環保低成本酸性電鍍鋅鎳緊固件腐蝕試驗研究

許雪冬，李萬江，陳心欣，祁緒鳳，趙雪茹，果巖，張曉東

（1.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663； 2.東風汽車集團股份有限公司，武漢 430058；3.機械工業北京電工技術經濟研究所，北京 100070）

研究背景概述

緊固件作為汽車當中使用最為廣泛的零部件，緊固件工藝選擇關系其防腐能力的同時，也大大關系著汽車的制造成本。隨著汽車輕量化發展、汽車廠家成本的控制，為各個部件選取適用的工藝、合適的緊固件尤為關鍵[1]。

目前汽車上主要應用的緊固件防腐涂鍍層包括電鍍鋅、電鍍鋅鎳、鋅鋁涂層等[2,3]。其中電鍍鋅鎳在汽車緊固件的應用工藝大多采用為堿性工藝，其防腐能力較佳，但是電鍍污水處理成本較高。相比之下，酸性電鍍鋅鎳的絡合劑添加量較少，且主要成分是有機羧酸鹽或檸檬酸，絡合強度較低，廢水處理成本大大降低[4-6]。

環保低成本酸性電鍍鋅鎳作為一種新型的酸性電鍍鋅鎳工藝產品，在前期開展的防腐工藝調研中，認為酸性鋅鎳工藝相比堿性鋅鎳，具有成本低、電流效率高、電鍍速度快、上鍍能力好等優點，且由于其電鍍過程不含絡合劑，污水處理更簡單，環保成本更低。而為了論證它在實際零部件上的防腐性能，需要針對性的開展相應的腐蝕試驗研究。中性鹽霧試驗作為汽車材料及零部件最為通用的人工腐蝕加速試驗方法，可以作為考核工藝防腐能力的主要方法及手段[7]。本文通過開展中性鹽霧試驗，驗證環保低成本酸性電鍍鋅鎳工藝的防腐能力。

本文主要通過對不同廠家制備的多種工藝要求的酸性鋅鎳螺栓，開展中性鹽霧試驗的結果，以驗證酸性電鍍鋅鎳的防腐能力。并與傳統的堿性鋅鎳相比，討論環保低成本酸性電鍍鋅鎳是否具有可替代性。從而為環保低成本酸性電鍍鋅鎳在汽車零部件上的推廣應用的可行性分析提供技術基礎和驗證數據。

1 工藝的選擇與樣品情況

為了充分的驗證酸性電鍍鋅鎳工藝的抗腐蝕能力。本試驗的樣品采用汽車上較為常用的M8規格的螺栓件。

參考目前國內外的汽車企業對于電鍍鋅鎳的零部件的工藝要求，最低厚度要求為大于6 μm，最高設計要求為大于16 μm。根據以上的信息，同時綜合考慮防腐要求、成本及工藝可行性與可比較性，本報告中的螺栓樣品選用了5 μm、10 μm和13 μm共3種鍍層厚度，對每一種鍍層厚度，選用了“純電鍍鋅鎳”、“電鍍鋅鎳+鈍化”、“電鍍鋅鎳+鈍化+封閉”的3種不同工藝，即共9組工藝組合，基本上覆蓋酸性鋅鎳大部分的工藝在螺栓的應用。

本報告各種要求的樣品，均分別采用兩個生產商對照制備，共18組。具體的工藝條件如表1所示。每個試驗組試驗樣品數量為4件。在試驗前測量每個樣品的實際鍍層厚度，得到此組樣品的實測厚度平均值。通過試驗對比，充分驗證各種工藝條件的抗鹽霧腐蝕能力。

表1 試驗樣品工藝條件

從實測厚度值來看，兩個廠家對應的組別之間，大部分厚度值均無明顯差別。厚度差異相對較為突出（于對照組平均差別大于1 μm ）情況為：B廠家的L組（純鍍鋅鎳13 μm）、Q組（13 μm +鈍化）明顯較厚。此情況在試驗過程中重點關注。

2 試驗過程

試驗采用中性鹽霧試驗，其具體的試驗條件如下：

試驗溫度：35±2 ℃；

鹽水濃度：NaCl 45~55 g/L，pH 6.5~7.2；

鹽霧量：1.0~2.0 mL /h（80 cm2收集器）；

樣品擺放方式：樣品考察面（螺栓頭部）與垂直方向呈（15~25） °角。

參考目前國內外的汽車企業，對于鍍鋅鎳的零部件，最高中性鹽霧試驗抗紅銹時間為720～1 000 h之間（個別廠家在中性鹽霧試驗前會經過高溫烘烤）[7,8]。因此，本文在前期每24 h觀察螺栓外觀情況，后期每3~4天觀察一次，拍照記錄，并以720 h、1 000 h兩個時間作為關鍵考核節點，重點觀察不同工藝的螺栓經歷此時間節點時的腐蝕情況（含白銹、紅銹的情況）。

樣品試驗結束的條件包括如下兩種情況：

1）當螺栓試驗面紅銹面積達80 %以上，即認為達到可以結束試驗的要求，可以停止試驗，取出該組螺栓樣品；

2）試驗時間達到1 200 h，即認為此組樣品有良好的抗中性鹽霧腐蝕的能力，結束試驗。

3 試驗結果與討論

3.1 樣品首次出現紅銹的時間

在完成了1 200 h試驗后，本次試驗的各組樣品，螺栓頭部首次出現紅銹的時間，記錄如表2所示。

從表2記錄中可知：對于兩個廠家的工藝，即使使用最薄的酸性鋅鎳鍍層（5 μm）的帶有鈍化的螺栓樣品，也可以達到抗中性試驗720 h以上。且對于所有帶封閉工藝的樣品，均在1 200 h的鹽霧試驗后，均未有出現紅銹現象。

表2 中性試驗1 200 h后樣品紅銹情況

3.2各工藝螺栓件的經典試驗節點時刻的腐蝕狀態

對于各種工藝，為了更為深入的對比。分別對不同工藝組別的螺栓，經歷中性鹽霧試驗720 h、1 000 h兩個關鍵節點的腐蝕狀態進行對比分析，分別如表3和表4所示。

表3 中性鹽霧試驗720 h后樣品腐蝕情況

表4 中性鹽霧試驗1 000 h后樣品腐蝕情況

從各關鍵時間節點的螺栓樣品的腐蝕結果，可知：除Q組其中兩個樣品腐蝕數據較為異常外，其它樣品均比較符合規律：對于純度鋅鎳而言，13 μm的樣品約在720 h左右出現紅銹；而含鈍化工藝的樣品，即使是5 μm注：“/”表示對應經歷1 200 h后仍未出現紅銹。的酸性電鍍鋅鎳+鈍化，也能抵抗1 000 h甚至1 200 h的中性鹽霧試驗。

4 結論

本文采用中性鹽霧試驗對兩個廠家的酸性鋅鎳螺栓進行抗腐蝕性能評價，通過對試驗結果的分析，可得到以下結論：

1）13 μm的無鈍化樣品，已可達到720 h的中性鹽霧試驗無紅銹的防腐要求；

2）如需要1 000 h抗紅銹的能力，則工藝控制良好的情況下，5 μm鍍層再加上鈍化工藝的酸性電鍍鋅鎳工藝已可實現；

3）如需要1 200 h或以上的抗紅銹能力，大部分帶鈍化和封閉的工藝均可實現，即使鋅鎳層厚度僅有5 μm。

此外，從本文中采用的兩個廠家的試驗結果對比可見，對于純酸性電鍍鋅鎳、電鍍鋅鎳帶鈍化的工藝，不同廠家的抗腐蝕能力表現有所差異。因此下一步可以根據實際使用的抗腐蝕需求，進行具體工藝參數的優化，從而達到汽車緊固件的防腐要求。