掛具在電鍍過程中發(fā)揮著重要的作用，不同的掛具對(duì)鍍層的質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響，可以體現(xiàn)在鍍層厚度及均勻性方面，對(duì)于電鍍不銹鋼而言，利用改造掛具設(shè)計(jì)可以提高不銹鋼卷鍍銅鍍層厚度及均勻性。

316L奧氏體不銹鋼抗腐蝕、耐高溫、且機(jī)械性能好，作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于社會(huì)各領(lǐng)域中。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，往往需要將不銹鋼帶材裁切成規(guī)定尺寸，在其表面制備銅鍍層，銅鍍層的厚度及其分布的均勻度和完整性與帶材表層的防護(hù)性和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能有直接關(guān)系。掛具在電鍍過程中不可或缺，掛具設(shè)計(jì)的形狀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性會(huì)決定鍍層的厚度大小及其分布的均勻度。針對(duì)短帶材(≤2m)的鍍銅，考慮到連續(xù)電鍍的實(shí)施難度和經(jīng)濟(jì)性，本文通過卷鍍?cè)?16L不銹鋼上鍍銅，對(duì)掛具進(jìn)行多次改進(jìn)，以提高卷繞電鍍鍍層的厚度和均勻性。

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)帶材為316L不銹鋼(0Cr17Nil2Mo2)，0.1mm×10.0m m(厚×寬)，厚度偏差為±0.01mm，粗糙度Ra=0.373μm。掛具的制作材料為無氧銅條，將銅條裸露實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，另一方面通過在銅條表面包裹非金屬材料實(shí)現(xiàn)絕緣。

掛具的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用帶材的長(zhǎng)度為1~2m，利用普通掛具難以對(duì)其進(jìn)行電鍍。因此設(shè)計(jì)了一種比較簡(jiǎn)便的掛具，可以將帶材纏繞固定后，利用最上面的銅線接電后再電鍍，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  掛具結(jié)構(gòu)及帶材位置圖這種掛具會(huì)使帶材在棱柱部分與掛具之間的空隙變小，導(dǎo)致局部的濃差極化嚴(yán)重，帶材鍍銅后出現(xiàn)棱柱部位背面的鍍層很薄的現(xiàn)象，存在明顯豎痕，導(dǎo)致鍍層整體的均勻度低。

卷鍍銅試驗(yàn)

3.1 電鍍銅316L不銹鋼中的Cr、Fe在空氣中易氧化形成鈍化層，使鍍層結(jié)合力降低，對(duì)不銹鋼帶材表面進(jìn)行活化鍍鎳同槽處理后可得到結(jié)合力良好的鍍層。鍍銅液組成及工藝參數(shù)為：CuSO?·5H?O 200g·L?1、H?SO? 60g·L?1、Cl? 60~80mg·L?1、添加劑95mg·L?1，溫度20~30℃，時(shí)間20min，電流密度2A·dm?2。鍍銅工藝流程為：上掛→堿性除油→清洗→同槽活化電鍍鎳→清洗→電鍍銅→下掛→清洗→防變色處理→清洗→冷風(fēng)吹干→干燥保存。電鍍過程陽極采用雙仿形陽極(如圖2(a))，掛具豎立放置，圖2(b)是鍍銅示意圖

圖2  雙仿形陽極(a)鍍銅剖面(b)示意圖3.2銅層厚度測(cè)量金相顯微鏡法精度高，需要將鍍層斷面通過取樣、冷鑲嵌、打磨、拋光、刻蝕步驟制樣(圖3(a))后才可以測(cè)量鍍層的厚度。實(shí)驗(yàn)中采用BM-ML1000D透反射高清金相顯微鏡對(duì)鍍層厚度進(jìn)行觀測(cè)，圖3(b)為試樣橫斷面金相圖片。

圖3  鍍層斷面圖

鍍層厚度分布均勻性評(píng)價(jià)

4.1 卷鍍銅層厚度分布均勻性評(píng)價(jià)帶材可以圍繞掛具三圈，每圈取8個(gè)特征點(diǎn)位(圖4)，分別為接觸掛具支腳的4個(gè)點(diǎn)位和不接觸支腳的4個(gè)點(diǎn)位，三圈共24個(gè)點(diǎn)位。帶材正對(duì)外側(cè)陽極的面為正面，另一面為背面，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)試三組數(shù)據(jù)，取平均值。

圖4  取樣部位示意圖利用均值、極差、樣本標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)定鍍層分布情況，公式如下：

標(biāo)準(zhǔn)差：

公式(1)中的п為樣本數(shù)，x?為均值。標(biāo)準(zhǔn)差反應(yīng)樣本數(shù)據(jù)的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越小，表明數(shù)據(jù)越聚集，對(duì)應(yīng)厚度分布就越均勻。如圖5所示為采用初始掛具卷鍍銅的鍍層厚度分布情況，鍍層厚度分布整體均勻性差。正面鍍層厚度較均勻，背面鍍層呈現(xiàn)奇數(shù)點(diǎn)位(掛具棱柱處)薄、偶數(shù)點(diǎn)位正面、背面鍍層厚度接近的特征。

圖5 銅層厚度分布立體圖4.2 掛具的改進(jìn)針對(duì)初始掛具的缺點(diǎn)，為降低濃差極化，使電流分布更均勻，做了以下改進(jìn)(圖6):方案1:在掛具棱柱與帶材接觸的部位增加了支腳，可以增加二者之間的空隙，如圖6(a)所示。該掛具的使用效果與最初的掛具相比有所改善，奇數(shù)點(diǎn)位鍍層背面的厚度明顯增厚。方案2:上述掛具在電鍍過程中控制內(nèi)、外兩側(cè)陽極與帶材的距離相等，但掛具沒有做絕緣處理，因此帶材兩側(cè)的電流分布并不均勻，厚度分布也不均勻(圖7(a))。鑒于此，方案2在掛具周圍除兩端的導(dǎo)電部位都利用銅條自帶塑料包裹絕緣，如圖6(b)所示。

圖6 改進(jìn)的掛具結(jié)構(gòu)圖

方案3:上述方案掛具絕緣處理后，帶材后半段較為均勻，但[敏感詞]圈邊緣效應(yīng)比較嚴(yán)重，得到的鍍層厚(圖7(b))。并且由于帶材和掛具之間的導(dǎo)電點(diǎn)位少，部分點(diǎn)位背面鍍層厚度低于平均值。再次改進(jìn)的掛具將各點(diǎn)位的支腳與棱柱連通后再做絕緣處理，電鍍時(shí)增加輔助陰極，材料為不銹鋼，如圖6(c)所示。方案4:前者絕緣處理是用大量的生料帶纏繞在支腳附近，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)陽極和背面不銹鋼之間的空間再次變小，這使得背面的鍍層薄，但是比較均勻(圖7(c))。為了在絕緣條件下保證陰陽極之間有足夠的空間，對(duì)掛具做了如圖6(d)的改進(jìn)。將掛具的棱柱與帶材接觸的部位凹陷下去，起到支撐和導(dǎo)電的作用，同時(shí)用其固定內(nèi)側(cè)陽極，不接觸的部分用熱縮管包裹絕緣，并增加輔助陰極，鍍層厚度分布非常均勻(圖7(d))。

圖7 鍍層厚度分布圖改進(jìn)掛具的卷鍍銅層厚度數(shù)據(jù)如表1，最終方案得到的背面鍍層的厚度平均值提升至7μm，正、背面鍍層厚度均值僅差0.5μm，兩面鍍層標(biāo)準(zhǔn)差值均為0.4μm，鍍層厚度分布的均勻度得到進(jìn)一步改善。

表1 鍍銅層厚度分析

4.3 掛具影響銅層厚度分布的機(jī)理由法拉第[敏感詞]定律可知，在電鍍過程中，陰極沉積金屬的量與通入電流強(qiáng)度和通電時(shí)間呈正比，即陰極鍍層厚度的均勻性與陰極表面電流分布的均勻性有直接關(guān)系。如果電流在陰極表面分布均勻，則鍍層厚度分布均勻。設(shè)通過電解槽的電壓為U，忽略電極電阻，根據(jù)歐姆定律，通過電解槽的電流強(qiáng)度(1)為

公式(2)中R電液為電解液的電阻;R極化為電化學(xué)極化和濃差極化產(chǎn)生的電阻。因此，若想要陰極表面各點(diǎn)電流強(qiáng)度一致，需要盡量使各點(diǎn)R電液和R極化之和相等，同時(shí)降低電阻，提高電流效率。(1)濃差極化原理：在電鍍過程中，電極表面銅離子濃度隨著電極反應(yīng)的進(jìn)行而減少，初始掛具棱柱部位附近由于帶材與掛具之間的空隙小，銅離子少。同時(shí)由于掛具的阻礙，鍍液中銅離子的擴(kuò)散速度會(huì)變慢而不能及時(shí)補(bǔ)充電極附近消耗的銅離子，導(dǎo)致該部位銅離子的濃差極化。因此，初始掛具棱柱部位的背面鍍層厚度薄。(2)電流分布原理：由于忽略電極電阻，則陰極各點(diǎn)與陽極的電壓相等，設(shè)陰、陽兩極相距最近的長(zhǎng)度為ι近，最遠(yuǎn)為ι遠(yuǎn)，它們對(duì)應(yīng)的電流即近陰極的電流強(qiáng)度為Ι1，遠(yuǎn)陰極為I?，則可得，

公式(3)中ρ為電解液的電阻率;△ι=ι遠(yuǎn)-ι近，即遠(yuǎn)、近陰極與陽極距離之差;△φ/△j為陰極極化率。從公式可以看出若想使I?/I?→1，對(duì)掛具進(jìn)行改進(jìn)要控制△ι→0來提高電流分布的均勻度。方案4將帶材固定在掛具的棱柱上，在掛具可以垂直豎立的條件下，帶材也垂直，帶材各點(diǎn)位與陽極的距離就相等。(3)在電場(chǎng)作用下，離子運(yùn)動(dòng)的軌跡稱作電力線。當(dāng)陽極和陰極平行放置，電極完全切過電解液時(shí)，電力線才互相平行并垂直于電極表面，此時(shí)電流在陰極表面分布就均勻。陰極的邊緣和[敏感詞]電力線比較集中，電流密度大，相應(yīng)得到的鍍層厚，即邊緣效應(yīng)。為消除邊緣效應(yīng)，可以像方案4采用輔助陰極，輔助陰極是在電流大的地方增加一塊合適形狀的陰極，讓其消耗部分電流，使原來在鍍件邊緣集中的電力線分散在輔助陰極上，促使鍍件表面的電力線分布均勻(圖8)。

圖8  采用輔助陰極后電力線分布

同時(shí)在掛具不需要與帶材接觸導(dǎo)電的部分用非金屬材料絕緣，屏蔽一部分電力線，使電流分布均勻(圖9)。此外輔助陰極位于鍍槽的底部可以防止底部雜質(zhì)沉積在帶材上。

圖9  方案4電流分布圖通過改進(jìn)的鍍層厚度分布非常均勻，正面、背面鍍層的均值分別為7.5μm、7.0μm，鍍層厚度標(biāo)準(zhǔn)差降低至0.4μm。

結(jié) 論

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)的掛具大幅提高了不銹鋼帶材兩面鍍層的均勻度：改進(jìn)前正面、背面鍍層的標(biāo)準(zhǔn)差為1.6μm、1.8μm，改進(jìn)后正面、背面鍍層的標(biāo)準(zhǔn)差為0.4μm、0.4μm;背面鍍層的平均厚度由3.7μm提高至7.0μm。(2)設(shè)計(jì)掛具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，增大掛具與鍍件距離，采用輔助陰極都能有效提高鍍層分布的均勻度。

通過修改以上4種方案的掛具設(shè)計(jì)，可以為不銹鋼卷鍍銅鍍發(fā)揮著很大的優(yōu)勢(shì)，不僅可以增強(qiáng)厚度，還可以讓鍍層更加均勻。


        文章來源：電鍍與精飾文章作者：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院