鎘鍍層成膜厚度的工藝影響因素研究

吳 敏，范少星

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

鎘鍍層成膜厚度的工藝影響因素研究

吳 敏，范少星

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

針對螺栓類零件氰化鍍鎘工藝，通過研究電鍍時間、電流密度、活化時間、透光時間、鈍化時間對鍍層厚度的影響，掌握鎘鍍層成膜厚度的變化規(guī)律，建立一套鍍層厚度精確控制的工藝方法。該方法可預測鍍鎘零件在進行相應表面處理工藝后的鍍層厚度，為實際生產(chǎn)提供指導。

氰化鍍鎘；鍍層厚度；精確控制

氰化鍍鎘是航空裝備常用的表面處理方法之一，因鍍液分散能力好、深度能力高、穩(wěn)定性強，鍍層結晶細致、結合力好、耐蝕性高，被廣泛應用于海洋及高溫大氣環(huán)境中。對于航空裝備制造及修理企業(yè)，產(chǎn)品多應用于惡劣環(huán)境，氰化鍍鎘任務量大，對鍍層質(zhì)量控制的要求更加嚴格。

鍍層厚度是衡量鍍層質(zhì)量的關鍵指標之一。精密零件經(jīng)過表面處理后，鍍層厚度常影響零件尺寸，造成配合度下降，影響裝配。目前鍍層厚度的控制方法大多為電鍍完成后檢測，且存在產(chǎn)品任務量大無法每個零件測量的情況，常因厚度不合格導致返工。

從裝備的設計圖紙可以看出，根據(jù)鎘鍍層使用部位及功能不同，零件要求的鍍層厚度一般為(3～6)μm、(6～9)μm、(9～15)μm。因此，研究氰化鍍鎘工藝各工藝步驟中可變因素對鍍層厚度的影響，掌握電鍍過程中鍍層厚度的有效控制方法，能夠確保成膜厚度在要求范圍內(nèi)，可大大提高產(chǎn)品的一次交檢合格率，降低返修率，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗分析

1.1 槽液現(xiàn)狀

鍍層成膜厚度與很多因素有關，其中最主要的因素有鍍液成分、電流密度、電鍍時間、電流效率，后處理時間等。在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線鍍液會有專業(yè)人員定期分析維護，氰化鍍鎘鍍液中分析項目與周期見表1，監(jiān)控近一年鍍液成分分布趨勢見圖1。

表1 氰化鍍鎘鍍液分析項目與周期

圖1 近一年氰化鍍鎘鍍液成分趨勢

從圖1近一年氰化鍍鎘鍍液成分趨勢可以看出，各組分化驗成分處于相對穩(wěn)定狀況，當某點化驗結果成分含量偏于穩(wěn)定值時，調(diào)配人員按需調(diào)整，調(diào)整后經(jīng)再次化驗成分合格后方可生產(chǎn)。在日常生產(chǎn)過程中，操作人員只通過調(diào)節(jié)電鍍時間與電流密度控制鍍層厚度?；谝陨戏治觯诒敬螌嶒炛?，將鍍液成分看成恒定值，便于針對實際生產(chǎn)的鍍層厚度控制進行研究。

1.2 實驗影響因素確定

很多人認為，鍍層厚度與很多因素有關，控制起來十分困難。通過法拉第電解定律獲知鍍層厚度的計算公式為：

d=100Dk·K·t·ηk/60ρ

式中：d—鍍層平均厚度，(μm) t—電鍍時間(min) K—待鍍金屬的電化學當量 Dk—電流密度 ηk—陰極電流效率 ρ—待鍍金屬密度

對于某種指定的鍍液來說，K、ρ都是常數(shù)。根據(jù)公式，鍍層的厚度取決于陰極電流密度“Dk”、沉積金屬的電流效率“ηk”和電鍍時間t,而電流效率隨電流密度變化，所以對于指定電解液，鍍層厚度僅與電鍍時間及電流密度有關。為了更方便計算，實驗時需統(tǒng)一零件形狀、零件狀態(tài)、電解液溫度、極板位置，鍍液濃度控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)，避免其他因素對電流密度分布的影響，研究電流密度、電鍍時間對鍍層厚度的影響。

鎘在大氣中容易氧化變暗，為提高抗蝕能力，延長零件使用壽命，需在氰化鍍鎘后進行鈍化后處理工序。鎘鍍層易溶于酸堿，后處理工序中的酸堿液亦會對鍍層厚度產(chǎn)生影響。本試驗通過研究活化、出光、鈍化等后處理工藝步驟對鍍層厚度的影響，形成為生產(chǎn)過程中鎘鍍層厚度工藝影響因素精確控制的方法。

2 實驗

2.1 實驗材料

陰極為48mm×Φ26mm螺栓，材料為45#鋼，表面積為0.5dm2，陽極為鎘板。

2.2 工藝要求

氰化鍍鎘：氧化鎘(CdO)(30～40) g/L，氰化鈉(NaCN)(100～140)g/L，氫氧化鈉(NaOH)(20～30) g/L，磺化蓖麻油(8～12)g/L，硫酸鎳(1～2)g/L，陰極電流密度(1.5～2.5)A/dm2，電解液溫度30℃，電鍍方式掛鍍。

活化：硫酸(H2SO4)28.5 g/L，室溫。

透光：鉻酐(CrO3)95.1 g/L，硫酸(H2SO4)3.15mL/L，室溫。

鈍化：鉻酐(CrO3)6.34 g/L，硫酸(H2SO4)(0.1～0.5)mL，硝酸(HNO3)(1～2)mL/L，高錳酸鉀(KMnO4)(0.1～0.15)g/L，冰醋酸(CH3COOH)(0.5～2)ml/L，室溫。

2.3 檢測方法

使用XDLM-237型X射線熒光鍍層測厚儀對鍍層厚度進行檢測。

3 結果與討論

3.1 電鍍時間對鍍層厚度的影響

3.1.1 電流密度Dk=1.5 A/dm2

螺栓經(jīng)過除油、腐蝕、水洗后進行氰化鍍鎘，電鍍結束后測得鍍層厚度。電流密度為1.5 A/dm2，電鍍時間為3min～25 min，形成鍍層厚度與電鍍時間的關系圖。

圖2 1.5 A/dm2下鍍層厚度隨時間變化曲線

從圖2可以看出，在電流密度為1.5 A/dm2時，隨電鍍時間增加，鍍層厚度增加，增加趨勢近似于直線型，說明鍍液分散能力優(yōu)異，導電性良好，擬合直線方程為y=0.63x+0.49，其中y表示鍍層厚度，x表示電鍍時間。從擬合方程可以大致推算出鍍層厚度與電鍍時間參考對照表，見表2。從表2獲知，當零件鍍層厚度規(guī)定相應要求時，可在此電流密度下施以相應電鍍時間，方可保證鍍層厚度符合要求。

表2 1.5A/dm2下鍍層厚度與電鍍時間參考對照

3.1.2 電流密度Dk=2A/dm2

螺栓經(jīng)過除油、腐蝕、水洗后進行氰化鍍鎘，電鍍結束后測得鍍層厚度。電流密度為2 A/dm2，電鍍時間為3～25min，形成鍍層厚度與電鍍時間的關系圖。

從圖3可以看出，在電流密度為2A/dm2時，隨電鍍時間增加，鍍層厚度增加，增加趨勢近似于直線型，擬合直線方程為y=0.71x+0.43，其中y表示鍍層厚度，x表示電鍍時間。從擬合方程可以大致推出鍍層厚度與電鍍時間參考對照表。從表3獲知，當零件鍍層厚度規(guī)定相應要求時，可施以相應電鍍時間，保證鍍層厚度符合要求。

圖3 2A/dm2下鍍層厚度隨時間變化曲線

鍍層厚度(μm)電鍍時間(min)3～63.62～7.856～97.85～12.079～1512.07～20.52

3.1.3 電流密度Dk=2.5 A/dm2

螺栓經(jīng)過除油、腐蝕、水洗后進行氰化鍍鎘，電鍍結束后測得鍍層厚度。電流密度為2.5A/dm2，電鍍時間為3min～25 min，形成鍍層厚度與電鍍時間的關系圖。

圖4 2.5A/dm2下鍍層厚度隨時間變化曲線

從圖4看出，在電流密度為2.5A/dm2時，隨電鍍時間增加，鍍層厚度呈線性增加，符合鍍層厚度計算公式規(guī)律。擬合直線方程為y=0.8x-0.08，其中y表示鍍層厚度，x表示電鍍時間。從擬合方程推出鍍層厚度與電鍍時間參考對照表。從表4獲知，當零件鍍層厚度規(guī)定相應要求時，施以相應電鍍時間，保證鍍層厚度符合要求。

表4 2.5A/dm2下鍍層厚度與電鍍時間參考對照

3.2 電流密度對鍍層厚度的影響

三種不同電流密度下電鍍時間與鍍層厚度擬合曲線繪于圖5中。從圖中看出，隨著電鍍時間增大，鍍層厚度明顯增大，并且當電流密度為2.5 A/dm2時，直線斜率最大，2A/dm2時其次，1.5 A/dm2最小，說明電流密度越大，鍍層的沉積速率越大。從電化學理論獲知沉積速度計算公式如下：

V=100KDkηk/ρ

式中：V—沉積速率 K—待鍍金屬的電化學當量 Dk—電流密度 ηk—陰極電流效率 ρ—待鍍金屬密度

沉積速度只與陰極電流密度和陰極電流效率有關，而在氰化鍍鎘工藝要求的電流密度(1.5～2.5)A/dm2情況下，直線斜率分別0.63、0.71、0.8相差不大，說明在該工藝條件下陰極電流效率穩(wěn)定，鍍液分散能力良好。利用此鍍層厚度控制方法可在電鍍過程中有效預估鍍層厚度，達到過程控制效果。

圖5 不同電流密度對比曲線

3.3 活化時間對鍍層厚度的影響

鈍化處理是鍍鎘常用的后處理方式，可使鎘鍍層的耐蝕性提高并賦予鍍層表面彩色轉(zhuǎn)化膜[10]。在鈍化處理工藝中，需經(jīng)過活化、出光、鈍化等工序，此類處理液均會與鎘鍍層產(chǎn)生化學反應，影響鎘鍍層成膜厚度，故本實驗重點逐步研究工藝過程中各處理時間對鍍層厚度的影響，旨在總結鎘鍍層厚度影響規(guī)律，便于生產(chǎn)中對鍍層厚度的過程控制。

活化是在鈍化前去除鎘鍍層表面氧化物，用于提高零件表面活性?；罨跋仁褂肵射線熒光鍍層測厚儀測得螺栓表面鍍層厚度，再分別在同一活化液中處理5s、8s、10s、12s、15s，水洗后測得活化處理后鍍層厚度，計算差值，得到活化時間對鍍層厚度的影響，見圖6。

圖6 活化時間對鍍層厚度的影響

從圖6中可以看出，隨著活化時間延長，鍍層厚度不斷減少，活化時間為5s時，鍍層厚度僅減少0.03μm，當活化8s時，鍍層厚度減幅增加，厚度減少0.19μm，活化時間延長，鍍層厚度減幅進一步加大，15s時已減少1.33μm。這是因為活化時間較短時，活化液主要是消除零件表面的薄層氧化膜，當時間延長，基體晶格暴露后，活化液直接作用在鍍層表面，鍍層消耗快。

3.4 透光時間對鍍層厚度的影響

透光可使鍍層表面平整、光亮、鈍化膜光澤好。透光液亦可消耗鍍層厚度。取測好鍍層厚度的螺栓經(jīng)過活化5s后在同一透光液中分別處理2s、5s、6s、8s、10s，立即水洗吹干，測量透光后鍍層厚度，獲得鍍層厚度減少值與透光時間的關系圖。

圖7 透光時間對鍍層厚度的影響

從圖7看出，螺栓在硫酸、鉻酐溶液中透光后，隨著透光時間增加，鍍層溶解消耗，厚度不斷減少，透光時間在5s內(nèi)，鍍層厚度減幅較小，2s時鍍層厚度減少0.12μm。時間增大，減幅增大，當透光10s時，鍍層厚度減少值達到2.63μm。根據(jù)實驗可知，生產(chǎn)過程中應依據(jù)零件表面情況合理控制透光時間，但不宜過長，否則鍍層過量溶解消耗[11]。

3.5 鈍化時間對鍍層厚度的影響

鈍化處理是鍍鎘零件在重鉻酸鉀等強氧化性酸溶液中使表面形成一層穩(wěn)定性較高的轉(zhuǎn)化膜，使得鍍層耐蝕性提高的工藝方法[12]。取測好鍍層厚度的螺栓經(jīng)過活化5s、透光5s后在同一鈍化液中分別處理5s、8s、12s、15s、20s，空停5s后水洗吹干，測鈍化后鍍層厚度，獲得鍍層厚度減少值與鈍化時間的關系圖。

圖8 鈍化時間對鍍層厚度的影響

從圖8中可以看出，經(jīng)過活化、出光、鈍化后零件鍍層厚度均有一定程度減少，從0～8s看出鎘層厚度呈直線型減少，這一階段主要是鎘層的溶解過程；8～15s鍍層厚度減幅相對減小，這一階段應為膜的形成過程；15～20s鍍層厚度減幅相對增加，這一階段可能是鈍化膜形成到一定程度后又進一步溶解。根據(jù)實驗結果分析，鈍化時間在12s左右為宜，鍍層厚度減少約1.46μm。

4 結論

(1)隨電鍍時間增加，鎘鍍層厚度增加，增加趨勢近似于直線型。

(2)電流密度越大，鎘鍍層的沉積速率越大。

(3)實驗表明活化、透光、鈍化液均能消耗鎘鍍層厚度。經(jīng)活化5s，透光5s，鈍化12s后，鍍層減少1.46μm，在電鍍過程中需考慮后處理對鍍層厚度的消耗。

本文通過研究鎘鍍層成膜厚度工藝影響因素，建立了生產(chǎn)過程中鎘鍍層厚度精確控制的方法。電鍍過程中，在保證設備、槽液成分穩(wěn)定的前提下，通過控制工藝過程條件，調(diào)節(jié)電流密度與電鍍時間，可預測零件鍍層厚度，實現(xiàn)對鎘鍍層厚度的精確控制，為鍍層質(zhì)量提供技術支持。

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[編校：楊 琴]

Research of Process influencing factors of Cadmium Plating Film Thickness

WU Min, FAN Shaoxin

(WuHuState-ownedFactoryofMachining，WuhuAnhui241007)

Through the study of the effect of electroplating time, current density, activation time, light transmission time and passivation time on coating thickness, this study on cyanide cadmium plating process of bolt parts is attempting to master the change rule of film thickness of the cadmium plating process and establish a new method for precise control of coating thickness. The method can be used to predict the thickness of the coating on the surface of the cadmium plated parts and provide guidance for the actual production.

cyanide cadmium plating; coating thickness; precise control

2016-10-10

吳敏(1989- )，女，安徽蕪湖人，助理工程師，工學碩士，研究方向為表面處理修復技術、電鍍應用研究。

TG174.4

A

1671-9654(2016)04-059-05