酸性鋅-鎳合金電鍍工藝的特點及應用

孫一博， 譚其康， 林子豐

（安美特（中國）化學有限公司，上海201707）

0 前言

鍍鋅工藝是一種成本低廉、使用廣泛的防腐涂鍍層工藝［1］。作為陽極性保護鍍層，鋅-鎳合金具有相同厚度下更好的耐蝕性，可取代鍍鎘層。與此同時，它還能為使用者提供單一鍍層所沒有的特性，如硬度、密度、潤滑性、耐熱性、機械加工性等。但是，目前應用廣泛的堿性鋅-鎳合金電鍍工藝存在外觀灰暗，無法直接在鑄鐵件上沉積，電流效率低等問題。而酸性鋅-鎳合金電鍍工藝恰恰解決了這些問題［2］。不僅如此，該工藝還具有與鋁零件接觸僅產生輕微的接觸腐蝕，使用不含氰化物和銨的鍍液，廢水處理容易且成本低等優點。本文簡單地介紹了酸性鋅-鎳合金電鍍工藝的特點，以挖掘該工藝的潛力，推動其廣泛應用。

1 試驗

1.1 影響因素的選取

我們研究的影響因素如下［3-6］：主鹽、溫度、pH值、電流密度、陽極面積、攪拌強度。

1.2 主鹽的影響

酸性鋅-鎳合金電鍍采用的基礎主鹽包括氯化鋅、氯化鎳或硫酸鎳、氯化鉀及硼酸。氯化鉀的作用是提供氯離子，以增強鍍液的導電性。硼酸作為緩沖劑，起穩定酸性鍍液pH值的作用。實驗中控制總氯離子的質量濃度在180g／L左右，保證其導電效果。硼酸的質量濃度控制在25g／L，并及時使用鹽酸或氫氧化鉀調整鍍液的pH值。

做赫爾槽試驗，以1A電流施鍍10min。控制pH值5.3，溫度32℃，研究了鋅離子和鎳離子的質量濃度對鍍層外觀及其成分的影響，結果見表1。

表1 鋅離子和鎳離子對鍍層外觀及其成分的影響

1.3 溫度的影響

控制鋅離子19g／L，鎳離子27g／L，pH值5.3，研究了溫度對鍍層外觀及其成分的影響，結果見表2。

表2 溫度對鍍層外觀及其成分的影響

1.4 pH值的影響

控制鋅離子19g／L，鎳離子27g／L，溫度33℃，研究了pH值對鍍層外觀及其成分的影響，結果見表3。

表3 pH值對鍍層外觀及其成分的影響

1.5 電流密度的影響

結合以上赫爾槽試驗，得到不同pH值和溫度下電流密度與鍍層成分的關系，結果見圖1和圖2。

圖1 不同pH值下電流密度與鍍層成分的關系

由圖1和圖2可知：隨著電流密度的升高，鍍層中鎳的質量分數降低。這個規律同堿性鋅-鎳合金電鍍工藝的是一致的。

圖2 不同溫度下電流密度與鍍層成分的關系

在規模性生產時，需要采用雙可溶性陽極設計，即采用鋅和鎳兩種陽極。此時兩個陽極的電流密度影響陽極的溶解速率，從而對鍍液中主鹽的質量濃度和鍍層成分產生十分重要的影響。在此，我們建議鋅陽極整流器和鎳陽極整流器的電流密度比設定在3～6之間，可依據實際情況做相應調整。

1.6 陽極面積比

與雙陽極電流分配一樣，不同的陽極面積比同樣會導致鍍層成分不同。因此，我們要根據實際應用需求來控制鎳和鋅的比例，建議采用鎳陽極面積與鋅陽極面積的比例為1∶6。

1.7 攪拌

依據承載工件的器具不同，電鍍可分為掛鍍和滾鍍兩類。滾鍍中，由于滾筒的機械攪拌作用，攪動工件的同時鍍液也得到了相應的攪拌。因此，我們不必再額外添加攪拌裝置。對于掛鍍，為了更好地使鍍液分散均勻，沉積更為細致，務必重視攪拌系統。建議采用射流的方式，而射流朝向應指向兩端槽壁，利用折射的液流使工件周圍溶液的質量濃度保持穩定。

在赫爾槽試驗中，如果不采用攪拌，則高電流密度區的燒焦區域明顯擴大，在底部會出現鎳綠析出的現象。在弱攪拌下，鍍層中鎳的質量分數會相對提高。

2 性能檢測

2.1 電流效率和沉積速率

作為酸性電解液體系，其電流效率比堿性體系的高很多。與酸性鍍鋅類似，沉積速率約為0.20～0.25μm／min（1A／dm2）；電流效率大于90%［7］。

2.2 金相結構

利用掃描電子顯微鏡將不同鍍層的側面放大10 000倍，如圖3所示。由圖3可知：酸性鋅-鎳合金的金相結構與酸性鍍鋅的不同，卻和堿性鋅-鎳合金的類似。此外，當鍍層中鎳的質量分數為12%～15%時，酸性鋅-鎳合金可以獲得穩定的γ相［8］。

圖3 不同鍍層的SEM圖

2.3 耐蝕性

中性鹽霧測試結果，如圖4所示。通過試驗比較堿性鋅-鎳合金、酸性鋅-鎳合金、酸性鍍鋅的腐蝕速率。試驗結果表明：酸性鋅-鎳合金的耐中性鹽霧性能較好。

圖4 中性鹽霧測試結果

2.4 廢水處理

傳統的堿性鋅-鎳合金電鍍工藝在生產中會產生氰離子。氰離子的存在不僅降低了電流效率，提高操作成本，而且造成廢水處理困難。相比之下，酸性鋅-鎳合金電鍍工藝在廢水處理上要簡便得多。尤其是目前不含銨鹽的添加劑體系的研發，進一步解決了廢水處理的困難。

3 應用領域

3.1 汽車行業

汽車的剎車閘過去一直采用酸性鍍鋅工藝。隨著耐蝕性要求的日益提高，一些汽車主機廠要求其出現白銹的時間＞196h，出現紅銹的時間＞960h。當前有很多電鍍加工廠通過雙層電鍍的方式來應對，即先酸性鍍鋅，再電鍍堿性鋅-鎳合金。采用酸性鋅-鎳合金電鍍工藝，不僅可以簡化流程，直接進行電鍍，而且在獲得高耐蝕性的同時還提高了鍍層的結合力，可謂一舉多得。

3.2 石油煤礦行業

煤礦單體液壓支柱要求具備良好的潤滑性及耐蝕性［9］。目前大多采用堿性鋅-鎳合金電鍍、化學鍍鎳或涂層工藝。采用酸性鋅-鎳合金電鍍工藝，可以降低加工成本，并達到相應的技術要求。

3.3 航空航天行業

在航空用高強鋼的防護體系中，由于對氫脆的敏感性，除了要求有高耐蝕性外，防護必須采用低氫脆工藝。采用酸性鋅-鎳合金電鍍工藝，可制得耐蝕性好、滿足低氫脆性能要求的鋅-鎳鍍層［10］。

4 結論

研究了酸性鋅-鎳合金電鍍工藝中的各影響因素，希望可以讓讀者從中了解酸性鋅-鎳合金電鍍工藝的特點，幫助使用者在操作過程中更快速地發現問題，解決問題。除了本文介紹的應用領域之外，對沉積速率有高要求的，對鑄鐵件、高碳鋼、切削鋼電鍍存在困擾的，對堿性鋅-鎳合金亮度存在不滿的，都可以考慮酸性鋅-鎳合金電鍍工藝。

［1］安茂忠.電鍍鋅及鋅合金發展現狀［J］.電鍍與涂飾，2003，22（6）：36-40.

［2］黃巍，黃逢春，丁曉林，等.弱酸性無銨鋅鎳合金電鍍工藝的研究［J］.材料保護，2005，38（9）：25-27.

［3］萇清華，陳峰，陳艷芳.鍍液中鎳鋅含量比對酸性液電鍍Zn-Ni合金的影響［J］.熱加工工藝，2009，38（12）：99-103.

［4］陳艷芳，萇清華，陳峰，等.溫度對酸性液電鍍Zn-Ni合金質量的影響［J］.材料熱處理技術，2009，38（16）：89-93.

［5］陳艷芳，萇清華，周巧玲.pH值對酸性液電鍍Zn-Ni合金質量的影響［J］.科技資訊，2008（29）：54-56.

［6］萇清華，陳峰，陳艷芳，等.陰極電流密度對酸性液電鍍Zn-Ni合金質量的影響［J］.南方金屬，2009（1）：18-20.

［7］張允誠，胡如南，向榮.電鍍手冊（第3版）［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［8］許愛忠，胡文彬，沈斌，等.鋅鎳合金鍍層耐蝕機理研究進展［J］.電鍍與環保，2000，20（3）：1-5.

［9］王超，呂志，肖洪兵.煤礦液壓支柱表面處理工藝創新［J］.煤礦機械，2013，34（2）：122-124.

［10］宇波，湯智慧，張曉云，等.航空高強度低氫脆鋼電鍍鋅-鎳合金工藝研究［J］.航空材料學報，2006，26（3）：131-134.