不銹鋼預鍍納米鎳新工藝

儲榮邦，戴昭文，楊立保

(1.南京724研究所，江蘇 南京 210011;2.江蘇表面協會，江蘇 南京 210000;3.南京四方表面技術有限公司，江蘇南京 211100)

引 言

不銹鋼預鍍納米鎳工藝融合了納米技術、電鍍技術以及化學鍍技術。在電鍍過程中，當金屬離子傳遞到陰極，由于電荷傳遞反應形成吸附原子，最后形成微型晶核。電沉積過程中的關鍵步驟是微型晶核的生成和晶體的成長，這兩個步驟的競爭直接影響到鍍層生成的晶粒狀態，而且，不銹鋼預鍍納米鎳溶液高的陰極過電勢、高的吸附原子總數和低的吸附原子表面遷移率，是大量微形晶核和抑制晶粒生長必要條件，使晶核生長得到較大的抑制，從而得到納米鎳鍍層。由于鍍層處于晶核已經形成但并未長大的中間狀態，鍍層非常薄，很致密，不論從鍍層的厚度還是晶核的大小都呈納米級狀態。它本身還具有很多獨特的性質，例如一根鐵管(d為15mm，l為240mm)，預鍍納米鎳3min然后鍍酸性銅，鍍后管孔內鍍層完整，說明納米鍍鎳溶液的深鍍能力非常強。

在電鍍過程中，通電提供能量使鍍液中部分添加劑分解，其分解物可能是化學鍍的還原劑，從而使鍍液還具有化學鍍的功能;另一部分分解物可能是納米鍍鎳的添加劑，因此，鍍液還具備納米鍍鎳的功能。該新工藝是一種以電鍍為主，化學鍍為輔，并伴有納米鍍的一種新工藝(目前，國內所稱的納米鎳鍍層，實際上是鎳鍍層中夾雜著不溶性納米級氧化物顆粒，是復合鍍層)。一般的電鍍液和化學鍍液會由于有機物的累積而使鍍液老化并進行停產大處理，而不銹鋼預鍍納米鎳工藝由于分解的有機物可以通過簡單的連續過濾的形式凈化，所以不需進行大處理，這極大地降低了溶液大處理的成本。另外，不銹鋼預鍍納米鎳工藝還可使基材表面活性均勻，界面張力降低，并使后續鍍層結晶細化致密，粗糙度降低，耐腐蝕能力提高。

目前，不銹鋼件的通用預鍍工藝仍然是閃鍍鎳，在閃鍍鎳時，需要先將不銹鋼件放在鍍槽中預浸10～15min，然后才能通電閃鍍。而且，閃鍍鎳工件經清洗后必須立刻進行其它后續鍍層的電鍍，其間隔不能超過1min，否則，結合力就會出問題，因此，這也給不銹鋼工件在自動化生產線上電鍍制造了很大的困難。而不銹鋼預鍍納米鎳工藝在預鍍前不需預浸程序可直接電鍍，電鍍后也不必很快進行其它后續鍍層的電鍍，為不銹鋼工件在自動化生產線上電鍍提供了可靠保障。

不銹鋼預鍍納米鎳工藝經過兩年多的推廣應用，已經證明此工藝在鍍液的穩定性和鍍液維護方面，以及在鍍層性能和外觀上都具有很多獨特的優勢和特點。例如，江蘇丹陽某不銹鋼眼鏡框架電鍍公司兩年來一直使用不銹鋼預鍍納米鎳工藝，電鍍生產運行良好。

1 不銹鋼預鍍納米鎳工藝

1.1 工藝特點

環保型(無氰化物)，鍍層薄(200～300nm)，均鍍好(采用沃特遜法，95%以上)，易焊接(可釬焊，熔焊等)，結合力好(環形剪切法試驗，結合強度為15kN/cm2，可進行二次加工)，鍍液穩定(不需大處理)，表面質量高(預鍍工件表面比閃鍍鎳表面更加光亮、飽滿)，前處理要求低(弱堿性鍍液)，主鹽質量濃度低(30g/L NiSO4·6H2O，鎳離子帶出量低)，滾鍍掛鍍均可，pH范圍寬(8～14，易維護)，添加劑消耗補加少(20～30mL/kA·h)，電流密度范圍廣(0.5～20A/dm2，低電流區不漏鍍，高電流區不燒焦)，容納金屬雜質能力強(添加劑可配位化合金屬雜質并共沉積，但對氰化物較敏感)。

1.2 工藝配方及操作條件

不銹鋼預鍍納米鎳溶液組成及操作條件為:

硫酸鎳 30g/L

硫酸鉀 30g/L

氫氧化鉀 35g/L

醋酸鈉 20g/L

氨水 20mL/L

SF-300A添加劑 65mL/L

SF-300B添加劑 65mL/L

pH 8～14

θ 45～55℃

Jκ0.5 ～20A/dm2

t 1～3min

陽極 鎳板

1)加熱棒最好用陶瓷，在加熱時需空氣攪拌以使鍍液溫度均勻。

2)SF-300A為晶核抑制劑，SF-300B為鎳離子配位化合劑。

3)SF-300C為鍍液消耗補加劑(非開缸劑)，消耗量為0.02 ～0.03L/(kA·h)。

2 不銹鋼預鍍納米鎳工藝流程

不銹鋼預鍍納米鎳工藝流程為:

除油→水洗→水洗→電化學拋光(Ⅰ)→水洗→電化學拋光(Ⅱ)→水洗→電化學拋光(Ⅲ)→水洗→活化［V(鹽酸)∶V(水)=1∶2，t為 4s］→水洗→不銹鋼預鍍納米鎳(1～3min)→水洗→后續電鍍。

1)電化學拋光液的成分及其操作條件為200 mL/L HCl(35%)，40g/L 乙酸鈉，t為 30s，Ja＞15A/dm2。2)電化學拋光次數按不銹鋼材質而定，一般二次電化學拋光就行;特種不銹鋼表面氧化層較厚，需要三次電化學拋光。決不可以延長拋光時間而減少電化學拋光次數，延時拋光會影響不銹鋼表面拋光質量。

3 成本分析

1)開缸成本。不銹鋼預鍍納米鎳溶液配制開缸成本比閃鍍鎳高一些。

2)金屬陽極消耗成本。不銹鋼預鍍納米鎳工藝電鍍δ約為120nm即可滿足要求。表面積1m2的鍍層金屬消耗成本約為0.14元。而氰化鍍銅底層預鍍δ以1μm計，表面積1m2的金屬消耗成本約為0.45元;閃鍍鎳底層預鍍δ以2μm計，表面積1m2的金屬消耗成本約為2.35元(鎳的價格以13萬元/t，銅的價格以5萬元/t計算)。

3)鍍液帶出的損耗成本。本工藝主鹽硫酸鎳質量濃度為30g/L，而閃鍍鎳的主鹽氯化鎳質量濃度在200～250g/L以上，本工藝鎳離子的帶出量約為閃鍍鎳鎳離子帶出量的七分之一。

4)消耗添加劑的補加成本。電鍍消耗添加劑為0.02～0.03L/(kA·h)，約2元/(kA·h)。

5)氨水補加成本。約0.8元/h。

4 預鍍納米鎳工藝特點

1)預鍍納米鎳鍍層致密，預鍍層δ只需200～300nm即可達到要求，而傳統的氰化預鍍銅層δ需要達到1μm以上，預鍍鎳的鍍層甚至需要更厚。

2)預鍍納米鎳的深鍍能力較一般的預鍍工藝好，如一根d為15mm，l為80mm的盲管，納米鎳可把管子的內壁完全鍍上，而氰化物預鍍銅和預鍍鎳只能鍍離管口20～30mm的深度。

5 結束語

由于不銹鋼具有較高的化學穩定性，電鍍前須經特殊的前處理才能將其表面透明且附著牢固的鈍化膜除去，才能保證鍍層與基體之間的結合力，由此可見，關鍵在于前處理，既要有效地除去自然氧化膜，又要防止其再氧化，這兩點是缺一不可的。但不銹鋼在大氣中會很快生成一層鈍化膜，若操作連貫性差，經前處理后未能立即轉入下道工序，即有可能失去前處理的意義，為此，在操作過程中要求迅速地連續進行。但這種操作難度很大，可操作性不強，產品的結合力不能得到有效保障。目前，很多廠家仍采用閃鍍鎳作為預處理工藝，以提高鍍層與基體的結合力，但此工藝需預浸后才能閃鍍，而且帶出鎳離子濃度大，環境污染較重，不適合自動化生產。而不銹鋼預鍍納米鎳工藝不需要預浸，鍍層δ只需250nm，就可以解決結合力的問題。

納米鎳鍍層和不銹鋼中的鐵原子形成了一種致密、均勻的鎳鐵合金鍍層，有效地阻止了不銹鋼表面的再次鈍化，保證了鍍層的結合力，而且主鹽濃度很低，帶出量較少，從而降低了電鍍成本。鍍層有超強結合力，360°折曲試驗無脫落現象，高速沖擊不脫皮;能承受高溫焊接要求;自身有高防腐能力，更能調節后續各鍍層厚度和不同鍍層，以符合不同的標準。所以，該新工藝一定會在不銹鋼工件的自動化電鍍線生產領域中做出更大的貢獻。