夏 恒，熊 云，沈新民，陈洪山

（1.解放军理工大学，野战工程学院，南京210007；2.91746部队，第五工作处，北京102206）

三价铬镀层表面形貌及微观结构研究

夏 恒1，2，熊 云1，沈新民1，陈洪山1

（1.解放军理工大学，野战工程学院，南京210007；2.91746部队，第五工作处，北京102206）

基于45#钢表面镀硬铬进行试验，利用SEM分析了镀层表面形貌，采用X射线衍射仪分析了镀层的相结构。结果表明三价铬的制备质量可替代六价铬。

电化学沉积；镀硬铬；界面结构

当前，工程精密件修复的方法主要是电镀方式，即在受损件表面完全制备或大面积制备耐磨性好、耐蚀性强的金属镀层。因为多数精密件的材料使用的是45#钢锻制，少部分使用铸铁，所以在实验中采用了45#钢表面进行镀硬铬的实验工艺，目前镀铬的方式分为三价铬镀铬和六价铬镀铬，其中三价铬镀铬效率高，速度快，深镀能力和均镀能力均优于六价铬镀铬，因此本文中采用了三价铬镀铬方案。

1 试验部分

1.1 实验材料

三价铬镀硬铬的主要配量如表1所示。

表1 镀液温度与浓度示意表

1.2 实验基材

基材选用了45#钢材，如图1所示，试验基材采用试样准36 mm，总长294 mm，前端预留螺纹旋钮的圆棒[1]，样件的螺纹区域不进行入电镀实验。

图1 基材尺寸

1.3 工艺流程

镀硬铬的工艺流程主要是前期处理、镀铬、水洗等多道工艺处理[2-3]，流程如图2所示。

图2 工艺流程图

2 试验结果

对于镀完的试样进行了切割，在切割过程中尽量减少破坏其表面镀层，对完成的试样进行的多种性质测试[4]。

2.1 外观与表面粗糙度

在超景深显微镜下可以看到镀层表面质地较为细密未有多余颗粒状杂质出现，外圆粗糙度Ra =2.527μm，Rz=10.78μm，表面光洁平整，如图3所示。

图3 超景深形貌图

2.2 结合力测试

使用多功能压痕仪对镀层的结合力进行测试。通过这些压痕仪产生的压痕形貌，能够获得被测材料的硬度和弹性模量等特性，可以在纳米尺度上对表面的蠕变、疲劳和应力进行研究。

采用了划痕步进测量方法，将施加划痕力从1 N线性升至200 N，步进为300μm/min，划痕长为2 985μm，在刻划过程中未发生剥离现象，则可以认定膜与基材结合强度较高，见图4.

图4 划痕检测图

2.3 成膜厚度与元素成分测试

用扫描电子显微镜和X射线能谱对表面以及试样的元素成分进行了测量，其膜厚度达到了62.2 μm，如图5所示。

图5 扫描电子显微镜图

在镀层和基材上分别取两个区域，见图5照片中的谱图5和谱图6区域，并对两个谱图区域进行能谱分析。

其中可以清晰地看出图6、表2的主要元素为Cr，图7、表3的主要元素为Fe和C，证实其材质的真实性。

图6 谱图区域5能谱分析图

表2 谱图区域5能谱分析表

图7 谱图区域6能谱分析图

表3 谱图区域6能谱分析表

3 分析与讨论

基于测试的结果可知三价铬镀硬铬结果，如表2所示。

表4 测试结果表

因此将具体的数据带入公式中可以得知实验用的金属铬（Cr）的电流效率为：

其中m是质量（g）；I是电流（A）；t是时间（H），k是电化当量（gA-1h-1）。

则计算值为6.667%，与理想的电流效率13%相差较多，但相对硬度较好。不难看出阴极优先进行的是析氢反应，但是当析氢反应在电极上过点位较大时，三价铬离子就会在阴极上还原析出。但是大多数的能量都用在了析氢反应上，因此三价铬的电流效率比较低，理论上为13%，但是实际中的电流效率却远远低于该值，且还原的氢会吸附在阴极的铬上，容易造成镀层表面的氢脆现象。

4 结束语

（1）三价铬镀铬工艺还不够完善，因此导致的镀层的厚度有限，应用的范围还未能成为一个标准化的操作，其探究的前景较好。

（2）由划痕仪测试可以看出，成膜结合力较高，在较高施加力的划痕下未出现镀层剥落的现象。

（3）在阴极析出铬离子沉积成金属铬膜的同时，也存在有析氢现象，所以一般意义上很难达到理想的电流效率值。

[1]张国良．零件镀铬前工艺尺寸解决方法[J].科技信息，2011（16）：364.

[2]张允诚，胡如南，向荣．电镀手册[M]．北京：国防工业出版社，1997：201-212.

[3]翟宏强，潘宏侠，郭彦青．镀铬控制系统设计及研究[J].煤炭技术，2010，30（1）：26-28.

[4]杜登学，张长鑫．二甲基甲酰胺体系三价铬镀液的研究[J].材料保护，1999，13（4）：60-63.

Research on Surface Morphology and Microstructure of TrivalentChrom ium Plating

XIA Heng1，2，XIONG Yun1，SHEN Xin-ming1，CHEN Hong-shan1
（1.PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China；2.91746，Beijing 102206，China）

Based on the test of hard chromium plating on the surface of No.45 steel，the surfacemorphology of the coating was analyzed by SEM，and the phase structure of the coating was analyzed by X ray diffractometer.The results indicate that the quality of trivalent chromium plating is obviously better than that of hexavalent chromium.

electrochemical deposition；hard chromium plating；interface structure

TB304

A

1672-545X（2017）04-0049-03

2017-01-07

国家自然科学基金项目“碳化硅零件氧化辅助抛光加工机理与关键工艺研究”（项目编号：51505498）；江苏省自然科学基金项目“氧化辅助抛光碳化硅零件加工机理分析与工艺参数优化”（项目编号：BK20150714）

夏恒（1981-），男，江苏人，工程师，研究生，主要研究计算机科学、软件开发、军事装备；沈新民（1984-），男，湖北人，博士，讲师，主要研究精密工程、先进制造技术、超精密加工与测量。