張菊香

（上海大眾汽車(chē)有限公司質(zhì)保實(shí)驗(yàn)室，上海 201805）

鑄鐵以耐磨性好、成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、消振性好、缺口敏感性低以及容易切削加工等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、航天、造船等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但鑄鐵表面容易銹蝕，生銹后很難處理，裝飾性差，需要通過(guò)后續(xù)處理來(lái)改善其表面性能。電鍍可有效改善鑄鐵件的外觀和耐腐蝕性能，已成為推廣應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。

1 鑄鐵件的特殊性和電鍍對(duì)策

與軋制、鍛造鋼等其他基材相比，鑄鐵件加工工藝特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電鍍也相對(duì)困難。針對(duì)鑄鐵件的特殊性，采取的電鍍對(duì)策是：

(1)鑄鐵件表面含碳量高，表面殘留大量型砂或碳硅化合物，氫在碳上的過(guò)電位低，易析出而產(chǎn)生大量氣泡[1]，在給定電流下難以達(dá)到金屬沉積的電位，鍍層不易生長(zhǎng)，因此鑄鐵件電鍍鋅鎳合金只能選擇電流效率高的酸性系統(tǒng)(酸性鋅鎳合金電流效率為90%左右，堿性鋅鎳合金僅在50%左右)。鑄鐵件的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，因此也要采用分散性強(qiáng)和覆蓋能力好的電鍍?nèi)芤骸?/p>

(2)鑄鐵基材結(jié)構(gòu)疏松，多孔，存在大量砂眼和縮孔，表面粗糙，凹凸不平，因此微觀電鍍表面積比宏觀面積大很多，導(dǎo)致實(shí)際電流密度比表觀電流密度小得多，因此不僅要采用酸性電鍍體系，起始電流也應(yīng)比其他鋼基材大1～2 倍。通過(guò)大電流沖擊瞬間激活表面，才能使疏松表面被致密鍍層覆蓋[2]。

(3)鑄鐵件表面在高溫鑄造過(guò)程中會(huì)形成一層不導(dǎo)電的氧化膜，阻礙鋅鎳合金鍍層生長(zhǎng)。因此電鍍之前必須徹底去除表面的氧化皮。鑄鐵件的一般加工過(guò)程為：鑄造─拋丸─機(jī)加工。拋丸是鑄鐵件電鍍的重要處理步驟，主要利用噴砂機(jī)械打擊表面，不僅可去除氧化皮，而且使?jié)茶T時(shí)形成的高碳層脫落，造成微觀粗糙，有利于提高鍍層結(jié)合力，因此拋丸的質(zhì)量直接影響鑄鐵件的電鍍質(zhì)量。

(4)在加工過(guò)程中，鑄鐵件表面會(huì)殘留大量的油脂、潤(rùn)滑油和冷凍劑，以及來(lái)自鑄模的殘留物，噴砂殘留的砂粒和鐵屑在儲(chǔ)存過(guò)程中受外界影響會(huì)生成氧化膜等不溶性污染物，而且鑄鐵表面本身就存在大量石墨，因此鑄鐵件需要通過(guò)特殊的酸洗和超聲波清洗等前處理工序，才能形成潔凈、均勻潤(rùn)濕、導(dǎo)電性好、容易電鍍的表面。

2 鑄鐵件電鍍工藝

目前鑄鐵件較多采用工藝和設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單的酸性鍍鋅工藝，但鍍鋅層防腐能力較差，不能滿(mǎn)足汽車(chē)等行業(yè)的高耐蝕性要求，鋅鎳合金鍍層雖然可大大提高耐腐蝕性能，但由于酸性電鍍鋅鎳合金工藝比較復(fù)雜，過(guò)程控制比較困難，一直難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。近年來(lái)，隨著化學(xué)和機(jī)械制造工藝的快速發(fā)展，鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金工藝性能大大提升，生產(chǎn)過(guò)程控制也日益成熟，成了這幾年的研究熱點(diǎn)，并逐漸大規(guī)模推廣。

鑄鐵件電鍍鋅鎳合金主要有2 種方式：酸性鍍鋅+堿性電鍍鋅鎳合金，或直接酸性電鍍鋅鎳合金。前者為了解決鑄件不能直接堿性電鍍的問(wèn)題，采用酸性鍍鋅打底，但在冷熱交替的情況下，雙鍍層之間結(jié)合力不好，容易脫落，并且工藝過(guò)程更復(fù)雜，厚度、鎳含量等質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)較大。不同電鍍工藝的特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 鑄鐵件不同電鍍工藝比較Table 1 Comparison of different electroplating processes for iron casting

3 酸洗電鍍鋅鎳合金工藝

3.1 工藝流程

超聲波清洗─水洗─熱浸除油─水洗─酸洗─水洗─超聲波清洗─水洗─電解除油─水洗─40%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸活化─水洗─電鍍─水洗─2%(體積分?jǐn)?shù))硝酸出光─水洗─鈍化─水洗─封閉─流平─干燥。

3.2 鍍前處理

3.2.1 超聲波清洗

鑄鐵組織結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率高，表面殘留的灰塵、砂粒等不溶性的污染物通過(guò)一般的清洗方式難以徹底清除。超聲波清洗利用強(qiáng)大的沖擊波能滲透到工件表面孔隙里，使鑄鐵件表面徹底清洗干凈[3]。如圖1a 和圖1b 所示，經(jīng)超聲波清洗后，鑄鐵件表面較為潔凈。

3.2.2 熱浸除油

熱浸除油直接決定了鑄鐵件前處理和電鍍的成敗，因?yàn)樗岷退寂c油脂表面不相容，除油不徹底不僅會(huì)導(dǎo)致后續(xù)酸洗失敗，而且會(huì)形成不均勻的潤(rùn)濕表面，造成電鍍?nèi)毕荨Ｈ绾卧u(píng)價(jià)鑄鐵件粗糙表面熱浸除油的效果也是比較困難的，一般可以通過(guò)評(píng)價(jià)銹蝕的辦法來(lái)判斷。評(píng)判方法和步驟為：(1)熱浸除油后，把零件從掛具上取下，完全浸于水中清洗；(2)對(duì)清洗后的工件進(jìn)行酸洗，再超聲波清洗；(3)將工件置于空氣中30 min，檢測(cè)銹蝕情況。如圖2 所示，鑄鐵件表面銹蝕均勻表示除油比較徹底。經(jīng)過(guò)有效的除油工序后，鑄鐵件表面形成了如圖1c 中所示均勻的可潤(rùn)濕表面。影響除油效果的主要因素有溫度、時(shí)間、攪拌、堿含量以及表面活性劑。溫度太低、時(shí)間太短、攪拌不充分、表面活性劑含量太低等都會(huì)導(dǎo)致除油不徹底。堿一般選用微量NaOH，含量太低時(shí)除油不徹底，含量太高又會(huì)破壞基材，影響電鍍質(zhì)量。

圖1 鑄鐵件前處理示意圖Figure 1 Schematic diagram for pretreatment of iron casting

圖2 熱浸除油后的鑄件照片F(xiàn)igure 2 Photos of iron casting after hot-dip degreasing

3.2.3 酸洗

酸洗是保證鍍層結(jié)合力良好的關(guān)鍵，從圖1d 中可以看出，其主要作用有4 點(diǎn)：(1)去除鑄件表面的氧化皮和銹蝕；(2)去除表面加工后殘留的鐵屑；(3)腐蝕掉一部分鐵基體，使碳粒露出表面，便于后續(xù)碳粒脫落；(4)使表面的微孔由閉孔狀態(tài)轉(zhuǎn)化為開(kāi)孔狀態(tài)，便于后續(xù)清洗和電鍍。酸洗一般采用稀鹽酸，時(shí)間為5～10 min。時(shí)間太短，達(dá)不到酸洗的效果；時(shí)間太長(zhǎng)，表面會(huì)裸露太多的碳，影響電鍍質(zhì)量。

3.2.4 超聲波清洗

酸洗后，鑄鐵表面殘留了大量碳粒和石墨，會(huì)降低氫的過(guò)電位，導(dǎo)致大量析氫，阻礙金屬沉積，因此必須去除表面的碳。如圖1e 所示，利用超聲波振蕩清洗(非化學(xué)過(guò)程)，使表面碳粒、石墨脫落，露出可電鍍的金屬表面。超聲波頻率一般為25～40 kHz/min，頻率過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響脫碳效果。經(jīng)超聲波清洗和未經(jīng)超聲波清洗的表面明顯不同，如圖3 所示。未超聲波清洗的表面比較黑，可能是由于表面存在大量黑色碳粒和石墨，而經(jīng)過(guò)超聲波清洗的表面呈金屬光澤。超聲波清洗是鑄鐵件前處理必須采用也是最為重要的工序之一，直接決定了鑄鐵件電鍍的成敗。

圖3 超聲波清洗對(duì)鑄件表面狀態(tài)的影響Figure 3 Influence of ultrasonic cleaning on surface state of iron casting

3.2.5 電解除油

電解除油是為了進(jìn)一步清潔鑄鐵件表面，特別是徹底去除前面工序沒(méi)有溶解的細(xì)小雜質(zhì)顆粒，使之形成如圖1f 所示的更加均勻、潤(rùn)濕的表面，以提高鍍層的結(jié)合力。鑄鐵件一般采用陰極電解除油，清洗劑采用堿性螯合物，對(duì)電極一般為低碳鋼，電流約5.5 A/dm2。應(yīng)注意控制陰極電解除油的時(shí)間和電流，避免發(fā)生氫脆而影響鑄鐵件強(qiáng)度。

3.3 電鍍

鑄鐵件酸性電鍍鋅鎳合金主要有硫酸鹽體系和氯化物體系，氯化物電鍍體系具有導(dǎo)電性好、分散性好、電流效率高、沉積速率快、氫脆性低、光亮度好、易實(shí)現(xiàn)常溫操作等優(yōu)點(diǎn)而研究得較多[4-5]。目前投入實(shí)際生產(chǎn)的電鍍生產(chǎn)線也大都采用氯化物體系。電鍍?cè)O(shè)備方面，與堿性電鍍鋅鎳合金相比，酸性電鍍鋅鎳合金更加復(fù)雜。如圖4 所示，堿性電鍍鋅鎳合金一般采用鋅陽(yáng)極，鎳通過(guò)溶液添加，而酸性電鍍鋅鎳合金一般采用兩組可溶性陽(yáng)極，即鋅陽(yáng)極和鎳陽(yáng)極，二者的面積比一般為(4∶1)～(8∶1)，并采用2 個(gè)整流器，電流比一般也為(4∶1)～(8∶1)。建議的鍍液體系為：KCl 210～250 g/L，ZnCl240～70 g/L，NiCl2·6H2O 90～120 g/L，H3BO320～30 g/L，配位劑、光亮劑和緩蝕劑適量。

圖4 酸性電鍍鋅鎳合金系統(tǒng)的陽(yáng)極與電源配置Figure 4 Anode and power source for acid zinc–nickel alloy electroplating system

3.4 后處理

鑄鐵件電鍍后一般選用稀硝酸(約3%)進(jìn)行化學(xué)拋光，可提高鍍層光亮度和平整度，改善鈍化膜外觀和牢固度。鑄鐵件表面為多孔結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)極易殘留酸堿溶液，不僅造成鍍層發(fā)黑、發(fā)暗，而且會(huì)大大降低鍍層的耐腐蝕性能，因此鑄鐵件的鍍后清洗非常重要。一般采用熱水和冷水交替清洗2～3 次，再進(jìn)行鈍化處理。熱水清洗時(shí)，可使?jié)B入鑄鐵孔隙內(nèi)的鍍液因受熱膨脹而溢出，用冷水清洗時(shí)恰好相反，即冷水進(jìn)入孔隙內(nèi)，可防止表面泛白。注意熱水清洗的水溫不能過(guò)高，一般為80°C；時(shí)間不能太長(zhǎng)，一般為1～2 min，否則會(huì)使鍍層表面生成氧化膜，第一個(gè)熱水槽容易受電鍍液污染，必須經(jīng)常更換。與其他基材電鍍鋅鎳合金一樣，鍍層必須經(jīng)過(guò)鈍化和封閉處理，以提高防腐性能，改善外觀，并獲得均勻的銀色、黑色等不同顏色和光澤。

3.5 常見(jiàn)故障的原因及對(duì)策

3.5.1 鍍層黑斑

(1)前處理不干凈，微孔內(nèi)殘留的油等污染物在烘干后滲出，污染了鍍層，應(yīng)加強(qiáng)前處理。

(2)鈍化液有雜質(zhì)，應(yīng)去除雜質(zhì)或更換鈍化液。(3)電鍍液有雜質(zhì)，應(yīng)加強(qiáng)鍍液維護(hù)。

(4)電鍍后清洗不充分，鍍液殘留在孔洞中，在一定濕度下殘液遷移到表面，腐蝕鍍層而產(chǎn)生黑斑。應(yīng)加強(qiáng)電鍍后清洗。

3.5.2 鍍層發(fā)暗

(1)鈍化時(shí)間太長(zhǎng)，應(yīng)縮短鈍化時(shí)間。

(2)電鍍后熱水清洗時(shí)間太長(zhǎng)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)那逑磿r(shí)間。

(3)添加劑不足，應(yīng)補(bǔ)充添加劑。

3.5.3 鍍層有針孔、麻點(diǎn)

(1)基材表面孔洞太多，導(dǎo)致基材太粗糙，應(yīng)改善鑄造工藝。

(2)基材拋丸不良，應(yīng)調(diào)整拋丸壓力、時(shí)間等參數(shù)及丸粒的材料、尺寸和硬度。

(3)前處理不干凈，表面存在污染物或石墨，應(yīng)加強(qiáng)前處理。

(4)鍍液中含有固體雜質(zhì)，應(yīng)加強(qiáng)鍍液的過(guò)濾處理。

3.5.4 鍍層鼓泡、起皮

(1)基材前處理不徹底，表面殘留氧化膜、石墨等雜質(zhì)，應(yīng)加強(qiáng)前處理工序。

(2)電鍍后清洗溫度不合理，過(guò)度熱脹冷縮，應(yīng)選擇合適的冷熱水清洗溫度。

(3)酸洗液濃度過(guò)高，或者陰極電解時(shí)間太長(zhǎng)，電流太大，導(dǎo)致前處理析氫嚴(yán)重，電鍍后烘干時(shí)氣體膨脹，形成氣泡。應(yīng)適當(dāng)降低酸洗濃度，調(diào)整陰極電解的時(shí)間和電流。

(4)鍍槽中有機(jī)物等雜質(zhì)多，應(yīng)加強(qiáng)鍍液維護(hù)。

3.5.5 鍍層局部不上鍍

(1)零件結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，或掛具設(shè)計(jì)不合理，工件局部形成電流盲區(qū)。應(yīng)調(diào)整掛具，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)初始電流密度太小，應(yīng)適當(dāng)提高初始電流密度。

(3)前處理不當(dāng)，表面有油污、石墨、氧化皮殘留，導(dǎo)致無(wú)法形成鍍層，應(yīng)加強(qiáng)除油、酸洗、超聲波清洗工序。

3.5.6 鍍層脆性大

(1)鍍層鎳含量太高，應(yīng)調(diào)整陽(yáng)極面積和電流密度比例。

(2)鍍液中有機(jī)雜質(zhì)多，應(yīng)去除鍍液中的雜質(zhì)。

(3)鍍液溫度過(guò)高，應(yīng)適當(dāng)降低鍍液溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

鑄鐵件電鍍雖然難度較大，工藝相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題多，但通過(guò)采用自動(dòng)化的控制設(shè)備，加強(qiáng)每道工藝的過(guò)程控制，便可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)的鑄鐵件酸性鋅鎳合金工藝雖然研究得較早[6-7]，但實(shí)際應(yīng)用進(jìn)展比較緩慢。近年來(lái)隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，酸性鋅鎳合金大規(guī)模地應(yīng)用于汽車(chē)制動(dòng)鉗，出現(xiàn)了一些自動(dòng)化程度較高的鋅鎳合金電鍍線，但其技術(shù)仍被國(guó)外鍍液廠商壟斷，成本較高，因此國(guó)內(nèi)電鍍廠商需要不斷研究國(guó)產(chǎn)電鍍鋅鎳合金工藝的實(shí)用性，通過(guò)優(yōu)化鍍液體系，提高國(guó)產(chǎn)電鍍?cè)O(shè)備的自動(dòng)化程度，以提高質(zhì)量穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本。

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