技術(shù)部：李楊斌 

摘  要：本文敘述了無氰堿性和無氰酸性鍍鎘的鍍液配方及工藝參數(shù)，分析了兩種體系鍍液的電流效率、分散能力、深鍍能力以及鍍層的外觀、結(jié)合力、耐蝕性和氫脆等性能。結(jié)果表明，無氰堿性鍍鎘體系的分散能力、深鍍能力、外觀等性能較無氰酸性鍍鎘體系好，更適用于替代氰化鍍鎘工藝技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無氰鍍鎘，堿性，酸性，鍍液鍍層性能

 引言 

電鍍鎘層一般呈銀白色，其鍍層柔軟致密、延展性好，可進(jìn)行彩色鈍化、軍綠色、黑色鈍化處理，主要用于鋼鐵工件的防護(hù)層。在一般大氣和工業(yè)大氣條件下，對(duì)鋼鐵基材屬于陰極保護(hù)鍍層，但在潮濕大氣或海洋氣候條件下，則屬于犧牲性陽極保護(hù)鍍層[1]。鍍層在室溫條件的空氣下不變色，潮濕空氣中會(huì)氧化充當(dāng)保護(hù)膜，可防止繼續(xù)被氧化腐蝕。鍍鎘層焊接性與潤滑性好、氫脆性小、光澤度佳、附著性強(qiáng)、耐蝕性優(yōu)越，在航空、航海等工業(yè)領(lǐng)域被大量使用[2]。

鍍鎘工藝發(fā)展到至今主要有氰化物鍍鎘、酸性及堿性鍍鎘工藝。使用氰化物鍍鎘工藝生產(chǎn)的鍍鎘層性能都較好，但氰化物為劇毒物質(zhì)，在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)易發(fā)生安全事故，故現(xiàn)在大多數(shù)的工業(yè)都使用堿性和酸性鍍鎘工藝取代氰化物鍍鎘工藝用于生產(chǎn)[3]，使用堿性鍍鎘工藝的鍍鎘層性能基本能達(dá)到氰化物鍍鎘的性能要求，但工件的抗氫脆性能未能完全達(dá)到氰化物鍍鎘的工藝要求，因此在一些特殊的領(lǐng)域（如航空，航天）仍需要使用氰化物鍍鎘工藝。

中航工業(yè)于2012年提出用無氰鍍鎘工藝取代現(xiàn)行的氰化電鍍鎘工藝，但因無氰鍍鎘工藝用于高強(qiáng)度鋼會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重氫脆問題一直沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[4]。在2014年4月重慶立道新材料科技有限公司成功開發(fā)了LD-5032高性能堿性鍍鎘工藝，該工藝的工藝穩(wěn)定性、鍍層性能，完全達(dá)到了氰化物鍍鎘工藝的性能，防氫脆性順利通過216h的高強(qiáng)度考核，在近9年的生產(chǎn)應(yīng)用表明，該工藝各方面的性能都十分優(yōu)異，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有良好的表現(xiàn)，為目前國內(nèi)外開發(fā)非常成功的一款無氰鍍鎘工藝。

一、實(shí)驗(yàn)部分

（一）無氰堿性與酸性鍍鎘的鍍液組成及工藝條件對(duì)比

1．無氰堿性鍍鎘工藝

表1 無氰堿性鍍液組成及工藝條件

2．無氰酸性鍍鎘工藝

表2 無氰酸性鍍鎘鍍液組成及工藝條件

（二）無氰堿性與酸性鍍鎘工藝性能對(duì)比

1．鍍液性能對(duì)比

（1）鍍液電流效率

1、測試方法

依據(jù)《JB/T 7704.3 電鍍?nèi)芤涸囼?yàn)方法  陰極電流效率試驗(yàn)》[5]進(jìn)行試驗(yàn)，采用銅庫侖計(jì)測量鍍液電流效率。圖1為試驗(yàn)方法原理示意圖，測量前將庫侖計(jì)的陰極試片B和待測溶液槽中陰極試片A洗凈、烘干，并準(zhǔn)確稱重。按待測溶液的工藝要求通電，電鍍一段時(shí)間后，取出試片A、B，洗凈、烘干，再次稱重。從兩次稱重結(jié)果計(jì)算試片經(jīng)電鍍后的增重。陰極電流效率按下式計(jì)算：

 式中：

ηk —待測陰極電流效率（%）；

a —待測溶液槽中陰極試片A實(shí)際增重（g）；

b —銅庫侖計(jì)陰極試片B實(shí)際增重（g）；

k—待測溶液槽中陰極上析出物質(zhì)的電化當(dāng)量（Cd：2.097g/A?h）。

圖1 庫侖計(jì)測定電鍍電流效率原理圖

（1-直流電源；2-電流表；3、待測鍍液槽；4、銅庫侖計(jì)；5、待測鍍液陰極；6-銅庫侖計(jì)陰極；7、待測鍍液陽極；8、銅庫侖計(jì)陽極）

2、測試記錄及結(jié)果

按工藝配置LD無氰堿性鍍鎘和LD無氰酸性鍍鎘工作液，試驗(yàn)試片采用紫銅片。堿性鍍鎘溫度35℃、酸性鍍鎘常溫、電流密度為1A/dm2、電鍍時(shí)間為30min，鍍前、鍍后測試試片重量，測試結(jié)果如表3所示。

表3 鍍液電流效率測試數(shù)據(jù)一覽表

可以看出，無氰酸性鍍鎘鍍液陰極電流效率高，陰極電流密度為1A/dm²時(shí)陰極電流效率可達(dá)到90%以上；無氰堿性鍍鎘鍍液的陰極電流效率就較低，在60%左右。

（2）鍍液分散能力

1、測試方法

依據(jù)《JB/T 7704.4 電鍍?nèi)芤涸囼?yàn)方法  分散能力試驗(yàn)》^[6]進(jìn)行鍍液分散能力測試。選擇比較適合的Hull槽（梯形槽）樣板法進(jìn)行試驗(yàn)，試片測試位置示意圖2所示。測定Hull槽試片1～8各區(qū)域中間位置的鍍層厚度值δ₁、δ₂……δ₈，δ₁為高區(qū)1cm處，δ₈為低區(qū)1cm處，根據(jù)下式計(jì)算分散能力：

式中：

δ_i為2～8方格中任一選定的鍍層厚度；

δ₁為1號(hào)方格中的鍍層厚度。

圖2 試驗(yàn)試片測試位置示意圖

2、測試記錄及結(jié)果

本試驗(yàn)采用碳鋼板作為試件，進(jìn)行265mL的Hull槽實(shí)驗(yàn)。工作液為無氰堿性鍍鎘鍍液及無氰酸性鍍鎘鍍液，堿性鍍鎘溫度35℃、酸性鍍鎘常溫、電流密度1A/dm2、電鍍時(shí)間10min，記錄Hull槽試片1～8各區(qū)域中間位置的鍍層厚度值，其測試記錄及結(jié)果如下表4所示。

表4 鍍液分散能力測試數(shù)據(jù)（鍍層厚度單位：μm）

可以看出，無氰堿性鍍鎘鍍液的分散能力比酸性分散能力高，可達(dá)到40%以上，而無氰酸性鍍鎘鍍液的分散能力弱，只有10%左右。

（3）鍍液的深鍍能力（覆蓋能力）

1、測試方法

依據(jù)《JB/T 7704.2 電鍍?nèi)芤涸囼?yàn)方法  覆蓋能力試驗(yàn)》^[7]，選用內(nèi)孔法進(jìn)行鍍液的深鍍能力測試，采用圖3所示方法測定深鍍能力。

1-電源；2-電流表；3-鍍槽；4-陰極；5-陽極

圖3 鍍液深鍍能力測試原理

2、測試記錄及結(jié)果

測試鍍液為無氰堿性鍍鎘液及無氰酸性鍍鎘鍍液，堿性鍍鎘溫度35℃、酸性鍍鎘常溫、電流密度1.0A/dm²、電鍍時(shí)間30min。電鍍后將試樣作適當(dāng)?shù)奶幚砗笏春娓?，將試樣沿縱向打開，觀察內(nèi)孔鍍上的鍍層的長度，即可評(píng)定深度能力。通常用鍍?nèi)肷疃群蛢?nèi)孔徑之比來表示，其數(shù)值越大則該溶液的深鍍能力越好。

                     無氰堿性鍍鎘                                   無氰酸性鍍鎘

圖4 鍍液深鍍能力測試結(jié)果

如圖4所示，無氰堿性鍍鎘試樣鍍后內(nèi)表面完全鍍滿鎘層，且鈍化后上色均勻呈彩色，其深鍍能力可達(dá)到100%；酸性體系的試樣鍍后試件上色慢且不均勻，鍍層粗糙；相比而言，無氰堿性鍍鎘工藝的深鍍能力更好。

2．鍍層性能對(duì)比

（1）鍍層外觀

采用100×50×1mm碳鋼板作為試件，在無氰堿性鍍鎘及無氰酸性鍍鎘工藝鍍液中分別進(jìn)行電鍍，電鍍參數(shù)為：電流密度為1A/dm²、堿性鍍鎘溫度35℃、酸性鍍鎘常溫，電鍍時(shí)間40min。電鍍后進(jìn)行吹干，彩色鈍化處理。

                  無氰堿性鍍鎘試件                             無氰酸性鍍鎘試件

圖5鍍鎘工藝獲得鍍鎘層彩色鈍化外觀

測試結(jié)果如圖5所示，無氰堿性鍍鎘試件外觀結(jié)晶細(xì)致、呈均勻的米灰色，出光后為光亮的銀白色，經(jīng)鈍化后是鮮艷的彩虹色；相較堿性而言，無氰酸性鍍鎘工藝試件的外觀亮度稍差，經(jīng)出光鈍化后外觀相當(dāng)。

（2）鍍層結(jié)合力

1、測試方法

彎曲法：采用100×50×1mm碳鋼板作為試件，在無氰堿性鍍鎘及無氰酸性鍍鎘工藝鍍液中分別進(jìn)行電鍍，電鍍參數(shù)為：電流密度為1A/dm²、堿性鍍鎘溫度35℃、酸性鍍鎘常溫。無氰堿性鍍鎘鍍液所得鍍層厚度為11.27μm；無氰酸性鍍鎘鍍液所得鍍層厚度為10.73μm，將鍍好試板180°反復(fù)彎曲，觀察彎折處是否有脫皮現(xiàn)象，鍍層與基體是否分離。

熱震法：實(shí)驗(yàn)步驟及工藝參數(shù)同彎曲法，將鍍好的試板放入200℃的恒溫烘箱中恒溫2h，取出立即浸入0℃的冰水中驟冷，觀察鍍層是否有起泡、起層、剝離等現(xiàn)象出現(xiàn)。

2、測試結(jié)果

彎曲法：無氰堿性和酸性鍍鎘試板經(jīng)180°反復(fù)彎曲后，彎折處鍍層均未出現(xiàn)脫皮掉落現(xiàn)象，兩種工藝的鍍層結(jié)合力都相當(dāng)。

熱震法：無氰堿性和酸性鍍鎘試件均未出現(xiàn)起泡、起層、剝離等現(xiàn)象，表明兩種工藝的鍍層結(jié)合力相當(dāng)。

（3）鍍層耐蝕性能

1、測試方法

采用100×50×1mm碳鋼板作為試件，在無氰堿性鍍鎘及無氰酸性鍍鎘鍍液中分別進(jìn)行電鍍，電鍍參數(shù)為：電流密度為1A/dm²、堿性鍍鎘溫度35℃、酸性鍍鎘常溫，堿性鍍鎘電鍍時(shí)間60min、酸性鍍鎘電鍍時(shí)間40min。無氰堿性鍍鎘所得鍍層厚度為分別為11.98μm、11.25μm、11.49μm；酸性鍍鎘所得鍍層厚度為分別為11.88μm、11.12μm、11.98μm，鍍后經(jīng)彩色鈍化后進(jìn)行NSS中性鹽霧測試其耐蝕性能，觀察72 h鹽霧試驗(yàn)之后鍍層表面是否出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物，360h鹽霧試驗(yàn)之后鍍層表面是否出現(xiàn)紅色腐蝕產(chǎn)物^[8]。

2、測試記錄及結(jié)果

測試記錄及結(jié)果如下表5所示

由表5可以看出，無氰堿性鍍鎘鍍鎘試件顏色均勻且細(xì)致，經(jīng)過96 h鹽霧試驗(yàn)之后除鈍化膜顏色略微變淺之外，外觀無明顯變化，未出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物。在經(jīng)過 360 h之后，鈍化膜顏色進(jìn)一步變淡，試樣表面變得粗糙，部分區(qū)域有輕微白銹出現(xiàn)但未出現(xiàn)紅色腐蝕產(chǎn)物，耐鹽霧性能合格；無氰酸性鍍鎘鍍鎘試件外觀粗糙，鹽霧試驗(yàn)之后試樣表面變得更為粗糙，部分區(qū)域有輕微白銹出現(xiàn)但未出現(xiàn)紅色腐蝕產(chǎn)物，耐鹽霧性能合格。

（4）氫脆敏感性

1、測試方法

按照HB 5067.1–2005《鍍覆工藝氫脆試驗(yàn)第1部分：機(jī)械方法》^[9]進(jìn)行氫脆性測試。采用材質(zhì)為30CrMnSiA的試棒進(jìn)行無氰堿性與酸性鍍鎘電鍍，電流密度1A/dm²，堿性鍍鎘溫度35℃、電鍍時(shí)間為60min，酸性鍍鎘溫度為常溫，電鍍時(shí)間為40min。堿性鍍鎘層厚度分別為12.85μm、12.59μm、12.64μm、12.58μm、12.39μm、12.49μm；酸性鍍鎘層厚度分別為12.25μm、12.39μm、12.14μm、12.18μm、12.19μm、12.29μm，在 200℃下除氫處理 24 h后進(jìn)行200h的氫脆拉伸測試。

2、測試記錄及結(jié)果

                              無氰堿性鍍鎘                                 無氰酸性鍍鎘

圖6 30CrMnSiA試棒鍍層

采用上述方法對(duì)材質(zhì)為30CrMnSiA的試棒進(jìn)行了無氰堿性和酸性鍍鎘工藝的鍍層抗氫脆性能檢測，將除氫后的兩種工藝試件進(jìn)行了200h的氫脆拉伸，試件都保持了200h不斷裂，說明兩種工藝的抗氫脆性能都合格并且相當(dāng)。

二、結(jié)論

(一)鍍液、鍍層性能對(duì)比表

表6 無氰堿性鍍鎘工藝與無氰酸性鍍鎘工藝鍍液、鍍層性能對(duì)比

（二）鍍鎘工藝對(duì)比總結(jié)

（1）無氰堿性鍍鎘工藝鍍層外觀結(jié)晶細(xì)致、均勻，出光后為光亮的銀白色，經(jīng)鈍化后鮮艷的彩虹色；陰極電流效率大于60%；分散能力大于40%（遠(yuǎn)好于酸性鍍鎘工藝）；深鍍能力極佳。

（2）無氰酸性鍍鎘工藝鍍層外觀結(jié)晶稍粗糙、亮度差；陰極電流效率高但分散能力較差且深鍍能力不如堿性鍍鎘工藝。

綜合以上性能可見，無氰堿性鍍鎘工藝更適用于取締氰化鍍鎘工藝。

 參考文獻(xiàn)

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[5]  JB/T 7704.3,電鍍?nèi)芤涸囼?yàn)方法:陰極電流效率試驗(yàn).

[6]  JB/T 7704.4,電鍍?nèi)芤涸囼?yàn)方法:分散能力試驗(yàn).

[7]  JB/T 7704.2,電鍍?nèi)芤涸囼?yàn)方法:覆蓋能力試驗(yàn).

[8]  陳心欣,付益平,劉秀珍等.電鍍鋅工藝鹽霧試驗(yàn)研究[J].環(huán)境技術(shù),2021(S1):33-36.

[9]  HB 5067.1–2005,鍍覆工藝氫脆試驗(yàn) 第1部分:機(jī)械方法.