工藝參數(shù)對三價鉻鍍鉻層粗糙度的影響

孔 磊， 胡會利， 于元春， 侯峰巖， 屠振密

（1.哈爾濱工業(yè)大學（威海）應用化學系，山東 威海 264209；2.上海寶鋼設備檢修有限公司 表面技術研究所，上海 201900）

工藝參數(shù)對三價鉻鍍鉻層粗糙度的影響

孔 磊1， 胡會利1， 于元春1， 侯峰巖2， 屠振密1

（1.哈爾濱工業(yè)大學（威海）應用化學系，山東 威海 264209；2.上海寶鋼設備檢修有限公司 表面技術研究所，上海 201900）

通過單因素實驗研究了直流電鍍和脈沖電鍍的工藝參數(shù)對鍍鉻層粗糙度的影響。采用直流電鍍，pH值較低時鍍層粗糙度增大較明顯，鍍層粗糙度隨電流密度的增大而增大，基體粗糙度對鍍層粗糙度也具有較大的影響。采用脈沖電鍍，占空比、頻率、平均電流密度對鍍層粗糙度有較大的影響；當占空比為40%，頻率為80Hz時，鍍層粗糙度的增大最顯著。鍍鉻層的微觀形貌呈半球凸起狀；在脈沖條件下，鍍層表面的凸起數(shù)量更多、形狀和大小更均勻。

三價鉻鍍鉻；直流電鍍；脈沖電鍍；工藝參數(shù)；粗糙度

0 前言

金屬鉻及其合金具有較高的耐蝕性、強度、硬度、導熱性以及較低的氧化速率、摩擦因數(shù)、線性膨脹系數(shù)等令人滿意的性能，并且在高溫下也能保持其優(yōu)異的性能［1－2］。因此，鍍鉻層被廣泛應用為裝飾性鍍層和功能性鍍層。

鍍層性能與鍍層的表面形貌和粗糙度有著非常密切的關系［3－4］。粗糙度對鍍層的耐磨性、減摩性、被加工零件的精度以及光學性能等有影響?；w表面的凸凹不平導致漆膜在其上附著時產(chǎn)生互相咬合的現(xiàn)象，粗糙度越大咬合力越強，附著力越大［5］。粗糙度對腐蝕過程中的極化電阻和腐蝕電勢也有影響，從而影響鍍層的耐蝕性［6］。因此，研究粗糙度的影響因素是非常必要的。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗在自制的塑料方槽中進行，其內部尺寸為100mm×100mm×70mm。陽極采用石墨陽極，陰極采用40mm×25mm的紫銅片。

1.2 工藝流程

砂紙打磨—→水洗—→吹干—→測量粗糙度—→稀鹽酸活化—→水洗—→電鍍—→水洗—→吹干—→測量粗糙度—→計算結果

1.3 鍍液組成

CrCl3·6H2O 213g/L，配位劑 32.8g/L，H3BO340g/L，NH4Cl 176g/L，添加劑 適量。

1.4 性能檢測

（1）粗糙度

采用德國馬爾公司生產(chǎn)的MarSurf PS1型便攜式粗糙度儀進行粗糙度的測量。選用平均粗糙度Ra和峰值密度PC來表征粗糙度。選取試片中部的左、中、右三個位置進行粗糙度的測量，三個位置之間的距離間隔為8mm。用粗糙度儀測量粗糙度時，探頭掃過的痕跡與砂紙打磨的劃痕垂直。

用電鍍前后平均粗糙度的變化值ΔRa和峰值密度的變化值ΔPC來衡量工藝條件對粗糙度的影響。其中，ΔRa和ΔPC為試片左、中、右三個位置變化的平均值。為確保測量結果為電鍍前后同一位置的粗糙度值，在測量電鍍前后的粗糙度時，探頭掃過的痕跡應盡量重合。研究電鍍工藝條件的影響時，試片采用800＃砂紙進行打磨。為了保證實驗的一致性，試片的初始粗糙度控制在0.2μm左右。研究基體粗糙度的影響時，采用不同型號的砂紙打磨出初始粗糙度不同的試片。

（2）微觀形貌

采用日本HIROX公司生產(chǎn)的KH-1000型三維視頻顯微系統(tǒng)，觀察不同條件下得到的試片在放大3 500倍下的微觀形貌，并拍攝照片。

2 結果與討論

2.1 直流鍍層的粗糙度

2.1.1 pH值的影響

三價鉻鍍液的緩沖能力比較差，一般在pH值為1～3的范圍內施鍍［7］。在電鍍鉻的過程中，陰極表面的pH值迅速升高，以至于三價鉻形成穩(wěn)定的羥橋化合物，阻礙了其正常結晶［8］。在電流密度30 A/dm2，電鍍時間10min的條件下，ΔRa和ΔPC隨pH值的變化，如圖1所示。

圖1 ΔRa和ΔPC隨pH值的變化

由圖1可知：pH值較低時，ΔRa比較大且呈逐漸增大的趨勢，ΔPC并無一定的規(guī)律；當pH值為1.6時，ΔRa和ΔPC均最大，分別為0.145μm和57個/cm；當pH值大于2.4時，ΔRa急劇下降，在pH值為2.8時ΔRa僅為0.052μm。這可能是因為陰極表面的pH值升高后生成的聚合物，阻礙了鉻層的生長，給粗糙度的增大造成不利影響。

2.1.2 電流密度的影響

在pH值2.4，電鍍時間10min的條件下，ΔRa和ΔPC隨電流密度的變化，如圖2所示。

圖2 ΔRa和ΔPC隨電流密度的變化

由圖2可知：當電流密度低于20A/dm2時，ΔRa和ΔPC均較小且變化趨勢不明顯；當電流密度超過20A/dm2時，ΔRa和ΔPC的增大趨勢非常明顯。其原因為：電流密度較低時，晶粒的生長緩慢，導致粗糙度基本沒有變化；電流密度較大時，鍍層的沉積速率比較大，晶核生成后，晶粒迅速生長。所以要得到粗糙度較大的鍍層，在適當?shù)碾娏髅芏确秶鷥?，應選取較大的電流密度值。

2.1.3 基體粗糙度的影響

采用不同型號的砂紙對紫銅片進行打磨，使試片在電鍍前具有不同的粗糙度值。在pH值2.4，電流密度30A/dm2，電鍍時間10min的條件下，選取具有代表性的初始Ra值，ΔRa與初始Ra值的關系，如圖3所示。

圖3 ΔRa與初始Ra值的關系

由圖3可知：ΔRa隨初始Ra值的增大而增大。由此可見，基體的粗糙度對鍍層的粗糙度有一定的影響，基體粗糙度的增大也能在一定程度上增大鍍層的粗糙度。這可能是因為粗糙度較大的基體上電流密度分布不均勻，在偏離中線較大的位置電流密度較大，鉻的結晶和生長比較快。

化學拋光可以整平金屬表面的幾何凸凹，去除較粗糙的表面不平度。本實驗中嘗試著對試片進行拋光處理，拋光液包括成膜液和退膜液。其中，成膜液由HCl，H2O2和丙三醇組成，退膜液為稀硝酸。實驗結果表明：進行化學拋光處理的試片在電鍍后具有更粗糙的表面輪廓。進行化學拋光處理，ΔRa和ΔPC分別為0.271μm和133個/cm，是不進行化學拋光處理時的4.67倍和3.33倍。鉻是以結瘤的形式生長的，Rousseau A等［9］的研究發(fā)現(xiàn)：電流密度大的地方結瘤生長快，而對基體進行化學拋光可以去除基體表面的不平度，降低其真實表面積，從而增大了鍍鉻時的真實電流密度，故Ra和PC的變化較大。由此可見，若要得到粗糙度較大的鍍層，可對基體進行一定程度的化學拋光處理。

2.2 脈沖鍍層的粗糙度

在研究脈沖電沉積對鍍層粗糙度的影響時，采用方波脈沖電流進行電鍍。

2.2.1 占空比的影響

在平均電流密度30A/dm2，頻率10Hz，電鍍時間10min的條件下，ΔRa和ΔPC隨占空比的變化，如圖4所示。

圖4 ΔRa和ΔPC隨占空比的變化

由圖4可知：ΔRa隨占空比的增大先增大后減小，在占空比為40% 時達到最大值（為0.099 μm），占空比超過60%時ΔRa變化不大；ΔPC的變化規(guī)律與ΔRa的相似，在占空比為50%時ΔPC達到最大值（為78.7個/cm）。由此可見，增大占空比對鍍層粗糙度的增大并沒有太大的作用。

2.2.2 頻率的影響

在平均電流密度30A/dm2，占空比40%，電鍍時間10min的條件下，在低頻范圍內ΔRa和ΔPC隨頻率的變化，如圖5所示。

圖5 低頻范圍內ΔRa和ΔPC隨頻率的變化

由圖5可知：在低頻范圍內，ΔRa隨頻率的增大先增大后減小，在頻率為80Hz時達到最大值（為0.094μm）；ΔPC的變化并無一定規(guī)律，在頻率為80Hz時達到最大值（為65個/cm）。

增大脈沖方波的頻率，在高頻范圍內ΔRa和ΔPC隨頻率的變化，如圖6所示。

圖6 高頻范圍內ΔRa和ΔPC隨頻率的變化

由圖6可知：在高頻范圍內，增大脈沖頻率，鍍層的粗糙度并沒有明顯的增大。由此可知，高脈沖頻率對鍍層粗糙度并沒有太大的影響。

2.2.3 平均電流密度的影響

在占空比40%，頻率80Hz，電鍍時間10min的條件下，ΔRa與ΔPC隨平均電流密度的變化，如圖7所示。

由圖7可知：ΔRa隨平均電流密度的增大先增大后減小，在平均電流密度為30A/dm2時達到最大值（為0.098μm）；ΔPC隨平均電流密度的增大呈上升的趨勢。其原因為：隨著平均電流密度的增大，電鍍過程中的極化作用也不斷增大，初始階段平均電流密度對晶粒生長的影響比較顯著，所以ΔRa迅速增大；當平均電流密度增大到一定程度時，晶核的生成速率大于成長速率，所以ΔRa隨著平均電流密度的進一步增大而有所減小。

圖7 ΔRa和ΔPC隨平均電流密度的變化

2.3 直流電鍍與脈沖電鍍的比較

在直流電鍍和脈沖電鍍各自較優(yōu)的工藝條件下，分別電鍍30min和60min。直流電鍍的工藝條件為：pH值2.4，電流密度30A/dm2。脈沖電鍍的工藝條件為：pH值2.4，平均電流密度30A/dm2，占空比40%，頻率80Hz。ΔRa和ΔPC的變化，如表1所示。

表1 直流電鍍和脈沖電鍍的比較

由表1可知：隨著電鍍時間的延長，ΔRa和ΔPC均增大，且脈沖電鍍的增大幅度較大。所以脈沖電鍍較之直流電鍍，施鍍時間較長時，對鍍層粗糙度的增大更顯著。

上述四個試片的微觀形貌，如圖8所示。由圖8可知：鍍鉻層表面呈微半球狀凸起，圖中的亮點為鉻沉積時的波峰，暗區(qū)為波谷，波峰的分布是隨機的；電沉積30min，半球狀凸起比較小，數(shù)量多；隨著電鍍時間的延長，半球狀凸起長大并匯聚成較大的凸起。與直流電鍍相比，脈沖電鍍具有更高的成核速率［10］。所以脈沖電鍍得到的鉻層表面凸起物比較多、形狀和大小比較一致。由此可見，施鍍時間較長時，脈沖電鍍對鍍鉻層粗糙度的改變更顯著。

3 結論

（1）采用直流電鍍，pH值較低時鍍層粗糙度增大較明顯，鍍層粗糙度隨電流密度的增大而增大。

圖8 試片的微觀形貌

（2）采用脈沖電鍍，占空比、頻率、平均電流密度對鍍層粗糙度有較大的影響。當占空比為40%，頻率為80Hz時，鍍層粗糙度的增大最顯著。

（3）鍍鉻層表面呈半球凸起狀。在脈沖條件下，鍍層表面的凸起數(shù)量更多、形狀和大小更均勻。

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Ⅰnfluence of Technological Parameters on Roughness of Cr（Ⅲ）Coating

KONG Lei1， HU Hui-li1， YU Yuan-chun1， HOU Feng－yan2， TU Zhen-mi1
（1.Department of Applied Chemistry，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China；2.The Surface Technology Research Institute，Shanghai Baosteel Equipment Maintenance Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

The influence of technological parameters of DC plating and pulse plating on the roughness of chromium coating was investigated through single factor experiment.In DC plating，the roughness remarkably increases when pH value is low，which increases with the increasing of direct current density，and the roughness of the substrate also has a bigger effect on the coating roughness.Pulse frequency，duty ratio and average current density all have a greater impact on the coating roughness in pulse electrodeposition.The increase of the coating roughness is the most significant when duty ratio is 40%and frequency 80Hz.The micro-morphology of the chromium coating assumes a hemispherical tumor shape.The chromium coating obtained by pulse electrodeposition has more such tumors，which are more uniform in shape and size.

trivalent chromium plating；DC plating；pulse plating；technological parameter；roughness

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（HIT.NSRIF.2009154）

TQ 153

A

1000-4742（2013）01-0017-04

2011-09-28