汽车零部件用锌镍合金电镀现状及研究进展

           本文综述了汽车零部件用电镀锌镍合金的现状及研究进展,总结了国际主要电镀添加剂厂的酸性镀液与碱性镀液组成,对锌镍合金电镀高防护性能做了简要分析并对工艺进行了评述,同时提出了汽车零部件用锌镍合金电镀的发展方向。

    引 言

           科学技术与现代工业的发展对防护性镀层要求越来越高,传统电镀锌层已经不能完全满足要求。近年来锌合金的研究与应用越来越广泛,锌镍合金由于其良好的耐中高温性能以及优异的耐蚀性在汽车工业、飞机制造以及军工产品等领域得到了广泛的应用。在国外电镀锌镍合金应用较多的是电镀汽车钢板与汽车紧固件。锌镍合金电镀最先在日本和德国获得成功。目前在汽车工业使用锌镍合金防护的零件越来越多。电镀锌镍合金后,即使镀层很薄,也具有很高的耐蚀性。

    1 锌镍合金电镀层优点

          电镀锌作为防护性镀层在汽车零部件中得到了广泛的应用,表1为锌电镀层与锌镍合金电镀镀层性能比较。
        相比电镀锌锌镍合金电镀工艺的主要优点有:
    ①  镀层防护性高比锌镀层高两倍以上,经白色或黑色钝化,耐蚀性大大提高。
    ②  电镀工艺的氢脆性很小,几乎无氢脆,适用于高强度钢的电镀,表2为电镀锌与电镀锌镍合金镀层中含氢量对比。
    ③  力学性能良好,电镀锌镍合金以后不改变钢材的屈服强度、抗张强度和延伸率,可塑性好。
    ④  与基体结合力好,镀层具有良好的可焊性。
    ⑤  镀液成分简单,使用方便,易于维护。
    ⑥  电镀液毒性低,有利于环境保护。
    ⑦  镀层硬度高,具有抗划伤能力。

    2  锌镍合金高防护性分析
        表3为锌电镀层与锌镍合金电镀层耐蚀性的对比。

       由表3可以看出,锌镍合金具有更强的防护性能,锌镍合金作为优良的防护性镀层其主要原因有:
    ①    稳定电位比铁低,作为阳极性镀层对钢铁基体有电化学保护作用。
    ②    镀层结晶细密,对钢铁基体有部分化学保护作用,延缓腐蚀速度。
    ③    由图1可以看出,由于少量镍的存在,镀层晶体结构择优取向,有效阻碍腐蚀反应进行,耐蚀性提高。
    ④    经钝化处理后,合金中电位较正金属镍富集形成防腐隔离层,防护性提高。

         综上所述,镍的存在使镀层防护性能提高,图2为镍含量对锌镍镀层耐蚀性的影响。从图中可以看出,当镍含量为13%时,锌镍合金耐蚀性是锌镀层的6倍,防护性能优于铝、镉和镉钛合金,可用于高防护性部件或者作为代镉镀层,含镍15%以下的合金。镀层对钢铁基体而言为阳极性保护层,其腐蚀过程为阳极控制,而表面上的缺锌使阻挡层得到改善并降低了阳极溶解速度,镀层耐蚀性好又易镀铬,也可钝化处理,镍含量高于15%的锌镍镀层相对于钢铁基体为阴极性保护层,镀铬困难,钝化液困难,镍含量过高耐蚀性反而下降。

    3 锌镍合金电镀工艺

        锌镍合金的共沉积属于异常共沉积,锌镍合金电镀工艺主要分为前处理、电镀、钝化处理与去氢处理四个部分。

    3.1前处理

        前处理的好坏直接决定镀层防护性能好坏,锌镍合金前处理工序与电镀锌工艺基本相似,电镀锌镍合金的一般前处理工序为:
        镀前检查→装挂→除锈→水洗→水洗→化学除油或电化学除油→热水洗(70~80℃)→水洗→强腐蚀→水洗→水洗→弱浸蚀→水洗→水洗→电镀。

    3.2电镀锌镍合金

        表4为国际一些主要添加剂厂家关于典型锌镍合金电镀液组成及操作条件。

        碱性锌镍合金电镀具有酸性锌镍无法比拟的特点:

    ①  在很宽的电流密度范围内成分均匀,且分散能力优良。
    ②  碱性镀液对于管状零件内侧未镀上的部分有一定的保护作用,而酸性镀液则会加速那些未电镀表面的腐蚀。
    ③  成本低,废液易处理。

    3.3钝化处理

          锌镍合金的钝化处理主要有黑色和白色,经过铬酸盐钝化处理的钝化膜,其耐蚀性比镀锌层的钝化膜要高5倍以上。但是在锌镍合金上形成钝化膜要比镀锌层上困难,且随着合金中镍含量的增加变得更加困难,镍含量在10%以内,钝化比较容易,镍含量在13%左右钝化比较困难,镍含量超过16%,很难钝化。

    3.4去氢处理

        锌镍合金镀层与镀锌层相比氢脆性小(表2),但是当锌镍合金用于军品、高强度钢或者弹簧部件,需要做去氢处理。

    4 锌镍合金退镀

          不合格电镀锌镍件为了降低成本二次利用,需要进行退镀。选择合适的退镀液可使材料性能不发生大的变化。一般钢铁件的锌镍合金退镀液[11,18]体积分数为10%的盐酸,工作温度为15~35℃;铝件上的锌镍合金退镀液为500g/L的硝酸,工作温度为室温;抗拉强度大于或等于1050MPa的钢铁镀件及弹性件的退镀液为100~200g/L的亚硝酸钠和200~300g/L的氢氧化钠,工作温度为100~150℃。

    5 展望

           锌镍合金镀层在汽车零部件上的研究与应用越来越广泛,由于其良好的防护性及性价比、优异的耐蚀性及低氢脆性能,已经成为优良的代镉镀层。锌镍合金的广泛应用对于汽车零部件提高防护层质量、节省金属资源、减少污染、降低成本有重要意义,未来发展方向为:

    (1)发展彩色锌镍合金电镀层

          目前市场中锌镍合金镀层外观主要有白色和黑色两种,随着科技的进步,不仅对防护性提出更加苛刻的要求,同时对外观要求也更加苛刻,发展多种颜色的锌镍镀层势在必行。

    (2)酸性锌镍合金体系

          目前国际及国内主要电镀添加剂厂主要采用碱性锌镍合金体系,酸性锌镍合金体系由于镀液不稳定等原因应用还比较少,随着汽车主机厂对铸件及高强度钢的耐蚀性要求的提高,酸性锌镍合金体系将有很大的市场空间。

    (3)黑色锌镍合金耐蚀性有待提高

          由于黑色锌镍合金镀层表面钝化时锌与钝化剂反应而出现黑色外观,目前市场上使用的黑色锌镍合金镀层耐蚀性远低于白色锌镍合金,黑色锌镍合金耐蚀性有待进一步提高。

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