摘要：采用硫酸鹽體系進(jìn)行三價(jià)鉻鍍鉻,獲得了光亮銀白色鍍層。分別研究了鍍液的pH值、鍍液溫度、電流密度、熱處理溫 度等對(duì)鍍層硬度的影響;分別用X射線衍射法、掃描電鏡法等研究了鍍層的性質(zhì)。當(dāng)溶液的pH值為2.4,鍍液溫度為45℃, 電流密度為45 A/dm2時(shí),鍍層的硬度和摩擦系數(shù)分別為7 740 MPa和0.816。鍍層分別在25℃,200℃,250℃,300℃和 350℃下進(jìn)行熱處理,鍍層的硬度分別為7 740 MPa,8 750 MPa,9 010 MPa,9 250 MPa,9 450 MPa,鍍層的硬度增加的原因可能是鍍層由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)化所致。

前言

鍍鉻層具有良好的硬度、耐磨性、耐蝕性和裝飾 性,不僅用于裝飾性鍍層,還大量用于功能性鍍 層[1],目前常用的是六價(jià)鉻鍍鉻工藝。而六價(jià)鉻是 被美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)確定為17種高度危險(xiǎn)毒 性物質(zhì)之一,EPA已明確規(guī)定將于2010年前全面 禁止六價(jià)鉻電鍍生產(chǎn)[2]。歐美各國(guó)相繼制定了相關(guān) 法規(guī)禁止使用六價(jià)鉻鍍鉻工藝,目前各國(guó)都在研究 替代六價(jià)鉻鍍鉻的工藝。三價(jià)鉻鍍鉻工藝由于能減 少對(duì)環(huán)境的污染,故又稱(chēng)為"環(huán)保鉻"[3]。目前所研 究的三價(jià)鉻溶液多以甲酸[4-5]、乙酸[6]、蘋(píng)果酸[7]、檸 檬酸[8]和草酸[9]等為配位劑,但僅用單一的配位劑 的鍍液和鍍層性能一般不夠理想,通常以?xún)煞N或多 種配位劑[10-11]聯(lián)合使用,效果更好。當(dāng)前三價(jià)鉻鍍 鉻體系主要有硫酸鹽體系、氯化物體系和硫酸鹽-氯 化物混合體系[12-13,23]。而采用氯化物體系和硫酸 鹽-氯化物混合體系鍍鉻,因陽(yáng)極產(chǎn)生氯氣而影響環(huán) 境,不利于電鍍行業(yè)的清潔生產(chǎn)。

本文采用硫酸鹽體系,并將草酸和另一種配位 劑復(fù)配作為配位劑進(jìn)行三價(jià)鉻鍍鉻。研究了工藝條 件對(duì)鉻鍍層硬度的影響,分別用X射線衍射法和掃 描電鏡法等研究了鍍層的晶形、形貌和成分等。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　試樣制備

實(shí)驗(yàn)以100 mm×33 mm×1 mm的DSA板為 陽(yáng)極,以40 mm×25 mm×0.5 mm的不銹鋼為底 材。在電沉積前,對(duì)不銹鋼基體進(jìn)行0#~6#的金 相砂紙打磨、化學(xué)除油、稀酸浸蝕及活化等前處理, 以增強(qiáng)鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

1.2　鍍液組成及工藝條件

鍍液組成:CrK(SO4)2·12H2O　200~400 g/L, NaF 30~50 g/L,Al2(SO4)3·18H2O 150~300 g/L, Na2C2O430~50 g/L,配位劑30~50 g/L。工藝條 件:溫度25~45℃,電流密度28~45 A/dm2,磁轉(zhuǎn) 子攪拌速率400 r/min。

1.3　測(cè)試方法

(1)采用401 MVDTM型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量 鍍層的顯微硬度,載荷為50 g,加載時(shí)間為15 s,取 5點(diǎn)平均值作為鍍層的顯微硬度。

(2)采用TRB 01-025 39型銷(xiāo)-盤(pán)式摩擦磨損試 驗(yàn)機(jī),考察復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能。測(cè)試條件:室 溫,干摩擦,空氣相對(duì)濕度(50±2) %,溫度為 (23±1)℃;摩擦副為直徑6 mm的小球,材質(zhì)為 100 Cr6;載荷為5 N,摩擦速率為0.12 m/s,磨痕半 徑為5 mm,轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。試樣前后均經(jīng)丙 酮清洗,用BS 224S型電子分析天平測(cè)定試樣的磨 損質(zhì)量損失。

(3)用日本理學(xué)D/max 2200型全自動(dòng)X射線 衍射儀,對(duì)鍍層進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。測(cè)試條件:陽(yáng)極為銅 靶(λ=15.405 6 nm),管電壓40 kV,管電流20 mA,2θ掃描范圍10°~80°,掃描速率5°/min。

(4)采用FEI Quanta 200FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃 描電子顯微鏡,觀察鍍層的表面形貌。

2　結(jié)果與討論

2.1　鍍液的pH值對(duì)鍍層硬度的影響

鍍液溫度為35℃,電流密度為28 A/dm2,電鍍 時(shí)間為30 min,鍍層為光亮銀白色。圖1為鍍液的 pH值對(duì)鍍層硬度的影響。

由圖1可知:鍍液的pH值在1.9~2.9范圍 內(nèi),鍍層的硬度變化不大;pH值為2.4時(shí),鍍層的 硬度為最大值7 370 MPa;pH值在2.9~3.6范圍 內(nèi),鍍層的硬度逐漸變小。

2.2　鍍液的溫度對(duì)鍍層硬度的影響

在溶液的pH值為2.4,電流密度為28 A/dm2, 電鍍時(shí)間為30 min的條件下,研究了鍍液的溫度對(duì) 鍍層硬度的影響,如圖2所示。由圖2可知:鍍層的 硬度隨溫度的上升而增加,從6 690 MPa逐漸增加 到7 650 MPa。

2.3　電流密度對(duì)鍍層硬度的影響

在溶液的pH值為2.4,鍍液溫度為45℃,電鍍 時(shí)間為30 min的條件下,研究了電流密度對(duì)鍍層硬 度的影響,如圖3所示。由圖3可知:電流密度在 28~45 A/dm2范圍內(nèi),鍍層的硬度隨電流密度的 上升而增加,從7 650 MPa逐漸增加到7 740 MPa。 導(dǎo)致硬度增加的原因可能是電流密度提高使得陰極 極化增強(qiáng),陰極極化的增強(qiáng)導(dǎo)致鍍層顆粒越細(xì)。細(xì) 的顆粒比粗大的顆粒的硬度要高。

2.4　熱處理溫度對(duì)鍍層硬度的影響

在溶液的pH值為2.4,鍍液溫度為45℃,電鍍 時(shí)間為30 min,電流密度為45 A/dm2的條件下,鍍 層分別在25℃,200℃,250℃,300℃和350℃下 熱處理2 h,常溫退火。熱處理溫度對(duì)鍍層硬度的 影響,如圖4所示。由圖4可知:熱處理溫度在25 ~350℃范圍內(nèi),隨著熱處理溫度的提高,鍍層的硬 度逐漸增加，從7740 MPa逐漸增加到9 450 MPa。 熱處理溫度為350℃時(shí)，鍍層的顏色略發(fā)黃。

2.5　鍍層的摩擦性能

在溶液的pH值為2.4,鍍液溫度為45℃,電鍍 時(shí)間為30 min,電流密度為45 A/dm2的條件下,鍍 層的摩擦系數(shù)為0.816,磨損量?jī)H為0.03 mg,鍍層 具有較好的耐磨性。

2.6　鍍層結(jié)構(gòu)

在溶液的pH值為2.4,鍍液溫度為45℃,電鍍 時(shí)間為30 min,電流密度為45 A/dm2的條件下,鍍 層分別在25℃,200℃,250℃,300℃和350℃下 熱處理2 h,常溫退火。不同熱處理溫度時(shí)鍍層的X 射線衍射圖,如圖5所示。由圖5可知:常溫時(shí),鍍 層呈非晶態(tài)。熱處理溫度在25~350℃范圍內(nèi), 2θ=44.166°處的衍射峰,逐漸由寬變窄,對(duì)應(yīng)于單 斜Cr晶格(210)晶面;2θ=64.529°和2θ=74.455° 處的衍射峰逐漸形成,對(duì)應(yīng)于單斜Cr晶格(310)和 (330)晶面,鍍層由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)化。鍍層的硬度 增加的原因可能是鍍層由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)化所致。

2.7　鍍層的微觀形貌

圖6為鍍層分別在25℃, 200℃, 250℃, 300℃和350℃下熱處理2 h,常溫退火的掃描電鏡 照片。由圖6可知:熱處理溫度在25~350℃范圍 內(nèi),隨著熱處理溫度的升高,鍍層表面的裂痕密度和 深度變大。這是由于鍍層在25~350℃范圍內(nèi)進(jìn)行 熱處理時(shí),鍍層由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)化所致。

3　結(jié)論

(1)硫酸鹽體系三價(jià)鉻鍍鉻,溶液的pH值為 2.4,鍍液溫度為45℃,電流密度為45 A/dm2時(shí), 鍍層的硬度為7 740 MPa,鍍層為光亮銀白色。

(2)鍍層分別在25℃,200℃,250℃,300℃ 和350℃下進(jìn)行熱處理,鍍層的硬度逐漸變大,從 7 740 MPa逐漸增加到9 450 MPa。鍍層的硬度增 加的原因可能是鍍層由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)化所致。