鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金的操作要點

張菊香

（上海大眾汽車有限公司質(zhì)保實驗室，上海 201805）

鑄鐵以耐磨性好、成本低、工藝簡單、生產(chǎn)效率高、消振性好、缺口敏感性低以及容易切削加工等優(yōu)點，在汽車、航天、造船等行業(yè)得到廣泛應用。但鑄鐵表面容易銹蝕，生銹后很難處理，裝飾性差，需要通過后續(xù)處理來改善其表面性能。電鍍可有效改善鑄鐵件的外觀和耐腐蝕性能，已成為推廣應用和研究的熱點。

1 鑄鐵件的特殊性和電鍍對策

與軋制、鍛造鋼等其他基材相比，鑄鐵件加工工藝特殊，結(jié)構(gòu)復雜，電鍍也相對困難。針對鑄鐵件的特殊性，采取的電鍍對策是：

(1)鑄鐵件表面含碳量高，表面殘留大量型砂或碳硅化合物，氫在碳上的過電位低，易析出而產(chǎn)生大量氣泡[1]，在給定電流下難以達到金屬沉積的電位，鍍層不易生長，因此鑄鐵件電鍍鋅鎳合金只能選擇電流效率高的酸性系統(tǒng)(酸性鋅鎳合金電流效率為90%左右，堿性鋅鎳合金僅在50%左右)。鑄鐵件的結(jié)構(gòu)一般比較復雜，因此也要采用分散性強和覆蓋能力好的電鍍?nèi)芤骸?/p>

(2)鑄鐵基材結(jié)構(gòu)疏松，多孔，存在大量砂眼和縮孔，表面粗糙，凹凸不平，因此微觀電鍍表面積比宏觀面積大很多，導致實際電流密度比表觀電流密度小得多，因此不僅要采用酸性電鍍體系，起始電流也應比其他鋼基材大1～2 倍。通過大電流沖擊瞬間激活表面，才能使疏松表面被致密鍍層覆蓋[2]。

(3)鑄鐵件表面在高溫鑄造過程中會形成一層不導電的氧化膜，阻礙鋅鎳合金鍍層生長。因此電鍍之前必須徹底去除表面的氧化皮。鑄鐵件的一般加工過程為：鑄造─拋丸─機加工。拋丸是鑄鐵件電鍍的重要處理步驟，主要利用噴砂機械打擊表面，不僅可去除氧化皮，而且使?jié)茶T時形成的高碳層脫落，造成微觀粗糙，有利于提高鍍層結(jié)合力，因此拋丸的質(zhì)量直接影響鑄鐵件的電鍍質(zhì)量。

(4)在加工過程中，鑄鐵件表面會殘留大量的油脂、潤滑油和冷凍劑，以及來自鑄模的殘留物，噴砂殘留的砂粒和鐵屑在儲存過程中受外界影響會生成氧化膜等不溶性污染物，而且鑄鐵表面本身就存在大量石墨，因此鑄鐵件需要通過特殊的酸洗和超聲波清洗等前處理工序，才能形成潔凈、均勻潤濕、導電性好、容易電鍍的表面。

2 鑄鐵件電鍍工藝

目前鑄鐵件較多采用工藝和設(shè)備相對簡單的酸性鍍鋅工藝，但鍍鋅層防腐能力較差，不能滿足汽車等行業(yè)的高耐蝕性要求，鋅鎳合金鍍層雖然可大大提高耐腐蝕性能，但由于酸性電鍍鋅鎳合金工藝比較復雜，過程控制比較困難，一直難以大規(guī)模推廣應用。近年來，隨著化學和機械制造工藝的快速發(fā)展，鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金工藝性能大大提升，生產(chǎn)過程控制也日益成熟，成了這幾年的研究熱點，并逐漸大規(guī)模推廣。

鑄鐵件電鍍鋅鎳合金主要有2 種方式：酸性鍍鋅+堿性電鍍鋅鎳合金，或直接酸性電鍍鋅鎳合金。前者為了解決鑄件不能直接堿性電鍍的問題，采用酸性鍍鋅打底，但在冷熱交替的情況下，雙鍍層之間結(jié)合力不好，容易脫落，并且工藝過程更復雜，厚度、鎳含量等質(zhì)量控制風險較大。不同電鍍工藝的特點見表1。

表1 鑄鐵件不同電鍍工藝比較Table 1 Comparison of different electroplating processes for iron casting

3 酸洗電鍍鋅鎳合金工藝

3.1 工藝流程

超聲波清洗─水洗─熱浸除油─水洗─酸洗─水洗─超聲波清洗─水洗─電解除油─水洗─40%(體積分數(shù))鹽酸活化─水洗─電鍍─水洗─2%(體積分數(shù))硝酸出光─水洗─鈍化─水洗─封閉─流平─干燥。

3.2 鍍前處理

3.2.1 超聲波清洗

鑄鐵組織結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率高，表面殘留的灰塵、砂粒等不溶性的污染物通過一般的清洗方式難以徹底清除。超聲波清洗利用強大的沖擊波能滲透到工件表面孔隙里，使鑄鐵件表面徹底清洗干凈[3]。如圖1a 和圖1b 所示，經(jīng)超聲波清洗后，鑄鐵件表面較為潔凈。

3.2.2 熱浸除油

熱浸除油直接決定了鑄鐵件前處理和電鍍的成敗，因為酸和水都與油脂表面不相容，除油不徹底不僅會導致后續(xù)酸洗失敗，而且會形成不均勻的潤濕表面，造成電鍍?nèi)毕?。如何評價鑄鐵件粗糙表面熱浸除油的效果也是比較困難的，一般可以通過評價銹蝕的辦法來判斷。評判方法和步驟為：(1)熱浸除油后，把零件從掛具上取下，完全浸于水中清洗；(2)對清洗后的工件進行酸洗，再超聲波清洗；(3)將工件置于空氣中30 min，檢測銹蝕情況。如圖2 所示，鑄鐵件表面銹蝕均勻表示除油比較徹底。經(jīng)過有效的除油工序后，鑄鐵件表面形成了如圖1c 中所示均勻的可潤濕表面。影響除油效果的主要因素有溫度、時間、攪拌、堿含量以及表面活性劑。溫度太低、時間太短、攪拌不充分、表面活性劑含量太低等都會導致除油不徹底。堿一般選用微量NaOH，含量太低時除油不徹底，含量太高又會破壞基材，影響電鍍質(zhì)量。

圖1 鑄鐵件前處理示意圖Figure 1 Schematic diagram for pretreatment of iron casting

圖2 熱浸除油后的鑄件照片F(xiàn)igure 2 Photos of iron casting after hot-dip degreasing

3.2.3 酸洗

酸洗是保證鍍層結(jié)合力良好的關(guān)鍵，從圖1d 中可以看出，其主要作用有4 點：(1)去除鑄件表面的氧化皮和銹蝕；(2)去除表面加工后殘留的鐵屑；(3)腐蝕掉一部分鐵基體，使碳粒露出表面，便于后續(xù)碳粒脫落；(4)使表面的微孔由閉孔狀態(tài)轉(zhuǎn)化為開孔狀態(tài)，便于后續(xù)清洗和電鍍。酸洗一般采用稀鹽酸，時間為5～10 min。時間太短，達不到酸洗的效果；時間太長，表面會裸露太多的碳，影響電鍍質(zhì)量。

3.2.4 超聲波清洗

酸洗后，鑄鐵表面殘留了大量碳粒和石墨，會降低氫的過電位，導致大量析氫，阻礙金屬沉積，因此必須去除表面的碳。如圖1e 所示，利用超聲波振蕩清洗(非化學過程)，使表面碳粒、石墨脫落，露出可電鍍的金屬表面。超聲波頻率一般為25～40 kHz/min，頻率過高或過低都會影響脫碳效果。經(jīng)超聲波清洗和未經(jīng)超聲波清洗的表面明顯不同，如圖3 所示。未超聲波清洗的表面比較黑，可能是由于表面存在大量黑色碳粒和石墨，而經(jīng)過超聲波清洗的表面呈金屬光澤。超聲波清洗是鑄鐵件前處理必須采用也是最為重要的工序之一，直接決定了鑄鐵件電鍍的成敗。

圖3 超聲波清洗對鑄件表面狀態(tài)的影響Figure 3 Influence of ultrasonic cleaning on surface state of iron casting

3.2.5 電解除油

電解除油是為了進一步清潔鑄鐵件表面，特別是徹底去除前面工序沒有溶解的細小雜質(zhì)顆粒，使之形成如圖1f 所示的更加均勻、潤濕的表面，以提高鍍層的結(jié)合力。鑄鐵件一般采用陰極電解除油，清洗劑采用堿性螯合物，對電極一般為低碳鋼，電流約5.5 A/dm2。應注意控制陰極電解除油的時間和電流，避免發(fā)生氫脆而影響鑄鐵件強度。

3.3 電鍍

鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金主要有硫酸鹽體系和氯化物體系，氯化物電鍍體系具有導電性好、分散性好、電流效率高、沉積速率快、氫脆性低、光亮度好、易實現(xiàn)常溫操作等優(yōu)點而研究得較多[4-5]。目前投入實際生產(chǎn)的電鍍生產(chǎn)線也大都采用氯化物體系。電鍍設(shè)備方面，與堿性電鍍鋅鎳合金相比，酸性電鍍鋅鎳合金更加復雜。如圖4 所示，堿性電鍍鋅鎳合金一般采用鋅陽極，鎳通過溶液添加，而酸性電鍍鋅鎳合金一般采用兩組可溶性陽極，即鋅陽極和鎳陽極，二者的面積比一般為(4∶1)～(8∶1)，并采用2 個整流器，電流比一般也為(4∶1)～(8∶1)。建議的鍍液體系為：KCl 210～250 g/L，ZnCl240～70 g/L，NiCl2·6H2O 90～120 g/L，H3BO320～30 g/L，配位劑、光亮劑和緩蝕劑適量。

圖4 酸性電鍍鋅鎳合金系統(tǒng)的陽極與電源配置Figure 4 Anode and power source for acid zinc–nickel alloy electroplating system

3.4 后處理

鑄鐵件電鍍后一般選用稀硝酸(約3%)進行化學拋光，可提高鍍層光亮度和平整度，改善鈍化膜外觀和牢固度。鑄鐵件表面為多孔結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)極易殘留酸堿溶液，不僅造成鍍層發(fā)黑、發(fā)暗，而且會大大降低鍍層的耐腐蝕性能，因此鑄鐵件的鍍后清洗非常重要。一般采用熱水和冷水交替清洗2～3 次，再進行鈍化處理。熱水清洗時，可使?jié)B入鑄鐵孔隙內(nèi)的鍍液因受熱膨脹而溢出，用冷水清洗時恰好相反，即冷水進入孔隙內(nèi)，可防止表面泛白。注意熱水清洗的水溫不能過高，一般為80°C；時間不能太長，一般為1～2 min，否則會使鍍層表面生成氧化膜，第一個熱水槽容易受電鍍液污染，必須經(jīng)常更換。與其他基材電鍍鋅鎳合金一樣，鍍層必須經(jīng)過鈍化和封閉處理，以提高防腐性能，改善外觀，并獲得均勻的銀色、黑色等不同顏色和光澤。

3.5 常見故障的原因及對策

3.5.1 鍍層黑斑

(1)前處理不干凈，微孔內(nèi)殘留的油等污染物在烘干后滲出，污染了鍍層，應加強前處理。

(2)鈍化液有雜質(zhì)，應去除雜質(zhì)或更換鈍化液。(3)電鍍液有雜質(zhì)，應加強鍍液維護。

(4)電鍍后清洗不充分，鍍液殘留在孔洞中，在一定濕度下殘液遷移到表面，腐蝕鍍層而產(chǎn)生黑斑。應加強電鍍后清洗。

3.5.2 鍍層發(fā)暗

(1)鈍化時間太長，應縮短鈍化時間。

(2)電鍍后熱水清洗時間太長，應選擇適當?shù)那逑磿r間。

(3)添加劑不足，應補充添加劑。

3.5.3 鍍層有針孔、麻點

(1)基材表面孔洞太多，導致基材太粗糙，應改善鑄造工藝。

(2)基材拋丸不良，應調(diào)整拋丸壓力、時間等參數(shù)及丸粒的材料、尺寸和硬度。

(3)前處理不干凈，表面存在污染物或石墨，應加強前處理。

(4)鍍液中含有固體雜質(zhì)，應加強鍍液的過濾處理。

3.5.4 鍍層鼓泡、起皮

(1)基材前處理不徹底，表面殘留氧化膜、石墨等雜質(zhì)，應加強前處理工序。

(2)電鍍后清洗溫度不合理，過度熱脹冷縮，應選擇合適的冷熱水清洗溫度。

(3)酸洗液濃度過高，或者陰極電解時間太長，電流太大，導致前處理析氫嚴重，電鍍后烘干時氣體膨脹，形成氣泡。應適當降低酸洗濃度，調(diào)整陰極電解的時間和電流。

(4)鍍槽中有機物等雜質(zhì)多，應加強鍍液維護。

3.5.5 鍍層局部不上鍍

(1)零件結(jié)構(gòu)太復雜，或掛具設(shè)計不合理，工件局部形成電流盲區(qū)。應調(diào)整掛具，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)初始電流密度太小，應適當提高初始電流密度。

(3)前處理不當，表面有油污、石墨、氧化皮殘留，導致無法形成鍍層，應加強除油、酸洗、超聲波清洗工序。

3.5.6 鍍層脆性大

(1)鍍層鎳含量太高，應調(diào)整陽極面積和電流密度比例。

(2)鍍液中有機雜質(zhì)多，應去除鍍液中的雜質(zhì)。

(3)鍍液溫度過高，應適當降低鍍液溫度。

4 結(jié)語

鑄鐵件電鍍雖然難度較大，工藝相對復雜，生產(chǎn)過程問題多，但通過采用自動化的控制設(shè)備，加強每道工藝的過程控制，便可實現(xiàn)穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)。國內(nèi)的鑄鐵件酸性鋅鎳合金工藝雖然研究得較早[6-7]，但實際應用進展比較緩慢。近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，酸性鋅鎳合金大規(guī)模地應用于汽車制動鉗，出現(xiàn)了一些自動化程度較高的鋅鎳合金電鍍線，但其技術(shù)仍被國外鍍液廠商壟斷，成本較高，因此國內(nèi)電鍍廠商需要不斷研究國產(chǎn)電鍍鋅鎳合金工藝的實用性，通過優(yōu)化鍍液體系，提高國產(chǎn)電鍍設(shè)備的自動化程度，以提高質(zhì)量穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本。

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