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(大連萬德厚船舶工程有限公司，遼寧 大連 116600)
摘要：介紹了一種在鍛鋼基體上鍍硬鉻的工藝。研究了鉻酐、硫酸、甲酸、三價鉻、電流密度、溫度等對電鍍工藝的影響，確定了較佳的工藝條件為：鉻酐220～280 g/L，硫酸2.2～2.8 g/L，甲酸5 g/L，三價鉻3～5 g/L，溫度50～55℃。在此工藝條件下，電流效率可高于20%，同時可獲得均勻、光亮、平整的鍍鉻層。
關(guān)鍵詞：鍍硬鉻;電流效率;硬度;耐磨性
中圖分類號：TQ 153 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4742(2012) 06-0021-03
0前言
隨著世界運輸業(yè)的快速發(fā)展，對發(fā)動機內(nèi)部的運動部件(如活塞、活塞環(huán)等)在高溫工作條件下的耐磨性和穩(wěn)定性的要求越來越高。由于鉻具有耐磨性好、硬度高、摩擦因數(shù)低、熔點高等優(yōu)點[1]，已在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)鍍鉻工藝存在電流效率低(一般為8%～16%)、鍍速慢、鍍液溫度高、能耗大等問題，特別是在鍛鋼件上鍍較厚硬鉻層(700μm)時顯得尤為突出。考慮到技術(shù)和經(jīng)濟方面的限制，本文提出了一種高效穩(wěn)定的鍛鋼件鍍鉻工藝，所得鍍鉻層均勻、光亮，硬度高，耐磨性好。
1試驗
1.1 工藝流程
陰極電解除油→清洗→陽極活化→鍍鉻
1.2鍍液組成及工藝條件
鉻酐150～360 g/L，硫酸1.4～3.7∥L，甲酸1.0～7.O g/L，三價鉻2.0～10.O g/L，40～65℃，陽極鉛—錫合金。
2 結(jié)果與討論
2.1鉻酐的影響
鉻酐是鍍鉻液的主要成分之一，其質(zhì)量濃度對電流效率影響很大。隨著鉻酐的質(zhì)量濃度的增加，鍍液的電導(dǎo)率和覆蓋能力均有所提高，但電流效率降低。圖1為鉻酐的質(zhì)量濃度對電流效率的影響。由圖1可知：當鉻酐的質(zhì)量濃度大于300 g/L時，本文由中國電鍍網(wǎng)提供hdampjb.cn電流效率的下降趨勢明顯;當鉻酐的質(zhì)量濃度小于150 g/L時，電流效率大于22%，但較低的鉻酐的質(zhì)量濃度會導(dǎo)致槽電壓升高，大大增加鍍液對雜質(zhì)離子(如Fe3+)的敏感性，直接影響鍍液的穩(wěn)定性，同時鍍液的覆蓋能力也變得很差，這是生產(chǎn)廠家所不能接受的;當鉻酐的質(zhì)量濃度為220～280 g/L時，電流效率能達到20%左右，且變化緩慢，易于控制。考慮到電流效率和鍍液的穩(wěn)定性，本工藝中鉻酐的質(zhì)量濃度控制在220—280 g/L。
2.2硫酸的影響
硫酸是鍍鉻液的催化劑，其質(zhì)量濃度對鍍層質(zhì)量影響很大。硫酸的質(zhì)量濃度過高或過低，均會引起鍍層“露黃”、帶黃彩膜或者藍彩膜、燒焦和發(fā)霧等問題。更重要的是，鍍液中硫酸的質(zhì)量濃度與鉻酐的質(zhì)量濃度有著密切的聯(lián)系[2]。在確定了鉻酐的質(zhì)量濃度的基礎(chǔ)上，探索合理的鉻酐與硫酸的質(zhì)量濃度比。圖2為鉻酐與硫酸的質(zhì)量濃度比對電流效率的影響。由圖2可知：當ρC3rO3：ρSO42-為100:1時，電流效率最高，可達到20%，并且鍍層的外觀質(zhì)量和性能均較好;當ρC3rO3：ρSO42-為95:1時，鍍層的光亮度和致密性好，但電流效率和鍍液的覆蓋能力下降;當ρC3rO3：ρSO42-大于100：1時，鍍液的覆蓋能力較好，但鍍層的光亮度降低，鍍層發(fā)花粗糙。綜上所述，本工藝確定ρC3rO3：ρSO42-為100:1，硫酸的質(zhì)量濃度控制在2.2～2.8 g/L范圍內(nèi)。
2.3 甲酸的影響
在鍍鉻工藝中，添加甲酸能有效地提高電流效率。圖3為甲酸的質(zhì)量濃度對電流效率的影響。由圖3可知：當甲酸的質(zhì)量濃度為5 g/L時，電流效率最高，可達到20%;當甲酸的質(zhì)量濃度小于或大于5g/L時，電流效率均逐漸降低[3]。此外，當甲酸的質(zhì)量濃度為3～5 g/L時，能提高鍍液的分散能力和深鍍能力，顯著拓寬光亮電流密度范圍，鍍層光亮平滑，呈銀白色。為了獲得較高的電流效率和平整光亮的鍍鉻層，本工藝選取甲酸的質(zhì)量濃度為5g/L。
2.4三價鉻的影響
三價鉻的質(zhì)量濃度應(yīng)該保持在一個較低的水平。因為隨著三價鉻的質(zhì)量濃度的增加，會出現(xiàn)鍍液的分散能力降低，鍍層烏暗粗糙、光亮度差，光亮電流密度范圍變窄等問題。然而，當三價鉻的質(zhì)量濃度過低時，沉積速率慢，鍍層軟，鍍液的覆蓋能力差。為了得到平整光亮的鍍鉻層，本工藝選取三價鉻的質(zhì)量濃度為3～5 g/L。
2.5 電流密度和溫度的影響
對于功能性鍍鉻層而言，具有較高的硬度和耐磨性是必要的條件之一。試驗過程中，參照ISO6507-1:1982，測量鍍層的硬度。當電流密度為45A/dm2，溫度為50℃時，鍍層的硬度為7 250 MPa，檢測到的微裂紋，如圖4所示。當電流密度為50A/dm2，溫度為55℃時，鍍層的硬度為11 000MPa，檢測到的微裂紋，如圖5所示。當電流密度升高至60 A/dm2時，鍍層的硬度大于12 000 MPa。
本工藝針對鍛鋼鍍硬鉻，將鍍層的硬度控制在8 500～11 000 MPa范圍內(nèi)是比較合理的。因為硬度越高脆性越大，追求過高的硬度，有可能導(dǎo)致鍍層的內(nèi)應(yīng)力過高，脆性過大，從而使鍍層的結(jié)合力與耐磨性下降。另外，我們可以通過微裂紋的儲存潤滑油的作用本文由中國電鍍網(wǎng)提供hdampjb.cn來提高鍍層的耐磨性。因為對于內(nèi)燃機氣缸、活塞頭等部件，一般在高壓和高溫的條件下工作，處于“干摩擦”或“半干摩擦”狀態(tài)。在受到摩擦?xí)r，微裂紋儲存的潤滑油被擠出，溢流在摩擦表面上，由于毛細管的作用，潤滑油可以沿微裂紋流向油少的地方，從而改變了摩擦狀態(tài)，降低摩擦因數(shù)。
考慮到鍍層的硬度和微裂紋的數(shù)量均與鍍層的結(jié)晶速率和細密性有關(guān)，當電流密度升高時，鍍液的電流效率升高，結(jié)晶速率加快，使鍍層的結(jié)晶更細密，網(wǎng)狀裂紋數(shù)量增加[4]。但是隨著電流密度的不斷升高，網(wǎng)狀裂紋數(shù)量增多，鍍層的耐蝕性降低。由此，本工藝采用電流密度為50 A/dm2，溫度為50～55℃的工藝條件，所得鍍層的硬度為8 500～11 000 MPa，生成的裂紋數(shù)為250～800條/cm。
2.6鍍液中雜質(zhì)的影響
鍍液中的鐵雜質(zhì)會造成電解液不穩(wěn)定，光亮范圍縮小，鍍液的分散能力和電流效率下降，鍍層出現(xiàn)斑點等問題。所以本工藝要求將鐵雜質(zhì)的質(zhì)量濃度控制在8 g/L以下。此外，鍍鉻液被銅雜質(zhì)污染后，所得的鉻層質(zhì)量欠佳，鍍層中間部位發(fā)暗，端面不平整，電流稍大易燒焦。所以銅雜質(zhì)的質(zhì)量濃度應(yīng)控制在3 g/L以下。
3 結(jié)論
通過試驗研究，確定鍛鋼鍍硬鉻較佳的工藝條件為：鉻酐220～280 g/L，硫酸2.2～2.8 g/L，甲酸5 g/L，三價鉻3～5 g/L，溫度50～55℃。在此工藝條件下，電流效率可高于20%;鍍層厚度達到700 μm;鍍層表面平整、光亮、分布均勻;鍍層的硬度高于8 500 MPa，特有的網(wǎng)狀不連續(xù)微裂紋能起到較好的儲油作用，從而提高鍍層的耐磨性。
參考文獻：
[1]張允誠，胡如南，向榮.電鍍手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.
[2]CHESSIN H.Plating functional chromium at high efficiency with no cathodic etching[J]. Plating and Surface Finishing,1984,71(10)：68-70.
[3]周琦，史敬偉，程秀蓮，電鍍鉻添加劑的對比研究[J].電鍍與精飾,2006,28(2)：37-39.
[4]關(guān)山，張琦，吳雋賢，等，高效鍍鉻工藝鍍層性能的研究[J].電鍍與涂飾,2000,19(4)：8-13.
