易切削鋅–銅–鎂–鋁–稀土鋅合金表面電鍍光亮鎳

周宏明，肖來榮，劉芙蓉，李艷芬

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

易切削鋅–銅–鎂–鋁–稀土鋅合金表面電鍍光亮鎳

周宏明*，肖來榮，劉芙蓉，李艷芬

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

以新型易切削Zn–Cu–Mg–Al–RE鋅合金為基體，電鍍得到光亮鎳鍍層。其工藝流程主要包括化學(xué)除油、活化、預(yù)鍍鎳、光亮鍍鎳和干燥。研究了溫度、pH、電流密度、電鍍時(shí)間等工藝條件對(duì)在以硫酸鎳、氯化鎳、硼酸和光亮劑為主要成分的鍍液中所得光亮鎳鍍層外觀的影響。電鍍光亮鎳的最佳工藝為：0.045 ～ 0.050 A/cm2，40 ～ 45 °C，pH = 3.9 ～ 4.1，10 min。在最佳工藝下得到的鍍層總厚度約為80 μm，鍍層光滑、致密、光澤度好，無針孔、麻點(diǎn)、起泡等缺陷，與基體結(jié)合緊密，界面存在ZnNi過渡層。

鋅合金；電鍍；光亮鎳鍍層；外觀；成分

1 前言

我國(guó)高品位鋅資源十分豐富，儲(chǔ)量位居世界前列。鋅合金具有良好的鑄造性能、力學(xué)性能以及較低的加工成本，在目前銅資源日趨緊張的情況下，鋅合金已成為一種良好銅合金替代材料[1-3]。Zn–Al系鋅合金作為黃銅的替代品，從20世紀(jì)70年代末開始被研究，但由于該系列合金在使用過程中老化嚴(yán)重，其應(yīng)用受到限制。為此，人們開發(fā)出了Zn–Cu系合金，該合金不僅具有良好的耐腐蝕和抗老化性能，而且通過添加適量的Mg、Al、Ti、Mn等合金元素還可獲得良好的力學(xué)性與成形性[4-6]，但該合金的切削性較差，不能滿足生產(chǎn)的需要，雖然添加少量的低熔點(diǎn)元素 Pb、Sn或Bi等可改善其切削性能，但會(huì)降低合金的力學(xué)性和加工性。近年來，中南大學(xué)林高用等[7]開發(fā)出了一種添加稀土的新型易切削鋅合金Zn–Cu–Mg–Al–RE，該合金具有較好的力學(xué)性、加工性和切削性，綜合性能接近鉛黃銅HPb59-1，可廣泛應(yīng)用于各種日常裝飾行業(yè)，如用于制作家具配件、建筑裝飾、浴室配件、領(lǐng)帶夾等，而且可用于軸承、汽車等重要工業(yè)領(lǐng)域。

鋅合金雖有上述種種優(yōu)勢(shì)，但其本身化學(xué)穩(wěn)定性差，在空氣中易氧化而失去表面光澤，要改善其防腐、裝飾性就必須進(jìn)行表面涂覆處理[8-10]。由于鋅合金多以輕工產(chǎn)品為主，裝飾性要求較高，故多利用鍍層來滿足上述要求。鋅合金通常采用電鍍鎳、銅和鉻起到防腐蝕和裝飾的作用[11-13]，而有關(guān)新型易切削鋅合金Zn–Cu–Mg–Al–RE的電鍍鎳尚未見報(bào)道。本文采用電鍍法對(duì)新型易切削鋅合金Zn–Cu–Mg–Al–RE進(jìn)行表面鍍鎳處理，研究鍍液溫度、pH、電流密度和電鍍時(shí)間等對(duì)鍍鎳層力學(xué)性能的影響，優(yōu)化電鍍工藝參數(shù)，為該新型鋅合金的研究和應(yīng)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 實(shí)驗(yàn)材料

以中南大學(xué)林高用等研制的新型鋅合金為基體(φ 10 mm × 3 mm)，其化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)為：Cu 2.54%，Mg 0.56%，Al 0.29%，La 0.052%，Ce 0.16%，Zn余量。

2. 2 工藝流程

打磨─去污粉擦洗─水洗─丙酮棉球擦洗─化學(xué)除油─水洗─活化─水洗─預(yù)鍍鎳─水洗─光亮鍍鎳─水洗─干燥。

2. 3 配方與工藝

2. 3. 1 化學(xué)除油

2. 3. 2 活化

2. 3. 3 預(yù)鍍鎳

預(yù)鍍鎳時(shí)控制NiSO4·7H2O與C6H5Na3O7·2H2O的質(zhì)量比為1.0∶1.3，若太低，易產(chǎn)生Ni(OH)2沉淀。

2. 3. 4 光亮鍍鎳

2. 4 性能測(cè)定

(1) 鍍前用SPM-10A型數(shù)字酸度計(jì)(浙江蕭山儀器標(biāo)準(zhǔn)件廠)測(cè)定并用0.1 mol/L的稀HCl溶液調(diào)節(jié)鍍液的pH。

(2) 外觀評(píng)價(jià)：在自然光下肉眼觀察試樣表面鍍層的顏色及均勻性。

(3) 用 Sirion 200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，美國(guó)FEI公司)觀察樣品的顯微結(jié)構(gòu)與形貌，并用附帶的能譜(EDS)分析軟件對(duì)鍍層截面進(jìn)行線掃描分析。

3 結(jié)果與討論

3. 1 pH的影響

在40 °C、0.045 A/cm2下電鍍10 min，研究鍍液pH對(duì)光亮鎳鍍層外觀的影響，發(fā)現(xiàn)pH為3.9 ～ 4.1時(shí)鍍層銀白光亮、平整，而pH為3.8和4.2時(shí)鍍層雖也白亮，但較薄。因此，光亮鍍鎳的pH以3.9 ～ 4.1為宜。

3. 2 溫度的影響

在pH = 4.0、0.045 A/cm2下電鍍10 min，研究鍍液溫度對(duì)光亮鎳鍍層外觀的影響。結(jié)果如表1所示。

表1 溫度對(duì)電鍍光亮鎳的影響Table 1 Effect of temperature on bright nickel plating

隨溫度升高沉積速率大幅度提高，但溫度過高會(huì)導(dǎo)致鍍液穩(wěn)定性下降，從而引起鍍液的分解。當(dāng)溫度達(dá)50 °C時(shí)，隨著施鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，氣泡快速冒出，溶液底部出現(xiàn)不溶物，且溫度過高會(huì)導(dǎo)致鍍層孔隙率增加、耐蝕性下降。溫度低時(shí)，鍍層的沉積較慢，影響生產(chǎn)效率。因此，溫度以40 ～ 45 °C為宜。

3. 3 電流密度的影響

在電鍍過程中必須很好地控制電流密度，電流密度過低，鍍層不光亮；電流密度過高，鍍層邊緣易燒焦。在pH = 4.0、40 °C下電鍍10 min，研究電流密度對(duì)光亮鎳鍍層外觀的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 電流密度對(duì)電鍍光亮鎳的影響Table 2 Effect of current density on bright nickel plating

電流密度過高會(huì)導(dǎo)致鍍層起皮及燒焦，鍍層發(fā)黑；電流密度過小，則鍍層沉積慢，電鍍時(shí)間足夠長(zhǎng)才有效果。因此，電流密度選0.045 ～ 0.050 A/cm2為宜。

3. 4 電鍍時(shí)間的影響

電鍍時(shí)間主要影響到鍍層的厚度。在pH = 4.0、0.045 A/cm2、40 °C下對(duì)鋅合金基體電鍍不同時(shí)間，并用掃描電鏡測(cè)定對(duì)應(yīng)鍍層的厚度。電鍍5、10和20 min時(shí)，鍍層厚度分別為62.6、83.85和85.12 μm。電鍍時(shí)間由10 min延長(zhǎng)至20 min時(shí)，鍍層厚度變化不大?？紤]到成本問題，電鍍光亮鎳以10 min為佳。

3. 5 鍍層的截面分析

在pH = 4.0、0.045 A/cm2、40 °C下對(duì)鋅合金電鍍10 min得到的光亮鎳鍍層，采用掃描電鏡分析其截面形貌，結(jié)果如圖1所示。

圖1 鎳鍍層的截面分析Figure 1 Cross section analysis of nickel coating

鎳鍍層由光亮鎳鍍層、中性鎳鍍層及中性鎳鍍層與基體間的過渡層3層組成，3層鍍層之間結(jié)合緊密，中性鎳鍍層與光亮鎳鍍層之間不存在過渡層，鍍層總厚度為83.85 μm，中性鍍層(包括過渡層厚度)、中性鎳鍍層與基體之間的過渡層厚度分別為 43.46 μm和9.22 μm，過渡層與基體之間結(jié)合致密，未見微裂紋等缺陷。

采用能譜儀對(duì)光亮鍍鎳層進(jìn)行成分分析，結(jié)果見圖2。光亮鍍層中Ni含量為100%，成分均勻、一致，符合要求。

圖2 光亮鎳鍍層的組成分析Figure 2 Composition analysis of bright nickel coating

過渡層的成分分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，過渡層的主要成分為Zn，其余為Ni。表明在電鍍過程中，基體中有部分Zn溶出，與Ni共同在界面形成過渡層，過渡層的形成有利于提高鍍層結(jié)合力。

圖2 過渡鎳層的成分分析Figure 2 Composition analysis of transition nickel coating

采用能譜儀對(duì)鍍層進(jìn)行線掃描分析，結(jié)果見圖4。由鍍層的外層向里層，元素含量變化明顯，在光亮度鎳層和中性鍍鎳層中基本不含Al和Zn元素；過渡層中Zn元素含量逐漸增加，Ni元素含量逐漸降低，由于基體中Al含量較低，分布不均勻，因此Al元素波動(dòng)較大；基體中基本不含Ni，表明電鍍時(shí)Ni不會(huì)進(jìn)入基體。

圖4 鎳鍍層的線掃描分析Figure 4 Linier scanning analysis for nickel coating

4 結(jié)論

(1) Zn–Cu–Mg–Al–RE合金電鍍光亮鎳的最佳工藝為：0.045 ～ 0.050 A/cm2，40 ～ 45 °C，pH = 3.9 ～ 4.1，10 min。在該工藝下得到的鍍層總厚度為80 μm，鍍層光滑、致密、光澤度好，無針孔、麻點(diǎn)、起泡等缺陷。

(2) 鍍層可分為3層：光亮鎳鍍層、中性鎳鍍層及其與基體間的ZnNi過渡層，各鍍層之間結(jié)合緊密。

[1] 郭天立, 楊如中, 陳銳, 等. 鋅合金發(fā)展現(xiàn)狀述評(píng)[J]. 有色礦冶, 2001, 17 (5): 37-40.

[2] 趙浩峰, 王玲. 鑄造鋅合金及其復(fù)合材料[M]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002: 39-45.

[3] 田榮璋. 第6篇──鋅、鉛、錫及其合金[M] // 黃伯云, 李成功, 石力開, 等. 中國(guó)材料工程大典: 第4卷──有色金屬材料工程(上). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006: 431-462.

[4] 孫連翹, 田榮璋. 鋅及鋅合金物理冶金學(xué)[M]. 長(zhǎng)沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1994: 30-67.

[5] 包曉波, 黃其興. 世界鋅技術(shù)經(jīng)濟(jì)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1996: 21-110.

[6] 蔡強(qiáng). 鋅合金[M]. 長(zhǎng)沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1987: 76-99.

[7] 林高用, 曾菊花, 鄭小燕, 等. Zn–Cu–Mg–Al–RE鋅合金的顯微組織與切削性能[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 41 (4): 1297-1302.

[8] 薛方勤, 徐瑞東, 韓夏云, 等. 鋅合金表面化學(xué)鍍鎳新工藝[J]. 新技術(shù)新工藝, 2002 (10): 42-43.

[9] 劉貴明. 超塑性Zn–Al合金化學(xué)鍍鎳工藝[J]. 材料保護(hù), 1994, 27 (5): 22-23.

[10] 唐長(zhǎng)斌, 淦伶俐, 陳根香, 等. 鋅合金壓鑄件化學(xué)鍍鎳[J]. 材料保護(hù), 2005, 38 (1): 34-36.

[11] 奚兵. 鋅合金壓鑄件電鍍裝飾鉻[J]. 電鍍與環(huán)保, 2005, 25 (1): 43-44.

[12] 陳天玉. 復(fù)合鍍鎳和特種鍍鎳[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009: 1-120.

[13] 陳治良. 簡(jiǎn)明電鍍手冊(cè)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008: 13-48.

Bright nickel plating on surface of machinable zinc–copper–magnesium–aluminum–rare earth zinc alloy //

ZHOU Hong-ming*, XIAO Lai-rong, LIU Fu-rong, LI Yan-fen

Bright nickel coating was electroplated on Zn–Cu–Mg–Al–RE zinc alloy substrate through the following process flow: chemical degreasing, activating, nickel pre-plating, bright nickel plating, and drying. The effects of temperature, pH, current density and plating time on the appearance of bright nickel coating prepared from a bath mainly composed of nickel sulfate, nickel chloride, boric acid, and brightener were studied. The optimal process parameters for bright nickel plating are as follows: 0.045-0.050 A/cm2, 40-45 °C, pH 3.9-4.1, and 10 min. The coating with a thickness of ca.80 μm is obtained under the optimal parameters, which is smooth, compact and of good glossiness, without defects such as pinholes, pits, and bubbles. The nickel coating is tightly bonded to zinc alloy substrate, and there is a ZnNi transition layer close to the zinc alloy substrate.

zinc alloy; electroplating; bright nickel coating; appearance; composition

School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

TQ153.1

A

1004 – 227X (2012) 01 – 0009 – 04

2011–07–12

2011–08–15

周宏明（1974–），男，湖南株洲人，副教授，主要研究方向?yàn)榻饘俦砻嫣幚怼?/p>

作者聯(lián)系方式：(E-mail) ipezhm@yahoo.com.cn。

[ 編輯：周新莉 ]