不同鍍鉻工藝的鉻層微觀形貌及性能對比分析研究

李瓊 忻堅靜 李旭勇 夏媛 萬慧

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

關鍵詞：普通鍍鉻；自調節(jié)電鍍鉻；復合鍍鉻；鉻層；性能

中圖分類號：TG146.1 文獻標志碼：A 文章編號：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方法在固體表面上沉積一薄層金屬或合金的過程。對這個過程的形象說法，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。在進行電鍍時，將被鍍件與直流電源的負極相連，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，當接通直流電源時，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，實際應用及市場要求不斷提高，傳統(tǒng)鍍鉻工藝暴露出越來越多的不足之處，以往對鍍鉻層的研究往往重視其耐蝕性、耐磨性，而對其微觀形貌的研究相對較少。但由于電結晶的原因，電鍍層中往往存在許多結構缺陷。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械性能的比較分析研究是非常有必要的。

2 試驗方法

試驗中采用了普通鍍鉻、自調節(jié)鍍鉻及復合鍍鉻三種槽液。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行電鍍，以純鉛棒及鉛銻合金棒為陽極，試樣作為陰極，實驗過程中采用冷水冷卻使溶液溫度保持在要求的范圍內，處理之前需對試樣進行預處理。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，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試劑有限公司生產(chǎn)。

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

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行數(shù)字標識，為了保證試樣與生產(chǎn)零件的組織狀態(tài)一致，進而對試樣進行熱處理，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油中冷卻，然后在回火爐中保溫20min，待試樣冷卻后，對其進行硬度檢測，該硬度值均在35～41HRC范圍內，說明該試樣的抗拉強度值均在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 試驗裝置

本試驗所用電鍍裝置是在實驗室自建的電鍍裝置，在5L燒杯中進行電鍍，圖1為電鍍裝置示意圖：

2.3 試驗原理

鍍鉻過程的陰極反應：

2H++2e→H2↑ （1）

Cr2O72-+8H++6e→Cr2O3+4H2O （2）

由于氫氣的析出，陰極區(qū)內的PH值上升，發(fā)生如下的轉化：

Cr2O72-+H2O？圮2CrO42-+2H+ （3）

CrO42-+8H++6e→Cr↓+4H2O （4）

鍍鉻過程的陽極反應：

鍍鉻所用陽極為純鉛棒及鉛銻合金，通電時發(fā)生以下三個反應：

4OH-→2H2O+O2↑+4e （5）

2Cr3++H2O→Cr2O72-+14H++6e （6）

Pb+2H2O→PbO2+4H++4e （7）

3 結果分析

3.1 鍍層結合力檢測

彎曲試驗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，當該分力大于其結合強度時。鍍層即從基體上剝落。最后以彎曲試驗后鍍層是否剝落來評定鍍層結合力合格與否。

分別在普通鍍鉻、自調節(jié)鍍鉻及復合鍍鉻中所鍍試片（100mm×25mm×2mm）按標準HB5041-92用彎曲法檢測鍍鉻層結合力，經(jīng)檢測，在三種鍍鉻溶液中所鍍鉻層均符合HB5041-92技術要求，能在反復彎曲180°直至基體斷裂時，鍍層都未與基體分離。檢測結果說明，無論是普通鍍鉻溶液中所鍍鉻層，還是在自調節(jié)溶液中所鍍鉻鍍層，甚至是復合溶液中的鉻鍍層，他們的結合強度較高，結合力較大，不易發(fā)生鍍層結合力不良引起的剝落現(xiàn)象，說明鍍層質量良好，均能滿足使用要求，這對改進現(xiàn)有普通鍍鉻工藝提供了一個重要技術條件。

3.2鉻鍍層顯微硬度的檢測

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

3.3鍍鉻溶液對沉積速率的影響

三種工藝在各自的工藝參數(shù)范圍內電鍍試片，試片尺寸：40mm×25mm×3mm，在自調節(jié)溶液中：先預熱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；在復合溶液中：預熱3分鐘，陽極腐蝕1min，沖電1min，鍍鉻時間也是90min，而試片的厚度為10μm；而在普通鍍鉻溶液中：預熱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間最短，說明普通電鍍鉻溶液鍍鉻的沉積速率高于自調節(jié)溶液，并且普通電鍍鉻溶液沉積速率是自調節(jié)溶液中的沉積速率的2.25倍。同時在相同的時間內自調節(jié)溶液中試片的厚度是復合溶液中試片的厚度的2倍，說明自調節(jié)溶液沉積速率是復合溶液沉積速率的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節(jié)溶液中的沉積速率，自調節(jié)溶液中的沉積速率大于復合溶液沉積速率。

3.4鍍液的維護性比較

傳統(tǒng)工藝電鍍鉻溶成分簡單，鍍液穩(wěn)定，三價鉻含量的調整可采用H2O2快速調整，其維護性較好。復合鍍液的腐蝕性較強，在電鍍試片的時間間隔中，需將陽極取出，氟硅酸的穩(wěn)定性比硫酸差，分析也較麻煩，其維護性較差；自調節(jié)鍍液在操作的過程中，硫酸根和氟硅酸根消耗時，溶液中過多的硫酸鍶和氟硅酸鹽會自動溶解進行補充，因此鍍液比較穩(wěn)定，操作控制比復合鍍鉻方便。

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，因此相應的耐蝕性會比較差，而從自調節(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，并且兩者的微裂紋的結構有較大的不同，因此相應的耐腐蝕性會比較好。這是因為普通鍍鉻草葉的催化劑為SO42-，而自調節(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節(jié)陰極膠體膜的活化，從而改變和減少鉻層的網(wǎng)絡裂紋。

圖4和圖5分別為自調節(jié)溶液中所制備鍍層和復合溶液中所制備鍍層的掃描電子圖片，自調節(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，裂紋結構與圖5有較大不同，鉻層比較平滑細致，在生長過程中結晶細致均勻；而圖5中的鉻層結晶顆粒較大，鉻層表面不如圖4細致均勻，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節(jié)鉻層與普通鉻層圖片，從上圖中可以看出，該圖片進一步證明了兩者表面上裂紋結構有著明顯的不同，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，因此相應的耐腐蝕性會不如自調節(jié)鍍鉻的鉻層好。

4 結論

通過自調節(jié)鍍鉻、復合鍍鉻及普通鍍鉻工藝的試驗，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，自調節(jié)鉻層硬度要大于復合鉻層與普通鉻層，從結合力來講，三種鍍層均質量良好，從微觀形貌來看，自調節(jié)膜層結晶顆粒細致均勻，微裂紋較少、較細，耐腐蝕性能好。綜上所述，我們認為自調節(jié)鍍鉻工藝的鉻層能更好的滿足生產(chǎn)需要。

參考文獻：

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