鋁及其合金電鍍硬鉻工藝探討
DiscussiononHardChromiumPlatingTechnologyfor AluminiumandAluminiumAlloy
秦偉，張昊
(1．常州卡爾邁耶紡織機(jī)械有限公司，江蘇常州213161；
2．南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院，江蘇南京210016)
QIN Wei，ZHANG Hao
(1．KarlMayerTextileMachineryItd．，Changzhou213161，China；
2．AcademyofFrontierScience，NanjingUniv．ofAero．Astro．，Nanjing210016，China)
摘要：對目前鋁及其合金電鍍硬鉻的工藝流程、溶液的配方vY,及操作條件進(jìn)行了研究，同時(shí)也介紹了各工藝流程中應(yīng)注意 的問題和鍍鉻層的檢測參數(shù)。六種預(yù)鍍工藝有相近的工藝流程，也有各自的特點(diǎn)；幾種工藝方法所獲得的鍍層均有良好的結(jié) 合力、顯微硬度、耐磨性及抗沖擊性能。
關(guān)鍵詞：鋁；鋁合金；電鍍；硬鉻
Abstract：Thetechnologicalprocesses，solutionformulasaswellasoperatingconditionsofthepresenthardchromiumplating onaluminumanditsalloysareinvestigated，andsomecautionsforeachoperationandtestingparametersforhardchromium coatingsarealsodescribed．Sixtechnologieshavesimilarpretreatmentandalsohavetheirowncharacteristics、Thecoatings obtainedfromtheseprocessesallhavegoodadhesion。highmicro—hardness，highresistancetOwearandhighanti—impact performance．
Keywords：aluminium；aluminiumalloy~electroplating；hardchromium
中圖分類號(hào)：TQ153．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000—4742(2008)04—0013-03
0 概述
鋁及其合金因具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、高延展 性、低密度、高強(qiáng)度、易成型等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于交 通、航空航天、電子、建筑、裝潢、紡織等行業(yè)。但其 表面硬度低、耐磨性差、易腐蝕等缺點(diǎn)也影響其應(yīng)用 范圍和壽命。對鋁及其合金進(jìn)行表面改性可以改善 這些缺點(diǎn)，其最有效的方法之一就是鍍硬鉻。
筆者所從事的紡織行業(yè)中有許多鋁合金零件需 要表面鍍硬鉻，改善其耐磨和耐蝕性。鑒于我公司 對此類零件國產(chǎn)化的迫切要求，我方與南京航空航 天大學(xué)在鋁合金鍍硬鉻方面展開了相關(guān)合作。鍍鉻 層的維氏硬度達(dá)1000，較合金基體提高了近1O倍； 同時(shí)硬鉻層的耐磨和耐蝕性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
1 原理
鋁是一種化學(xué)活性很高的活潑金屬，它的電極 電勢很低(一一1．67V)，具有很強(qiáng)的親氧性。同時(shí) 又是一種兩性金屬，在空氣中極易發(fā)生鈍化，給鋁合金電鍍帶來了困難。鑄造鋁合金因有砂眼、起泡等缺陷，在電鍍中容易滯留殘液和氣體，會(huì)引起氫脆和鍍層脫落等現(xiàn)象。
鋁及其合金電鍍的關(guān)鍵是鍍層與基體金屬的結(jié) 合力問題；而影響結(jié)合力的關(guān)鍵是預(yù)鍍是否合理。 目前常用的工藝有兩次浸鋅法、化學(xué)鍍鎳一 磷、浸鋅后鍍鎳、浸鋅后鍍鋅、磷酸陽極氧化 法l4和鹽酸浸蝕法等。這些工藝的過程大致相 近，都是先去除表面的氧化膜，再通過不同方法獲得 穩(wěn)定的中間層，最后進(jìn)行電鍍。穩(wěn)定的中間層可以 防止自然氧化膜的再生，在鍍前保護(hù)好裸鋁表面；同 時(shí)形成具有超微觀、均勻的凹凸結(jié)構(gòu)以及較大的孔 體積和較小的電阻；保證在電鍍時(shí)沉積金屬快，晶核 形成多，附著好；而且可以避免高硬度的鉻層與較軟 的鋁基體直接接觸而可能引起開裂和凹陷。
2 鋁及鋁合金電鍍硬鉻
2.1 工藝流程
噴砂處理 —— 堿蝕 —— 水洗 —— 酸蝕 —— 水洗 —— 預(yù)鍍 —— 水洗 —— 鍍鉻 —— 水洗 —— 吹干 —— 除氫
2.2 主要工序說明
2.2.1 噴砂處理
一些鍍件表面可預(yù)先采用噴砂處理，這不僅可 以使零件表面獲得均勻的粗糙面，而且可以增加鋁 合金表面的顯微硬度，增加電鍍的表面積，提高鍍層 結(jié)合力。噴砂處理可采用于噴或水噴，使用不同目 數(shù)的玻璃砂，調(diào)整噴砂的參數(shù)可以獲得不同粗糙度 的均勻表面。噴砂后要及時(shí)去除表面殘留的玻璃 砂，以免對后道工序產(chǎn)生影響。
2.2.2 堿蝕除油
堿蝕液配方及工藝條件：
氫氧化鈉50～100g／L，磷酸三鈉30~45g／L， 碳酸鈉2O～30g／L，60～8O℃，0.5～1.0min。
此過程可反復(fù)操作，但時(shí)間要短以防過腐蝕，除油后要用熱水和冷水清洗。有時(shí)也可用有機(jī)溶劑除油。
2.2.3 酸蝕出光
酸蝕液配方及工藝條件：
φ(硝酸)一75%，φ(氫氟酸)一25%，室溫，3～5S。
其中硝酸和氫氟酸的體積分?jǐn)?shù)可根據(jù)鍍件中硅的含量作適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)過酸蝕可除去經(jīng)堿蝕后殘留在工件表面的銅、鎂、硅、鋅、錳及其化合物殘?jiān)?，裸露出金屬結(jié)晶的組織，得到均勻、潔凈、光亮或灰白 色表面，鍍件表面被活化。
2.2.4 預(yù)鍍
(1)兩次浸鋅法
一次浸鋅液成分及工藝條件：
氧化鋅lOOg／L，氫氧化鈉500g／L，酒石酸鉀 鈉50g／L，三氯化鐵1g／L，室溫，30～6OS。
退鋅液成分及工藝條件： 硝酸200mL／L，室溫，3～5S。
二次浸鋅液成分及工藝條件：
氧化鋅20g／L，氫氧化鈉120g／L，酒石酸鉀鈉 50g／L，三氯化鐵2g／L，室溫，20～40s。
浸鋅工序關(guān)系到鍍層的結(jié)合力和質(zhì)量。浸鋅應(yīng) 得到薄而細(xì)致且附著力好的鋅層，表面均勻，并具有微光澤。有時(shí)在浸鋅前鋁件表面浸重金屬處理，使得電位正移，提高鍍層的結(jié)合力。
(2)浸鋅后鍍鋅
鍍鋅液配方及工藝條件：
氯化鋅60～70g／L，氯化鉀18O～220g／L，偏硼酸25～35g／L，ZL21光亮劑14～18mL／L，pH 值5～6，室溫，1～4A／dm2。
一次或二次浸鋅后可對鍍件進(jìn)行鍍鋅。鍍鋅時(shí)，若工件較復(fù)雜，可以在前1～2min內(nèi)用沖擊電流(正常電流的2倍)閃鍍，使深凹處沉積鍍層，提高 深鍍能力。浸鋅后鍍鋅可獲得更為致密且附著力更好的鋅層。它不僅可以提高鍍層的結(jié)合力，而且可 以提高成品率，尤其對于形狀復(fù)雜、要求更高的零件。
(3)浸鋅后鍍鎳
化學(xué)鍍鎳液配方及工藝條件：
硫酸鎳35g／L，硼酸15g／L，次磷酸鈉15～2O g／L，醋酸鈉15g／L，檸檬酸鈉10g／L，pH值4.8～ 5.5，80～9O℃，15～20min。
鍍鎳液配方及工藝條件：
硫酸鎳200~250g／L，檸檬酸鈉200～250g／L， 硼酸30g／L，氯化銨5g／L，pH值6.6～6.8，55～65 ℃，0.5～1.0A／dm2。
鍍鎳時(shí)須帶電人槽，先用沖擊電流電鍍，然后轉(zhuǎn) 入正常電流電鍍。化學(xué)鍍鎳控制復(fù)雜，成本高，鍍層 表面易出現(xiàn)粗糙等缺點(diǎn)；而采用電鍍鎳工藝的鉻鍍層 質(zhì)量高，成品率高，成本低。浸鋅后鍍鎳可獲得致密 且附著力更好的鎳鍍層，可以提高鍍層的結(jié)合力和成 品率，成本相對較高。
(4)化學(xué)鍍鎳一磷
堿性化學(xué)鍍鎳一磷液配方及工藝條件：
硫酸鎳20~30g／L，次磷酸鈉20～3Og／L，配位劑(檸檬酸鈉及三乙醇胺)50～80g／L，氨水22～25 mg／L，pH值9.5～10.5，25～35℃，3～5min。
堿性化學(xué)鍍工作溫度低，可有效抑制鋅膜溶解， 從而獲得薄而細(xì)致、均勻的鎳一磷合金層，以保護(hù)鋅膜。
酸性化學(xué)鍍鎳一磷液配方及工藝條件：
硫酸鎳25~30g／L，次磷酸鈉25～30g／L，2一羥 基丙酸27~30mL／L，pH值4.2～4.8，88~92℃，裝載量0.5～1.0dm／L，沉積速率20μm／h。
鎳一磷合金層達(dá)到15～20μm時(shí)，可保證底層均 勻無孔隙，避免在鍍鉻時(shí)出現(xiàn)合金層剝落。當(dāng)合金層 達(dá)到25μm時(shí)，結(jié)合力優(yōu)良。
(5)磷酸陽極氧化
磷酸陽極氧化液配方及工藝條件：
磷酸250~350g／L，20~20℃，3～15min，1～2 A／dm2。
鋁及其合金磷酸陽極氧化生成一定厚度和特殊 結(jié)構(gòu)的多孔氧化膜。該氧化膜具有超微觀、均勻的凹凸結(jié)構(gòu)，最大的孔體積和最小的電阻。在該氧化膜層 上進(jìn)行電鍍，晶核形成多，沉積層可以很快地覆蓋表 面，并牢固地附著在膜孔里，從而獲得平滑均勻、結(jié)晶細(xì)致、附著力良好的合格鍍層。
(6)鹽酸浸蝕
鹽酸浸蝕液成分及工藝條件：
鹽酸120～160g／L，緩蝕劑7～15g／L，室溫，2～ 6min。
鹽酸的質(zhì)量濃度不僅影響鍍層的外觀，而且還能 影響鍍層與基體的結(jié)合力。同時(shí)要控制好浸蝕時(shí)間， 以防過腐蝕。鹽酸浸蝕是一種更為簡單、方便的方法。
2.2.5鍍鉻及除氫
(1)鍍鉻 鍍鉻液配方及工藝條件：
鉻酐130～150g／L，硫酸0.5~0.8g／L，稀土添加劑1.5～2.0g／L，三價(jià)鉻1～2g／L，50～55℃，40 ～45A／dm2。沉積速率40μm／h。
鍍鉻配方因采用不同的預(yù)鍍工藝，需作適當(dāng)?shù)恼{(diào) 整。并且因添加劑的不同，鍍層的外觀也會(huì)有較大的 差異。
(2)除氫
為了消除鍍層與基體之間所形成的內(nèi)應(yīng)力，提高鍍層與基體之間的結(jié)合力，鍍后要進(jìn)行除氫處理。 烘烤溫度160℃，烘烤時(shí)間1h。
3 鍍層性能測試
鍍鉻層除了具有良好的抗蝕性能和平整光亮的外觀外，更重要的是結(jié)合力、硬度和耐磨等性能。
鍍鉻層結(jié)合力的測試有加熱、彎曲和沖擊實(shí)驗(yàn)法。測試后，鍍層均無起皮和剝落等現(xiàn)象，表明結(jié)合力良好。
硬度測試要根據(jù)零件大小、基體材料、鍍層厚度、 壓痕直徑、負(fù)荷大小等采用不同的硬度計(jì)。在測定鍍層硬度時(shí)，常使用維氏微型硬度計(jì)，可根據(jù)厚度，加5g~200g的載荷，使壓痕深度達(dá)到鍍層厚度的1／7～ 1／10。加厚鍍鉻層大于100μm時(shí)可采用洛氏硬度計(jì)測試。
耐磨性測定通常采用厚度減少法、質(zhì)量損失法、 體積磨損法、研磨介質(zhì)消耗法、切割厚度時(shí)間法、放射性同位素法等。試驗(yàn)表明：鍍鉻層的維氏硬度為 7355MPa~7845MPa時(shí)具有較大的耐磨性。鍍鉻層厚度與耐磨性也有一定的關(guān)系，同時(shí)對使用壽命也有影響。
4 討論
(1)六種常用的鋁及其合金電鍍硬鉻的預(yù)鍍工 藝有相近的預(yù)處理和后續(xù)的電鍍硬鉻規(guī)范。
(2)不同的預(yù)鍍工藝均可形成具有超微觀、均勻 的凹凸結(jié)構(gòu)，以及較大的孔體積和較小電阻的中間 層，能防止自然氧化膜的再生；避免高硬度的鉻層與 較軟的鋁基體直接接觸而可能引起的開裂、凹陷。通 過幾種電鍍工藝所獲得的一定厚度的鍍層，均具有良 好的結(jié)合力、顯微硬度、耐磨性及抗沖擊性能。
(3)兩次浸鋅工藝穩(wěn)定，但工藝復(fù)雜，操作條件 苛刻。由于浸鋅是在強(qiáng)堿溶液中進(jìn)行，需要大量水沖 洗。陽極氧化工藝相對簡單，但需嚴(yán)格控制操作溫度、電壓等，且電解液溫度容易上升，影響前處理效 果，最終影響鍍層質(zhì)量。浸鋅后鍍鋅和鍍鎳工藝穩(wěn) 定，成品率高，特別適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求更高的零 件。化學(xué)鍍鎳一磷要控制好鎳一磷合金層的厚度才能 保證良好的結(jié)合力。鹽酸浸蝕是一種簡單、方便的方法。
(4)在實(shí)施過程中，可根據(jù)自身的條件、環(huán)境要 求和工件要求，選擇合適的電鍍工藝。
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