鋁-硅合金酸性浸鋅

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院 超輕材料與表面技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001）

0 前言

鋁-硅合金是一種以鋁、硅為主成分的鍛造和鑄造合金，一般含硅11%。鋁-硅合金常用于制造低中強度且形狀復雜的鑄件，如蓋板、電機殼、托架等，也用作釬焊焊料[1-2]。鋁-硅合金是兩性金屬，在酸堿溶液中都不穩定。同時，鋁-硅合金在空氣中生成的天然氧化膜妨礙了鍍層與基體的結合力。因此，鋁-硅合金在電鍍、化學鍍過程中應先除去天然氧化膜，這樣鍍前處理就成了其電鍍、化學鍍的關鍵。有關鋁-硅合金的鍍前處理方法很多[3-6]，其中以浸鋅法使用最廣泛。堿性浸鋅液不容易被清洗掉，容易黏附在工件表面并帶入化學鍍鎳液中，引起化學鍍鎳液的pH值變化，從而導致鍍層內應力升高、結合力下降。堿性浸鋅的另一個缺點是基體腐蝕損失較多，不能滿足對基體尺寸有嚴格要求的一些場合[7-12]。本文對鋁-硅合金酸性浸鋅進行了研究。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為鋁-硅合金，其主要成分的質量分數為：Si 7.0%，Mg 0.3%，Cu 0.2%，Zn 0.1%，Mn 0.1%，Fe 0.2%，Ti 0.2%，Al91.9%。試樣規格分別為20 mm×20 mm×5 mm（電化學測試用）和10 mm×10 mm×5 mm（SEM用）。

1.2 工藝流程

1.3 主要工序說明

（1）堿性除油

Na3PO425 g/L，Na2CO325 g/L，十二烷基磺酸鈉2 g/L，溫度60～70℃，時間10～30 s。

（2）酸浸蝕

H3PO415 mL/L，H2SO44 mL/L，HCl0.05 mL/L，檸檬酸20 g/L，NH4F 25 g/L，pH 值5.5，溫度 常溫，時間10～30 s。

（3）含氟溶液退鋅

VHNO3∶VNH4HF2=3∶1。

（4）瓦特鍍鎳

NiSO420～35 g/L，NiCl220～35 g/L，H3BO310～20 g/L，pH值3.5～6.5，電流密度0.1～0.4 A/cm3，溫度50℃，時間30 min。

（5）化學鍍鎳

NiCl240 g/L，Na H2PO210 g/L，H3BO35 g/L，十二烷基硫酸鈉2 g/L，硫脲2 mg/L，檸檬酸10 g/L，pH值5.5～6.0，溫度85℃，時間30 min。

1.4 掃描電鏡觀察及成分分析

采用帶有能譜儀的S-570型掃描電鏡觀察浸鋅層的微觀形貌及斷面的微觀形貌，并分析浸鋅層的組成。加速電壓為10～25 k V，束斑直徑為2～3 mm。

1.5 極化曲線和交流阻抗測試

采用CHI604C型電化學分析儀測試浸鋅層在3.5%的NaCl溶液中的極化曲線和交流阻抗。工作電極為待測試樣，輔助電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極。測試溫度為室溫。

2 結果與討論

2.1 酸性浸鋅配方

配方1：ZnCl2120 g/L，NaF 20 g/L，硫脲 20 g/L，十二烷基磺酸鈉2 g/L，苯甲酸鈉15 g/L，溫度50℃，時間2 min，pH值5.6。

配方2：ZnCl275 g/L，H3BO325 g/L，硫脲20 g/L，十二烷基磺酸鈉2 g/L，檸檬酸鈉20 g/L，NH4HF220 g/L，溫度50℃，時間2 min，pH 值5.6。

配方 3：ZnSO4·7 H2O 520 g/L，H3BO325 g/L，NH4HF220 g/L，葡萄糖酸10 g/L，十二烷基磺酸鈉2 g/L，溫度50℃，時間2 min，pH值5.6。

配方4：ZnSO4·7H2O 520 g/L，NaF 20 g/L，H3BO325 g/L，溫度250 ℃，時間2 min，pH 值5.6。

圖1為鋁-硅合金在不同酸性浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜。由圖1可知：配方2和配方4的低頻容抗弧電阻遠大于配方1和配方3的低頻容抗弧電阻，表明配方2和配方4的酸性浸鋅液性能較好。另外，配方2的低頻容抗弧電阻大于配方4的低頻容抗弧電阻，進一步表明配方2的酸性浸鋅液性能最好。以下的單因素試驗都是以配方2為酸性浸鋅液進行的。

圖1 鋁-硅合金在不同酸性浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜

2.2 主鹽的質量濃度的影響

圖2為鋁-硅合金在不同主鹽質量濃度的酸性浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜（溫度為50℃，時間為2 min，pH值為5.6）。由圖2可知：當主鹽的質量濃度從25 g/L增加到100 g/L時，浸鋅后的鋁-硅合金在3.5%的NaCl溶液中的低頻容抗弧電阻逐漸增大；當主鹽的質量濃度超過100 g/L時，低頻容抗弧電阻開始減小。這表明最佳的主鹽質量濃度為100 g/L。

圖2 鋁-硅合金在不同主鹽質量濃度的酸性浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜

2.3 浸鋅時間的影響

圖3為鋁-硅合金在酸性浸鋅液中浸鋅不同時間后的交流阻抗圖譜（主鹽的質量濃度為100 g/L，溫度為50℃，pH值為5.6）。由圖3可知：當浸鋅時間從1 min延長到5 min時，低頻容抗弧電阻逐漸增大；當浸鋅時間超過5 min時，低頻容抗弧電阻開始減小。這表明最佳的浸鋅時間為5 min。

圖3 鋁-硅合金在酸性浸鋅液中浸鋅不同時間后的交流阻抗圖譜

2.4 浸鋅溫度的影響

圖4為鋁-硅合金在不同溫度的浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜（主鹽的質量濃度為100 g/L，pH值為5.6，時間為5 min）。由圖4可知：當浸鋅溫度為25℃時，低頻容抗弧電阻最小，此時溫度較低，Zn2+沉積慢，局部還沒覆蓋上鋅層；當浸鋅溫度達到30℃時，低頻容抗弧電阻最大；此后，隨著浸鋅溫度的升高，低頻容抗弧電阻開始減小。這表明最佳的浸鋅溫度為30℃。

圖4 鋁-硅合金在不同溫度的浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜

2.5 pH值的影響

圖5為鋁-硅合金在不同pH值的浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜（主鹽的質量濃度為100 g/L，時間為5 min，溫度為30℃）。由圖5可知：當pH值為4.5和5.0時，低頻容抗弧電阻比較相近，均較小；當pH值為5.5和6.0時，低頻容抗弧電阻比較相近，均較大；當pH值為6.5時，低頻容抗弧電阻最大。這表明最佳的pH值為6.5，即弱酸性的浸鋅液有利于獲得質量較好的浸鋅層。

圖5 鋁-硅合金在不同pH值的浸鋅液中浸鋅后的交流阻抗圖譜

2.6 鋁-硅合金基體、浸鋅層、電鍍鎳層、化學鍍鎳層的電化學性能

圖6為鋁-硅合金基體、浸鋅層、電鍍鎳層、化學鍍鎳層在3.5%的NaCl溶液中的極化曲線。表1為極化曲線的擬合結果。由圖6和表1可知：浸鋅后再電鍍鎳或化學鍍鎳，能使基體的自腐蝕電流密度下降3個數量級，對基體起到了較好的保護作用。

圖6 鋁-硅合金基體、浸鋅層、電鍍鎳層、化學鍍鎳層的極化曲線

表1 極化曲線的擬合結果

圖7為鋁-硅合金基體的交流阻抗圖譜。圖8為浸鋅層的交流阻抗圖譜。圖9為電鍍鎳層和化學鍍鎳層的交流阻抗圖譜。圖10為圖9前部的放大圖。由圖7、圖8、圖9、圖10可知：鋁-硅合金基體、浸鋅層、電鍍鎳層、化學鍍鎳層的交流阻抗圖譜均由高頻容抗弧和低頻容抗弧組成。由于電鍍鎳層及化學鍍鎳層的高頻容抗弧電阻較小而低頻容抗弧電阻較大，所以在圖9中看不出阻抗圖譜前部有一個小弧，在圖10中就可清楚地看到高頻容抗弧。比較低頻容抗弧電阻可知：鋁-硅合金浸鋅后再進行化學鍍鎳及電鍍鎳，能對基體起到較強的保護作用，低頻容抗弧的高度與基體相比提高近400倍，化學鍍鎳、電鍍鎳后基體的耐蝕性明顯增強；鋁-硅合金基體浸鋅后對基體也起到一定程度的保護作用，低頻容抗弧的高度與基體相比提高近70倍，同時也說明了此種酸性浸鋅液的性能較好。

圖7 鋁-硅合金基體的交流阻抗圖譜

圖8 浸鋅層的交流阻抗圖譜

圖9 電鍍鎳層和化學鍍鎳層的交流阻抗圖譜

圖10 圖9的前部放大圖

2.7 鋁-硅合金酸性浸鋅層的微觀形貌及組成

圖11為鋁-硅合金酸性浸鋅層的微觀形貌。圖12為鋁-硅合金酸性浸鋅層的能譜圖。由圖11可知：在鋁-硅合金基體上沉積了一層球狀、均勻、致密的鋅晶粒。由圖12可知：浸鋅層主要含有較多的鋅、氟元素及少量的氧元素（能譜圖中大量的鋁元素為基體成分），表明氟元素參與了鋅層的成膜過程。

圖11 鋁-硅合金酸性浸鋅層的微觀形貌

圖12 鋁-硅合金酸性浸鋅層的能譜圖

3 結論

（1）鋁-硅合金酸性浸鋅的最佳配方為：ZnCl275 g/L，H3BO325 g/L，硫脲20 g/L，十二烷基磺酸鈉2 g/L，檸檬酸鈉20 g/L，NH4HF220 g/L，溫度30℃，時間5 min，pH值6.5。

（2）酸性浸鋅層提高了鋁-硅合金基體的耐蝕性。酸鋅浸鋅后再電鍍鎳、化學鍍鎳，得到的鍍層與基體結合緊密，耐蝕性更優異。鋁-硅合金浸鋅后得到的化學鍍鎳層及電鍍鎳層的低頻容抗弧高度與基體的相比提高近400倍，鋁-硅合金基體浸鋅層的低頻容抗弧高度與基體的相比提高近70倍。

（3）酸性浸鋅層為球狀、均勻、致密的鋅顆粒。浸鋅層的主要成分為氟、鋅、氧元素。