鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金的操作要點

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張菊香（上海大眾汽車有限公司質保實驗室，上海201805）

摘要：根據鑄鐵件的特殊性，提出鑄鐵件的電鍍應選擇電流效率高的酸性電鍍體系。探討了鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金流程中各工序的技術規範和控制要點，指出了電鍍過程中的常見故障，分析了失效原因，並提出相應的解決措施。

關鍵詞：鑄鐵；鋅鎳合金；電鍍；技術規範；故障排除

中圖分類號：TQ153.2文獻標誌碼：A

文章編號：1004–227X(2014)15–0659–04

鑄鐵以耐磨性好、成本低、工藝簡單、生產效率高、消振性好、缺口敏感性低以及容易切削加工等優點，在汽車、航天、造船等行業得到廣泛應用。但鑄鐵表面容易鏽蝕，生鏽後很難處理，裝飾性差，需要通過後續處理來改善其表面性能。電鍍可有效改善鑄鐵件的外觀和耐腐蝕性能，已成為推廣應用和研究的熱點。

1·鑄鐵件的特殊性和電鍍對策

與軋制、鍛造鋼等其他基材相比，鑄鐵件加工工藝特殊，結構複雜，電鍍也相對困難。針對鑄鐵件的特殊性，採取的電鍍對策是：

(1)鑄鐵件表面含碳量高，表面殘留大量型砂或碳硅化合物，氫在碳上的過電位低，易析出而產生大量氣泡[1]，在給定電流下難以達到金屬沉積的電位，鍍層不易生長，因此鑄鐵件電鍍鋅鎳合金只能選擇電流效率高的酸性系統(酸性鋅鎳合金電流效率為90%左右，鹼性鋅鎳合金僅在50%左右)。鑄鐵件的結構一般比較複雜，因此也要採用分散性強和覆蓋能力好的電鍍溶液。

(2)鑄鐵基材結構疏鬆，多孔，存在大量砂眼和縮孔，表面粗糙，凹凸不平，因此微觀電鍍表面積比宏觀面積大很多，導致實際電流密度比表觀電流密度小得多，因此不僅要採用酸性電鍍體系，起始電流也應比其他鋼基材大1~2倍。通過大電流衝擊瞬間激活表面，才能使疏鬆表面被緻密鍍層覆蓋[2]。

(3)鑄鐵件表面在高溫鑄造過程中會形成一層不導電的氧化膜，阻礙鋅鎳合金鍍層生長。因此電鍍之前必須徹底去除表面的氧化皮。鑄鐵件的一般加工過程為：鑄造─拋丸─機加工。拋丸是鑄鐵件電鍍的重要處理步驟，主要利用噴砂機械打擊表面，不僅可去除氧化皮，而且使澆鑄時形成的高碳層脫落，造成微觀粗糙，有利於提高鍍層結合力，因此拋丸的質量直接影響鑄鐵件的電鍍質量。

(4)在加工過程中，鑄鐵件表面會殘留大量的油脂、潤滑油和冷凍劑，以及來自鑄模的殘留物，噴砂殘留的砂粒和鐵屑在儲存過程中受外界影響會生成氧化膜等不溶性污染物，而且鑄鐵表面本身就存在大量石墨，因此鑄鐵件需要通過特殊的酸洗和超聲波清洗等前處理工序，才能形成潔凈、均勻潤濕、導電性好、容易電鍍的表面。

2·鑄鐵件電鍍工藝

目前鑄鐵件較多採用工藝和設備相對簡單的酸性鍍鋅工藝，但鍍鋅層防腐能力較差，不能滿足汽車等行業的高耐蝕性要求，鋅鎳合金鍍層雖然可大大提高耐腐蝕性能，但由於酸性電鍍鋅鎳合金工藝比較複雜，過程式控制制比較困難，一直難以大規模推廣應用。近年來，隨著化學和機械製造工藝的快速發展，鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金工藝性能大大提升，生產過程式控制制也日益成熟，成了這幾年的研究熱點，並逐漸大規模推廣。

鑄鐵件電鍍鋅鎳合金主要有2種方式：酸性鍍鋅+鹼性電鍍鋅鎳合金，或直接酸性電鍍鋅鎳合金。前者為了解決鑄件不能直接鹼性電鍍的問題，採用酸性鍍鋅打底，但在冷熱交替的情況下，雙鍍層之間結合力不好，容易脫落，並且工藝過程更複雜，厚度、鎳含量等質量控制風險較大。不同電鍍工藝的特點見表1。

3·酸洗電鍍鋅鎳合金工藝

3.1工藝流程

超聲波清洗─水洗─熱浸除油─水洗─酸洗─水洗─超聲波清洗─水洗─電解除油─水洗─40%(體積分數)鹽酸活化─水洗─電鍍─水洗─2%(體積分數)硝酸出光─水洗─鈍化─水洗─封閉─流平─乾燥。

3.2鍍前處理

3.2.1超聲波清洗

鑄鐵組織結構疏鬆、孔隙率高，表面殘留的灰塵、砂粒等不溶性的污染物通過一般的清洗方式難以徹底清除。超聲波清洗利用強大的衝擊波能滲透到工件表面孔隙里，使鑄鐵件表面徹底清洗乾淨[3]。如圖1a和圖1b所示，經超聲波清洗後，鑄鐵件表面較為潔凈。

3.2.2熱浸除油

熱浸除油直接決定了鑄鐵件前處理和電鍍的成敗，因為酸和水都與油脂表面不相容，除油不徹底不僅會導致後續酸洗失敗，而且會形成不均勻的潤濕表面，造成電鍍缺陷。如何評價鑄鐵件粗糙表面熱浸除油的效果也是比較困難的，一般可以通過評價鏽蝕的辦法來判斷。評判方法和步驟為：(1)熱浸除油後，把零件從掛具上取下，完全浸於水中清洗；(2)對清洗後的工件進行酸洗，再超聲波清洗；(3)將工件置於空氣中30min，檢測鏽蝕情況。如圖2所示，鑄鐵件表面鏽蝕均勻表示除油比較徹底。經過有效的除油工序後，鑄鐵件表面形成了如圖1c中所示均勻的可潤濕表面。影響除油效果的主要因素有溫度、時間、攪拌、鹼含量以及表面活性劑。溫度太低、時間太短、攪拌不充分、表面活性劑含量太低等都會導致除油不徹底。鹼一般選用微量NaOH，含量太低時除油不徹底，含量太高又會破壞基材，影響電鍍質量。

3.2.3酸洗

酸洗是保證鍍層結合力良好的關鍵，從圖1d中可以看出，其主要作用有4點：(1)去除鑄件表面的氧化皮和鏽蝕；(2)去除表面加工後殘留的鐵屑；(3)腐蝕掉一部分鐵基體，使碳粒露出表面，便於後續碳粒脫落；(4)使表面的微孔由閉孔狀態轉化為開孔狀態，便於後續清洗和電鍍。酸洗一般採用稀鹽酸，時間為5~10min。時間太短，達不到酸洗的效果；時間太長，表面會裸露太多的碳，影響電鍍質量。

3.2.4超聲波清洗

酸洗後，鑄鐵表面殘留了大量碳粒和石墨，會降低氫的過電位，導致大量析氫，阻礙金屬沉積，因此必須去除表面的碳。如圖1e所示，利用超聲波振蕩清洗(非化學過程)，使表面碳粒、石墨脫落，露出可電鍍的金屬表面。超聲波頻率一般為25~40kHz/min，頻率過高或過低都會影響脫碳效果。經超聲波清洗和未經超聲波清洗的表面明顯不同，如圖3所示。未超聲波清洗的表面比較黑，可能是由於表面存在大量黑色碳粒和石墨，而經過超聲波清洗的表面呈金屬光澤。超聲波清洗是鑄鐵件前處理必須採用也是最為重要的工序之一，直接決定了鑄鐵件電鍍的成敗。

3.2.5電解除油

電解除油是為了進一步清潔鑄鐵件表面，特別是徹底去除前面工序沒有溶解的細小雜質顆粒，使之形成如圖1f所示的更加均勻、潤濕的表面，以提高鍍層的結合力。鑄鐵件一般採用陰極電解除油，清洗劑採用鹼性螯合物，對電極一般為低碳鋼，電流約5.5A/dm2。應注意控制陰極電解除油的時間和電流，避免發生氫脆而影響鑄鐵件強度。

3.3電鍍

鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金主要有硫酸鹽體系和氯化物體系，氯化物電鍍體系具有導電性好、分散性好、電流效率高、沉積速率快、氫脆性低、光亮度好、易實現常溫操作等優點而研究得較多[4-5]。目前投入實際生產的電鍍生產線也大都採用氯化物體系。電鍍設備方面，與鹼性電鍍鋅鎳合金相比，酸性電鍍鋅鎳合金更加複雜。如圖4所示，鹼性電鍍鋅鎳合金一般採用鋅陽極，鎳通過溶液添加，而酸性電鍍鋅鎳合金一般採用兩組可溶性陽極，即鋅陽極和鎳陽極，二者的面積比一般為(4∶1)~(8∶1)，並採用2個整流器，電流比一般也為(4∶1)~(8∶1)。建議的鍍液體系為：KCl210~250g/L，ZnCl240~70g/L，NiCl2·6H2O90~120g/L，H3BO320~30g/L，配位劑、光亮劑和緩蝕劑適量。

3.4後處理

鑄鐵件電鍍後一般選用稀硝酸(約3%)進行化學拋光，可提高鍍層光亮度和平整度，改善鈍化膜外觀和牢固度。鑄鐵件表面為多孔結構，孔內極易殘留酸鹼溶液，不僅造成鍍層發黑、發暗，而且會大大降低鍍層的耐腐蝕性能，因此鑄鐵件的鍍後清洗非常重要。一般採用熱水和冷水交替清洗2~3次，再進行鈍化處理。熱水清洗時，可使滲入鑄鐵孔隙內的鍍液因受熱膨脹而溢出，用冷水清洗時恰好相反，即冷水進入孔隙內，可防止表面泛白。注意熱水清洗的水溫不能過高，一般為80°C；時間不能太長，一般為1~2min，否則會使鍍層表面生成氧化膜，第一個熱水槽容易受電鍍液污染，必須經常更換。與其他基材電鍍鋅鎳合金一樣，鍍層必須經過鈍化和封閉處理，以提高防腐性能，改善外觀，並獲得均勻的銀色、黑色等不同顏色和光澤。

3.5常見故障的原因及對策

3.5.1鍍層黑斑

(1)前處理不幹凈，微孔內殘留的油等污染物在烘乾後滲出，污染了鍍層，應加強前處理。

(2)鈍化液有雜質，應去除雜質或更換鈍化液。

(3)電鍍液有雜質，應加強鍍液維護。

(4)電鍍後清洗不充分，鍍液殘留在孔洞中，在一定濕度下殘液遷移到表面，腐蝕鍍層而產生黑斑。應加強電鍍後清洗。

3.5.2鍍層發暗

(1)鈍化時間太長，應縮短鈍化時間。

(2)電鍍後熱水清洗時間太長，應選擇適當的清洗時間。

(3)添加劑不足，應補充添加劑。

3.5.3鍍層有針孔、麻點

(1)基材表面孔洞太多，導致基材太粗糙，應改善鑄造工藝。

(2)基材拋丸不良，應調整拋丸壓力、時間等參數及丸粒的材料、尺寸和硬度。

(3)前處理不幹凈，表面存在污染物或石墨，應加強前處理。

(4)鍍液中含有固體雜質，應加強鍍液的過濾處理。

3.5.4鍍層鼓泡、起皮

(1)基材前處理不徹底，表面殘留氧化膜、石墨等雜質，應加強前處理工序。

(2)電鍍後清洗溫度不合理，過度熱脹冷縮，應選擇合適的冷熱水清洗溫度。

(3)酸洗液濃度過高，或者陰極電解時間太長，電流太大，導致前處理析氫嚴重，電鍍後烘乾時氣體膨脹，形成氣泡。應適當降低酸洗濃度，調整陰極電解的時間和電流。

(4)鍍槽中有機物等雜質多，應加強鍍液維護。

3.5.5鍍層局部不上鍍

(1)零件結構太複雜，或掛具設計不合理，工件局部形成電流盲區。應調整掛具，優化結構設計。

(2)初始電流密度太小，應適當提高初始電流密度。

(3)前處理不當，表面有油污、石墨、氧化皮殘留，導致無法形成鍍層，應加強除油、酸洗、超聲波清洗工序。

3.5.6鍍層脆性大

(1)鍍層鎳含量太高，應調整陽極面積和電流密度比例。

(2)鍍液中有機雜質多，應去除鍍液中的雜質。

(3)鍍液溫度過高，應適當降低鍍液溫度。

4·結語

鑄鐵件電鍍雖然難度較大，工藝相對複雜，生產過程問題多，但通過採用自動化的控制設備，加強每道工藝的過程式控制制，便可實現穩定的批量化生產。國內的鑄鐵件酸性鋅鎳合金工藝雖然研究得較早[6-7]，但實際應用進展比較緩慢。近年來隨著汽車工業的發展，酸性鋅鎳合金大規模地應用於汽車制動鉗，出現了一些自動化程度較高的鋅鎳合金電鍍線，但其技術仍被國外鍍液廠商壟斷，成本較高，因此國內電鍍廠商需要不斷研究國產電鍍鋅鎳合金工藝的實用性，通過優化鍍液體系，提高國產電鍍設備的自動化程度，以提高質量穩定性，降低生產成本。

參考文獻：

[1]鄭瑞庭.鑄鐵件電鍍工藝的改進[J].電鍍與塗飾,2004,23(2):56-57.

[2]王文忠.鑄鐵件電鍍工藝的選擇[J].材料保護,1996,29(9):32.

[3]李文紅,關國棟.鑄鐵件鍍前處理工藝的研究[J].電鍍與環保,2012,32(2):49-50.

[4]萇清華,陳峰,陳艷芳.鍍液中鎳鋅含量比對酸性液電鍍Zn–Ni合金的影響[J].熱加工工藝,2009,38(12):99-100,103.

[5]曹浪,左正忠,田志斌,等.電鍍鋅鎳合金的研究現狀與展望[J].材料保護,2010,43(4):33-37,50.

[6]李華鋒,周曉榮,柳立名,等.弱酸性電鍍光亮鋅鎳合金的研究[J].電鍍與塗飾,1999,18(1):8-12,39.

[7]黃巍,黃逢春,丁曉林,等.弱酸性無銨鋅鎳合金電鍍工藝的研究[J].材料保護,2005,38(9):25-27.

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