电镀工艺学

电镀工艺学 第九章电镀铬 Plating technologyChapter Ⅸ Chromium Plating 电镀工艺学 08－193

电镀铬及代铬镀层 1 电镀铬概述镀铬在电镀工业中占有极其重要的地位，并被列为三大镀种之一。电镀铬属于单金属电镀，与其它单金属电镀相比，有许多共同之处。但是，它又有一些其它单金属电镀所没有的特点，故镀铬是电镀单金属中较为特殊的镀层。随着科学技术的发展及对环境保护的重视，在传统镀铬的基础上，相继发展了微裂纹和微孔铬、乳白铬、松孔镀铬、镀黑铬、低浓度镀铬、稀土镀铬、高效率镀硬铬及三价铬镀铬等新工艺，使镀铬层的应用范围进一步扩大。电镀工艺学 08－193

1.镀铬层的性质 铬(Cr)是一种略带蓝的银白色金属，相对原子质量 51.994，密度 6.98／cm3~7.219／cm3，熔点 1875℃~1920 ℃ ，标准电极电位 φ0Cr3+/Cr=－0.74V φ0Cr3+/Cr2+=－0.41V φ0Cr2O72-/Cr2+=1.33V 铬是一种较活泼的金属，但由于它在空气中极易钝化，其表面形成一层极薄的钝化膜，从而显示了贵金属性质电镀工艺学 08－193

镀铬层具有很高的硬度，根据镀铬液成分及操作条件的不同，其硬度可在很大范围(HV400~1200)内调整。加热温度在500℃以下，对镀铬层的硬度没有明显影响。铬镀层的摩擦系数低，特别是干摩擦系数在所有金属中是最低的，因此，铬镀层具有很好的耐磨性。镀铬层具有很高的硬度，根据镀铬液成分及操作条件的不同，其硬度可在很大范围(HV400~1200)内调整。加热温度在500℃以下，对镀铬层的硬度没有明显影响。铬镀层的摩擦系数低，特别是干摩擦系数在所有金属中是最低的，因此，铬镀层具有很好的耐磨性。铬镀层在一般大气条件下能长久地保持其原有的光泽而不变色，只有当温度在400 ℃～500℃时，才开始在表面呈现氧化色。电镀工艺学 08－193

铬镀层具有良好的化学稳定性，碱、硫化物、硝酸和大多数有机酸对其均不发生作用，但能溶于氢卤酸(如盐酸)和热的硫酸中。铬镀层具有良好的化学稳定性，碱、硫化物、硝酸和大多数有机酸对其均不发生作用，但能溶于氢卤酸(如盐酸)和热的硫酸中。在可见光范围内，铬的反射能力约为65％介于银(88％)和镍(55％)之间，因铬不易变色，使用时能长久地保持其反射能力而优于银和镍。电镀工艺学 08－193

2 镀铬层的分类及应用 镀铬可按其工艺及溶液不同来分类，所得到的铬层可应用于不同的场合。 (1) 防护装饰性镀铬利用铬镀层的钝化能力、良好的化学稳定性和反射能力，铬层与铜、镍及铜锡合金等组成防护装饰性体系，广泛用于汽车、自行车、缝纫机、钟表、仪器仪表、日用五金等零部件，既保持产品表面的光亮和美观，又达到防护目的。这类铬层的厚度一般为0.25µm~1µm 电镀工艺学 08－193

(2) 镀硬铬(耐磨铬)铬层具有高的硬度和低的摩擦系数，机械零部件镀硬铬后可以提高其抗磨损能力，延长使用寿命。硬铬可用于切削及拉拔工具，各种材料的模具、轴承、轴、量规、齿轮等，还可用于修复磨损零件的尺寸。这类铬层的厚度根据需要而变，从1 µ m到几个mm。 (3) 乳白铬镀层韧性好，孔隙率低、颜色乳白，光泽性差，硬度较硬铬镀层及光亮镀层都低，但其耐蚀性较高，主要用于各种量具上。为了获得既耐磨又耐蚀的表面，目前常采取双层铬镀层，即在工件表面先镀乳白铬，然后再镀硬铬，这种配合综合了乳白铬镀层及硬铬镀层的优点。电镀工艺学 08－193

(4) 松孔镀铬 是在镀硬铬后进行松孔处理，使铬层的网状裂纹加深加宽。这种镀层具有贮存润滑油的能力，可以提高零部件表面抗摩擦和磨损的性能，常用于承受较高压力的滑动摩擦，如内燃发动机汽缸筒内壁、活塞环等。 (5) 黑铬与其它上黑色镀层(如黑镍镀层)相比，有较高的硬度，耐磨损及耐热性能好，而且有极好的消光性能。常用于光学仪器、航空仪表等零件的镀覆。此外，黑铬镀层也可用于装饰。电镀工艺学 08－193

根据镀铬溶液组成及性能不同，又可分为下列几类：根据镀铬溶液组成及性能不同，又可分为下列几类： 1)普通镀铬液以硫酸根作催化剂的镀铬溶液。铬酐和硫酸的比例一般控制在CrO3／H2SO4：100/1，铬酐浓度在150g／L～450g／L之间变化。根据铬酐浓度的不同，可分成高浓度、中等浓度和低浓度镀铬液。习惯上把CrO3 250g／L和H2SO4 2.5g／L的中等浓度镀液称之谓“标准镀铬液”。低浓度镀液的电流效率较高，铬层的硬度也较高，但覆盖能力较差；高浓度镀液稳定，导电性好，电镀时槽电压较低，覆盖能力较稀溶液好，但电流效率较低；标准镀铬液的性能介于两者之间。电镀工艺学 08－193

2)复合镀铬液 以硫酸和氟硅酸作催化剂的镀铬溶液。氟硅酸的作用与硫酸相似，起催化离子的作用。氟硅酸的添加，使镀液在电流效率、覆盖能力和光亮范围等方面均比普通镀铬液有所改进，阴极电流效率可达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性，必须采取一定的保护措施。电镀工艺学 08－193

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。在温度和铬酐浓度一定的镀液中，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。当镀液中SO42－或SiF62－浓度过大时，其相应的离子浓度乘积大于溶度积常数，过量的SO42－或SiF62－便生成SrSO4或K2SiF6沉淀而析出；当镀液中SO42－或SiF62－浓度不足时，槽内的SrSO4或K2SiF6沉淀溶解，补充槽内的SO42－或SiF62－离子，直至相应的离子浓度积等于其溶度积时为止。电镀工艺学 08－193

所以，当镀液温度和铬酐浓度固定时，镀液内的SO42－和SiF62－离子浓度可通过溶解沉淀平衡而自动调节，并不随电解过程的持持续而变化。这类镀铬液具有电流效率高(27％)，许用电流密度大(100A／dm2)，沉积速度快(50µm／h)，分散能力和覆盖能力好等优点，但镀液的腐蚀性强。所以，当镀液温度和铬酐浓度固定时，镀液内的SO42－和SiF62－离子浓度可通过溶解沉淀平衡而自动调节，并不随电解过程的持持续而变化。这类镀铬液具有电流效率高(27％)，许用电流密度大(100A／dm2)，沉积速度快(50µm／h)，分散能力和覆盖能力好等优点，但镀液的腐蚀性强。 4)快速镀铬液这类镀铬液是在普通镀铬液的基础上添加硼酸和氧化镁配制而成。它允许使用较大的电流密度，从而提高了沉积速度。电镀工艺学 08－193

5) 四铬酸盐镀铬液 这类镀液的铬酐浓度较高，除添加硫酸外，还加有氢氧化钠，以提高阴极极化作用；添加糖作还原剂，以稳定Cr3+；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(30％～37％)、沉积速度快、分散能力好等，但镀液只在室温下稳定，操作温度不宜超过24℃，采用高电流密度时需要冷却镀液；镀层的光亮性差，镀后需经抛光才能达到装饰铬的要求。电镀工艺学 08－193

6) 低浓度铬酸镀铬 是指镀液中的铬酐含量较目前使用的镀液的低。这类镀液的电流效率及硬度，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不相上下。主要优点是降低了铬酐用量，提高了铬酐的利用率，减少了环境污染。问题是槽电压较高。 7) 三价铬镀铬以低价铬(Cr3+)化合物为基础。不仅降低了镀铬废水处理的成本，减少了环境污染，而且有较高的电流效率，较好的分散能力和覆盖能力。但镀液对杂质较敏感，铬层颜色也不正，硬度也低。电镀工艺学 08－193

3 镀铬过程的特点 与其它单金属相比，镀铬液的成分虽然简单，但镀铬过程相当复杂，并具有许多特点。 (1) 在镀铬过程中，是由铬的含氧酸即铬酸来提供获得镀层所需的含铬离子(其它单金属电镀都是由其自身盐来提供金属离子)，属强酸性镀液。在铬酸镀液中，阴极过程相当复杂，阴极电流大部分都消耗在析出氢气及六价铬还原为三价铬两个副反应上，故镀铬过程阴极电流效率极低，一般ŋ＝8％～18％。电镀工艺学 08－193

(2) 在镀铬液中，必须添加一定量的局外阴离子，如SO42－、 SiF62－、F－等和必需有一定量的Cr3+，离子才能实现金属铬的电沉积过程。 (3)镀铬需采用较高的阴极电流密度，又由于阴极及阳极之间存在大量的氢气及氧气，尽管铬酸的导电性较好，仍需要采用大于12V的电源，而其他镀种使用8V以下的电源即可。电镀工艺学 08－193

(4)阳极不能用金属铬而是采用不溶性的铅或铅合金(Pb－Sb、Pb－Sn)。镀液内由于沉积出铬及其它消耗，故铬的补充要依赖于添加铬酸来解决。(4)阳极不能用金属铬而是采用不溶性的铅或铅合金(Pb－Sb、Pb－Sn)。镀液内由于沉积出铬及其它消耗，故铬的补充要依赖于添加铬酸来解决。 (5)镀铬液的分散能力及覆盖能力都极差。欲获得均匀的铬层，必须采用人工措施，根据零件的几何形状而设计不同的象形阳极、防护阴极及辅助阳极。 (6)镀铬的操作温度和阴极电流密度有一定的依赖关系，改变二者的关系可获得不同性能的铬镀层。电镀工艺学 08－193

镀铬过程还有三个特殊的现象： • 阴极电流效率随铬酸浓度的升高而下降，随温度升高而下降，随阴极电流密度的提高而增加。这些现象与镀铬的机理有关。电镀工艺学 08－193

4 镀铬的电极过程 镀铬液中Cr6+的存在形式根据铬酐浓度的不同而异，浓度高时，以三铬酸(H2Cr3O10)和四铬(H2Cr4O13)的形式存在；低浓度时以氢铬酸盐(HCrO4－)的形式存在，一般情况下(CrO3150g／L～400g／L)，则主要是以铬酸和重铬酸的形式存在： 2CrO3+H2O→H2Cr2O7 (15－1) CrO3+H2O → H2Cr2O4 (15－2) 电镀工艺学 08－193

铬酸在水溶液中分二步电离： H2CrO4 ＝ HCrO4－＋ H+ K＝4.1 (15－3) HCrO－＝ CrO42－＋ H+ K＝10－6 (15－4) 当镀液的pH值<1，Cr2O72－为主要存在形式。当pH值为2~6时，Cr2O72－与HCrO4－之间存在着下列平衡： Cr2O72－＋H2O ＝ 2HCrO4－＝ 2H+＋2CrO42－(15－5) 2 pH 6 电镀工艺学 08－193

当pH值>6， CrO42－为主要形式，因此，镀铬时同时存在着CrO42－` HCrO4－ ` Cr2O72－ ` H+ ` Cr3+ `SO42－等离子，其Cr2O72－与HCrO4－的含量取决于镀液的pH值和铬酐浓度。由式(15－5)可知，当pH值减小或铬酐浓度增加时，平衡向左移动，即CrO42－含量增加；反之，平衡向HCrO4－增加的方向移动。但是，欲了解镀铬的电极过程，必须查明上述离子是怎样参与反应的。电镀工艺学 08－193

在阐述镀铬的电极过程时，必须对下列问题作出合理解释。在阐述镀铬的电极过程时，必须对下列问题作出合理解释。 (1)金属铬是从三价铬还是六价铬还原的；如果是从六价铬还原，那么究竟是哪一种离于? (2)六价铬如何在阴极上还原成金属铬?与此同时，阴极上又拌随着怎样的过程发生? (3)镀铬液中，少量的局外阴离子和三价铬在铬的沉积过程中究竟起什么作用? (4)为什么同其它镀单金属的规律相反，即电流效率随CrO3浓度的增加、温度升高及阴极电流密度的降低而降低。电镀工艺学 08－193

镀铬的阴极过程 • 尽管镀铬液较简单，但铬的沉积机理甚为复杂。关于金属铬是三价铬还是六价铬还原的问题，根据文献已有定论。Kasper通过用放射性铬(Cr51)作示踪原子的实验断定并被证实：金属铬是从六价铬直接还原的。后来，Coughlin给出CrO3和1/2Cr2O3的生成自由能分别为－506.14KJ和－529.46KJ，表明六价铬要比三价铬稍易还原。电镀工艺学 08－193

至于六价铬的各种离子形式中，究竟是哪一种放电形成金属铬，仍有不同的假设，迄今尚难定论。综合有关资料，目前比较一致的看法是基于F.Muller提出并由R.Weiner等人发展的阴极胶体膜理论。至于六价铬的各种离子形式中，究竟是哪一种放电形成金属铬，仍有不同的假设，迄今尚难定论。综合有关资料，目前比较一致的看法是基于F.Muller提出并由R.Weiner等人发展的阴极胶体膜理论。首先根据镀铬时的阴极极化曲线分析各曲线段相应的电极反应。用恒电势法测定的镀铬液(含硫酸或不含硫酸)阴极极化曲线示于图15－1。当镀液中不含硫酸时(曲线1)，阴极上仅析氢，不发生任何其它的还原反应。当镀液中含有少量硫酸时(曲线2)，阴极极化曲线有几个曲线段组成，在不同的曲线段进行着不同的反应。电镀工艺学 08－193

H2 有铬析出大量氢气析出 Cr3＋产生 Cr＋3和H2 Cr＋3 Cr 图15－1 电流密度与阴极电势的关系 1一自250g/L CrO3镀铬液中获得； 2--自250g/L CrO3和5g/L H2SO4的镀铬液中获得。电镀工艺学 08－193

在ab段，阴极上没有氢气析出和铬的还原。测定阴极区镀液的pH值小于1，存在的离子形式主要是Cr2O72－ ，此时的阴极反应为： Cr2O72－＋14H+＋6e → 2Cr3+＋7H2O (15－6) 随着电极电势向负方向移动，反应速度不断增加，b点时到达最大值。电极电势达到b点以后，除了Cr2O72－还原为CrO3+外，在阴极上氢气明显地析出： 2H+＋2e → H2↑ (15－7) 电镀工艺学 08－193

在bc曲线段，同时进行着Cr2O72－ → Cr3+ 和H+ → H2两个反应，但表征反应速度的电流密度却随着电极电势的变负而降低。这与阴极胶体膜的形成有关。因此，此时，析氢和Cr3+的存在，为阴极胶体膜的形成创造了条件，由于阴极表面形成了一层胶体膜，阻碍了电极反应的进行，使反应速度显著降低；又由于镀液中的硫酸对阴极胶体膜有一定的溶解作用，胶体膜的形成和溶解不断进行，致使曲线呈现异常。电镀工艺学 08－193

由于氢的不断析出，使阴极表面附近镀液的pH值增加，使式(15－5)的平衡向右移动， Cr2O72－转变为HCrO4－， HCrO4－离子浓度增加。当电极电势达到c点相对应的数值时，发生HCrO4－还原为铬的反应：， HCrO4－＋6e+ 3H+ → Cr＋4OH－ (15－8) 在cd段，同时进行着(15－ 6)、(15－ 7)和(15－ 8)三个反应。且随着电极电势向负方向移动，反应速度不断增加。有人曾经测定过在cd曲线段某一点上消耗于三个反应中每一反应的电流量，表明六价铬还原为金属铬的比例很小，在正常使用的电流密度范围内仅占总电流的13％－15％。上述的讨论是基于HCrO4－直接放电而形成金属铬。那么为什么在极化曲线上会出现反行程?目前较能接受的是阴极胶体膜理论。该理论认为镀铬的阴极反应，特别是图15－1中，当阴极电镀工艺学 08－193

极化曲线到达b点以后，由于阴极表面有氢气析出，使阴极表面附近镀液的pH值增加，一方面促使Cr2O72－ 转化为HCrO4－，另一方面随着氢气的析出当pH增加到3左右时，便产生了Cr(OH)3胶体沉积，它和六价铬一起组成了荷正电的碱式铬酸铬Cr(OH)3·Cr(OH)CrO4。这是一种粘膜状物质，一般称为胶体膜，覆盖在阴极表面，所以，又称阴极膜或阴极胶体膜。其结构大致为：电镀工艺学 08－193

阴极胶体膜结构示意图 电镀工艺学 08－193

从图15-1可知，当曲线2到达b点以后就有利于生成Cr3+反应，同时氢气的析出也增多，造成阴极表面pH值增大，这就为阴极胶体膜的形成创造了条件。阴极表面形成的薄膜，阻化了电极过程，尽管阴极电势向负方向移动，但电极反应速度确在不断下降，故出现bc段的回行程，为阴极电势大致在1V时，此时已达到析铬的析出电势。因此，胶体膜的存在是Cr6+还原为Cr0的必要条件。但这还不是充分条件，如果胶体膜十分致密，那么只能由H＋通过，而阻止了HCrO4－的通过，达不到析出铬的目的。从图15-1可知，当曲线2到达b点以后就有利于生成Cr3+反应，同时氢气的析出也增多，造成阴极表面pH值增大，这就为阴极胶体膜的形成创造了条件。阴极表面形成的薄膜，阻化了电极过程，尽管阴极电势向负方向移动，但电极反应速度确在不断下降，故出现bc段的回行程，为阴极电势大致在1V时，此时已达到析铬的析出电势。因此，胶体膜的存在是Cr6+还原为Cr0的必要条件。但这还不是充分条件，如果胶体膜十分致密，那么只能由H＋通过，而阻止了HCrO4－的通过，达不到析出铬的目的。电镀工艺学 08－193

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为此在溶液中必须加入SO42–，由于SO42–吸附在阴极胶体膜上，使胶体膜溶解，即生成了易溶于水的化合物。胶体膜的溶解使阴极表面局部暴露。而且，在这些局部区域的电流密度较大，其电极电势也较负，促使HCrO4－能在阴极上放电而还原出金属铬。为此在溶液中必须加入SO42–，由于SO42–吸附在阴极胶体膜上，使胶体膜溶解，即生成了易溶于水的化合物。胶体膜的溶解使阴极表面局部暴露。而且，在这些局部区域的电流密度较大，其电极电势也较负，促使HCrO4－能在阴极上放电而还原出金属铬。所以只有当阴极表面始终存在着阴极胶体薄膜的生成和溶解的交替过程，才能实现铬的电沉积。电镀工艺学 08－193

阴离于SO42 –的存在不仅促进了Cr3+的生成，为阴极胶体膜的形成创造了条件，而且会使胶体膜溶解。这种矛盾性的影响必然导致阴离子只有在一个合适的浓度下才能发挥它的最大效用。当SO42 –浓度太低时，胶体膜不易溶解，反应(15–6)和(15–8)受阻，反应(15–7)的析氢过程占绝对优势，故电流效率降低；当SO42 –浓度过高时，胶体膜随之变薄，与析氢的同时，有利于反应(15– 6)的进行，也使电流效率降低。阴极胶体膜的特性是随着镀液的组分、电流密度和温度的变化而变化，从而会引起电流效率和沉积层特性的变化。电镀工艺学 08－193

镀铬的阳极过程及阳极 • 镀铬时采用不溶性阳极。不用铬阳极的原因是：①用铬做阳极时，阳极金属铬溶解的电流效率大大高于阴极金属铬沉积的电流效率，势必造成镀液中六价铬离子大量积累，使其组成极不稳定、难以控制；②铬存在着几种价态，铬阳极溶解成不同价态，并以Cr3+为主的离子形式进入镀液，造成镀液内Cr3+浓度升高，使镀铬过程难以正常进行；③金属铬的脆性大，难以加工成各种形状。 • 可以作为镀铬用的不溶性阳极材料有铂、铅、铅锑合金(含锑6％-8％)、铅锡合金(含锡6％-8％)、镀铅的钢板及镀铅的钢丝等，金属铂价格昂贵，不宜在工业生产中应用。铅虽然能少量地溶解在铬酸中，但由于铬酸铅的溶解度很小，铅的表面迅速形成一层铬酸铅黄膜(PbCrO4)，阻止了铅的继续溶解. 电镀工艺学 08－193

可以作为镀铬用的不溶性阳极材料有铂、铅、铅锑合金(含锑6％-8％)、铅锡合金(含锡6％-8％)、镀铅的钢板及镀铅的钢丝等，金属铂价格昂贵，不宜在工业生产中应用。铅虽然能少量地溶解在铬酸中，但由于铬酸铅的溶解度很小，铅的表面迅速形成一层铬酸铅黄膜(PbCrO4)，阻止了铅的继续溶解，因此铅就形成稳定不溶性阳极。形成的铬酸铅膜，会使槽电压升高，严重时造成阳极不导电、终止镀铬过程。可以作为镀铬用的不溶性阳极材料有铂、铅、铅锑合金(含锑6％-8％)、铅锡合金(含锡6％-8％)、镀铅的钢板及镀铅的钢丝等，金属铂价格昂贵，不宜在工业生产中应用。铅虽然能少量地溶解在铬酸中，但由于铬酸铅的溶解度很小，铅的表面迅速形成一层铬酸铅黄膜(PbCrO4)，阻止了铅的继续溶解，因此铅就形成稳定不溶性阳极。形成的铬酸铅膜，会使槽电压升高，严重时造成阳极不导电、终止镀铬过程。电镀工艺学 08－193

因此，不生产时，宜将阳极从镀槽中取出，浸在清水槽中。还应经常洗刷，除去铬酸铅黄膜。若黄膜牢固，可在碱液中浸几天，待膜软化后，再刷洗除去。此外，镀铬液的分散能力和覆盖能力较差，必须注意阳极的形状和排布。在电镀复杂零件时，宜采用象形阳极或辅助阳极。因此，不生产时，宜将阳极从镀槽中取出，浸在清水槽中。还应经常洗刷，除去铬酸铅黄膜。若黄膜牢固，可在碱液中浸几天，待膜软化后，再刷洗除去。此外，镀铬液的分散能力和覆盖能力较差，必须注意阳极的形状和排布。在电镀复杂零件时，宜采用象形阳极或辅助阳极。镀铬过程中，阳极上发生的反应有： 2H2O – 4e → O2 + 4H+ (15–10) 2Cr3++7H2O – 6e → Cr2O72－+ 14H+ (15–11) Pb+7H2O – 4e → PbO2 + 4H+ (15–12) 电镀工艺学 08－193

当镀液中三价铬含量过高时，可采用大面积阳极和小面积阴极的方法进行电解处理，以此来降低镀液中的三价铬的含量。在日常生产中，控制一定的阳极面积和阴极面积之比，使在阴极上产生的过量的Cr3+离子基本上都在阳极被氧化掉，从而使镀液中的三价铬含量维持在一定的范围内。实践经验证明，阳极面积与阴极面积之比维持在2:1或3:2较为适宜。还需指出，由于反应(15–12)的发生，阳极表面覆盖一层暗褐色的二氧化铅，这是一种正常的现象。这层膜不同于黄色铬酸铅膜，它可导电并保护阳极表面免遭铬酸浸蚀而形成难以导电的铬酸铅黄膜。当镀液中三价铬含量过高时，可采用大面积阳极和小面积阴极的方法进行电解处理，以此来降低镀液中的三价铬的含量。在日常生产中，控制一定的阳极面积和阴极面积之比，使在阴极上产生的过量的Cr3+离子基本上都在阳极被氧化掉，从而使镀液中的三价铬含量维持在一定的范围内。实践经验证明，阳极面积与阴极面积之比维持在2:1或3:2较为适宜。还需指出，由于反应(15–12)的发生，阳极表面覆盖一层暗褐色的二氧化铅，这是一种正常的现象。这层膜不同于黄色铬酸铅膜，它可导电并保护阳极表面免遭铬酸浸蚀而形成难以导电的铬酸铅黄膜。电镀工艺学 08－193

5 镀铬层的结构与性能 1. 镀铬层的组织和裂纹网的形成镀铬层的结构与其他镀层不同，镀层的结构对其使用性能也有很大的影响，镀层的结构与性能可以通过适当地调整电镀参数及镀后处理来获得。铬沉积的最初阶段，即铬层很薄时(<0.5/µm)有很多的孔隙。随着厚度的增加。孔隙尺寸不会改变，但铬层会发生不规则的开裂，直至形成垂直于金属表面的网状裂纹。当裂纹铬层上逐渐被更多的铬所覆盖，则每一层铬又会开裂，最后形成铬层的网状裂纹组织。厚的铬层用肉眼观察时，一般也是平滑光亮，然而在显微镜下观察，其表面就显示出大量的裂纹状圆顶形突出物，裂纹中央带形成阴极薄膜的各种化学成分，并且被新沉积的铬镀层所覆盖。电镀工艺学 08－193

铬层网状裂纹结构的产生可解释如下：在铬在沉积过程中，总伴随着氢的析出。所以，铬沉积的初期，总是形成六方晶格的氢化铬(Cr2H或CrH2)或者面心立方晶格CrH或CrH2。这种晶体组织是介稳定的，只有当晶粒尺寸较小时才能存在，一旦晶体尺寸到达某一临界尺寸时，它将自发地转变为更加稳定的体心立方晶格。从六方晶格到体心立方晶格的相变，体积缩小了大约15％。与此同时，不稳定氢化铬分解成金属铬和氢。只要基体金属，特别是对氢敏感的铁或镍还未被铬层覆盖，那么氢就被基体金属吸收，并渗入基体金属内部而产生内应力。在这种内应力和氢化铬相变引起铬层体积变化的共同作用下，使铬层具有较大的内应力，并随着铬层厚度的增加而增加，铬层网状裂纹结构的产生可解释如下：在铬在沉积过程中，总伴随着氢的析出。所以，铬沉积的初期，总是形成六方晶格的氢化铬(Cr2H或CrH2)或者面心立方晶格CrH或CrH2。这种晶体组织是介稳定的，只有当晶粒尺寸较小时才能存在，一旦晶体尺寸到达某一临界尺寸时，它将自发地转变为更加稳定的体心立方晶格。从六方晶格到体心立方晶格的相变，体积缩小了大约15％。与此同时，不稳定氢化铬分解成金属铬和氢。只要基体金属，特别是对氢敏感的铁或镍还未被铬层覆盖，那么氢就被基体金属吸收，并渗入基体金属内部而产生内应力。在这种内应力和氢化铬相变引起铬层体积变化的共同作用下，使铬层具有较大的内应力，并随着铬层厚度的增加而增加，电镀工艺学 08－193

有人测得2µm厚铬层的拉应力为13500MPa，压应力为2200MPa，一般镀层拉应力在0~240MPa。因此，当铬层的内应力最后超过铬层的强度极限时就引起铬层开裂，出现所谓铬层组织的多孔性和裂纹网。有人测得2µm厚铬层的拉应力为13500MPa，压应力为2200MPa，一般镀层拉应力在0~240MPa。因此，当铬层的内应力最后超过铬层的强度极限时就引起铬层开裂，出现所谓铬层组织的多孔性和裂纹网。电镀工艺学 08－193

镀铬液组成、温度及电流密度对铬镀层的裂纹组织带来较大的影响，当CrO3/SO42－的比值增大时，裂纹网的密度变小，这种影响特别是在温度为50～60 ℃的范围时最为显著。由此可知，在硫酸含量不变时增加铬酐浓度，或者铬酐浓度不变时减少硫酸浓度，都会使裂纹网变疏。温度对铬层裂纹组织的影响最大。一般规律是温度升高，铬层的裂纹网变疏。电流密度只是在CrO3／SO42－比值较小和温度较高时，才显示它对裂纹网组织的影响。电镀工艺学 08－193

硬度和耐磨性 • 铬镀层的特殊结构赋予它非常高的硬度。一般光亮镀铬的硬度大致为HV900 – 1000，最硬的镀铬层能达到刚玉的硬度，是其他金属-镍、钴硬度的两倍，超过氮化钢和渗氢钢的硬度。显微硬度的数值在某种程度上取决于所采用的载荷大小，以及镀层必须有足够的厚度以便经受住载荷。在软基上的薄铬镀层上，所测量的仅显示了基体金属的硬度，在淬火钢上使用50g~100g 载荷时，要求铬层厚度大于30µm较为合适。电镀工艺学 08－193

将铬镀层加热温度在500 ℃以下时，其硬度降低不大。只有当加热到超过此温度时，硬度才显著降低。事实上，金属的硬度同其耐磨性并不存在着正比关系。因为不仅仅是硬度的大小影响耐磨性的好坏，金属延展性和塑性也影响耐磨性。根据Wahl等人的研究结果，硬度和耐磨性的关系示于图15–2。从图中可以看出，磨掉40单位的体积刚好相应于HV400~900，此外，硬度HV900则相应于20~40单位体积的磨损。Eilender的研究表明，硬心为HV750~800的铬层具有较大的耐磨性，因此，在此硬度范围内，磨损量最低(图15–3)。电镀工艺学 08－193

图15-2 电沉积铬层硬度与耐磨性之间的关系 Wahl 图15-3 电沉积铬层硬度与耐磨性之间的关系 Eilender 电镀工艺学 08－193

镀铬层对其他金属的摩擦系数比较低，这是镀铬层被用于轴、活塞环、内燃机汽缸套以及其他类似应用的重要原因，表15–1列出了与不同金属相配的摩擦系数镀铬层对其他金属的摩擦系数比较低，这是镀铬层被用于轴、活塞环、内燃机汽缸套以及其他类似应用的重要原因，表15–1列出了与不同金属相配的摩擦系数电镀工艺学 08－193

镀铬层中的气体含量 • 电沉积铬层常常有明显含量的氢和氧。气体含量的多少取决于沉积条件，特别是温度。随着温度的提高，氢气量降低。在电流密度为50A／dm2，温度分别为35℃ 、55℃和80℃的条件下，获取铬层的氢含量分别为0.07％、0.05％和0.03％。铬层中的氢对铬层的硬度没有显著影响，但对金属的脆性却影响很大。电镀工艺学 08－193

铬层中绝大部分的氢不是以间隙相的固溶体形式，而是以吸收在晶界的裂纹网内的形式存在。若把铬层加热到200℃时，铬层内的氢可被除去70％，加热温度更高时可以除去98％。因此，为消除脆性，常在200℃左右的油浴中将铬层热处理2h~3h，有时还可以在加热炉中以高达300℃的温度进行热处理3h~5h。铬层中绝大部分的氢不是以间隙相的固溶体形式，而是以吸收在晶界的裂纹网内的形式存在。若把铬层加热到200℃时，铬层内的氢可被除去70％，加热温度更高时可以除去98％。因此，为消除脆性，常在200℃左右的油浴中将铬层热处理2h~3h，有时还可以在加热炉中以高达300℃的温度进行热处理3h~5h。氧含量也取决于温度。在标准镀铬液中，20℃ 、50℃和85℃下取得铬层的氧含量分别为1％、0.4％和0.1 ％。氧主要以氧化物夹杂于镀层中。电镀工艺学 08－193

腐蚀防护性能 • 金属铬在空气中很易被钝化，表面钝化的铬层其电极电势向正的方向移动，与基体金属相比较，显示贵金属性能，又由于薄的镀铬层表面孔隙率高及布满裂纹。在组成腐蚀电池时铬层成为阴极性镀层，如单独采用镀铬层作为防护镀层是不可取的。由此可知。抑制孔隙和减少裂纹形成的一切条件均有利于提高镀铬层的耐蚀性。电镀工艺学 08－193

镀铬层的孔隙率随着厚度的增加而减少，但裂纹依然存在，为提高镀铬层耐蚀性，不希望裂纹垂直到基体金属。一般情况下，单一的镀铬层厚度在30µm以上，就能防止大气腐蚀，在较恶劣的环境下，必须有底镀层(如镀铜、镀镍等)或采用双层铬工艺才较为可靠。镀铬层的孔隙率随着厚度的增加而减少，但裂纹依然存在，为提高镀铬层耐蚀性，不希望裂纹垂直到基体金属。一般情况下，单一的镀铬层厚度在30µm以上，就能防止大气腐蚀，在较恶劣的环境下，必须有底镀层(如镀铜、镀镍等)或采用双层铬工艺才较为可靠。电镀工艺学 08－193

电镀工艺学

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