鋁及鋁合金電鍍前的浸鋅處理

常德華

（陜西凌云電器集團有限公司，陜西 寶雞 721000）

浸鋅方法是鋁及鋁合金電鍍前預處理最經濟實惠的方法，其商業價值也不容忽視，已經在鋁及鋁合金工藝中被廣泛應用。除此之外，浸鋅溶液不需要嚴格控制各成分的添加量，而且成本較低，為了提高鋁合金的應用價值，我們要不斷地提高浸鋅技術水平，本文對此提出幾點建議。

1 鋁及鋁合金電鍍前的浸鋅處理概述分析

鋁及鋁合金有很高的應用價值，因為其有良好的延展性、有較高的機械強度、加工過程簡單、重量輕盈等。但是鋁及鋁合金容易發生氧化，缺乏耐磨性，縮小了鋁及鋁合金應用范圍，減少了其使用壽命。對于這些缺陷，不妨應用電鍍方法進行解決，以拓展鋁及鋁合金使用范圍。由于鋁及鋁合金表面非常容易氧化，這就使得鋁的表面會形成氧化膜，受氧化膜的影響，鋁基體與鍍層缺乏足夠的結合力。所以對鋁進行前處理是不可缺少的環節，經過前處理后，鋁及鋁合金能夠獲得結合強度良好的鍍層。國內外都對電鍍前處理工藝引起關注，研究出很多前處理工藝，效果最好，其中以鋁及鋁合金電鍍前的二次浸鋅工藝最佳[1]。

2 浸鋅的過程、反應機理和作用

2.1 浸鋅過程主要分為兩次

（1）由于氧化膜減小了鋁基體和鍍層的結合力，所以消除氧化膜非常關鍵，而第一次浸鋅就是為了這一點，生成的鋅層逐漸替代氧化膜。

（2）鋁基體表面還需要進行二次浸鋅，目的在于使鋁基體表面更加活化，進一步增強了鍍層的結合力，可以先用濃浸鋅溶液，然后用稀浸鋅溶液，也可以使用同一種浸鋅液。

2.2 浸鋅過程的反應機理

浸鋅過程的實質是置換沉積，浸鋅溶液通常應用的是強堿性的鋅酸鹽溶液，也包括一些金屬鹽，比如鐵、鎳等，還包括很多種添加劑和配位劑。在不接觸外電源的情況下，鋁及鋁合金和浸鋅溶液產生化學反應后會出現沉積層。經過浸鋅后，鋁及鋁合金的天然氧化膜消失了,當浸鋅層表面有電鍍層沉積后，會有效改善基體和鍍層的結合力。在強堿溶液中浸蝕鋁及鋁合金，經過預處理和浸入鋅酸鹽溶液后，鋁基體由于失去了氧化膜逐漸暴露出來，這時，金屬鋁和鋅離子發生置換反應。隨著置換反應的進行，鋁表面覆蓋了一層極薄的鋅層，置換反應到此終止。鋁基體浸入浸鋅溶液后，其反應分三個階段：第一、浸鋅溶液逐漸溶解鋁基體氧化膜；第二、浸鋅液中的OH-和鋁原子發生反應，釋放大量氫氣；第三、達到實質浸鋅階段，浸鋅時間的延長下，鋁基體表面的OH-被消耗，[Zn(OH)4]2-配離子加速解離，游離態Zn2+濃度隨之增高，Zn2+加入電極反應中，所得電子在鋁表面沉積，鋁基體釋放的氣體明顯減少。與此同時，浸鋅層越來越致密，內部鋁的溶解反應逐漸消失，停止繼續釋放氫氣。這些反應可用下列式子說明：

在經過一段時間的靜置后，新配置的浸鋅合金液開始變得渾濁，然后發生具有層次性的沉淀。發生這個現象的原因是與酒石酸鉀鈉絡合的鎳離子隨著時間的推移，逐漸解離出來，與OH-不斷發生反應，在溶液中逐漸生成微小的氫氧化物，這些氫氧化物逐漸聚集增多，以絮狀物沉淀下來。在鋁基體和溶液發生反應后，在初期和中期階段，浸鋅溶液中的OH-被大量的消耗，最終生成A1O2-，鋅鎳離子也逐漸加入放電過程，這個過程非常關鍵，如果控制不好，會降低配合能力，還會產生過量的氫氧化物。根據陰極電沉積理論，當浸鋅溶液有配位劑時，簡單離子陰極很少出現放電的情況，但是也可理解成配位數較低的配離子直接放電。因此，關于浸鋅的機理還需繼續研究。

2.3 鋁及鋁合金浸鋅的作用

鋁及鋁合金電鍍前處理方法有很多種，通過系統的比較，最理想的方法則是堿性浸鋅法，在鋁及鋁合金機械制造領域獲得了廣泛的應用，究其原因在于價格比較低廉，沒有復雜的成分，控制起來比較簡單，還有一點則是鋁基層和鍍層有良好的結合力，下面介紹浸鋅作用：

（1）除去鋁及鋁合金零件上的氧化膜。

（2）溶解掉暴露的表面層。

（3）溶解鋁后鋅被置換出來。

（4）改善了基體與鍍層的結合力。

在浸鋅溶液中產生的現象是鋁的溶解及鋅的沉積

鋅離子以[Zn(OH)4]2-離子狀態存在，其沉積反應式為

鋁件剛開始浸鋅時會析出氫氣，氫氣的存在能防止氧化的發生，所以對鋁件而言，氫氣起著保護作用。由于浸鋅溶液具有強堿性，所以有很少的氫氣析出，所以析氫這一環節基本可以選擇忽略。除此之外，為了發揮電鍍零件的最佳使用功能，要盡可能的降低浸鋅層的厚度，且減小浸鋅層厚度過程中，要確保電沉積層處于良好的狀態下。

3 溶液濃度的影響

鋁及鋁合金在浸鋅過程中，溶液的濃度決定著晶粒的大小和致密性，如果溶液的濃度較低，沉積物比較粗大且呈樹狀，當溶液濃度較高時，沉積物結晶比較細致。后者與前者相比，結合力有相當大的增加，但是溶液太濃，粘度增大，帶出損失較大。

3.1 溫度影響

在鋅的沉積過程中，溫度對其速度有很大的影響。在溫度較高的情況下，鋅的結晶速度會更快，鋅層也會越厚，但是比較粗糙，在溫度較低的情況下，晶核會逐漸形成，鋅層比較薄，但是均勻細致，最佳溫度以接近室溫為主，比如十五至二十二攝氏度，會令鋁及鋁合金獲得比較致密的浸鋅層。

3.2 時間影響

通常情況下，浸鋅時間以0.5至1分鐘為最佳，在實際生產過程中，鋅層在前二十秒沉積速度會比較快，二十秒過后速度減慢，達到兩分鐘以上后，鋅層會變得惡化。這就是浸鋅時間以0.5至1分鐘為宜的原因。

3.3 基體材料的影響

鋅層沉積厚度和鋁基體材料重金屬成份有關，金屬成份越高，沉積越厚，結合力就越差。簡言之，鑒定鋁及鋁合金鍍層質量的標志之一，則是觀察浸鋅層的結晶是否細致，在浸鋅過程中，只要按照工藝標準進行嚴格操作，獲得的電鍍層通常都具有良好的結合力。如2系鋁合金主要是指以銅為主要合元素的含鋁合金，同時為了提高其切削性也會適當添加錳、鎂、鉛和鉍等物質。3系鋁合金主要是指以錳為主要合金元素的鋁合金，不可熱處理強化，同時耐腐蝕性能與焊接性能好，塑性好，性能接近于超鋁合金。缺點為強度較低，但可以通過冷加工硬化來加強強度。退火時容易產生粗大晶粒。4系鋁合金以硅為主,在實際生產中不常用，部分4系鋁合金可熱處理強化，同時也有部分鋁合金不可熱處理強化。5系鋁合金以鎂為主。耐腐蝕性能好，焊接性能好,疲勞強度好,不可熱處理強化,只能冷加工提高強度。6系鋁合金以鎂和硅為主。Mg2S為主要強化相，也是目前應用最廣泛的合金。7系鋁合金以鋅為主,但有時也會少量添加鎂、銅等物質[2]。

4 浸鋅方法的優點、缺點以及改進措施

4.1 浸鋅方法的優點

經過長期實踐，堿性浸鋅法得到了認可，它的效果比較理想，所需設備少、操作時間短、耗費成本低以及控制過程沒有太嚴格的要求等，而且鋁基體和鍍層的結合力比較好，非常適合作用于鋁及鋁合金機械加工、沖壓及壓鑄件方面，所以浸鋅法得到了廣泛的應用。和鋅酸鹽化學浸鋅工藝相比，浸鋅溶液多元合金化逐漸成為發展主流，因為它可以改善盲孔件電鍍容易起泡而且結合力差的問題，鋅合金層非常細致，當鋅合金層和后續鍍層形成良好的結合力后，可以省去氰化物預鍍銅工序，氰化物有毒，會影響人體健康，節省這個工序有很大意義，還可以在合金沉積層上，直接鍍鉛-錫合金、鍍亮鎳、亮銀等鍍層，因為溶液濃度不高，清洗起來比較方便。鋅層晶體學結構會因為鋅酸鹽溶液含有重金屬而發生改變，鋅合金層表面變得更加緊密，且電極電位比浸鋅膜更加正些，鋅合金比鋅的層線膨脹系數低，比較接近鋁合金基體，有效改善了金屬間的結合力，也使鍍件抗蝕性能得到提升[3]。

4.2 浸鋅方法的缺點

浸鋅法雖然有很多優點，也存在缺點，當鋅底層處于腐蝕性介質中會產生剝蝕型腐蝕。鋅在同時保護鋁和電鍍層，鋅在很多情況下和鋁相比是陽極，和覆蓋金屬相比也屬于陽極。所以如果鋅遭到腐蝕，表層會逐漸剝落。在鋅的這種腐蝕作用下，影響了基體和鍍層的結合力，對電鍍層而言是一種破壞。因此，要想提高浸鋅層的抗腐蝕性能，需要讓浸鋅層處于電極電勢比較負的鋁上。

4.3 浸鋅方法的改進

（1）適當地將重金屬引入浸鋅溶液中，改變電極電位，提高浸鋅溶液的腐蝕性。

（2）在進行首次浸鋅時，一定要選擇高濃度的溶液，退鋅之后，浸鍍鐵鎳合金層浸鋅層被鐵鎳合金層取代，要想鑒別鐵鎳在鍍層中的存在形式，可以通過判斷鐵鎳在浸鍍層中的價態，如果價態為零，則鐵鎳是以金屬形式存在鍍層中，獲得的浸鍍層光滑平整且結合力好。

（3）先選擇高濃度溶液，退鋅后選擇稀濃度溶液，此方式不僅提高了鍍層的結合力，還使鋅中間層免受橫向腐蝕[4]。

5 總結

當前在實際生產中，鋁合金電鍍件得到了廣泛應用，國內外學者從未停止對鋁合金浸鋅的研究，已經獲得了很多實用的方法，為了使鋁合金具有良好的導電性能，防止鋁及鋁合金氧化，最好的辦法則是電鍍。從經濟和環保角度而言，在開發浸鋅工藝時，要注意其使用性能、多元合金化、低濃度、便于維護、無亞硝酸鹽、無氟、無氰等工藝，要保證鋅合金層和后續鍍層形成良好的結合力，并且要保證鋅合金層結晶的致密性，浸鋅層上鍍亮銀、鉛-錫合金以及亮鎳等，已經有成為發展主方向的趨勢。