RG-281 堿性鋅-鎳合金工藝的研究

馬 靜， 呂明威

（武漢奧邦表面技術有限公司，湖北 武漢430023）

0 前言

隨著現代工業和科學技術的飛速發展，人們對防護性鍍層的要求越來越高，傳統的純鋅鍍層已不能滿足生產要求。鋅-鎳合金中鎳的質量分數一般為10%～15%，其耐蝕性和耐磨性為鍍鋅層的3～5倍［1］。

本文研究了鋅-鎳合金工藝，進行了鍍液性能和鍍層性能測試，并將最優條件下得到的鋅-鎳合金鍍層的耐蝕性與純鋅鍍層的進行對比。

1 試驗

1.1 儀器與設備

LZ-1型赫爾槽試驗儀，武漢隆澤電子有限公司；501型超級恒溫水浴槽，上海圣威科學儀器有限公司；能量色散X 熒光光譜儀，江蘇天瑞儀器股份有限公司；276 mL 赫爾槽，南京整流器廠；SYD-13型電鍍陰極移動裝置，上海實用電子研究所；SCQ-1201型超聲波清洗儀，上海聲嚴超聲波儀器有限公司；恒溫干燥箱，上海光地儀器設備有限公司；YWX／Q-150型鹽霧試驗箱，安特穩實驗設備有限公司。

1.2 鋅-鎳合金鍍液的配制

RG-281鋅-鎳合金鍍液的配方為：氧化鋅8～12g／L，氫氧化鈉100～140g／L，RG-281 配位劑80～110mL／L，RG-281 鎳補加劑8～12 mL／L，RG-281光亮劑1～3mL／L，溫度20～30℃，攪拌速率3～5r／min，過濾速率4～6 循環／h，電流密度1～5A／dm2。

鍍液的配制方法：加入1／4體積去離子水于鍍槽中，加入計量的氧化鋅，并調制成糊狀，邊攪拌邊緩慢加入計量的氫氧化鈉，與氧化鋅一起調制成清液狀態。加入去離子水至鍍槽體積的2／3處，冷卻至4℃以下。均勻加入計量的RG-281 配位劑和RG-281鎳補加劑的混合液，加入計量的RG-281光亮劑，補加去離子水至刻度，攪拌均勻，小電流電解數小時，即可試鍍。

1.3 試樣的制備

將赫爾槽放在恒溫水浴槽中，在恒定的電流密度下試驗。

取厚度為0.2mm 的經布輪拋光成鏡面的冷軋紫銅片（尺寸為5cm×5cm）作為陰極試片。

1.4 耐蝕性試驗

分別采用表面積為1.0dm2、厚度為2 mm 的08F鋼板試樣，在完全相同的條件下，以2 A／dm2的電流密度電鍍30min，并進行彩色鈍化和黑色鈍化，繼而進行中性鹽霧試驗，記錄表面出現白銹和紅銹的時間［3-5］。

1.5 鍍液分散能力試驗

分散能力采用赫爾槽試片法測試。在試片的中心劃一條橫線，再在中心線以上10mm 處劃一條與中心線平行的橫線，將兩線間用垂直線分隔成等距的10個方格，即每格間距10mm，棄去兩端各1格，還剩余8 格。將近陽極的高電流端的鍍層厚度記為δ1，以后依次為δ2，δ3……δ8。分散能力的計算公式為：

式中：δi為被選擇的任一方格的鍍層厚度；δ1為1號方格的鍍層厚度。

測試條件：槽液溫度25℃，施加電流2A，電鍍時間10min。

1.6 電流效率試驗

用庫侖計測定法測試。庫侖溶液為硫酸（d=1.84g／cm3）25 mL／L，硫酸銅125g／L，己醇50 mL／L。在θ=25℃，Jk=2A／dm2的條件下，以銅片為陰極，電鍍30min。電流效率的計算公式為：

式中：m1為鍍液中陰極增重；m0為庫侖溶液中陰極增重；K為被測鍍液陰極析出物質的電化學當量。

2 結果與討論

2.1 鍍液成分及工藝條件對鍍層中鎳的影響

2.1.1 氧化鋅

氧化鋅是鍍液的主鹽，提供鋅離子，可在較大的范圍內變化。當氧化鋅的質量濃度過高時，鍍液的分散能力和深鍍能力變差，工件尖角處鍍層粗糙，幾何形狀復雜的工件很可能出現陰陽面；當氧化鋅的質量濃度過低時，沉積速率慢。本工藝中氧化鋅的質量濃度在8～12g／L之間。

2.1.2 氫氧化鈉

氫氧化鈉對鋅起配位作用，促使陽極溶解，提高鍍液的導電性。當氫氧化鈉的質量濃度過高時，會加速陽極溶解，電流效率下降，而且堿的濃度高，易黏附于工件表面，不易清洗干凈，影響鈍化膜的質量，鍍層泛白；當氫氧化鈉的質量濃度過低時，鍍液的導電性變差，槽電壓上升，陽極易發生鈍化，電流密度范圍變窄，鍍層發暗、粗糙。本工藝中氫氧化鈉的質量濃度在100～140g／L之間。

2.1.3 RG-281配位劑

由于鋅和鎳的電極電位相差較大，兩者在溶液中無法發生共沉積［6-7］。而加入了RG-281 配位劑后，使兩者分別以配合物的形式存在，并且形成穩定的配合物。這樣使得鋅、鎳離子配合物的沉積電位相近而發生共沉積，并且阻止鎳離子和氫氧化鈉反應生成沉淀，從而獲得更好的鍍層。本工藝中RG-281配位劑的體積分數在80～110mL／L之間。

2.1.4 RG-281鎳補加劑

RG-281鎳補加劑是鍍液中鎳離子的來源，是保證整個工藝性能良好的關鍵。鍍液中鎳的質量濃度直接影響鍍層中鎳的質量分數。本工藝中RG-281鎳補加劑的體積分數在8～12mL／L之間。

2.1.5 RG-281光亮劑

RG-281光亮劑可改善低電流密度區的光澤度，提高鍍層的光亮度和均勻性，使鍍層的可塑性增強；此外，還可以提高鍍液的分散能力，增大Zn2+在陰極的極化，并對Ni2+在陰極的沉積起去極化作用。本工藝中RG-281光亮劑的體積分數在1～3mL／L之間。

2.1.6 溫度

適當的溫度，可以提高沉積速率和電流效率。溫度偏低時，可增強陰極極化作用，但會降低電流效率，陰極析氫嚴重，使鍍層產生氫脆或起泡；溫度升高，鍍液的黏度下降，加快離子的擴散速率，提高鍍液的導電性，電流效率也相應地提高；但溫度過高，添加劑的吸附能力將下降，陰極極化值減小，鍍液的深鍍能力和分散能力變差，鍍層粗糙，鈍化后發霧，對合金組分影響也大。本工藝中溫度控制在20～30℃之間。

圖1為溫度對鍍層中鎳的質量分數的影響。從圖1中可以看出：溫度對鍍層成分的影響不大，隨著溫度的升高，鍍層中鎳的質量分數先緩慢升高然后下降。這是因為鍍液中放電離子的遷移速率隨溫度的變化而變化。

圖1 溫度對鍍層中鎳的質量分數的影響

2.1.7 電流密度

電流密度大，出光快。但電流密度過大，導致陰極電極電位更負，表面活性劑發生脫附，引起鍍層粗糙、發黑，出現氣流、條紋，后續鈍化工序困難。電流密度過小，沉積速率慢，光亮度差。本工藝中電流密度控制在1～5A／dm2之間。

電流密度對鍍層中鎳的質量分數的影響，如圖2所示。從圖2中可以看出：在很大的電流密度范圍內，鍍層中鎳的質量分數都處于一個相對穩定的狀態。故本工藝中電流密度可以取一個相對較廣的范圍。

圖2 電流密度對鍍層中鎳的質量分數的影響

2.2 鍍液性能

2.2.1 赫爾槽試驗

在不同條件下電鍍10min，結果如表1所示。

表1 不同試驗條件下的赫爾槽試片

2.2.2 鍍液分散能力

δi取δ5。用赫爾槽試片法測得鍍液分散能力為48.5%。

2.2.3 電流效率

用庫侖計測得m1=0.218 5g，m0=0.222 3g，鍍層中鎳的質量分數為11.7%，計算出鍍層電化學當量K=1.290g／（A·h）。根據公式計算得出電流效率為90%。

常規的鋅-鎳合金槽液使用一段時間后極易老化，沉積速率明顯下降，維護困難。而本工藝通過查閱國外文獻改良合成路線合成的新型配位劑，解決了上述問題。加入了RG-281 配位劑后，通過長期的觀察發現：槽液的性能穩定，不需要調整依然能獲得外觀較好的鋅-鎳合金鍍層。

2.3 鍍層性能

2.3.1 結合力試驗

將100mm×20 mm×1 mm 的試件掛入溫度為25℃的鋅-鎳合金鍍液中，在1A 電流下電鍍15 min后取出，烘干；然后夾在臺鉗上反復彎曲至斷裂，斷口處無鍍層脫落。

將數十個鍍鋅-鎳合金的試件烘干，將試件置于200℃的電熱烘箱中恒溫30min，取出后立即投入冷水中驟冷。試樣鍍層無起泡或脫落。

取電鍍鋅-鎳合金并經除氫鈍化處理后的直徑6mm 的彈簧墊圈50只套在M5的螺桿上，用扳手將螺母旋緊直至墊圈開口處壓平為止，放置24h后松開，無一脆斷。

2.3.2 耐蝕性

鋅-鎳合金鍍層與純鋅鍍層的耐蝕性對比結果，如表2所示。鍍層厚度為10μm。由表2可知：鋅-鎳合金鍍層的耐蝕性遠遠高于純鋅鍍層的。

表2 鋅-鎳合金鍍層與純鋅鍍層的耐蝕性對比

3 結論

本文通過大量的試驗確定了最佳配方及工藝條件：氧化鋅8～12g／L，氫氧化鈉100～140g／L，RG-281配位劑80～100 mL／L，RG-281鎳補加劑8～12 mL／L，RG-281 光亮劑1～3 mL／L，20～30℃，1～5A／dm2。

在金屬電沉積過程中，晶粒的生長會出現擇優取向。電鍍純鋅時，電沉積過程中結晶不細致，鍍層疏松、粗糙；而鋅-鎳合金鍍層的結晶細致了很多，外觀均勻，光澤也比較好。RG-281工藝是一種高性能堿性鋅-鎳合金工藝，所得鍍層的均鍍性、整平性極佳。利用其獨特的配位技術，可以使生產穩定，很長時間內不需要調整槽液；沉積速率快，電流效率高，工藝簡單；耐蝕性是純鋅鍍層的3～6倍。

［1］蔣彤雅，吳菊珍.電鍍耐蝕性鋅-鎳合金工藝的研究［J］.電鍍與環保，2010，30（2）：16-18.

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