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硫酸盐体系三价铬电沉积厚铬

冯忠宝  
【摘要】:铬镀层作为功能性镀层广泛用于要求高硬度、高耐磨的场合。因传统的六价铬毒性太大,人们希望采用三价铬电镀技术。氯化物体系三价铬电镀过程会产生对环境和人体有害的氯气,相比而言,硫酸盐体系三价铬电沉积更为环保。 三价铬电沉积存在着镀层难以增厚的问题,研制一种具有持续电镀能力的镀铬工艺显得尤为重要。 本文研究了不同硫酸铬浓度下的甲酸铵-羧酸I体系,确定了最佳硫酸铬浓度;并说明了甲酸铵、羧酸I和电镀工艺条件(pH、温度和电流密度等)对镀层厚度、光亮范围和粗糙度的影响,确定了最佳电镀工艺。 为提高沉积速率,研制了甲酸钠-羧酸I体系。在不加入硫酸铵的情况下,获得了较大的沉积速率,为0.76μm/min,加入硫酸铵后镀速出现明显下降,但是光亮性变好。在甲酸钠体系中,研究了镀液成分及工艺条件对镀层厚度和光亮范围的影响,并就甲酸铵和甲酸钠体系中工艺条件的影响做了对比。为提高镀液持续电镀能力,研制了一种含有复合缓冲剂能够在常温下电沉积的镀液体系,通过正交试验和单因素实验得出其最佳甲酸钠、羧酸II(SS)浓度和最优的复合缓冲剂比例,并得到了20μm厚光亮的铬镀层。 由SEM得知,硫酸盐三价铬电沉积得到的镀层表面是呈半球状凸起的瘤状物,随电沉积时间的延长而长大,热处理后凸起消失镀层出现微裂纹。经200℃热处理镀层硬度提高到835HV。由XRD谱图得知镀铬层为非晶态,200℃热处理后转变为晶态。 本文使用平衡移动法研究了三价铬与甲酸铵、羧酸I和SS等不同配位剂的络合比例,计算了稳定常数;通过Material Studio模拟计算了Cr~(3+)与各配位剂配位后的距离,为配位剂的选择提供了依据。通过MS计算发现,铵离子由于溶液中氢键的作用在硫酸盐和氯化物两种体系中会显示出不同的配位距离,这就解释了铵离子在两种体系中的不同作用机理。文章还研究了甲酸铵、甲酸钠和羧酸I浓度对阴极极化曲线的影响。由循环伏安曲线得知,三价铬的还原分两步进行,Cr~(3+)→Cr~(2+)和Cr~(2+)→Cr,羧酸I会使第二步还原电势负移,这样更加剧了析氢的进行,电流效率降低。电化学阻抗谱验证了三价铬还原是分两步进行的,在还原过程中会出现活性物质的吸附,此种物质以电感形式存在于等效电路中。


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