碳钢基体环保型三价铬镀铬工艺及镀铬层性能

Substrate and Properties of the Chromium Coatings吴扬崔楠张颖3(l.唐山职业技术学院 农林工程系，河北唐山063000%.唐山职业技术学院 机电工程系，

河北 唐山O63OOO%.北京工业大学 环能学院，北京lOOl2\")WU Yang1 , CUI Nan2 , ZHANG Ying3(l. Department of Agriculture and Forestry Engineering$ Tangshan Vocational and Technical College$

Tangshan O63OOO, China; 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering$ Tangshan

Vocational and Technical College, Tangshan O63OOO, China； 3. College of Environmental

Energy? Beijing University of Technology, Beijing lOOl2\ China)摘要：研究了以碳钢为基体的环保型三价珞镀铬工艺。考察了阴极电流密度对镀铬层的表面形

貌、显微硬度和耐盐雾腐蚀性能的影响，以及电镀时间对镀铬层的厚度、表面粗糙度、显微硬度和耐 盐雾腐蚀性能的影响。结果表明：适当地提高阴极电流密度，有利于改善镀铬层的表面平整度；当 阴极电流密度为25 A/dm2时，镀铬层的显微硬度达到最高值8 O38 MPa,并且表现出良好的耐盐

雾腐蚀性能。镀铬层的厚度和表面粗糙度与电镀时间基本都成正相关关系。延长电镀时间，有利 于提高镀铬层的显微硬度和耐盐雾腐蚀性能。关键词：环保型三价铬铬工艺;镀铬层；显微硬度;耐盐雾腐蚀性能Abstract: The eco-friendly trivalent chromium plating process on carbon steel substrate was

studied. The influence of cathode current density on the surface morphology, microhardness and saltspraycorrosionresistanceofchromiumcoatingandtheinfluenceofelectroplatingtimeonthe

thickness, surface roughness, microhardness and salt spray corrosion resistance of chromium coatingweOeinvestigated.TheOesultsshowedthatthesuOfaceevennessofchOomiumcoatingcan

beimpOoved byanappOopOiateincOeaseofcathodecuOOentdensity. WhenthecathodecuOOent density was 25 A/dm2 , the chromium coating possessed the highest microhardness (8 O38 MPa)

andgood salQspray corrosion resisQance. TheQhickness and surfaceroughness ofchromium coating have a positive correlation with the electroplating time, and the prolonging of elecQroplaQingQimewasbeneficialQoimproveQhemicrohardnessandsalQspraycorrosionresisQance ofchromiumcoaing.Key words: eco-friendly trivalent chromium plating process ； chromium coating ； microhardness ；

salQspraycorrosionresisQance中图分类号：TQ l53 文献标志码：A 文章编号：lOOO-4742(2Ol9)O5-OOOl-O40 前言镀工层具有硬度高、耐磨损、化学稳定性好及抗

工艺是大势所趋2+环保型三价铬工工艺是近年来的研究热点,

国内外的电镀工作者对此展开了大量研究虽 然三价锯镀工工艺在较多方面优于六价锯镀工工

高温氧化能力强等优点，已广泛用于零部件的表面 装饰和表面改性。镀工工艺在电镀工业中占有极其

艺，但它仍存在着一些亟待解决的问题。本文研究 了以碳钢为基体的环保型三价铬工工艺，考察了 阴极电流密度和电镀时间对镀工层性能的影响。重要的地位。六价铬工是传统的镀工工艺,-，但 该工艺存在严重的环境污染问题。发展环保型镀工

・2・Sep. 2019Electroplating & Pollution ControlVol. 39 No. 51实验1.1实验试剂铬酐、硫酸、盐酸、无水乙醇、氢氧化钠、碳酸 钠、硅酸钠等。以上试剂均为分析纯。为连续喷雾。根据盐雾试验标准，控制盐雾试验箱 的温度、相对湿度及盐雾沉降率等条件。用出现大

面积锈点的时间来评价镀层层的耐盐雾腐蚀性能。2结果与讨论2.1阴极电流密度对镀铬层表面形貌的影响1.2实验材料阳极采用铅板。基体采用40 mm X 25 mm X

1 mm的20\"钢片，其主要成分的质量分数：C

图 1 为阴极电流度度对层层显表面形貌的 影响0. 17% 〜0. 21%,Si 0. 17% 〜0. 17% ,Mn0. 15% 〜 0. 65% ,Ni&0. 10% ,Cr&0. 25% ,Cu&0. 25% ,S& 0. 015% ,Fe 余量。1.3工艺流程工艺流程主要包括前处理、镀层和后处理。在

前处理过程中，先对基体进行抛光和除油处理，得到

平滑、无锈迹、无油污的表面；再对基体进行弱浸蚀

处理，清洗后得到洁净、活化的表面。采用相同的方 法对铅板进行除油、清洗处理。镀液组成为：锯酸酐250 g/L,硫酸2. 5 g/Lo 镀层时，阳极和基体的间距保持在10 mmo采用直

流稳压电源，保证输出电流的稳定性。采用集热式 磁力搅拌器对镀液进行搅拌和温度控制，控温精度

为士 1 °C。选取阴极电流密度和电镀时间作为影响 因素，分别进行单因素试验。1.4性能测试⑴表面形貌采用FEI Nova NanoSEM 450型扫描电镜观

察镀层层的表面形貌。扫描电镜的加速电压为10样品的放大倍数为2 000倍。(2)厚度采用TT220型涂层测厚仪测量镀层层的厚度+

测厚仪的分辨率为0. 1$m。同一样品测5个不同

位置的厚度，结果取平均值。(1)表面粗糙度采用TR200型便携式粗糙度仪测量镀层层的

表面粗糙度。粗糙度仪的示值精度为0.001 $m，示 值误差在士7%以内。测量时取样长度为0.8 mm。(4)

微粒硬度采用邦亿402MVSD型显微硬度计检测镀层层 的显微硬度。检测过程中自动加载试验力，保荷时 间设为10 s。通过测量镀层层表面菱形压痕两条对

角线的长度，自动计算出显微硬度。(5) 耐盐雾腐蚀性能在FQY105型盐雾试验箱中进行中性盐雾试 验。使用质量分数为5%的氯化钠溶液，喷雾方式

(a) 10 A/dm2(b) 25 A/dm2(c) 40 A/dm2图1阴极电流密度对镀层层表面形貌的影响由图1可知：适当地提高阴极电流密度，有利于

改善镀层层的表面平整度。当阴极电流密度为25

A/dm2时,镀层层表面相对平整，半球状物大小较

为一致。对于三价铬层工艺而言，随着阴极电流

密度的增加，阴极极化作用增强。阴极电流密度较

高,促使结晶细致，有利于得到表面质量良好的镀层 层。当阴极电流密度进一步增加到40 A/dm2时, 由于阴极析氢作用减弱，导致镀层层表面有杂质吸

附或局部快速沉积而形成尺寸较大的半球状物。2.2电镀时间对镀铬层厚度及表面粗糙度的影响图 2 为电层时间对层层层厚度及表面粗糙度的 影响。图2电镀时间对镀层层厚度及表面粗糙度的影响2019年9月电镀与环保第39卷卷5期(总第229期)・3・由图2可知：镀工层的厚度及表面粗糙度与电 镀时间基本都成正相关关系。电镀初期，镀工层的

微硬度逐渐增大。这是由于在镀工过程中，镀工层 的厚度随电镀时间的延长而增加，导致镀工层的内 应力发生波动性变化。内应力的变化引起镀工层的

生长模式主要由基体的表面状况所决定「如果基

体的表面平整度较好，则会在基体表面全面放电，同 时形核；如果基体的表面平整度较差，则将在基体表 面局部放电，凸起部位优先形核。当电镀时间较短 时，由于晶核来不及长大，所以晶粒细致程度相对较

晶格扭曲变形，产生大量的位错。位错的运动与交

割产生位错塞积，从而使镀工层的显微硬度增大。2.5 阴极电流密度对镀铬层耐盐雾腐蚀性能的

影响好。电镀后期，随着电镀时间的延长,镀工层的生长 方式发生改变，导致晶粒粗大、堆积疏松，表面粗糙

图5为不同阴极电流密度下所得镀工层出现大 面积锈点的时间。度增大。2.3阴极电流密度对镀铬层显微硬度的影响图3为阴极电流密度对镀工层显微硬度的 影响。10

15

20 25 30 35 40 45阴极电流密度/(A-dm-2)图3阴极电流密度对镀工层显微硬度的影响由图3可知：随着阴极电流密度的增加，镀工层 的显微硬度先增大后减小；当阴极电流密度为25

A/dm2时，镀工层的显微硬度最大为8 O38 MPa,达

到了常规硬铬层的标准。镀工层的显微硬度与镀

工层的含氢量、内应力、晶粒尺寸及择优取向等因素 密切相关。在一定范围内增加阴极电流密度，有利

于细化晶粒，改变镀工层的择优取向。另外,镀工层 的含氢量和内应力通常随阴极电流密度的增加而增

大，这对镀工层的显微硬度会造成一定的影响。2.4电镀时间对镀铬层显微硬度的影响图4为电镀时间对镀工层显微硬度的影响。8 8 8 7

5

10

15 20 25 30电镀时间/min图4电镀时间对镀工层显微硬度的影响由图4可知：随着电镀时间的延长，镀工层的显180rq'F

165 - °fe呂咂150- 令㈱更135 -

fs

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120- ° *舉

田105 -90 10 15 20 25 30 35 40 45阴极电流密度/(A-dm-2)图5不同阴极电流密度下所得镀工层出现

大面积锈点的时间由图5可知：当阴极电流密度为lO A/dm2时,

镀工层出现大面积锈点的时间为l26 h；当阴极电

流密度为25 A/dm2时，镀工层出现大面积锈点的 时间延长至l7O h左右，表现出良好的耐盐雾腐蚀

性能。2・6电镀时间对镀铬层耐盐雾腐蚀性能的影响图6为不同电镀时间下所得镀工层出现大面积

锈点的时间。q\\回-fe一

s^

鏗黑Hy密

田

图6不同电镀时间下所得镀工层出现大面积锈点的时间由图6可知：延长电镀时间，有利于提高镀工层

的耐盐雾腐蚀性能。当电镀时间较短时，镀工层较

薄,呈现出较多的孔隙。随着电镀时间的延长，镀工

层的厚度增加，使孔隙减少，表面组织较为致密，从 而提高了其耐盐雾腐蚀性能+・4・Sep. 2019Electroplating & Pollution Control望[J-.电镀与环饰，2015,37(8)1418.Vol. 39 No. 53结论(1) 随着阴极电流密度的增加，镀层层的显微

PROTSENKO V S, DANILOV F I. Chromium electroplating from trivalent chromium baths as an environmentally friendly

alternative to hazardous hexavalent chromium baths：

硬度先增大后减小。适当地提高阴极电流密度，有 利于改善镀层层的表面平整度，进而提高其显微硬

comparative study on advantages and disadvantages HJ -. Clean technologies and environmental policy， 2014， 16 (6 )：

度和耐盐雾腐蚀性能。(2) 随着电镀时间的延长，镀层层的厚度增加，

1201-1206.[4] WILSON B A， TURLEY D M. Development and

表面粗糙度增大。延长电镀时间，有利于提高镀层 层的显微硬度和耐盐雾腐蚀性能。参考文献：,1-王王国，陆兴兴.材基体镀层的工艺实践[J].科技信息，2014characteristicsofcrac\\-free chromium coatings produced by electroplating , J The international journal of surface engineeringandcoatingJ，2017，67(1)：104-108.李冰，严琪，宋皓.喷射电沉积制备替代六价层的三价铬层

:J-.机械工程师，2018(9)：45-47.安茂忠.电镀理论与技术[M-.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版 社，2004.(2) ,275-276.[2]周琳燕，古雅菁，欧阳小琴，等.三三层电镀工艺研究现状及展汽车用铜材表面电泳沉积氧化铝纳米膜Preparation of Alumina Nano-films on the Surface of Copper Materials forAutomobile by Electrophoresis Deposition付龙虎(泸州职业技术学院，四川 泸州646000)FU Longhu(Luzhou Vocational & Technical College, Luzhou 646000, China)摘要：使用电泳技术在汽车用铜材表面沉积了氧化铝纳米膜。研究了纳米氧化铝的质量浓度对

氧化铝纳米膜的沉积速率、表面形貌、显微硬度及耐蚀性的影响。结果表明：提高纳米氧化铝的质 量浓度，有利于加快氧化铝纳米膜的沉积速率；当纳米氧化铝的质量浓度为8 g/L时，氧化铝纳米

膜的表面质量最佳，显微硬度最大，耐蚀性性强。关键词：铜材；电泳；耐蚀性Abstract: Alumina nano-films were deposited on the surface of copper materials for automobile

by electrophoresis deposition. The influence of the mass concentration of nano-alumina on the

deposiQionraQe， surface morphology， microhardnessandcorrosionresisQanceofaluminanano- filmswassQudied.TheresulQsshowedQhaQincreasingQhe mass concenQra ion of nano-alumina wasbeneficialQoimproveQhe deposi ion raQe ofalumina nano-films. The alumina nano-films

prepared with 8 g/L nano-alumina exhibited the best surface qual it y， the maximum

microhardnessand hebes corrosionresis ance.Key words： copper materials； electrophoresis； corrosion resistance中图分类号：TQ 151. 7

文献标志码：A 文章编号：1000-4742(2019)05-0004-03前亠

刖言一大方向[12] +为了达到轻量化的目勺，铝、镁等轻金属合金逐渐成为汽车生产的主要材料[17] +除了

随着科技的发展，轻量化成为汽车工业升级的

基金项目：四川省教育厅自然科学项目(18ZB0285)钢材和铝材，铜也是汽车工业中常用的金属材料之