淺談電鍍鋅—鎳合金代替氰化鍍鎘工藝的可行性

摘 要：電鍍鋅-鎳合金工藝作為表面處理工程中新型的綠色環保工藝，鍍層具有高耐蝕性、低氫脆性、可焊接性等優異性能，相對傳統的氰化鍍鎘工藝更環保。文章通過對酸性電鍍鋅-鎳合金與氰化鍍鎘兩種工藝進行對比，并對電鍍鋅-鎳合金層與鍍鎘層的耐蝕性、耐熱性、氫脆性等性能進行對比，研究電鍍鋅-鎳合金工藝代替氰化鍍鎘工藝的可行性。

關鍵詞：電鍍鋅-鎳合金；氰化鍍鎘；氫脆性；鎘脆

引言

目前航空工業中鋼制零件的防護一般采用的是氰化鍍鎘工藝，雖然有較好的防護性能，但存在氫脆性風險，與鈦合金接觸會產生接觸腐蝕，同時鎘的高致癌性和氰化物的高毒性對環境和人體造成極大危害，因此近幾十年來，國內外為尋找適合的代鎘鍍層進行了廣泛的探索和研究，開發了高耐蝕性能的鋅基合金鍍層，如：鋅-鎳、鋅-鐵、鋅-鈷等電鍍合金工藝，其中鋅-鎳合金因具有優良的耐腐蝕性及低氫脆性而獲得電鍍界的廣泛重視[1]。

鋅-鎳合金鍍層是在無氰鍍鋅基礎上發展起來的，是含有20%以下鎳含量的合金鍍層，電鍍鋅-鎳合金工藝自20世紀初提出以來，經幾十年的發展，已經出現了酸性、堿性多種電鍍體系，鍍層性能也有很大的提高，除接觸電阻大于鎘層外，鋅-鎳合金的耐蝕性更好，氫脆較低，不容易導致零件發生氫脆斷裂，在其它性能方面，如：焊接性、延展性、附著力等與氰化鍍鎘相近甚至更好。廣泛用在航空、航天及家電等行業中鋼件的防腐保護層[2]，在空客A350、波音B747-8中已經可以代替氰化鍍鎘工藝。

1 電鍍溶液對比

電鍍鋅-鎳合金與電鍍鎘溶液的對比，發現電鍍鎘溶液中含有毒性極強的氰化鈉及重金屬鎘，通過食物鏈進入人體，會引發人體呼吸困難、抽搐、暈厥、惡心、腹瀉等現象發生，甚至導致死亡，危害人類健康；國際上正在逐步限制和禁止鎘的使用。電鍍鋅-鎳合金溶液相對無毒、環保，不但對環境的污染較小，而且廢水、廢氣、廢渣處理較為簡單，成本較低，成為代替鍍鎘最理想的工藝。

2 鍍層性能對比

2.1 物理性能對比

鋅-鎳合金鍍層和鍍鎘層的性能相近，有較好的焊接性、延展性和耐蝕性，在大氣及海洋環境下抗腐蝕能力較強；電鍍鋅-鎳合金層的硬度可達HV220～270，遠高于鍍鎘層（HV90～130），具有良好的耐磨性，在零件裝配時不容易劃傷。除此之外，鋅-鎳合金鍍層熔點為750℃～800℃，遠高于鍍鎘層的熔點：320.9℃，耐熱性好，經190℃～200℃除氫烘烤后耐蝕性仍然優良，適合于發動機上使用。由于鎘的熔點較低，高溫下容易引起鍍層熔融，在一定溫度和應力的同時作用下，零件表面熔融態的鎘沿著晶界擴散到零件內部，引起零件基體材料脆化而導致脆性斷裂-鎘脆[3]；這種脆化效應能在鍍鎘的零件上發生，也能在與鎘鍍層相接觸的零件上發生，鎘鍍層通常允許的最高使用溫度為230℃，對于強度較高的承力件和長壽命件，其允許使用溫度應降低至200℃～210℃，使用超過230℃時，就禁止使用鍍鎘工藝。

2.2 鍍層耐蝕性對比

2.2.1 在海洋性大氣、海水及氯化物介質中，鋅-鎳鍍層與鎘鍍層相同，都屬于陽極保護性鍍層，這種鍍層在機械損傷的情況下，損傷處周圍的鍍層仍能有效地保護鋼鐵基體免遭腐蝕。

2.2.2 中性鹽霧試驗。

（1）試驗的制備。采用8塊試樣規格為：150mm×100mm×1mm，材質為：4130-退火的板材，按每組4塊試料分別在氰化鍍鎘槽和電鍍鋅-鎳槽中進行單塊分次電鍍，8塊試樣的鍍層厚度均為12～15μm，并且都在鈍化溶液中進行鈍化處理。

（2）中性鹽霧試驗。將符合（1）的兩組試片放置在室溫環境下老化24h，然后按照ASTM B117的要求，懸掛于溫度為35℃±2℃的鹽霧箱中，配合12Psi的空氣壓縮泵，在濃度為5%±1%的氯化鈉溶液，pH范圍為6.5～7.2中進行鹽霧試驗；分組記錄試驗數據，并按照數據繪制試樣與試驗銹蝕的時間（h）之間的曲線圖，如圖1所示。

從圖1可以看出，鍍層厚度為12～15μm的鋅-鎳合金鍍層與鎘鍍層對比，鋅-鎳合金鍍層出現白銹的時間是鎘鍍層出現白銹時間的4倍，鋅-鎳合金鍍層出現紅銹時間是鎘鍍層出現紅銹時間的3倍；而且試驗過程中發現，鋅-鎳合金鍍層在出現紅銹后，紅銹的擴展速度較鎘鍍層要慢。

2.3 鍍層氫脆性對比

由于鋅-鎳合金鍍層具有柱狀結構的特征，有利于氫的擴散，使在鋼零件上電鍍鋅-鎳合金后經除氫烘烤后，進入到基體金屬的氫原子可以順利的通過擴散向外逃逸，所以電鍍鋅-鎳合金的氫脆危險性較鍍鎘的要小。

3 結束語

（1）文章通過對電鍍鋅-鎳合金與電鍍鎘兩種工藝的工藝流程、槽液成分、工藝參數進行對比，發現電鍍鋅-鎳合金與電鍍鎘兩種工藝的前處理及后續輔助處理幾乎相當，但電鍍鋅-鎳合金槽液比電鍍鎘的槽液維護較為簡單、污染要小、毒性較低，較為環保；電鍍鋅-鎳合金的電流密度較電鍍鎘的電流密度要低，更省電，成本較低。

（2）文章通過對電鍍鋅-鎳合金鍍層與電鍍鎘層兩種鍍層的硬度、耐熱性、耐蝕性、氫脆性等進行對比，發現電鍍鋅-鎳合金鍍層比電鍍鎘層硬度要好、耐熱性更強、耐蝕性更優、氫脆性更低。

（3）文章通過對電鍍鋅-鎳合金與電鍍鎘生產工藝及鍍層性能對比，電鍍鋅-鎳合金無論從鍍層性能、環保角度、經濟效益還是產品質量等方面都優于電鍍鎘，使用電鍍鋅-鎳合金工藝代替電鍍鎘工藝是完全可行的。

參考文獻

[1]屠振密.電鍍合金原理與工藝[M].北京：國防工業出版社，1993：212-218.

[2]俞鋼輝，馮力群.鋼絲連續電沉積鋅鎳合金及其耐蝕性[J].上海鋼研，1998（2）：14-17.

[3]李金桂.腐蝕控制設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2006：462-464.

作者簡介：郝江華（1984-），男，商洛市人，中航飛機西安飛機分公司熱表處理廠工藝員，工程師，專業：表面處理。