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镀铬:镀硬铬(耐磨铬)

放大字体  缩小字体发布日期:2013-05-02  浏览次数:4232
核心提示:镀硬铬的目的主要是利用铬镀层的高硬度、耐磨性及抗腐蚀性,以提高机械零件的耐磨性和修复被磨损机件的尺寸等。

镀硬铬的目的主要是利用铬镀层的高硬度、耐磨性及抗腐蚀性,以提高机械零件的耐磨性和修复被磨损机件的尺寸等。

镀硬铬本质上与镀装饰铬无区别,目前广泛使用的仍是常规镀铬液。为了提高镀铬速度,近期来研究成功的高效镀硬铬工艺也在工业生产获得较广泛的应用。

一、高效镀硬铬

1984年,美国M&T化学公司,成功地推出新型镀铬工艺。此工艺简称为HEET(即HighEffi-265ciencyEtchFree,意为高效率无侵蚀)工艺。镀液中不含氟,故不侵蚀镀件的低电流密度区。当阴极电流密度为60A/dm2时,其电流效率可达25%。目前安美特(广州)化学有限公司的HEEF-25产品已在国内外广泛使用。

国内许多单位在这方面做了许多卓有成效的研究,并已有成熟商品供应市场。例如南京晶晶表面技术公司的ST-927、天津中盛表面技术有限公司的LY-2000、东方表面技术有限公司的BCH—s及厦门市宏正化工有限公司的KRH-5等。

高效镀铬液是在传统镀铬溶液的基础上,再加入一种或几种有机添加剂并辅加少量的无机化合物,使其获得优良的性能。

1.高效镀铬的工艺特点

(1)具有较高的电流效率及沉积速度,阴极电流效率为22%~27%,较传统镀铬液高出1倍,从而降低电能消耗。由于高效镀铬允许采用较高的电流密度,沉积速度可大幅度提高。表3—5—l4所列为沉积速度比较表,图3—5—15及图3—5—16所示为阴极电流效率及沉积速度的比较情况。

(2)铬层的硬度高,HEEF-25的显微硬度为HV900~HVl000。图3—5—17所示为镀层经过2h热处理后的硬度保留百分率。

(3)耐磨性一般可提高20%,滑动摩擦提高25%。

表3—5—14沉积速度比较

沉积速度比较
沉积速度比较

图3—5—16沉积速度的比较

沉积速度的比较

图3—5—15阴极电流效率的比较

阴极电流效率的比较

图3—5—l7镀层经过2h热处理后硬度保留百分率

(4)镀铬层具有高的裂纹条,一般可达400条/cm,裂纹的表面显微图像,如图3—5—18所示。由于铬层是微裂纹组织,因而使腐蚀分散,提高了铬层的抗蚀能力。

(5)可使用高电流密度,在70A/dm2以下电镀,一般不会产生镀层烧焦及粗糙等现象。此外,该镀液中不含氟化物,工件低电流密度区不会产生侵蚀。

(6)镀液的分散能力优于传统镀铬。

(7)传统的镀铬工艺很容易转化成高效镀铬,只要将镀液中的金属杂质低于7.5g/L、氟化物不大于0.2g/L、氯离子不超过100mg/L,再加适量的添加剂即可。

各种不同镀铬层的表面及横截面的显微图像

图3—5—18各种不同镀铬层的表面及横截面的显微图像

2.高效镀铬液的组成及操作条件

安美特(广州)化学有限公司的HEEF-25的高效镀铬的镀液组成及操作条件见表3—5—15及表3—5—16。

表3—5—15HEEF-25镀液组成及操作条件

HEEF-25镀液组成及操作条件

表3—5—16HEEF-25镀液添加剂补充方法

HEEF-25镀液添加剂补充方法

国内生产的高效镀铬液商品,其镀液组成及操作大致相同,仅添加剂的种类或数量上有所差别,

以南京晶晶表面技术公司的ST-925为例,其镀液的组成及操作见表3—5—17。.

表3—5—17ST-925镀液组成及操作条件

ST-925镀液组成及操作条件

镀硬铬由于要获取较厚的镀层,因此在实际操作中与装饰铬有较大的差别,这些差别主要表现在以下几方面:

(1)相当多的零件是局部镀硬铬,不镀之处要绝缘,绝缘材料要求附着力好、镀后易剥离、耐铬酸腐蚀;

(2)镀硬铬有三分技术,七分挂具的说法,可见挂具设计十分重要,要充分注意导电截面积,尽量减少电能损失,防止局部过热;

(3)常采用中等偏低的温度和尽量应用大电流密度,以获得高硬度和高沉积速度;

(4)由于镀液分散能力和覆盖能力差,必须注意应用辅助阴极和仿形阳极;

(5)镀硬铬厚度一般为2μm~50μm,特殊耐磨镀铬为50μm~300μm。修复磨损零件往往需镀800μm~1000μm,通常还要进行镀后除氢和机加工。

各种零件镀硬铬适用厚度范围,列于表3—5—18。

表3—5—18各种硬铬层的适用厚度

各种硬铬层的适用厚度

二、镀硬铬的夹具

镀铬溶液分散能力和覆盖能力差、使用电流密度很大、镀层厚且需施镀时间长。所以欲获得厚度均匀的镀层必须设计适当的夹具,并配合适当的辅助阳极、保护阴极和绝缘屏蔽等措施。

夹具的结构应根据零件的形状、大小及复杂程度而定。夹具用材料必须在热铬酸溶液中不溶解,也不发生其他化学作用。夹具的导电部分应有足够的截面积,应按照各种材料的导电率选择截面积。表3—5—19为金属材料的电流容量(A);表3—5—20为常用金属材料的导电率;表3—5—21为电镀挂具常用的金属材料。

表3—5—19金属材料的电流容量(A)

金属材料的电流容量

表3—5—20常用金属材料的导电率

常用金属材料的导电率

表3—5—21电镀挂具常用的金属材料

电镀挂具常用的金属材料

夹具结构应尽量采用焊接形式连接;夹具非工作部分应用聚氯乙烯塑料布或涂布Q98—1耐酸胶(加有红色硝基磁漆)绝缘,以减少电流的损耗。目前最理想的绝缘胶为缘勾胶,采用二层底胶、三层面胶,该胶耐酸、耐碱、耐温并可以修补,有商品出售,应用较广。夹具装零件的位置应是氢气最易排出的地方。

内孔镀铬的夹具,应注意使孔与阳极同心,保障排气和镀液的顺利流过。阴极与阳极之问绝缘要可靠。较大的零件,应有多个接触点。

阳极、辅助阳极和保护阴极

镀硬铬时无氟化物的镀液用纯铅阳极;含有氟硅酸盐、氟硼酸盐、氟化钠以及用镀铬添加剂的镀液宜用铅锑或铅锡合金阳极。阳极与阴极相对应的各部分应尽可能保持等距离并均匀排布。阳极的长度应比阴极短100mm~150mm。若采用均匀钻孔的筒状阳极或使用阴极缓慢旋转装置,可减少镀后的椭圆度。

内孔镀铬时可用铅丝、铅管(表面均匀钻孔)或镀铅阳极,并与孔同心。镀铅阳极是在圆钢上镀厚度l00μm~500μm的铜层,再镀铅300μm~l00μm。直径小的内孔镀铬的阳极可用钢丝镀铅100μm~500μm。

内孔镀铬时阴极面积:阳极面积=(2~3):1。其孔径与辅助阳极直径的参考尺寸见表3—5—22。

表3—5—22孔径与辅助阳极的参考尺寸

孔径与辅助阳极的参考尺寸

形状复杂的零件镀硬铬,应使用象形阳极;圆柱形零件两端应加阴极保护块,避免两端烧焦起刺及中间镀层薄的现象;带有棱角、尖端的零件可用金属丝屏蔽。镀铬用阳极、辅助阳极、象形阳极和保护阴极的示意图,如图3—5—l9,图3—5—20,图3—5—21和图3—5—22所示。

镀铬时阳极的悬挂位置

图3—5—19镀铬时阳极的悬挂位置

镀铬时的象形阳极1-塑料绝缘;2-金属丝屏蔽

图3—5—21镀铬时的象形阳极1-塑料绝缘;2-金属丝屏蔽。

镀铬时的辅助阳极

图3—5—20镀铬时的辅助阳极

保护阴极

图3—5—22保护阴极

(a)圆柱体两端加金属块保护阴极;(b)圆柱体两端使用金属丝保护阴极;(c)具有棱角的工件使用金属丝保护阴极。

四、提高镀层与基体金属结合力

一般来说随铬层厚度增加,与基体金属的结合力降低、脆性增大,零件强度降低。对结合力起决定作用的是镀铬前处理,特别应根据基材性质采取适当的阳极处理,除去表面污物和氧化膜,暴露基体结晶,然后镀铬,才能保障结合力。

不同材料提高铬层结合力的措施,列于表3—5—23。钢铁镀硬铬前的阳极处理实例,如表3—5—24所列。

表3—5—23不同材料提高铬层结合力的措施

不同材料提高铬层结合力的措施
钢铁镀硬铬前的阳极处理实例

表3—5—24钢铁镀硬铬前的阳极处理实例

钢铁镀硬铬前的阳极处理实例

五、镀前预热

镀硬铬大都是大件,不经预热电镀,一方面影响结合力,另一方面也影响镀液温度,所以大件镀前要在镀液中先预热数分钟,使基体与镀液温度相等时再给电。镀铬温度变化最好在士2℃内。

六、除氢处理

镀硬铬后需要除氢时,可用l80℃~200℃的热油浸渍或相同温度下的烘箱中除氢2h~3h。当被镀件材料的抗拉强度极限大于l373MPa时,要求在电镀前消除应力,严禁酸洗,电镀后1h应立刻除氢,除氢时间要求23h以上,之后还需做缺口持久拉伸氢脆测试,通过后才能使用。

七、镀硬铬的故障现象及纠正方法(见表3—5—25)

表3—5—25镀硬铬故障及纠正方法

镀硬铬故障及纠正方法

八、尺寸镀铬

尺寸镀铬是将零件准确地镀覆达到图纸规定的尺寸要求,并要求铬层厚度均匀一致。尺寸镀铬厚度通常为15μm~50μm。

要求尺寸镀铬的零件,零件表面粗糙度应达到Ra<0.2μm,表面积应准确计算。

根据零件形状制作专用挂具,并采用象形阳极、保护阴极或绝缘屏蔽等措施,务使电力线尽可能均匀分布。

镀铬过程中要严格控制镀液温度和电流密度,以保障尺寸公差。根据情况镀后亦可进行少量加工,需除氢时,在180℃~200℃热油中处理1h~2h。

九、镀乳白铬和耐磨用双层铬

用普通装饰镀液,在较高温度(65℃~75℃)和较低电流密度(Dk=15A/dm2~25A/dm2)下沉积的铬层呈无光的乳白色,故称乳白铬。该镀层孔隙少,厚度20斗m左右几乎无孔隙,所以乳白铬耐蚀性好,常用于需要消光的场合如军械、医疗器械、量卡具、仪器仪表面板等。

乳白铬上再镀一层光亮硬铬,达到耐蚀、耐磨的双重目的,这就叫耐磨双层铬。一般加镀硬铬的厚度为50μm~150μm。

双层镀铬可在同一槽中施镀,即先镀乳白铬,不取出零件,也不断电,将电流密度降至5A/dm2~15A/dm2,将镀液温度降至58℃~60℃范围,再提高电流密度至40A/dm2~60A/dm2镀硬铬。

十、松孔镀铬

在机器制造业中松孔镀铬的应用日益广泛。松孔铬主要应用于摩擦状态下工作的零件,如内燃机汽缸腔、活塞环、滑动轴承、油门操纵轴等。上述零件为提高耐磨损仅镀硬铬是不理想的,因为常规硬铬的裂纹浅而窄不能储存润滑油,一般硬铬层在高压和高温工作条件下就处于“干摩擦”或“半干摩擦”状态,磨损严重。现在都采用松孔镀铬来改善摩擦状态。

所谓松孔镀铬,就是在镀硬铬后,经除氢、精磨和珩磨,再进行阳极处理,使裂纹网进一步加深拓宽。这种结构的铬叫松孔铬,可储存润滑油。在使用下摩擦时,沟纹储存的润滑油被挤出,溢流在摩擦表面上,由于毛细管的作用,润滑油可以沿沟纹流向油少的地方,从而改变了摩擦状态,降低了摩擦系数。例如内燃机汽缸腔松孔镀铬耐磨能力比硬铬高5倍一7倍。

松孔镀铬工艺规范(见表3—5—26)采用不同的电镀参数可获得形状不同的裂纹。针孔型用50℃,45A/dm2。50A/dm2;沟槽型用60℃,40A/dm2~50A/dm2。

表3—5—26松孔镀铬的工艺规范

松孔镀铬的工艺规范

活塞环松孔镀铬,镀层厚度(包括磨削余量)一般为0.20mm~0.25mm。经磨削后,铬层厚度一般为0.14mm~0.18mm。粗糙度为Ra<0.125μm,经松孔处理后的松孔深度,一般为0.02mm~0.05mm。

阳极松孔处理一般有酸l生或碱性。酸性松孔处理是在镀铬槽中或另一槽中进行。碱性松孔处理是在电解去油槽中或专用槽中进行。阳极松孔处理,如表3—5—27所列。

活塞环镀铬前,须用软铅或赛璐珞、聚氯乙烯树脂用丙酮调成的糊状物封环口。镀前外圆粗糙度为Ra<0.2μm。镀铬后在180℃~200℃下去氢2h~3h。

活塞环松孔镀铬采用筒状阳极,由铅85%、锑11.5%、锡4.5%三元合金铸成,阳极上要均匀地钻孔。阴极、阳极距离为25mm~50mm。

阳极浸蚀时裂纹加深与加宽的速度用通过的电量(称为浸蚀强度)来控制。在适宜的浸蚀强度范围内,可任选一个阳极电流密度,相应改变浸蚀时间,仍可使浸蚀强度不变,一般采用的浸蚀强度,列于表3—5—28。

表3—5—27阳极松孔处理的工艺规范

阳极松孔处理的工艺规范

表3—5—28松孔铬浸蚀强度

松孔铬浸蚀强度

对于尺寸要求严格的松孔铬零件,为便于控制尺寸,最好采用低电流密度处理。当零件镀铬后经珩磨再阳极处理时,其浸蚀强度应较上表所列数值减少1/2~2/3。

松孔镀铬层松孔率的检验,用100倍金相显微镜观察松孔状态,与标准松孔图片(见图3—5—23)比较。a,b、c级为合格,d、e级为不合格。

松孔镀铬中常见故障及纠正方法,如表3—5—29所列。

松孔镀铬层松孔率标准图片

图3—5—23松孔镀铬层松孔率标准图片×l00

表3—5—29常见故障及纠正方法

常见故障及纠正方法

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