酸性鋅-鎳合金電鍍工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用

孫一博， 譚其康， 林子豐

（安美特（中國(guó)）化學(xué)有限公司，上海201707）

0 前言

鍍鋅工藝是一種成本低廉、使用廣泛的防腐涂鍍層工藝［1］。作為陽(yáng)極性保護(hù)鍍層，鋅-鎳合金具有相同厚度下更好的耐蝕性，可取代鍍鎘層。與此同時(shí)，它還能為使用者提供單一鍍層所沒(méi)有的特性，如硬度、密度、潤(rùn)滑性、耐熱性、機(jī)械加工性等。但是，目前應(yīng)用廣泛的堿性鋅-鎳合金電鍍工藝存在外觀灰暗，無(wú)法直接在鑄鐵件上沉積，電流效率低等問(wèn)題。而酸性鋅-鎳合金電鍍工藝恰恰解決了這些問(wèn)題［2］。不僅如此，該工藝還具有與鋁零件接觸僅產(chǎn)生輕微的接觸腐蝕，使用不含氰化物和銨的鍍液，廢水處理容易且成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文簡(jiǎn)單地介紹了酸性鋅-鎳合金電鍍工藝的特點(diǎn)，以挖掘該工藝的潛力，推動(dòng)其廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 影響因素的選取

我們研究的影響因素如下［3-6］：主鹽、溫度、pH值、電流密度、陽(yáng)極面積、攪拌強(qiáng)度。

1.2 主鹽的影響

酸性鋅-鎳合金電鍍采用的基礎(chǔ)主鹽包括氯化鋅、氯化鎳或硫酸鎳、氯化鉀及硼酸。氯化鉀的作用是提供氯離子，以增強(qiáng)鍍液的導(dǎo)電性。硼酸作為緩沖劑，起穩(wěn)定酸性鍍液pH值的作用。實(shí)驗(yàn)中控制總氯離子的質(zhì)量濃度在180g／L左右，保證其導(dǎo)電效果。硼酸的質(zhì)量濃度控制在25g／L，并及時(shí)使用鹽酸或氫氧化鉀調(diào)整鍍液的pH值。

做赫爾槽試驗(yàn)，以1A電流施鍍10min。控制pH值5.3，溫度32℃，研究了鋅離子和鎳離子的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層外觀及其成分的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋅離子和鎳離子對(duì)鍍層外觀及其成分的影響

1.3 溫度的影響

控制鋅離子19g／L，鎳離子27g／L，pH值5.3，研究了溫度對(duì)鍍層外觀及其成分的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 溫度對(duì)鍍層外觀及其成分的影響

1.4 pH值的影響

控制鋅離子19g／L，鎳離子27g／L，溫度33℃，研究了pH值對(duì)鍍層外觀及其成分的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 pH值對(duì)鍍層外觀及其成分的影響

1.5 電流密度的影響

結(jié)合以上赫爾槽試驗(yàn)，得到不同pH值和溫度下電流密度與鍍層成分的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 不同pH值下電流密度與鍍層成分的關(guān)系

由圖1和圖2可知：隨著電流密度的升高，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。這個(gè)規(guī)律同堿性鋅-鎳合金電鍍工藝的是一致的。

圖2 不同溫度下電流密度與鍍層成分的關(guān)系

在規(guī)模性生產(chǎn)時(shí)，需要采用雙可溶性陽(yáng)極設(shè)計(jì)，即采用鋅和鎳兩種陽(yáng)極。此時(shí)兩個(gè)陽(yáng)極的電流密度影響陽(yáng)極的溶解速率，從而對(duì)鍍液中主鹽的質(zhì)量濃度和鍍層成分產(chǎn)生十分重要的影響。在此，我們建議鋅陽(yáng)極整流器和鎳陽(yáng)極整流器的電流密度比設(shè)定在3～6之間，可依據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)調(diào)整。

1.6 陽(yáng)極面積比

與雙陽(yáng)極電流分配一樣，不同的陽(yáng)極面積比同樣會(huì)導(dǎo)致鍍層成分不同。因此，我們要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來(lái)控制鎳和鋅的比例，建議采用鎳陽(yáng)極面積與鋅陽(yáng)極面積的比例為1∶6。

1.7 攪拌

依據(jù)承載工件的器具不同，電鍍可分為掛鍍和滾鍍兩類(lèi)。滾鍍中，由于滾筒的機(jī)械攪拌作用，攪動(dòng)工件的同時(shí)鍍液也得到了相應(yīng)的攪拌。因此，我們不必再額外添加攪拌裝置。對(duì)于掛鍍，為了更好地使鍍液分散均勻，沉積更為細(xì)致，務(wù)必重視攪拌系統(tǒng)。建議采用射流的方式，而射流朝向應(yīng)指向兩端槽壁，利用折射的液流使工件周?chē)芤旱馁|(zhì)量濃度保持穩(wěn)定。

在赫爾槽試驗(yàn)中，如果不采用攪拌，則高電流密度區(qū)的燒焦區(qū)域明顯擴(kuò)大，在底部會(huì)出現(xiàn)鎳綠析出的現(xiàn)象。在弱攪拌下，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)相對(duì)提高。

2 性能檢測(cè)

2.1 電流效率和沉積速率

作為酸性電解液體系，其電流效率比堿性體系的高很多。與酸性鍍鋅類(lèi)似，沉積速率約為0.20～0.25μm／min（1A／dm2）；電流效率大于90%［7］。

2.2 金相結(jié)構(gòu)

利用掃描電子顯微鏡將不同鍍層的側(cè)面放大10 000倍，如圖3所示。由圖3可知：酸性鋅-鎳合金的金相結(jié)構(gòu)與酸性鍍鋅的不同，卻和堿性鋅-鎳合金的類(lèi)似。此外，當(dāng)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～15%時(shí)，酸性鋅-鎳合金可以獲得穩(wěn)定的γ相［8］。

圖3 不同鍍層的SEM圖

2.3 耐蝕性

中性鹽霧測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。通過(guò)試驗(yàn)比較堿性鋅-鎳合金、酸性鋅-鎳合金、酸性鍍鋅的腐蝕速率。試驗(yàn)結(jié)果表明：酸性鋅-鎳合金的耐中性鹽霧性能較好。

圖4 中性鹽霧測(cè)試結(jié)果

2.4 廢水處理

傳統(tǒng)的堿性鋅-鎳合金電鍍工藝在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生氰離子。氰離子的存在不僅降低了電流效率，提高操作成本，而且造成廢水處理困難。相比之下，酸性鋅-鎳合金電鍍工藝在廢水處理上要簡(jiǎn)便得多。尤其是目前不含銨鹽的添加劑體系的研發(fā)，進(jìn)一步解決了廢水處理的困難。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 汽車(chē)行業(yè)

汽車(chē)的剎車(chē)閘過(guò)去一直采用酸性鍍鋅工藝。隨著耐蝕性要求的日益提高，一些汽車(chē)主機(jī)廠要求其出現(xiàn)白銹的時(shí)間＞196h，出現(xiàn)紅銹的時(shí)間＞960h。當(dāng)前有很多電鍍加工廠通過(guò)雙層電鍍的方式來(lái)應(yīng)對(duì)，即先酸性鍍鋅，再電鍍堿性鋅-鎳合金。采用酸性鋅-鎳合金電鍍工藝，不僅可以簡(jiǎn)化流程，直接進(jìn)行電鍍，而且在獲得高耐蝕性的同時(shí)還提高了鍍層的結(jié)合力，可謂一舉多得。

3.2 石油煤礦行業(yè)

煤礦單體液壓支柱要求具備良好的潤(rùn)滑性及耐蝕性［9］。目前大多采用堿性鋅-鎳合金電鍍、化學(xué)鍍鎳或涂層工藝。采用酸性鋅-鎳合金電鍍工藝，可以降低加工成本，并達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求。

3.3 航空航天行業(yè)

在航空用高強(qiáng)鋼的防護(hù)體系中，由于對(duì)氫脆的敏感性，除了要求有高耐蝕性外，防護(hù)必須采用低氫脆工藝。采用酸性鋅-鎳合金電鍍工藝，可制得耐蝕性好、滿(mǎn)足低氫脆性能要求的鋅-鎳鍍層［10］。

4 結(jié)論

研究了酸性鋅-鎳合金電鍍工藝中的各影響因素，希望可以讓讀者從中了解酸性鋅-鎳合金電鍍工藝的特點(diǎn)，幫助使用者在操作過(guò)程中更快速地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。除了本文介紹的應(yīng)用領(lǐng)域之外，對(duì)沉積速率有高要求的，對(duì)鑄鐵件、高碳鋼、切削鋼電鍍存在困擾的，對(duì)堿性鋅-鎳合金亮度存在不滿(mǎn)的，都可以考慮酸性鋅-鎳合金電鍍工藝。

［1］安茂忠.電鍍鋅及鋅合金發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電鍍與涂飾，2003，22（6）：36-40.

［2］黃巍，黃逢春，丁曉林，等.弱酸性無(wú)銨鋅鎳合金電鍍工藝的研究［J］.材料保護(hù)，2005，38（9）：25-27.

［3］萇清華，陳峰，陳艷芳.鍍液中鎳鋅含量比對(duì)酸性液電鍍Zn-Ni合金的影響［J］.熱加工工藝，2009，38（12）：99-103.

［4］陳艷芳，萇清華，陳峰，等.溫度對(duì)酸性液電鍍Zn-Ni合金質(zhì)量的影響［J］.材料熱處理技術(shù)，2009，38（16）：89-93.

［5］陳艷芳，萇清華，周巧玲.pH值對(duì)酸性液電鍍Zn-Ni合金質(zhì)量的影響［J］.科技資訊，2008（29）：54-56.

［6］萇清華，陳峰，陳艷芳，等.陰極電流密度對(duì)酸性液電鍍Zn-Ni合金質(zhì)量的影響［J］.南方金屬，2009（1）：18-20.

［7］張?jiān)收\(chéng)，胡如南，向榮.電鍍手冊(cè)（第3版）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［8］許愛(ài)忠，胡文彬，沈斌，等.鋅鎳合金鍍層耐蝕機(jī)理研究進(jìn)展［J］.電鍍與環(huán)保，2000，20（3）：1-5.

［9］王超，呂志，肖洪兵.煤礦液壓支柱表面處理工藝創(chuàng)新［J］.煤礦機(jī)械，2013，34（2）：122-124.

［10］宇波，湯智慧，張曉云，等.航空高強(qiáng)度低氫脆鋼電鍍鋅-鎳合金工藝研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2006，26（3）：131-134.