摘要：以新型易切削Zn–Cu–Mg–Al–RE鋅合金為基體，電鍍得到光亮鎳鍍層。其工藝流程主要包括化學(xué)除油、活化、預(yù)鍍鎳、光亮鍍鎳和干燥。研究了溫度、pH、電流密度、電鍍時(shí)間等工藝條件對(duì)在以硫酸鎳、氯化鎳、硼酸和光亮劑為主要成分的鍍液中所得光亮鎳鍍層外觀的影響。電鍍光亮鎳的最佳工藝為：0.045~0.050 A/cm2，40~45°C，pH=3.9~4.1，10 min。在最佳工藝下得到的鍍層總厚度約為80μm，鍍層光滑、致密、光澤度好，無(wú)針孔、麻點(diǎn)、起泡等缺陷，與基體結(jié)合緊密，界面存在ZnNi過(guò)渡層。

關(guān)鍵詞：鋅合金;電鍍;光亮鎳鍍層;外觀;成分

中圖分類號(hào)：TQ153.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004–227X(2012)01–0009–04

1·前言

我國(guó)高品位鋅資源十分豐富，儲(chǔ)量位居世界前列。鋅合金具有良好的鑄造性能、力學(xué)性能以及較低的加工成本，在目前銅資源日趨緊張的情況下，鋅合金已成為一種良好銅合金替代材料[1-3]。Zn–Al系鋅合金作為黃銅的替代品，從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始被研究，但由于該系列合金在使用過(guò)程中老化嚴(yán)重，其應(yīng)用受到限制。為此，人們開(kāi)發(fā)出了Zn–Cu系合金，該合金不僅具有良好的耐腐蝕和抗老化性能，而且通過(guò)添加適量的Mg、Al、Ti、Mn等合金元素還可獲得良好的力學(xué)性與成形性[4-6]，但該合金的切削性較差，不能滿足生產(chǎn)的需要，雖然中國(guó)電鍍網(wǎng)www.ketianmeeting.com.cn添加少量的低熔點(diǎn)元素Pb、Sn或Bi等可改善其切削性能，但會(huì)降低合金的力學(xué)性和加工性。近年來(lái)，中南大學(xué)林高用等[7]開(kāi)發(fā)出了一種添加稀土的新型易切削鋅合金Zn–Cu–Mg–Al–RE，該合金具有較好的力學(xué)性、加工性和切削性，綜合性能接近鉛黃銅HPb59-1，可廣泛應(yīng)用于各種日常裝飾行業(yè)，如用于制作家具配件、建筑裝飾、浴室配件、領(lǐng)帶夾等，而且可用于軸承、汽車(chē)等重要工業(yè)領(lǐng)域。鋅合金雖有上述種種優(yōu)勢(shì)，但其本身化學(xué)穩(wěn)定性差，在空氣中易氧化而失去表面光澤，要改善其防腐、裝飾性就必須進(jìn)行表面涂覆處理[8-10]。由于鋅合金多以輕工產(chǎn)品為主，裝飾性要求較高，故多利用鍍層來(lái)滿足上述要求。鋅合金通常采用電鍍鎳、銅和鉻起到防腐蝕和裝飾的作用[11-13]，而有關(guān)新型易切削鋅合金Zn–Cu–Mg–Al–RE的電鍍鎳尚未見(jiàn)報(bào)道。本文采用電鍍法對(duì)新型易切削鋅合金Zn–Cu–Mg–Al–RE進(jìn)行表面鍍鎳處理，研究鍍液溫度、pH、電流密度和電鍍時(shí)間等對(duì)鍍鎳層力學(xué)性能的影響，優(yōu)化電鍍工藝參數(shù)，為該新型鋅合金的研究和應(yīng)用提供參考。

2·實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料

以中南大學(xué)林高用等研制的新型鋅合金為基體(φ10 mm×3 mm)，其化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)為：Cu 2.54%，Mg 0.56%，Al 0.29%，La 0.052%，Ce 0.16%，Zn余量。

2.2工藝流程

打磨─去污粉擦洗─水洗─丙酮棉球擦洗─化學(xué)除油─水洗─活化─水洗─預(yù)鍍鎳─水洗─光亮鍍鎳─水洗─干燥。

2.3配方與工藝

2.3.1化學(xué)除油

Na2CO3 20～30 g/L

Na3PO4 30～40 g/L

P-10乳化劑 1～30 g/L

pH 11.0

θ 50～60°C

t 5～10 min

2.3.2活化

HCl 3%(體積分?jǐn)?shù))

θ 室溫

t 10 s

2.3.3預(yù)鍍鎳

Ni2SO4·7H2O 150 g/L

C6H5Na3O7·2H2O(檸檬酸鈉) 122 g/L

NaCl 12 g/L

H3BO3 25 g/L

pH 6.8～7.2

Jk 0.015 A/cm2

θ 45°C

t 10 min

預(yù)鍍鎳時(shí)控制NiSO4·7H2O與C6H5Na3O7·2H2O的質(zhì)量比為1.0∶1.3，若太低，易產(chǎn)生Ni(OH)2沉淀。

2.3.4光亮鍍鎳

Ni2SO4·7H2O 272 g/L

NiCl2·6H2O 51 g/L

H3BO3 48 g/L

光亮劑N-11 20 mL/L

光亮劑N-22 2 mL/L

pH 3.8～4.0

Jk 0.03～0.06 A/cm2

θ 30～60°C

t 5～20 min

2.4性能測(cè)定

(1)鍍前用SPM-10A型數(shù)字酸度計(jì)(浙江蕭山儀器標(biāo)準(zhǔn)件廠)測(cè)定并用0.1 mol/L的稀HCl溶液調(diào)節(jié)鍍液的pH。

(2)外觀評(píng)價(jià)：在自然光下肉眼觀察試樣表面鍍層的顏色及均勻性。

(3)用Sirion 200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，美國(guó)FEI公司)觀察樣品的顯微結(jié)構(gòu)與形貌，并用附帶的能譜(EDS)分析軟件對(duì)鍍層截面進(jìn)行線掃描分析。

3·結(jié)果與討論

3.1 pH的影響

在40°C、0.045 A/cm2下電鍍10 min，研究鍍液pH對(duì)光亮鎳鍍層外觀的影響，發(fā)現(xiàn)pH為3.9~4.1時(shí)鍍層銀白光亮、平整，而pH為3.8和4.2時(shí)鍍層雖也白亮，但較薄。因此，光亮鍍鎳的pH以3.9~4.1為宜。

3.2溫度的影響

在pH=4.0、0.045 A/cm2下電鍍10 min，研究鍍液溫度對(duì)光亮鎳鍍層外觀的影響。結(jié)果如表1所示。

隨溫度升高沉積速率大幅度提高，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鍍液穩(wěn)定性下降，從而引起鍍液的分解。當(dāng)溫度達(dá)50°C時(shí)，隨著施鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，氣泡快速冒出，溶液底部出現(xiàn)不溶物，且溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鍍層孔隙率增加、耐蝕性下降。溫度低時(shí)，鍍層的沉積較慢，影響生產(chǎn)效率。因此，溫度以40~45°C為宜。

3.3電流密度的影響

在電鍍過(guò)程中必須很好地控制電流密度，電流密度過(guò)低，鍍層不光亮;電流密度過(guò)高，鍍層邊緣易燒焦。在pH=4.0、40°C下電鍍10 min，研究電流密度對(duì)光亮鎳鍍層外觀的影響，結(jié)果如表2所示。

電流密度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鍍層起皮及燒焦，鍍層發(fā)黑;電流密度過(guò)小，則鍍層沉積慢，電鍍時(shí)間足夠長(zhǎng)才有效果。因此，電流密度選0.045~0.050 A/cm2為宜。

3.4電鍍時(shí)間的影響

電鍍時(shí)間主要影響到鍍層的厚度。在pH=4.0、0.045 A/cm2、40°C下對(duì)鋅合金基體電鍍不同時(shí)間，并用掃描電鏡測(cè)定對(duì)應(yīng)鍍層的厚度。電鍍5、10和20 min時(shí)，鍍層厚度分別為62.6、83.85和85.12μm。電鍍時(shí)間由10 min延長(zhǎng)至20 min時(shí)，鍍層厚度變化不大?？紤]到成本問(wèn)題，電鍍光亮鎳以10 min為佳。

3.5鍍層的截面分析

在pH=4.0、0.045 A/cm2、40°C下對(duì)鋅合金電鍍10 min得到的光亮鎳鍍層，采用掃描電鏡分析其截面形貌，結(jié)果如圖1所示。

鎳鍍層由光亮鎳鍍層、中性鎳鍍層及中性鎳鍍層與基體間的過(guò)渡層3層組成，3層鍍層之間結(jié)合緊密，中性鎳鍍層與光亮鎳鍍層之間不存在過(guò)渡層，鍍層總厚度為83.85μm，中性鍍層(包括過(guò)渡層厚度)、中性鎳鍍層與基體之間的過(guò)渡層厚度分別為43.46μm和9.22μm，過(guò)渡層與基體之間結(jié)合致密，未見(jiàn)微裂紋等缺陷。

采用能譜儀對(duì)光亮鍍鎳層進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。光亮鍍層中Ni含量為100%，成分均勻、一致，符合要求。

過(guò)渡層的成分分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，過(guò)渡層的主要成分為Zn，其余為Ni。表明在電鍍過(guò)程中，基體中有部分Zn溶出，與Ni共同在界面形成過(guò)渡層，過(guò)渡層的形成有利于提高鍍層結(jié)合力。

圖3過(guò)渡鎳層的成分分析

Figure 3 Composition analysis of transition nickel coating

采用能譜儀對(duì)鍍層進(jìn)行線掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。由鍍層的外層向里層，元素含量變化明顯，在光亮度鎳層和中性鍍鎳層中基本不含Al和Zn元素;過(guò)渡層中Zn元素含量逐漸增加，Ni元素含量逐漸降低，由于基體中Al含量較低，分布不均勻，因此Al元素波動(dòng)較大;基體中基本不含Ni，表明電鍍時(shí)Ni不會(huì)進(jìn)入基體。

4·結(jié)論

(1)Zn–Cu–Mg–Al–RE合金電鍍光亮鎳的最佳工藝為：0.045~0.050A/cm2，40~45°C，pH=3.9~4.1，10 min。在該工藝下得到的鍍層總厚度為80μm，鍍層光滑、致密、光澤度好，無(wú)針孔、麻點(diǎn)、起泡等缺陷。

(2)鍍層可分為3層：光亮鎳鍍層、中性鎳鍍層及其與基體間的ZnNi過(guò)渡層，各鍍層之間結(jié)合緊密。

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