程滬生

（深圳市南山區(qū)珠光路塘朗雅苑6 棟8C，廣東 深圳 518000）

改革開放以來，國人的生活水平與時俱進、不斷提高。隨著人民生活水平的提高，汽車的市場需求量也突飛猛進地增長，車用輪胎隨之擴增。而高級轎車及特殊汽車(如軍用載重汽車等)專用的輪胎都需要用與輪胎粘接性能優(yōu)良的黃銅線來作輪胎中的簾子布，以便提高輪胎的加勁、抗壓及彈性。

橡膠工業(yè)上用的加勁黃銅線通常是將銅絲置于氰化物鍍槽中直接鍍?nèi)°~-鋅合金(俗稱鍍黃銅)。受環(huán)保法規(guī)的限制以及對氰化物極毒品的嚴格管理，氰化物鍍黃銅線已受到嚴格控制。取而代之的是分別在無氰化合物的單鹽鍍液中沉積出相應(yīng)厚度的鋅、銅單質(zhì)鍍層，然后在高溫條件下進行熱擴散，讓鋅、銅單金屬原子相互擴散到對方金屬晶格中，形成銅-鋅合金的黃銅層。

熱擴散法鍍黃銅線是采用水平運動式鍍銅絲的工藝流程，按照平行鋼絲的根數(shù)、運行速度和電流密度設(shè)計出相應(yīng)的鍍槽規(guī)格，同時還要設(shè)計好鋼絲進出鍍槽時槽壁上孔及嵌入壁孔內(nèi)的防漏兼刷洗平行鋼絲的墊圈，使鋼絲在鍍液下連續(xù)電沉積，避免在運行中受空氣的氧化。

1 熱擴散法鍍黃銅絲生產(chǎn)工藝

1.1 工藝流程

卷盤上放鋼絲─鉛槽內(nèi)回火處理─自然冷卻─酸洗2 道─清洗─焦磷酸鍍銅─清洗─酸性鍍銅2 道─清洗─硫酸鹽鍍鋅─清洗─熱擴散處理─卷上收絲。

1.2 工藝說明

1.2.1 鋼絲回火

拉撥成型的鋼絲有較低的彈性，需要進行回火處理，使鋼絲彈性達到使用要求。φ1.2 mm 鋼絲穿過450 °C左右的熔融的鉛槽，線速度為20～25 m/min，然后在煤灰(無法燃燒的煤塊)層內(nèi)保溫片刻，出槽后在空氣中自然冷卻。此時的鋼絲彈性可達到設(shè)計要求。熔鉛槽與煤夾槽是一個連體的體積相同的鋼板槽，但在鉛槽底部應(yīng)安裝數(shù)支不銹鋼電熱管，作為供鉛塊熔融的熱源。

1.2.2 鋼絲酸洗

鋼絲經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，原來表面上存在的有機物均被碳化，但是鋼絲表面在高溫處理過程中又會產(chǎn)生新的碳化物及氧化層，即使存在微量的碳化物及氧化層都會影響鍍層與鋼絲基體的結(jié)合力，故需要進行酸洗，以確保干凈的鋼絲基體進入鍍銅工序，沉積出結(jié)合力牢固的合格鍍層。酸洗分為化學(xué)酸洗和電化學(xué)酸洗，前者是使鋼絲表面上的輕微氧化皮疏松，后者是在電子遷移的作用下，將鋼絲表面上已疏松的微量氧化皮及被碳化的有機物除去。化學(xué)酸洗是一個放熱反應(yīng)，電解酸洗又因電流密度大，酸洗槽中液體的溫度上升很快，鋼絲在高溫液中酸洗，光滑的鋼絲外層會被過腐蝕而失去，因此，需要在這兩種酸洗槽下方各備一個相應(yīng)的酸液溢流回收、冷卻槽，讓酸洗液循環(huán)使用。

1.2.2.1 化學(xué)酸洗工藝規(guī)范

硫酸(H2SO4) 50～80 mL/L

θ18～25 °C

t3～5 s

線速度 20～25 m/min

1.2.2.2 電解酸洗工藝規(guī)范

硫酸(H2SO4) 150～200 mL/L

若丁 1～2 g/L

Jk8～10 A/dm2

t3～5 s

線速度 20～25 m/min

1.2.3 焦磷酸鍍銅

在熱擴散法鍍黃銅過程中，酸洗干凈的鋼絲絕不容許流入具有極毒的氰化物鍍銅液中沉積銅，也無法在硫酸銅單鹽中沉積銅。前者是環(huán)保嚴控，不容許新增氰化物鍍槽，后者是因為銅與鐵的電極電位關(guān)系，銅絲在銅鹽溶液中極易置換出一層疏松的紅棕色的置換層，影響到鍍層的結(jié)合力。因此，鋼絲在酸洗鍍銅前后，應(yīng)先將鋼絲在堿性焦磷酸鹽溶液中沉積一層極薄而與酸銅結(jié)合力很強的銅層。

焦磷酸鍍銅比不上活化力很強的氰化物鍍銅，但是銅鍍液中含有相當數(shù)量能與銅離子起絡(luò)合作用的焦磷酸鉀、大量檸檬酸銨及定量的氨水，后者在鍍液中協(xié)助焦磷酸鉀對銅離子的絡(luò)合，改善鍍液的分散能力，促進陽極溶解，緩沖鍍液pH，并促進鍍層結(jié)構(gòu)緊密細膩光亮。

熱擴散法鍍黃銅絲在生產(chǎn)過程中，由于鋼絲是從帶有陰極電荷的滾軸上流過，鍍液中的銅離子按電子運動規(guī)律，僅能在不銹鋼絲表面上沉積，而不會在銅絲表面上發(fā)生置換反應(yīng)，這也是熱擴散鍍黃銅工序中鍍焦銅原理所在。在焦銅鍍槽下方，也要配備一個等同體積的溢流槽，使鍍液循環(huán)冷卻和過濾，以此提高鍍層質(zhì)量。

焦磷酸鹽鍍銅液的配方及工藝規(guī)范為：

焦磷酸銅(Cu2P2O7) 80～90 g/L

焦磷酸鉀(K4P2O7) 320～380 g/L

檸檬酸銨((NH4)2HC6H5O7) 20～25 g/L

氨水 2～3 mL/L

pH 8.2～8.8

θ30～50 °C

線速度 20～25 m/min

沉積速度 10～15 μm/min

1.2.4 酸性鍍銅

鋼絲經(jīng)過焦磷酸鍍銅后，表面包上一層薄銅，以此保護鋼絲不直接與酸液接觸，使鋼絲順利進入酸性鍍銅液中加厚沉積鍍層，以滿足合金黃銅組成中銅的含量要求。鋼絲在酸性鍍銅液中沉積銅，其陽極電流密度比一般鍍銅高10～12 倍，因此，鍍液溫度隨電流密度升高而上升。鋼絲在沒有任何添加劑的酸性液中沉積銅，其槽液溫度應(yīng)控制在38～45 °C 為佳。溫度過高，鍍層會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疏松、粗糙等不良現(xiàn)象。因此，在鍍槽底下更需要配備一套溢流槽，以便循環(huán)過濾冷卻鍍液。酸性鍍銅等工序在一般環(huán)境下進行，鍍槽周圍大氣中的雜質(zhì)易隨空氣流動而侵入鍍液，造成鍍層產(chǎn)生毛刺式結(jié)瘤和毛病。因此，應(yīng)在鋼絲平移出酸銅A槽與酸銅B 之間增加一道墊圈式刷洗工藝，以清除掉銅絲上的外部雜質(zhì)。

酸性鍍銅液配方及工藝規(guī)范如下：

硫酸銅(CuSO4·5H2O) 170～200 g/L

硫酸 25～30 mL/L

θ25～45 °C

Jk30～45 A/dm2

線速度 20～25 m/min

沉積速度 30～35 μm/min

1.2.5 硫酸鹽鍍鋅

硫酸鹽鍍鋅是一門較成熟的電鍍工藝，鍍液中除導(dǎo)電鹽(即主鹽)外，不加任何添加劑。這里的鍍鋅層是覆蓋在銅表面上等待與銅層進行熱擴散后形成黃銅的組成之一。鋅的沉積厚度約為A、B 銅層總厚度的37%，沉積電流密度基本上與鋼絲單獨鍍鋅相似。為了確保鍍層細膩光滑，其鍍槽結(jié)構(gòu)、鍍液冷卻、循環(huán)過濾等均與酸銅相同。

硫酸鹽鍍鋅液配方與工藝規(guī)范：

硫酸鋅(ZnSO4·7H2O) 350 g/L

硫酸鈉(Na2SO4·7H2O) 70 g/L

硫酸鎂(MgSO4·7H2O) 50 g/L

pH 3～4

θ30～45 °C

Jk25～35 A/dm2

線速度 20～25 m/min

沉積速度 20～30 μm/min

1.2.6 銅/鋅鍍層熱擴散成黃銅線

銅絲在焦銅、兩個酸銅鍍槽內(nèi)沉積出相當厚度的銅層，然后在鋅槽中覆蓋定量的鋅層，隨著滾軸不停的滾動，荷載著正常比例的鋅銅合金組成的鍍層，以20～25 m/min 的速度流入到420～450 °C 高溫的熱擴散輪子上，以高溫?zé)崮艽龠M金屬原子運動，在運動中相互擴散到對方金屬結(jié)構(gòu)的空隙中。在工藝規(guī)范下，鋼絲表面上沉積出約1.4～1.8 mm 的銅層及0.6～0.8 mm 的鋅層，在熱擴散輪上進行熱擴散1～2 s，單金屬銅、鋅鍍層就相互擴散成總厚2～3 mm 的檸檬黃的合金黃銅線。

1.3 生產(chǎn)過程中需要的非標設(shè)備

熱擴散鍍黃銅絲是在工藝規(guī)范及必須的設(shè)備存在下獲得的鍍層。眾所周知，電鍍工藝是決定鍍層質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵，尤其是熱擴散鍍黃銅絲工藝。熱擴散鍍黃銅絲所用的非標設(shè)備只是實現(xiàn)鍍層質(zhì)量的橋梁。工藝配合設(shè)備，設(shè)備又緊扣鍍層厚度。

當電鍍工藝確定后，鍍槽長度、鋼絲在槽內(nèi)的沉積時間以及陰極電流分配等各項指標，就是獲得高品質(zhì)黃銅絲的關(guān)鍵，要在本工藝中沉積出銅/鋅含量比為73∶27 的黃銅絲，則鋼絲在平臺上移速為20～25 m/min，陰極電流密度應(yīng)高出常規(guī)電鍍所用的電流密度數(shù)倍、甚至十幾倍。推薦主要的鍍槽規(guī)格見表1。這些熱擴散式鍍黃銅絲所需要的槽子，除鉛回火槽要用8～10 mm的鋼板焊接外，其余鍍槽包括溢流、冷卻、過濾等槽均用10～12 mm 的聚氯乙烯塑料板加工而成。鍍槽寬度可以12 根鋼絲同時平行移動的工藝計，基本上控制在此尺度內(nèi)，使鍍層中銅、鋅含量(質(zhì)量)保持在73∶27之間，即可滿足黃銅絲的色澤要求。鍍槽的寬度還可根據(jù)產(chǎn)量要求、整流面的負荷能力而定。

表1 推薦的各鍍槽規(guī)格Table 1 Specifications of various plating cells recommended

2 熱擴散法鍍黃銅絲時產(chǎn)生的故障及排除方法

2.1 黃銅絲失去檸檬黃呈灰亮色澤

(1) 酸銅液中銅離子含量太低。分析鍍液，按工藝規(guī)范調(diào)節(jié)鍍銅液。

(2) 酸銅槽上電流密度太低致使銅鍍槽達不到應(yīng)有的厚度，造成色澤偏白。調(diào)整電流密度至工藝范圍。

(3) 熱擴散輪上電壓、電流不正常，給熱擴散造成困難，致使色澤偏白。調(diào)整電壓至工藝范圍。

(4) 鍍鋅槽上電流密度過高，致使鋅層太厚，造成銅/鋅比例失控。調(diào)整電流密度至工藝范圍。

2.2 黃銅絲表面上出現(xiàn)毛刺

(1) 鍍液受到外界塵土侵入，少量塵土粒子隨金屬離子沉積而夾持到工件表面，造成銅絲出現(xiàn)毛刺。因此，鍍液在工作過程中要加強過濾。

(2) 某組過濾機能失效。應(yīng)經(jīng)常檢修過濾機，保證過濾機發(fā)揮其過濾作用。

(3) 槽壁上刷洗鍍層毛刺的墊圈破裂，造成測洗的假象，使毛刺依然存在。更換墊圈。

2.3 熱擴散后的黃銅絲出現(xiàn)不均勻的花白色澤

(1) 熱擴散輪上電路接觸不良、電流分布不均，致使熱擴散輪上溫度不均，銅、鋅金屬原子間不能均勻地擴散，導(dǎo)致黃銅絲色澤不均。造成這一原因，通常是鍍液成分發(fā)生變化，鍍層中銅、鋅含量失調(diào)所致。故須分析、調(diào)整鍍液組分到工藝范圍內(nèi)。

(2) 熱擴散輪上沾有某些絕緣物質(zhì)，使電流傳遞不均，造成同一根線上被鍍金屬原子擴散不均，黃銅絲出現(xiàn)花白色澤。熱擴散輪上沾有絕緣物，說明工作環(huán)境不佳，有粉塵。這時，應(yīng)停機清理掉污染物，并清除車間中的雜質(zhì)，使工作環(huán)境符合要求。

3 結(jié)語

熱擴散法鍍黃銅絲是在鋼絲鍍鋅及氰化物鍍黃銅的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新的綠色電鍍工藝，既保留鋼絲鍍鋅的模式又結(jié)合氰化物鍍黃銅層內(nèi)的合金組成。鋼絲在各鍍液配方及規(guī)范內(nèi)沉積出定量的銅層和鋅層，又運用分子熱動力學(xué)的原理，使兩種金屬原子在定額的熱能作用下相互擴散，達到設(shè)計要求的檸檬黃合金鍍層。

熱擴散法鍍黃銅絲工藝最大的優(yōu)點是擺脫了極毒的氰化物，全過程都在無氰的硫酸鹽等單鹽鍍液中進行，完全取代了毒氣橫飛的氰化物鍍黃銅的工藝。

本工藝簡單易行，便于管理，污水處理方便，實現(xiàn)了環(huán)保電鍍。但是，為了獲得銅、鋅含量比為73∶27的黃銅鍍層，應(yīng)嚴格控制工藝規(guī)范，嚴防鍍液組成失控。