高效環(huán)保型汽車零配件堿性無氰鍍鋅的性能對比

周陽亮 （廣州市?？祈槺砻嫣幚碛邢薰?，廣東廣州 511400）

0 引言

電鍍鋅具有防腐蝕性能好、成本低、鍍層較美觀等特點，在輕工、機電、儀表、農(nóng)機和國防等工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。目前，鍍鋅工藝主要分為氰化物鍍鋅、酸性鍍鋅和堿性鍍鋅，鑒于氰化物對環(huán)境污染嚴(yán)重，氰化物鍍鋅工藝已逐漸被淘汰［5］。酸性鍍鋅工藝存在均鍍和深鍍能力差、鍍層不易鈍化、脆性高及防腐蝕性能較差等缺點［6-7］，故一般不宜用于對功能性要求較高或外形較復(fù)雜的工件。而堿性無氰鍍鋅工藝具有性能穩(wěn)定、成本低、鍍層結(jié)晶細(xì)膩，以及良好的分散能力和深鍍能力，同時不易腐蝕設(shè)備等優(yōu)點［8-10］，因此，得到了廣泛的應(yīng)用，目前，堿性鍍鋅工藝所占的鍍鋅市場份額已經(jīng)達(dá)到40%。雖然無氰堿性鍍鋅工藝已取得了長足的進步，但仍存在電流效率低、沉積速率慢、鍍層脆性較高和結(jié)合力較差等缺陷，有待于進一步研究和提高［11-13］。廣州市?？祈槺砻嫣幚碛邢薰咀灾餮邪l(fā)了3種堿性無氰鍍鋅添加劑——300L、306和308，有效克服了目前工藝上的缺陷，具有高效、環(huán)保、操作、維護簡單及鍍層性能優(yōu)越等特點，取得了良好的實際應(yīng)用效果，得到了市場的充分認(rèn)可。

1 工藝介紹

1.1 鍍液組成及工藝條件

3種堿性無氰鍍鋅液的組成及工藝條件見表1。

表 1 3種堿性無氰鍍鋅液的組成及工藝條件＊Table 1 Bath composition and process conditions of three kinds of cyanide-free alkaline zinc plating solution

續(xù)表 1

1.2 鈍化及封閉工藝

采用HKS-468BC（三價鉻藍(lán)色鈍化液）鈍化，可以得到一層緊密細(xì)致的保護膜，鈍化條件為：開缸劑體積濃度40 mL/L、溫度25～30℃、pH 2.0～2.2，鈍化時間45 s，滯空15 s后用蒸餾水沖洗兩遍，再用HKS-301E（鍍鋅封閉劑）進行封閉，封閉條件為：開缸劑體積濃度150 mL/L、溫度35～40℃、pH 4.0～4.5，封閉10 s，然后放入80℃烤箱內(nèi)烘烤20 min。

2 鍍液性能

2.1 分散能力

分散能力采用赫爾槽試片法測定。在試片水平面的中心線處劃一條直線，再在中心線以上10 mm處劃一條直線，此線與中心線平行。再在兩線間用垂直線分隔成等距離的10個方格，每格間距10 mm，棄去兩端各1格，還有8格，將近陽極的電流高端的鍍層厚度設(shè)為δ1，以后依次為δ2、δ3、……δ8，按下式計算分散能力。

其中，δi—為任意一格的鍍層厚度，mm；T—堿性無氰鍍鋅液的分散能力，%；T平均—堿性無氰鍍鋅液的平均分散能力，%。

3種堿性無氰鍍鋅液的分散能力見表2。從表2中可知，3種堿性無氰鍍鋅液的分散能力都比較突出，在中高電流密度區(qū)，3種堿性無氰鍍鋅液的分散能力變化都很??；在低電流區(qū)，306的分散能力下降較快，308次之，300L最慢。即300L的分散能力最優(yōu)，平均分散能力達(dá)到93.1%，完全能滿足各類產(chǎn)品對鍍層厚度均勻性的要求。

表 2 3種堿性無氰鍍鋅液的分散能力Table 2 Dispersing power of three types of cyanide-free alkaline zinc plating solution

2.2 沉積速率

按照最佳鍍液組成進行赫爾槽試驗，電流密度1 A/dm2，電鍍時間10 min。采用XDL型X-熒光鍍層測厚儀（德國Fischer公司）測定鍍層的厚度。表3為3種堿性無氰鍍鋅液的沉積速率，從表3中可以看出，電流密度在工藝范圍0.5～5.0 A/dm2內(nèi)，3種堿性無氰鍍鋅液的沉積速率都比較快，均保持在0.3～0.5 μm/min，其中306的沉積速率最快，在2 A/dm2的電流密度下，沉積速率達(dá)到0.41 μm/min，300L和308的沉積速率比較接近。

表3 3種堿性無氰鍍鋅液的沉積速率Table 3 The deposition rate of three types of cyanide-free alkaline zinc plating solution

2.3 電流效率

在自制的試驗槽（12 cm×10 cm×10 cm）中，按照最佳鍍液組成及工藝條件，采用掛鍍的方式考察3種堿性無氰鍍鋅液在不同電流密度下的電流效率，電鍍時間為30 min，電流效率η的計算公式如下：

式中，c—電化學(xué)當(dāng)量，g/（A·h）；t—電鍍時間，h；r—電鍍層金屬密度，g/cm3；d—鍍層厚度，cm；s—施鍍面積，cm2。

表4為3種堿性無氰鍍鋅液的電流效率，從表4中可以看出，3種堿性無氰鍍鋅液的電流效率都比較突出，隨著電流密度的增大，電流效率都有所下降，在電流密度0.5～3.0 A/dm2范圍內(nèi)，電流效率均維持在50%～85%。在相同的電流密度下，306的電流效率最佳，當(dāng)電流密度為2 A/dm2時，306的電流效率達(dá)到了71.3%。

表4 3種堿性無氰鍍鋅液的電流效率Table 4 Current efficiency of three types of cyanide-free alkaline zinc plating solution

2.4 鍍液的穩(wěn)定性

老化試驗是檢驗鍍液穩(wěn)定性的最佳方法之一。按照最佳鍍液組成進行赫爾槽試驗，電流密度1 A/dm2電鍍時間10 min。每鍍8張試片后按鍍液消耗量補加各種添加劑和基礎(chǔ)液，連續(xù)試鍍80張試片后，試片的厚度、外觀、分散能力及表面結(jié)晶均沒有明顯變化，這表明3種堿性無氰鍍鋅液的穩(wěn)定性較好，可以在定期補加各種成分的條件下長期應(yīng)用于生產(chǎn)中。

3 鍍層性能

3.1 鍍層的表面形貌

采用VHX-700FC（KEYENCE產(chǎn)）顯微鏡來觀察3種堿性無氰鍍鋅層的表面形貌。3種堿性無氰鍍鋅層、鈍化層及封閉層的表面形貌圖如圖1所示。從圖中1可以看出，3種堿性無氰鍍鋅層表面結(jié)晶細(xì)致、排列緊密，經(jīng)三價鉻藍(lán)色鈍化液鈍化后得到一層均勻的藍(lán)色致密保護膜，可以有效地保護鍍層和基材，由于三價鉻在磨損后沒有自動修護能力，一般會通過封閉層來增強其保護性能，從圖中可以看出，經(jīng)封閉后得到一層緊密、細(xì)顆粒狀的保護膜。相較于300L和306，308鍍層結(jié)晶最細(xì)膩，排列規(guī)則緊密。

圖1 3種堿性無氰鍍鋅的鍍層、鈍化層及封閉層的表面形貌（×100）Figure 1 Surface morphologies of three types of cyanide-free alkaline zinc plating coating，passavation layer and sealing layer

3.2 結(jié)合力

取鋼鐵工件，按照最佳鍍液組成及工藝條件，在相同條件下電鍍不同厚度的3種堿性無氰鍍鋅工件，進行熱震試驗［14］：將鍍鋅工件置于烤箱中，于（200±5）℃恒溫2 h后取出并迅速放入水中驟冷，重復(fù)3次，觀測鍍層表面若無起泡或脫落現(xiàn)象，表明鍍層結(jié)合力良好。表5為3種不同厚度堿性無氰鍍鋅層的結(jié)合力，從表5中可知，3種堿性無氰鍍鋅層的結(jié)合力都較好，其中306的結(jié)合力最優(yōu)。鍍層厚度≤40 μm時，鍍層與基材結(jié)合力良好；鍍層厚度超過50 μm時，才出現(xiàn)輕微的起泡。

表5 3種堿性無氰鍍鋅層的結(jié)合力Table 5 Adhesion of three types of cyanide-free alkaline zinc plating coating

3.3 耐腐蝕性能

取鋼鐵工件，按照最佳鍍液組成及工藝條件，分別電鍍3種堿性無氰鍍鋅層，厚度保持在8～10 μm，采用HKS-468BC藍(lán)色鈍化液鈍化，然后用HKS-301E封閉劑進行封閉，按照GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進行中性鹽霧試驗［15］，試驗結(jié)果見表6。

表6 3種堿性無氰鍍鋅層中性鹽霧的測試結(jié)果Table 6 Neutral salt spray test results of three types of cyanide-free alkaline zinc plating coating

從表6中可以看出，3種堿性無氰鍍鋅層在經(jīng)過鈍化和封閉后，耐腐蝕性都比較優(yōu)異，其中308的耐腐蝕性能最佳。

4 結(jié)語

（1） 3種堿性無氰鍍鋅工藝均比較優(yōu)越，鍍液穩(wěn)定、鍍層表面形貌緊密細(xì)致。

（2） 300L的分散能力最優(yōu)，平均分散能力達(dá)到了93.1%；306的沉積速率、電流效率和結(jié)合力最優(yōu)，在2 A/dm2的電流密度下，沉積速率達(dá)到0.41 μm/min，電流效率為71.3%；308鍍層結(jié)晶最細(xì)膩、緊密，耐腐蝕性最好。

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