20钢套环滚镀锌工艺及镀层性能

2013-06-14石磊王光明许峰源张琦张明晓石勇

电镀与涂饰 2013年3期

石磊 *，王光明，许峰源，张琦，张明晓，石勇

（1.山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南 250101； 2.济南浩金表面技术有限责任公司，山东济南 250101；3.济南世纪金声科技有限公司，山东济南 250101）

20 钢套环是货运火车车厢上重要的零部件，大量应用在车厢制造中。20 钢套环电镀前经过热处理，表面存在大量氧化层和锈蚀痕迹。采用一般方法对20 钢套环表面进行电镀，耗时长，镀层厚度不均匀，结合力

不好，表面易起皮。针对这些问题，必须寻找一种镀液分散能力和覆盖能力好，所得镀层与基体结合力好的滚镀工艺。

基体20 钢套环的长为2.75 cm，下部外径、内径分别为3.42 cm、1.92 cm，上部外径、内径分别为3.14 cm、1.92 cm。为解决上述问题，在查找电镀工艺缺陷的同时，还对20 钢套环基体进行检测，其外观照片和金相组织见图1。

图1 20 钢套环的外观和金相组织Figure 1 Appearance and metallograph of 20 steel ring

从图1可看出，20 钢套环主要由铁素体和碳化物组成，碳化物呈链条状，边缘部分存在一定的托氏体。大量碳化物的存在使20 钢套环不易上镀[1]。

本文采用一种覆盖能力和分散能力良好的滚镀锌工艺，并配合三价铬钝化工艺，符合环保电镀的要求。

1 工艺介绍

滚镀锌工艺流程为：滚光─水洗─上件─活化─水洗─滚镀锌─水洗─出光─水洗─三价铬钝化─热水洗─热风甩干─浸蜡。

1.1 滚光

20 钢套环放入滚光桶中，加入一定数量的直径约为套环内缘半径的钢球，再加入适量体积分数为50%的盐酸溶液，加入少量缓蚀剂，滚光处理约15 min，表面呈银白色，光泽度较好。

1.2 活化

将滚筒放入盛有体积分数为3%～5%的盐酸溶液的活化槽中，活化2～8 s，水洗后滚镀锌。

1.3 滚镀锌

氯化锌 65～70 g/L

氯化钾 210～220 g/L

硼酸 30～40 g/L

BH-51 柔软剂 20～40 mL/L

BH-51 光亮剂 1～3 mL/L

θ30～40 °C

pH 4.8～5.6

Jk3.0～5.0 A/dm2

装载量 30～40 kg

滚筒转速 7～8 r/min

t25～35 min

BH-51 柔软剂和BH-51 光亮剂由广州二轻工业科学技术研究所生产。该配方取自钾盐镀锌配方的高限，目的是使镀液具有更好的分散能力和导电性，缩短电镀时间。

1.4 出光

将滚筒浸入质量分数为0.5%的稀硝酸出光槽中，保持2～5 s，水洗后钝化。

1.5 三价铬钝化

硝酸铬 20～60 g/L

柠檬酸钠 35～65 g/L

钴盐 24～44 g/L

θ室温

pH 1～3

t8 s

硝酸铬是形成锌铬氧化物钝化膜的主要成分，构成了钝化膜的“骨架”，使膜层呈蓝白色。柠檬酸钠为配位剂，控制成膜速率和钝化液稳定性[2]。钴盐的主要作用是调整钝化膜的外观与耐蚀性。钝化后洗净，于60～70 °C 下热风甩干。

1.6 浸蜡

石蜡加热至60～65 °C，将电镀好的20 钢套环放入涂覆桶，在离心力作用下使套环表面形成一层蜡膜，目的是提高镀层的耐蚀性和减少摩擦力，便于装配。

2 镀锌层性能

2.1 镀层厚度

采用JSM-6380LA 型电子扫描电镜(日本电子公司)测定镀锌层厚度[3]，图2为放大1 000 倍的截面照片。

图2 锌镀层厚度的测定Figure 2 Measurement of Zn coating thickness

从图2看，套环外壁的镀锌层厚度为15～16 μm，套环内壁的镀锌层厚度为5～6 μm，达到GB/T 9799-1997《金属覆盖层钢铁件上的锌电镀层》的要求，且厚度均匀。

2.2 附着力

附着力测试采用GB/T 5270-2005《金属基体上的金属覆盖层电沉积和化学沉积层附着强度试验方法评述》中的剥离试验和划痕试验。剥离试验为：采用25 mm 宽、附着力为8 N 的纤维胶带(3M 公司8934 测试胶带810#)，用2 kg 的辊子贴于试验的镀锌层上，排除所有气泡，间隔10 s 后，在胶带上用一个垂直于镀锌层表面的稳定拉力将胶带拉去，未发现镀层从基体剥落，表明镀锌层与基体的结合力较强。划痕试验为：采用30°锐刃的硬质钢划刀，在试样表面划6 条间距均为2 mm 的平行线，在划平行线时，以足够的压力一次刻线即穿过镀锌层直至基体，未发现有镀锌层从基体脱落，表明镀锌层与基体结合紧密。

2.3 显微硬度

显微硬度测试按GB/T 9790-1988《金属覆盖层及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验》。将镀件置于温度为(23 ± 5) °C 的环境中，在镀锌层断面上施加标准试验力0.245 N，试验力保持时间10～15 s，测得套环外壁镀层的硬度为163.0 HV、154.4 HBW，内壁镀层的硬度为152.8 HBW。

2.4 外观

按GB/T 9799-1997《金属覆盖层钢铁件上的锌电镀层》的要求和GB/T 5926-1986《轻工产品金属镀层和化学处理层的外观质量测试方法》所述方法检测镀层外观。具体为：将镀件放在光线充足或等同60 W日光灯的照明条件下，距离工件30 cm 进行观察，未发现镀层有起泡、孔隙、粗糙、裂纹或局部漏镀现象。