高效环保型汽车零配件碱性无氰镀锌的性能对比

周阳亮 （广州市海科顺表面处理有限公司，广东广州 511400）

0 引言

电镀锌具有防腐蚀性能好、成本低、镀层较美观等特点，在轻工、机电、仪表、农机和国防等工业中得到了广泛的应用［1-4］。目前，镀锌工艺主要分为氰化物镀锌、酸性镀锌和碱性镀锌，鉴于氰化物对环境污染严重，氰化物镀锌工艺已逐渐被淘汰［5］。酸性镀锌工艺存在均镀和深镀能力差、镀层不易钝化、脆性高及防腐蚀性能较差等缺点［6-7］，故一般不宜用于对功能性要求较高或外形较复杂的工件。而碱性无氰镀锌工艺具有性能稳定、成本低、镀层结晶细腻，以及良好的分散能力和深镀能力，同时不易腐蚀设备等优点［8-10］，因此，得到了广泛的应用，目前，碱性镀锌工艺所占的镀锌市场份额已经达到40%。虽然无氰碱性镀锌工艺已取得了长足的进步，但仍存在电流效率低、沉积速率慢、镀层脆性较高和结合力较差等缺陷，有待于进一步研究和提高［11-13］。广州市海科顺表面处理有限公司自主研发了3种碱性无氰镀锌添加剂——300L、306和308，有效克服了目前工艺上的缺陷，具有高效、环保、操作、维护简单及镀层性能优越等特点，取得了良好的实际应用效果，得到了市场的充分认可。

1 工艺介绍

1.1 镀液组成及工艺条件

3种碱性无氰镀锌液的组成及工艺条件见表1。

表 1 3种碱性无氰镀锌液的组成及工艺条件＊Table 1 Bath composition and process conditions of three kinds of cyanide-free alkaline zinc plating solution

续表 1

1.2 钝化及封闭工艺

采用HKS-468BC（三价铬蓝色钝化液）钝化，可以得到一层紧密细致的保护膜，钝化条件为：开缸剂体积浓度40 mL/L、温度25～30℃、pH 2.0～2.2，钝化时间45 s，滞空15 s后用蒸馏水冲洗两遍，再用HKS-301E（镀锌封闭剂）进行封闭，封闭条件为：开缸剂体积浓度150 mL/L、温度35～40℃、pH 4.0～4.5，封闭10 s，然后放入80℃烤箱内烘烤20 min。

2 镀液性能

2.1 分散能力

分散能力采用赫尔槽试片法测定。在试片水平面的中心线处划一条直线，再在中心线以上10 mm处划一条直线，此线与中心线平行。再在两线间用垂直线分隔成等距离的10个方格，每格间距10 mm，弃去两端各1格，还有8格，将近阳极的电流高端的镀层厚度设为δ1，以后依次为δ2、δ3、……δ8，按下式计算分散能力。

其中，δi—为任意一格的镀层厚度，mm；T—碱性无氰镀锌液的分散能力，%；T平均—碱性无氰镀锌液的平均分散能力，%。

3种碱性无氰镀锌液的分散能力见表2。从表2中可知，3种碱性无氰镀锌液的分散能力都比较突出，在中高电流密度区，3种碱性无氰镀锌液的分散能力变化都很小；在低电流区，306的分散能力下降较快，308次之，300L最慢。即300L的分散能力最优，平均分散能力达到93.1%，完全能满足各类产品对镀层厚度均匀性的要求。

表 2 3种碱性无氰镀锌液的分散能力Table 2 Dispersing power of three types of cyanide-free alkaline zinc plating solution

2.2 沉积速率

按照最佳镀液组成进行赫尔槽试验，电流密度1 A/dm2，电镀时间10 min。采用XDL型X-荧光镀层测厚仪（德国Fischer公司）测定镀层的厚度。表3为3种碱性无氰镀锌液的沉积速率，从表3中可以看出，电流密度在工艺范围0.5～5.0 A/dm2内，3种碱性无氰镀锌液的沉积速率都比较快，均保持在0.3～0.5 μm/min，其中306的沉积速率最快，在2 A/dm2的电流密度下，沉积速率达到0.41 μm/min，300L和308的沉积速率比较接近。

表3 3种碱性无氰镀锌液的沉积速率Table 3 The deposition rate of three types of cyanide-free alkaline zinc plating solution

2.3 电流效率

在自制的试验槽（12 cm×10 cm×10 cm）中，按照最佳镀液组成及工艺条件，采用挂镀的方式考察3种碱性无氰镀锌液在不同电流密度下的电流效率，电镀时间为30 min，电流效率η的计算公式如下：

式中，c—电化学当量，g/（A·h）；t—电镀时间，h；r—电镀层金属密度，g/cm3；d—镀层厚度，cm；s—施镀面积，cm2。

表4为3种碱性无氰镀锌液的电流效率，从表4中可以看出，3种碱性无氰镀锌液的电流效率都比较突出，随着电流密度的增大，电流效率都有所下降，在电流密度0.5～3.0 A/dm2范围内，电流效率均维持在50%～85%。在相同的电流密度下，306的电流效率最佳，当电流密度为2 A/dm2时，306的电流效率达到了71.3%。

表4 3种碱性无氰镀锌液的电流效率Table 4 Current efficiency of three types of cyanide-free alkaline zinc plating solution

2.4 镀液的稳定性

老化试验是检验镀液稳定性的最佳方法之一。按照最佳镀液组成进行赫尔槽试验，电流密度1 A/dm2电镀时间10 min。每镀8张试片后按镀液消耗量补加各种添加剂和基础液，连续试镀80张试片后，试片的厚度、外观、分散能力及表面结晶均没有明显变化，这表明3种碱性无氰镀锌液的稳定性较好，可以在定期补加各种成分的条件下长期应用于生产中。

3 镀层性能

3.1 镀层的表面形貌

采用VHX-700FC（KEYENCE产）显微镜来观察3种碱性无氰镀锌层的表面形貌。3种碱性无氰镀锌层、钝化层及封闭层的表面形貌图如图1所示。从图中1可以看出，3种碱性无氰镀锌层表面结晶细致、排列紧密，经三价铬蓝色钝化液钝化后得到一层均匀的蓝色致密保护膜，可以有效地保护镀层和基材，由于三价铬在磨损后没有自动修护能力，一般会通过封闭层来增强其保护性能，从图中可以看出，经封闭后得到一层紧密、细颗粒状的保护膜。相较于300L和306，308镀层结晶最细腻，排列规则紧密。

图1 3种碱性无氰镀锌的镀层、钝化层及封闭层的表面形貌（×100）Figure 1 Surface morphologies of three types of cyanide-free alkaline zinc plating coating，passavation layer and sealing layer

3.2 结合力

取钢铁工件，按照最佳镀液组成及工艺条件，在相同条件下电镀不同厚度的3种碱性无氰镀锌工件，进行热震试验［14］：将镀锌工件置于烤箱中，于（200±5）℃恒温2 h后取出并迅速放入水中骤冷，重复3次，观测镀层表面若无起泡或脱落现象，表明镀层结合力良好。表5为3种不同厚度碱性无氰镀锌层的结合力，从表5中可知，3种碱性无氰镀锌层的结合力都较好，其中306的结合力最优。镀层厚度≤40 μm时，镀层与基材结合力良好；镀层厚度超过50 μm时，才出现轻微的起泡。

表5 3种碱性无氰镀锌层的结合力Table 5 Adhesion of three types of cyanide-free alkaline zinc plating coating

3.3 耐腐蚀性能

取钢铁工件，按照最佳镀液组成及工艺条件，分别电镀3种碱性无氰镀锌层，厚度保持在8～10 μm，采用HKS-468BC蓝色钝化液钝化，然后用HKS-301E封闭剂进行封闭，按照GB/T 10125—1997《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》进行中性盐雾试验［15］，试验结果见表6。

表6 3种碱性无氰镀锌层中性盐雾的测试结果Table 6 Neutral salt spray test results of three types of cyanide-free alkaline zinc plating coating

从表6中可以看出，3种碱性无氰镀锌层在经过钝化和封闭后，耐腐蚀性都比较优异，其中308的耐腐蚀性能最佳。

4 结语

（1） 3种碱性无氰镀锌工艺均比较优越，镀液稳定、镀层表面形貌紧密细致。

（2） 300L的分散能力最优，平均分散能力达到了93.1%；306的沉积速率、电流效率和结合力最优，在2 A/dm2的电流密度下，沉积速率达到0.41 μm/min，电流效率为71.3%；308镀层结晶最细腻、紧密，耐腐蚀性最好。

［1］张允诚，胡如南，向荣.电镀手册［M］. 北京：国防工业出版社，1997：232-268.

［2］唐雪娇，王福生，韩长秀，等.无氰电镀锌新工艺试验研究［J］.南开大学学报（自然科学版），2005，38（3）：14-18.

［3］顾训雷，单玉桥，刘常升，等.高速电镀锌的研究现状与发展方向［J］.材料保护，2009，42（1）：42-47.

［4］吴水清. 镀锌及其合金的研究进展［J］.表面技术，2000，29（6）：1-5.

［5］李凤海. 氰化镀锌工艺无氰化研究［D］. 辽宁大连：大连海事大学，2007.

［6］吴旭峰，Michael Ditez. 高效碱性无氰镀锌工艺研究［J］.电镀与涂饰，2005，24（11）：43-45.

［7］梅睿，常德华.碱性无氰镀锌工艺研究［J］.电镀与环保，2011，31（5）：23-25.

［8］王保，杜力民，陈卓，等. 战斗部镀锌工艺及防腐质量［J］.四川兵工学报，2008，29（1）：113-116.

［9］容毅，陈成业，伍炳杰，等.碱性镀锌镀层厚度均一性的研究［J］. 电镀与涂饰，2009，31（12）：9-13.

［10］谭海林，李新立，李安忠，等.电镀锌板的磷化［J］.汽车工艺与材料，2004（3）：19-24.

［11］吴浩杰，杜楠，安建华，等.碱性镀锌工艺［J］.电镀与涂饰，2008，30（5）：30-32.

［12］郭崇武.无氰碱性镀锌工艺及镀层性能［J］.电镀与涂饰，2014，36（1）：9-11.

［13］沈品华，屠振密.电镀锌及锌合金［M］.北京：机械工业出版社，2002：223-224.

［14］杨培燕，顾宝珊，纪晓春，等.稀土永磁材料表面超声波化学镀层性能研究［J］.表面技术，2008，37（4）：31-34.

［15］陈伟，唐凌燕，周英，等.锌镍合金镀工艺优化及镀层耐腐蚀性的研究［J］. 表面技术，2015，44（2）：110-114.