镀铬Pb-Sn合金阳极结构的改进

李卫权

(东华大学机械工程学院，上海 201620)

引 言

国内传统的砂模铸造铅-锡合金阳极板工艺，容易产生冷隔、铸瘤、缩孔及氧化物夹杂等缺陷，在电沉积过程中，极易受到镀铬溶液的腐蚀，外表面会出现片状剥落或不连续的蜂窝状孔洞，并且会产生大量的阳极泥渣进入镀液;如果不及时发现，随着使用时间的推移，一些腐蚀严重的极板在施镀过程中会发生断裂掉入镀槽，给产品质量、生产组织和安全带来极大的隐患。近几年来，国内镀铬阳极制造技术发展较快，但关于这方面的技术文献资料并不多，比较好的供应商主要集中在常州武进、江苏兴化及山东青岛等地，这些制造企业都在采用改进后的精密压铸加工工艺，即铅-锡合金阳极经精密铸造后，再多次采用专用设备冷挤压延成型，成品外观光亮平整，铅-锡合金结晶致密，金相组织成分均匀，抗压强度高，具有良好的导电性能。但由于供应商在阳极设计、生产制作过程中、阳极结构及加工工艺等方面仍存在一些缺陷，导致极板在连续使用过程中，吊装及铜排芯部导电部位容易产生过热、出现孔洞甚至发生断裂等缺陷。根据多年来积累的实践经验，在压延阳极制造新技术的基础上，对原有镀铬阳极板的结构进行了优化设计，并制订了详细的阳极棒加工制作标准，提高了镀铬阳极的产品质量和使用寿命。

1 镀铬阳极设计原理

在电沉积过程中，影响镀层质量的几何元素包括阴极和阳极的形状和尺寸，阴极和阳极在镀槽中的分布情况、镀槽形状、阴阳极间的距离等。这些因素对分散能力的影响，一方面会造成阴极各部位到阳极的距离不同，另一方面也会造成各部位对电流的屏蔽和产生"尖端或边缘"效应，直接影响到阴极表面电力线分布的不均匀性，造成工件表面的电流分布也不均匀［1］。

改善分散能力的有效途径之一，可以在尽可能的条件下，增大阴极到阳极的距离或尽可能减小阴极各部位到阳极的距离差异。由于增加阴极工件到阳极的距离受到镀槽形状和尺寸的限制，因此主要方法是减小阴极各部位到阳极的距离差异。在电镀生产过程中，应当根据工件的具体形状和尺寸，选择阳极的形状及安装位置。阳极的形状特别对分散能力及覆盖能力低的电镀液关系重大。通常设计阳极时，原则上是仿形，即阳极的工作面要求与被镀工件表面形状基本类似，阳极的形状也应该根据阴极工件的几何形状来决定［2］。对于大部分辊轴类零件，阳极应设计为圆柱形，分布在阴极工件周围，电流从正反面通过，电力线分布较均匀，最好避免采用平板形阳极［1］。另外要求阳极、阳极钩及与阳极杠接触部位有足够的导电截面积，确保导电良好，否则会将部分电能转变为热能损耗掉，并且会造成镀液温度上升。

目前，国内企业在电镀铬生产中通常采用铅-锡(6% ～8%锡)合金阳极。研究表明，铅合金中加入锡可以显著提高其耐蚀性能，减少其阳极膜电阻，同时这些性能的改善随锡含量的增加更为显著［3］。阳极所含金属材料成分的纯度、制造工艺、几何形状及结构等，都会对沉积层在阴极上的分布、镀层质量、生产效率、加工成本及镀液污染的程度等造成直接的影响，因此，制作镀铬阳极各金属原材料成分质量分数都要求在99.9%以上，否则将会导致镀液中的金属杂质累积性的增加［4-5］。

新阳极最好带电入槽，阳极表面会很快生成一层暗褐色的PbO2［5］。暗褐色PbO2是一种正常的覆盖层，它可以导电并保护阳极表面在受到铬酸浸蚀时难以生成导电性很差的黄色铬酸铅膜。在不通电的情况下，镀铬液中的铅合金阳极，由于受到铬酸浸蚀而在其表面形成导电性很差的黄色铬酸铅(PbCrO4)膜，使槽电压升高，甚至导致阳极不导电，对工件镀层质量造成严重影响。因此，不生产时，要及时将阳极吊出，洗刷干净，浸在清水槽中［6-7］。

根据国内压延铅-锡合金阳极制作现状，结合近年来的实际生产情况，发现平板型阳极在制作和电镀应用过程中，主要存在的问题。

1)结构设计存在不合理性。在电沉积过程中，由于压延铅-锡合金阳极板与紫铜排连接处横截面为一长方形，在电镀过程及工件镀后水洗过程中，铬酸残液容易在此处积存，腐蚀紫铜，并将会逐渐渗入铜排与铅-锡合金的夹缝中。由于金属电极电位的差异，会构成原电池，加剧极板腐蚀，造成极板中的铅-锡合金与铜排之间间隙越来越大，最终在电沉积过程中由于接触电阻过大，使铅-锡极板局部发热，熔融形成孔洞。长期使用，不但会造成工件铬层不均匀，而且会导致极棒导电不良，在其表面形成黄色铬酸铅(PbCrO4)膜，污染镀液并从过热部位断裂，掉入镀槽;

2)铜排浇注长度过短。连续生产条件下，镀铬溶液不断蒸发，随着液面不断下降至铜排浇注处，如不及时补充槽液，该部位很容易产生过热现象，导致极板内部铅-锡合金局部发生熔融，造成局部出现孔洞，导电能力急剧下降;

3)对于辊轴类零件，就镀层的均匀性而言，在镀槽圆周方向均匀分布的圆柱形阳极明显优于平板型阳极;

4)平板型阳极在制作、运输、装挂及使用过程中较易产生弯曲变形;

5)国内阳极供应商在镀铬阳极制造过程中存在不规范的行为，锡含量往往偏低。行业内也缺乏相应的合金成分检测标准和镀铬阳极制作技术规范。

2 镀铬阳极简图

某镀铬工件，d=220mm，l=2000mm(外形尺寸)，采用平板状铅-锡合金阳极，详细尺寸如图1所示。

图1 铅-锡合金阳极板

优化改进后的棒状(圆柱形)铅-锡合金阳极见图2。

图2 铅-锡合金阳极棒

3 新型阳极棒设计思路

在实际生产中，对于大型轴类镀铬零件，设计镀铬槽大多为立式结构。为获得厚度均匀的镀层，一般铅-锡合金阳极装挂形式为沿圆周方向垂直悬挂，均匀分布;对于复杂零件则需采用辅助阳极、象形阳极或局部用绝缘材料屏蔽等方法。本文中新型阳极棒的主要设计思路如下:

1)从安全角度考虑。由于图1、图2所示单根极棒质量约130kg，最大电流负荷为1000A，设计单个紫铜挂钩规格为50mm×12mm，导电截面积为600mm2。考虑以上因素，极棒紫铜挂钩位置增加了钢结构加固板，采用不锈钢螺栓紧固后，铜焊连接;

2)对于辊轴类电镀零件。根据其镀层具体技术要求，电沉积过程中阳极电力线分布的均匀性以及需克服尖端及边缘电流效应，将原有平板形阳极板改为圆柱形阳极棒;

3)由于新型阳极采用压铸冷挤工艺，极棒与铜排浇注成型后，结合强度非常高。在设计过程中，取消了原有极板中间的增加加强铁芯的结构，适当延长了铜排的浇注长度，既提高了其在电解质溶液中的耐蚀性，又防止了芯部铜排由于电镀液位过低产生过热现象，延长了极棒的使用寿命;

4)设计时将铅-锡合金阳极板与紫铜排连接处结构改为圆锥形。在电镀过程及工件镀后水洗过程中，铬酸残液很难在此处积存，延长了极棒的使用寿命;

5)由于阳极在液面交接部位通过的电流密度较大，易熔断，且较易受到化学和电化学作用的腐蚀，因此包铅外露部分需做防腐处理，通常采用用耐铬挂具胶涂覆。

6)设计技术要求紫铜板非接触导电部位需做搪锡处理。

4 新型镀铬阳极棒技术要求

1)金属材质成分要求，(8% ±0.5%)Sn，其它为 Pb，杂质 w≤0.5%;

2)铅-锡合金阳极棒按图纸及技术要求加工，熔模成型，铸件尺寸应符合图纸要求;

3)采用最新压铸工艺加工，经精密铸造和专用设备多次冷挤，压延成型，阳极合金成分均匀，无偏析现象，结构致密，强度高，不易弯曲，导电能力优良，电沉积过程中阳极渣极少;

4)铅、锡和铜等原材料标号均为国标1#，质量分数≥99.9%，为国产优质品牌，保证其品质;

5)浇注时，铜与铅-锡接触部分氧化物去除干净，确保结合良好;整体无砂眼、冷隔、缩松、气孔及氧化物夹渣等影响机械性能及使用寿命的缺陷存在;

6)铜挂钩按图纸要求加工，确保压延极棒结构紧固，导电良好，吊装便捷、安全可靠，使用寿命较长;吊钩需上紧固螺栓，材质采用不锈钢1Cr18Ni9Ti，并做防腐处理;

7)铜排需做搪锡处理，包铅外露部分需做防腐处理(除90°折弯内角与阳极座接触面外)，一律用挂具胶涂覆，确保不会被铬酸腐蚀;

8)成品铅-锡合金阳极棒圆柱度≤0.1mm/m。

5 镀铬阳极质量检测

1)用外径千分尺、游标卡尺等测量工具检测阳极各部位几何尺寸，均在允许公差范围内。

2)采用金属分析仪检测两种阳极成分，见表1。

表1 压延铅-锡合金阳极成分

从表1可以看出，按照新阳极技术标准，同一厂家制作的新型压延阳极板与阳极棒合金成分比较接近，Pb与Sn的含量符合技术要求，杂质w≤0.5%。

6 改进后应用效果

1)节约电能。在同一镀槽(d1000mm×3000mm)中，保持溶液成分、浓度、初始温度、工装夹具及施镀时间等条件不变，对同种钢铁零件(d220mm×2000mm)分5批次共10件进行连续施镀。在阴极I为2500A时，采用原有铸造阳极板，测得槽电压平均值U为12.6V;而采用压延阳极板，在阴极I为2500A时，测得的槽电压平均值U为11.9V。由于两种极板结构、规格和截面积(120mm×20mm)完全相同，据此计算，选用新型压延铅-锡合金阳极可节电5.56%。

2)使用寿命对比。经生产验证，连续生产条件下，压延阳极棒使用3年，表面状态良好，外观呈暗褐色，有轻微腐蚀，但无起皮脱落及形成孔洞等现象，大大减轻了阳极泥渣对镀液的污染;而采用普通铸造极板，同等工况，3～6个月镀铬阳极表面即会逐渐出现上述缺陷，使用寿命一般不超过1年;采用压延阳极板，1年～1.5年，极板表面无起皮脱落现象，但部分极板表面形成导电性很差的黄色铬酸铅(PbCrO4)膜，且端头铜排与铅-锡合金之间的夹缝越来越大，局部熔融形成孔洞，出现断裂掉槽现象，使用寿命一般不超过2年。

3)镀铬层质量。将镀铬后机件放在无反射光的白色平台上，光照条件为40W日光灯。用肉眼进行观察，保持眼部与工件距离为750～800mm［8］。经检测，铬镀层表面平滑，结晶均匀细致，镀层表面无针孔、麻点、起瘤、脱皮、起泡、色泽不匀及斑点等缺陷，克服了采用普通铸造极板电镀时，非电解质、电解质附着在基材或镀层上，产生麻坑或气流痕迹以及结瘤等缺陷。

根据GB/T4956-1985磁性金属基体上非磁性覆盖层厚度测量方法［8］，采用时代TT260涂覆层测厚仪，对上述轴类零件(d220mm×2000mm)的镀层厚度进行测量。采用压延阳极板，圆周及轴向铬层δ为0.052～0.063mm。而采用压延阳极棒，圆周及轴向铬层δ为0.06～0.065mm，均匀性较好。

7 结论

采用设计改进后的新型铅-锡合金阳极棒，电镀铬时电力线分布均匀，改善了镀液的分散能力;耐蚀能力，阳极泥渣量极少，减轻了对镀液的污染，镀层表面质量得到了显著提高。经生产验证，使用寿命已从普通极板的1年左右提高到3年以上，节电约5%。

［1］王兆华，张鹏，林修洲，等.材料表面工程［M］.北京:化学工业出版社，2011:72-75.

［2］曾华梁，吕仲达，陈钧武，等.电镀工艺手册［M］.北京:机械工业出版社，1997:240-241.

［3］李党国，周树根，张娟，等.锡含量对铅-锡合金在硫酸溶液中钝化膜性能的影响［J］.中国科学，2007，37(4):335-338.

［4］章葆澄.电镀工艺学［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1993:121-126.

［5］屠振密，韩书梅，杨哲龙，等.防护装饰性镀层［M］.北京:化学工业出版社，2004:269-270.

［6］王洪奎.镀铬工艺中的阳极［J］.电镀与精饰，2011，(33)4:39.

［7］李旭东，唐超，黄久贵，等.镀铬铁领域用铅基阳极的发展及现状［J］.上海金属，2013，(06):57-60.

［8］全国金属与非金属覆盖层标准化技术委员会.覆盖层标准应用手册［M］.北京:中国标准出版社，1999:766-788.