工業上廣泛使用的鍍鉻液由鉻酐輔以少量的陰離子構成,鍍液中Cr6+的存在形式根據鉻酐濃度的不同而有差異,一般情況(Cr03200~400g/L)下,主要以鉻酸(CrO42-)和重鉻酸(Cr2O72-)形式存在。當pH值小于1時,Cr2072-為主要存在形式;當pH值為2~6時,Cr2O72-與CrO42-存在下述平衡,即
Cr2072-+H20====2H2Cr04-+2CrO]一十2H+
當pH值大于6時,CrO42-為主要存在形式。由此可以看出,鍍鉻電解液中存在的離子有Cr2072-、H+、cro42-和S042-等。實踐證明,除SO42-外,其他離子都可以參加陰極反應,采用示蹤原子法對鉻酸鍍鉻過程的研究表明,鍍鉻層是由六價鉻還原得到的,而不是三價鉻。這也可由鍍鉻液的陰極極化曲線(見圖4-18)得到。
⑴陰極過程
由恒電位法測定的鍍鉻液(含硫酸或不含硫酸)
圖4—18鍍鉻陰極極化曲線
1一由250g/L Cr03鍍鉻溶液中獲得;2一由250g/L CrO3,5g/L H2S04的標準鍍鉻溶液中獲得
陰極極化曲線可知,當鍍液中不含硫酸時(曲線l),在陰極上僅析氫,不發生任何其他還原反應。當鍍液中含有少量硫酸時(曲線2),陰極極化曲線由幾個線段組成,在不同的曲線段上發生不同的還原反應。
ab段,隨著陰極電流增加,電極電位逐漸負移,陰極上沒有氫氣析出和鉻的生成。陰極區鍍液pH值小于1,離子存在形式主要是Cr2072-,此時的陰極反應為
Cr2O72一+14H++6e_2Cr3++7H20
隨著電極電位不斷負移,b點達到最大值。b點以后,除了Cr2072-還原為Cr3+外,還可觀察到陰極表面有大量氣泡產生,表明H+離子被還原為氫氣。
bc段,同時進行著Cr2072-還原為cr3+和H+還原為H2兩個反應,但在這一段中隨著電極電位負移,電流逐漸下降,表明電極表面狀態發生了變化。膠體膜理論解釋為,由于上述兩個反應的進行,陰極表面附近的H+被大量消耗,pH值迅速升高(pH值大于3時),當生成的Cr3+離子數量達到Cr(OH)3的溶度積時,便與六價鉻生成一層橘黃色的堿式鉻酸鉻膠體膜Cr(OH)3·Cr(OH)Cr04,覆蓋在陰極表面上,阻礙了電極反應的進行,使得反應速度顯著下降;又由于鍍液中的硫酸對陰極膠體膜有一定溶解作用,使膠體膜的形成和溶解不斷交替進行,致使曲線呈現如段形狀。
由于氫的不斷析出,使陰極區鍍液pH值逐漸增大,促進Cr2072-轉化成HCr04-離子,使HCrO4-離子濃度迅速增加。當電極電位負移到C點時,CrO42-便開始被還原成金屬鉻在陰極上析出,反應方程式為
CrO42-+4H++6e-===Cr+4OH一
由此可以看出,只有當陰極電極電位達到c點以后,金屬鉻才能被還原析出。此時,在陰極上三個反應同時進行,隨著陰極電極電位的負移,陰極電流迅速上升,反應速度加快,生成金屬鉻的主反應占的比重逐漸增大,即隨著陰極電流密度的增大,陰極電流效率增加。⑵陽極過程
鍍鉻所用的陽極是鉛、鉛銻(含銻6%~8%)或鉛錫(含錫6%~8%)合金等不溶性陽極,這是鍍鉻不同于一般鍍種的特點之一。因為在鉻酸電解液中,金屬鉻鍍層是由六價鉻直接還原得到的。而金屬鉻陽極溶解時,卻是以不同價態的離子形式存在,主要是三價鉻的離子形式進入溶液,而且陽極的電流效率接近100%,這將導致三價鉻含量迅速增加。而陰極電流效率只有10%~25%,使得鍍液的組成不穩定。另外,金屬鉻硬而脆,不易加工成各種形狀。
在正常生產中,鉛或鉛合金陽極的表面上生成一層暗褐色的二氧化鉛膜。
Pb+2H2O一4e—PbO2+4H+
這層膜不影響導電,陽極反應仍可正常進行,其電極反應為
2Cr3++7H2O一6e—Cr2O;
一+14H+2H2O一4e—O2↑+4H+
由上述反應可以看出,在陰極上生成的cr3+離子,在陽極上又重新氧化成Cr2072-離子,從而使電解液中Cr3+濃度維持在一定的水平,以保證鍍鉻生產的正常進行。當鍍液中的三價鉻含量過高時,可采用大面積陽極和小面積陰極的方法進行電解處理,以降低鍍液中三價鉻的含量。在生產中一般控制陽極面積:陰極面積=(2:1)~(3:2),即可使Cr3+濃度保持在工藝允許的范圍內。
在不通電時,懸掛于鍍液中的鉛或鉛合金陽極,由于遭受鉻酸浸蝕而在其表面形成導電性很差的黃色鉻酸鉛(PbCr04)膜,使槽電壓升高,嚴重時造成陽極不導電,因此在不生產時,宜將陽極從鍍槽中取出,浸在清水中,還應經常洗刷,除去鉻酸鉛黃膜。若黃膜很牢固,可在堿液中浸幾天,待膜軟化后,再洗刷除去。此外,鍍鉻液的分散能力和覆蓋能力較差,必須注意陽極的形狀和排布,在電鍍復雜零件時,宜采用象形陽極和輔助陰極。