鋅鎳合金鍍層在繼電器產品中應用的研究

【摘 要】采用中性鹽霧試驗法對鋅鎳合金鍍層的防腐性進行了研究，通過掃描電子顯微鏡SEM、數碼晶像顯微鏡等分析手段對鋅鎳合金鍍層的成分變化規律、微觀形貌和機構進行分析研究，結果表明：鎳含量為15%左右的鋅鎳合金鍍層防腐性能最佳。探討了鋅鎳合金鍍層的圍觀結構與防腐性的關系，并討論了鋅鎳合金鍍層的腐蝕機理。

【關鍵詞】繼電器;鋅鎳合金;防腐性

1 前言

安全型和信號繼電器在鐵路及城市軌道信號控制系統中廣泛應用，隨著我國鐵路行業的高速發展，軌道上每日通過車輛的頻次不斷增大，控制系統中安全、信號繼電器的斷開和接通頻次大幅度增加，對繼電器的可靠性和穩定性的要求明顯提高，則對主要零部件尤其是鋼鐵件的耐腐蝕性能要求不斷提升。

目前各種型號的繼電器中，鋼鐵零部件的表面處理以電鍍鋅為主，鋅鍍層在密閉或半密閉的潮濕環境、沿海腐蝕環境等特殊環境條件下易腐蝕生成白色產物，俗稱“白霜”。純鋅鍍層已逐漸難以滿足繼電器產品的防腐性能要求。

2 鋅鎳合金

近年來，鋅合金鍍層的研究與應用越來越廣泛。電鍍鋅合金是指以鋅為主要成分，并含有少量的其他金屬的電鍍層。主要是鋅與鐵族金屬形成的二元合金，即鋅-鎳、鋅-鈷、鋅-鐵合金等，它們具有的共同特性是良好的防腐性能。由于鐵族金屬的原子結構和性質很相近，其與鋅形成合金的共沉積也很相似。僅從電極電位看，鐵族金屬的電位比鋅正的多，在共沉積時，鐵金屬易沉積且優先沉積，這種沉積稱為異常共沉積。但在電鍍過程中，當鋅與鐵族金屬在陰極表面共沉積時，隨著陰極表面的H2析出，使表面pH值升高，首先在陰極表面生成了氫氧化鋅膠體薄膜，致使鐵族金屬離子在陰極表面受到抑制而難以沉積，于是鋅在陰極表面優先析出，即形成以鋅為主要成分，含少量鐵族元素的合金鍍層。鋅合金鍍層與鋅鍍層相比具有更高的耐蝕性，并有良好的耐磨性、可焊性，其中以鋅鎳合金研究的較多。

鋅鎳合金鍍層具有優良的耐腐蝕性能，鍍層中含有少量鎳的電鍍層，當含鎳是7%-9%的合金鍍層時，耐腐蝕性是純鋅鍍層的3倍以上;當含鎳是13%左右的合金鍍層時，耐腐蝕性是純鋅鍍層的5倍以上。常用的電鍍鋅鎳合金有堿性和弱酸性兩種。兩種工藝各有優缺點：弱酸性鋅鎳合金工藝的優點是電流效率高，沉積速度快，氫脆性低，可用于高碳鋼和鑄鋼件的電鍍層;堿性鋅鎳合金工藝最大的優點是分散能力和深度能力較高，無氫脆，適用于復雜零件的電鍍，鍍液成分簡單操作方便，對設備腐蝕性小，缺點是電流效率低、沉積速度慢。

由于繼電器的鋼鐵零部件的外型較復雜，對電鍍層的深度能力要求較高，故本次僅研究堿性鋅鎳合金鍍層。

3 試驗

試驗樣件為繼電器產品中兩種不同基材的零件，分別為冷軋鋼板和鑄鋼。零件外形為L型，能分別體現高、中、低電流密度區域的鍍層質量及性能。

試驗樣件表面進行不同的電鍍工藝，如純鋅鍍層、堿性鋅鎳合金鍍層，對其鍍層質量及性能進行對比測試。

4 鍍層性能測試

4.1 顯微硬度

利用HV-1000T顯微維氏硬度計測量各組試樣的硬度，試樣的鍍層平均厚度為12μm，具體數據見表1.

由上表可看出，鋅鎳合金鍍層的顯微維氏硬度遠遠高于純鋅鍍層的，耐磨性能強于純鋅鍍層。

4.2 分散性能

利用赫爾槽測定法測試。在赫爾槽試片上選取3點，分別為高 中 低三個電流密度區，測量其鍍層厚度。

測試條件：電流 1A，時間 10min，溫度25℃。

在標準主鹽含量及有絡合劑和添加劑的情況下，進行測試。取3點的位置分別為：從左至右1cm、3cm、5cm，見圖1。

鍍層厚度在3點的分布數值見表2。

由表2可得出，鋅鎳合金鍍層的分散能力高于純鋅鍍層。

4.3 附著強度

根據GB/T 5270中2.12的熱震試驗測試。將試樣在300℃±10℃烘箱中保溫10min，然后將其放入15℃-25℃的冷水中冷卻，鍍層未發生起皮、起泡等從基體金屬上分離的現象。

4.4 防腐性能

采用中性鹽霧NSS試驗法進行測試。

測試條件：氯化鈉濃度為50g/L5g/L;pH值在6.5-7.2之間;溫度為35℃±2℃;80cm2的水平面積的平均沉降率為 1.5mL/h-0.5mL/h。

試樣鋅鍍層和鋅鎳合金鍍層的平均厚度均為12μm。純鋅鍍層在264h時基體開始出現白色腐蝕，而鋅鎳合金鍍層在768h時基體無腐蝕。

鋅鎳合金鍍層的耐蝕性與其鎳含量有著密切的關系。實驗證明，鎳含量為13～16%左右的鋅鎳合金鍍層耐蝕性最強。

鎳含量為0～13%時，鋅鎳合金晶相為鋅層與Gamma晶粒;鎳含量為13～16%時，晶相為純Gamma晶粒層（如圖2）;當鎳含量為17～100%時，晶相為Gamma晶粒層與金屬鎳混合物。

鎳含量低于13%的鋅鎳合金鍍層，其特性趨近于純鋅;伴隨著鎳含量的增加，耐蝕性（至產生紅銹為止）也隨之提升，當鎳含量達到13%時，鋅鎳合金鍍層的特性顯著地產生變化，尤其是鉻酸鹽鈍化膜的耐蝕性在此時大幅提升，主要是歸功于“Gamma”鋅鎳合金晶粒在這個階段大量形成所致，但是，如果鎳含量太高，鋅鎳合金鍍層的特性便趨向于純鎳，其鉻酸鹽鈍化的接受性也會急速惡化。

鎳含量在15%左右的鋅鎳合金鍍層屬于單一γ相，是金屬間化合物。對鋼鐵基體而言，該鋅鎳合金鍍層為陽極性鍍層，對基體起到電化學保護作用。腐蝕開始時，鍍層中的鋅較易被腐蝕，使鍍層中的鋅含量下降，鎳相對富體，鎳的富體對腐蝕具有抑制作用。鋅鎳合金鍍層的腐蝕產物不導電，并且均勻致密覆蓋在鍍層表面，對鍍層也起保護作用，使得鋅鎳合金鍍層的腐蝕性遠高于鋅鍍層。

5 小結

通過試驗結果分析，鋅鎳合金電鍍層在提高鋼鐵零部件的防腐性能的同時，還提升了零部件表面的硬度，增加了其耐磨性。不僅提高繼電器產品零部件的防腐性能，而且保證軌道列車的安全運行。

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作者簡介：

段桂梅，1982 . 11 .11，女，漢族，陜西寶雞，大學本科，鐵路行業專業技術。

（作者單位：西安工業集團西安鐵路信號有限責任公司）