李琼 忻坚静 李旭勇 夏媛 万慧

摘 要：针对传统普通镀铬工艺的不足之处，为了改进生产工艺、提高产品质量提供技术储备，文章探讨了两种新的电镀铬方法-自调节电镀铬和复合镀铬两种镀铬工艺。对所制备的镀铬层硬度、结合力计表面形貌进行了测试，并与传统电镀的镀铬层各个性能相比较。结果表明：自调节铬层硬度大于复合铬层与普通铬层；三种工艺镀层结合力质量良好，均能满足使用要求，自调节镀层较复合铬层结晶颗粒细致均匀，比普通铬层的微观形貌中的网状裂纹更细，裂纹数量更少，因此耐腐蚀性能好。总而言之自调节镀铬工艺的铬层能更好的满足生产需要。

关键词：普通镀铬；自调节电镀铬；复合镀铬；铬层；性能

中图分类号：TG146.1 文献标志码：A 文章编号：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

电镀是指通过电化学方法在固体表面上沉积一薄层金属或合金的過程。对这个过程的形象说法，就是给金属或者非金属穿上一件金属“外衣”，此金属“外衣”称为电镀层。在进行电镀时，将被镀件与直流电源的负极相连，欲镀覆的金属板与直流电源的正极相连，随后，把它们一起放在电镀槽中，镀槽中有含欲镀覆金属离子的溶液，当接通直流电源时，就有电流通过欲镀金属在阴极上沉积出来。

长期以来一直是采用传统的普通镀硬铬工艺。但近几年随着电镀工艺不断发展，实际应用及市场要求不断提高，传统镀铬工艺暴露出越来越多的不足之处，以往对镀铬层的研究往往重视其耐蚀性、耐磨性，而对其微观形貌的研究相对较少。但由于电结晶的原因，电镀层中往往存在许多结构缺陷。因此开展其他新型镀铬工艺铬层与普通镀铬工艺的铬层微观形貌及其他机械性能的比较分析研究是非常有必要的。

2 试验方法

试验中采用了普通镀铬、自调节镀铬及复合镀铬三种槽液。试样材料基体选取30CrMnSiA，试样尺寸为100mm×25mm×2mm及40mm×25mm×3mm；试片在不同配方镀铬槽液中通过自搭电镀装置进行电镀，以纯铅棒及铅锑合金棒为阳极，试样作为阴极，实验过程中采用冷水冷却使溶液温度保持在要求的范围内，处理之前需对试样进行预处理。本文中所有槽液的配制中所用铬酸酐（CrO3）、硫酸（H2SO4）均为工业级，而所用硫酸锶（SrSO4）、氟硅酸钾（K2SiF6）及氟硅酸（H2SiF6）均为分析纯AR，该药品由上海试一化学试剂有限公司生产。

采用扫描电子显微镜（SEM）对镀铬层的微观形貌进行分析研究，并且对其三种不同铬镀层进行结合力及显微硬度进行检测分析。

2.1 试样制备

首先把毛料在下料车间通过下料的方式获得所需形状大小的试片：100mm×25mm×2mm及40mm×25mm×3mm，在试片的中上位置上逐一打孔，并在试片的右上角进行数字标识，为了保证试样与生产零件的组织状态一致，进而对试样进行热处理，首先在盐炉以900±10℃的温度中淬火保温5min，零件从炉中拿出来后在介质油中冷却，然后在回火炉中保温20min，待试样冷却后，对其进行硬度检测，该硬度值均在35～41HRC范围内，说明该试样的抗拉强度值均在δb=1175±100MPa，最后将试样的表面粗糙度值在磨床上加工到0.8。

2.2 試验装置

本试验所用电镀装置是在实验室自建的电镀装置，在5L烧杯中进行电镀，图1为电镀装置示意图：

2.3 试验原理

镀铬过程的阴极反应：

2H++2e→H2↑ （1）

Cr2O72-+8H++6e→Cr2O3+4H2O （2）

由于氢气的析出，阴极区内的PH值上升，发生如下的转化：

Cr2O72-+H2O？圮2CrO42-+2H+ （3）

CrO42-+8H++6e→Cr↓+4H2O （4）

镀铬过程的阳极反应：

镀铬所用阳极为纯铅棒及铅锑合金，通电时发生以下三个反应：

4OH-→2H2O+O2↑+4e （5）

2Cr3++H2O→Cr2O72-+14H++6e （6）

Pb+2H2O→PbO2+4H++4e （7）

3 结果分析

3.1 镀层结合力检测

弯曲试验是在外力作用下使试样弯曲，由于镀层和基体金属受力程度不同，两者间产生分力，当该分力大于其结合强度时。镀层即从基体上剥落。最后以弯曲试验后镀层是否剥落来评定镀层结合力合格与否。

分别在普通镀铬、自调节镀铬及复合镀铬中所镀试片（100mm×25mm×2mm）按标准HB5041-92用弯曲法检测镀铬层结合力，经检测，在三种镀铬溶液中所镀铬层均符合HB5041-92技术要求，能在反复弯曲180°直至基体断裂时，镀层都未与基体分离。检测结果说明，无论是普通镀铬溶液中所镀铬层，还是在自调节溶液中所镀铬镀层，甚至是复合溶液中的铬镀层，他们的结合强度较高，结合力较大，不易发生镀层结合力不良引起的剥落现象，说明镀层质量良好，均能满足使用要求，这对改进现有普通镀铬工艺提供了一个重要技术条件。

3.2铬镀层显微硬度的检测

在检测镀铬层的硬度时选用的试片形状为40mm×25mm×3mm，经过相同的预处理后，选取合适的工艺参数在不同溶液中进行电镀，之后对试片按照HB5041-92的要求检测镀铬层的显微硬度值，在试片表面选取三个点测量硬度值，最后获取三个值的平均值即为该试片的显微硬度值，在自调节溶液中铬镀层的平均硬度值为830.4HV，普通镀铬溶液中铬镀层的显微硬度平均值为723.5HV，而复合镀铬溶液中所镀铬镀层的硬度值为814.6HV，相比之下自调节铬层及复合镀铬层硬度值均比普通铬镀层的硬度值高，因此自调节铬层及复合镀铬层更易满足今后生产发展的要求。

3.3镀铬溶液对沉积速率的影响

三种工艺在各自的工艺参数范围内电镀试片，试片尺寸：40mm×25mm×3mm，在自调节溶液中：先预热4min，在不通电的情况下保持，阳极腐蚀0.5min，冲电2min，最后电镀90min，获得试片的平均厚度为20μm；在复合溶液中：预热3分钟，阳极腐蚀1min，冲电1min，镀铬时间也是90min，而试片的厚度为10μm；而在普通镀铬溶液中：预热3min，阳极腐蚀1min，冲电1.5min，最后电镀40min，获得试片的平均厚度为20μm；由此可以看出获得相同厚度试片的溶液中普通镀铬溶液的时间最短，说明普通电镀铬溶液镀铬的沉积速率高于自调节溶液，并且普通电镀铬溶液沉积速率是自调节溶液中的沉积速率的2.25倍。同时在相同的时间内自调节溶液中试片的厚度是复合溶液中试片的厚度的2倍，说明自调节溶液沉积速率是复合溶液沉积速率的2倍，总的来说三种溶液的沉积速率相比较之下，普通电镀铬溶液沉积速率大于自调节溶液中的沉积速率，自调节溶液中的沉积速率大于复合溶液沉积速率。

3.4镀液的维护性比较

传统工艺电镀铬溶成分简单，镀液稳定，三价铬含量的调整可采用H2O2快速调整，其维护性较好。复合镀液的腐蚀性较强，在电镀试片的时间间隔中，需将阳极取出，氟硅酸的稳定性比硫酸差，分析也较麻烦，其维护性较差；自调节镀液在操作的过程中，硫酸根和氟硅酸根消耗时，溶液中过多的硫酸锶和氟硅酸盐会自动溶解进行补充，因此镀液比较稳定，操作控制比复合镀铬方便。

3.5铬镀层的表面微观形貌

如图2和图3分别为普通镀铬溶液中所镀铬层和自调节溶液中所镀层的扫描电子图片，普通镀铬的溶液配方与生产中溶液组分含量一致，工艺参数为：工作温度55℃，电流密度52A/dm2，自调节镀铬的溶液配方与上述一致，工艺参数为：工作温度55℃，电流密度69A/dm2；图2与图3均为放大500倍的扫描图片，从图中可以看出普通镀铬溶液中所制备图2的镀层中有较多网络裂纹，并且裂纹比较粗，裂纹比较连续，且纹印比较长，因此相应的耐蚀性会比较差，而从自调节镀铬溶液中所制备的图3可以看出该镀层的网状裂纹相比之下较图2中的裂纹少，裂纹也比较细，并且两者的微裂纹的结构有较大的不同，因此相应的耐腐蚀性会比较好。这是因为普通镀铬草叶的催化剂为SO42-，而自调节溶液中的催化剂为SO42-和SiF62-，两者共同作用，改变催化剂成分可调节阴极胶体膜的活化，从而改变和减少铬层的网络裂纹。

图4和图5分别为自调节溶液中所制备镀层和复合溶液中所制备镀层的扫描电子图片，自调节镀铬的溶液配方与上述一致，工艺参数为：工作温度57℃，电流密度70A/dm2；复合镀铬的溶液配方与上述一致，工艺参数为：工作温度50℃，电流密度55A/dm2。

图4与图5均为放大800倍的电子扫描图片，从图4中可以看出铬层表面微裂纹较细，裂纹结构与图5有较大不同，铬层比较平滑细致，在生长过程中结晶细致均匀；而图5中的铬层结晶颗粒较大，铬层表面不如图4细致均匀，铬层表面比较粗糙，裂纹比较大，但裂纹的数量也比较少，这可能与溶液中添加了氟硅酸H2SiF6有一定的关系。

3.6 铬镀层的显微图片比较

图6及图7分别是用200倍金相显微镜观察自调节铬层与普通铬层图片，从上图中可以看出，该图片进一步证明了两者表面上裂纹结构有着明显的不同，无论是从裂纹的形状上还是数量上，也是有很大的差异，普通铬层表面裂纹较多，裂纹比较连续，纹印也比较粗，因此相应的耐腐蚀性会不如自调节镀铬的铬层好。

4 结论

通过自调节镀铬、复合镀铬及普通镀铬工艺的试验，可以看出三种工艺的铬层在性能上及微观组织及形貌上有较大差异，从显微硬度的角度来讲，自调节铬层硬度要大于复合铬层与普通铬层，从结合力来讲，三种镀层均质量良好，从微观形貌来看，自调节膜层结晶颗粒细致均匀，微裂纹较少、较细，耐腐蚀性能好。综上所述，我们认为自调节镀铬工艺的铬层能更好的满足生产需要。

参考文献：

[1]《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册.表面处理[M].航空工业出版社，1995.

[2]张允诚，等.电镀手册[M].北京：国防工业出版社，1997.

[3]陈治良.简明电镀手册[M].北京：化学工业出版社，2007.