劉俊蓮 *，陳華三，江冰

（1.內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)北方實(shí)業(yè)公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)43 所，安徽 合肥 230022； 3.青島環(huán)境科學(xué)研究院，山東 青島 266003）

硬鉻鍍層具有耐磨、硬度高、穩(wěn)定等特點(diǎn)而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)裝飾、防護(hù)性電鍍加工效益日益滑坡的情況下，電鍍硬鉻仍然保持較高利潤(rùn)而吸引著眾多生產(chǎn)廠(chǎng)家。雖然污染問(wèn)題使其應(yīng)用日益受到限制，但目前尚無(wú)可普及的理想取代工藝?？梢灶A(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)電鍍硬鉻生產(chǎn)在短期內(nèi)無(wú)法被取代。因此，提高電鍍硬鉻生產(chǎn)技術(shù)水平具有實(shí)際意義。

1 電鍍硬鉻工藝

選擇合適的電鍍硬鉻工藝是正常生產(chǎn)的首要問(wèn)題。硬鉻電鍍主要追求鍍層沉積速率高，厚度分散均勻。較為理想的工藝應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

(1) 電流密度大，可獲得高沉積速率；

(2) 溫度范圍寬，以利于鍍覆初期減少升溫所耗用的能源，中后期減少鍍液冷卻水用量；

(3) 鍍液不含氟化物，減少因零件低電流密度區(qū)或非鍍覆區(qū)鐵基體的溶解而污染鍍液，且避免鉛合金陽(yáng)極腐蝕；

(4) 鍍液分散能力好，減少鍍層橢圓度；

(5) 鍍層光亮、不結(jié)瘤，減少后道磨光工作量；

(6) 鍍層硬度高，耐磨性好。

除此之外，從減少污染的角度而言，低鉻酸酐濃度也是重要的一個(gè)特點(diǎn)。

1.1 常用工藝

1.1.1 傳統(tǒng)工藝

鍍液的主要成分為：鉻酸酐180～250 g/L，硫酸1∶100(質(zhì)量比)。

該工藝目前在國(guó)內(nèi)使用最為普遍，其優(yōu)點(diǎn)是鍍液成分簡(jiǎn)單，但存在鍍液分散、覆蓋能力差，鍍層易結(jié)瘤，電流效率低等缺點(diǎn)，因此在很多地方已被其他新型工藝所取代。

1.1.2 采用稀土添加劑的低濃度硬鉻工藝

該工藝具有“三低一高”(即低鉻酸酐濃度、低溫度、低電流密度及高電流效率)的特點(diǎn)，分散能力及覆蓋能力也較好，屬于第二代鍍鉻技術(shù)。從鍍液成分方面可將鍍液分為兩大類(lèi)──含氟工藝和不含氟工藝。二者相比，前者電流效率更高、復(fù)鍍性較好。但含氟鍍液會(huì)帶來(lái)鍍件低電流密度區(qū)基體腐蝕及鉛陽(yáng)極腐蝕的問(wèn)題，導(dǎo)致鍍液不穩(wěn)定[1]。為了改善陽(yáng)極性能，含氟工藝推薦使用鉛-錫合金陽(yáng)極，但仍不能徹底解決腐蝕問(wèn)題。不含氟工藝由于不含氟離子，使用較為安全，但不具有含氟溶液的高效率，其效率之所以高于普通鍍鉻，鉻酸酐濃度低是主要原因之一。

20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)研制應(yīng)用的鍍硬鉻工藝大多為含氟工藝。90年代以后，各類(lèi)不含氟的稀土鍍鉻工藝紛紛研究成功并投入生產(chǎn)。稀土鍍鉻工藝目前已較為成熟，其種類(lèi)、品種也很多，各具特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)至今仍有一定的應(yīng)用，但以裝飾性鍍鉻為主，硬鉻電鍍方面使用不是太普遍。這是因?yàn)椋?/p>

其一，硬鉻電鍍追求的是高沉積速率，需要高電流密度及較高溶液溫度配合。而具有低溫、低電流密度等特點(diǎn)的稀土鍍鉻工藝與硬鉻電鍍工藝特點(diǎn)正好相反；

其二，含氟溶液在較高溫度時(shí)對(duì)零件低電流密度區(qū)以及鉛合金陽(yáng)極的腐蝕加劇；

其三，硬鉻溶液反向電解處理產(chǎn)生鐵離子積累，由于稀土鍍鉻工藝的鉻酸酐濃度較低，對(duì)鐵的容忍量也低。另外，陽(yáng)極密度過(guò)低也易導(dǎo)致三價(jià)鉻含量上升[2]等問(wèn)題。

以上種種原因限制了稀土工藝在硬鉻方面的應(yīng)用。但有些特殊情況下，采用稀土工藝還是較為合理的。如山東淄博周村一帶是造紙機(jī)械烘缸電鍍的集散地。大的烘缸直徑可達(dá)6 m，長(zhǎng)度超過(guò)4 m，需電鍍幾十μm 厚的硬鉻。按常規(guī)工藝計(jì)算，需使用數(shù)萬(wàn)安培的電鍍整流器。不但整流器投資大，而且需要單獨(dú)配備電力變壓器。20世紀(jì)90年代初第一家上馬烘缸電鍍鉻的周村愛(ài)國(guó)電鍍廠(chǎng)為此進(jìn)行了周密的工藝比較和考察，綜合一次性投資、電力施工及工藝維護(hù)管理等因素，選擇了以低電流密度為特征、不含氟的稀土鍍鉻工藝，僅以2 臺(tái)6 kA 的整流器并聯(lián)使用即滿(mǎn)足了要求。該鍍鉻工藝一直使用至今，經(jīng)20年的生產(chǎn)驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，鍍液已多達(dá)十幾萬(wàn)升，幾乎成為當(dāng)?shù)睾娓族冦t的標(biāo)準(zhǔn)工藝[3]。由此可見(jiàn)，對(duì)于稀土工藝鍍硬鉻，不能輕率投產(chǎn)，但也不能完全否定，應(yīng)根據(jù)具體情況，綜合各方面因素來(lái)確定。

1.1.3 高效硬鉻電鍍工藝

顧名思義，這種鍍鉻工藝特點(diǎn)是高效率、高沉積速度。它主要采用多元磺酸或其鹽類(lèi)作為主添加劑。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外工藝。90年代末期，國(guó)內(nèi)的自主產(chǎn)品已全面取代進(jìn)口產(chǎn)品，質(zhì)量基本相同。這種硬鉻工藝的特點(diǎn)是不含氟，陽(yáng)極腐蝕減輕；電流效率高達(dá)27%，電流密度高達(dá)80 A/dm2，溫度可達(dá)70 °C，最高沉積速率達(dá)100 μm/h 以上，鍍層微裂紋數(shù)、亮度也具有良好的指標(biāo)，目前已成為硬鉻電鍍的主流工藝[4]。這類(lèi)工藝應(yīng)屬于第三代鍍鉻工藝。雖然需使用專(zhuān)用添加劑，但綜合成本下降。特別是產(chǎn)量較大的專(zhuān)業(yè)硬鉻電鍍生產(chǎn)廠(chǎng)家，應(yīng)優(yōu)先選用這種工藝。

1.1.4 脈沖及換向硬鉻電鍍工藝

鉻鍍層在電鍍過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氫化鉻(CrH或CrH2)，導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)裂紋及抗腐蝕性能下降。脈沖電鍍通過(guò)控制脈沖電流參數(shù)，如脈沖電流密度、脈沖導(dǎo)通時(shí)間、脈沖關(guān)閉時(shí)間、頻率等可細(xì)化鍍層結(jié)晶，降低透底的裂紋尺度及數(shù)目，改善鍍層質(zhì)量。雙向脈沖電鍍鉻還可獲得納米晶的特殊鍍層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低裂紋尺度及數(shù)目，提高鍍層抗腐蝕能力，降低鍍層應(yīng)力[5]。

如湖南常德紡織機(jī)械廠(chǎng)生產(chǎn)中使用標(biāo)準(zhǔn)單脈沖技術(shù)電鍍硬鉻，采用高達(dá)80 A/dm2的電流密度，明顯地提高了電流效率和沉積速率，縮短了電鍍時(shí)間，產(chǎn)量提高2～3 倍，能耗降低50%左右，節(jié)約原料約34%。其生產(chǎn)的平板件周邊與中心鍍層厚度差也減小，減少了磨削加工工時(shí)，鉻層最大厚度由原來(lái)的0.3 mm 提高至1 mm 以上[6]。

王長(zhǎng)亮等[7]在A-100 鋼基體上開(kāi)展了單脈沖電鍍硬鉻研究。在電流密度50 A/dm2、脈沖周期75 s、占空比0.8 的條件下制備出無(wú)裂紋的鍍鉻層，其顯微硬度為765 HV，鍍鉻層厚度約12 μm 時(shí)除氫后不產(chǎn)生裂紋，約20 μm 時(shí)除氫后產(chǎn)生少量裂紋，鍍層的沉積速率為10～12 μm/h，其氫脆性能滿(mǎn)足HB 5067 標(biāo)準(zhǔn)的要求。該研究還發(fā)現(xiàn)，一個(gè)脈沖周期內(nèi)鍍鉻層沉積厚度為0.23～0.27 μm 時(shí)最終所得鍍層的裂紋最少。

有研究[5]表明，在CrO3250 g/L、H2SO43 g/L 的溶液中，采用雙向脈沖電鍍鉻，用原子力顯微鏡觀(guān)察鍍層形貌可發(fā)現(xiàn)鉻層結(jié)構(gòu)致密，沒(méi)有明顯的裂紋。而且在溫度49 °C，陰極電流密度Jk= 42.0 A/dm2，陽(yáng)極電流密度Ja= 51.5 A/dm2，正、反向電流時(shí)間分別為 6.23 s 和 28.5 ms 的條件下得到的鍍層表面晶粒最細(xì)密，表面最平整。

1.1.5 納米復(fù)合電鍍硬鉻

金屬零件上納米級(jí)粒度硬質(zhì)顆粒復(fù)合鍍鉻是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。特別是納米金剛石具有最高的硬度以及巨大的比表面積和表面活性，形成復(fù)合鍍層后，在機(jī)械摩擦過(guò)程可吸附于摩擦表面，形成微軸承潤(rùn)滑膜，減少了摩擦表面之間的直接接觸；同時(shí)精細(xì)粒子的填平性能也起到了輔助減磨作用。鍍層中分散的納米金剛石可有效降低鉻鍍層的應(yīng)力。因此，納米金剛石復(fù)合鍍鉻對(duì)于減少鍍層裂紋，提高鍍層顯微硬度，改善鍍層的內(nèi)應(yīng)力，強(qiáng)化零件的抗磨損能力，均具有顯著作用，是強(qiáng)化金屬表面的有效方法之一[8]。

由于金剛石屬非極性立方結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的憎水性。干態(tài)的納米金剛石粉不易浸潤(rùn)，用戶(hù)難以使用。市售的納米金剛石均為水性懸濁液，即使存放很短時(shí)間也會(huì)自然集聚成微米級(jí)團(tuán)粒態(tài)，使用時(shí)必須重新分散處理，工藝及設(shè)備較為復(fù)雜，一般電鍍企業(yè)難以使用，因而限制了納米金剛石復(fù)合電鍍的推廣應(yīng)用。張來(lái)祥等人使用簡(jiǎn)單的高速電動(dòng)攪拌器設(shè)備與有機(jī)磺酸類(lèi)陰離子表面活性劑配合，得到了以單顆粒納米金剛石分散為主、可穩(wěn)定保存4 個(gè)月以上的水分散體系，方便了電鍍企業(yè)的使用[9]。

1.2 操作要點(diǎn)

電鍍硬鉻之前必須仔細(xì)地進(jìn)行除油、除銹等前處理。鋁、鋅、鎂及其合金等部件在硬鉻電鍍之前，最好預(yù)先鍍一層鎳。除此之外，還應(yīng)注意如下環(huán)節(jié)：

(1) 反向電解。為了提高鍍層結(jié)合力，硬鉻電鍍之前，特別是當(dāng)鍍層較厚時(shí)，需要進(jìn)行反向電解。應(yīng)注意的是，電解時(shí)間及電流要隨鍍層厚度及基體材料不同而變化。

(2) 階梯送電。正常鍍覆時(shí)采取階梯送電4～6 次，每次送電時(shí)間2～5 min。

(3) 去除結(jié)瘤。硬鉻電鍍一段時(shí)間后，邊、角等處極易結(jié)瘤，或者產(chǎn)生毛刺。應(yīng)定期取出工件，用砂紙進(jìn)行打磨處理。有條件可使用廢舊機(jī)床等機(jī)械作為輔助設(shè)備，否則采用手工處理。打磨結(jié)束后重新入槽時(shí)最好階梯送電。送電時(shí)間及次數(shù)應(yīng)由實(shí)踐摸索確定。離槽時(shí)間過(guò)久應(yīng)重新進(jìn)行反向電解。

(4) 鍍后處理。電鍍硬鉻結(jié)束后需進(jìn)行研磨處理。一般使用機(jī)加工方法，如磨光或布輪拋光，應(yīng)根據(jù)零件要求而定。

2 電源設(shè)備

各類(lèi)電鍍工藝中，鍍鉻是受電源波形影響最大的鍍種之一。因此，選擇電鍍電源設(shè)備更顯重要。目前國(guó)內(nèi)的電鍍電源幾乎全部使用整流器。除極特殊情況外，直流發(fā)電機(jī)已不再使用。因此，只討論整流設(shè)備選擇應(yīng)注意的事項(xiàng)。

2.1 傳統(tǒng)硅整流器

硅整流器由于使用歷史長(zhǎng)、技術(shù)成熟，目前是整流器主流產(chǎn)品。鍍鉻用的硅整流器選型使用時(shí)應(yīng)注意如下幾個(gè)方面。

2.1.1 整流電路

整流電路對(duì)波形平滑程度影響最大。一般而言，大型整流器多使用帶平衡電抗器的雙反星型整流電路，整流元件并聯(lián)導(dǎo)通，波形最為平滑，整流效率較高，工作也較為可靠，因此優(yōu)先推薦。橋式整流電路波形與雙反星型整流電路相同，但電流效率低，一般不推薦使用。三相半波整流電路波形差，更不推薦使用。

2.1.2 整流元件類(lèi)型

整流元件即通常所說(shuō)的二極管。由于整流器所有的輸出電流都要經(jīng)過(guò)整流元件，因此，整流元件可以說(shuō)是整流器的心臟。整流元件分為硅整流元件和可控硅整流元件兩種。整流元件的類(lèi)型也決定了整流器的類(lèi)型。傳統(tǒng)鍍鉻整流器使用硅整流器。雖然可控硅技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，且在電鍍上的應(yīng)用也日趨增多，但筆者還是推薦使用硅整流器。其原因有如下幾個(gè)方面：

(1) 波形?？煽毓枵鞑捎每刂普髟?dǎo)通時(shí)間與截止時(shí)間來(lái)控制電流。整流器滿(mǎn)負(fù)荷使用時(shí)，波形與硅整流器相同，但輸出電流太小而達(dá)不到額定輸出電流，電流波形變差，影響硬鉻電鍍質(zhì)量。而硅整流器使用自耦調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器等電感性器件調(diào)壓方式，輸出電流大小對(duì)波形幾乎無(wú)影響。而硬鉻電鍍生產(chǎn)期間電流的調(diào)節(jié)往往很頻繁，因此可控硅整流器在電流較小時(shí)會(huì)對(duì)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

(2) 維修問(wèn)題。除用戶(hù)提出特殊要求(如加有電流密度自動(dòng)控制、安培小時(shí)計(jì)等附加功能器件)外，一般硅整流設(shè)備中幾乎無(wú)弱電元器件；因此，除工作可靠外，出現(xiàn)故障后的維修也相對(duì)較為容易?？煽毓鑴t不然，其觸發(fā)電路部分是由眾多弱電電子元件組成，在電鍍車(chē)間的生產(chǎn)環(huán)境下，安裝使用再仔細(xì)也難免遭受有害氣體的腐蝕。這些電子元件出現(xiàn)問(wèn)題后，不但維修技術(shù)性太強(qiáng)，一般電鍍廠(chǎng)無(wú)法自行修復(fù)，而且會(huì)由于這些不起眼的小元件出現(xiàn)的問(wèn)題，導(dǎo)致三相電流不平衡，損壞價(jià)值昂貴的可控硅整流元件。如保護(hù)電路不完善，還會(huì)出現(xiàn)惡性循環(huán)，燒壞多個(gè)可控硅元件。

可控硅的優(yōu)點(diǎn)只是電流效率高于硅整流。

2.2 開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源制作技術(shù)已經(jīng)成熟，并在電鍍行業(yè)得以廣泛應(yīng)用。它兼有硅整流器的波形平滑及可控硅整流器的調(diào)壓方便的優(yōu)點(diǎn)，而且電流效率高(可達(dá)90%以上)、體積小。與硅整流電源相比，高頻開(kāi)關(guān)電源具有以下特點(diǎn)：

(1) 體積小，節(jié)省設(shè)備的占地面積。

(2) 制造成本低，價(jià)格便宜。

(3) 電流效率高，一般可達(dá)90%以上，與硅整流電源相比，節(jié)能35%以上。

(4) 高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)復(fù)雜程度高，一旦出現(xiàn)故障，使用廠(chǎng)家很難自己維修。目前的方法是，對(duì)有條件的用戶(hù)進(jìn)行專(zhuān)人培訓(xùn)，小故障自己排除，大故障由制造廠(chǎng)家維修。為避免耽誤生產(chǎn)，絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)一般要配備開(kāi)關(guān)電源備用機(jī)。

(5) 高頻開(kāi)關(guān)電源內(nèi)含控制電路和功率器件，對(duì)環(huán)境的條件要求較為嚴(yán)格，因?yàn)橐话悴捎蔑L(fēng)冷形式，所以要求電源的放置環(huán)境應(yīng)無(wú)污染，以降低因環(huán)境條件造成的故障。若環(huán)境條件難以改進(jìn)，也可以選用油浸防腐式高頻開(kāi)關(guān)電源。

(6) 高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)含量高，用戶(hù)在使用中應(yīng)避免以往對(duì)待硅整流設(shè)備那樣粗放型的設(shè)備使用管理方式，而應(yīng)提高維護(hù)意識(shí)，科學(xué)地使用和管理設(shè)備，達(dá)到低價(jià)采購(gòu)、節(jié)能使用、省錢(qián)維護(hù)的目的。

由于開(kāi)關(guān)電源本質(zhì)上輸出的是15～20 kHz 的脈沖波形，用于鍍鉻的高頻脈沖電源最好在輸出端增設(shè)鐵氧體電感濾波器，以提高輸出波形的平滑度。

2.3 換向電源設(shè)備

硬鉻電鍍之前一般需要反向電解。因此需要電源極性換向裝置。簡(jiǎn)單的方法是使用手動(dòng)換向開(kāi)關(guān)。由于電流很大，開(kāi)關(guān)通、斷時(shí)會(huì)形成較大的電火花，開(kāi)關(guān)很容易損壞。將觸點(diǎn)浸入變壓器油中可以延長(zhǎng)其使用壽命?？煽毓枵髌鲗?shí)現(xiàn)換向比較容易，由于是無(wú)觸點(diǎn)換向，因此不會(huì)產(chǎn)生火花腐蝕，但可控硅元件會(huì)產(chǎn)生電壓降，浪費(fèi)電能。

2.4 多功能電源設(shè)備

基于電鍍硬鉻的工藝特點(diǎn)，結(jié)合電氣自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)制作多功能電鍍電源有利于控制硬鉻電鍍質(zhì)量。如具有反向電解、沖擊電流、定時(shí)換向、自動(dòng)控制電量等功能的電鍍硬鉻專(zhuān)用整流器的工作過(guò)程設(shè)想如下：

(1) 工件經(jīng)過(guò)前處理入槽后首先進(jìn)行反向電解。反向電解時(shí)間、電流密度可以通過(guò)程序預(yù)設(shè)。

(2) 反向電解結(jié)束后，整流器自動(dòng)進(jìn)入大電流沖擊狀態(tài)。電流一般為正常電流的1～2 倍，時(shí)間約10 s。

(3) 沖擊電流結(jié)束后，電流自動(dòng)降低至正常值而進(jìn)入鍍層加厚階段。

(4) 每正向電解15～20 min，鍍層厚度達(dá)5～10 μm時(shí)，反向電解約20 s，循環(huán)往復(fù)。正反向時(shí)間可以預(yù)置。

(5) 整流器定時(shí)器自動(dòng)計(jì)時(shí)，或自動(dòng)安培小時(shí)電量自動(dòng)計(jì)量，可控制鍍鉻層厚度。定時(shí)結(jié)束后聲光報(bào)警、自動(dòng)斷電。

采用如上工藝獲得的硬鉻鍍層裂紋少，具有良好的耐鹽霧性能，鍍層結(jié)合力也有所提高。

2.5 脈沖電源設(shè)備

近年來(lái)，脈沖電鍍鉻技術(shù)已成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)，并逐步應(yīng)用于各種電鍍鉻的工業(yè)化生產(chǎn)中。隨著電力電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，促使脈沖電鍍電源的功能、電流波形多樣化。脈沖直流電源生產(chǎn)技術(shù)已趨成熟,，在鍍鉻方面也開(kāi)始應(yīng)用。

現(xiàn)代的脈沖電鍍電源是基于高頻開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行功能擴(kuò)展而成的，主電路由整流濾波、高頻逆變、降壓變壓、斬波輸出和輸出濾波等部分組成，引入單片計(jì)算機(jī)或其他功能電子電路組成程序控制單元，輸出波形及控制功能可通過(guò)程序預(yù)置實(shí)現(xiàn)[10]。脈沖方式也由原來(lái)簡(jiǎn)單的正、負(fù)脈沖擴(kuò)展成為連續(xù)單脈沖輸出、間斷單脈沖輸出、正反向連續(xù)脈沖輸出、正反向非連續(xù)脈沖輸出等4 種類(lèi)型?；谶@4 種類(lèi)型可組合出更多種脈沖。脈沖實(shí)例如下：

2.5.1 單脈沖

單脈沖是指只有正向電壓、電流輸出，無(wú)反向電壓、電流輸出的波形?？煞譃? 種：

(1) 簡(jiǎn)單單脈沖。早期的脈沖電源只具有簡(jiǎn)單的通、斷功能。輸出波形如圖1最左邊部分所示。鍍鉻生產(chǎn)時(shí)需設(shè)定的波形參數(shù)有3 個(gè)，即通態(tài)時(shí)間ton、關(guān)斷時(shí)間toff和平均電流。脈沖周期T = ton+ toff。

圖1 具有輪廓脈沖的電源輸出波形Figure 1 Pulse waveform with idle time

(2) 具有輪廓脈沖的單脈沖波形。輸出波形如圖1所示。與單脈沖不同的是：電源輸出若干個(gè)連續(xù)脈沖(ton-k)后停留了一段時(shí)間(toff-k)。脈沖周期T = ton-k+ toff-k。生產(chǎn)時(shí)需設(shè)定的波形參數(shù)比簡(jiǎn)單單脈沖多了通態(tài)輪廓時(shí)間 ton-k和關(guān)斷輪廓時(shí)間toff-k。

(3) 疊加直流的單脈沖波形。即簡(jiǎn)單脈沖或具有輪廓的單脈沖波形疊加直流后的波形，如圖2最左邊部分所示波形。與簡(jiǎn)單脈沖及輪廓單脈沖不同的是，多了直流疊加電壓(或電流)。

圖2 具有直流疊加、輪廓脈沖的正負(fù)雙脈沖波形Figure 2 Pulse reverse waveform with idle time and superposed direct current

2.5.2 正負(fù)雙脈沖

正負(fù)雙脈沖輸出電壓、電流的極性隨時(shí)間不同而變化。早期的正負(fù)雙脈沖比較簡(jiǎn)單，如圖3a所示。由于電壓、電流的變化突然，對(duì)電源的沖擊較大，因此圖3b所示的波形比較合理。其他正負(fù)雙脈沖波形示例如圖2和圖4所示。由于參數(shù)比較復(fù)雜，此處不再贅述。

圖3 普通雙脈沖波形Figure 3 Common pulse reverse waveform

圖4 具有輪廓脈沖的正負(fù)雙脈沖波形Figure 4 Pulse reverse waveform with idle time

2.5.3 波形類(lèi)型對(duì)電鍍鉻的影響

脈沖鍍硬鉻不用改變工藝配方，而是通過(guò)電鍍過(guò)程脈沖波形變換產(chǎn)生電磁攪拌作用，從而改善離子的遷移方式及雙電層狀態(tài)，沉積速率與時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系增長(zhǎng)。在脈沖導(dǎo)通時(shí)間極短的情況下，內(nèi)擴(kuò)散層維持在極薄的狀態(tài)，可在高電流密度(脈沖峰值)下進(jìn)行電鍍，大幅度地提高鍍鉻電流效率，促進(jìn)成核反應(yīng)，控制晶核成長(zhǎng)，使結(jié)晶更加細(xì)化、均勻，從而獲得比直流鍍鉻致密得多的鍍層。由于脈沖鍍鉻，特別是使用反向脈沖時(shí)，伴隨陰極吸附的氫和雜質(zhì)在脈沖中斷時(shí)可以被解吸，降低了內(nèi)應(yīng)力，因此鍍層韌性得到提高。

有關(guān)脈沖鍍鉻的理論研究及文獻(xiàn)資料目前尚不多見(jiàn)，各種新出現(xiàn)的擴(kuò)展波形用于電鍍硬鉻方面的研究更少。但脈沖鍍鉻具有廣闊的發(fā)展前景，有待進(jìn)一步關(guān)注。

3 工藝輔助裝置

3.1 掛具

電鍍硬鉻掛具應(yīng)根據(jù)零件形狀及尺寸等情況現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)制作。設(shè)計(jì)掛具時(shí)，主要應(yīng)考慮承重、電接觸及發(fā)熱問(wèn)題。因鍍硬鉻電流很大，掛具與零件接觸部位的導(dǎo)電面積應(yīng)盡可能大，并有足夠的承重支撐能力。質(zhì)量輕的零件導(dǎo)電接觸部位必須采用彈性結(jié)構(gòu)。掛具與極棒等外線(xiàn)路部分接觸也應(yīng)良好。如有必要可考慮使用循環(huán)水冷卻裝置。設(shè)計(jì)時(shí)可與硬鉻鍍槽冷卻水統(tǒng)籌考慮。

硬鉻電鍍的掛具通常根據(jù)需要添加輔助陽(yáng)極及輔助陰極裝置。如方形管狀零件內(nèi)壁存在4 個(gè)直角內(nèi)縫，給硬鉻電鍍帶來(lái)了較大的困難。采用象形陽(yáng)極等技術(shù)可很好地解決這一問(wèn)題[11]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，超長(zhǎng)桿、軸類(lèi)零件需采用兩端兩次鍍鉻時(shí)，接縫處使用細(xì)鐵絲制作圓形或方形象形輔助陰極，可以獲得具有良好結(jié)合力及平滑過(guò)渡效果的鍍層。

通常掛具只與直流電源的負(fù)極(陰極)相連。而輔助陽(yáng)極是在掛具上用與負(fù)極絕緣的導(dǎo)線(xiàn)將鉛絲等象形陽(yáng)極引入到被鍍零件的低凹處附近，或者是電力線(xiàn)達(dá)不到的內(nèi)腔位置附近，以增加該部位鍍層的厚度。

輔助陰極則相反。它是在靠近零件尖角、棱邊位置用與電源陰極相連的鐵絲進(jìn)行遮擋，以減薄這些部位的鍍層厚度，避免燒焦、結(jié)瘤現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2 窄縫及遮擋技術(shù)

窄縫和遮擋都是使用絕緣材料放置到陽(yáng)極及鍍件之間，調(diào)節(jié)電流分布，提高鍍層厚度均勻性。

窄縫是在絕緣材料上開(kāi)設(shè)窄縫或小孔，使電流能夠通過(guò)窄縫到達(dá)零件與窄縫或小孔對(duì)應(yīng)部位，提高該區(qū)域的鍍層厚度；屏蔽則相反，是在零件棱邊等電力線(xiàn)集中的尖端部位使用絕緣材料進(jìn)行遮擋，迫使電流“繞路”而降低尖端部位的電流密度，降低被遮擋部分的鍍層厚度。

窄縫及遮擋對(duì)于提高鍍層厚度均勻性具有很好的效果，但目前在生產(chǎn)中往往被忽視。窄縫及遮擋的主要優(yōu)點(diǎn)是復(fù)用性、重現(xiàn)性、可靠性及安全性，電鍍形狀復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)可代替脆性大、易損耗且需經(jīng)常更換的輔助陽(yáng)極，從而避免了因微陽(yáng)極下垂等原因引起的短路現(xiàn)象。窄縫和遮擋裝置可安裝在掛具上或固定在鍍?cè)阒?，省時(shí)省力，減少費(fèi)用，并可以使用高電流密度而縮短電鍍時(shí)間；也可與鍍槽及輔助陽(yáng)極相配合而靈活設(shè)計(jì)掛具，達(dá)到提高鍍層厚度均勻性的目的。窄縫和遮擋技術(shù)的采用，對(duì)硬鉻電鍍具有非常重要的意義。

3.2.1 窄縫和遮擋的材料

窄縫和遮擋材料在鍍鉻溶液中應(yīng)具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性；當(dāng)溫度達(dá)到65 °C 時(shí)形狀不應(yīng)發(fā)生變化；應(yīng)有足夠強(qiáng)度以支承自重而不產(chǎn)生曲翹及下垂。材料中不能含有導(dǎo)電的顏料和纖維，以免表面出現(xiàn)“枝狀”鍍層。經(jīng)常使用的聚合物材料是聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、過(guò)氯乙烯(CPVC)、聚偏氯乙烯(PVDC)等。酚醛、三聚氰胺類(lèi)熱固性層壓樹(shù)脂由于不能耐鉻酸氧化，一般不宜使用。大型窄縫和遮擋可以使用涂塑鋼，結(jié)構(gòu)上可使用螺栓連接，制作容易，成本低廉。

3.2.2 窄縫和遮擋的類(lèi)型

窄縫和遮擋技術(shù)兩者配合，可使用大面積陽(yáng)極，許多情況下可控制鍍槽中三價(jià)鉻含量的上升。

對(duì)于具有內(nèi)角的零件，可用遮擋裝置減少棱、角等部位電力線(xiàn)密度；同時(shí)用由4 個(gè)面圍成的狹縫盒將電流導(dǎo)向內(nèi)角，使鍍層極難沉積的內(nèi)角部位也獲得均勻的鍍層沉積。如采用循環(huán)泵類(lèi)設(shè)備使鍍液強(qiáng)制流向內(nèi)角處，則效果更好。

遮擋裝置的效果取決于其尺寸、形狀及與鍍件的相對(duì)位置。另外，陰陽(yáng)極間距、鍍液成分、工藝條件(如溫度、攪拌及電流密度)、輔助電極的設(shè)置等因素也有影響。

為了降低平板類(lèi)零件邊棱上鍍層的厚度，可采用“邊框式遮擋”。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于鑲嵌照片的相框，其尺寸應(yīng)略大于平板零件，邊框的寬度一般為2～5 cm，安放位置靠近平板零件邊棱表面。由于鍍液性能不同，其距離無(wú)一定之規(guī)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

裝設(shè)在局部或點(diǎn)狀陽(yáng)極上的遮擋有時(shí)稱(chēng)為“三明治”陽(yáng)極。這種設(shè)計(jì)具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可用于鍍覆較深的徑向溝槽或鼓狀物內(nèi)角，可有效引導(dǎo)電流流向所需部位并對(duì)溝槽側(cè)壁起到保護(hù)作用。

3.2.3 窄縫及遮擋的位置

在陰陽(yáng)極間距合適的情況下，窄縫及遮擋與鍍件的距離對(duì)邊棱的影響較其他部位大得多，習(xí)慣上遮擋靠棱邊較近。一般情況下，遮擋與鍍件的合適間距不超過(guò)1 cm。對(duì)于類(lèi)似壓延輥和印刷版之類(lèi)的較大型陰極也是如此。陰陽(yáng)極間距很小時(shí)，使用狹屏蔽即可得到良好效果，但間距增大則效果甚微。寬屏蔽對(duì)陽(yáng)極位置要求不高。但從簡(jiǎn)化掛具結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、方便制作、降低成本及減少鍍液帶出等方面考慮，一般以近陽(yáng)極間距、狹屏蔽為宜。

實(shí)際生產(chǎn)中，陰陽(yáng)極間距一般為5～10 cm。對(duì)于小型塑料模和金屬徽章印模，極間距一般為0.55～2.50 cm，但無(wú)一定之規(guī)。陰陽(yáng)極間距受掛具制作技術(shù)及設(shè)計(jì)、安裝等因素限制。要獲得最佳效果，陽(yáng)極應(yīng)靠近遮擋，但不應(yīng)阻止新鮮鍍液向陰極流動(dòng)。當(dāng)陽(yáng)極面積小于陰極面積時(shí)，鍍液流動(dòng)一般不受阻礙。正常電流密度下，電極表面析出的氣體可促進(jìn)溶液流動(dòng)。

陽(yáng)極面積較大時(shí)可采用鉆孔方法或使用鉛格子陽(yáng)極，以利于鍍液流動(dòng)；但陽(yáng)極開(kāi)孔的尺寸又限制了極間距。如兩極相距太近，鍍層厚度及外觀(guān)會(huì)出現(xiàn)與陽(yáng)極開(kāi)孔形狀相似的圖案。對(duì)于常規(guī)圓柱形陽(yáng)極，極距太小時(shí)也限制了鍍液的流動(dòng)。一般情況下不使用在遮擋裝置上鉆孔的方法來(lái)改善鍍液流動(dòng)性。因?yàn)橐粋€(gè)小孔即可流過(guò)較大的電流，使遮擋作用失效。

電鍍件表面積對(duì)陰、陽(yáng)極位置選擇具有影響。鍍件面積大時(shí)，遮擋尺寸及陰陽(yáng)極間距應(yīng)增加。反之，小型鍍件且對(duì)鍍層技術(shù)指標(biāo)要求較高時(shí)，應(yīng)使用狹小的遮擋及較近的陰陽(yáng)極間距。增加陰陽(yáng)極間距及遮擋寬度可改善帶有孔洞、溝槽及浮雕的零件低凹處的鍍層分布。然而槽電壓隨電極距離的增大而提高，限制了極間距的增加。9～18 V 直流電源適用于各種鍍鉻工藝。

遮擋并不局限于具有平面棱邊的平面制品，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件其實(shí)更為重要。用于大型零件的圓柱形遮擋可采用塑料板加熱彎曲的方法制作，小型的遮擋則采用塑料管或小塑料塊機(jī)械加工而成，不規(guī)則形狀可采用塑料板塊焊接制做。這樣，遮擋可安裝在掛具上或制成易于裝掛的形式。

熱塑性塑料，如PVC、CPVC、PE、PP 及樹(shù)酯類(lèi)，可用熱空氣焊槍(或爐內(nèi))加熱，溫度達(dá)塑料軟化點(diǎn)以上時(shí)即可彎曲成所需形狀，冷卻時(shí)用鉗子夾持定型，也可用零件或其他特殊方法定型。熱成形工藝一般只限于1～6 mm 的塑料板。厚塑料板可在需彎曲部位的反面刻上折痕，以提高彎曲成形的精確性。彎曲之前先對(duì)該部位加熱。彎曲后將折痕缺口用焊接方法填補(bǔ)起來(lái)，以提高掛具強(qiáng)度。

無(wú)論是安裝在槽內(nèi)還是固定在掛具上，水平遮擋在一般情況下均作為永久性或半永久性裝置使用。安裝在槽內(nèi)的遮擋及各種長(zhǎng)度的分體式遮擋應(yīng)采用涂塑鋼制作，以提高其剛性。

3.2.4 注意事項(xiàng)

任何鍍層厚度控制技術(shù)也解決不了因陽(yáng)極清洗及活化不當(dāng)而引起的故障。陽(yáng)極要一直保持良好導(dǎo)電狀態(tài)，且要及時(shí)去掉槽內(nèi)無(wú)用的陽(yáng)極；否則，即使是最優(yōu)秀的窄縫及遮擋，鍍層厚度控制系統(tǒng)也會(huì)失去作用。

4 陽(yáng)極及微孔陶瓷電解裝置

目前鍍鉻陽(yáng)極主要使用純鉛、鉛銻合金及鉛錫合金3 種材料制作。純鉛陽(yáng)極用于標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻溶液中，耐蝕性等性能較好，但硬度差，易變形。因此，常使用鉛銻合金以改善陽(yáng)極的機(jī)械性能。鉛錫合金陽(yáng)極在含氟溶液中的耐蝕性較前兩者好，因此一般用于含氟類(lèi)型的鍍液，如目前流行的稀土添加劑及氟硅酸型鍍液等。鉛錫型陽(yáng)極使用時(shí)應(yīng)注意錫含量不宜過(guò)高，否則會(huì)導(dǎo)致三價(jià)鉻含量過(guò)高。

鍍鉻陽(yáng)極本身不溶解，只起導(dǎo)電作用。正常使用時(shí)，陽(yáng)極表面產(chǎn)生一層致密、褐色的過(guò)氧化鉛膜，其厚度較小，不影響導(dǎo)電，并可將三價(jià)鉻氧化為六價(jià)鉻。但使用不當(dāng)時(shí)，鍍鉻鉛陽(yáng)極表面易產(chǎn)生一層厚度較大的黃色鉻酸鉛膜，影響導(dǎo)電。此時(shí)應(yīng)即刻清除，否則影響鍍層厚度均勻性，并易導(dǎo)致三價(jià)鉻含量上升。

應(yīng)注意的是陽(yáng)極電流密度。為了控制三價(jià)鉻含量，目前的技術(shù)資料及電鍍工藝書(shū)無(wú)一例外地提示要注重陰極/陽(yáng)極面積比；但僅此還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。鉛或鉛合金之所以具有降低三價(jià)鉻的作用，是由于表面過(guò)氧化鉛的生成。而維持過(guò)氧化鉛的存在，須有足夠大的陽(yáng)極電流密度。如果由于溫度過(guò)低或其他原因引起陰極電流過(guò)小，即便陰、陽(yáng)極面積比例合適，陽(yáng)極電流密度也可能很小，過(guò)氧化鉛將會(huì)被溶解，真實(shí)有效的陽(yáng)極面積也會(huì)相應(yīng)減小，三價(jià)鉻含量就會(huì)失控。

除上述3 種陽(yáng)極之外，精密儀器設(shè)備電鍍硬鉻常使用鍍鉑鈦網(wǎng)做陽(yáng)極。其突出優(yōu)點(diǎn)是陽(yáng)極表面狀態(tài)好，沒(méi)有鉛及鉛合金類(lèi)陽(yáng)極所具有的鈍化、導(dǎo)電不均勻等缺點(diǎn)，使用壽命也較長(zhǎng)。一般鉑鍍層的厚度2～3 μm即可達(dá)到要求。目前進(jìn)口的塑料印刷輥表面硬鉻電鍍?cè)O(shè)備幾乎全部使用鈦網(wǎng)鍍鉑陽(yáng)極。由于具有極為優(yōu)越的性能，國(guó)外已使用多年，目前正逐步被國(guó)內(nèi)用戶(hù)所接受。國(guó)內(nèi)亦研究出了鈦基鍍鉑技術(shù)，并有了專(zhuān)門(mén) 生產(chǎn)廠(chǎng)。這類(lèi)陽(yáng)極的最大問(wèn)題是價(jià)格昂貴，因此推廣有一定的困難。

微孔陶瓷用于去除鍍液中的金屬離子具有一定的效果。據(jù)筆者觀(guān)察，有些企業(yè)之所以感覺(jué)不到效果，主要是使用方法不當(dāng)。正確的方法是：正常電鍍時(shí)微孔陶瓷電解裝置應(yīng)同時(shí)開(kāi)機(jī)工作；生產(chǎn)結(jié)束后，有條件的企業(yè)最好仍然開(kāi)機(jī)，維持小電流電解。這樣才能有效地避免金屬離子雜質(zhì)的積累。當(dāng)然，微孔陶瓷體積不能過(guò)小，否則金屬離子的產(chǎn)生和電解去除達(dá)不到平衡，不能完全控制金屬離子的積累。

5 結(jié)語(yǔ)

硬鉻電鍍成功與否由多種因素決定，雜亂無(wú)章的電鍍現(xiàn)場(chǎng)管理很難實(shí)現(xiàn)成功的硬鉻生產(chǎn)。除本文論述的常見(jiàn)因素外，尚有許多不可預(yù)料的因素影響，應(yīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中根據(jù)情況采取對(duì)策。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更為重要。生產(chǎn)中要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)，使得硬鉻電鍍技術(shù)不斷完善、提高。

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