酸性锌-镍合金电镀工艺的特点及应用

孙一博， 谭其康， 林子丰

（安美特（中国）化学有限公司，上海201707）

0 前言

镀锌工艺是一种成本低廉、使用广泛的防腐涂镀层工艺［1］。作为阳极性保护镀层，锌-镍合金具有相同厚度下更好的耐蚀性，可取代镀镉层。与此同时，它还能为使用者提供单一镀层所没有的特性，如硬度、密度、润滑性、耐热性、机械加工性等。但是，目前应用广泛的碱性锌-镍合金电镀工艺存在外观灰暗，无法直接在铸铁件上沉积，电流效率低等问题。而酸性锌-镍合金电镀工艺恰恰解决了这些问题［2］。不仅如此，该工艺还具有与铝零件接触仅产生轻微的接触腐蚀，使用不含氰化物和铵的镀液，废水处理容易且成本低等优点。本文简单地介绍了酸性锌-镍合金电镀工艺的特点，以挖掘该工艺的潜力，推动其广泛应用。

1 试验

1.1 影响因素的选取

我们研究的影响因素如下［3-6］：主盐、温度、pH值、电流密度、阳极面积、搅拌强度。

1.2 主盐的影响

酸性锌-镍合金电镀采用的基础主盐包括氯化锌、氯化镍或硫酸镍、氯化钾及硼酸。氯化钾的作用是提供氯离子，以增强镀液的导电性。硼酸作为缓冲剂，起稳定酸性镀液pH值的作用。实验中控制总氯离子的质量浓度在180g／L左右，保证其导电效果。硼酸的质量浓度控制在25g／L，并及时使用盐酸或氢氧化钾调整镀液的pH值。

做赫尔槽试验，以1A电流施镀10min。控制pH值5.3，温度32℃，研究了锌离子和镍离子的质量浓度对镀层外观及其成分的影响，结果见表1。

表1 锌离子和镍离子对镀层外观及其成分的影响

1.3 温度的影响

控制锌离子19g／L，镍离子27g／L，pH值5.3，研究了温度对镀层外观及其成分的影响，结果见表2。

表2 温度对镀层外观及其成分的影响

1.4 pH值的影响

控制锌离子19g／L，镍离子27g／L，温度33℃，研究了pH值对镀层外观及其成分的影响，结果见表3。

表3 pH值对镀层外观及其成分的影响

1.5 电流密度的影响

结合以上赫尔槽试验，得到不同pH值和温度下电流密度与镀层成分的关系，结果见图1和图2。

图1 不同pH值下电流密度与镀层成分的关系

由图1和图2可知：随着电流密度的升高，镀层中镍的质量分数降低。这个规律同碱性锌-镍合金电镀工艺的是一致的。

图2 不同温度下电流密度与镀层成分的关系

在规模性生产时，需要采用双可溶性阳极设计，即采用锌和镍两种阳极。此时两个阳极的电流密度影响阳极的溶解速率，从而对镀液中主盐的质量浓度和镀层成分产生十分重要的影响。在此，我们建议锌阳极整流器和镍阳极整流器的电流密度比设定在3～6之间，可依据实际情况做相应调整。

1.6 阳极面积比

与双阳极电流分配一样，不同的阳极面积比同样会导致镀层成分不同。因此，我们要根据实际应用需求来控制镍和锌的比例，建议采用镍阳极面积与锌阳极面积的比例为1∶6。

1.7 搅拌

依据承载工件的器具不同，电镀可分为挂镀和滚镀两类。滚镀中，由于滚筒的机械搅拌作用，搅动工件的同时镀液也得到了相应的搅拌。因此，我们不必再额外添加搅拌装置。对于挂镀，为了更好地使镀液分散均匀，沉积更为细致，务必重视搅拌系统。建议采用射流的方式，而射流朝向应指向两端槽壁，利用折射的液流使工件周围溶液的质量浓度保持稳定。

在赫尔槽试验中，如果不采用搅拌，则高电流密度区的烧焦区域明显扩大，在底部会出现镍绿析出的现象。在弱搅拌下，镀层中镍的质量分数会相对提高。

2 性能检测

2.1 电流效率和沉积速率

作为酸性电解液体系，其电流效率比碱性体系的高很多。与酸性镀锌类似，沉积速率约为0.20～0.25μm／min（1A／dm2）；电流效率大于90%［7］。

2.2 金相结构

利用扫描电子显微镜将不同镀层的侧面放大10 000倍，如图3所示。由图3可知：酸性锌-镍合金的金相结构与酸性镀锌的不同，却和碱性锌-镍合金的类似。此外，当镀层中镍的质量分数为12%～15%时，酸性锌-镍合金可以获得稳定的γ相［8］。

图3 不同镀层的SEM图

2.3 耐蚀性

中性盐雾测试结果，如图4所示。通过试验比较碱性锌-镍合金、酸性锌-镍合金、酸性镀锌的腐蚀速率。试验结果表明：酸性锌-镍合金的耐中性盐雾性能较好。

图4 中性盐雾测试结果

2.4 废水处理

传统的碱性锌-镍合金电镀工艺在生产中会产生氰离子。氰离子的存在不仅降低了电流效率，提高操作成本，而且造成废水处理困难。相比之下，酸性锌-镍合金电镀工艺在废水处理上要简便得多。尤其是目前不含铵盐的添加剂体系的研发，进一步解决了废水处理的困难。

3 应用领域

3.1 汽车行业

汽车的刹车闸过去一直采用酸性镀锌工艺。随着耐蚀性要求的日益提高，一些汽车主机厂要求其出现白锈的时间＞196h，出现红锈的时间＞960h。当前有很多电镀加工厂通过双层电镀的方式来应对，即先酸性镀锌，再电镀碱性锌-镍合金。采用酸性锌-镍合金电镀工艺，不仅可以简化流程，直接进行电镀，而且在获得高耐蚀性的同时还提高了镀层的结合力，可谓一举多得。

3.2 石油煤矿行业

煤矿单体液压支柱要求具备良好的润滑性及耐蚀性［9］。目前大多采用碱性锌-镍合金电镀、化学镀镍或涂层工艺。采用酸性锌-镍合金电镀工艺，可以降低加工成本，并达到相应的技术要求。

3.3 航空航天行业

在航空用高强钢的防护体系中，由于对氢脆的敏感性，除了要求有高耐蚀性外，防护必须采用低氢脆工艺。采用酸性锌-镍合金电镀工艺，可制得耐蚀性好、满足低氢脆性能要求的锌-镍镀层［10］。

4 结论

研究了酸性锌-镍合金电镀工艺中的各影响因素，希望可以让读者从中了解酸性锌-镍合金电镀工艺的特点，帮助使用者在操作过程中更快速地发现问题，解决问题。除了本文介绍的应用领域之外，对沉积速率有高要求的，对铸铁件、高碳钢、切削钢电镀存在困扰的，对碱性锌-镍合金亮度存在不满的，都可以考虑酸性锌-镍合金电镀工艺。

［1］安茂忠.电镀锌及锌合金发展现状［J］.电镀与涂饰，2003，22（6）：36-40.

［2］黄巍，黄逢春，丁晓林，等.弱酸性无铵锌镍合金电镀工艺的研究［J］.材料保护，2005，38（9）：25-27.

［3］苌清华，陈峰，陈艳芳.镀液中镍锌含量比对酸性液电镀Zn-Ni合金的影响［J］.热加工工艺，2009，38（12）：99-103.

［4］陈艳芳，苌清华，陈峰，等.温度对酸性液电镀Zn-Ni合金质量的影响［J］.材料热处理技术，2009，38（16）：89-93.

［5］陈艳芳，苌清华，周巧玲.pH值对酸性液电镀Zn-Ni合金质量的影响［J］.科技资讯，2008（29）：54-56.

［6］苌清华，陈峰，陈艳芳，等.阴极电流密度对酸性液电镀Zn-Ni合金质量的影响［J］.南方金属，2009（1）：18-20.

［7］张允诚，胡如南，向荣.电镀手册（第3版）［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［8］许爱忠，胡文彬，沈斌，等.锌镍合金镀层耐蚀机理研究进展［J］.电镀与环保，2000，20（3）：1-5.

［9］王超，吕志，肖洪兵.煤矿液压支柱表面处理工艺创新［J］.煤矿机械，2013，34（2）：122-124.

［10］宇波，汤智慧，张晓云，等.航空高强度低氢脆钢电镀锌-镍合金工艺研究［J］.航空材料学报，2006，26（3）：131-134.