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(yōu)點,而廣泛應用于交通、航空航天、電子、建筑、裝潢、紡織等行業(yè)。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[1 2]。
筆者所從事的紡織行業(yè)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)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[3 5]、
化學鍍鎳 磷[6 7]、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(wěn)定的中間層,最后進行電鍍。穩(wěn)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(shù)的
玻璃砂,調(diào)整噴砂的參數(shù)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(chǎn)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(shù)可根據(jù)鍍件中硅的含量作適當調(diào)整。經(jīng)過酸蝕可除去經(jīng)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(nèi)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。化學鍍鎳控制復雜,成本高,鍍層表面易出現(xiàn)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(xiàn)合金層
剝落。當合金層達到25μｍ時,結合力優(yōu)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?shù)恼{(diào)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(nèi)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(xiàn)象,表明結合力良好。
硬度測試要根據(jù)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(jù)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(xù)的電鍍硬鉻規(guī)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(wěn)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(wěn)定,成品率高,特別適用于結構復雜、要求更高的零件。化學鍍鎳 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(jù)自身的條件、環(huán)境要求和工件要求,選擇合適的電鍍工藝。
參考文獻:
[1] 胡如南,陳松祺.實用鍍鉻技術[Ｍ].北京:國防工業(yè)出版社,2005:297 303.
[2] 許振明,徐孝勉.鋁和鎂的
表面處理[Ｍ].上海:上海科學技術文獻出版社,2005:240 359.
[3] 楊力民,金武軍.鋁合金鍍鉻特殊預處理工藝的選擇[Ｊ].電鍍與精飾,1999,21(4):20 21.
[4] 任麗彬,張衛(wèi)國,姚素薇.鋁合金上鍍硬鉻的表觀及
斷面剖析[Ｊ].電鍍與精飾,1999,21(2):36.
[5] 奚 兵.鋁合金鍍硬鉻實踐[Ｊ].電鍍與涂飾,2006,25(1):49 50.
[6] 董朝陽.鋁及其合金鍍硬鉻工藝[Ｊ].電鍍與精飾,2004,26(2):24 25.
[7] 王海林,何慶琳,郭慶春,等.鋁基化學鍍鎳磷套鍍硬鉻工藝[Ｊ].材料保護,1999,32(3):7 8.
[8] 石 磊,石 勇,董新民.鋁及鋁合金電鍍[Ｊ],表面技術,2007,36(4):87 88.
[9] 姚素薇,任麗彬,張衛(wèi)國,等.鋁合金上直接鍍硬鉻[Ｊ].電鍍與環(huán)保,1999,19(1):16 19.
[10] 柳玉波.表面處理工藝大全[Ｍ].北京:中國計量出版社,1996:57 58.
