锌镍合金镀层在继电器产品中应用的研究

【摘 要】采用中性盐雾试验法对锌镍合金镀层的防腐性进行了研究，通过扫描电子显微镜SEM、数码晶像显微镜等分析手段对锌镍合金镀层的成分变化规律、微观形貌和机构进行分析研究，结果表明：镍含量为15%左右的锌镍合金镀层防腐性能最佳。探讨了锌镍合金镀层的围观结构与防腐性的关系，并讨论了锌镍合金镀层的腐蚀机理。

【关键词】继电器;锌镍合金;防腐性

1 前言

安全型和信号继电器在铁路及城市轨道信号控制系统中广泛应用，随着我国铁路行业的高速发展，轨道上每日通过车辆的频次不断增大，控制系统中安全、信号继电器的断开和接通频次大幅度增加，对继电器的可靠性和穩定性的要求明显提高，则对主要零部件尤其是钢铁件的耐腐蚀性能要求不断提升。

目前各种型号的继电器中，钢铁零部件的表面处理以电镀锌为主，锌镀层在密闭或半密闭的潮湿环境、沿海腐蚀环境等特殊环境条件下易腐蚀生成白色产物，俗称“白霜”。纯锌镀层已逐渐难以满足继电器产品的防腐性能要求。

2 锌镍合金

近年来，锌合金镀层的研究与应用越来越广泛。电镀锌合金是指以锌为主要成分，并含有少量的其他金属的电镀层。主要是锌与铁族金属形成的二元合金，即锌-镍、锌-钴、锌-铁合金等，它们具有的共同特性是良好的防腐性能。由于铁族金属的原子结构和性质很相近，其与锌形成合金的共沉积也很相似。仅从电极电位看，铁族金属的电位比锌正的多，在共沉积时，铁金属易沉积且优先沉积，这种沉积称为异常共沉积。但在电镀过程中，当锌与铁族金属在阴极表面共沉积时，随着阴极表面的H2析出，使表面pH值升高，首先在阴极表面生成了氢氧化锌胶体薄膜，致使铁族金属离子在阴极表面受到抑制而难以沉积，于是锌在阴极表面优先析出，即形成以锌为主要成分，含少量铁族元素的合金镀层。锌合金镀层与锌镀层相比具有更高的耐蚀性，并有良好的耐磨性、可焊性，其中以锌镍合金研究的较多。

锌镍合金镀层具有优良的耐腐蚀性能，镀层中含有少量镍的电镀层，当含镍是7%-9%的合金镀层时，耐腐蚀性是纯锌镀层的3倍以上;当含镍是13%左右的合金镀层时，耐腐蚀性是纯锌镀层的5倍以上。常用的电镀锌镍合金有碱性和弱酸性两种。两种工艺各有优缺点：弱酸性锌镍合金工艺的优点是电流效率高，沉积速度快，氢脆性低，可用于高碳钢和铸钢件的电镀层;碱性锌镍合金工艺最大的优点是分散能力和深度能力较高，无氢脆，适用于复杂零件的电镀，镀液成分简单操作方便，对设备腐蚀性小，缺点是电流效率低、沉积速度慢。

由于继电器的钢铁零部件的外型较复杂，对电镀层的深度能力要求较高，故本次仅研究碱性锌镍合金镀层。

3 试验

试验样件为继电器产品中两种不同基材的零件，分别为冷轧钢板和铸钢。零件外形为L型，能分别体现高、中、低电流密度区域的镀层质量及性能。

试验样件表面进行不同的电镀工艺，如纯锌镀层、碱性锌镍合金镀层，对其镀层质量及性能进行对比测试。

4 镀层性能测试

4.1 显微硬度

利用HV-1000T显微维氏硬度计测量各组试样的硬度，试样的镀层平均厚度为12μm，具体数据见表1.

由上表可看出，锌镍合金镀层的显微维氏硬度远远高于纯锌镀层的，耐磨性能强于纯锌镀层。

4.2 分散性能

利用赫尔槽测定法测试。在赫尔槽试片上选取3点，分别为高 中 低三个电流密度区，测量其镀层厚度。

测试条件：电流 1A，时间 10min，温度25℃。

在标准主盐含量及有络合剂和添加剂的情况下，进行测试。取3点的位置分别为：从左至右1cm、3cm、5cm，见图1。

镀层厚度在3点的分布数值见表2。

由表2可得出，锌镍合金镀层的分散能力高于纯锌镀层。

4.3 附着强度

根据GB/T 5270中2.12的热震试验测试。将试样在300℃±10℃烘箱中保温10min，然后将其放入15℃-25℃的冷水中冷却，镀层未发生起皮、起泡等从基体金属上分离的现象。

4.4 防腐性能

采用中性盐雾NSS试验法进行测试。

测试条件：氯化钠浓度为50g/L5g/L;pH值在6.5-7.2之间;温度为35℃±2℃;80cm2的水平面积的平均沉降率为 1.5mL/h-0.5mL/h。

试样锌镀层和锌镍合金镀层的平均厚度均为12μm。纯锌镀层在264h时基体开始出现白色腐蚀，而锌镍合金镀层在768h时基体无腐蚀。

锌镍合金镀层的耐蚀性与其镍含量有着密切的关系。实验证明，镍含量为13～16%左右的锌镍合金镀层耐蚀性最强。

镍含量为0～13%时，锌镍合金晶相为锌层与Gamma晶粒;镍含量为13～16%时，晶相为纯Gamma晶粒层（如图2）;当镍含量为17～100%时，晶相为Gamma晶粒层与金属镍混合物。

镍含量低于13%的锌镍合金镀层，其特性趋近于纯锌;伴随着镍含量的增加，耐蚀性（至产生红锈为止）也随之提升，当镍含量达到13%时，锌镍合金镀层的特性显著地产生变化，尤其是铬酸盐钝化膜的耐蚀性在此时大幅提升，主要是归功于“Gamma”锌镍合金晶粒在这个阶段大量形成所致，但是，如果镍含量太高，锌镍合金镀层的特性便趋向于纯镍，其铬酸盐钝化的接受性也会急速恶化。

镍含量在15%左右的锌镍合金镀层属于单一γ相，是金属间化合物。对钢铁基体而言，该锌镍合金镀层为阳极性镀层，对基体起到电化学保护作用。腐蚀开始时，镀层中的锌较易被腐蚀，使镀层中的锌含量下降，镍相对富体，镍的富体对腐蚀具有抑制作用。锌镍合金镀层的腐蚀产物不导电，并且均匀致密覆盖在镀层表面，对镀层也起保护作用，使得锌镍合金镀层的腐蚀性远高于锌镀层。

5 小结

通过试验结果分析，锌镍合金电镀层在提高钢铁零部件的防腐性能的同时，还提升了零部件表面的硬度，增加了其耐磨性。不仅提高继电器产品零部件的防腐性能，而且保证轨道列车的安全运行。

参考文献：

[1]曾荣昌，韩恩厚 . 材料的腐蚀与防护 [ M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[2]曹楚南 . 腐蚀电化学 [ M]. 北京：化学工业出版社，1995.

[3]李荣俊 . 金属防锈及其试验方法 [M]. 北京：机械工业出版社，1994.

[4]朱正玲 . 国内城市轨道交通环境影响及管理现状研究 [ J ]. 铁路通信信号工程技术，2018，15（10）：101-104.Zhu Zheng Lin.Domestic Urban Rail Transit Environmental Impact and Management Status Research[J].Railway Signalling & Communication Engineering，2018，15（10）：101-104.

作者简介：

段桂梅，1982 . 11 .11，女，汉族，陕西宝鸡，大学本科，铁路行业专业技术。

（作者单位：西安工业集团西安铁路信号有限责任公司）