電鍍鋅基合金的研究及應用概況 曾祥德 (新都高新電鍍環保工程研究所,四川成都,610500) 摘要：介紹國內外電鍍鋅基合金的研究及應用情況及其發展。 關鍵詞：鋅合金;電鍍;發展 1·國內外電鍍鋅基合金的研究概況 電鍍鋅基合金是以鋅為主要成分并含有少量其它金屬的合金鍍層,如Zn-Fe、Zn-Ni、Zn—Co、Zn-Ti、Zn-Cr、Zn-Mn以及Sn-Zn等。它們的共同特性是具有良好的防護性能,故稱之為高耐蝕性合金鍍層。其中研究較多、應用較廣的是Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-Co合金。Zn-Fe合金主要用于取代普通鍍鋅,氰化鍍鋅與熱浸鍍鋅,近年又作為裝飾鉻底層的節鎳鍍層;鋅鎳合金多用于取代氰化鍍鎘,更加適合于耐海洋氣候的腐蝕;鋅鈷合金多用作代鉻鍍層,以消除對環境的污染與人體的危害。在這3種合金鍍層中,成本較高的是Zn-Co,Zn-Ni次之,Zn-Fe最低。以電鍍Zn-Fe合金應用最廣泛。 電鍍鋅鐵合金的研究,國內外都始于20世紀50年代。在國外,當時曾有人從氯化物鋅鐵槽內得到鏡面光亮的鋅鐵合金鍍層,想以此代替亮鎳鍍層而節約金屬鎳。由于所用電流密度相當高,低于 國內在20世紀50年代,當時鎳依靠進口而又受到限制,為尋求代鎳層,有人從焦磷酸鹽鍍液得到的鍍層,作鍍鉻的節鎳底層,但需拋光或鍍銅后才能套鉻,工序繁雜,電鍍工藝要求嚴格,鍍液也常出現故障,因而未用于生產。80年代末國際市場鎳價成倍上漲,波及國內市場,于是再次出現鋅鐵合金研究熱潮。 在鋅鐵合金鍍液酸堿兩體系的研究中,資料介紹:酸性體系以ZF為光亮劑的氯化物鋅鐵合金工藝,從1992年應用至今,15年來一直受到青睞,得到廣泛應用。工藝研究者系某中型國企的一位從事電鍍技術多年的高級工程師(即本文作者—編者注)。他聯系自己的工作實際,認為鍍鋅層的防護性能急需提高,以滿足產品對防護性能的新要求。國外20世紀80年代出現的鋅系合金取代鍍鋅廣泛用于汽車工業的報道引起了他的興趣,于是開始查閱國內外表面工程文獻中有關鋅系合金的介紹。國外文獻報道簡單。 鋅鐵合金有酸堿兩體系,酸性主要是氯化物型,堿性主要是鋅酸鹽型。合金鍍層鐵含量有高低之分,高于3%為高鐵含量,不能常規鈍化,需閃鍍一層光亮鋅,方能鈍化,低于1%為低鐵含量,可常規鈍化,合金鍍層的防護性能比純鋅層提高3-5倍。關于兩體系電鍍鋅鐵合金的配方,見表1,表2。
從查閱的文獻中看到,堿性鋅鐵合金文獻介紹多,并且有應用實例報道,酸性鋅鐵合金文獻少,沒有見到應用實例,研究文章更少。 堿性鋅酸鹽鍍鋅有l00多年的歷史,直到20世紀70年代初在推廣無氰電鍍中,有氰鍍鋅的氰化物含量才由高、中、低濃度到微低濃度逐步減少,到完全沒有氰化物的鋅酸鹽鍍鋅。鋅酸鹽鍍鋅轉化過程完成之后一直到現在都是鍍鋅的主流工藝,酸性鍍鋅晚于堿性鋅酸鹽鍍鋅,主要經歷了硫酸鹽、銨鹽和鉀(或鈉)鹽鍍鋅3個發展階段。 在文獻查閱中還看到,不論堿性或酸性電鍍鋅鐵合金的工藝配方,除添加劑外,基本都是原酸堿鍍鋅配方成分,僅是含量有所差異,只要在原酸堿兩類鍍鋅配方中加入鐵鹽及其穩定劑與添加劑就成為鋅鐵合金了。也就是說,原鍍鋅液可以直接轉化為鋅鐵合金鍍液。鐵是鍍鋅中的主要雜質,必須經常去除,加大溶液處理費用,轉化后還需適量補加鐵鹽方能成為鋅鐵合金。鍍鋅液的轉化,大大降低了新工藝的投資。在有限的文獻查閱中,沒有一個提出鍍鋅液可以直接轉化為鋅鐵鍍液。聯系實際,就是通過鋅鐵合金的研究,要將用于生產的鉀鹽鍍鋅液轉化為鋅鐵合金鍍液。國內文獻有關鋅鐵合金電鍍工藝的組成及工藝條件,見表3。
2·鋅合金鍍液和鍍層的特性及選擇 2·1鋅合金鍍液的選擇 鋅合金鍍液的種類很多,大致可分為酸性和堿性兩類。 酸性鍍液:電流效率高(一般在95%以上),氫脆性小,適合于高強度鋼、鋼鐵鑄件、沖壓制件、熱處理件以及板材和帶材上電鍍。 堿性鍍液:電流效率低,但分散能力和覆蓋能力(即深鍍能力)好,適合鍍復雜零件和一般部件,對電鍍設備腐蝕小,近幾年來發展較快。 2·2鋅合金鍍層的特點 大多數鋅合金鍍層可進行鉻酸鹽鈍化處理。鈍化的難易程度,主要取決于合金的組成和另一組分金屬的性質及含量。經鈍化處理后,合金鍍層的耐蝕性可大大提高。鋅合金的防護性能與合金組成有密切關系,每一種合金都有其適宜的合金組成,。只有在最佳組成范圍內,才具有最好的防護性。 (1)Zn-Ni合金弱酸性含鎳量為13%左右;堿性含鎳量為6%-9%。 (2)Zn-Fe合金 含微量鐵為0.3%-0.6%的Zn-Fe合金鍍層,易鈍化,黑鈍化具有最好的耐蝕性;另一種含鐵量15%-25%的鍍層,不易鈍化,可磷化,主要鍍板材和帶材。成都市新都高新電鍍環保工程研究所推出的酸性體系Zn-Fe合金電鍍的鈍化工藝,對高鐵與低鐵含量工藝都容易鈍化,采用超低鉻鈍化工藝,鉻酸含量僅0· (3)Zn-Co合金 不管酸性或堿性多使用含鈷量為0.6%-1·0%的合金,鈷含量高于1%的耐蝕性提高不明顯,而成本費用提高較大,易鈍化,可得到不同色彩的鈍化膜。 (4)Sn-Zn合金 含錫量為70%-80%的合金鍍層具有最好的耐蝕性,其它物理性能和力學性能也較好。 (5)Zn-Mn合金 含鋅量高于40%的鋅錳合金鍍層才具有最好的耐蝕性,且高于任何一種鋅合金。 對于鋅合金鍍層的選擇,要根據使用的目的和要求,以及鍍液的維護調整的難易、成本等多方面的考慮,來選擇較為適宜的電鍍合金工藝。幾種鋅合金鍍層的特性比較如表4。
3·國外應用情況 目前,國外電鍍鋅合金的應用,已經越來越廣泛,在歐洲、美國、日本和亞洲各國已得到大量應用,主要用在汽車、航空、航天等方面。其中應用于汽車占75%,航空航天占20%。 堿性鋅鎳合金應用情況:用于汽車60%,其中動力控制系統占15%,制動系統占17%,燃料及傳動系統占28%;用于電子傳遞系統占10%;用于緊固件10%;用于軍事防御15%。 在歐洲大約15年前,鋅合金開始應用于鋼鐵表面精飾。1982年首先將Zn-Co合金(弱酸性鍍液)用在汽車部件上,如鑄鐵件、低碳鋼沖壓件和液壓傳動件(含鈷量0.8%左右)。Zn-Ni合金最先用在生產上的是弱酸性氯化銨型鍍液,由于銨鹽不利于環保,以后逐漸以氯化鉀型(少量氯化鈉型)代替,可用于標準件、緊固件、鋼鐵鑄件和管狀等較復雜工件電鍍。近幾年堿性無氰鍍鋅鎳合金發展很快,應用量逐漸增大,鍍液的分散能力和覆蓋能力高于氯化物體系,適合各種類型的鋼鐵件上電鍍,但鍍液的電流效率較低,氫脆性大于弱酸性氯化物體系。由于鋅-鎳合金具有很高的耐蝕性以及很好的耐熱性,氫脆性又小,已經用作大量代鎘鍍層,在汽車、航空航天和軍工產品應用廣泛。 Zn-Fe合金在歐洲應用較晚,也比較少,含鐵量0.4%左右的合金與鋼鐵結合力好,鈍化后耐蝕性高,特別是黑色鈍化,其耐蝕性可提高10倍以上,廢液處理容易,經濟性好。 Zn-Co-Fe合金在歐洲也有應用,其優點是延展性好,內應力小,耐蝕性高。鍍液中含鐵和含鈷量為30mg/L-70mg/L,鍍層中含鈷和鐵為0.25%-0.5%,鐵的存在有利于鈍化,鈷的存在有良好的耐蝕性,該合金首先應用在日本,以后也在德、英、法等國使用,主要用在機械制造上。 美國目前幾大汽車公司對鋅合金電鍍層的技術指標要求,見表5。
在日本,鋼鐵工業電鍍Zn-Fe合金的應用較早,也比較廣泛。鍍液有弱酸性氯化物和硫酸鹽體系,以及堿性鋅酸鹽體系,鍍層中含微量鐵(0.3%-0.7%)的合金,多用于汽車、機械、電子和電器各種部件。采用無銀黑色鈍化是日本的一大發明。 鍍層鐵含量為15%-25%的鋅鐵合金,主要用來電鍍鋼板和鋼帶,如日本鋼管、住友金屬、新日鐵、川鐵和神戶鋼鐵等公司,都已在生產上應用,—般不進行鉻酸鹽鈍化處理,但可磷化處理。 電鍍Zn-Ni合金的應用也比較廣泛,如Zn-Ni(13%)已在日本鋼管、住友金屬、川鐵和神戶鋼鐵等公司應用,其使用情況和歐美差不多。Zn-Nil3%-Co0.3%已在新日鐵公司應用。另外,在日本Sn-Zn合金應用也較廣泛,鍍層含鋅20%-30%,多用于代鎘和電子行業。但Zn-Co合金在日本應用很少,Zn-Co系主要應用是Zn-Co(0-3%)-Mo(61%-0.5%)如日本東洋鋼鐵公司;Zn-Co(0.3%)-Cr(0.05%)在日本鋼管公司應用。Zn-Mo合金:Zn-Mo(30%-60%)在日本鋼管和新日鐵公司應用。 幾種主要電鍍鋅合金在日本應用情況見表6。
鋅合金鍍層一般都要進行鈍化處理,Zn-Ni和Zn-Co以彩色鉻酸鹽鈍化為主,黑色鈍化少量。Zn-Fe合金以黑色鈍化為主,彩鈍化少量。Sn-Zn合金也以彩鈍為主,少量不鈍,無黑鈍。 4國內應用情況 目前以Zn-Ni合金應用最多,1987年首先用在電纜橋架和軍工產品上,鍍液開始用氯化銨型,以后用氯化鉀型,目前已開始大量應用堿性鋅酸鹽型。主要用在合資生產進口汽車、航空航天、其它軍工產品以及機械產品(如標準件和電纜橋架等)。Zn-Fe和Zn-Co也開始應用于生產,如四川某些廠采用弱酸性氯化鉀型鋅鐵合金在20世紀90年代已超過兩萬升溶液,已取得良好經濟效益和社會效益。鋅-鈷合金也在北京和沈陽等地得到生產應用,效益也是非常明顯的。 Zn-Fe合金電鍍主要用于以下幾方面: (1)用于鋼管電鍍,解決了普通電鍍鋅內壁電鍍難和鍍液中鐵雜質積累處理難的問題。四川某鄉鎮企業1995年將鉀鹽鍍鋅轉化為鍍鋅鐵合金,鐵雜質不再處理。陜西某企業鍍管廠采用了鋅鐵合金電鍍解決了長期存在的管內壁電鍍問題。 (2)碼鋼管件電鍍,解決了鍍層出現花斑和鐵雜質積累的問題。 (3)線路金具電鍍,增強了耐蝕性,提高了分散能力和深鍍能力,四川某福利電線電纜廠所鍍金具質量一直良好,受用戶好評。 (4)線材連續電鍍,四川某線材廠1996年開始用鋅鐵合金電鍍,提高了耐蝕性,防止了鍍層變色。 (5)一般零件電鍍,山東某電鍍廠1992年開始用鋅鐵合金電鍍,鍍層更細致光亮,防護性能明顯優于普通鍍鋅。對大平面工件,中間部位鍍層光亮色澤一致。鍍液凈化周期延長,綜合成本降低。 5今后的發展方向 5·1開發新的鋅基二元合金鍍層如電鍍Zn-Mn、Zn-Cr、Zn-Ti、Zn-P、Zn-Mo合金等,正在開發和應用。 5·2鋅基三元合金鍍層的應用與發展 (1)Zn-Co(3%)-Cr(0.08%)合金,日本鍍鋼管用。 (2)Zn-Co-Fe合金,外觀好,延展性好,低應力,高耐蝕,先用于日本,后英、德、法等地也應用。 (3)Zn-Co(0.3%)-Mo(0.1%-0.5%)日本東洋鋼板用。 (4)Zn-Ni-V,該合金耐蝕性比鋅鍍層高5倍以上,有應用前景。Zn-Co(0·3%)-Ni(12%)日本新日鐵株式會社應用。 5·3在鋅基合金鍍層中加入稀土化合物如銻鹽、釹鹽及稀土混合物,對耐蝕性都有提高。 5·4鋅基合金組合鍍層 具有明顯疊加效應,對提高防護性、減薄鍍層、節約金屬、降低成本等有重要實際意義。日本板口等人對Zn-Fel5%和Zn-Ni11%雙層鍍進行了研究,結果表明,不但比單層鋅厚度可減少一半,而且耐蝕性還可大大提高。 (1)合金與鋅鍍層組合:Zn-Ni(15%)—鍍鋅—鈍化等; (2)不同含量合金組合:Zn-Ni(14%)-Zn-Ni(7%)-鈍化;Zn-Fe(20%)-Zn-Fe(0·4%)-鈍化; (3)不同合金組合:Zn-Fe-Zn-Ni鈍化;Zn-Ni(13%)-Zn-Co(0.6%)-鈍化,Zn-Fe(15%)-Zn-Co(0.008%)-鈍化。 當今世界,鋼鐵的需求量,仍在市場上占主導地位,鋅合金已經是鋼鐵材料的主要防護性鍍層之一。自20世紀70年代電鍍鋅系合金問世之后,使鍍鋅為主體的防護性鍍層上了一個新臺階,于是鋅合金的研究和應用,有異軍突起之勢;從以鋅為主的二元合金進展到鋅系三元合金,以及鋅合金的組合鍍層,當前又成為研究熱點,充分體現了鋅基合金電鍍的發展前景。 在鋅基合金電鍍工藝中,由于鍍層具有良好的防護性與性價比,以及優異的耐蝕性和低氫脆性等特性,特別是Zn-Fe合金與Zn-Ni合金,已經分別成為代鋅與代鎘鍍層而廣泛應用。鋅合金電鍍的研究應用,對提高防護層質量,減薄鍍層,節約金屬,減少污染和降低成本等都有重要意義。因此,鋅合金電鍍的開發、應用與發展,已越來越受到人們的青睞,成為未來防護性鍍層發展的重要方向,展示了它在防護電鍍領域的廣闊前景。 注：本站部分資料需要安裝PDF閱讀器才能查看，如果你不能瀏覽文章全文，請檢查你是否已安裝PDF閱讀器！ |
