RG-281 堿性鋅-鎳合金工藝的研究

馬 靜， 呂明威

（武漢奧邦表面技術(shù)有限公司，湖北 武漢430023）

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)防護(hù)性鍍層的要求越來越高，傳統(tǒng)的純鋅鍍層已不能滿足生產(chǎn)要求。鋅-鎳合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為10%～15%，其耐蝕性和耐磨性為鍍鋅層的3～5倍［1］。

本文研究了鋅-鎳合金工藝，進(jìn)行了鍍液性能和鍍層性能測試，并將最優(yōu)條件下得到的鋅-鎳合金鍍層的耐蝕性與純鋅鍍層的進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器與設(shè)備

LZ-1型赫爾槽試驗(yàn)儀，武漢隆澤電子有限公司；501型超級(jí)恒溫水浴槽，上海圣威科學(xué)儀器有限公司；能量色散X 熒光光譜儀，江蘇天瑞儀器股份有限公司；276 mL 赫爾槽，南京整流器廠；SYD-13型電鍍陰極移動(dòng)裝置，上海實(shí)用電子研究所；SCQ-1201型超聲波清洗儀，上海聲嚴(yán)超聲波儀器有限公司；恒溫干燥箱，上海光地儀器設(shè)備有限公司；YWX／Q-150型鹽霧試驗(yàn)箱，安特穩(wěn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 鋅-鎳合金鍍液的配制

RG-281鋅-鎳合金鍍液的配方為：氧化鋅8～12g／L，氫氧化鈉100～140g／L，RG-281 配位劑80～110mL／L，RG-281 鎳補(bǔ)加劑8～12 mL／L，RG-281光亮劑1～3mL／L，溫度20～30℃，攪拌速率3～5r／min，過濾速率4～6 循環(huán)／h，電流密度1～5A／dm2。

鍍液的配制方法：加入1／4體積去離子水于鍍槽中，加入計(jì)量的氧化鋅，并調(diào)制成糊狀，邊攪拌邊緩慢加入計(jì)量的氫氧化鈉，與氧化鋅一起調(diào)制成清液狀態(tài)。加入去離子水至鍍槽體積的2／3處，冷卻至4℃以下。均勻加入計(jì)量的RG-281 配位劑和RG-281鎳補(bǔ)加劑的混合液，加入計(jì)量的RG-281光亮劑，補(bǔ)加去離子水至刻度，攪拌均勻，小電流電解數(shù)小時(shí)，即可試鍍。

1.3 試樣的制備

將赫爾槽放在恒溫水浴槽中，在恒定的電流密度下試驗(yàn)。

取厚度為0.2mm 的經(jīng)布輪拋光成鏡面的冷軋紫銅片（尺寸為5cm×5cm）作為陰極試片。

1.4 耐蝕性試驗(yàn)

分別采用表面積為1.0dm2、厚度為2 mm 的08F鋼板試樣，在完全相同的條件下，以2 A／dm2的電流密度電鍍30min，并進(jìn)行彩色鈍化和黑色鈍化，繼而進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，記錄表面出現(xiàn)白銹和紅銹的時(shí)間［3-5］。

1.5 鍍液分散能力試驗(yàn)

分散能力采用赫爾槽試片法測試。在試片的中心劃一條橫線，再在中心線以上10mm 處劃一條與中心線平行的橫線，將兩線間用垂直線分隔成等距的10個(gè)方格，即每格間距10mm，棄去兩端各1格，還剩余8 格。將近陽極的高電流端的鍍層厚度記為δ1，以后依次為δ2，δ3……δ8。分散能力的計(jì)算公式為：

式中：δi為被選擇的任一方格的鍍層厚度；δ1為1號(hào)方格的鍍層厚度。

測試條件：槽液溫度25℃，施加電流2A，電鍍時(shí)間10min。

1.6 電流效率試驗(yàn)

用庫侖計(jì)測定法測試。庫侖溶液為硫酸（d=1.84g／cm3）25 mL／L，硫酸銅125g／L，己醇50 mL／L。在θ=25℃，Jk=2A／dm2的條件下，以銅片為陰極，電鍍30min。電流效率的計(jì)算公式為：

式中：m1為鍍液中陰極增重；m0為庫侖溶液中陰極增重；K為被測鍍液陰極析出物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍液成分及工藝條件對(duì)鍍層中鎳的影響

2.1.1 氧化鋅

氧化鋅是鍍液的主鹽，提供鋅離子，可在較大的范圍內(nèi)變化。當(dāng)氧化鋅的質(zhì)量濃度過高時(shí)，鍍液的分散能力和深鍍能力變差，工件尖角處鍍層粗糙，幾何形狀復(fù)雜的工件很可能出現(xiàn)陰陽面；當(dāng)氧化鋅的質(zhì)量濃度過低時(shí)，沉積速率慢。本工藝中氧化鋅的質(zhì)量濃度在8～12g／L之間。

2.1.2 氫氧化鈉

氫氧化鈉對(duì)鋅起配位作用，促使陽極溶解，提高鍍液的導(dǎo)電性。當(dāng)氫氧化鈉的質(zhì)量濃度過高時(shí)，會(huì)加速陽極溶解，電流效率下降，而且堿的濃度高，易黏附于工件表面，不易清洗干凈，影響鈍化膜的質(zhì)量，鍍層泛白；當(dāng)氫氧化鈉的質(zhì)量濃度過低時(shí)，鍍液的導(dǎo)電性變差，槽電壓上升，陽極易發(fā)生鈍化，電流密度范圍變窄，鍍層發(fā)暗、粗糙。本工藝中氫氧化鈉的質(zhì)量濃度在100～140g／L之間。

2.1.3 RG-281配位劑

由于鋅和鎳的電極電位相差較大，兩者在溶液中無法發(fā)生共沉積［6-7］。而加入了RG-281 配位劑后，使兩者分別以配合物的形式存在，并且形成穩(wěn)定的配合物。這樣使得鋅、鎳離子配合物的沉積電位相近而發(fā)生共沉積，并且阻止鎳離子和氫氧化鈉反應(yīng)生成沉淀，從而獲得更好的鍍層。本工藝中RG-281配位劑的體積分?jǐn)?shù)在80～110mL／L之間。

2.1.4 RG-281鎳補(bǔ)加劑

RG-281鎳補(bǔ)加劑是鍍液中鎳離子的來源，是保證整個(gè)工藝性能良好的關(guān)鍵。鍍液中鎳的質(zhì)量濃度直接影響鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。本工藝中RG-281鎳補(bǔ)加劑的體積分?jǐn)?shù)在8～12mL／L之間。

2.1.5 RG-281光亮劑

RG-281光亮劑可改善低電流密度區(qū)的光澤度，提高鍍層的光亮度和均勻性，使鍍層的可塑性增強(qiáng)；此外，還可以提高鍍液的分散能力，增大Zn2+在陰極的極化，并對(duì)Ni2+在陰極的沉積起去極化作用。本工藝中RG-281光亮劑的體積分?jǐn)?shù)在1～3mL／L之間。

2.1.6 溫度

適當(dāng)?shù)臏囟?，可以提高沉積速率和電流效率。溫度偏低時(shí)，可增強(qiáng)陰極極化作用，但會(huì)降低電流效率，陰極析氫嚴(yán)重，使鍍層產(chǎn)生氫脆或起泡；溫度升高，鍍液的黏度下降，加快離子的擴(kuò)散速率，提高鍍液的導(dǎo)電性，電流效率也相應(yīng)地提高；但溫度過高，添加劑的吸附能力將下降，陰極極化值減小，鍍液的深鍍能力和分散能力變差，鍍層粗糙，鈍化后發(fā)霧，對(duì)合金組分影響也大。本工藝中溫度控制在20～30℃之間。

圖1為溫度對(duì)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。從圖1中可以看出：溫度對(duì)鍍層成分的影響不大，隨著溫度的升高，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先緩慢升高然后下降。這是因?yàn)殄円褐蟹烹婋x子的遷移速率隨溫度的變化而變化。

圖1 溫度對(duì)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.1.7 電流密度

電流密度大，出光快。但電流密度過大，導(dǎo)致陰極電極電位更負(fù)，表面活性劑發(fā)生脫附，引起鍍層粗糙、發(fā)黑，出現(xiàn)氣流、條紋，后續(xù)鈍化工序困難。電流密度過小，沉積速率慢，光亮度差。本工藝中電流密度控制在1～5A／dm2之間。

電流密度對(duì)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，如圖2所示。從圖2中可以看出：在很大的電流密度范圍內(nèi)，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。故本工藝中電流密度可以取一個(gè)相對(duì)較廣的范圍。

圖2 電流密度對(duì)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.2 鍍液性能

2.2.1 赫爾槽試驗(yàn)

在不同條件下電鍍10min，結(jié)果如表1所示。

表1 不同試驗(yàn)條件下的赫爾槽試片

2.2.2 鍍液分散能力

δi取δ5。用赫爾槽試片法測得鍍液分散能力為48.5%。

2.2.3 電流效率

用庫侖計(jì)測得m1=0.218 5g，m0=0.222 3g，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.7%，計(jì)算出鍍層電化學(xué)當(dāng)量K=1.290g／（A·h）。根據(jù)公式計(jì)算得出電流效率為90%。

常規(guī)的鋅-鎳合金槽液使用一段時(shí)間后極易老化，沉積速率明顯下降，維護(hù)困難。而本工藝通過查閱國外文獻(xiàn)改良合成路線合成的新型配位劑，解決了上述問題。加入了RG-281 配位劑后，通過長期的觀察發(fā)現(xiàn)：槽液的性能穩(wěn)定，不需要調(diào)整依然能獲得外觀較好的鋅-鎳合金鍍層。

2.3 鍍層性能

2.3.1 結(jié)合力試驗(yàn)

將100mm×20 mm×1 mm 的試件掛入溫度為25℃的鋅-鎳合金鍍液中，在1A 電流下電鍍15 min后取出，烘干；然后夾在臺(tái)鉗上反復(fù)彎曲至斷裂，斷口處無鍍層脫落。

將數(shù)十個(gè)鍍鋅-鎳合金的試件烘干，將試件置于200℃的電熱烘箱中恒溫30min，取出后立即投入冷水中驟冷。試樣鍍層無起泡或脫落。

取電鍍鋅-鎳合金并經(jīng)除氫鈍化處理后的直徑6mm 的彈簧墊圈50只套在M5的螺桿上，用扳手將螺母旋緊直至墊圈開口處壓平為止，放置24h后松開，無一脆斷。

2.3.2 耐蝕性

鋅-鎳合金鍍層與純鋅鍍層的耐蝕性對(duì)比結(jié)果，如表2所示。鍍層厚度為10μm。由表2可知：鋅-鎳合金鍍層的耐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鋅鍍層的。

表2 鋅-鎳合金鍍層與純鋅鍍層的耐蝕性對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過大量的試驗(yàn)確定了最佳配方及工藝條件：氧化鋅8～12g／L，氫氧化鈉100～140g／L，RG-281配位劑80～100 mL／L，RG-281鎳補(bǔ)加劑8～12 mL／L，RG-281 光亮劑1～3 mL／L，20～30℃，1～5A／dm2。

在金屬電沉積過程中，晶粒的生長會(huì)出現(xiàn)擇優(yōu)取向。電鍍純鋅時(shí)，電沉積過程中結(jié)晶不細(xì)致，鍍層疏松、粗糙；而鋅-鎳合金鍍層的結(jié)晶細(xì)致了很多，外觀均勻，光澤也比較好。RG-281工藝是一種高性能堿性鋅-鎳合金工藝，所得鍍層的均鍍性、整平性極佳。利用其獨(dú)特的配位技術(shù)，可以使生產(chǎn)穩(wěn)定，很長時(shí)間內(nèi)不需要調(diào)整槽液；沉積速率快，電流效率高，工藝簡單；耐蝕性是純鋅鍍層的3～6倍。

［1］蔣彤雅，吳菊珍.電鍍耐蝕性鋅-鎳合金工藝的研究［J］.電鍍與環(huán)保，2010，30（2）：16-18.

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