不銹鋼電鍍硬鉻的研究

仝 帥， 高 虹， 邵忠財， 王 明

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽110159）

0 前言

不銹鋼因具有優越的耐蝕性、耐磨性、強韌性，良好的可加工性和精美的外觀，已廣泛應用于宇航、海洋、軍工、化工、能源等方面［1］。

硬鉻鍍層具有高硬度和低摩擦因數，常常鍍覆在制件表面以提高其抗磨損能力，并延長其使用壽命。另外，有些被磨損的零部件也用電鍍硬鉻的方法來修復。電鍍鉻屬于單金屬電鍍，是電鍍單金屬中一個比較特殊的鍍種。目前工藝上仍然存在著一些問題［2-4］，如鍍鉻的電流效率低，通常只有13%～18%。電鍍硬鉻需使用高電流密度，所以電源設備的投資增加。在鉻酸電解液中，必須添加一定量的其他離子（如，，F-等），才能實現金屬鉻的電沉積。

本文對普通鍍鉻工藝及所得硬鉻鍍層的性能進行了初步探索，在實驗室條件下優化了工藝參數，并在2Cr13不銹鋼上得到了具有良好耐蝕性和耐磨性的硬鉻鍍層。

1 實驗

1.1 實驗材料

陽極采用5cm×10cm的鉛-銻合金板，陰極采用40mm×30mm×0.5mm的2Cr13不銹鋼（除正面外其他面用膠帶黏牢）。

化學藥品：硫酸，鉻酐，鹽酸，氫氧化鈉，無水碳酸鈉，磷酸鈉，OP乳化劑，硫酸銅，等等。以上試劑均為分析純。

實驗儀器：電子天平，磁性測厚儀，PMJ-II型平面磨耗實驗機，等等。

1.2 電鍍鉻的基本工藝

試片經打磨、化學除油、酸洗、弱腐蝕等前處理后，帶電下槽。施鍍步驟為：（1）預熱10～20s；（2）陰極小電流活化1～2min；（3）階梯式給電，1～2min提升一次電流，5～10min內提升5次；（4）沖擊鍍鉻2～3min，使用的電流約為正常電流的2倍；（5）正常鍍鉻。

1.3 電解液組成及工藝條件

鉻酐250g／L，硫酸2.5g／L，三價鉻0～5 g／L，48～56℃，20.0～25.0A／dm2，40min。

1.4 實驗設計

改變溫度和電流密度進行實驗。采用全面交叉實驗方法。

1.5 測試方法

采用循環加熱驟冷實驗測定鍍層的結合力。采用貼濾紙法［5］測定鍍層的孔隙率。

2 結果與討論

2.1 溫度與電流密度對鍍速的影響

圖1為溫度與電流密度對鍍速的影響。總的來說，鍍速隨溫度與電流密度的提高而增大［6-7］。由圖1可知：同一電流密度下，溫度較低，鍍速反而較高。由此可見，溫度與電流密度對鍍速的影響，不同于單一因素的作用規律。應該考慮它們之間的相互配合作用。

圖1 溫度與電流密度對鍍速的影響

本實驗中由于溫度區間較小，鍍速隨溫度與電流密度的變化較單調，沒有體現出比較完整的規律。但由實驗結果可知：在低溫和高電流密度下，能得到較高的鍍速。

2.2 溫度與電流密度對電流效率的影響

圖2為溫度與電流密度對電流效率的影響。由圖2可知：溫度與電流密度對電流效率影響很大。隨著溫度的升高，電流效率下降；而隨著電流密度的升高，電流效率提高。但當溫度太低時，鍍層發灰，光澤性不好；而在太高的電流密度下，鍍層邊緣出現燒壞現象，鍍層發黑。在本實驗的工藝范圍內，隨著溫度與電流密度的變化，電流效率在11.8%～19.0%之間變化，鍍層質量良好。低溫與高電流密度均有利于得到較高的電流效率。

圖2 溫度與電流密度對電流效率的影響

2.3 硬鉻鍍層的耐磨性

耐磨性是硬鉻鍍層的一個重要的性能指標。圖3為溫度與電流密度對硬鉻鍍層耐磨性的影響。由圖3可知：降低溫度有利于提高耐磨性；而減小電流密度，會使耐磨性降低。但硬度很高時，鍍鉻層的脆性較大，若達到一定厚度，對鍍層質量有害。這主要是由于反應中析氫的影響。隨著溫度的下降和電流密度的提高，鍍層硬度提高的同時，鍍層中的含氫量也會增加，使鍍層的氫脆敏感性升高。所以硬鉻鍍層一般要求在4h內做除氫處理，消除或者降低鍍層的氫脆敏感性。當溫度為48～50℃時，對應于20.0A／dm2和22.5A／dm2的鍍層的耐磨性相近；當溫度升至56℃時，對應于22.5A／dm2和25.0 A／dm2的鍍層的耐磨性有接近的趨勢。這表明溫度與電流密度對鍍鉻層耐磨性的影響是相互配合的，不能孤立地考慮它們的作用。

圖3 溫度與電流密度對硬鉻鍍層耐磨性的影響

不銹鋼上硬鉻鍍層的縱向耐磨性也是不均勻的。電流密度為25.0A／dm2時的電流效率較高，以其為例，測得不同溫度下所得鍍鉻層的磨損失重隨磨損周期的變化規律，結果如圖4所示。

圖4 磨損失重隨磨損周期的變化規律

由圖4可知：在同一溫度和電流密度下，硬鉻鍍層由外至里，其耐磨性逐漸降低，呈階梯式的變化趨勢。可以推斷，鍍鉻層表面的硬度低于里層的硬度。圖4還表明：隨著溫度的降低，耐磨性有所提高。最后趨于一個恒定值，表明此時已是基體，硬度接近不銹鋼的。

當電流密度為25.0A／dm2時，48℃下所得鍍鉻層的耐磨性較好，并且鍍層的縱向耐磨性較均勻，梯度變化小。

2.4 結合力和孔隙率檢測

在最佳條件（25.0A／dm2，48～50℃）下電鍍硬鉻。對獲得的鍍鉻層進行結合力和孔隙率分析。

循環加熱驟冷實驗測得：所有試樣循環4次以上，均無鍍層脫落、起皮的現象，表明不銹鋼上鍍鉻層的結合力良好。

孔隙率測定結果，如表1所示。由表1可知：當鍍層厚度大于8μm時，鍍鉻層的孔隙率小于1.52個／cm2。

表1 硬鉻鍍層的厚度與孔隙率的關系

3 結論

（1）最佳的電解液組成及工藝條件為：鉻酐250g／L，硫酸2.5g／L，三價鉻0～5g／L，48～50℃，25.0A／dm2。在此工藝條件下，鍍速能達到14.8～15.4mg／（cm2·h），電流效率為18.3%～19.0%，鍍鉻層的結合力良好且具有較高的耐磨性。

（2）降低溫度有利于提高耐磨性；而減小電流密度，會使耐磨性降低。但硬度很高時，鍍鉻層的脆性較大，若達到一定厚度，對鍍層質量有害。

（3）溫度與電流密度對電流效率產生很大的影響。隨著溫度的降低或電流密度的升高，電流效率提高。但太低的溫度與太高的電流密度都會影響鍍層的質量。

［1］陳天玉.不銹鋼表面處理技術［M］.北京：化學工業出版社，2004：82-87.

［2］胡如南，陳松祺.實用鍍鉻技術［M］.北京：國防工業出版社，2005：134-196.

［3］王鴻建.電鍍工藝學［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1995：131-143.

［4］胡信國，李桂芝.現代防護裝飾性電鍍［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1989：239-260.

［5］孫從征，管從勝.不銹鋼模具板化學蝕刻、拋光和電鍍鉻研究［J］.電鍍與精飾，2006，28（1）：14-17.

［6］陳亞，李士嘉，王春林，等.現代實用電鍍技術［M］.北京：國防工業出版社，2003：170-192.

［7］陳國華，王光信.電化學方法應用［M］.北京：化學工業出版社，2003：105-110.