幾何因素影響鍍硬鉻層均勻性的分析

胡瑞華，霍大勇*

（1.南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004；2.喀什大學(xué)，新疆 喀什 844006）

幾何因素影響鍍硬鉻層均勻性的分析

胡瑞華1，霍大勇2,*

（1.南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004；2.喀什大學(xué)，新疆 喀什 844006）

分析了形狀復(fù)雜的零件鍍硬鉻生產(chǎn)中出現(xiàn)的與幾何因素相關(guān)的7例鍍層不均勻故障，給出了從幾何因素方面提高鍍液分散能力的措施。

鍍硬鉻；幾何因素；厚度均勻性；分散能力；故障處理

在電鍍生產(chǎn)中，鍍件各部位的鍍層厚度應(yīng)盡可能均勻一致[1-5]，這就要求鍍液具有良好的分散能力。鍍液分散能力的影響因素包含電化學(xué)因素和幾何因素兩類。電化學(xué)因素主要包含第二類導(dǎo)體(鍍液)的導(dǎo)電能力和陰極極化強(qiáng)度，會(huì)影響陰極電力線的分布和電流效率[2]。幾何因素主要包括陽極的形狀和位置分布，影響電鍍過程中第一類導(dǎo)體(固體導(dǎo)電介質(zhì))的導(dǎo)電能力。筆者在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，記錄了不同鍍種鍍液分散能力調(diào)整的典型案例，本文通過實(shí)例著重分析了幾何因素引起的硬鉻鍍層均勻性不良的故障原因，并給出通過調(diào)整幾何因素來提高鍍鉻溶液分散能力的措施，以供同行參考。

1 【實(shí)例1】銅管結(jié)晶器內(nèi)壁鍍硬鉻，弧面鍍層不均勻

1. 1 故障現(xiàn)象

銅管結(jié)晶器為不規(guī)則的正方形管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑140 mm × 140 mm，長(zhǎng)度900 mm，壁厚30 mm，一側(cè)的對(duì)邊為標(biāo)準(zhǔn)平面，另一側(cè)的對(duì)邊為半徑12 mm的弧面。對(duì)銅管內(nèi)腔鍍45 μm厚的硬鉻層，采用柱狀鉛合金棒作為陽極，陽極四棱角工藝倒角。

產(chǎn)品試制過程中，在設(shè)備、鍍液組成、環(huán)境溫度均符合工藝要求的情況下，模具內(nèi)壁兩個(gè)平面的鍍層厚度均勻，兩個(gè)弧面的鍍層厚度分布不均勻，內(nèi)腔邊角部位不上鍍。

1. 2 故障分析及處理

由于銅管結(jié)晶器內(nèi)部為不規(guī)則的正方形，而陽極為正方形柱狀結(jié)構(gòu)，電鍍過程中結(jié)晶器弧面各處與陽極的距離不同。這就使弧面各處的陰極電流密度分布不均，鍍液分散能力下降，導(dǎo)致弧面的鍍層厚度分布不均。為改善鍍液的分散能力，將陽極加工成與結(jié)晶器內(nèi)腔一樣的形狀。試鍍發(fā)現(xiàn)，弧面的鍍層達(dá)到了與平面一樣的效果。

對(duì)于工件內(nèi)腔鍍硬鉻，當(dāng)內(nèi)表面形狀不規(guī)則時(shí)，把陽極加工成與陰極相似的形狀，使陰極表面各部位與陽極間的距離一致，陰極上的電流分布趨于均勻，工件的鍍層厚度就能夠均勻分布。

2 【實(shí)例2】銅管結(jié)晶器內(nèi)壁鍍硬鉻，內(nèi)腔邊角不上鍍

2. 1 故障現(xiàn)象

例1中的銅管結(jié)晶器鍍硬鉻采用仿形陽極后，內(nèi)表面鍍層均勻，但內(nèi)腔邊角仍鍍不上鉻。

2. 2 故障分析及處理

由于仿形陽極加工時(shí)有工藝倒角，使得陰極內(nèi)腔上4個(gè)棱角對(duì)應(yīng)部位的陰極電流密度極低而不上鍍。當(dāng)零件有內(nèi)孔或深凹處需要鍍覆時(shí)，使用輔助陽極能使內(nèi)孔與深凹部位的電流密度分布均勻。

在陽極4個(gè)棱角處各加焊一柱狀凸出作為輔助陽極(見圖1)，以增強(qiáng)該處的電力線分布，增大內(nèi)壁4個(gè)棱角部位的陰極電流密度。試鍍并逐步調(diào)節(jié)輔助陽極的尺寸，最終獲得了均勻分布的鍍層。

3 【實(shí)例3】凹槽形合金鋼件表面鍍硬鉻，采用輔助陽極后鍍層仍不均勻

3. 1 故障現(xiàn)象

凹槽形合金鋼件，形狀與銅管結(jié)晶器類似，表面鍍鉻，采用了輔助陽極，但仍出現(xiàn)鍍層不均勻現(xiàn)象。

3. 2 故障分析及處理

合金鋼表面鍍鉻采用鍍前小電流活化處理?；罨瘯r(shí)間、零件形狀、陰極電流密度、極間距以及輔助陽極的位置都會(huì)影響低電流密度活化的效果[6]。保障工件表面活化的要點(diǎn)是：電流密度低于3 A/dm2，并且必須在規(guī)定的時(shí)間(2 ～ 10 min)內(nèi)連續(xù)緩慢地提高電流密度。對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，活化時(shí)不接通輔助陽極，以免電流過分集中。活化后立即接通輔助陽極，并使電流密度升高到正常范圍[6]。

本例故障是輔助陽極使用不當(dāng)所致。工件活化時(shí)不接通輔助陽極，活化后立即接通輔助陽極，故障被排除。

4 【實(shí)例4】擠壓筒鍍硬鉻，筒口邊角出現(xiàn)鉻瘤

4. 1 故障現(xiàn)象

含鎢合金鋼材質(zhì)的擠壓筒，內(nèi)徑360 mm，長(zhǎng)度700 mm，壁厚40 mm，其內(nèi)腔及受壓表面鍍硬鉻，鍍層厚度40 μm。

有了上述經(jīng)驗(yàn)，已采用仿形陽極和輔助陽極。試鍍過程中，擠壓筒內(nèi)腔表面及邊角部位鍍層均勻，但筒口的棱角處卻有鉻瘤存在。

4. 2 故障分析及處理

筒口邊角形成鉻瘤表明此處的陰極電流密度過高。首先降低電流密度試鍍，筒口棱角處的鉻層過厚現(xiàn)象有所緩解，但筒內(nèi)表面的鍍層疏松，達(dá)不到工藝要求，說明擠壓筒內(nèi)部鍍鉻的陰極電流密度又過低。

采用輔助陽極時(shí)，若陰極邊角或局部電流密度過高，應(yīng)在輔助陽極的相應(yīng)部位用非金屬材料屏蔽(如圖2所示)，以改善電力線分布，避免鉻瘤出現(xiàn)。

維持原電流密度不變，采用非金屬材料屏蔽筒口邊角后，故障得到解決。

圖1 輔助陽極示意圖Figure 1 Schematic diagram of auxiliary anode

圖2 非金屬屏蔽示意圖Figure 2 Schematic diagram of nonmetallic shielding

5 【實(shí)例5】柱狀穿孔針鍍硬鉻，采用平板陽極得不到均勻的鍍層

5. 1 故障現(xiàn)象

含鎢合金鋼穿孔針為圓柱狀，長(zhǎng)度1.5 m，頂端球狀梢度50 mm，直徑50 mm，需表面鍍硬鉻，厚度50 μm。試鍍過程中采用平板陽極，發(fā)現(xiàn)穿孔針靠近陽極處的鍍層達(dá)到60 μm厚，而其他部位的鍍層厚度卻只有30 μm左右，整體分布非常不均勻。

5. 2 故障分析及處理

由于穿孔針表面各處與陽極的距離不同，導(dǎo)致工件表面電力線分布不均。將陽極更換為柱狀，并在工件四周均勻布置4個(gè)陽極，故障得到解決。

對(duì)于圓柱形工件，鍍硬鉻時(shí)采用圓形或橢圓形的棒狀陽極，并將若干個(gè)陽極均勻排布在工件四周，才能在鍍槽內(nèi)工件所處區(qū)域形成均勻的電力線分布。

6 【實(shí)例6】柱狀穿孔針鍍硬鉻，尖端和底部邊緣分別燒焦和結(jié)瘤

6. 1 故障現(xiàn)象

采用棒狀陽極對(duì)上述穿孔針鍍硬鉻，穿孔針頂端存在鉻瘤，底部邊緣燒焦。降低電流密度后，邊緣鉻瘤消失，但其他部位表面因電流密度過低而達(dá)不到鍍層厚度50 μm的要求。

6. 2 故障分析及處理

被鍍工件有凸出的尖端、邊緣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流密度分布出現(xiàn)尖端效應(yīng)和邊緣效應(yīng)。也就是說，在工件的尖端和邊緣部位，陰極電流密度較大，鍍層就會(huì)出現(xiàn)毛刺、結(jié)瘤或燒焦現(xiàn)象。在尖端前面或邊緣周圍加上導(dǎo)流陰極，使一部分電流分散并消耗在導(dǎo)流陰極上，便可降低尖端和邊緣的電流密度，使鍍件各處的鍍層厚度均勻，故障便得到解決。

7 【實(shí)例7】柱狀穿孔針鍍硬鉻，采用導(dǎo)流陰極后仍出現(xiàn)局部尖端結(jié)瘤

7. 1 故障現(xiàn)象

在大容量鍍槽中，采用例6相同的棒狀陽極和導(dǎo)流陰極對(duì)穿孔針鍍硬鉻，底部邊緣的鍍層完好，但頂端又出現(xiàn)鉻瘤。

7. 2 故障分析及處理

在大容量鍍槽中施鍍時(shí)，由于穿孔針垂直于液面放入槽中，穿孔針頂端與導(dǎo)流陰極的距離太遠(yuǎn)，使導(dǎo)流陰極對(duì)穿孔針頂端電流密度的分散效果降低，從而出現(xiàn)故障。在布局導(dǎo)流陰極時(shí)，使導(dǎo)流陰極與穿孔針頂端之間的距離保持在10 mm左右，故障隨即被排除。

8 從幾何因素方面提高鍍硬鉻溶液分散能力的措施

(1) 采用仿形陽極。即把陽極的形狀盡可能加工成與陰極(待鍍零件)的形狀相似。

(2) 采用輔助陽極。在鍍件內(nèi)孔或深凹處使用輔助陽極，可使這些部位的電流趨于均勻。但工件活化時(shí)不接通輔助陽極，活化后才立即接通輔助陽極[7]。

(3) 對(duì)陽極局部作非金屬屏蔽。工件上能夠鍍厚的邊角部位，在輔助陽極的相應(yīng)部位用非金屬材料進(jìn)行屏蔽。

(4) 調(diào)整陽極的排布。對(duì)于圓柱形工件，使用棒狀(圓形或橢圓形)陽極，并將陽極均勻地排布在鍍件四周。

(5) 采用導(dǎo)流陰極。在鍍件尖端的前面或邊緣的周圍加上導(dǎo)流陰極，降低這些部位的電流密度。導(dǎo)流陰極距離陰極越近，保護(hù)的效果越好[7]。

9 結(jié)語

通過調(diào)整幾何因素來改善鍍液的分散能力較麻煩，工時(shí)和材料成本都高。因此，在電鍍生產(chǎn)中，提高電鍍液的分散能力以改進(jìn)鍍液的電化學(xué)性能的措施為主、調(diào)節(jié)幾何因素為輔。但鍍鉻不同于其他鍍種，只能從幾何因素著手采取措施來提高鍍液的分散能力。這是因?yàn)殄冦t溶液具有強(qiáng)氧化能力，是目前常用電鍍液中分散能力最差的一種，在鍍鉻過程中無法通過調(diào)節(jié)化學(xué)因素來改善鍍液的分散能力[1-5]。原因在于以下幾個(gè)方面。首先，鍍鉻液呈強(qiáng)酸性，含有大量H+，電導(dǎo)率高，但在電鍍過程中，由于在陰極和陽極上分別析出大量氫氣和氧氣，使得電解液的充氣度很高，電解液的電導(dǎo)率反而大幅降低，不利于分散能力的提高，即使補(bǔ)加導(dǎo)電鹽也作用不大。其次，鍍鉻液在電鍍過程中的陰極極化弱，而且陰極電流效率隨著電流密度的增加而降低。以上因素都使得鍍鉻液的分散能力很差。因此，要想得到厚度均勻的鍍鉻層，只能從幾何因素著手，即改變陰、陽極之間的位置排布，或改變陽極的形狀[1]。

[1] 張勝濤. 電鍍工藝及其應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)紡織出版社, 2009.

[2] 張?jiān)收\(chéng), 胡如南, 向榮. 電鍍手冊(cè)[M]. 4版. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2011.

[3] 李鴻年. 電鍍工藝手冊(cè)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1989.

[4] 石井英雄. 日本電鍍指南[M]. 黃健農(nóng), 譯. 長(zhǎng)沙: 湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 1985.

[5] 曾華梁, 吳仲達(dá), 陳鈞武, 等. 電鍍工藝手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1989.

[6] 余東滿, 霍大勇. 鍍鉻故障排除實(shí)例[J]. 電鍍與精飾, 2015, 37 (3): 13-15.

[7] 謝無極. 電鍍故障精解[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2013: 156-164.

[ 編輯：周新莉 ]

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)必然帶來激烈殘酷的競(jìng)爭(zhēng)，而競(jìng)爭(zhēng)說到底又是管理與科技人才的競(jìng)爭(zhēng)。

電鍍是一門實(shí)踐性、實(shí)用性很強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)，需要掌握化學(xué)、電器、機(jī)械等多方面的知識(shí)才能用好。然而，由于顧及短期經(jīng)濟(jì)效益、人才跳槽等原因，現(xiàn)今重視職工教育的電鍍廠非常少?；鶎釉缫殉霈F(xiàn)工藝技術(shù)人員、熟練技工十分短缺，甚至后繼無人的狀況。這既不利于管好、用好現(xiàn)實(shí)工藝，更危及企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。培養(yǎng)高級(jí)技術(shù)人才的任務(wù)主要在大專院校和科研機(jī)構(gòu)，而基層人員水平的提高則還是以自學(xué)為主。

“電鍍基礎(chǔ)講座”欄目旨在給自學(xué)者搭建一個(gè)學(xué)習(xí)的平臺(tái)，不可能盡述所有基礎(chǔ)知識(shí)，只能擇其重點(diǎn)，就必備的、帶共同規(guī)律性的基礎(chǔ)知識(shí)作較簡(jiǎn)單的講解，希望對(duì)廣大電鍍工作者有所裨益。

第一講──電鍍的定義及加工門類

第二講──關(guān)于水

第三講──表面活性物質(zhì)與表面活性劑

第四講──電極與極化的概念

第五講──電鍍液的組分及其作用

第六講──電鍍的工藝條件

第七講──電鍍液的電流效率

第八講──影響鍍層厚度分布均勻性的因素

第九講──鍍前除油處理

第十講──鍍層的針孔、麻點(diǎn)與孔隙率

第十一講──鍍層的凸起不平整故障

第十二講──影響鍍層燒焦的因素

第十三講──鍍層的結(jié)合力

第十四講──鍍層的內(nèi)應(yīng)力與脆性

第十五講──電鍍用直流電源

第十六講──電鍍中一些交流電器的使用要求

第十七講──赫爾槽試驗(yàn)

第十八講──解決電鍍故障的步驟

第十九講──電鍍的安全生產(chǎn)與清潔生產(chǎn)

第二十講──提高電鍍企業(yè)的生存與競(jìng)爭(zhēng)能力

本資料為論文格式，共110頁，采用A4紙正反雙面打印。

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Analysis on effects of geometrical factors on uniformity of hard chromium coating

HU Rui-hua, HUO Da-yong*

Seven fault instances about uneven hard chromium coating on parts with complex shape caused by geometrical factors were analyzed. The countermeasures in respect of geometrical factors for improvement of throwing power of plating bath were given.

hard chromium plating; geometrical factor; thickness uniformity; throwing power; troubleshooting

Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004, China

10.19289/j.1004-227x.2017.13.009

TQ153.11

：B

：1004 - 227X (2017) 13 - 0711 - 04

2017-03-16

2017-06-08

胡瑞華（1968-），女，河南南陽人，講師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)。

霍大勇，教授，高級(jí)工程師，(E-mail) hnnyhdy@163.com。