硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝的應用及維護

董建利

（杭州頓力實業有限公司，浙江 杭州 311107）

硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝的應用及維護

董建利

（杭州頓力實業有限公司，浙江 杭州 311107）

簡要概括了三價鉻電鍍在我國的發展情況，論述了三價鉻電鍍工藝的優缺點，介紹了硫酸鹽體系三價鉻電鍍工藝在實際生產中的應用，重點闡述了鍍液組成的維護，工藝條件的控制，以及雜質的影響與處理。

三價鉻；裝飾性電鍍；硫酸鹽；工藝維護

Author’s address:Hangzhou Dunli Industry Co., Ltd., Hangzhou 311107, China

1 前言

鍍鉻層具有良好的硬度、耐磨性、耐蝕性及裝飾性，不僅應用于裝飾性鍍層，而且大量用于功能性鍍層。至目前，鍍鉻已經成為電鍍行業中不可或缺的鍍種之一。長期以來，鍍鉻采用六價鉻電鍍工藝，這種電鍍體系使用毒性很大的鉻酸，不僅對環境造成了嚴重的污染，而且嚴重地損害了現場操作人員的身體健康。這在當今世界倡導綠色環保、節能減排的大勢下已引起世界各國的強烈關注。各國政府加強了立法管理，如美國對六價鉻的排放標準從 0.05 mg/L降低為0.01 mg/L，并從1997年開始執行；歐盟2003年通過RoHS法規，開始限制并逐漸禁止六價鉻的使用。歐盟汽車報廢指令要求從2007年7月1日起禁止在耐蝕性鍍層中使用六價鉻[1]。隨著人類對環境的重視，一種替代重污染、具有節能減排作用的環保新工藝──三價鉻電鍍鉻，不斷被研究，且越來越普遍地受到認可而廣泛應用。

2 三價鉻電鍍在國內的發展歷史

我國自20世紀70年代末開始，以哈工大為代表的科研人員對三價鉻電鍍工藝進行了研究，主要對甲酸鹽體系、氨基乙酸體系、乙酸鹽體系等進行了實驗研究和理論探討。20世紀80年代，甲酸鹽–乙酸鹽體系鍍液應用于小批量試生產，并在兩方面取得了成果：首先通過微銻電極測得了陰極過程的特征，并通過脈沖技術獲得了近20 μm厚的鍍鉻層；而后又采用三價鉻鍍液得到了鉻鎳合金。20世紀90年代后的研究主要集中在研究裝飾性鍍鉻的新工藝，提高鍍液的穩定性，改進陽極，以及改善鍍層外觀色澤和鍍層厚度。在裝飾性鍍鉻方面，廣州二輕研究所經過多年的研究和努力，在硫酸鹽三價鉻電鍍和鈦基體DSA涂層陽極兩方面取得了突破性的進展[2-3]，率先在浙江某企業通過中試試驗并已批量投產應用，取得了良好的經濟效益和社會效益。

3 硫酸鹽三價鉻鍍鉻的優點[4-5]

(1) 毒性低。三價鉻鍍鉻溶液中三價鉻離子的含量(4 ～ 6 g/L)只有六價鉻鍍鉻中鉻離子含量的1/7甚至更少，其毒性僅是六價鉻的1/100。污水處理也比較容易，只需將pH提高至8以上便可生成Cr(OH)3沉淀。由于濃度低，鉻酸霧也大為降低，操作時帶出的鍍液損失也大大減少。

(2) 鍍液具有較好的分散能力和覆蓋能力，提高了產品良品率，尤其是對于形狀復雜的產品，其一次合格率大大提高。

(3) 鍍液溫度范圍寬，一般可在15 ～ 60 °C范圍內工作，硫酸鹽體系三價鉻在45 ～ 55 °C較佳。

(4) 電鍍過程的間斷性。電鍍中途斷電或從鍍槽中取出產品進行觀察，再放回槽中電鍍，不影響鍍層的結合力，但裝飾性鍍層表面會出現發霧現象。

(5) 電流密度范圍寬，可以從0.54 A/dm2變化到100 A/dm2，而且在高電流密度下，鍍鉻層不致燒焦。其電流效率最高可達50% ～ 60%。

4 三價鉻電鍍工藝的不足

(1) 作為裝飾性鍍層，其外觀偏黑、偏黃，近似不銹鋼的色澤，得不到像六價鉻鍍層那樣帶淺藍色的銀白色外觀。

(2) 鍍液成分較多，對于現場操作人員而言，控制較難。

(3) 鍍液對各種雜質較敏感，雜質的容忍度較低。如果雜質超過以下含量會對電鍍槽液性能造成巨大的影響和破壞，以至于不能鍍出合格產品：鎳≤50 mg/L；銅≤10 mg/L；鋅≤30 mg/L；三價鐵≤10 ～ 30 mg/L；六價鉻≤5 mg/L。

(4) 裝飾性鉻鍍層不易加厚。一般裝飾性鍍鉻電鍍時間為2 ～ 5 min，鍍層厚度只有零點幾微米，且鍍層的硬度較低，抗劃傷性較差，也造成實際產品的抗蝕性較差，所以，一般鍍后要進行鈍化封閉或浸有機涂層處理。

(5) 陽極使用不溶性材料。當陽極涂層受到損壞時，在通電情況下就容易在陽極區產生六價鉻，當六價鉻含量超過5 mg/L時，鍍液性能惡化，不能鍍出合格的鍍層，甚至無鉻層沉積。

5 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝的應用

筆者之前所在的史丹利(中山)五金有限公司從1998年開始引進麥堅開寧的硫酸鹽型三價鉻電鍍工藝，配置了一個2 500 L的鉻槽，主要生產各種系列的門鉸。由于當時沒有這方面的實踐經驗，幾乎鍍不出合格的產品。隨著經驗的積累，到2000年時擴建一條三價鉻環形自動線，鍍鉻槽液約4 500 L，基本能夠穩定地連續生產運行。目前，筆者所在公司主要以各種線材、管材、板材為原料，生產風扇網罩、廚衛、園藝、日用品等系列產品，從2004年至今已相繼配置硫酸鹽型三價鉻鍍鉻溶液合計2萬多升，目前擁有2條三價鉻手工操作線，2條三價鉻全自動生產線。從2004年至今運行穩定、良好。

6 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝及生產過程中的維護

筆者多年以來一直在生產一線從事硫酸鹽體系三價鉻電鍍工藝的應用和維護，對目前使用的以進口原材料為主的三價鉻工藝(如美堅化工的硫酸鹽體系)，或者全部以國產材料為主的三價鉻工藝(如廣州二輕研究所BH-88硫酸鹽體系)，都有比較全面的認識。現結合實踐經驗，總結幾點心得。

6. 1 導電鹽

提供溶液的導電性，質量濃度240 ～ 350 g/L，最佳在310 ～ 340 g/L。實際生產中，對于形狀較簡單的鐵線或板材產品，導電鹽控制在240 ～ 320 g/L，這樣不僅可以鍍好裝飾性鉻層，而且可以減少藥水帶出損耗，降低生產成本。但對于形狀比較復雜的產品，導電鹽質量濃度控制在300 ～ 350 g/L，鍍液才有較好的覆蓋能力，從而提高產品的一次合格率。

6. 2 開缸劑

提供三價鉻離子，體積分數為80 ～ 120 mL/L，最佳在100 mL/L。若槽液帶出損耗較大，則除了根據化驗結果進行補充之外，在日常的維護中可每班用開缸劑代替一次補給劑，用于維持鉻鹽的濃度，穩定槽液性能。

6. 3 輔助劑

輔助劑是光亮劑的載體，有助于獲得光亮的鉻鍍層。其體積分數為7 ～ 12 mL/L，最佳為9 ～ 10 mL/L。日常維護時要少加勤加，當一次添加量達到0.5 mL/L時，需以1 A/dm2電解處理10 min以上，否則會造成鉻層表面發霧。

6. 4 濕潤劑

體積分數2 ～ 3 mL/L，將鍍液的表面張力降低至29 ～ 34 dyne/cm(即29 ～ 34 mN/m)，潤濕產品表面，避免產生針孔，促使鍍層光澤均勻一致。生產中可每班補加適量。日常定期去除有機雜質時用活性炭(0.15 ～0.35 g/L)在過濾機中連續過濾吸附，可保持槽液潔凈，但會吸附掉部分潤濕劑，應及時補充20% ～ 40%的濕潤劑。

6. 5 DSA陽極

在生產中，DSA陽極涂層在強電流作用下，或多或少都存在著自然損壞，或由于操作不當，陰、陽極短路造成極板涂層人為損壞，這就加速了其產生有害的六價鉻離子，導致鍍液不穩定。所以，生產時為了避免陽極的人為損壞，可以用耐酸堿的不溶性尼龍網將陽極板進行包裹，這樣既不影響極板導電，又可以有效阻擋陰極的產品與DSA陽極接觸，防止產生短路碰火。另外還要定期取出陽極，觀察涂層損壞情況，及時更換新的陽極板。

6. 6 緩沖劑

用以穩定和保持鍍液pH在工藝范圍。硼酸是良好的緩沖劑，可按定期化驗分析結果進行補充。

6. 7 pH

范圍3.0 ～ 3.7，最佳控制在3.3 ～ 3.4。鍍液的pH太低會影響覆蓋能力。當pH高時，產品的高電流密度區會產生燒焦現象，即尖端鍍層出現發藍或發黃現象。pH絕對不能大于 3.8，否則鍍液容易失效，并且無法調整。

6. 8 工作溫度

通常40 ～ 55 °C，最佳48 ～ 52 °C。在這樣的溫度范圍內可以采用較高的電流密度，提高鍍液的覆蓋能力，提高產品的一次合格率。

6. 9 鍍鉻時間

裝飾鍍鉻時間一般控制在2 ～ 5 min。時間太短，鍍層較薄，硬度低、抗劃傷性差；時間太長，則鍍層外觀易產生藍霧狀，不清晰。

6. 10 鍍后處理

雖然有研究資料表明，三價鉻鍍層的特殊晶格結構使它比六價鉻鍍層有更多的優點，但是實際生產中，三價鉻鍍層的抗蝕性與六價鉻鍍層相差較遠。所以，三價鉻鍍后必須對產品進行必要的封閉處理，以增強其抗蝕性及使用壽命。常用的方法是鈍化處理或浸有機涂層處理。

7 雜質對鍍液的影響及處理措施

7. 1 雜質的影響

銅、鎳、鐵等金屬離子易造成三價鉻鍍鉻工件走位差、低區發黑、鍍層不易增厚、鍍后易變色等故障。有機雜質易造成鍍層發霧、光亮范圍變窄等故障。六價鉻會使鍍液性能惡化，以至于不能鍍出鉻層。

7. 2 處理措施

盡管三價鉻鍍液對雜質比較敏感，容忍度較低，日常維護時需經常用活性炭吸附有機雜質和用小電流電解去除金屬雜質，維護比較繁瑣，但只要以優化的工藝流程作為保障，定期進行電解除雜處理，也很容易做到三價鉻工藝正常連續工作。幸運的是，電鍍研究工作者一直沒有停止對三價鉻工藝的深入研究和探索，一種金屬“除雜劑”可以有效去除影響槽液性能的鎳離子、銅離子、鐵離子等雜質。用赫爾槽試驗調整驗證后，加入除雜劑并充分攪拌，再進行過濾，經過電解，即可恢復正常鍍液狀態。

7. 3 防止槽液污染的最好方法

嚴格遵守電鍍工藝流程，嚴格按照作業指導書操作，養成各個工序的容器、量杯專用，防止交叉污染。養成每天打撈掉入鍍槽產品的良好習慣，并以制度約束。這樣才不會因為人為的污染而破壞槽液，否則，處理起來會相當費時費力。

8 結語

三價鉻電鍍能否穩定運行，關鍵在于設計合理的工藝流程，減少人為影響因素；嚴格把控操作環節，防止交叉污染，嚴格遵守并控制工藝條件。

[1] 楊哲龍, 屠振密, 張景雙, 等. 三價鉻電鍍的新進展[J]. 電鍍與環保, 2001, 21 (2): 1-4.

[2] 胡耀紅, 劉建平, 陳力格, 等. 硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝[J]. 電鍍與涂飾, 2006, 25 (1): 43-45.

[3] 胡耀紅, 陳力格, 趙國鵬, 等. 三價鉻鍍鉻陽極的研究[J]. 材料保護, 2006, 39 (4): 26-28, 31.

[4] 張允誠, 胡如南, 向榮. 電鍍手冊[M]. 3版. 北京: 國防工業出版社, 2007: 277-279.

[5] 張招賢, 趙國鵬, 胡耀紅. 三價鉻電鍍[J]. 電鍍與涂飾, 2005, 24 (12): 50-53.

Application and maintenance of sulfate trivalent chromium plating process //

DONG Jian-li

The development of trivalent chromium plating in China was briefed. The advantages and disadvantages of trivalent chromium plating process were described. The application of sulfate trivalent chromium plating process in practical production was introduced. The maintenance of bath composition, control of process conditions, and effects and treatment of impurities were emphatically presented.

trivalent chromium; decorative electroplating; sulfate; process maintenance

TQ153.11

A

1004 – 227X (2011) 09 – 0024 – 03

2011–06–06

董建利（1970–），男，陜西人，大專學歷，化工中級工程師，從事金屬電鍍工藝的實際應用，擅長硫酸鹽體系三價鉻工藝的應用與維護。

作者聯系方式：(E-mail) hdongjianli@126.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]