细长窄深槽类带钩零件环保铬镀层的制备与表征

洪子康，骆祎岚，罗 晗，朱巧莲，朱世根*

（1.东华大学 机械工程学院 纺织装备教育部工程研究中心，上海 201620； 2.义乌云溪新材料科技有限公司，浙江 义乌 322000）

电镀铬层具有较高的硬度、优良的耐磨性，不仅可以提高零件的使用性能，延长零件的使用寿命，而且在大气中很稳定，能长时间保持光泽，因此也具备优良的装饰作用［1］。经编机槽针是经编机上一个关键的零件，在编织过程中与针芯相互配合运动，共同完成经编机的成圈过程。但针芯与针槽长时间地做高速、往复相对直线运动会导致针槽边缘处磨损变薄，甚至形成刃口切断纱线，从而影响针织品的质量与产量［2-4］。因此，需要通过在槽针表面镀上一层铬来提高槽针表面的硬度并达到良好的装饰效果。

槽针是一个典型的细长窄深槽类带钩零件。目前已有的槽针表面电镀硬铬的工艺，由于其使用的六价铬硬铬镀液的分散能力和覆盖能力较差，针槽内壁表面获得完整的电镀覆盖层的同时要求细钩不烧焦，难度很大。并且，传统的六价铬硬铬镀液毒性极大，对人体有害；电镀生产过程中因析氢而产生铬雾，并产生大量污水，对环境污染极大［5］。而三价铬镀液的分散能力和覆盖能力均优于六价铬镀液，有可能更适合细长窄深槽类零件的施镀；另外，三价铬镀液毒性低，仅为六价铬的1/100，电镀过程中不产生铬雾，废水也容易处理。因此，很有必要使用环保的三价铬电镀技术对细长窄深槽类零件的关键部位进行镀铬的实验研究。本文从镀液性能和环保角度出发，开展三价铬镀铬的研究，并结合热处理工艺，旨在在细长窄深槽类带钩零件的槽内壁表面获得完整的电镀覆盖层且细钩不烧焦。

1 实 验

1.1 实验样品

实验样品为细长窄深槽类带钩零件。典型样例为经编机槽针零件，基体为SK5钢，表面硬度约为600~650 HV，零件长度约51 mm、宽约3 mm、厚约0.5 mm，一端带有针钩，针身部带有细长窄深凹槽，槽长约为19 mm，槽宽约0.3 mm，槽针整体结构如图1所示。

图1 槽针整体结构图Fig.1 Structure diagram of groove needle

由于编织过程中摩擦磨损主要发生在针钩和针槽处，故只需要求对槽针实施局部电镀，如图2所示。

图2 槽针电镀部位示意图Fig.2 Schematic diagram of plating position of groove needle

1.2 工艺流程

具体步骤：机械擦磨→有机溶剂除油→超声波除锈→酸洗活化→化学镀镍→挂镀三价铬→干燥→热处理→抛光擦亮。每道工序之间都要使用去离子水冲洗。

1.3 性能测试

采用目测法观察镀层是否平整光滑，针槽和针钩处是否均匀地被镀上一层铬，且无烧焦结瘤、起皮、起泡、开裂等缺陷出现，并使用Keyence VHX-1000E超景深三维显微镜进一步观察槽针外表面、针槽内壁以及针钩处镀层的表面形貌。采用日立S-4800场发射扫描电子显微镜（SEM）观察镀层微观形貌。采用日立S-4800场发射扫描电子显微镜附带的能谱仪测定镀层化学成分。采用日立理学D/max-2550VB/PC型X射线衍射仪（XRD）检测镀层相结构，CuKα靶，工作电压50 kV，工作电流200 mA，扫描速率8 °/min，扫描范围10~80 °。

采用划格法检测镀层与基体的结合力。具体操作为用刃口磨成30 °锐角的硬质划刀在槽针表面镀层划边长为1 mm的正方形格子。划线时，压力应该足够大到划刀能够一次性穿透镀层到达基体金属。观察格子内的镀层是否脱离基体金属，若镀层没有从基体金属上剥落，则说明镀层与基体金属结合良好。

采用上海泰民光学仪器有限公司生产的HXD-1000TM/LCD数字式维氏硬度计测量镀层的显微硬度，载荷100 g，加载时间15 s。沿着槽针镀层边缘到中心部位，每隔一定的距离打一点，共打5个点，取其算术平均值作为镀层显微硬度的测量结果。

2 结果与讨论

2.1 镀层形貌

2.1.1 镀层的宏观形貌

用美工刀将槽针一侧掰开，用于观察针槽内壁镀层。图3（a）和3（b）分别表示的是槽针外表面和槽针针槽内壁镀层的情况，可以看出，所得镀层外观光亮光滑、均匀，没有出现起皮、起泡等缺陷。图3（c）是槽针针钩部位在超景深显微镜下的放大图，可以看出，针钩部位被均匀地镀上一层铬，无烧焦结瘤的现象出现。从图3（d）也可以看出，槽针针槽底部镀层良好。无论是目测还是在超景深显微镜下放大观察，都表明本实验达到了在槽针关键部位镀铬的基本要求和一定的外观要求。

图3 槽针外表面、针槽内侧壁、针钩及针槽槽底镀层的外观照片Fig.3 Exterior photos of the outer surface， inner side wall， hook and the bottom coating of the groove needle

2.1.2 镀层的微观形貌

图4为槽针电镀镀层盐浴热处理后的SEM照片。从图4中可以看出，热处理后镀层带有一些微裂纹。这是因为在电镀过程中，会不可避免地发生析氢副反应。由于析氢反应的存在，在镀层金属沉积的过程中，镀层必定夹杂了大量的氢原子。这些氢原子在加热及后续热处理时会不断地从镀层中析出，造成镀层体积收缩，从而在镀层内部产生收缩应力。为了释放这种应力，镀层就会断裂从而产生裂纹［6］。

图4 镀层热处理后镀铬层的SEM照片Fig.4 SEM images of chromium coatings after heat treatment

2.2 镀层的元素成分

采用扫描电子显微镜附带的能谱仪在槽针镀层上随机取几块区域进行扫描，结果发现这几块区域的分析结果并无太大差异，如图5所示，对应的半定量成分分析结果如表1所示。从表1中可以得知，镀层的主要元素为Cr元素，含量达到95.95 %，但镀层中还含有少量的C元素，质量分数为2.89 %，同时还含有一些微量的杂质元素，约占1.16 %。

表1 样品镀层的EDS半定量成分分析结果Tab.1 Result of semi-quantitative EDS analysis for the elements in a coating sample

图5 样品镀层的EDS能谱图Fig.5 EDS spectrum of sample coating

2.3 镀层的相结构

图6所示为所得镀铬层的XRD谱图，从图6中可以看出，在2θ为44.44 °、64.78 °和81.94 °处出现明显的衍射峰，结合金属铬的标准PDF卡片发现衍射峰完全一致。由此说明所得镀层为铬镀层。

图6 镀层的XRD谱图Fig.6 XRD pattern of coating

2.4 镀层的结合力

经过划格实验后，方格内的镀层均无起皮和脱落现象，说明镀层与基体结合良好。

2.5 镀层的显微硬度

镀铬层的耐磨性与其显微硬度有一定的关系。通常硬度越高，耐磨性越好。表2中分别给出了槽针镀层热处理前和热处理后的显微硬度值。从表2中可以得知，槽针基体的硬度为625 HV，但槽针镀层未经热处理时，其显微硬度约为539 HV，低于槽针基体硬度，而经过一段时间的热处理后，显微硬度显著增加到约730 HV。这可能是因为在热处理的过程中，镀层内部组织结构发生了转变，由此产生的效果提高了镀层的硬度。另外，由于镀层中含有少量的C元素，在加热中可能会出现与Cr元素反应生成的新硬质相，这些硬质相均匀弥散在晶粒间，阻止了晶粒的相对移动，从而使镀层整体硬度增强［7］。

表2 热处理前、后镀铬层的显微硬度值Tab.2 Micro-hardness of chromium coatings before and after heat treatment

3 结 论

（1）三价铬电镀铬工艺，可以在细长窄深槽类带钩零件的槽内壁表面获得完整的电镀覆盖层，且细钩不烧焦，镀层光亮平滑。三价铬电镀比传统的六价铬电镀的工艺性更好。

（2）采用划格法对镀层与基体的结合力进行的检测表明，三价铬镀层与基体结合良好。

（3）三价铬电镀镀层的平均硬度仅为539 HV，但镀层经热处理后，平均显微硬度可达730 HV，略高于传统六价铬工艺制备的镀层的硬度。

（4）三价铬电镀工艺对环境污染少。铬镀液毒性低，电镀过程不产生铬雾，废水容易处理。相对于传统的六价铬电镀工艺，三价铬电镀工艺更符合环境保护的要求，具有重要的现实意义。