001-碱性锌镍合金镀层研究与应用
1999年第2期(总第35期) 煤 矿 开 采1999年6月
碱性锌镍合金镀层研究与应用
煤炭科学研究总院北京开采研究所 吕东林
摘 要 研究了碱性锌镍合金电镀工艺, 探索了温度及电流密度对锌镍合金电沉积的影响规律, 获得了银白色及均匀镀层, 镀层组织细密。在很宽的电流范围内镍含量保持稳定, 在井下试验中取得了良好的效果。
关键词 单体液压支柱 碱性锌镍合金电镀 耐蚀性
时才易于钝化。2 实验方法
2 1 锌镍合金镀液及工艺条件
ZnO, g/l NaOH, g/l NiSO 4 6H 2O, g/l 络合剂添加剂T , D k , A/dm 2
选用A 3钢。2 2 霍尔槽试验
(1) 在很宽的电流范围内成份均匀, 分散能力优良, 这一点对合金镀层特别重要;
(2) 碱性镀液对于管状零件内壁未镀上的部分有一定的保护作用, 而酸性体系由于主要采用氯化物体系等具有腐蚀性的镀液, 会加速未电镀表面的腐蚀;
(3) 成本低, 废液易处理等。
在单体支柱上应用碱性锌镍合金, 为进一步提高其防腐性能, 还要采用碱性锌镍合金加钝化工艺。而含镍量在14%以上的锌镍镀层难于钝化, 只有含镍量在10%左右采用267ml 霍尔槽, 观察镀层的外观质量, 确定电流密度范围, 计算电镀液的分散能力。试验时, 槽电流为2A 。2 3 镀层成份分析
镀层成份分析采用721分光光度计。将有镀层的试样浸泡在浓硝酸中, 使镀层溶解, 而基体铁在浓硝酸中生成钝化膜, 不发生溶解。3 实验室试验
经过大量的霍尔槽试验及镀层成份分
10~1580~1508~12适量适量10~401~5
1 概述
在恶劣的腐蚀环境下, 锌镍合金是一种优良的防护性镀层。含镍10%~15%的Zn -Ni 合金镀层的耐腐蚀性最高, 是同等厚度锌镀层的3~5倍(此时镀层为y 相) , 与镀镉层相当, 甚至在某些方面优于镀镉层。由于锌镍合金具有高耐蚀性、可焊接性、可机加工性等优良性能, 其硬度高于镀锌, 因此围绕着它开发了酸性锌镍合金体系及碱性锌镍合金体系。酸性锌镍合全体系开发较早, 工艺也较成熟; 碱性锌镍电镀是近年来开发出来的, 与酸性体系相比它具有如下特点:
试验中阳极材料选用1Cr18Ni9Ti, 阴极
1999年第2期(总第35期) 煤 矿 开 采1999年6月
析、镀层脆性测试、镀层外观观察, 筛选出最佳的碱性锌镍电镀工艺。3 1 主盐比例的影响
锌镍镀层是一种合金镀层, 由于锌和镍的电极电位相差较大, 两者在溶液中无法发生共沉积, 形成不了合金镀层, 只有选择适当的络合剂, 使两者分别以络合物的形式存在, 同时应使其电极电位相近, 才能发生共沉积, 形成合金镀层。
锌镍镀层中锌的络合剂为氢氧化钠, 锌来源于氧化锌, 将其溶解在氢氧化钠溶液中, 发生如下反应:
ZnO+2NaOH=Na 2ZnO 2+H 2O 锌酸盐发生电离
Na 2ZnO 2=2Na ++ZnO 22-再水化为络合物离子ZnO 2
2-
从表1中可以看出镀液中镍锌比达到0 16后镀层含镍量就可达到12%, 镀液中镍含量不宜过高, 这一方面节约镍盐, 另一方面防止镀层镍含量过高(15%左右) 难于进行彩色钝化, 并有可能在镀层中出现双相结构, 降低防腐性能。
3 2 不同电流密度对镀层含镍量的影响
表2 电流密度对镀层含镍量的影响
电流密度/A dm -2
0 5
12345
镀层含镍量/%
15 0512 3512 1512 21512 5513 01
从表2中可以看出, 碱性锌镍镀液在很大的电流密度范围内, 镀层的含镍量都基本保持稳定。
2-
+2H 2O=[Zn (OH)4]3 3 温度对镀层含镍量的影响
表3 温度对镀层含镍量的影响
镀液温度/
10203040
镀层含镍量/%
11 0412 2512 9512 65
生成的络合物离子非常稳定, 因此在溶液中游离的锌离子很少, 都是以络合物的形式存在的, 同时氢氧化钠是过量的, 一方面它是锌离子的络合剂, 另一方面又是溶液的导电盐, 起到降低溶液电阻, 提高镀液分散能力的作用。
镍来源于硫酸镍与络合剂反应生成的络合物。我们选择的络合剂是两种络合剂的混和物, 与镍离子的络合能力较强, 可阻止镍离子与氢氧化钠反应生成沉淀, 无法获得合金镀层。同时, 在镀液中锌镍浓度达到一定的比例后, 才能获得较好的镀层。
表1 不同镀液对镀层外观与含镍量的影响
[Ni2+]/[Ni2++Zn 2+]
0 090 160 22
0 270 320 47
镀层外观光亮半光亮光亮光亮灰暗半光亮
镀层中镍含量/%
8 1712 2912 5513 515 230 33
从表3中可知, 镀层成份随温度变化很小, 使电镀可在室温下操作, 这与酸性锌镍镀层有很大不同。
通过上述试验, 确定了电镀工艺参数, 为了进一步提高镀层耐腐蚀性能, 针对锌镍镀层还开发了铬酐高锰酸钾体系的彩色钝化液, 对镀层进行彩色钝化。但对含镍量在13%以上的镀层则钝化不上。
为了检验锌镍镀层耐蚀性, 从支柱活柱上截取了3块试样, 镀厚0 02mm 左右并进行彩色钝化后, 经醋酸盐雾加速腐蚀试验, 20d 未出红锈, 只是钝化层有轻微的斑点, 而同样厚度的镀锌层一般仅保持5d 不锈。
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4 工业电镀
配制2个工业电镀槽, 各为5000L 。将氧化锌与氢氧化钠溶解, 镍盐与络合剂溶解, 分别倒入槽中, 阳极采用锌板与镍板混挂。每槽可镀10根活柱, 电镀时间为30min 左右, 镀层厚度在0 02mm 左右, 镀后清洗并进行彩色钝化。
在工业电镀中, 由于该工艺范围较宽, 工人易于掌握, 镀层质量易保证, 生产效率较高, 同时不用加辅助阳极就可使 80孔直接镀上, 并能钝化, 使这个密封面的防腐能力得到提高。5 井下试验
昌乐矿山机器厂采用碱性锌镍合金电镀工艺, 经走访几个矿务局, 对该镀种都反应良好, 其中最长的使用时间已超过1年。另外, 由于该镀层属于锌基合金镀层, 易于退镀, 损坏后易于修复。
在20Mn2新材质单体液压支柱试验中, 活柱采用了碱性锌镍电镀工艺, 200根活柱2d 电镀完毕, 在新汶矿务局下井试验3个月, 活柱表面无锈蚀。
高耐蚀水介质单体液压支柱工业性试验中, 对锌镍镀层进行了全面考验, 有100根活柱、500套阀、500个活塞及150个底座进行了锌镍电镀, 井下试验情况良好。6 存在问题
制, 镀层厚度需要控制在20 m 以内, 以减少镀层的脆性。
6 2 镍盐的补加问题
在强碱性锌镍镀液中, 锌的补加通过挂锌阳极板加阳极袋即可解决。但镍板在强碱性溶液中处于钝化状态, 不能溶解, 因此镀液中镍离子的补充只能通过加镍盐来进行, 而镍盐不能直接加入镀液中, 因为在强碱性溶液中, 要生成氢氧化镍沉淀, 镍离子根本得不到补充, 只有先将镍盐溶解在络合剂中才能进入镀液, 这样随着镍的不断补充, 镀液中络合剂及其它离子的含量不断累积, 给电镀质量带来一定的影响。为此, 要求加强平时镀液的管理, 及时处理镀液(采用小电流处理, 活性炭吸附等) , 保证电镀质量。7 结论
碱性锌镍镀层作为一种阳极性镀层, 具有高耐蚀性、镀层成份稳定、工艺易于操作, 污水便于处理等特点。通过多次井下试验观察, 该镀层处理的活柱在井下具有较高的耐蚀性能, 同时镀层退镀性良好, 便于修复, 在煤矿支护产品上的应用具有很好的推广前景。
参考文献
1 王鸿建 电镀工艺学 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社2 R R Sizelove. Plat &Surf. Fin. 1991; No. 3:743 中南矿冶学院. 化学分析手册. 北京:科学出版社
作者简介 吕东林, 1988年7月毕业于北京科技大学
6 1 脆性问题
锌镍镀层作为一种阳极性镀层, 镀层厚度越高, 耐蚀性越高, 但由于碱性锌镍镀层是在碱性锌酸盐镀锌的基础上开发出来的, 而碱性锌酸盐镀层超过25 m 时, 有明显的脆性。因此, 碱性锌镍电镀层就受到一定限腐蚀工程系, 获工程硕士学位。现主要从事单体液压支柱及相关设备的表面防腐处理研究工作, 并负责相关标准编写工作。
通讯地址:北京市和平里青年沟路5号邮
编:100013
(收稿日期:1999-03-26; 责任编辑:邹正立)