材料基體選取30CrMnSiA，試樣尺寸為100mm×25mm×2mm及40mm×25mm×3mm；試片在不同配方鍍鉻槽液中通過自搭電鍍裝置進(jìn)行電鍍，以純鉛棒及鉛銻合金棒為陽極，試樣作為陰極，實(shí)驗(yàn)過程中采用冷水冷卻使溶液溫度保持在要求的范圍內(nèi)，處理之前需對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理。本文中所有槽液的配制中所用鉻酸酐（CrO3）、硫酸（H2SO4）均為工業(yè)級(jí)，而所用硫酸鍶（SrSO4）、氟硅酸鉀（K2SiF6）及氟硅酸（H2SiF6）均為分析純AR，該藥品由上海試一化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)鍍鉻層的微觀形貌進(jìn)行分析研究，并且對(duì)其三種不同鉻鍍層進(jìn)行結(jié)合力及顯微硬度進(jìn)行檢測(cè)分析。

2.1 試樣制備

首先把毛料在下料車間通過下料的方式獲得所需形狀大小的試片：100mm×25mm×2mm及40mm×25mm×3mm，在試片的中上位置上逐一打孔，并在試片的右上角進(jìn)行數(shù)字標(biāo)識(shí)，為了保證試樣與生產(chǎn)零件的組織狀態(tài)一致，進(jìn)而對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，首先在鹽爐以900±10℃的溫度中淬火保溫5min，零件從爐中拿出來后在介質(zhì)油中冷卻，然后在回火爐中保溫20min，待試樣冷卻后，對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)，該硬度值均在35～41HRC范圍內(nèi)，說明該試樣的抗拉強(qiáng)度值均在δb=1175±100MPa，最后將試樣的表面粗糙度值在磨床上加工到0.8。

2.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用電鍍裝置是在實(shí)驗(yàn)室自建的電鍍裝置，在5L燒杯中進(jìn)行電鍍，圖1為電鍍裝置示意圖：

2.3 試驗(yàn)原理

鍍鉻過程的陰極反應(yīng)：

2H++2e→H2↑ （1）

Cr2O72-+8H++6e→Cr2O3+4H2O （2）

由于氫氣的析出，陰極區(qū)內(nèi)的PH值上升，發(fā)生如下的轉(zhuǎn)化：

Cr2O72-+H2O？圮2CrO42-+2H+ （3）

CrO42-+8H++6e→Cr↓+4H2O （4）

鍍鉻過程的陽極反應(yīng)：

鍍鉻所用陽極為純鉛棒及鉛銻合金，通電時(shí)發(fā)生以下三個(gè)反應(yīng)：

4OH-→2H2O+O2↑+4e （5）

2Cr3++H2O→Cr2O72-+14H++6e （6）

Pb+2H2O→PbO2+4H++4e （7）

3 結(jié)果分析

3.1 鍍層結(jié)合力檢測(cè)

彎曲試驗(yàn)是在外力作用下使試樣彎曲，由于鍍層和基體金屬受力程度不同，兩者間產(chǎn)生分力，當(dāng)該分力大于其結(jié)合強(qiáng)度時(shí)。鍍層即從基體上剝落。最后以彎曲試驗(yàn)后鍍層是否剝落來評(píng)定鍍層結(jié)合力合格與否。

分別在普通鍍鉻、自調(diào)節(jié)鍍鉻及復(fù)合鍍鉻中所鍍?cè)嚻?00mm×25mm×2mm）按標(biāo)準(zhǔn)HB5041-92用彎曲法檢測(cè)鍍鉻層結(jié)合力，經(jīng)檢測(cè)，在三種鍍鉻溶液中所鍍鉻層均符合HB5041-92技術(shù)要求，能在反復(fù)彎曲180°直至基體斷裂時(shí)，鍍層都未與基體分離。檢測(cè)結(jié)果說明，無論是普通鍍鉻溶液中所鍍鉻層，還是在自調(diào)節(jié)溶液中所鍍鉻鍍層，甚至是復(fù)合溶液中的鉻鍍層，他們的結(jié)合強(qiáng)度較高，結(jié)合力較大，不易發(fā)生鍍層結(jié)合力不良引起的剝落現(xiàn)象，說明鍍層質(zhì)量良好，均能滿足使用要求，這對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有普通鍍鉻工藝提供了一個(gè)重要技術(shù)條件。

3.2鉻鍍層顯微硬度的檢測(cè)

在檢測(cè)鍍鉻層的硬度時(shí)選用的試片形狀為40mm×25mm×3mm，經(jīng)過相同的預(yù)處理后，選取合適的工藝參數(shù)在不同溶液中進(jìn)行電鍍，之后對(duì)試片按照HB5041-92的要求檢測(cè)鍍鉻層的顯微硬度值，在試片表面選取三個(gè)點(diǎn)測(cè)量硬度值，最后獲取三個(gè)值的平均值即為該試片的顯微硬度值，在自調(diào)節(jié)溶液中鉻鍍層的平均硬度值為830.4HV，普通鍍鉻溶液中鉻鍍層的顯微硬度平均值為723.5HV，而復(fù)合鍍鉻溶液中所鍍鉻鍍層的硬度值為814.6HV，相比之下自調(diào)節(jié)鉻層及復(fù)合鍍鉻層硬度值均比普通鉻鍍層的硬度值高，因此自調(diào)節(jié)鉻層及復(fù)合鍍鉻層更易滿足今后生產(chǎn)發(fā)展的要求。

3.3鍍鉻溶液對(duì)沉積速率的影響

三種工藝在各自的工藝參數(shù)范圍內(nèi)電鍍?cè)嚻?，試片尺寸?0mm×25mm×3mm，在自調(diào)節(jié)溶液中：先預(yù)熱4min，在不通電的情況下保持，陽極腐蝕0.5min，沖電2min，最后電鍍90min，獲得試片的平均厚度為20μm；在復(fù)合溶液中：預(yù)熱3分鐘，陽極腐蝕1min，沖電1min，鍍鉻時(shí)間也是90min，而試片的厚度為10μm；而在普通鍍鉻溶液中：預(yù)熱3min，陽極腐蝕1min，沖電1.5min，最后電鍍40min，獲得試片的平均厚度為20μm；由此可以看出獲得相同厚度試片的溶液中普通鍍鉻溶液的時(shí)間最短，說明普通電鍍鉻溶液鍍鉻的沉積速率高于自調(diào)節(jié)溶液，并且普通電鍍鉻溶液沉積速率是自調(diào)節(jié)溶液中的沉積速率的2.25倍。同時(shí)在相同的時(shí)間內(nèi)自調(diào)節(jié)溶液中試片的厚度是復(fù)合溶液中試片的厚度的2倍，說明自調(diào)節(jié)溶液沉積速率是復(fù)合溶液沉積速率的2倍，總的來說三種溶液的沉積速率相比較之下，普通電鍍鉻溶液沉積速率大于自調(diào)節(jié)溶液中的沉積速率，自調(diào)節(jié)溶液中的沉積速率大于復(fù)合溶液沉積速率。

3.4鍍液的維護(hù)性比較

傳統(tǒng)工藝電鍍鉻溶成分簡單，鍍液穩(wěn)定，三價(jià)鉻含量的調(diào)整可采用H2O2快速調(diào)整，其維護(hù)性較好。復(fù)合鍍液的腐蝕性較強(qiáng)，在電鍍?cè)嚻臅r(shí)間間隔中，需將陽極取出，氟硅酸的穩(wěn)定性比硫酸差，分析也較麻煩，其維護(hù)性較差；自調(diào)節(jié)鍍液在操作的過程中，硫酸根和氟硅酸根消耗時(shí)，溶液中過多的硫酸鍶和氟硅酸鹽會(huì)自動(dòng)溶解進(jìn)行補(bǔ)充，因此鍍液比較穩(wěn)定，操作控制比復(fù)合鍍鉻方便。

3.5鉻鍍層的表面微觀形貌

如圖2和圖3分別為普通鍍鉻溶液中所鍍鉻層和自調(diào)節(jié)溶液中所鍍層的掃描電子圖片，普通鍍鉻的溶液配方與生產(chǎn)中溶液組分含量一致，工藝參數(shù)為：工作溫度55℃，電流密度52A/dm2，自調(diào)節(jié)鍍鉻的溶液配方與上述一致，工藝參數(shù)為：工作溫度55℃，電流密度69A/dm2；圖2與圖3均為放大500倍的掃描圖片，從圖中可以看出普通鍍鉻溶液中所制備圖2的鍍層中有較多網(wǎng)絡(luò)裂紋，并且裂紋比較粗，裂紋比較連續(xù)，且紋印比較長，因此相應(yīng)的耐蝕性會(huì)比較差，而從自調(diào)節(jié)鍍鉻溶液中所制備的圖3可以看出該鍍層的網(wǎng)狀裂紋相比之下較圖2中的裂紋少，裂紋也比較細(xì)，并且兩者的微裂紋的結(jié)構(gòu)有較大的不同，因此相應(yīng)的耐腐蝕性會(huì)比較好。這是因?yàn)槠胀ㄥ冦t草葉的催化劑為SO42-，而自調(diào)節(jié)溶液中的催化劑為SO42-和SiF62-，兩者共同作用，改變催化劑成分可調(diào)節(jié)陰極膠體膜的活化，從而改變和減少鉻層的網(wǎng)絡(luò)裂紋。

圖4和圖5分別為自調(diào)節(jié)溶液中所制備鍍層和復(fù)合溶液中所制備鍍層的掃描電子圖片，自調(diào)節(jié)鍍鉻的溶液配方與上述一致，工藝參數(shù)為：工作溫度57℃，電流密度70A/dm2；復(fù)合鍍鉻的溶液配方與上述一致，工藝參數(shù)為：工作溫度50℃，電流密度55A/dm2。

圖4與圖5均為放大800倍的電子掃描圖片，從圖4中可以看出鉻層表面微裂紋較細(xì)，裂紋結(jié)構(gòu)與圖5有較大不同，鉻層比較平滑細(xì)致，在生長過程中結(jié)晶細(xì)致均勻；而圖5中的鉻層結(jié)晶顆粒較大，鉻層表面不如圖4細(xì)致均勻，鉻層表面比較粗糙，裂紋比較大，但裂紋的數(shù)量也比較少，這可能與溶液中添加了氟硅酸H2SiF6有一定的關(guān)系。

3.6 鉻鍍層的顯微圖片比較

圖6及圖7分別是用200倍金相顯微鏡觀察自調(diào)節(jié)鉻層與普通鉻層圖片，從上圖中可以看出，該圖片進(jìn)一步證明了兩者表面上裂紋結(jié)構(gòu)有著明顯的不同，無論是從裂紋的形狀上還是數(shù)量上，也是有很大的差異，普通鉻層表面裂紋較多，裂紋比較連續(xù)，紋印也比較粗，因此相應(yīng)的耐腐蝕性會(huì)不如自調(diào)節(jié)鍍鉻的鉻層好。

4 結(jié)論

通過自調(diào)節(jié)鍍鉻、復(fù)合鍍鉻及普通鍍鉻工藝的試驗(yàn)，可以看出三種工藝的鉻層在性能上及微觀組織及形貌上有較大差異，從顯微硬度的角度來講，自調(diào)節(jié)鉻層硬度要大于復(fù)合鉻層與普通鉻層，從結(jié)合力來講，三種鍍層均質(zhì)量良好，從微觀形貌來看，自調(diào)節(jié)膜層結(jié)晶顆粒細(xì)致均勻，微裂紋較少、較細(xì)，耐腐蝕性能好。綜上所述，我們認(rèn)為自調(diào)節(jié)鍍鉻工藝的鉻層能更好的滿足生產(chǎn)需要。

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