汽車制動卡鉗酸性鍍鋅及鋅鎳合金的性能

范梅梅*，黃平，劉雁，余勇

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶 401120）

汽車制動卡鉗酸性鍍鋅及鋅鎳合金的性能

范梅梅*，黃平，劉雁，余勇

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶 401120）

通過掃描電鏡觀察了汽車制動卡鉗在前處理、酸性鍍鋅和鋅鎳合金、三價鉻鈍化以及封閉后的表面形貌，采用金相顯微鏡測量了鍍層厚度，以中性鹽霧試驗和濕熱試驗考察了電鍍后制動卡鉗的耐蝕性。結(jié)果表明，鈍化后鋅和鋅鎳合金鍍層的外觀、厚度、附著力、耐濕熱性和六價鉻含量均滿足要求，酸性鍍鋅可滿足耐熱沖擊腐蝕試驗（即150 °C保溫2 h后再做中性鹽霧試驗）144 h白銹≤5%、480 h無紅銹的要求，酸性鍍鋅鎳合金可滿足耐熱沖擊腐蝕試驗240 h白銹≤5%、720 h無紅銹的要求。酸性鋅鎳合金鍍層比酸性鋅鍍層更致密，防腐蝕性能明顯更優(yōu)。

制動卡鉗；酸性鍍鋅；鋅鎳合金；三價鉻鈍化；耐蝕性

First-author’s address: Chongqing Chang’an Automobile Stock Co.， Ltd.， Chongqing 401120， China

汽車制動卡鉗作為汽車制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，在使用過程中工作環(huán)境非常惡劣，剎車時溫度達200 °C，且有泥石沖擊，對防腐要求極高。但制動卡鉗的材質(zhì)多由高碳含量的壓鑄鐵構(gòu)成，表面粗糙，存在大量的砂眼、氣孔等鑄造缺陷，防腐難度大。很多主機廠因不具備高耐蝕的制動卡鉗環(huán)保防腐技術(shù)，導(dǎo)致制動卡鉗售后銹蝕特別嚴(yán)重，成為投訴的主要對象。而且制動卡鉗為行車安全件，其防腐性能尤為重要。實踐證明，傳統(tǒng)的鍍鋅防腐工藝遠不能滿足制動卡鉗的耐腐蝕要求。

為應(yīng)對汽車三包規(guī)定和汽車禁限用物質(zhì)要求，各主機廠對產(chǎn)品的壽命、品質(zhì)、安全、環(huán)保性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的制動卡鉗鍍鋅六價鉻鈍化工藝已逐步切換為鍍鋅三價鉻鈍化工藝或鍍鋅鎳合金三價鉻鈍化工藝，同時因堿性電鍍工藝在鑄鐵基材上可鍍性能很差，因此需采用酸性電鍍工藝。由此，電鍍酸鋅三價鉻鈍化工藝和電鍍酸鋅鎳三價鉻鈍化工藝已逐步成為制動卡鉗防腐蝕的主流工藝。

本文采用掃描電鏡觀察了在制動卡鉗上電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳的各個工藝步驟后的表面形貌，并考察了鍍層的外觀、厚度、耐熱沖擊腐蝕、耐濕熱、六價鉻含量、附著力等性能。

1 實驗

1. 1 試樣

長安公司配套一級供應(yīng)商的汽車制動卡鉗（材質(zhì)為QT500）毛坯40件，采用電鍍酸鋅工藝和電鍍酸鋅鎳合金工藝各加工20件。

1. 2 電鍍工藝

為了解決制動卡鉗的銹蝕難題，長安公司聯(lián)合制動卡鉗配套一級供應(yīng)商與安美特（中國）化學(xué)有限公司開展了制動卡鉗電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳合金新工藝研究，并對長安公司制動卡鉗配套鍍鋅供應(yīng)商進行了生產(chǎn)線改造，新增了超聲波脫脂、超聲波水洗、陰極移動、壓縮空氣攪拌等措施，改造了掛具，有效地控制了槽液的穩(wěn)定性，改造后的工藝具有沉積速率快、鍍層結(jié)晶細致和深鍍能力好的優(yōu)點，鍍后采用三價鉻鈍化。

電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳的工藝流程相同，主要為：熱浸除油（Tri-Max 349，60 °C，10 min）→水洗→酸洗（質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的鹽酸溶液，20 ～ 24 °C，5 min）→水洗→超聲波除油（60 °C，3 min，功率25 W/L）→水洗→堿性電解除油（安美特Uniclean 279，40 g/L，60 °C，電流密度3 A/dm2，電壓4V，3 min）→熱水洗→水洗→活化（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的鹽酸溶液，20 ～ 24 °C，45 s）→水洗→電鍍（酸鋅或酸鋅鎳）→水洗→出光（0.3% HNO3，20 ～ 24 °C，10 s）→水洗→三價鉻鈍化（安美特EcoTri HC2，pH 2.1，60 °C，空氣攪拌，50 s）→水洗→熱水洗→封閉（安美特Sealer300W，40 °C，空氣攪拌）→烘烤固化（100 °C，15 min）。

酸性鍍鋅的工藝條件：鋅離子30 g/L，氯離子165 g/l，H3BO325 g/L，安美特Zylite 1150添加劑40 mL/L，pH 5.3，25 °C，電流密度2 A/dm2，電壓3 V，空氣攪拌，時間30 min。

酸性鍍鋅鎳合金的工藝條件：鋅離子27 g/L，鎳離子24 g/L，氯離子175 g/L，H3BO325 g/L，安美特ZINNI AC AF210添加劑（ZINNI AC AF 211絡(luò)合劑10 mL/L，ZINNI AC AF 212光亮劑5 mL/L，ZINNI AC AF 213緩沖劑60 g/L，ZINNI AC AF 214走位劑20 mL/L），pH 5.3，30 °C，電流密度2 A/dm2，電壓3 V，空氣攪拌，時間40 min。

1. 3 性能測試

采用日本電子株式會社的JSM-6700F掃描電鏡（SEM）觀察制動卡鉗上在完成各個主要工序后的表面形貌。采用德國卡爾蔡司的Axio Observer. Alm金相顯微鏡測量鋅和鋅鎳合金鍍層的厚度。

采用重慶銀河試驗公司的CS101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱和青島電子元件廠的FY-10E鹽霧試驗箱測試鋅和鋅鎳合金鍍層的耐熱沖擊腐蝕性能。

采用重慶銀河試驗公司的GLH60F恒溫恒濕箱測試鋅層和鋅鎳合金層的耐濕熱性能。

委托專業(yè)檢測機構(gòu)SGS參照IEC 62321:2008《電子電氣產(chǎn)品 六種限用物質(zhì)（鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚）濃度的測定》，用點測試法/沸水萃取法測定制動卡鉗電鍍酸鋅層和電鍍酸鋅鎳合金層中六價鉻的含量。

按GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強度試驗方法評述》中劃線和劃格試驗來測試鋅層和鋅鎳合金層的附著力。

2 結(jié)果與討論

2. 1 形貌分析

用掃描電鏡觀察了在制動卡鉗上電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳合金的各個主要工序后的表面形貌，見圖1至圖4。

2. 1. 1 前處理前后

制動卡鉗材質(zhì)多由高碳含量的壓鑄鐵構(gòu)成，其表面粗糙，存在大量氣孔、砂眼等鑄造缺陷，這樣的表面狀態(tài)將嚴(yán)重影響鍍層的質(zhì)量。為了獲得優(yōu)質(zhì)鍍層，制動卡鉗在電鍍之前必須通過熱浸除油、酸洗、超聲波除油、電解除油、活化等前處理過程，使表面達到平滑、光亮和潔凈的要求。圖 1為制動卡鉗在前處理前、后的表面形貌（放大100倍）。相比于前處理之前的表面形貌，前處理后的表面顏色更均一、光亮、平整。

2. 1. 2 電鍍后

從圖2a和圖2b的表面形貌來看，制動卡鉗電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳后，基體表面均形成一層類似胞狀結(jié)構(gòu)的致密膜層。放大1 000倍后可以明顯看出，相比于鍍鋅層，鋅鎳合金鍍層的胞狀結(jié)構(gòu)更小、更致密。

圖1 制動卡鉗未處理和前處理后的表面形貌Figure 1 Surface morphologies of the brake caliper before and after pretreatment

圖2 制動卡鉗電鍍鋅和鋅鎳合金后的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings

圖3 電鍍鋅和鋅鎳合金的制動卡鉗三價鉻鈍化后的表面形貌Figure 3 Surface morphologies of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings after trivalent chromium passivation

圖4 電鍍鋅和鋅鎳合金的制動卡鉗經(jīng)三價鉻鈍化封閉后的表面形貌Figure 4 Surface morphologies of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings after trivalent chromium passivation and sealing

2. 1. 3 三價鉻鈍化后

鈍化處理可降低鍍層的表面能，改善其親水狀態(tài)，阻擋腐蝕介質(zhì)的進入，從而提高鍍層的耐腐蝕能力［1］。2種鍍層表面的鈍化膜形貌見圖3（放大100倍）。三價鉻鈍化后，電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳表面均形成一層顆粒狀的鈍化膜，覆蓋在鍍層表面，對鍍層起到保護作用。與電鍍酸鋅的鈍化膜相比，電鍍酸鋅鎳表面形成的鈍化膜顆粒較小，表面較平整。

2. 1. 4 封閉后

三價鉻鈍化膜中沒有可滲出的六價鉻，所以鈍化膜沒有自修復(fù)能力，當(dāng)鈍化膜被破損時很容易發(fā)生腐蝕。為了彌補此缺陷，需要對鈍化膜進行封閉處理，形成一層封閉層。圖4給出了2種鍍層鈍化封閉后其表面放大100倍的SEM照片。可以看出，封閉后的電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳鍍層表面均形成了一層致密的、顆粒狀的封閉膜層，與鈍化膜的形狀較類似，而電鍍酸鋅鎳表面形成的封閉膜層的顆粒也較小。

2. 2 外觀

圖5是電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳后的汽車制動卡鉗經(jīng)過三價鉻鈍化并封閉后的照片。從圖5可以看出，鍍層結(jié)晶致密、均勻、光滑、平整，滿足各主機廠對鍍層的外觀要求。

2. 3 鍍層厚度

圖5 電鍍鋅和鋅鎳合金后的制動卡鉗經(jīng)過鈍化、封閉后的外觀Figure 5 Appearances of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings after trivalent chromium passivation and sealing

采用金相顯微鏡測量制動卡鉗上電鍍鋅和鋅鎳合金層的厚度，鍍層厚度在部件深處（如角、槽、鉆孔）明顯較薄，而在凸起區(qū)域明星較厚，試驗中鍍層厚度測量點均為圖5中的A，結(jié)果見圖6。鋅層的厚度分別為12、14、15、20、21 μm，平均值為16 μm；鋅鎳合金層的厚度分別為15、15、19、19、14 μm，平均值為16 μm?？梢婋婂兯徜\鎳合金層較電鍍酸鋅層均勻。

圖6 制動卡鉗電鍍鋅和鋅鎳合金鍍層的金相組織Figure 6 Metallographic structure of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings

2. 4 耐熱沖擊腐蝕性能

樣件在150 °C電熱干燥箱下保溫2 h，然后空冷1 h，再放入鹽霧試驗箱中，按GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進行中性鹽霧試驗，試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，電鍍酸鋅可滿足耐熱沖擊腐蝕試驗144 h白銹面積≤5%、480 h無紅銹的要求，電鍍酸鋅鎳則可滿足熱沖擊腐蝕試驗240 h時白銹面積≤5%、720 h無紅銹的要求。

表1 制動卡鉗電鍍鋅和鋅鎳合金鍍層的中性鹽霧測試結(jié)果Table 1 Neutral salt spray test results of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings

圖7為電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳的制動卡鉗經(jīng)720 h鹽霧試驗后的照片?？芍庇^地看出，電鍍酸鋅鎳的防腐性能優(yōu)于電鍍酸鋅，原因可能是鋅鎳合金層較鋅層更致密。

目前，國內(nèi)外對鋅和鋅鎳合金鍍層的腐蝕機理進行了一定的研究。肖作安［2］、許愛忠［3］等研究表明，鍍鋅層的腐蝕產(chǎn)物為 ZnO，其結(jié)構(gòu)疏松，而鋅鎳合金鍍層的腐蝕產(chǎn)物較致密，附著在鍍層表面，對鍍層起到了保護作用，所以鋅鎳合金鍍層的耐蝕性高于鋅鍍層。這與耐沖擊腐蝕性試驗結(jié)果一致。

2. 5 耐濕熱性能

按GB/T 1740-2007《漆膜耐濕熱測定法》進行耐濕熱試驗，老化條件：（47 ± 1） °C，相對濕度96% ± 2%，時間240 h。試驗后電鍍酸鋅和鋅鎳合金的制動卡鉗的照片見圖8。

圖7 制動卡鉗電鍍鋅和鋅鎳合金后經(jīng)720 h中性鹽霧試驗后的外觀Figure 7 Appearance of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings after neutral salt spray test for 720 h

圖8 制動卡鉗電鍍鋅和鋅鎳合金后經(jīng)耐濕熱試驗240 h后的外觀Figure 8 Appearance of the brake caliper electroplated with zinc and zinc-nickel alloy coatings after damp heat test for 240 h

從圖 8可見，電鍍酸鋅層和電鍍酸鋅鎳合金層均未出現(xiàn)生銹、起泡、變色、開裂或其他破壞現(xiàn)象，滿足要求。

2. 6 六價鉻測試

SGS出具的檢測報告中稱制動卡鉗電鍍酸鋅層和電鍍酸鋅鎳合金層中六價鉻的含量測試結(jié)果為陰性，即未檢測到六價鉻，滿足汽車禁限用物質(zhì)要求。

2. 7 附著力

按GB/T 5270-2005中劃線和劃格試驗測試制動卡鉗電鍍酸鋅層和電鍍酸鋅鎳合金層的附著力，試樣表面無鍍層剝落，滿足附著力要求。

3 結(jié)論

制動卡鉗電鍍酸鋅和電鍍酸鋅鎳后，基體表面均形成一層致密的、類似胞狀結(jié)構(gòu)的膜層，而鋅鎳合金鍍層的類似胞狀結(jié)構(gòu)膜層中的胞格更小，較酸鋅鍍層致密。酸性鍍鋅和鋅鎳合金并三價鉻鈍化后的制動卡鉗在外觀、厚度、附著力、六價鉻含量、耐濕熱性能上均滿足要求，但電鍍酸鋅鎳工藝的耐熱沖擊腐蝕性能明顯優(yōu)于電鍍酸鋅工藝。結(jié)合長安公司現(xiàn)狀，制動卡鉗電鍍酸鋅工藝一般適用于商用車以及A0級、A級轎車，而制動卡鉗電鍍酸鋅鎳工藝可逐步推廣到市場定位和質(zhì)量水平高的汽車，如高級轎車、中高級SUV等，所生產(chǎn)出來的制動卡鉗結(jié)合力好，防腐性能高，工藝環(huán)保，有顯著的經(jīng)濟和社會效益，在國內(nèi)有示范作用。

［1］ 安茂忠， 李麗波， 楊培霞. 電鍍技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京: 機械工業(yè)出版社， 2007: 63-69.

［2］ 肖作安， 費錫明， 鄒勇進. 鋅鎳合金鍍層耐腐蝕性的研究［J］. 材料保護， 2005， 38 （3）: 15-17.

［3］ 許愛忠， 胡文彬， 沈斌， 等. 鋅-鎳合金鍍層耐蝕機理研究進展［J］. 電鍍與環(huán)保， 2000， 20 （3）: 1-5.

［ 編輯：溫靖邦 ］

Properties of environmentally friendly acid zinc and zinc-nickel alloy electroplating for automobile brake caliper

FAN Mei-mei*， HUANG Ping， LIU Yan， YU Yong

The surface morphology of automobile brake caliper after pretreatment， acid Zn and Zn-Ni alloy electroplating，trivalent chromium passivation and sealing was observed by scanning electron microscopy （SEM）. The coating thickness was measured by metallograph. The corrosion resistance of electroplated brake caliper was examined by neutral salt spray test and damp heat test. The results showed that the appearance， thickness， adhesion strength， damp heat resistance and hexavalent chromium content of the passivated Zn and Zn-Ni alloy coatings meet the requirements. Acid zinc electroplating can achieve white rust area ≤5% for 144 h and no red rust for 480 h in neutral salt spray test after baking at 150 °C for 2 h， while acid Zn-Ni alloy electroplating can achieve white rust area ≤5% for 240 h and no red rust for 720 h. The Zn-Ni alloy coating is more compact and has better anticorrosion performance than the Zn coating.

brake caliper； acid zinc electroplating； zinc-nickel alloy； trivalent chromium passivation； corrosion resistance

TQ153.15； TQ153.2

A

1004 - 227X （2016） 03 - 0149 - 05

2015-09-21

2015-12-29

范梅梅（1985-），女，湖北人，碩士，中級工程師，主要研究方向為電鍍和涂裝。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） fmm040615@163.com。