Prinzip des Verchromungsprozesses:
Der Verchromungsprozess ist ein elektrochemischer Prozess, ein Redoxreaktionsprozess. Der grundlegende Prozess besteht darin, die Teile in eine Metallsalzlösung als Kathode und das Metall als Anode einzutauchen. Nach dem Anschließen an Gleichstrom wird eine Metallbeschichtung auf den Teilen abgeschieden. Schematische Darstellung des Tiefdruckgalvanisierungsprozesses: Die Plattenwalze ist die Kathode und das Titannetz ist die Anode.
Hauptbestandteile der Chromlösung Hauptsalz:
Chromsäureanhydrid-Gehalt: 200-260 g/L Katalysator: Schwefelsäure Gehalt: 2,2-2,5 g/L Zusatzstoffe: Einebnung und Verbesserung der Effizienz Leistung der Verchromungsschicht: Chrom ist ein silberweißes Metall mit einer leichte Blautönung, mit einer relativen Atommasse von 51,99, einer Dichte von 6,98-7,21 g/cm3 und einem Schmelzpunkt von 1875-1920 Grad . Metallisches Chrom passiviert leicht an der Luft und bildet einen sehr dünnen Passivierungsfilm auf der Oberfläche.
1. Die Tiefdruck-Chromschicht weist eine sehr hohe Härte auf. Abhängig von der Zusammensetzung der Galvanisierungslösung und den Prozessbedingungen kann ihre Härte zwischen 400 und 1200 HV variieren.
2. Die Chromschicht weist eine gute Hitzebeständigkeit auf. Bei einer Erwärmung unter 500 Grad verändern sich Glanz und Härte nicht wesentlich.
3. Der Reibungskoeffizient der verchromten Schicht, insbesondere der Trockenreibungskoeffizient, ist der niedrigste aller Metalle. Daher weist die verchromte Schicht eine gute Verschleißfestigkeit auf.
4. Die verchromte Schicht weist eine gute chemische Stabilität und eine hohe chemische Stabilität in Alkali, Salpetersäure, Sulfid, Carbonat und den meisten Gasen und organischen Säuren auf.
5. Die verchromte Schicht ist in Halogenwasserstoffsäuren (z. B. Salzsäure) und heißer konzentrierter Schwefelsäure leicht löslich.
Merkmale der Verchromung:
Wässrige Chromsäureanhydridlösung ist Chromsäure, die die einzige Quelle für die Verchromung darstellt. Obwohl die Leistung der Galvanisierungslösung vom Chromsäureanhydridgehalt abhängt, hängt sie hauptsächlich vom Säureverhältnis ab, d. h. dem Verhältnis von Chromsäureanhydrid zu Schwefelsäure.
1. Der Hauptbestandteil der Verchromungslösung ist kein metallisches Chromsalz, sondern Chromsäure, eine sauerstoffhaltige Chromsäure, die eine stark saure Galvanisierungslösung ist. Während des Galvanisierungsprozesses ist der Kathodenprozess komplex und der größte Teil des Kathodenstroms wird in zwei Nebenreaktionen verbraucht: Wasserstoffentwicklungsreaktion 2 und Reduktion von sechswertigem Chrom zu dreiwertigem Chrom Reaktion 1. Daher ist die Kathodenstromeffizienz der Verchromung sehr gering (10 % bis 18 %). Es gibt außerdem drei anormale Phänomene: 1. Die Stromeffizienz nimmt mit zunehmender Chromsäureanhydridkonzentration ab; 2. Sie nimmt mit steigender Temperatur ab; 3. Sie nimmt mit zunehmender Stromdichte zu.
2. Der Verchromungslösung muss eine bestimmte Menge an Anionen, wie z. B. SO42-, zugesetzt werden, um die normale Abscheidung von metallischem Chrom zu erreichen.
3. Die Dispergierfähigkeit der Verchromungslösung ist sehr gering. Bei Teilen mit komplexen Formen sind piktografische Anoden oder Hilfskathoden erforderlich, um eine gleichmäßige Verchromungsschicht zu erhalten. Auch die Anforderungen an Kleiderbügel sind relativ streng.
4. Die Verchromung erfordert eine höhere Kathodenstromdichte, normalerweise über 20 A/dm2, was mehr als zehnmal höher ist als bei der allgemeinen Beschichtung. Aufgrund der großen Gasmenge, die von der Kathode und der Anode freigesetzt wird, ist der Widerstand der Galvanisierungslösung groß, die Tankspannung steigt und die Galvanisierungsstromversorgung muss hoch sein. Es ist eine Stromversorgung mit mehr als 12 V erforderlich, während andere Beschichtungsarten eine Stromversorgung mit weniger als 8 V verwenden können.
5. Die Anode der Verchromung verwendet kein metallisches Chrom, da sich Chrom sehr leicht in der Beschichtungslösung löst, wodurch die Stromeffizienz der Anode größer ist als die Effizienz der Kathode, was zu einem erhöhten Verbrauch von Chromsäure führt. Daher wird eine unlösliche Anode verwendet. Üblicherweise werden Blei, Blei-Antimon-Legierung und Blei-Zinn-Legierung verwendet. Das in der Galvanisierungslösung verbrauchte Chrom muss durch Zugabe von Chromsäureanhydrid ergänzt werden.
6. Die Betriebstemperatur der Verchromung hängt in gewissem Maße von der Kathodenstromdichte ab. Durch Veränderung der Beziehung zwischen beiden können Chrombeschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten werden. Um die Haftfestigkeit zwischen der Verchromungsschicht und dem Untergrund zu erhöhen, kann die Plattierwalze vorgeheizt werden.
Das Reaktionsprinzip der Kathode (Walzenoberfläche) beim Tiefverchromen:
Die Verchromungslösung liegt hauptsächlich in Form von Chromsäure (CrO42-) und Dichromsäure (Cr2O72-) vor. Wenn der pH-Wert kleiner als 1 ist (Cr2072- hat 2 negative Ladungen und 7 Sauerstoffatome) als Hauptform; Wenn der pH-Wert 2-6 beträgt, liegen Cr2O72- und CrO42- im folgenden Gleichgewicht vor, d. h. Cr2072- +H20===2CrO{{13} }H+. Es ist ersichtlich, dass die im Verchromungselektrolyten vorhandenen Ionen Cr2O72-, H+, CrO42- und SO42- umfassen. Außer SO42- können auch andere Ionen an der Kathodenreaktion teilnehmen. Die vier Prozesse der elektrochemischen Reaktion an der Kathode (Walzenoberfläche):
Stufe 1: Mit steigendem Elektrodenpotential steigt die Stromdichte. Die Elektrodenreaktion ist 2H→H2-Reaktion 2
Stufe 2: Wenn das Elektrodenpotential weiter ansteigt, nimmt die Stromdichte ab. Hierbei handelt es sich um den Prozess der Bildung eines alkalischen Kathodenfilms. (Die Bildung des alkalischen Kathodenfilms ist auf den Verbrauch einer großen Menge H+ durch zwei Reaktionen ①② auf der Kathodenoberfläche zurückzuführen.) Reaktion 1, Reaktion 2
Stufe 3: Wenn das Chromausfällungspotential erreicht ist, wird Chrom auf die Oberfläche der Plattierwalze plattiert. Mit zunehmendem Elektrodenpotential nimmt die Stromdichte wieder zu. Die Elektrodenreaktion ist Cr6→Cr 2H→H2 Reaktion 1, Reaktion 4
Kathodische Filmtheorie und ihr Einfluss auf die Qualität beim Verchromen:
Während des Verchromungsprozesses bildet sich auf der Oberfläche der Plattierwalze ein alkalischer Kathodenfilm. Diese Auflösung erfolgt zunächst lokal und dehnt sich allmählich aus, wodurch ein kleiner Bereich des Substrats freigelegt wird, die tatsächliche Stromdichte sehr hoch und der Polarisationseffekt groß ist. Nur dann kann die Verchromung (Erreichen des Chromausscheidungspotentials) mit einer bestimmten Geschwindigkeit ablaufen. Auf der Oberfläche der neuen Chromschicht wird ein kolloidaler Film erzeugt, und die Auflösung und Erzeugung des kolloidalen Films wird wiederholt, was eine wichtige regulatorische Rolle spielt.
Obwohl SO42- in der Galvanisierungslösung und das während des Kathodenprozesses erzeugte dreiwertige Chrom nicht direkt an der Elektrodenreaktion beteiligt sind, sind ihre Anwesenheit und ihr Gehalt entscheidend für die Qualität der Chromplattierungsschicht.
1. Wenn der Gehalt an dreiwertigem Chrom niedrig ist, ist der kolloidale Film schwer zu bilden oder dünn und porös, und Schwefelsäure kann ihn leicht auflösen. Zu diesem Zeitpunkt ist die freigelegte Substratfläche groß und die Fläche mit geringer Stromdichte kann das Ausfällungspotential von Chrom nicht erreichen, sodass die Chrombedeckungsfähigkeit schlecht ist.
2. Wenn die Konzentration an dreiwertigem Chrom hoch ist, ist der Kolloidfilm dick und dicht und Schwefelsäure ist schwer aufzulösen. Die Chromschicht kann nur auf den ursprünglichen Körnern wachsen, was zu einer rauen Kristallisation und einer dunklen und matten Beschichtung führt.
3. Der Schwefelsäuregehalt ist hoch, der Kolloidfilm löst sich leicht auf und im Bereich niedriger Stromdichte befindet sich keine Chromschicht, was der Situation entspricht, wenn der dreiwertige Chromgehalt niedrig ist. Wenn nicht genügend Schwefelsäure vorhanden ist, wird die Chromschicht rau sein, genau wie bei einem hohen Gehalt an dreiwertigem Chrom.
4. Daher muss ihr Gehalt beim Verchromen streng kontrolliert werden, insbesondere das Verhältnis von Chromsäureanhydrid zu Schwefelsäure
Der Einfluss von Verunreinigungsionen in Tiefdruck-Chromlösungen und Entfernungsmethoden:
Zu den schädlichen Verunreinigungen im Verchromungselektrolyten gehören hauptsächlich Eisen, Kupfer, Zink, Nickel usw. Wenn sich Metallionen bis zu einem bestimmten Gehalt ansammeln, schadet dies dem Verchromungsprozess, z. B. einer Verringerung des Glanzbereichs der Beschichtung, die Verringerung der Dispersionsfähigkeit des Elektrolyten und die Verschlechterung der Leitfähigkeit. Wenn der Metallionengehalt im Elektrolyten hoch ist, muss der Elektrolyt behandelt werden. Durch die Behandlung mit geringer Stromdichte können bestimmte Ergebnisse erzielt werden. Chromflüssigkeit ist jedoch stark korrosiv und einige Verunreinigungen werden nach der Elektrolyse gelöst. Wenn der Gehalt an Eisenionen zu hoch ist, wird zur Behandlung ein Ionenaustausch eingesetzt. Bei der Behandlung wird die Verchromungslösung zunächst so verdünnt, dass der Chromsäuregehalt 120 g/L nicht überschreitet, und dann in die Austauschersäule injiziert. Die so behandelte Verchromungslösung kann wiederverwendet werden. Um die Lebensdauer des Harzes zu verlängern, muss der direkte Kontakt zwischen der konzentrierten Verchromungslösung und dem kationischen Harz vermieden werden, um eine Zerstörung des Harzes durch Oxidation zu verhindern. Die Kationenaustauschmethode hat den gleichen Effekt auf Kupferionen und dreiwertiges Chrom, ist jedoch kompliziert und zeitaufwändig.
Auswirkungen von dreiwertigem Chrom in Tiefdruckchromlösungen und Entfernungsmethoden:
Im Allgemeinen wird der Anstieg des dreiwertigen Chroms durch Elektrolyse mit einer großen Anode und einer kleinen Kathode behandelt. Bei hohem Schwefelsäuregehalt ist es am besten, die Schwefelsäure vor der Elektrolyse auf den Normalwert zu reduzieren. Zu viel Schwefelsäure beeinträchtigt den Elektrolyseeffekt erheblich und erschwert die Reduzierung von dreiwertigem Chrom. Generell gibt es mehrere Gründe für den Anstieg des dreiwertigen Chroms:
1. Die Anodenfläche ist zu klein. Die Anodenfläche sollte das 2-3-fache der Kathodenfläche betragen.
2. Der Gehalt an Metallverunreinigungen in der Galvanisierungslösung ist zu hoch.
3. Durch Anodenoxidation wird ein Teil der Anode nichtleitend.
Einführung in das Funktionsprinzip des Chromnebelinhibitors für den Tiefdruck:
Während des Verchromungsprozesses werden aufgrund der Verwendung unlöslicher Anoden und der geringen Kathodenstromeffizienz große Mengen Wasserstoff und Sauerstoff ausgefällt. Wenn das Gas aus der Flüssigkeitsoberfläche entweicht, trägt es eine große Menge Chromsäure mit sich, wodurch Chromnebel entsteht und schwere Verschmutzungsgefahren entstehen. Zur Unterdrückung von Chromnebel gibt es derzeit zwei Methoden.
1. Floating-Body-Methode: Schaumkunststoffstücke oder -fragmente auf die Oberfläche der Galvanisierungslösung legen. Diese Schwimmkörper können den Austritt von Chromnebel blockieren.
2. Schauminhibitor hinzufügen: Schauminhibitor ist ein Tensid, das die Oberflächenspannung der Galvanisierungslösung reduzieren und eine stabile Schaumschicht erzeugen kann (ähnlich wie Waschmittelwasser, wobei unzählige kleine Bläschen auf der Oberfläche der Galvanisierungslösung schwimmen).
Die durch den Chromnebelinhibitor in der Galvanisierungslösung gebildete Schaumschicht bedeckt dicht die Oberfläche der Galvanisierungslösung. Wenn die wasserstoff- und sauerstoffhaltige Chromsäure verdunstet, kommt sie mit der Schaumschicht an der Oberfläche in Kontakt und unzählige winzige Chromsäurenebel verbinden sich zu größeren Tröpfchen. Aufgrund der Wirkung der Schwerkraft kehren sie bei Erreichen einer bestimmten Höhe in die Galvanisierungslösung zurück, während Wasserstoff und Sauerstoff weiter aufsteigen, bis sie die Flüssigkeitsoberfläche verlassen, wodurch eine Gasentfernung und eine wirksame Unterdrückung von Chromnebel erreicht wird.