無(wú)硝酸環(huán)保前處理工藝在鑄鋁電鍍上的應(yīng)用

王殿西 ，魏亞平，呂 鵬，呂成斌，蔣 杰，

（1.天津市飛鴿集團(tuán)聯(lián)合化工廠，天津300163；2.天津市杰出金屬制品有限公司，天津301900）

鑄鋁合金具有許多優(yōu)點(diǎn)，如良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性，高延展性，高強(qiáng)度，易成型，比重低，因此廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零部件的鑄造加工，例如：散熱片，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋，變速箱外殼，轎車(chē)輪轂等。由于鑄鋁合金件表面硬度低，耐磨性能差，且鋁是一種活潑的兩性金屬，電極電位很低（約－1.67 V），在空氣中就很容易氧化和腐蝕，盡管合金中添加了其它元素在一定程度上增加了硬度和抗蝕性能，但依然不能滿足實(shí)際應(yīng)用中的抗磨和抗蝕性要求，因而絕大多數(shù)鑄鋁合金零部件都需要合適的表面處理，主要包括陽(yáng)極氧化、電泳涂裝、化學(xué)鍍鎳、電鍍銅鎳鉻、電鍍硬鉻等［1-4］。無(wú)論采用何種表面處理方法，均需要對(duì)零件表面進(jìn)行必要的前處理，由于鑄鋁合金成分復(fù)雜，特別是含硅量高，傳統(tǒng)前處理幾乎都要應(yīng)用HNO3-HF 體系工藝和HNO3工藝，從而不可避免會(huì)產(chǎn)生大量“黃煙”和硝酸酸霧，嚴(yán)重污染環(huán)境和影響從業(yè)者身體健康。本文重點(diǎn)討論無(wú)硝酸環(huán)保前處理工藝在鑄鋁合金零件電鍍中的應(yīng)用。

1 工藝流程及參數(shù)

鑄鋁合金零件電鍍無(wú)硝酸環(huán)保前處理工藝與傳統(tǒng)前處理工藝流程如下［5］：

冷脫脂（選擇性使用）→三級(jí)水洗→弱堿性熱脫脂→三級(jí)水洗→堿蝕→三級(jí)水洗→除垢活化→三級(jí)水洗→一次浸鋅→三級(jí)水洗→退鋅→三級(jí)水洗→二次浸鋅→三級(jí)水洗→電鍍

1.1 冷脫劑脫脂

冷脫劑脫脂工藝條件如表1 所示。由于冷脫脂油容量（1 kg 脫脂劑能夠容納油脂的最大重量占脫脂劑重量比）一般達(dá)到20%以上，有的達(dá)到40%，遠(yuǎn)大于弱堿性熱脫脂油容量，并且不需要加熱，因而在熱脫脂前增加一道冷脫劑脫脂處理，可以大大減輕熱脫脂壓力，延長(zhǎng)熱脫脂溶液使用壽命，節(jié)約能源。

表1 冷脫劑脫脂工藝條件Tab.1 Process conditions of degreasing with cold stripper

1.2 弱堿性熱脫脂

弱堿性熱脫脂［6］工藝條件如表2 所示，單獨(dú)使用堿蝕工藝如表3 所示。工作溫度取上限時(shí)，在脫脂的同時(shí)兼有堿蝕作用，因而可一舉兩得，不用單獨(dú)堿蝕處理。如果配合超聲波脫脂，效果更佳，超聲波功率一般按每升脫脂工作液6～8 W 配置，不會(huì)破壞工件表面，在增強(qiáng)脫脂效果的同時(shí)兼有去除堿蝕掛灰的作用。

表2 弱堿性熱脫脂工藝條件Tab.2 Process conditions of weak alkaline hot degreasing

表3 單獨(dú)的堿蝕工藝條件Tab.3 Process conditions of separate alkali etching

1.3 除垢活化

除垢活化工藝條件如表4 所示。鑄鋁合金含硅量高，一般在6%～13%之間，在進(jìn)行堿蝕或熱脫脂處理時(shí)，難免會(huì)產(chǎn)生黑褐色灰垢，用一般方法難以完全去除干凈，傳統(tǒng)工藝需要采用75%硝酸+25%氫氟酸溶解灰垢，露出鋁合金本體金屬，確保后續(xù)鍍層結(jié)合力符合要求，上述工藝在操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量“黃煙”（NO2），嚴(yán)重影響從業(yè)者身體健康，環(huán)境污染嚴(yán)重，采用P77 環(huán)保除垢劑，可以完全消除“黃煙”危害。

表4 除垢活化工藝條件Tab.4 Process conditions of scale removal and activation

1.4 一次浸鋅

一次浸鋅工藝條件如表5 所示。對(duì)于高硅鋁合金，采用穩(wěn)定性好的A68 浸鋅水，不需要頻繁調(diào)整，可確保較高的浸鋅質(zhì)量，而且溶液使用壽命也比普通浸鋅液高50%以上。浸鋅膜層含有鋅、鐵等合金元素，膜層致密，性能良好。

1.5 退鋅

退鋅［7］工藝條件如表 6 所示。應(yīng)用 P66 環(huán)保退鋅劑于退鋅工藝時(shí)，退鋅劑使用濃度低，操作范圍寬，質(zhì)量可靠，沒(méi)有傳統(tǒng)硝酸退鋅工藝的酸霧溢出，大大改善了操作環(huán)境，廢水處理成本極大降低。

表5 一次浸鋅工藝條件Tab.5 Process conditions of zinc dipping

表6 退鋅工藝條件Tab.6 Process conditions of zinc stripping

1.6 二次浸鋅

二次浸鋅工藝條件如表7 所示。二次浸鋅可以與一次浸鋅共用一槽溶液，也可單獨(dú)使用，由于經(jīng)過(guò)一次浸鋅并退鋅處理后，工件表面已經(jīng)處于“新鮮金屬”狀態(tài)，處理時(shí)間短于一次浸鋅，可確保獲得更加致密完整的浸鋅膜層，保證后續(xù)鍍層獲得較高結(jié)合力。

表7 二次浸鋅工藝條件Tab.7 Process conditions of secondary zinc dipping

1.7 電鍍

鑄鋁件完成浸鋅工序后，可以根據(jù)實(shí)際需要電鍍銅、鎳、鉻、錫、金、銀等各種鍍層。

2 工藝討論與維護(hù)

2.1 脫脂

大多數(shù)鑄鋁合金件形狀比較復(fù)雜，表面一般不平整，孔隙吸油，凹點(diǎn)藏污納垢，有的還有脫模劑，因而脫脂難度較大，單純使用冷脫脂方法達(dá)不到電鍍需要的潔凈程度。目前的弱堿性鋁合金脫脂劑對(duì)于有些脫模劑并不能完全去除，需要溶劑型冷脫劑輔助脫脂。對(duì)于孔隙吸油等頑固污物，更需要高溫脫脂和超聲波輔助脫脂。所以，從綜合因素考慮，最佳鑄鋁合金件脫脂工藝應(yīng)是溶劑冷脫脂與弱堿性熱脫脂和超聲波的有機(jī)結(jié)合，才能更好滿足電鍍脫脂要求。

溶劑型脫脂劑使用的溶劑都不是易燃易爆品，只要補(bǔ)充帶出量即可，不需要分析，在油容量接近飽和時(shí)，可以通過(guò)蒸餾方法回收溶劑重新投入使用；熱脫脂溶液可以按相關(guān)產(chǎn)品化學(xué)分析補(bǔ)充消耗量，接近使用周期時(shí)廢棄。

2.2 堿蝕

堿蝕是非常必要的一步工序，堿蝕的目的是讓工件表面硅等異金屬元素裸露并變得酥松，有利于后續(xù)的除垢工序在工藝時(shí)間范圍內(nèi)去除工件表面的灰垢和不良組織，獲得致密干凈的金屬本體表面。如果對(duì)表面不良組織不進(jìn)行堿蝕松動(dòng)處理，單純靠除垢工序會(huì)造成表面過(guò)腐蝕，反而會(huì)大大降低鍍層結(jié)合力并影響外觀。

堿蝕溶液中應(yīng)有鋁緩蝕劑等添加劑，防止堿蝕過(guò)度，還可延長(zhǎng)堿蝕溶液的使用周期。對(duì)堿蝕液只需分析補(bǔ)充N(xiāo)aOH含量和相應(yīng)添加劑即可。

2.3 除垢

除垢的難點(diǎn)在于H2O2濃度的控制。當(dāng)P77 環(huán)保除垢劑濃度為600 mL/L時(shí)，除垢液中H2O2濃度與除垢速度的關(guān)系如表8 所示。H2O2濃度濃度太高，除垢后零件表面容易產(chǎn)生鈍化“黃膜”，濃度過(guò)低，除垢不完全，影響鍍層結(jié)合力，H2O2的濃度可以通過(guò)分析進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整。

P77環(huán)保除垢劑可以測(cè)量溶液波美度并進(jìn)行控制，一般控制溶液波美度在16～18 度之間。此外，P77環(huán)保除垢劑中含有鋁緩蝕劑，操作范圍寬，穩(wěn)定性好，不會(huì)對(duì)鑄鋁件產(chǎn)生過(guò)腐蝕不良。當(dāng)H2O2濃度為150 mL/L 時(shí)，P77 環(huán)保除垢劑濃度與除垢速度的關(guān)系如表9所示。

2.4 退鋅

采用P66 環(huán)保退鋅劑，退鋅質(zhì)量可靠，使用維護(hù)安全方便，綜合使用成本比硝酸還要低些，已有大量電鍍廠家應(yīng)用。退鋅劑和硫酸需要按照帶出比例進(jìn)行補(bǔ)充。退鋅溶液中的P66 環(huán)保退鋅劑和H2SO4（98%）濃度與退鋅速度的關(guān)系如表10和表11所示。

表8 H2O2濃度與除垢速度關(guān)系Tab.8 Relationship between H2O2 concentration and descaling speed

表9 P77環(huán)保除垢劑濃度與除垢速度關(guān)系Tab.9 Relationship between the concentration of P77 environmental scale remover and descaling speed

2.5 浸鋅

采用商品浸鋅液A68 浸鋅水，使用過(guò)程中濃度變化小，調(diào)整頻次相應(yīng)降低，應(yīng)用在高硅壓鑄鋁合金工件上質(zhì)量可靠，可以通過(guò)分析化驗(yàn)補(bǔ)充維護(hù)。

2.6 電鍍

鑄鋁件浸鋅后一般需要預(yù)鍍氰化鍍銅或暗鎳或半光亮鎳或堿性化學(xué)鍍鎳，再電鍍其它鍍層。采用A68 浸鋅工藝，在浸鋅后可以直接鍍鎳、鍍硬鉻和酸性化學(xué)鍍鎳，不需要預(yù)鍍也可以獲得良好結(jié)合力。

表10 P66環(huán)保退鋅劑濃度與退鋅速度關(guān)系（c（H2SO4）為30 g/L）Tab.10 Relationship between c（P66）and the speed of zinc stripping（c（H2SO4）is 30 g/L）

表11 H2SO4濃度與退鋅速度關(guān)系（c（P66）為50 g/L）Tab.11 Relationship between c（H2SO4）and the speed of zinc stripping（c（P66）is 50 g/L）

3 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益討論

表12 對(duì)不同鑄鋁鍍前處理工藝的廢氣及廢水治理難易進(jìn)行了比較。

表12 不同鑄鋁鍍前處理工藝的廢氣及廢水治理難易比較Tab.12 Comparison of waste gas and waste water treatment in different casting aluminum plating pretreatment processes

可以看出，采用P77 環(huán)保除垢劑代替HNO3-HF除垢，采用P66 環(huán)保退鋅劑代替HNO3退鋅，沒(méi)有“黃煙”和硝酸酸霧產(chǎn)生，可以節(jié)省排風(fēng)設(shè)備投入，且廢水處理時(shí)無(wú)需處理離子，降低了廢水處理成本。因此，無(wú)硝酸環(huán)保前處理工藝在鑄鋁電鍍上具有良好環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）采用環(huán)保除垢工藝代替HNO3-HF 體系工藝，徹底解決鑄鋁電鍍前處理工藝“黃煙”污染和危害，確保鑄鋁合金電鍍鍍層擁有良好的結(jié)合力。

（2）采用環(huán)保退鋅工藝代替HNO3體系工藝，完全消除傳統(tǒng)退鋅工藝硝酸酸霧污染，保護(hù)環(huán)境的同時(shí)降低退鋅廢水處理成本。

（3）采用無(wú)硝酸環(huán)保前處理工藝可以獲得良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。