酸性鋅鎳合金電鍍工藝參數對鍍層鎳含量的影響

秦銳，張騏 ，駱晨，詹中偉，張凱，孫志華，宇波，李秀敏

（1.上海飛機制造有限公司，上海 200436；2.北京航空材料研究院中國航空發動機集團航空材料先進腐蝕與防護重點實驗室，北京 100095）

電鍍鋅鎳合金工藝是目前最有可能替代鎘鍍層的表面處理工藝之一。鋅鎳鍍層的鎳含量一般為5% ～15%，具有很高的耐蝕性和優良的機械性能，極具發展前途。目前，鋅鎳合金電鍍工藝主要分為酸性和堿性兩大體系，其中酸性體系具有鍍液成分簡單、陰極電流效率高、鍍液穩定等優點，尤其適合替代常規電鍍鎘工藝。

通常認為鋅鎳合金鍍層在鎳的質量分數為13%左右時具有最好的耐蝕性。而酸性氯化物電鍍鋅鎳合金的工藝特性決定了鍍層中鎳含量會隨著鍍液使用時間的延長而不停地波動，因此電鍍鋅鎳合金工藝需要持續調整，才能保證鍍層中鎳含量始終保持在一個合適的范圍內[1-2]。

本文研究了酸性氯化物電鍍鋅鎳合金工藝中鍍液鎳鋅比(即鍍液中鎳離子與鋅離子的濃度比)、電鍍溫度、陰極電流密度、氯化銨含量、電鍍方式[3]等因素對鍍層鎳含量的影響，為鍍層鎳含量的調整提供指導。

1 實驗

1.1 工藝流程

以40 mm × 60 mm × 2 mm的300M(40CrNi2Si2MoVA)鋼板為基材，工藝流程為：除油→吹干→吹砂→水洗→電鍍鋅鎳合金→水洗→吹干。

1.1.1 除油

采用北京航空材料研究院的RJ-1型清洗劑，室溫下超聲30～120 s。

1.1.2 吹砂

采用干式噴砂機，100目的白剛玉砂，噴砂壓力約0.4 MPa，噴砂距離約100 mm。

1.1.3 電鍍鋅鎳合金

鍍液成分包含無水氯化鋅、六水合氯化鎳、氯化銨、氯化鉀、硼酸及微量表面活性劑。

電鍍使用鋅板和鎳板為陽極，其面積比為(5～1)∶1。以2臺電源分別控制鋅板及鎳板的電流密度，其中83%的電流通過鋅陽極，17%的電流通過鎳陽極。

1.2 鍍層鎳含量測試方法

使用FEI公司的Quanta 600掃描電子顯微鏡(SEM)配備的能譜儀(EDS)測定鍍層的鎳含量。

2 結果與討論

2.1 鎳鋅比對鍍層鎳含量的影響

在保證鍍液中鋅、鎳離子總濃度為1.239 mol/L不變的情況下，考察鎳鋅比對鍍層鎳含量的影響。無水氯化鋅及六水合氯化鎳的含量見表1，實驗結果見圖1。當鎳鋅比低時，鍍層鎳含量隨鎳鋅比的升高而升高；隨著鎳鋅比的增大，鍍層鎳含量改變不明顯，即鎳含量?鎳鋅比曲線出現平臺區(30 °C時，平臺區為0.5～0.9；35 °C時，平臺區為0.7～1.0；40 °C時，平臺區為0.7～1.0)，經過平臺區后，鍍層鎳含量隨著鎳鋅比的增大而顯著升高。

表1 鎳鋅離子比的選取及對應主鹽含量Table 1 Selection of the ratio of nickel to zinc and the content of the corresponding main salt

2.2 電鍍溫度對鍍層鎳含量的影響

以35 °C為中心向上下每隔3～4 °C選擇一個試驗點進行實驗，結果如圖2所示。隨著溫度的升高，鍍層的鎳含量始終處于上升的狀態，未出現鎳含量相對穩定的平臺區。

圖1 鍍層鎳含量隨鎳鋅比的變化Figure 1 Variation of nickel content of coating with the concentration ratio of nickel to zinc

圖2 鍍層鎳含量隨鍍液溫度的變化Figure 2 Variation of nickel content of coating with bathtemperature

2.3 陰極電流密度對鍍層鎳含量的影響

以陰極電流密度0.3 A/dm2為起點，向上每隔0.4 A/dm2選擇一個試驗點。如圖3所示，當陰極電流密度較小時，隨著陰極電流密度的升高，鍍層中鎳含量有所下降；但當陰極電流密度為1.5～2.7 A/dm2時，出現平臺區，鍍層鎳含量在此區域內穩定；進一步增大電流密度后，鍍層的鎳含量降低。

2.4 氯化銨含量對鍍層鎳含量的影響

如圖4所示，鍍層鎳含量隨著氯化銨含量的升高而輕微降低。

圖3 鍍層鎳含量隨陰極電流密度的變化Figure 3 Variation of nickel content of coating with cathodic current density

圖4 鍍層鎳含量隨氯化銨含量的變化Figure 4 Variation of nickel content of coating with the content of ammonium chloride

2.5 電鍍方式對鍍層鎳含量的影響

對比研究了常規直流電鍍、磁力攪拌下的直流電鍍和脈沖電鍍對鍍層鎳含量的影響，結果如圖5所示?？梢姶帕嚢鑼﹀儗渔嚭繋缀鯚o影響，而脈沖電鍍可以顯著提高鍍層的鎳含量。

圖5 鍍層鎳含量隨電鍍方式的變化Figure 5 Variation of nickel content of coating with electroplating mode

3 結論

弱酸性氯化物體系電鍍鋅鎳合金中各主要組分及工藝參數對鍍層鎳含量的影響趨勢如下：

(1) 在較低的鎳鋅比下，鍍層鎳含量隨鎳鋅比的升高而升高；鎳鋅比達到一定程度時，鍍層鎳含量變化不明顯，即鎳含量?鎳鋅比曲線出現平臺區；過了上述平臺區后，鍍層鎳含量隨著鎳鋅比的升高而顯著升高。

(2) 隨著鍍液溫度的升高，鍍層的鎳含量一直上升。

(3) 當陰極電流密度較低時，隨著陰極電流密度的升高，鍍層鎳含量有所下降；繼續增大陰極電流密度，鍍層鎳含量在一定范圍內穩定；當進一步增大陰極電流密度，鍍層鎳含量降低。

(4) 鍍層鎳含量隨著氯化銨含量的升高而輕微降低。

(5) 磁力攪拌對鍍層鎳含量幾乎無影響，而脈沖電鍍可以顯著提高鍍層的鎳含量。