锻钢镀硬铬工艺研究_柳岩

锻钢镀硬铬工艺研究 Ａ Ｓｔｕｄ ｙ ｏｆ Ｈａｒｄ Ｃｈｒｏｍｉｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏ ｐ ｌａｔｉｎ ｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｆｏｒ ｇ ｅｄ Ｓｔｅｅｌ 柳 岩 （大连万德厚船舶工程有限公司，辽宁 大连 １１６６００ ） ＬＩＵ Ｙａｎ （ Ｄａｌｉａｎ Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｈｏｒｓｔ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ． ， Ｌｔｄ． ， Ｄａｌｉａｎ １１６６００ ， Ｃｈｉｎａ ） 摘要 ： 介绍了一种在锻钢基体上镀硬铬的工艺。研究了铬酐、硫酸、甲酸、三价铬、电流密度、温度等对电镀工艺的影响，确定 了较佳的工艺条件为：铬酐２２０ ～２８０ｇ ／ Ｌ ，硫酸 ２．２～２．８ｇ ／ Ｌ ，甲酸 ５ｇ ／ Ｌ ，三价铬 ３～５ｇ ／ Ｌ ，温度 ５０～５５℃ 。在此工艺条件 下，电流效率可高于２０％，同时可获得均匀、光亮、平整的镀铬层。 关键词 ： 镀硬铬 ；电流效率 ；硬度 ；耐磨性 Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ａ ｈａｒｄ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｐｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｆｏｒｇｅｄ ｓｔｅｅｌ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｈｒｏｍｉｃ ａｎｈｙｄｒｉｄｅ ， ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ， ｆｏｒｍｉｃ ａｃｉｄ ， ｔｒｉｖａｌｅｎｔ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ， ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ， ｅｔｃ．ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ， ａｎｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｓ ： ｃｈｒｏｍｉｃ ａｎｈｙｄｒｉｄｅ ２２０～２８０ｇ ／ Ｌ ， ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ２．２～２．８ｇ ／ Ｌ ， ｆｏｒｍｉｃ ａｃｉｄ ５ｇ ／ Ｌ ， ｔｒｉｖａｌｅｎｔ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ３～５ｇ ／ Ｌ ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ５０～５５℃．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅｓｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ， ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃａｎ ｂｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ２０％ ， ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ， ａｎ ｅｖｅｎ ， ｂｒｉｇｈｔ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｃｏａｔｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｈａｒｄ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｐｌａｔｉｎｇ ； ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ； ｈａｒｄｎｅｓｓ ； ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ 中图分类号 ：ＴＱ １５３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０００ －４７４２ （ ２０１２ ） ０６－００２１－０３ ０ 前言 随着世界运输业的快速发展 ，对发动机内部的 运动部件 （如活塞 、活塞环等 ）在高温工作条件下的 耐磨性和稳定性的要求越来越高 。由于铬具有耐磨 性好 、硬度高 、摩擦因数低 、熔点高等优点 ［１］ ，已在工 业中得到广泛应用 。但传统镀铬工艺存在电流效率 低 （一般为 ８％～１６％ ）、镀速慢 、镀液温度高 、能耗 大等问题 ，特别是在锻钢件上镀较厚硬铬层 （ ７００ μ ｍ ）时显得尤为突出 。考虑到技术和经济方面的限 制 ，本文提出了一种高效稳定的锻钢件镀铬工艺 ，所 得镀铬层均匀 、光亮 ，硬度高 ，耐磨性好 。 １ 试验 １．１ 工艺流程 → → → 阴极电解除油 清洗 阳极活化 镀铬 １．２ 镀液组成及工艺条件 铬酐 １５０～３６０ｇ ／ Ｌ ，硫酸 １．４～３．７ｇ ／ Ｌ ，甲酸 １．０～７．０ｇ ／ Ｌ ，三价铬 ２．０～１０．０ｇ ／ Ｌ ， ４０～６５℃ ， 阳极 铅 － 锡合金 。 ２ 结果与讨论 ２．１ 铬酐的影响 铬酐是镀铬液的主要成分之一 ，其质量浓度对 电流效率影响很大 。随着铬酐的质量浓度的增加 ， 镀液的电导率和覆盖能力均有所提高 ，但电流效率 降低 。图 １ 为铬酐的质量浓度对电流效率的影响 。 由图 １ 可知 ：当铬酐的质量浓度大于 ３００ｇ ／ Ｌ 时 ，电 流效率的下降趋势明显 ；当铬酐的质量浓度小于 １５０ｇ ／ Ｌ 时 ，电流效率大于 ２２％ ，但较低的铬酐的 质量浓度会导致槽电压升高 ，大大增加镀液对杂质 离子 （如 Ｆｅ ３＋ ）的敏感性 ，直接影响镀液的稳定性 ， 同时镀液的覆盖能力也变得很差 ，这是生产厂家所 不能接受的 ；当铬酐的质量浓度为 ２２０～２８０ｇ ／ Ｌ 时 ，电流效率能达到 ２０％ 左右 ，且变化缓慢 ，易于控 制 。考虑到电流效率和镀液的稳定性 ，本工艺中铬 酐的质量浓度控制在 ２２０～２８０ｇ ／ Ｌ 。 图 １ 铬酐的质量浓度对电流效率的影响 · １２ · ２０１２年 １１月 电镀与环保 第 ３２卷第 ６期 （总第 １８８期 ） ２．２ 硫酸的影响 硫酸是镀铬液的催化剂 ，其质量浓度对镀层质 量影响很大 。硫酸的质量浓度过高或过低 ，均会引 起镀层 “露黄 ”、带黄彩膜或者蓝彩膜 、烧焦和发雾等 问题 。更重要的是 ，镀液中硫酸的质量浓度与铬酐 的质量浓度有着密切的联系 ［２］ 。在确定了铬酐的质 量浓度的基础上 ，探索合理的铬酐与硫酸的质量浓 度比 。图 ２ 为铬酐与硫酸的质量浓度比对电流效率 的影响 。由图 ２ 可知 ：当 ρＣｒＯ ３ ∶ ρ ＳＯ ２－ ４ 为 １００∶１ 时 ， 电流效率最高 ，可达到 ２０％ ，并且镀层的外观质量 和性能均较好 ；当 ρ ＣｒＯ ３ ∶ ρ ＳＯ ２－ ４ 为 ９５∶１ 时 ，镀层的 光亮度和致密性好 ，但电流效率和镀液的覆盖能力 下降 ；当 ρ ＣｒＯ ３ ∶ ρ ＳＯ ２－ ４ 大于 １００∶１ 时 ，镀液的覆盖能 力较好 ，但镀层的光亮度降低 ，镀层发花粗糙 。综上 所述 ，本工艺确定 ρ ＣｒＯ ３ ∶ ρ ＳＯ ２－ ４ 为 １００∶１ ，硫酸的质 量浓度控制在 ２．２～２．８ｇ ／ Ｌ 范围内 。 图 ２ ρ ＣｒＯ ３ ∶ ρ ＳＯ ２－ ４ 对电流效率的影响 图 ３ 甲酸的质量浓度对电流效率的影响 ２．３ 甲酸的影响 在镀铬工艺中 ，添加甲酸能有效地提高电流效 率 。图 ３ 为甲酸的质量浓度对电流效率的影响 。由 图 ３ 可知 ：当甲酸的质量浓度为 ５ｇ ／ Ｌ 时 ，电流效率 最高 ，可达到 ２０％ ；当甲酸的质量浓度小于或大于 ５ｇ ／ Ｌ 时 ，电流效率均逐渐降低 ［３］ 。此外 ，当甲酸的 质量浓度为 ３～５ｇ ／ Ｌ 时 ，能提高镀液的分散能力和 深镀能力 ，显著拓宽光亮电流密度范围 ，镀层光亮平 滑 ，呈银白色 。为了获得较高的电流效率和平整光 亮的镀铬层 ，本工艺选取甲酸的质量浓度为 ５ｇ ／ Ｌ 。 ２．４ 三价铬的影响 三价铬的质量浓度应该保持在一个较低的水 平 。因为随着三价铬的质量浓度的增加 ，会出现镀 液的分散能力降低 ，镀层乌暗粗糙 、光亮度差 ，光亮 电流密度范围变窄等问题 。然而 ，当三价铬的质量 浓度过低时 ，沉积速率慢 ，镀层软 ，镀液的覆盖能力 差 。为了得到平整光亮的镀铬层 ，本工艺选取三价 铬的质量浓度为 ３～５ｇ ／ Ｌ 。 ２．５ 电流密度和温度的影响 对于功能性镀铬层而言 ，具有较高的硬度和耐 磨性是必要的条件之一 。试验过程中 ，参照 ＩＳＯ ６５０７－１ ： １９８２ ，测量镀层的硬度 。当电流密度为 ４５ Ａ ／ ｄｍ ２ ，温度为 ５０℃ 时 ，镀层的硬度为 ７ ２５０ＭＰａ ， 检测到的微裂纹 ，如图 ４ 所示 。当电流密度为 ５０ Ａ ／ ｄｍ ２ ，温 度 为 ５５℃ 时 ，镀 层 的 硬 度 为 １１ ０００ ＭＰａ ，检测到的微裂纹 ，如图 ５ 所示 。当电流密度升 高至 ６０Ａ ／ ｄｍ ２ 时 ，镀层的硬度大于 １２ ０００ＭＰａ 。 图 ４ 硬度为 ７ ２５０ＭＰａ 时的微裂纹 图 ５ 硬度为 １１ ０００ＭＰａ 时的微裂纹 本工艺针对锻钢镀硬铬 ，将镀层的硬度控制在 ８ ５００～１１ ０００ＭＰａ 范围内是比较合理的 。因为硬 度越高脆性越大 ，追求过高的硬度 ，有可能导致镀层 · ２２ · Ｎｏｖ．２０１２ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ ＆Ｐｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．６ 的内应力过高 ，脆