雙金屬軸瓦中性鍍錫工藝研究

寇堂善，周震霄，肖良鴻，王雯艷，付雅文，王克和*

（1.中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連 116021；2.大連市表面工程協(xié)會，遼寧大連 116021；3.大連碧城環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，遼寧大連 116600）

眾所周知，中國鐵路是世界上最繁忙的鐵路。我國現(xiàn)在使用的鐵路機(jī)車主要是電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車。我國現(xiàn)在電氣化率為28.2%，除了高速客運(yùn)線路外，仍然有大量內(nèi)燃機(jī)車遍及中國大地。

內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力是柴油機(jī)，主軸瓦及連桿軸瓦是柴油機(jī)的關(guān)鍵零件?，F(xiàn)在使用的是鋼背、錫鋁合金工作層的軸瓦。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主軸瓦、連桿瓦的瓦背處需進(jìn)行鍍錫處理。鍍錫層在軸瓦與軸承座之間起到密合作用，并能提高鋼背的防腐蝕性能。但是作為軸瓦工作層的錫鋁合金鍍層在酸性及堿性溶液中都容易受到腐蝕，尤其在鋼背、合金交界部位尤其易發(fā)生腐蝕，進(jìn)而產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。

軸瓦表面處理的主要要求瓦背鍍錫，但是在實(shí)際生產(chǎn)中軸瓦整體浸在電鍍液中，可是軸瓦合金層為鋁錫合金，鋁合金為兩性金屬，可溶解于堿性或酸性溶液中，因此必需采用中性鍍錫溶液，以降低溶液對合金層的腐蝕，并防止合金層與鋼背剝離。

為解決這一問題，我們查閱了很多手冊、資料都沒有理想的中性鍍錫工藝。我們在HEDP鍍銅工藝中受到啟發(fā)，決定開發(fā)HEDP中性鍍錫方案［1-7］。

為了完成軸瓦的表面處理要求，本文開發(fā)了“中性鍍錫工藝”，經(jīng)過試驗(yàn)，確定了鍍前處理液、鍍錫溶液組成的最佳工藝條件及操作規(guī)范，探討了雜質(zhì)對鍍層質(zhì)量的影響，并分析了生產(chǎn)中的質(zhì)量問題的產(chǎn)生原因，并探索了解決措施。

1 軸瓦結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及工藝要求

軸瓦經(jīng)壓型、機(jī)加工至成品后瓦背鍍錫處理，鍍錫層厚度為0.002～0.005 mm，鍍錫后軸瓦內(nèi)表面合金層進(jìn)行機(jī)加工光整，如圖1 所示。瓦背材質(zhì)為08Al，合金層為鋁錫20銅，合金層化學(xué)成分見表1：

圖1 主軸瓦、連桿瓦簡圖Fig.1 Schematic diagram of main shaft tile and connecting rod tile

表1 合金層成分Table 1 Coating composition

2 試驗(yàn)方法

2.1 中性鍍錫溶液組分及操作規(guī)范初步選擇

根據(jù)HEDP 鍍銅工藝中的主絡(luò)合劑HEDP［C（CH3）（OH）（PO3H2）2］（以H5L 表示）HEDP 分子量為206，當(dāng)量103（含量100 %），一般選為90～110 g/L，即HEDP一般取1個(gè)當(dāng)量。

HEDP/Sn+2摩爾比值為2，但是為了保證HEDP與Sn+2得到充分絡(luò)合，如果參照HEDP 鍍銅工藝，那么HEDP必須有一定量呈游離狀態(tài)。

氯化亞錫（SnCl2·2H2O）分子量為226，當(dāng)量為113。對應(yīng)2∶1、3∶1、4∶1，則氯化亞錫（SnCl2·2H2O）量分別為56、38、28 g/L。

試驗(yàn)溫度選40～50 ℃，pH值6.7～7.2，陰極電流密度Dk=1 A/dm2。

2.2 測試儀器及方法

為了優(yōu)選工藝參數(shù)，采用赫爾槽試驗(yàn)方法［8］。遠(yuǎn)陰極距離遠(yuǎn)，電阻大，所以電流密度?。欢帢O距離近，電阻小，所以電流密度大。

眾所周知電鍍?nèi)芤旱男阅苤笜?biāo)之一就是容忍使用的電流密度大小，大于這個(gè)范圍，電鍍層就會發(fā)生發(fā)暗、粗糙、燒焦等弊病。溶液在很寬的電流密度范圍內(nèi)都能得到性能優(yōu)越的鍍層，說明這個(gè)溶液性能優(yōu)越?？傠娏? A 時(shí)，250 mL 赫爾槽試片上的電流密度分布見表2。

表2 250 mL赫爾槽試片上的電流密度分布Tab.2 Current density distribution on 250 mL hull cell plate

3 結(jié)果與討論

3.1 絡(luò)合劑HEDP添加量選擇

從圖2 可以看出，氯化亞錫56 g/L 時(shí)，HEDP 添加量提高，可以增加試片半光亮范圍。

圖2 絡(luò)合劑HEDP 添加量對鍍錫層半光亮區(qū)范圍的影響（a）HEDP 55 g/L；（b）HEDP 110 g/L；（c）HEDP 165 g/LFig.2 Effect of HEDP addition amount on the semibright area of tin plating layer（a）HEDP 55 g/L；（b）HEDP 110 g/L；（c）HEDP 165 g/L

3.2 主鹽氯化亞錫添加量選擇

由圖3可以看出，HEDP添加量110 g/L時(shí)，氯化亞錫添加量提高，可以增加試片半光亮范圍。

圖3 主鹽氯化亞錫添加量對鍍錫層半光亮區(qū)范圍的影響（a）SnCl2·2H2O 28 g/L；（a）SnCl2·2H2O 56 g/L；（a）SnCl2·2H2O 84 g/LFig.3 Influence of main salt addition amount of stannous chloride on the semi-bright zone of tin plating layer（a）Sn-Cl2·2H2O 28 g/L；（a）SnCl2·2H2O 56 g/L；（a）SnCl2·2H2O 84 g/L

3.3 加入添加劑及溫度選擇

如圖4 所示，氯化亞錫56 g/L，HEDP 添加量110 g/L條件下，加入添加劑I 0.1 g/L，添加劑Ⅱ0.1 g/L，明顯增加試片半光亮范圍，而且鍍層亮度也明顯提高。隨著溶液溫度的提高鍍層亮度也進(jìn)一步提高。

圖4 加入添加劑時(shí)不同溫度對鍍錫層半光亮區(qū)范圍的影響（a）34 ℃；（b）55 ℃；（c）85 ℃Fig.4 Influence of additives and temperature on the semibright area of tin plating（a）34 ℃；（b）55 ℃；（c）85 ℃

根據(jù)以上試驗(yàn)HEDP 添加量110 g/L，氯化亞錫56 g/L，40～50 ℃，pH 值6.7～7.2，陰極電流密度1 A/dm2，添加劑I 0.1 g/L，添加劑II 0.1 g/L。

3.4 中性鍍錫溶液組成及操作規(guī)范

通過赫爾槽工藝試驗(yàn)，確定了以下軸瓦中性鍍錫溶液組成及成分含量和操作條件如下

鍍錫溶液組成及成分含量：氯化亞錫（SnCl2·2H2O）50～60 g/L；HEDP（含量100%）100～120 g/L；添加劑I 0.1～0.2 g/L；添加劑Ⅱ0.1～0.2 g/L。

鍍錫操作規(guī)范：溶液pH 值6.7～7.2；溶液溫度40～50 ℃；陰極電流密度0.8～1 A/dm2。

3.5 中性鍍錫溶液組分的作用及參數(shù)控制

3.5.1 氯化亞錫

它是鍍液的主鹽。鍍液中錫含量對鍍層有較大的影響。錫含量過低時(shí)，將引起鍍層結(jié)晶粗糙。錫含量高時(shí)，鍍層細(xì)致。

3.5.2 HEDP

HEDP（1-羥基已叉-1，1-二膦酸）為50 %～70 %的水溶液，是無色粘稠液體，比重約1.5，原液顯強(qiáng)酸性。HEDP 含量低，鍍錫層發(fā)暗，結(jié)晶粗糙，同時(shí)陽極易吸附白色物質(zhì)，發(fā)生鈍化；含量過高時(shí)，電流效率低，沉積速度慢。

3.5.3 添加劑I

添加劑I容易吸附在電極表面，能抑制絡(luò)離子的放電，提高陰極極化作用，使鍍錫層結(jié)晶細(xì)致，擴(kuò)大陰極電流密度范圍，改善鍍液的分散能力和深鍍能力［9-10］。

3.5.4 添加劑Ⅱ

添加劑Ⅱ可以穩(wěn)定二價(jià)錫，防止自身氧化還原；促進(jìn)陽極溶解［9-10］。

3.5.5 陰極電流密度

電流密度小時(shí)所得鍍層細(xì)致，但沉積速度慢，內(nèi)槽鍍層薄，甚至鍍不上；電流密度大時(shí)，沉積速度加快，但過高會造成鍍層粗糙，鍍件邊緣有燒焦現(xiàn)象，度錫層厚度不均勻性增大。因此，電流密度一般控制在0.8～1 A/dm2的范圍。

3.5.6 溫度

鍍錫溶液的溫度過低時(shí)，電流密度范圍小，電流效率低，沉積速度慢，鍍錫層發(fā)暗；溫度過高時(shí)，溶液易發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀。因此，鍍液溫度應(yīng)控制在40～50 ℃。

3.6 中性鍍錫溶液配制

3.6.1 確定HEDP體積

對照100%HEDP的重量，折算成選用的HEDP濃度的重量（例如100 %濃度的HEDP100 kg，折算成50%濃度的HEDP 為200 kg），再按照比重，折算出體積數(shù)。

3.6.2 HEDP預(yù)處理

將HEDP 加到鍍槽里，在攪拌下加入30%雙氧水2～4 mL/L（去除游離磷酸），加入1/3 容積的自來水并攪拌均勻；

3.6.3 溶解計(jì)算量的氯化亞錫

于槽內(nèi)投放計(jì)算量氯化亞錫，攪拌使其溶解；

3.6.4 溶解KOH

于另一槽內(nèi)加入KOH，加入1/3 容積的自來水溶解；

3.6.5 調(diào)節(jié)PH值

加入KOH 調(diào)整鍍液的pH 值至6.7～7.2，加入KOH 的重量（公斤）大約等于HEDP 體積（升）數(shù)。（不應(yīng)以NaOH 代替KOH 以免產(chǎn)生溶解度較小的HEDP鈉鹽）；

3.6.6 試鍍

加水至鍍槽刻度，加入添加劑，電解處理后即可試鍍。

3.7 軸瓦鍍錫工藝流程

軸瓦鍍錫的除油以往采用酒精清洗，由于機(jī)加工時(shí)切削防銹溶液的改變，導(dǎo)致軸瓦酒精除油后鍍錫存在發(fā)花、漏鍍、粗糙嚴(yán)重。通過采用洗滌劑水溶液與酒精對軸瓦除油對比試驗(yàn)，解決了軸瓦除油對鍍錫層的質(zhì)量影響。軸瓦鍍錫工藝流程改為如下：

軸瓦除油（5%～8%洗滌劑水溶液）→裝掛具→熱水洗（60～80 ℃）→水洗→中性鍍錫→水洗→熱水洗（60～80 ℃）→檢查→轉(zhuǎn)下工序。

4 結(jié)論

通過理論分析確定中性鍍錫研發(fā)的基本方向，初步確定了中性鍍錫的主鹽和絡(luò)合劑的種類；通過試驗(yàn)確定了兩者的含量。投入試生產(chǎn)中出現(xiàn)的鍍層不夠細(xì)致、二價(jià)錫容易發(fā)生自身氧化還原反應(yīng)的問題進(jìn)一步研發(fā)了添加添加劑I和添加劑Ⅱ，解決了生產(chǎn)問題。投入生產(chǎn)的十余年的實(shí)踐證明，此工藝是成功的。