李衛(wèi)權(quán)

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

引 言

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的砂模鑄造鉛-錫合金陽(yáng)極板工藝，容易產(chǎn)生冷隔、鑄瘤、縮孔及氧化物夾雜等缺陷，在電沉積過(guò)程中，極易受到鍍鉻溶液的腐蝕，外表面會(huì)出現(xiàn)片狀剝落或不連續(xù)的蜂窩狀孔洞，并且會(huì)產(chǎn)生大量的陽(yáng)極泥渣進(jìn)入鍍液;如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著使用時(shí)間的推移，一些腐蝕嚴(yán)重的極板在施鍍過(guò)程中會(huì)發(fā)生斷裂掉入鍍槽，給產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)組織和安全帶來(lái)極大的隱患。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)鍍鉻陽(yáng)極制造技術(shù)發(fā)展較快，但關(guān)于這方面的技術(shù)文獻(xiàn)資料并不多，比較好的供應(yīng)商主要集中在常州武進(jìn)、江蘇興化及山東青島等地，這些制造企業(yè)都在采用改進(jìn)后的精密壓鑄加工工藝，即鉛-錫合金陽(yáng)極經(jīng)精密鑄造后，再多次采用專(zhuān)用設(shè)備冷擠壓延成型，成品外觀光亮平整，鉛-錫合金結(jié)晶致密，金相組織成分均勻，抗壓強(qiáng)度高，具有良好的導(dǎo)電性能。但由于供應(yīng)商在陽(yáng)極設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制作過(guò)程中、陽(yáng)極結(jié)構(gòu)及加工工藝等方面仍存在一些缺陷，導(dǎo)致極板在連續(xù)使用過(guò)程中，吊裝及銅排芯部導(dǎo)電部位容易產(chǎn)生過(guò)熱、出現(xiàn)孔洞甚至發(fā)生斷裂等缺陷。根據(jù)多年來(lái)積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在壓延陽(yáng)極制造新技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)原有鍍鉻陽(yáng)極板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并制訂了詳細(xì)的陽(yáng)極棒加工制作標(biāo)準(zhǔn)，提高了鍍鉻陽(yáng)極的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

1 鍍鉻陽(yáng)極設(shè)計(jì)原理

在電沉積過(guò)程中，影響鍍層質(zhì)量的幾何元素包括陰極和陽(yáng)極的形狀和尺寸，陰極和陽(yáng)極在鍍槽中的分布情況、鍍槽形狀、陰陽(yáng)極間的距離等。這些因素對(duì)分散能力的影響，一方面會(huì)造成陰極各部位到陽(yáng)極的距離不同，另一方面也會(huì)造成各部位對(duì)電流的屏蔽和產(chǎn)生"尖端或邊緣"效應(yīng)，直接影響到陰極表面電力線分布的不均勻性，造成工件表面的電流分布也不均勻［1］。

改善分散能力的有效途徑之一，可以在盡可能的條件下，增大陰極到陽(yáng)極的距離或盡可能減小陰極各部位到陽(yáng)極的距離差異。由于增加陰極工件到陽(yáng)極的距離受到鍍槽形狀和尺寸的限制，因此主要方法是減小陰極各部位到陽(yáng)極的距離差異。在電鍍生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工件的具體形狀和尺寸，選擇陽(yáng)極的形狀及安裝位置。陽(yáng)極的形狀特別對(duì)分散能力及覆蓋能力低的電鍍液關(guān)系重大。通常設(shè)計(jì)陽(yáng)極時(shí)，原則上是仿形，即陽(yáng)極的工作面要求與被鍍工件表面形狀基本類(lèi)似，陽(yáng)極的形狀也應(yīng)該根據(jù)陰極工件的幾何形狀來(lái)決定［2］。對(duì)于大部分輥軸類(lèi)零件，陽(yáng)極應(yīng)設(shè)計(jì)為圓柱形，分布在陰極工件周?chē)?，電流從正反面通過(guò)，電力線分布較均勻，最好避免采用平板形陽(yáng)極［1］。另外要求陽(yáng)極、陽(yáng)極鉤及與陽(yáng)極杠接觸部位有足夠的導(dǎo)電截面積，確保導(dǎo)電良好，否則會(huì)將部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗掉，并且會(huì)造成鍍液溫度上升。

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)在電鍍鉻生產(chǎn)中通常采用鉛-錫(6% ～8%錫)合金陽(yáng)極。研究表明，鉛合金中加入錫可以顯著提高其耐蝕性能，減少其陽(yáng)極膜電阻，同時(shí)這些性能的改善隨錫含量的增加更為顯著［3］。陽(yáng)極所含金屬材料成分的純度、制造工藝、幾何形狀及結(jié)構(gòu)等，都會(huì)對(duì)沉積層在陰極上的分布、鍍層質(zhì)量、生產(chǎn)效率、加工成本及鍍液污染的程度等造成直接的影響，因此，制作鍍鉻陽(yáng)極各金屬原材料成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)都要求在99.9%以上，否則將會(huì)導(dǎo)致鍍液中的金屬雜質(zhì)累積性的增加［4-5］。

新陽(yáng)極最好帶電入槽，陽(yáng)極表面會(huì)很快生成一層暗褐色的PbO2［5］。暗褐色PbO2是一種正常的覆蓋層，它可以導(dǎo)電并保護(hù)陽(yáng)極表面在受到鉻酸浸蝕時(shí)難以生成導(dǎo)電性很差的黃色鉻酸鉛膜。在不通電的情況下，鍍鉻液中的鉛合金陽(yáng)極，由于受到鉻酸浸蝕而在其表面形成導(dǎo)電性很差的黃色鉻酸鉛(PbCrO4)膜，使槽電壓升高，甚至導(dǎo)致陽(yáng)極不導(dǎo)電，對(duì)工件鍍層質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，不生產(chǎn)時(shí)，要及時(shí)將陽(yáng)極吊出，洗刷干凈，浸在清水槽中［6-7］。

根據(jù)國(guó)內(nèi)壓延鉛-錫合金陽(yáng)極制作現(xiàn)狀，結(jié)合近年來(lái)的實(shí)際生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)平板型陽(yáng)極在制作和電鍍應(yīng)用過(guò)程中，主要存在的問(wèn)題。

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不合理性。在電沉積過(guò)程中，由于壓延鉛-錫合金陽(yáng)極板與紫銅排連接處橫截面為一長(zhǎng)方形，在電鍍過(guò)程及工件鍍后水洗過(guò)程中，鉻酸殘液容易在此處積存，腐蝕紫銅，并將會(huì)逐漸滲入銅排與鉛-錫合金的夾縫中。由于金屬電極電位的差異，會(huì)構(gòu)成原電池，加劇極板腐蝕，造成極板中的鉛-錫合金與銅排之間間隙越來(lái)越大，最終在電沉積過(guò)程中由于接觸電阻過(guò)大，使鉛-錫極板局部發(fā)熱，熔融形成孔洞。長(zhǎng)期使用，不但會(huì)造成工件鉻層不均勻，而且會(huì)導(dǎo)致極棒導(dǎo)電不良，在其表面形成黃色鉻酸鉛(PbCrO4)膜，污染鍍液并從過(guò)熱部位斷裂，掉入鍍槽;

2)銅排澆注長(zhǎng)度過(guò)短。連續(xù)生產(chǎn)條件下，鍍鉻溶液不斷蒸發(fā)，隨著液面不斷下降至銅排澆注處，如不及時(shí)補(bǔ)充槽液，該部位很容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致極板內(nèi)部鉛-錫合金局部發(fā)生熔融，造成局部出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)電能力急劇下降;

3)對(duì)于輥軸類(lèi)零件，就鍍層的均勻性而言，在鍍槽圓周方向均勻分布的圓柱形陽(yáng)極明顯優(yōu)于平板型陽(yáng)極;

4)平板型陽(yáng)極在制作、運(yùn)輸、裝掛及使用過(guò)程中較易產(chǎn)生彎曲變形;

5)國(guó)內(nèi)陽(yáng)極供應(yīng)商在鍍鉻陽(yáng)極制造過(guò)程中存在不規(guī)范的行為，錫含量往往偏低。行業(yè)內(nèi)也缺乏相應(yīng)的合金成分檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和鍍鉻陽(yáng)極制作技術(shù)規(guī)范。

2 鍍鉻陽(yáng)極簡(jiǎn)圖

某鍍鉻工件，d=220mm，l=2000mm(外形尺寸)，采用平板狀鉛-錫合金陽(yáng)極，詳細(xì)尺寸如圖1所示。

圖1 鉛-錫合金陽(yáng)極板

優(yōu)化改進(jìn)后的棒狀(圓柱形)鉛-錫合金陽(yáng)極見(jiàn)圖2。

圖2 鉛-錫合金陽(yáng)極棒

3 新型陽(yáng)極棒設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于大型軸類(lèi)鍍鉻零件，設(shè)計(jì)鍍鉻槽大多為立式結(jié)構(gòu)。為獲得厚度均勻的鍍層，一般鉛-錫合金陽(yáng)極裝掛形式為沿圓周方向垂直懸掛，均勻分布;對(duì)于復(fù)雜零件則需采用輔助陽(yáng)極、象形陽(yáng)極或局部用絕緣材料屏蔽等方法。本文中新型陽(yáng)極棒的主要設(shè)計(jì)思路如下:

1)從安全角度考慮。由于圖1、圖2所示單根極棒質(zhì)量約130kg，最大電流負(fù)荷為1000A，設(shè)計(jì)單個(gè)紫銅掛鉤規(guī)格為50mm×12mm，導(dǎo)電截面積為600mm2?？紤]以上因素，極棒紫銅掛鉤位置增加了鋼結(jié)構(gòu)加固板，采用不銹鋼螺栓緊固后，銅焊連接;

2)對(duì)于輥軸類(lèi)電鍍零件。根據(jù)其鍍層具體技術(shù)要求，電沉積過(guò)程中陽(yáng)極電力線分布的均勻性以及需克服尖端及邊緣電流效應(yīng)，將原有平板形陽(yáng)極板改為圓柱形陽(yáng)極棒;

3)由于新型陽(yáng)極采用壓鑄冷擠工藝，極棒與銅排澆注成型后，結(jié)合強(qiáng)度非常高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，取消了原有極板中間的增加加強(qiáng)鐵芯的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)延長(zhǎng)了銅排的澆注長(zhǎng)度，既提高了其在電解質(zhì)溶液中的耐蝕性，又防止了芯部銅排由于電鍍液位過(guò)低產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，延長(zhǎng)了極棒的使用壽命;

4)設(shè)計(jì)時(shí)將鉛-錫合金陽(yáng)極板與紫銅排連接處結(jié)構(gòu)改為圓錐形。在電鍍過(guò)程及工件鍍后水洗過(guò)程中，鉻酸殘液很難在此處積存，延長(zhǎng)了極棒的使用壽命;

5)由于陽(yáng)極在液面交接部位通過(guò)的電流密度較大，易熔斷，且較易受到化學(xué)和電化學(xué)作用的腐蝕，因此包鉛外露部分需做防腐處理，通常采用用耐鉻掛具膠涂覆。

6)設(shè)計(jì)技術(shù)要求紫銅板非接觸導(dǎo)電部位需做搪錫處理。

4 新型鍍鉻陽(yáng)極棒技術(shù)要求

1)金屬材質(zhì)成分要求，(8% ±0.5%)Sn，其它為 Pb，雜質(zhì) w≤0.5%;

2)鉛-錫合金陽(yáng)極棒按圖紙及技術(shù)要求加工，熔模成型，鑄件尺寸應(yīng)符合圖紙要求;

3)采用最新壓鑄工藝加工，經(jīng)精密鑄造和專(zhuān)用設(shè)備多次冷擠，壓延成型，陽(yáng)極合金成分均勻，無(wú)偏析現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，不易彎曲，導(dǎo)電能力優(yōu)良，電沉積過(guò)程中陽(yáng)極渣極少;

4)鉛、錫和銅等原材料標(biāo)號(hào)均為國(guó)標(biāo)1#，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%，為國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品牌，保證其品質(zhì);

5)澆注時(shí)，銅與鉛-錫接觸部分氧化物去除干凈，確保結(jié)合良好;整體無(wú)砂眼、冷隔、縮松、氣孔及氧化物夾渣等影響機(jī)械性能及使用壽命的缺陷存在;

6)銅掛鉤按圖紙要求加工，確保壓延極棒結(jié)構(gòu)緊固，導(dǎo)電良好，吊裝便捷、安全可靠，使用壽命較長(zhǎng);吊鉤需上緊固螺栓，材質(zhì)采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，并做防腐處理;

7)銅排需做搪錫處理，包鉛外露部分需做防腐處理(除90°折彎內(nèi)角與陽(yáng)極座接觸面外)，一律用掛具膠涂覆，確保不會(huì)被鉻酸腐蝕;

8)成品鉛-錫合金陽(yáng)極棒圓柱度≤0.1mm/m。

5 鍍鉻陽(yáng)極質(zhì)量檢測(cè)

1)用外徑千分尺、游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具檢測(cè)陽(yáng)極各部位幾何尺寸，均在允許公差范圍內(nèi)。

2)采用金屬分析儀檢測(cè)兩種陽(yáng)極成分，見(jiàn)表1。

表1 壓延鉛-錫合金陽(yáng)極成分

從表1可以看出，按照新陽(yáng)極技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同一廠家制作的新型壓延陽(yáng)極板與陽(yáng)極棒合金成分比較接近，Pb與Sn的含量符合技術(shù)要求，雜質(zhì)w≤0.5%。

6 改進(jìn)后應(yīng)用效果

1)節(jié)約電能。在同一鍍槽(d1000mm×3000mm)中，保持溶液成分、濃度、初始溫度、工裝夾具及施鍍時(shí)間等條件不變，對(duì)同種鋼鐵零件(d220mm×2000mm)分5批次共10件進(jìn)行連續(xù)施鍍。在陰極I為2500A時(shí)，采用原有鑄造陽(yáng)極板，測(cè)得槽電壓平均值U為12.6V;而采用壓延陽(yáng)極板，在陰極I為2500A時(shí)，測(cè)得的槽電壓平均值U為11.9V。由于兩種極板結(jié)構(gòu)、規(guī)格和截面積(120mm×20mm)完全相同，據(jù)此計(jì)算，選用新型壓延鉛-錫合金陽(yáng)極可節(jié)電5.56%。

2)使用壽命對(duì)比。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，連續(xù)生產(chǎn)條件下，壓延陽(yáng)極棒使用3年，表面狀態(tài)良好，外觀呈暗褐色，有輕微腐蝕，但無(wú)起皮脫落及形成孔洞等現(xiàn)象，大大減輕了陽(yáng)極泥渣對(duì)鍍液的污染;而采用普通鑄造極板，同等工況，3～6個(gè)月鍍鉻陽(yáng)極表面即會(huì)逐漸出現(xiàn)上述缺陷，使用壽命一般不超過(guò)1年;采用壓延陽(yáng)極板，1年～1.5年，極板表面無(wú)起皮脫落現(xiàn)象，但部分極板表面形成導(dǎo)電性很差的黃色鉻酸鉛(PbCrO4)膜，且端頭銅排與鉛-錫合金之間的夾縫越來(lái)越大，局部熔融形成孔洞，出現(xiàn)斷裂掉槽現(xiàn)象，使用壽命一般不超過(guò)2年。

3)鍍鉻層質(zhì)量。將鍍鉻后機(jī)件放在無(wú)反射光的白色平臺(tái)上，光照條件為40W日光燈。用肉眼進(jìn)行觀察，保持眼部與工件距離為750～800mm［8］。經(jīng)檢測(cè)，鉻鍍層表面平滑，結(jié)晶均勻細(xì)致，鍍層表面無(wú)針孔、麻點(diǎn)、起瘤、脫皮、起泡、色澤不勻及斑點(diǎn)等缺陷，克服了采用普通鑄造極板電鍍時(shí)，非電解質(zhì)、電解質(zhì)附著在基材或鍍層上，產(chǎn)生麻坑或氣流痕跡以及結(jié)瘤等缺陷。

根據(jù)GB/T4956-1985磁性金屬基體上非磁性覆蓋層厚度測(cè)量方法［8］，采用時(shí)代TT260涂覆層測(cè)厚儀，對(duì)上述軸類(lèi)零件(d220mm×2000mm)的鍍層厚度進(jìn)行測(cè)量。采用壓延陽(yáng)極板，圓周及軸向鉻層δ為0.052～0.063mm。而采用壓延陽(yáng)極棒，圓周及軸向鉻層δ為0.06～0.065mm，均勻性較好。

7 結(jié)論

采用設(shè)計(jì)改進(jìn)后的新型鉛-錫合金陽(yáng)極棒，電鍍鉻時(shí)電力線分布均勻，改善了鍍液的分散能力;耐蝕能力，陽(yáng)極泥渣量極少，減輕了對(duì)鍍液的污染，鍍層表面質(zhì)量得到了顯著提高。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，使用壽命已從普通極板的1年左右提高到3年以上，節(jié)電約5%。

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