２０１３年１月　电镀与环保　第３３卷第１期（总第１８９期）　・１７・　

工艺参数对三价铬镀铬层粗糙度的影响　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｒ（ＩＩＩ）Ｃｏａｔｉｎｇ　

孔磊　，　胡会利　，　于元春　，　侯峰岩　，　屠振密　

（１．哈尔滨工业大学（威海）应用化学系，山东威海２６４２０９；　

２．上海宝钢设备检修有限公司表面技术研究所，上海２０１９００）　ＫＯＮＧ　Ｌｅｉ　，ＨＵ　Ｈｕｉ－ｌｉ　，　ＹＵ　Ｙｕａｎ－ｃｈｕｎ　，ＨＯＵ　Ｆｅｎｇ—ｙａｎ　，　ＴＵ　Ｚｈｅｎ－ｍｉ　

（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｔ　Ｗｅｉｈａｉ，Ｗｅｉｈａｉ　２６４２０９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔｈｅ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｂａｏｓｔｅｅｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　

Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１９００，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：　通过单因素实验研究了直流电镀和脉冲电镀的工艺参数对镀铬层粗糙度的影响。采用直流电镀，ｐＨ值较低时镀层　粗糙度增大较明显，镀层粗糙度随电流密度的增大而增大，基体粗糙度对镀层粗糙度也具有较大的影响。采用脉冲电镀，占　空比、频率、平均电流密度对镀层粗糙度有较大的影响；当占空比为４Ｏ　，频率为８０　Ｈｚ时，镀层粗糙度的增大最显著。镀铬　层的微观形貌呈半球凸起状；在脉冲条件下，镀层表面的凸起数量更多、形状和大小更均匀。　关键词：　三价铬镀铬；直流电镀；脉冲电镀；工艺参数；粗糙度　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＤＣ　ｐｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｐｌａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｉｎ　ＤＣ　ｐｌａｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｈｅｎ　ｐＨ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　ｌｏｗ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ａ　ｂｉｇｇｅｒ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｐｕｌｓｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｄｕｔｙ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ａｖｅｒａｇｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｌｌ　ｈａｖｅ　ａ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｎ　ｐｕｌｓｅ　ｅ１ｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｗｈｅｎ　ｄｕｔｙ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　４Ｏ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　８０　Ｈｚ．　Ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｃｏａｔｉｎｇ　ａｓｓｕｍｅｓ　ａ　ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｔｕｍｏｒ　ｓｈａｐｅ．Ｔｈｅ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｐｕｌｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｓｕｃｈ　ｔｕｍｏｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｉｎ　ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｓｉｚｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒｉｖａｌｅｎｔ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｐｌａｔｉｎｇ；ＤＣ　ｐｌａｔｉｎｇ；ｐｕｌｓｅ　ｐｌａｔｉｎｇ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　中图分类号：ＴＱ　１５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４７４２（２０１３）０１－００１７－０４　

０　前言　１　实验　

金属铬及其合金具有较高的耐蚀性、强度、硬　

度、导热性以及较低的氧化速率、摩擦因数、线性膨　

胀系数等令人满意的性能，并且在高温下也能保持　其优异的性能＿】　］。因此，镀铬层被广泛应用为装饰　

性镀层和功能性镀层。　

镀层性能与镀层的表面形貌和粗糙度有着非常　密切的关系［３－４］。粗糙度对镀层的耐磨性、减摩性、　被加工零件的精度以及光学性能等有影响。基体表　

面的凸凹不平导致漆膜在其上附着时产生互相咬合　的现象，粗糙度越大咬合力越强，附着力越大［ｃ］。粗　

糙度对腐蚀过程中的极化电阻和腐蚀电势也有影　响，从而影响镀层的耐蚀性ｌ＿６］。因此，研究粗糙度的　

影响因素是非常必要的。　１．１实验材料　实验在自制的塑料方槽中进行，其内部尺寸为　１００　ｍｍ×１００　ｍｍ×７０　ｍｍ。阳极采用石墨阳极，　

阴极采用４０　ｍｍ×２５　ｍｍ的紫铜片。　

１．２工艺流程　砂纸打磨一水洗一吹干一测量粗糙度　

稀盐酸活化—　水洗——＋电镀——＋水洗——＋吹　

干—　测量粗糙度—一计算结果　１．３镀液组成　

ＣｒＣ１。・６Ｈ２Ｏ　２１３　ｇ／Ｌ，配位剂３２．８　ｇ／Ｌ，　

Ｈ。ＢＯ。４０　ｇ／Ｌ，ＮＨ　Ｃ１　１７６　ｇ／Ｌ，添加剂适量。　１．４性能检测　

（１）粗糙度　

采用德国马尔公司生产的ＭａｒＳｕｒｆ　ＰＳ１型便携　

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（ＨＩＴ．ＮＳＲＩＦ．２００９１５４）

　Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ＆Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．１　

式粗糙度仪进行粗糙度的测量。选用平均粗糙度　

Ｒ　和峰值密度ＰＣ来表征粗糙度。选取试片中部的　

左、中、右三个位置进行粗糙度的测量，三个位置之　间的距离间隔为８　ｍｍ。用粗糙度仪测量粗糙度　

时，探头扫过的痕迹与砂纸打磨的划痕垂直。　用电镀前后平均粗糙度的变化值ＡＲ　和峰值　

密度的变化值ＡＰＣ来衡量工艺条件对粗糙度的影　

响。其中，ＡＲ　和ＡＰＣ为试片左、中、右三个位置变　

化的平均值。为确保测量结果为电镀前后同一位置　的粗糙度值，在测量电镀前后的粗糙度时，探头扫过　

的痕迹应尽量重合。研究电镀工艺条件的影响时，　

试片采用８００　砂纸进行打磨。为了保证实验的一　致性，试片的初始粗糙度控制在０．２肚ｍ左右。研　

究基体粗糙度的影响时，采用不同型号的砂纸打磨　出初始粗糙度不同的试片。　

（２）微观形貌　采用日本ＨＩＲ（）Ｘ公司生产的ＫＨ一１０００型三　

维视频显微系统，观察不同条件下得到的试片在放　

大３　５００倍下的微观形貌，并拍摄照片。　

２结果与讨论　

２．１直流镀层的粗糙度　２．１．１　ＰＨ值的影响　

三价铬镀液的缓冲能力比较差，一般在ｐＨ值　为１～３的范围内施镀ｌ７ｊ。在电镀铬的过程中，阴极　

表面的ｐＨ值迅速升高，以至于三价铬形成稳定的　

羟桥化合物，阻碍了其正常结晶【　。在电流密度３０　

Ａ／ｄｍ　，电镀时间１０　ｒａｉｎ的条件下，ＡＲ　和ＡＰＣ随　

ｐＨ值的变化，如图１所示。　

ｐＨ僵　

图１　ＡＲ　和ＡＰＣ随ｐＨ值的变化　

由图１可知：ｐＨ值较低时，ＡＲ　比较大且呈逐　

渐增大的趋势，ＡＰＣ并无一定的规律；当ｐＨ值为　

１．６时，ＡＲ　和ＡＰＣ均最大，分别为０．１４５　ｍ和５７　

个／ｃｍ；当ｐＨ值大于２．４时，ＡＲ　急剧下降，在ｐＨ　值为２．８时ＡＲ　仅为０．０５２　ｍ。这可能是因为阴　

极表面的ｐＨ值升高后生成的聚合物，阻碍了铬层　

的生长，给粗糙度的增大造成不利影响。　２．１．２　电流密度的影响　

在ｐＨ值２．４，电镀时间１０　ｒａｉｎ的条件下，ＡＲ　

和ＡＰＣ随电流密度的变化，如图２所示。　

图２　ＡＲ　和ＡＰＣ随电流密度的变化　

由图２可知：当电流密度低于２０　Ａ／ｄｉｎ　时，　

ＡＲ　和ＡＰＣ均较小且变化趋势不明显；当电流密度　

超过２０　Ａ／ｄｍ　时，ＡＲ　和ＡＰＣ的增大趋势非常明　显。其原因为：电流密度较低时，晶粒的生长缓慢，　

导致粗糙度基本没有变化；电流密度较大时，镀层的　

沉积速率比较大，晶核生成后，晶粒迅速生长。所以　要得到粗糙度较大的镀层，在适当的电流密度范围　

内，应选取较大的电流密度值。　２．１．３基体粗糙度的影响　

采用不同型号的砂纸对紫铜片进行打磨，使试　

片在电镀前具有不同的粗糙度值。在ｐＨ值２．４，　电流密度３Ｏ　Ａ／ｄｍ　，电镀时间１０　ｍｉｎ的条件下，选　

取具有代表性的初始Ｒ　值，ＡＲ　与初始Ｒ　值的关　

系，如图３所示。　

图３　ＡＲ　与初始Ｒ　值的关系　

由图３可知：ＡＲ　随初始Ｒ　值的增大而增大。　

由此可见，基体的粗糙度对镀层的粗糙度有一定的　２０１３年１月　电镀与环保　第３３卷第１期（总第１８９期）　・１９・　

影响，基体粗糙度的增大也能在一定程度上增大镀　

层的粗糙度。这可能是因为粗糙度较大的基体上电　流密度分布不均匀，在偏离中线较大的位置电流密　

度较大，铬的结晶和生长比较快。　

化学抛光可以整平金属表面的几何凸凹，去除　较粗糙的表面不平度。本实验中尝试着对试片进行　

抛光处理，抛光液包括成膜液和退膜液。其中，成膜　

液由ＨＣ１，Ｈ　Ｏ　和丙三醇组成，退膜液为稀硝酸。　实验结果表明：进行化学抛光处理的试片在电镀后　

具有更粗糙的表面轮廓。进行化学抛光处理，ＡＲ　

和ＡＰＣ分别为０．２７１／ｚｍ和１３３个／ｃｍ，是不进行　化学抛光处理时的４．６７倍和３．３３倍。铬是以结瘤　的形式生长的，Ｒｏｕｓｓｅａｕ　Ａ等［９］的研究发现：电流　

密度大的地方结瘤生长快，而对基体进行化学抛光　可以去除基体表面的不平度，降低其真实表面积，从　

而增大了镀铬时的真实电流密度，故Ｒ　和ＰＣ的变　

化较大。由此可见，若要得到粗糙度较大的镀层，可　

对基体进行一定程度的化学抛光处理。　２．２脉冲镀层的粗糙度　

在研究脉冲电沉积对镀层粗糙度的影响时，采　用方波脉冲电流进行电镀。　

２．２．１　占空比的影响　在平均电流密度３０　Ａ／ｄｉｎ。，频率１０　Ｈｚ，电镀　

时间１０　ｍｉｎ的条件下，ＡＲ　和ＡＰＣ随占空比的变　

化，如图４所示。　

图４　ＡＲ　和ＡＰＣ随占空比的变化　

由图４可知：△Ｒ　随占空比的增大先增大后减　

小，在占空比为４Ｏ％时达到最大值（为Ｏ．０９９　

ｂｔｍ），占空比超过６Ｏ　时△Ｒ　变化不大；ＡＰＣ的变　

化规律与△Ｒ　的相似，在占空比为５Ｏ　９／６时ＡＰＣ达　

到最大值（为７８．７个／ｃｍ）。由此可见，增大占空比　

对镀层粗糙度的增大并没有太大的作用。　

２．２．２频率的影响　

在平均电流密度３０　Ａ／ｄｍ　，占空比４Ｏ　，电　镀时间１０　ｍｉｎ的条件下，在低频范围内ＡＲ　和　

ＡＰＣ随频率的变化，如图５所示。　

ｇ　？　《＿　Ｕ　ａ＿　司　

图５低频范围内ＡＲ　和ＡＰＣ随频率的变化　

由图５可知：在低频范围内，ＡＲ　随频率的增大　先增大后减小，在频率为８０　Ｈｚ时达到最大值（为　

０．０９４“ｍ）；ＡＰＣ的变化并无一定规律，在频率为　

８０　Ｈｚ时达到最大值（为６５个／ｃｍ）。　

增大脉冲方波的频率，在高频范围内ＡＲ　和　ＡＰＣ随频率的变化，如图６所示。　

图６高频范围内ＡＲ　和ＡＰＣ随频率的变化　

由图６可知：在高频范围内，增大脉冲频率，镀　

层的粗糙度并没有明显的增大。由此可知，高脉冲　频率对镀层粗糙度并没有太大的影响。　

２．２．３平均电流密度的影响　

在占空比４Ｏ　，频率８Ｏ　Ｈｚ，电镀时间１０　ｍｉｎ　的条件下，ＡＲ　与ＡＰＣ随平均电流密度的变化，如　

图７所示。　由图７可知：ＡＲ　随平均电流密度的增大先增　大后减小，在平均电流密度为３０　Ａ／ｄｍ　时达到最　

大值（为Ｏ．０９８／ｚｍ）；ＡＰＣ随平均电流密度的增大　

呈上升的趋势。其原因为：随着平均电流密度的增　大，电镀过程中的极化作用也不断增大，初始阶段平　

均电流密度对晶粒生长的影响比较显著，所以ＡＲ　

迅速增大；当平均电流密度增大到一定程度时，晶核