浅谈电镀锌―镍合金代替氰化镀镉工艺的可行性

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摘 要：电镀锌-镍合金工艺作为表面处理工程中新型的绿色环保工艺，镀层具有高耐蚀性、低氢脆性、可焊接性等优异性能，相对传统的氰化镀镉工艺更环保。文章通过对酸性电镀锌-镍合金与氰化镀镉两种工艺进行对比，并对电镀锌-镍合金层与镀镉层的耐蚀性、耐热性、氢脆性等性能进行对比，研究电镀锌-镍合金工艺代替氰化镀镉工艺的可行性。

关键词：电镀锌-镍合金；氰化镀镉；氢脆性；镉脆

引言

目前航空工业中钢制零件的防护一般采用的是氰化镀镉工艺，虽然有较好的防护性能，但存在氢脆性风险，与钛合金接触会产生接触腐蚀，同时镉的高致癌性和氰化物的高毒性对环境和人体造成极大危害，因此近几十年来，国内外为寻找适合的代镉镀层进行了广泛的探索和研究，开发了高耐蚀性能的锌基合金镀层，如：锌-镍、锌-铁、锌-钴等电镀合金工艺，其中锌-镍合金因具有优良的耐腐蚀性及低氢脆性而获得电镀界的广泛重视[1]。

锌-镍合金镀层是在无氰镀锌基础上发展起来的，是含有20%以下镍含量的合金镀层，电镀锌-镍合金工艺自20世纪初提出以来，经几十年的发展，已经出现了酸性、碱性多种电镀体系，镀层性能也有很大的提高，除接触电阻大于镉层外，锌-镍合金的耐蚀性更好，氢脆较低，不容易导致零件发生氢脆断裂，在其它性能方面，如：焊接性、延展性、附着力等与氰化镀镉相近甚至更好。广泛用在航空、航天及家电等行业中钢件的防腐保护层[2]，在空客A350、波音B747-8中已经可以代替氰化镀镉工艺。

1 电镀溶液对比

电镀锌-镍合金与电镀镉溶液的对比，发现电镀镉溶液中含有毒性极强的氰化钠及重金属镉，通过食物链进入人体，会引发人体呼吸困难、抽搐、晕厥、恶心、腹泻等现象发生，甚至导致死亡，危害人类健康；国际上正在逐步限制和禁止镉的使用。电镀锌-镍合金溶液相对无毒、环保，不但对环境的污染较小，而且废水、废气、废渣处理较为简单，成本较低，成为代替镀镉最理想的工艺。

2 镀层性能对比

2.1 物理性能对比

锌-镍合金镀层和镀镉层的性能相近，有较好的焊接性、延展性和耐蚀性，在大气及海洋环境下抗腐蚀能力较强；电镀锌-镍合金层的硬度可达HV220～270，远高于镀镉层（HV90～130），具有良好的耐磨性，在零件装配时不容易划伤。除此之外，锌-镍合金镀层熔点为750℃～800℃，远高于镀镉层的熔点：320.9℃，耐热性好，经190℃～200℃除氢烘烤后耐蚀性仍然优良，适合于发动机上使用。由于镉的熔点较低，高温下容易引起镀层熔融，在一定温度和应力的同时作用下，零件表面熔融态的镉沿着晶界扩散到零件内部，引起零件基体材料脆化而导致脆性断裂-镉脆[3]；这种脆化效应能在镀镉的零件上发生，也能在与镉镀层相接触的零件上发生，镉镀层通常允许的最高使用温度为230℃，对于强度较高的承力件和长寿命件，其允许使用温度应降低至200℃～210℃，使用超过230℃时，就禁止使用镀镉工艺。

2.2 镀层耐蚀性对比

2.2.1 在海洋性大气、海水及氯化物介质中，锌-镍镀层与镉镀层相同，都属于阳极保护性镀层，这种镀层在机械损伤的情况下，损伤处周围的镀层仍能有效地保护钢铁基体免遭腐蚀。

2.2.2 中性盐雾试验。

（1）试验的制备。采用8块试样规格为：150mm×100mm×1mm，材质为：4130-退火的板材，按每组4块试料分别在氰化镀镉槽和电镀锌-镍槽中进行单块分次电镀，8块试样的镀层厚度均为12～15μm，并且都在钝化溶液中进行钝化处理。

（2）中性盐雾试验。将符合（1）的两组试片放置在室温环境下老化24h，然后按照ASTM B117的要求，悬挂于温度为35℃±2℃的盐雾箱中，配合12Psi的空气压缩泵，在浓度为5%±1%的氯化钠溶液，pH范围为6.5～7.2中进行盐雾试验；分组记录试验数据，并按照数据绘制试样与试验锈蚀的时间（h）之间的曲线图，如图1所示。

从图1可以看出，镀层厚度为12～15μm的锌-镍合金镀层与镉镀层对比，锌-镍合金镀层出现白锈的时间是镉镀层出现白锈时间的4倍，锌-镍合金镀层出现红锈时间是镉镀层出现红锈时间的3倍；而且试验过程中发现，锌-镍合金镀层在出现红锈后，红锈的扩展速度较镉镀层要慢。

2.3 镀层氢脆性对比

由于锌-镍合金镀层具有柱状结构的特征，有利于氢的扩散，使在钢零件上电镀锌-镍合金后经除氢烘烤后，进入到基体金属的氢原子可以顺利的通过扩散向外逃逸，所以电镀锌-镍合金的氢脆危险性较镀镉的要小。

3 结束语

（1）文章通过对电镀锌-镍合金与电镀镉两种工艺的工艺流程、槽液成分、工艺参数进行对比，发现电镀锌-镍合金与电镀镉两种工艺的前处理及后续辅助处理几乎相当，但电镀锌-镍合金槽液比电镀镉的槽液维护较为简单、污染要小、毒性较低，较为环保；电镀锌-镍合金的电流密度较电镀镉的电流密度要低，更省电，成本较低。

（2）文章通过对电镀锌-镍合金镀层与电镀镉层两种镀层的硬度、耐热性、耐蚀性、氢脆性等进行对比，发现电镀锌-镍合金镀层比电镀镉层硬度要好、耐热性更强、耐蚀性更优、氢脆性更低。

（3）文章通过对电镀锌-镍合金与电镀镉生产工艺及镀层性能对比，电镀锌-镍合金无论从镀层性能、环保角度、经济效益还是产品质量等方面都优于电镀镉，使用电镀锌-镍合金工艺代替电镀镉工艺是完全可行的。

参考文献

[1]屠振密.电镀合金原理与工艺[M].北京：国防工业出版社，1993：212-218.

[2]俞钢辉，冯力群.钢丝连续电沉积锌镍合金及其耐蚀性[J].上海钢研，1998（2）：14-17.

[3]李金桂.腐蚀控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2006：462-464.

作者简介：郝江华（1984-），男，商洛市人，中航飞机西安飞机分公司热表处理厂工艺员，工程师，专业：表面处理。