前處理工藝對熱處理后301不銹鋼鍍鎳結合力的影響

朱萬宇，黃皓，史青青

（成都宏明雙新科技股份有限公司，四川 成都 610091）

不銹鋼在工業上有廣泛的應用。由于含Cr等元素，不銹鋼表面極易鈍化，而鈍化能使金屬表面電極電位大幅正移，因此鈍化表面很穩定，其主要成分為CrO3和Cr2O3氧化層[1]。由于這層致密的氧化層會嚴重影響到不銹鋼基體與鍍層之間的結合力，因此在不銹鋼電鍍前必須采用適用的前處理工藝將其去除。常規的前處理工藝是：除油→水洗→浸蝕→水洗→沖擊鎳→水洗→鍍其他[2]。

筆者所在公司一直使用上述工藝對301不銹鋼鍍鎳，結合力向來良好，但在某一時間后出現結合力不良，在排除了溶液、工藝參數等原因后，從供應商那里得知這批301不銹鋼為了滿足某些性能，增加了熱處理，但熱處理時未采用惰性氣體氛圍保護。故判斷：301不銹鋼經歷熱處理后在表面形成的氧化層比在常溫中形成的氧化層更為致密，更加難以去除。換言之，必須使用除氧化層能力更強的前處理工藝才能保證結合力。本文總結了有關熱處理301不銹鋼前處理工藝的研發經驗，供同仁參考。

1 實驗

1. 1 材料

待鍍原材料為經熱處理的301不銹鋼(20 cm × 3 cm × 0.18 cm)，其化學成分(以質量分數表示)為：Cr 16% ～ 18%，Ni 6% ～ 8%，Mn ＜ 2%，Si ＜ 1%，S ＜ 0.03%，C ＜ 0.15%，Fe 余量。

1. 2 工藝流程

采用掛鍍工藝，流程為：(電)化學除油→水洗→(電)化學浸蝕→水洗→沖擊鎳→水洗→鍍氨基磺酸鎳→水洗→烘干。

(電)化學除油的工藝條件為：NaOH 30 g/L，Na2CO320 g/L，Na3PO420 g/L，溫度60 °C，電化學除油時電流密度8 A/dm2，時間均為5 min。

(電)化學浸蝕的工藝條件為：鹽酸(分析純)150 mL/L，常溫，電化學浸蝕時電流密度3 A/dm2，時間均為3 min。

沖擊鎳均在常溫和電流密度5 A/dm2的條件下進行3 min。常規型沖擊鎳的工藝配方為：NiCl2·6H2O 180 g/L，鹽酸(分析純)130 g/L。高酸低鎳型沖擊鎳的工藝配方為：NiCl2·6H2O 100 g/L，鹽酸(分析純)190 g/L。高鎳低酸型沖擊鎳的工藝配方為：NiCl2·6H2O 250 g/L，鹽酸(分析純)80 g/L。

鍍氨基磺酸鎳的工藝條件為：Ni(NH2SO3)2·4H2O 400 g/L，NiCl2·6H2O 10 g/L，H3BO340 g/L，光亮劑和整平劑少量，pH 4.0 ～ 4.8，溫度50 °C，電流密度4 A/dm2，時間10 min。

1. 3 設備

Sinowon的VM-500A型視頻顯微鏡，用于觀察電鍍后的產品；日立的JSM-7800型掃描電子顯微鏡(SEM)，用于觀察鍍層結構。

1. 4 鍍層結合力的測定

參考SJ 1282-1977《金屬鍍層結合力的檢驗方法》測試鍍層的結合力。劃痕法：用鋼刀尖在零件表面劃若干深達基體金屬的劃痕，這些劃痕互相平行或交錯，用肉眼或4 ～ 5倍放大鏡觀察鍍層是否起皮、脫落。彎曲法：將薄片零件彎折至兩個面成90°角，反復多次，用肉眼或4 ～ 5倍放大鏡觀察鍍層是否起皮、脫落。

2 結果與討論

2. 1 除油對結合力的影響

分別研究了化學除油、陰極電化學除油和陽極電化學除油對結合力的影響，后續工藝統一為“化學浸蝕 + 沖擊鎳 + 鍍氨基磺酸鎳”。從圖1可知，化學除油和陰極電化學除油得到的鍍層在彎曲法和劃痕法結合力測試中均不合格，陽極電化學除油得到的鍍層的劃痕法結合力合格，但彎曲法結合力不合格。

圖1 經化學除油(a)、陰極電化學除油(b)、陽極電化學除油(c)而得到的鍍鎳層在結合力測試后的表面狀態Figure 1 Surfaces of nickel coatings prepared by chemical degreasing (a), cathodic electrodegreasing (b),and anodic electrodegreasing (c) after adhesion testing

化學除油是利用熱除油液對基材表面油污的皂化和乳化左右來達到除油目的。皂化是指油脂和除油液里的OH-離子發生反應，生成鹽和醇的過程；乳化是指大顆粒油脂在OH-離子的作用下分裂為小顆粒油珠而形成乳濁液的過程。陰極電化學除油除了有皂化與乳化作用，還有電解水時在陰極產生的氫氣對油膜的撕裂和對溶液的攪拌作用，比化學除油更徹底，但兩者均沒有去除表面氧化膜的能力。陽極電化學除油除了具有皂化、乳化和電解水時在陽極產生氧氣的作用之物，還有對不銹鋼的陽極極化作用，可令氧化層的CrO3和Cr2O3失去電子而溶解[見式(1)和式(2)][3]，所以陽極電化學除油試樣的結合力稍好，但彎曲法結合力不合格還是說明并沒有完全去除掉氧化層，SEM掃描(如圖2所示)也證明了這一點。

圖2 采用陽極電化學除油后得到的鍍鎳層的截面SEM照片Figure 2 SEM image of cross section of nickel coating prepared after anodic electrodegreasing

2. 2 浸蝕對結合力的影響

分別研究了化學浸蝕、陰極電化學浸蝕、陽極電化學浸蝕對結合力的影響，前端工藝統一為陽極電化學除油，后續工藝統一為“沖擊鎳 + 鍍氨基磺酸鎳”。從圖3可知，化學浸蝕得到的鍍層劃痕法結合力合格，彎曲法不合格，而陰極電化學浸蝕和陽極電化學浸蝕得到的鍍層結合力用兩種方法測試均合格，但陽極電化學浸蝕后的鍍層表面出現麻點，說明基材已被過度腐蝕。

圖3 經化學浸蝕(a)、陰極電化學浸蝕(b)、陽極電化學浸蝕(c)而得到的鍍鎳層在結合力測試后的表面狀態Figure 3 Surfaces of nickel coatings prepared by chemical etching (a), cathodic electroetching (b),and anodic electroetching (c) after adhesion testing

陰極電化學浸蝕時，電解反應會在陰極附近產生大量原子氫，原子氫在酸性環境下令氧化膜中的金屬離子還原，可進一步去除工件表面的氧化皮，且該方法不會產生電化學溶解，幾乎不會損傷基材。陽極電化學浸蝕產生的陽極極化作用與陽極電化學除油類似，會令氧化層的CrO3和Cr2O3失去電子而溶解，但浸蝕液在含有Cl-的情況下會極大地加速這一過程，特別容易造成過腐蝕。

2. 3 沖擊鎳對結合力的影響

分別研究了常規型、高酸低鎳型、高鎳低酸型沖擊鎳對結合力的影響。前端工藝統一為“陽極電化學除油 + 陰極電化學浸蝕”，后續工藝統一為鍍氨基磺酸鎳。實驗結果表明，采用3種沖擊鎳工藝時，鍍層的劃痕法和彎曲法結合力均合格，SEM掃描(如圖4所示)也證明了這一點。

圖4 典型的沖擊鎳后氨基磺酸鎳鍍層的截面SEM照片Figure 4 SEM image of nickel coating prepared by nickel striking and sulfamate nickel electroplating

沖擊鎳的作用在于當除油和浸蝕去除掉301不銹鋼表面的油污和氧化膜后，在強酸性鍍液中迅速鍍上一層很薄的打底鎳，防止301不銹鋼被二次氧化而影響結合力。上述結果表明采用適當的除油和浸蝕工藝把表面油污和氧化膜完全去除后，任一類型的沖擊鎳都能保證良好的鍍層結合力。

3 結論

對于經過熱處理的301不銹鋼，必須選擇更為激進的前處理工藝才能完全去除油污和氧化膜，露出新鮮的金屬層。選取“陽極電化學除油 + 陰極電化學浸蝕 + 沖擊鎳”的前處理工藝，既能獲得良好的結合力，又不會產生過腐蝕，可有效解決熱處理后301不銹鋼電鍍的結合力問題。值得一提的是，本輪實驗的溫度、時間及電流密度是根據傳統工藝選擇的，有待進一步優化。