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真空鍍鉻工藝是怎樣的?
發(fā)布時(shí)間:2017-08-21 瀏覽:6422 次

  鉻層硬度高(HV800~110kg/mm2),耐磨性好,反光能力強(qiáng),有較好的耐熱性。在500℃以下光澤和硬度均無明顯變化;溫度大于500℃開始氧化變色;大于700℃時(shí)才開始變軟。

  由于鍍鉻層的優(yōu)良性能,廣泛用作防護(hù)—裝飾性鍍層體系的外表層和機(jī)能鍍層。

  傳統(tǒng)的鍍鉻工藝,其電鍍液以鉻酸為基礎(chǔ),以硫酸作催化劑,兩者的比例為100:1。工藝的優(yōu)點(diǎn)為:鍍液穩(wěn)定,易于操作;無論鍍光亮鉻還是鍍硬鉻,鍍層質(zhì)量都比較高,具有光亮、耐磨、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),所以一直得到廣泛的應(yīng)用。其缺點(diǎn)為:(1)陰極電流效率非常低,一般只有8~16,這樣,鍍速相當(dāng)慢,消耗的能量也相當(dāng)大;(2)鉻酸濃度高,含鉻廢水和廢氣污染大,材料浪費(fèi)嚴(yán)重;(3)鍍液溫度較高,能量浪費(fèi)大;(4)鍍液的分散和覆蓋能力差,形狀復(fù)雜的零件必須采用象形陽(yáng)極、防護(hù)陰極和輔助陽(yáng)極才能得到厚度均勻的鍍層。因此,國(guó)內(nèi)外電鍍界一直致力于改革高鉻傳統(tǒng)鍍鉻工藝,為降低鉻酸濃度,減少其危害,提高鍍鉻效率進(jìn)行著廣泛的研究和探索?,F(xiàn)已獲得一定的成果。

  改善傳統(tǒng)鍍鉻工藝一般都采用在鉻酸鍍液中加添加劑的辦法。這些添加劑可分為四類:

  (1)無機(jī)陰離子添加劑(如、F-、、、、、、等);

  (2)有機(jī)陰離子添加劑(如羧酸、磺酸等);

  (3)稀土陽(yáng)離子添加劑(如La3 、、Ce3 、Nd3 、Pr3 、Sm3 等);

  (4)非稀土陽(yáng)離子添加劑(如Sr2 、Mg2 等)。

  在改善傳統(tǒng)鍍鉻工藝的過程中出現(xiàn)了三種較為突出的工藝:

  (1)以氟化物為催化劑的鍍鉻工藝;

  (2)以氯、溴、碘及穩(wěn)定的羧酸作催化劑的鍍鉻工藝;

  (3)以稀土作添加劑的鍍鉻工藝。

  一、鍍鉻的一般特性

  (一)鍍鉻特點(diǎn)

  1.鍍鉻用含氧酸做主鹽,鉻和氧親和力強(qiáng),電析困難,電流效率低;

  2.鉻為變價(jià)金屬,又有含氧酸根,故陰極還原過程很復(fù)雜;

  3.鍍鉻雖然極化值很大,但極化度很小,故鍍液的分散能力和覆蓋能力很差,往往要采用輔助陽(yáng)極和保護(hù)陰極;

  4.鍍鉻需用大電流密度,而電流效率很低,大量析出氫氣,導(dǎo)致鍍液歐姆電壓降大,故鍍鉻的電壓要比較高;

  5.鍍鉻不能用鉻陽(yáng)極,通常采用純鉛、鉛錫合金、鉛銻合金等不溶性陽(yáng)極。

  (二)鍍鉻過程的特異現(xiàn)象

  鍍鉻與其它金屬電沉積相比,有如下特異現(xiàn)象:

  (1)隨主鹽鉻酐濃度升高而電流效率下降;

  (2)隨電流密度升高而電流效率提高;

  (3)隨鍍液溫度提高而電流效率降低;

  (4)隨鍍液攪拌加強(qiáng)而電流效率降低,甚至不能鍍鉻。

  上述特異現(xiàn)象均與鍍鉻陰極還原的特殊性有關(guān)。

  二、鍍鉻層的種類和標(biāo)記

  (一)防護(hù)—裝飾性鍍鉻

  防護(hù)—裝飾性鍍鉻,俗稱裝飾鉻。它具有防腐蝕和外觀裝飾的雙重作用。為達(dá)此目的在鋅基或鋼鐵基體上必須先鍍足夠厚度的中間層,然后在光亮的中間鍍層上鍍以0.25~0.5μm的薄層鉻。例如鋼基上鍍銅、鎳層再鍍鉻、低錫青銅上鍍鉻、多層鎳上鍍鉻、鎳鐵合金鍍層上鍍鉻等等。

  在現(xiàn)代電鍍中,在多層鎳上鍍?nèi)∥⒖谆蛭⒘鸭y鉻是降低鍍層總厚度,又可獲得高耐蝕性的防護(hù)—裝飾體系,是電鍍工藝發(fā)展的方向。

  在黃銅上噴砂處理或在緞面鎳上鍍鉻,可獲得無光的緞面鉻,是用作消光的防護(hù)—裝飾鍍鉻。

  裝飾性鍍鉻是鍍鉻工藝中應(yīng)用最多的。裝飾鍍鉻的特點(diǎn)是:(1)要求鍍層光亮;(2)鍍液的覆蓋能力要好,零件的主要表面上應(yīng)覆蓋上鉻;(3)鍍層厚度薄,通常在0.25~0.5μm之間,國(guó)內(nèi)多用0.3μm。為此裝飾鍍鉻常用300~400g/L的高濃度,近些年來加入稀土等添加劑,濃度可降至150~200g/L,覆蓋能力、電流效率明顯提高,是研究開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的發(fā)展方向。

  防護(hù)—裝飾鍍鉻廣泛用于汽車、自行車、日用五金制品、家用電器、儀器儀表、機(jī)械、船舶艙內(nèi)的外露零件等。經(jīng)拋光的鉻層有很高的反射系數(shù),可作反光鏡。

  按照國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn),防護(hù)—裝飾性鍍鉻標(biāo)記方法如下:

  分類標(biāo)記構(gòu)成:

  Fe——基體金屬鋼鐵的化學(xué)符號(hào)。

  Cu——銅的化學(xué)符號(hào),數(shù)字表示銅鍍層最低厚度(μm);

  Ni——鎳的化學(xué)符號(hào),數(shù)字表示鎳鍍層最低厚度(μm)。

  表示鎳鍍層類型的符號(hào):

  b——光亮鎳鍍層;

  p——暗鎳或半光亮鎳鍍層,欲得到全光亮鍍層需拋光;

  d——雙層或三層鎳鍍層;

  Cr——鉻的化學(xué)符號(hào)。

  表示鉻鍍層類型及其最低厚度的字符:

  r——普通(標(biāo)準(zhǔn))鉻;

  f——無裂紋鉻;

  mc——微裂紋鉻;

  mp——微孔鉻。

  分類標(biāo)記示例:鋼鐵上由20μm(最低)銅、25μm(最低)光亮鎳和0.3μm(最低)微裂紋鉻構(gòu)成的鍍層的分類標(biāo)記可寫成:Fe/Cu20/Ni25bCrmc0.3

  幾個(gè)術(shù)語(yǔ)的解釋:

  最低厚度——零件主要表面上能被直徑20mm的球接觸到的任何一處鍍層厚度必須達(dá)到的最小值。

  主要表面——指零件上的某些表面,該表面上的鍍層對(duì)于零件的外觀和使用性能起主要作用。

  無裂紋鉻(Crf)——按ISO規(guī)定的試驗(yàn)方法檢查時(shí)不出現(xiàn)裂紋。

  微裂紋鉻(Crmc)——按ISO規(guī)定的試驗(yàn)方法檢查時(shí),有效面所有方向上每1cm長(zhǎng)度可有250條以上的裂紋,裂紋呈網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)。

  微孔鉻(Crmp)——按ISO規(guī)定的試驗(yàn)方法檢查時(shí),微孔密度至少為10000孔/cm2以上。

  (二)硬鉻(耐磨鉻、工業(yè)鍍鉻)

  在一定條件下沉積的鉻鍍層具有很高硬度和耐磨損性能,硬鉻的維氏硬度達(dá)到900~1200kg/mm2,鉻是常用鍍層中硬度最高的鍍層,可提高零件的耐磨性 , 延長(zhǎng)使用壽命。如工、模、量、卡具;機(jī)床、挖掘機(jī)、汽車、拖拉機(jī)主軸;切削刀具等鍍硬鉻。鍍硬鉻可用于修復(fù)被磨損零件的尺寸公差。嚴(yán)格控制鍍鉻工藝,準(zhǔn)確地按規(guī)定尺寸鍍鉻,鍍后不需再進(jìn)行機(jī)械加工的則稱為尺寸鍍鉻法。

  (三)乳白鉻鍍層

  在較高溫度(65~75℃)和較低電流密度下(20±5A/dm2)獲得的乳白色的無光澤的鉻稱為乳白鉻。鍍層韌性好,硬度較低,孔隙少,裂紋少,色澤柔和,消光性能好,常用于量具、分度盤、儀器面板等鍍鉻。

  在乳白鉻上加鍍光亮耐磨鉻,稱為雙層鍍鉻。在飛機(jī)、船舶零件以及槍炮內(nèi)腔上得到廣泛應(yīng)用。

  (四)松孔鍍鉻

  通常在鍍硬鉻之后,用化學(xué)或電化學(xué)方法將鉻層的粗裂紋進(jìn)一步擴(kuò)寬加深,以便吸藏更多的潤(rùn)滑油脂,提高其耐磨性,這就叫松孔鉻。松孔鍍鉻層應(yīng)用于受重壓的滑動(dòng)摩擦件及耐熱、抗蝕、耐磨零件,如內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)腔、活塞環(huán)等。

  (五)黑鉻

  在不含硫酸根而含有催化劑的鍍鉻中,可鍍?nèi)〖兒谏你t層,以氧化鉻為主成分,故耐蝕性和消光性能優(yōu)良,應(yīng)用于航空、光學(xué)儀器、太陽(yáng)能吸收板及日用品之防護(hù)—裝飾。

  三、鍍鉻液的種類和特性

  根據(jù)鍍鉻液的組成和性能不同,可將鍍鉻液分為如下幾類。

  (一)普通鍍鉻溶液

  這是應(yīng)用量大、面廣的一種鍍液,基本組分是鉻酐和硫酸,按鉻酐濃度可分為低、中、高濃度三種。

  低濃度通常系指鉻酐含量為120g/L以下的鍍液。具有減少污染、降低成本、 電流效率比較高(18~20)、鍍層光亮度好、光亮電流密度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需槽電壓較高,鍍液覆蓋能力較差,適合于零件形狀較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。

  中濃度通常系指鉻酐含量為180~250g/L的鍍液。鉻酐250g/L,硫酸根2.5g/L的鍍液稱為標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻液,多用于鍍硬鉻。在這類鍍液中加入鍍鉻添加劑,特別是混合稀土金屬鹽添加劑,鍍液性能則有很大改善:

 ?、倏蓪t酐濃度降低到150~180g/L以內(nèi),鍍液的覆蓋能力明顯提高,超過高濃度液;

 ?、诳山档臀鲢t的臨界電流密度值,可采用較低電流密度(如8~10A/dm2),而電流效率卻能達(dá)到20以上,槽電壓低于10V,故有明顯的節(jié)電效果;

  ③可實(shí)現(xiàn)常溫電鍍,在15~50℃之間均可施鍍,有利于節(jié)約能源,提高工效。綜合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益好。這是現(xiàn)代電鍍鉻工藝的發(fā)展方向。

  高濃度系指鉻酐濃度為300~400g/L的鍍液。具有較高分散能力和覆蓋能力,主要用于裝飾性鍍鉻。這種鍍液帶出損失多、對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重。電流效率低(8~13)。隨著稀土等鍍鉻添加劑的開發(fā)和應(yīng)用,這類鍍液已逐漸縮減。

  (二)復(fù)合鍍鉻液

  以硫酸和氟硅酸作催化劑的鍍鉻液。氟硅酸的添加,使鍍液的電流效率、覆蓋能力和光亮范圍均比普通鍍鉻液有所改善,如陰極的電流效率可達(dá)到20%以上。然而,氟硅酸對(duì)陽(yáng)極和陰極零件鍍不上鉻的部位及鍍槽的鉛襯均有較強(qiáng)的腐蝕作用,必須采取一定的防護(hù)措施,其襯里和陽(yáng)極最好采用鉛一錫合金。此鍍液主要用于滾鍍鉻。

  (三)自動(dòng)調(diào)節(jié)鍍鉻液

  以硫酸鍶和氟硅酸鉀為催化劑的鍍鉻液。在一定溫度及一定濃度的鉻酸溶液中,硫酸鍶和氟硅酸鉀各自存在著沉淀溶解平衡,并分別有一溶度積常數(shù)Ksp,即當(dāng)溶液中[S042-]或[SiF62-]濃度增大時(shí),相應(yīng)的離子濃度乘積將大于溶度積常數(shù),過量的S042-或SiF62-便生成SrS04或K2SiF6沉淀而析出;相反,當(dāng)溶液中[S042-]或[ SiF62-]濃度不足時(shí),槽內(nèi)的SrS04或K2SiF6沉淀溶解,直至相應(yīng)的離子濃度乘積等于其溶度積時(shí)為止。所以,當(dāng)鍍液的溫度和鉻酐的濃度一定時(shí),鍍液中[S042-]或[SiF62-]濃度可通過溶解沉淀平衡而自動(dòng)的調(diào)節(jié),并不隨電鍍過程的持續(xù)而變化。這類鍍液具有電流效率高(270A),允許電流密度范圍大(高達(dá)80~100A/dm2),鍍液的分散能力和覆蓋能力好,沉積速度快(50/-m/h)等優(yōu)點(diǎn),故又稱“高速自動(dòng)調(diào)節(jié)鍍鉻”。但鍍液的腐蝕性強(qiáng)。

  (四)快速鍍鉻液在普通鍍鉻液基礎(chǔ)上,加入硼酸和氧化鎂,允許使用較高的電流密度,從而提高了沉積速度,所得鍍層的內(nèi)應(yīng)力小,與基體的結(jié)合力好。

  (五)四鉻酸鹽鍍鉻液

  這類鍍液的鉻酐濃度較高,鍍液中除含有鉻酐和硫酸外,還含有氫氧化鈉和氟化鈉,以提高陰極極化作用。添加糖或醇作為還原劑,以穩(wěn)定鍍液中的Crs+;添加檸檬酸鈉以掩蔽鐵離子。這類鍍液的主要優(yōu)點(diǎn)是電流效率高(35%以上),沉積速度快、

  鍍液的分散能力好,但鍍液只在室溫下穩(wěn)定,操作溫度不宜超過24℃,采用高電流密度時(shí)需冷卻鍍液;鍍層的光亮性差,硬度較低,鍍后需經(jīng)拋光才能滿足裝飾鉻的要求。

  (六)常溫鍍鉻鍍液由鉻酐和氟化物(NH4F或NaF)組成,也可加入少量的硫酸。這種鍍液的工作溫度(15~25℃)和電流密度(8~12A/dm2)低,沉積速度慢,適用于薄層電鍍。其電流效率和分散能力較高,可用于掛鍍和滾鍍。

  (七)低濃度鉻酸鍍鉻

  鍍液中鉻酐濃度較標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻液低5倍,可大大降低對(duì)環(huán)境的污染。電流效率及鍍層的硬度介于標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻液和復(fù)合鍍鉻液之間,其覆蓋能力和耐蝕性與高濃度鍍鉻相當(dāng)。但鍍液的電阻大,槽電壓高,對(duì)整流設(shè)備要求嚴(yán)格,同時(shí)鍍液的覆蓋能力有待提高。

  (八)三價(jià)鉻鍍鉻鍍液中以Cr3+化合物為主鹽,添加絡(luò)合劑、導(dǎo)電鹽及添加劑。該工藝消除或降低了環(huán)境污染,鍍液的分散能力和覆蓋能力較鉻酸鍍液高,陰極電流效率有所改善;可常溫施鍍;槽壓低;電鍍不受電流中斷的影響。但鍍液對(duì)雜質(zhì)敏感,鍍層的光澤較暗,鍍層厚度為幾微米,并不能隨意增厚;鍍層的硬度低,鍍液成分復(fù)雜不利于維護(hù)。

  (九)稀土鍍鉻液

  在傳統(tǒng)鍍鉻液的基礎(chǔ)上加入一定量的稀土元素及氟離子。采用稀土元素可降低鉻酐的濃度、拓寬施鍍溫度范圍(10~50℃)及陰極電流密度范圍(5~30A/dm2),降低槽壓,改善鍍層的光亮度及硬度。

  使鍍鉻生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低溫度、低能耗、低污染和高效率,即所謂的“三低一高”鍍鉻工藝。但對(duì)于鍍液的穩(wěn)定性和可靠性,目前尚有不同的看法,尤其是對(duì)其機(jī)理的研究還有待深入。

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