鋅鎳合金鍍層在繼電器產(chǎn)品中應(yīng)用的研究

【摘 要】采用中性鹽霧試驗(yàn)法對(duì)鋅鎳合金鍍層的防腐性進(jìn)行了研究，通過(guò)掃描電子顯微鏡SEM、數(shù)碼晶像顯微鏡等分析手段對(duì)鋅鎳合金鍍層的成分變化規(guī)律、微觀形貌和機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：鎳含量為15%左右的鋅鎳合金鍍層防腐性能最佳。探討了鋅鎳合金鍍層的圍觀結(jié)構(gòu)與防腐性的關(guān)系，并討論了鋅鎳合金鍍層的腐蝕機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】繼電器;鋅鎳合金;防腐性

1 前言

安全型和信號(hào)繼電器在鐵路及城市軌道信號(hào)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，隨著我國(guó)鐵路行業(yè)的高速發(fā)展，軌道上每日通過(guò)車輛的頻次不斷增大，控制系統(tǒng)中安全、信號(hào)繼電器的斷開(kāi)和接通頻次大幅度增加，對(duì)繼電器的可靠性和穩(wěn)定性的要求明顯提高，則對(duì)主要零部件尤其是鋼鐵件的耐腐蝕性能要求不斷提升。

目前各種型號(hào)的繼電器中，鋼鐵零部件的表面處理以電鍍鋅為主，鋅鍍層在密閉或半密閉的潮濕環(huán)境、沿海腐蝕環(huán)境等特殊環(huán)境條件下易腐蝕生成白色產(chǎn)物，俗稱“白霜”。純鋅鍍層已逐漸難以滿足繼電器產(chǎn)品的防腐性能要求。

2 鋅鎳合金

近年來(lái)，鋅合金鍍層的研究與應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電鍍鋅合金是指以鋅為主要成分，并含有少量的其他金屬的電鍍層。主要是鋅與鐵族金屬形成的二元合金，即鋅-鎳、鋅-鈷、鋅-鐵合金等，它們具有的共同特性是良好的防腐性能。由于鐵族金屬的原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)很相近，其與鋅形成合金的共沉積也很相似。僅從電極電位看，鐵族金屬的電位比鋅正的多，在共沉積時(shí)，鐵金屬易沉積且優(yōu)先沉積，這種沉積稱為異常共沉積。但在電鍍過(guò)程中，當(dāng)鋅與鐵族金屬在陰極表面共沉積時(shí)，隨著陰極表面的H2析出，使表面pH值升高，首先在陰極表面生成了氫氧化鋅膠體薄膜，致使鐵族金屬離子在陰極表面受到抑制而難以沉積，于是鋅在陰極表面優(yōu)先析出，即形成以鋅為主要成分，含少量鐵族元素的合金鍍層。鋅合金鍍層與鋅鍍層相比具有更高的耐蝕性，并有良好的耐磨性、可焊性，其中以鋅鎳合金研究的較多。

鋅鎳合金鍍層具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，鍍層中含有少量鎳的電鍍層，當(dāng)含鎳是7%-9%的合金鍍層時(shí)，耐腐蝕性是純鋅鍍層的3倍以上;當(dāng)含鎳是13%左右的合金鍍層時(shí)，耐腐蝕性是純鋅鍍層的5倍以上。常用的電鍍鋅鎳合金有堿性和弱酸性兩種。兩種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)：弱酸性鋅鎳合金工藝的優(yōu)點(diǎn)是電流效率高，沉積速度快，氫脆性低，可用于高碳鋼和鑄鋼件的電鍍層;堿性鋅鎳合金工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是分散能力和深度能力較高，無(wú)氫脆，適用于復(fù)雜零件的電鍍，鍍液成分簡(jiǎn)單操作方便，對(duì)設(shè)備腐蝕性小，缺點(diǎn)是電流效率低、沉積速度慢。

由于繼電器的鋼鐵零部件的外型較復(fù)雜，對(duì)電鍍層的深度能力要求較高，故本次僅研究堿性鋅鎳合金鍍層。

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)樣件為繼電器產(chǎn)品中兩種不同基材的零件，分別為冷軋鋼板和鑄鋼。零件外形為L(zhǎng)型，能分別體現(xiàn)高、中、低電流密度區(qū)域的鍍層質(zhì)量及性能。

試驗(yàn)樣件表面進(jìn)行不同的電鍍工藝，如純鋅鍍層、堿性鋅鎳合金鍍層，對(duì)其鍍層質(zhì)量及性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

4 鍍層性能測(cè)試

4.1 顯微硬度

利用HV-1000T顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量各組試樣的硬度，試樣的鍍層平均厚度為12μm，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

由上表可看出，鋅鎳合金鍍層的顯微維氏硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鋅鍍層的，耐磨性能強(qiáng)于純鋅鍍層。

4.2 分散性能

利用赫爾槽測(cè)定法測(cè)試。在赫爾槽試片上選取3點(diǎn)，分別為高 中 低三個(gè)電流密度區(qū)，測(cè)量其鍍層厚度。

測(cè)試條件：電流 1A，時(shí)間 10min，溫度25℃。

在標(biāo)準(zhǔn)主鹽含量及有絡(luò)合劑和添加劑的情況下，進(jìn)行測(cè)試。取3點(diǎn)的位置分別為：從左至右1cm、3cm、5cm，見(jiàn)圖1。

鍍層厚度在3點(diǎn)的分布數(shù)值見(jiàn)表2。

由表2可得出，鋅鎳合金鍍層的分散能力高于純鋅鍍層。

4.3 附著強(qiáng)度

根據(jù)GB/T 5270中2.12的熱震試驗(yàn)測(cè)試。將試樣在300℃±10℃烘箱中保溫10min，然后將其放入15℃-25℃的冷水中冷卻，鍍層未發(fā)生起皮、起泡等從基體金屬上分離的現(xiàn)象。

4.4 防腐性能

采用中性鹽霧NSS試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試條件：氯化鈉濃度為50g/L5g/L;pH值在6.5-7.2之間;溫度為35℃±2℃;80cm2的水平面積的平均沉降率為 1.5mL/h-0.5mL/h。

試樣鋅鍍層和鋅鎳合金鍍層的平均厚度均為12μm。純鋅鍍層在264h時(shí)基體開(kāi)始出現(xiàn)白色腐蝕，而鋅鎳合金鍍層在768h時(shí)基體無(wú)腐蝕。

鋅鎳合金鍍層的耐蝕性與其鎳含量有著密切的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，鎳含量為13～16%左右的鋅鎳合金鍍層耐蝕性最強(qiáng)。

鎳含量為0～13%時(shí)，鋅鎳合金晶相為鋅層與Gamma晶粒;鎳含量為13～16%時(shí)，晶相為純Gamma晶粒層（如圖2）;當(dāng)鎳含量為17～100%時(shí)，晶相為Gamma晶粒層與金屬鎳混合物。

鎳含量低于13%的鋅鎳合金鍍層，其特性趨近于純鋅;伴隨著鎳含量的增加，耐蝕性（至產(chǎn)生紅銹為止）也隨之提升，當(dāng)鎳含量達(dá)到13%時(shí)，鋅鎳合金鍍層的特性顯著地產(chǎn)生變化，尤其是鉻酸鹽鈍化膜的耐蝕性在此時(shí)大幅提升，主要是歸功于“Gamma”鋅鎳合金晶粒在這個(gè)階段大量形成所致，但是，如果鎳含量太高，鋅鎳合金鍍層的特性便趨向于純鎳，其鉻酸鹽鈍化的接受性也會(huì)急速惡化。

鎳含量在15%左右的鋅鎳合金鍍層屬于單一γ相，是金屬間化合物。對(duì)鋼鐵基體而言，該鋅鎳合金鍍層為陽(yáng)極性鍍層，對(duì)基體起到電化學(xué)保護(hù)作用。腐蝕開(kāi)始時(shí)，鍍層中的鋅較易被腐蝕，使鍍層中的鋅含量下降，鎳相對(duì)富體，鎳的富體對(duì)腐蝕具有抑制作用。鋅鎳合金鍍層的腐蝕產(chǎn)物不導(dǎo)電，并且均勻致密覆蓋在鍍層表面，對(duì)鍍層也起保護(hù)作用，使得鋅鎳合金鍍層的腐蝕性遠(yuǎn)高于鋅鍍層。

5 小結(jié)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，鋅鎳合金電鍍層在提高鋼鐵零部件的防腐性能的同時(shí)，還提升了零部件表面的硬度，增加了其耐磨性。不僅提高繼電器產(chǎn)品零部件的防腐性能，而且保證軌道列車的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾榮昌，韓恩厚 . 材料的腐蝕與防護(hù) [ M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]曹楚南 . 腐蝕電化學(xué) [ M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

[3]李榮俊 . 金屬防銹及其試驗(yàn)方法 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[4]朱正玲 . 國(guó)內(nèi)城市軌道交通環(huán)境影響及管理現(xiàn)狀研究 [ J ]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2018，15（10）：101-104.Zhu Zheng Lin.Domestic Urban Rail Transit Environmental Impact and Management Status Research[J].Railway Signalling & Communication Engineering，2018，15（10）：101-104.

作者簡(jiǎn)介：

段桂梅，1982 . 11 .11，女，漢族，陜西寶雞，大學(xué)本科，鐵路行業(yè)專業(yè)技術(shù)。

（作者單位：西安工業(yè)集團(tuán)西安鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司）