鋁及其合金因具有良好的導電導熱性、高延展性、低密度、高強度、易成型等優點,而廣泛應用于交通、航空航天、電子、建筑、裝潢、紡織等行業。但其表面硬度低、耐磨性差、易腐蝕等缺點也影響其應用范圍和壽命。對鋁及其合金進行表面改性可以改善這些缺點,其最有效的方法之一就是鍍硬鉻[12]。
筆者所從事的紡織行業中有許多鋁合金零件需要表面鍍硬鉻,改善其耐磨和耐蝕性。鑒于我公司對此類零件國產化的迫切要求,我方與南京航空航天大學在鋁合金鍍硬鉻方面展開了相關合作。鍍鉻層的維氏硬度達1000,較合金基體提高了近10倍;同時硬鉻層的耐磨和耐蝕性能均達到設計要求。
1.原理
鋁是一種化學活性很高的活潑金屬,它的電極電勢很低(Φ=-1.67V),具有很強的親氧性。同時又是一種兩性金屬,在空氣中極易發生鈍化,給鋁合金電鍍帶來了困難。鑄造鋁合金因有砂眼、起泡等缺陷,在電鍍中容易滯留殘液和氣體,會引起氫脆和鍍層脫落等現象。
鋁及其合金電鍍的關鍵是鍍層與基體金屬的結合力問題;而影響結合力的關鍵是預鍍是否合理。目前常用的工藝有兩次浸鋅法[35]、化學鍍鎳磷[67]、浸鋅后鍍鎳[3]、浸鋅后鍍鋅[8]、磷酸陽極氧化法[4]和鹽酸浸蝕法[9]等。這些工藝的過程大致相近,都是先去除表面的氧化膜,再通過不同方法獲得穩定的中間層,最后進行電鍍。穩定的中間層可以防止自然氧化膜的再生,在鍍前保護好裸鋁表面;同時形成具有超微觀、均勻的凹凸結構以及較大的孔體積和較小的電阻;保證在電鍍時沉積金屬快,晶核形成多,附著好;而且可以避免高硬度的鉻層與較軟的鋁基體直接接觸而可能引起開裂和凹陷。
2.鋁及鋁合金電鍍硬鉻
2.1工藝流程
噴砂處理→堿蝕→水洗→酸蝕→水洗→預鍍→水洗→鍍鉻→水洗→吹干→除氫
2.2主要工序說明
2.2.1噴砂處理
一些鍍件表面可預先采用噴砂處理,這不僅可以使零件表面獲得均勻的粗糙面,而且可以增加鋁合金表面的顯微硬度,增加電鍍的表面積,提高鍍層結合力。噴砂處理可采用干噴或水噴,使用不同目數的玻璃砂,調整噴砂的參數可以獲得不同粗糙度的均勻表面。噴砂后要及時去除表面殘留的玻璃砂,以免對后道工序產生影響。
2.2.2堿蝕除油
堿蝕液配方及工藝條件:
氫氧化鈉50～100g/L,磷酸三鈉30～45g/L,碳酸鈉20～30g/L,60～80℃,0.5～1.0min。
此過程可反復操作,但時間要短以防過腐蝕,除油后要用熱水和冷水清洗。有時也可用有機溶劑除油。
2.2.3酸蝕出光
酸蝕液配方及工藝條件:
φ(硝酸)=75%,φ(氫氟酸)=25%,室溫,3～5s。其中硝酸和氫氟酸的體積分數可根據鍍件中硅的含量作適當調整。經過酸蝕可除去經堿蝕后殘留在工件表面的銅、鎂、硅、鋅、錳及其化合物殘渣,裸露出金屬結晶的組織,得到均勻、潔凈、光亮或灰白色表面,鍍件表面被活化。
2.2.4預鍍
(1)兩次浸鋅法
一次浸鋅液成分及工藝條件:
氧化鋅100g/L,氫氧化鈉500g/L,酒石酸鉀鈉50g/L,三氯化鐵1g/L,室溫,30～60s。
退鋅液成分及工藝條件:
硝酸200mL/L,室溫,3～5s。
二次浸鋅液成分及工藝條件:
氧化鋅20g/L,氫氧化鈉120g/L,酒石酸鉀鈉50g/L,三氯化鐵2g/L,室溫,20～40s。
浸鋅工序關系到鍍層的結合力和質量。浸鋅應得到薄而細致且附著力好的鋅層,表面均勻,并具有微光澤。有時在浸鋅前鋁件表面浸重金屬處理,使得電位正移,提高鍍層的結合力。
(2)浸鋅后鍍鋅
鍍鋅液配方及工藝條件:
氯化鋅60～70g/L,氯化鉀180～220g/L,偏硼酸25～35g/L,ZL21光亮劑14～18mL/L,pH值5～6,室溫,1～4A/dm2。
一次或二次浸鋅后可對鍍件進行鍍鋅。鍍鋅時,若工件較復雜,可以在前1～2min內用沖擊電流(正常電流的2倍)閃鍍,使深凹處沉積鍍層,提高深鍍能力。浸鋅后鍍鋅可獲得更為致密且附著力更好的鋅層。它不僅可以提高鍍層的結合力,而且可以提高成品率,尤其對于形狀復雜、要求更高的零件。
(3)浸鋅后鍍鎳
化學鍍鎳液配方及工藝條件:
硫酸鎳35g/L,硼酸15g/L,次磷酸鈉15～20g/L,醋酸鈉15g/L,檸檬酸鈉10g/L,pH值4.8～5.5,80～90℃,15～20min。
鍍鎳液配方及工藝條件:
硫酸鎳200～250g/L,檸檬酸鈉200～250g/L,硼酸30g/L,氯化銨5g/L,pH值6.6～6.8,55～65℃,0.5～1.0A/dm2。
鍍鎳時須帶電入槽,先用沖擊電流電鍍,然后轉入正常電流電鍍?；瘜W鍍鎳控制復雜,成本高,鍍層表面易出現粗糙等缺點;而采用電鍍鎳工藝的鉻鍍層質量高,成品率高,成本低。浸鋅后鍍鎳可獲得致密且附著力更好的鎳鍍層,可以提高鍍層的結合力和成品率,成本相對較高。
(4)化學鍍鎳
磷堿性化學鍍鎳磷液配方及工藝條件:
硫酸鎳20～30g/L,次磷酸鈉20～30g/L,配位劑(檸檬酸鈉及三乙醇胺)50～80g/L,氨水22～25mg/L,pH值9.5～10.5,25～35℃,3～5min。
堿性化學鍍工作溫度低,可有效抑制鋅膜溶解,從而獲得薄而細致、均勻的鎳磷合金層,以保護鋅膜。
酸性化學鍍鎳磷液配方及工藝條件:
硫酸鎳25～30g/L,次磷酸鈉25～30g/L,2羥基丙酸27～30mL/L,pH值4.2～4.8,88～92℃,裝載量0.5～1.0dm2/L,沉積速率20μm/h。
鎳磷合金層達到15～20μm時,可保證底層均勻無孔隙,避免在鍍鉻時出現合金層剝落。當合金層達到25μm時,結合力優良。
(5)磷酸陽極氧化
磷酸陽極氧化液配方及工藝條件:
磷酸250～350g/L,20～20℃,3～15min,1～2A/dm2。
鋁及其合金磷酸陽極氧化生成一定厚度和特殊結構的多孔氧化膜。該氧化膜具有超微觀、均勻的凹凸結構,最大的孔體積和最小的電阻。在該氧化膜層上進行電鍍,晶核形成多,沉積層可以很快地覆蓋表面,并牢固地附著在膜孔里,從而獲得平滑均勻、結晶細致、附著力良好的合格鍍層。
(6)鹽酸浸蝕
鹽酸浸蝕液成分及工藝條件:
鹽酸120～160g/L,緩蝕劑7～15g/L,室溫,2～6min。
鹽酸的質量濃度不僅影響鍍層的外觀,而且還能影響鍍層與基體的結合力。同時要控制好浸蝕時間,以防過腐蝕。鹽酸浸蝕是一種更為簡單、方便的方法。
2.2.5鍍鉻及除氫
(1)鍍鉻
鍍鉻液配方及工藝條件:
鉻酐130～150g/L,硫酸0.5～0.8g/L,稀土添加劑1.5～2.0g/L,三價鉻1～2g/L,50～55℃,40～45A/dm2,沉積速率40μm/h。
鍍鉻配方因采用不同的預鍍工藝,需作適當的調整。并且因添加劑的不同,鍍層的外觀也會有較大的差異。
(2)除氫為了消除鍍層與基體之間所形成的內應力,提高鍍層與基體之間的結合力,鍍后要進行除氫處理。烘烤溫度160℃,烘烤時間1h。
3.鍍層性能測試
鍍鉻層除了具有良好的抗蝕性能和平整光亮的外觀外,更重要的是結合力、硬度和耐磨等性能。
鍍鉻層結合力的測試有加熱、彎曲和沖擊實驗法[10]。測試后,鍍層均無起皮和剝落等現象,表明結合力良好。
硬度測試要根據零件大小、基體材料、鍍層厚度、壓痕直徑、負荷大小等采用不同的硬度計。在測定鍍層硬度時,常使用維氏微型硬度計,可根據厚度,加5g～200g的載荷,使壓痕深度達到鍍層厚度的1/7～1/10。加厚鍍鉻層大于100μm時可采用洛氏硬度計測試。
耐磨性測定通常采用厚度減少法、質量損失法、體積磨損法、研磨介質消耗法、切割厚度時間法、放射性同位素法等。試驗表明:鍍鉻層的維氏硬度為7355ＭPa～7845ＭPa時具有較大的耐磨性。鍍鉻層厚度與耐磨性也有一定的關系,同時對使用壽命也有影響。
4.討論
(1)六種常用的鋁及其合金電鍍硬鉻的預鍍工藝有相近的預處理和后續的電鍍硬鉻規范。
(2)不同的預鍍工藝均可形成具有超微觀、均勻的凹凸結構,以及較大的孔體積和較小電阻的中間層,能防止自然氧化膜的再生;避免高硬度的鉻層與較軟的鋁基體直接接觸而可能引起的開裂、凹陷。通過幾種電鍍工藝所獲得的一定厚度的鍍層,均具有良好的結合力、顯微硬度、耐磨性及抗沖擊性能。
(3)兩次浸鋅工藝穩定,但工藝復雜,操作條件苛刻。由于浸鋅是在強堿溶液中進行,需要大量水沖洗。陽極氧化工藝相對簡單,但需嚴格控制操作溫度、電壓等,且電解液溫度容易上升,影響前處理效果,最終影響鍍層質量。浸鋅后鍍鋅和鍍鎳工藝穩定,成品率高,特別適用于結構復雜、要求更高的零件?；瘜W鍍鎳磷要控制好鎳磷合金層的厚度才能保證良好的結合力。鹽酸浸蝕是一種簡單、方便的方法。
(4)在實施過程中,可根據自身的條件、環境要求和工件要求,選擇合適的電鍍工藝。
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