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这类镀液具有电流效率高(270A),允许电流密度范围大(高达80~100A/dm2),镀液的分散能力和覆盖能力好,沉积速度快等优点,故又称“高速自动调节镀铬”。但镀液的腐蚀性强。
④快速镀铬液在普通镀铬液基础上,加入硼酸和氧化镁,允许使用较高的电流密度,从而提高了沉积速度,所得镀层的内应力小,与基体的结合力好。
⑤四铬酸盐镀铬液这类镀液的铬酐浓度较高,镀液中除含有铬酐和硫酸外,还含有氢氧化钠和氟化钠,以提高阴极较化作用。添加柠檬酸钠以掩蔽铁离子。这类镀液的主要优点是电流效率高(35%以上),沉积速度快、
镀液的分散能力好,但镀液只在室温下稳定,操作温度不宜**过24℃,采用高电流密度时需冷却镀液;镀层的光亮性差,硬度较低,镀后需经抛光才能满足装饰铬的要求。
⑥常温镀铬镀液由铬酐和氟化物(NH4F或NaF)组成,也可加入少量的硫酸。这种镀液的工作温度(15~25℃)和电流密度(8~12A/dm2)低,沉积速度慢,适用于薄层电镀。其电流效率和分散能力较高,可用于挂镀和滚镀。
⑦低浓度铬酸镀铬镀液中铬酐浓度较标准镀铬液低5倍,可大大降低对环境的污染。电流效率及镀层的硬度介于标准镀铬液和复合镀铬液之间,其覆盖能力和耐蚀性与高浓度镀铬相当。但镀液的电阻大,槽电压高,对整流设备要求严格,同时镀液的覆盖能力有待提高。
⑧三价铬镀铬镀液中以Cr3+化合物为主盐,添加络合剂、导电盐及添加剂。该工艺消除或降低了环境污染,镀液的分散能力和覆盖能力较铬酸镀液高,阴极电流效率有所改善;可常温施镀;槽压低;电镀不受电流中断的影响。但镀液对杂质敏感,镀层的光泽较暗,镀层厚度为几微米,并不能随意增厚;镀层的硬度低,镀液成分复杂不利于维护。
⑨稀土镀铬液在传统镀铬液的基础上加入一定量的稀土元素及氟离子。采用稀土元素可降低铬酐的浓度、拓宽施镀温度范围(10~50℃)及阴极电流密度范围(5~30A/dm2),降低槽压,改善镀层的光亮度及硬度。使镀铬生产实现低温度、低能耗、低污染和高效率,即所谓的“三低一高”镀铬工艺。但对于镀液的稳定性和可靠性,目前尚有不同的看法,尤其是对其机理的研究还有待深入。 [1]
从常用的铬酸镀液镀铬,与其他单金属镀液相比,镀铬液虽成分简单,但镀铬过程却相当复杂,并具有如下特点。
①镀铬液的主要成分不是金属铬盐,而是铬的含氧酸——铬酸,属于强酸性镀液。电镀过程中,阴极过程复杂,阴极电流大部分消耗在析氢及六价铬还原为三价铬两个副反应上,故镀铬的阴极电流效率很低(10%~18%)。而且有三个异常现象:电流效率随铬酐浓度的升高而下降l随温度的升高而下降;随电流密度的增加而升高。
②在镀铬液中,必须添加一定量的阴离子,如SO42-、SiF62-、F-等,才能实现金属铬的正常沉积。
③镀铬液的分散能力很低,对于形状复杂的零件,需采用象形阳极或辅助阴极,以得到均匀的镀铬层。对挂具的要求也比较严格。
④镀铬需采用较高的阴极电流密度,通常在20A/dm2以上,比一般的镀种高10倍以上。由于阴极和阳极大量析出气体,使镀液的电阻较大,槽压升高,对电镀电源要求高,需采用大于12V的电源,而其他镀种使用8V以下的电源即可。
⑤镀铬的阳极不用金属铬,而采用不溶性阳极。通常使用铅、铅一锑合金及铅一锡合金。镀液内由于沉积或其他原因而消耗的铬需靠添加铬酐来补充。
⑥镀铬的操作温度和阴极电流密度有一定的依赖关系,改变二者关系可获得不同性能的铬镀层
由于镀铬层具有优良的性能,广泛用作防护一装饰性镀层体系的外表层和功能镀层,在电镀工业中一直占重要的地位。随着科学技术的发展和人们对环境保护的日趋重视,在传统镀铬的基础上相继发展了微裂纹和微孔铬、黑铬、松孔铬、低浓度镀铬、高效率镀硬铬、三价铬镀铬、稀土镀铬等新工艺,使镀铬层的应用范围进一步扩大。
根据镀铬液的组成和性能不同,可将镀铬液分为如下几类。
①普通镀铬液 以硫酸根作为催化剂的镀铬溶液。镀液中仅含有铬酐和硫酸,成分简单,使用方便,是目前应用较为广泛的镀铬液。铬酐和硫酸的比例一般控制在100:1,铬酐的浓度在150~450g/L之间变化。根据铬酐浓度的不同,可分为高浓度(350~500g/L)、中浓度(150~250g/L)和低浓度(50~150g/L)镀铬液。低浓度的镀铬液电流效率高,铬层的硬度也高,但覆盖能力较差,主要用于功能性电镀,如镀硬铬、耐磨铬等;高浓度镀液稳定,导电性好,电解时只需较低的电压,覆盖能力较稀溶液好,但电流效率较低,主要用于装饰性镀铬及复杂件镀铬。
②复合镀铬液 以硫酸和氟硅酸作催化剂的镀铬液。氟硅酸的添加,使镀液的电流效率、覆盖能力和光亮范围均比普通镀铬液有所改善,如阴极的电流效率可达到20%以上。然而,氟硅酸对阳极和阴极零件镀不上铬的部位及镀槽的铅衬均有较强的腐蚀作用,必须采取一定的防护措施,其衬里和阳极较好采用铅一锡合金。此镀液主要用于滚镀铬。
③自动调节镀铬液 以硫酸锶和氟硅酸钾为催化剂的镀铬液。在一定温度及一定浓度的铬酸溶液中,硫酸锶和氟硅酸钾各自存在着沉淀溶解平衡,并分别有一溶度积常数Ksp,即当溶液中[SO42-]或[SiF62-]浓度增大时,相应的离子浓度乘积将大于溶度积常数,过量的SO42-或SiF62-便生成SrSO4或K2SiF6沉淀而析出;相反,当溶液中[SO42-]或[ SiF62-]浓度不足时,槽内的SrSO4或K2SiF6沉淀溶解,直至相应的离子浓度乘积等于其溶度积时为止。所以,当镀液的温度和铬酐的浓度一定时,镀液中[SO42-]或[SiF62-]浓度可通过溶解沉淀平衡而自动的调节,并不随电镀过程的持续而变化。
(1)防护一装饰性镀铬
防护一装饰性镀铬不仅要求镀层在大气中具有很好的耐蚀性,而且要有美丽的外观。
这类镀层也常用于非金属材料的电镀。
防护一装饰性镀铬可分为一般防护装饰镀铬与高耐蚀性防护装饰镀铬。表4—28列出防护装饰性镀铬的工艺规范。
装饰性镀铬的工艺条件也取决于欲镀的基体金属材料。可根据基体材料的不同适当调整工作温度和阴极电流密度。
(1)镀液中各成分的作用
1)铬酐
铬酐的水溶液是铬酸,是铬镀层的惟一来源。实践证明,铬酐的浓度可以在很宽的范围内变动。例如,当温度在45~50℃,阴极电流密度10A/dm2时,铬酐浓度在50~500g/L范围内变动,甚**达800g/L时,均可获得光亮镀铬层。但这并不表示铬酐浓度可以随意改变,一般生产中采用的铬酐浓度为150~400g/L之间。铬酐的浓度对镀液的电导率起决定作用,在每一个温度下都有一个相应于较高电导率的铬酐浓度;镀液温度升高,电导率较大值随铬酐浓度增加向稍高的方向移动。因此,单就电导率而言,宜采用铬酐浓度较高的镀铬液。但采用高浓度铬酸电解液时,由于随工件带出损失严重,一方面造成材料的无谓消耗,同时还对环境造成一定的污染。而低浓度镀液对杂质金属离子比较敏感,覆盖能力较差。铬酐浓度过高或过低都将使获得光亮镀层的温度和电流密度的范围变窄。含铬酐浓度低的镀液电流效率高,多用于镀硬铬。较浓的镀液主要用于装饰电镀,镀液的性能虽然与铬酐含量有关,较主要的取决于铬酐和硫酸的比值。
2)镀后除氢
由于镀铬的电流效率低,在阴极上大量析出氢气,对于易析氢的钢铁部件,应在镀后180~200℃的温度,除氢3h,以避免发生氢脆。
3)镀液中杂质影响及去除镀铬电解液中常见的有害杂质主要是Fe3+、Cu2+、Zn2+、Pb2+、Ni2+等金属离子和Cl-、NO3-。
金属离子主要来源于没有被铬层覆盖部位金属的溶解、落入镀槽中的零件未及时打捞而溶解以及阳极浸蚀等。当金属离子积累到一定含量时,将给镀铬工艺带来很大的影响,如镀层的光亮范围缩小,电解液的分散能力降低,导电性变差等。镀液对杂质的容忍量随铬酐浓度的增加而增加,所以低浓度镀液对杂质较为敏感。当镀液中Fe3+**过15~20g/L,Cu2+**过5g/L,Zn2+**过3g/L时,镀液必须进行处理。采用低电流密度处理能收到一定的效果。
金属杂质可用强酸性阳离子交换树脂处理而除去。为减小镀铬溶液对离子交换树脂的氧化破坏,应先将镀液稀释至80g/L以下后再处理。由于强酸性阳离子交换树脂价格较贵,因此有时也将废了的镀液转为他用,如钝化液等而降低生产成本。
新配制的镀铬液,电压一般在3~5V,如浓度高时,电压要低些。如果发现电压大于前述值时,镀液中可能含有杂质。Cl-来源于槽液补充水、零件清洗水等的带入,或是盐酸浸蚀后清洗不干净带入。Cl-过多会使镀液分散能力与深度能力下降,镀层发灰、粗糙、甚至出现花斑,还可引起基体及铅阳极的腐蚀。消除过多的Cl-,可将镀液加热到70℃,大电流密度电解处理,使其在阳极上氧化为氯气析出。但此法能耗大,效果也不十分理想;也可加入适量的碳酸银,生成氯化银沉淀,虽然此方法效果较好,但加入的碳酸银还能与铬酸反应生成铬酸银沉淀,不仅银盐消耗太多,又损失了铬酐,增加了生产成本。较好的办法是尽量减少Cl-带入,因此补充槽液较好使用去离子水,镀前的弱浸蚀采用稀硫酸溶液。必须采用盐酸时,则加强清洗。NO3-是较有害的杂质,即使含量很低也会使镀层发灰、失去光泽,并腐蚀镀槽的铅衬里和铅阳极。除去NO3-的方法是:以每升电解液1A电流电解处理。若镀液中NO3-含量较多时,先用BaCO3将镀槽中的硫酸根除去,然后在65~80℃大电流电解处理,使硝酸根离子在阴极上还原为NH3而除去。
4)铬雾的抑制
镀铬过程中,由于使用不溶性阳极,阴极电流效率又很低,致使大量氢气和氧气析出,当气体逸出液面时,带有大量的铬酸,形成铬雾造成严重的污染。目前抑制铬雾的方法有两种。
①浮体法将泡沫塑料碎块或碎片放入镀液的液面上,这些浮体可阻滞铬雾的逸出,
但零件出槽时,操作不方便。另外铬酸氧化能力很强,对加入的碎块有浸蚀作用,使分解产物在镀液中积累,也会影响镀层质量。
②加入泡沫抑制剂 泡沫抑制剂是一种表面活性剂,能降低镀液的表面张力,产生稳定的泡沫层,覆盖在镀液表面。一般的表面活性剂在较高温度和有强氧化剂存在下不稳定,但氟碳型表面活性剂在上述介质中能稳定存在。据报道,已用作铬雾抑制剂的有多种,其中较好的是含有极性基团的脂肪长链有机化合物,如全氟辛烷基磺酸钠盐[CF3(CF2)6CF2SO3Na]是较典型的一种,每升镀液中加入量为0.2~0.5g/L时,即可达到良好的效果。中国已试制出全氟烷基醚磺酸钾,简称F-53铬雾抑制剂,在镀铬液中的添加量为0.04~0.06g/L。使用时,先将F-53用水调成糊状,加水稀释,煮沸溶解静止片刻,转入加热至50~60℃的镀铬槽中,不能把不溶的F-53直接倒入镀槽。