Zn-Ni 合金电镀工艺的现场控制方法及要点

Zn-Ni 合金电镀工艺的现场控制方法及要点

锌-镍化合物

周长宏戴利文

电镀金工艺的现场控制

（）

［摘要］简要叙述了锌镍合金的工艺流程、对现场软硬件的要求以及现场控制的基本方法。

调整锌镍合金镀液操作程序及现场维护要点。

［关键词］合金；添加剂；现场控制

0 简介

随着科学技术和现代工业的快速发展，对各种装饰防护涂层的要求越来越高，传统的镀锌涂层已不能满足要求。

为了满足人们对高耐腐蚀性能的要求，电镀锌基合金的应用越来越广泛，其中研究和应用最多的是锌和铁族元素。

由元素金属形成的二元或三元合金。这些锌基合金是钢基材的阳极涂层，但比常用的锌涂层更坚固。

具有较好的耐蚀性，在锌基合金中，Zn-Ni合金（含Ni量10'-15wt%）的耐蚀性较高，约为镀锌层的3-10%。

6倍，是一种优异的防护装饰涂层，适合在恶劣的工业大气和恶劣的海洋环境中使用，甚至在200年后。

经250℃加热后钝化膜仍能保持良好的耐腐蚀性能。

焊接性和切削加工性的优良性能使得其应用越来越广泛，特别是Zn-Ni合金镀层的高熔点(750~

800℃)耐高温性能好，广泛应用于汽车零部件等需要耐高温的场合，氢脆性低，适用于高强度钢，

弹簧钢上的电镀也可作为镀镉的替代品并用于军工产品。

1. 锌镍合金工艺概述

第一步是选择一个相对简单、完整的电镀工艺，使其简单、可靠、低成本、高效。

在系统工程中，每个工序都起着不可替代的作用，因此需要保证每个工序在规定的工艺控制范围内运行。

只有这样，才能生产出符合质量标准的优质产品。正如《孙子兵法》所说，不谋大局者，无以谋小局。细节决定成败。

1.1 锌镍合金工艺流程

对于要求有良好外观和附着力的电镀层，电镀前有一个非常干净的表面是非常必要的。

为保证合金镀层获得理想的结合强度和外观，工件表面应做到“四无”，即无油污、无锈迹、无灰尘、无氧化膜。

电镀“三无”要求人人皆知，但工件表面不得有氧化膜这一事实却常常被人们忽视。

氧化膜是在工件基体表面生成的一层结构松散的氧化物或吸附剂（统称氧化膜）。

这种松散的物质不能很快地溶解或除去，当它混入涂层中时，将大大降低涂层的结合强度，并且涂层将

工件表面容易产生喷霜、雾化、针孔、粗糙等缺陷，此时工件表面状态称为“钝化”或“不活跃”，因为这种

这种状态会阻碍合金镀层在基体表面晶格的自然延伸，造成各种电镀缺陷。

造成这种情况的原因有很多，比如钢制工件在进入锌镍合金镀槽前必须经过酸洗活化处理，如果工件在酸洗活化处理后暴露在空气中，

随着时间的推移，镀件表面会很快形成一层氧化膜，有时甚至会形成浮锈。酸洗活化时酸的浓度越高，钢件越容易生锈。

在空气中较容易氧化，因此在酸洗、活化时需加入适量的添加剂，避免或减少氧化膜的生成。

锌镍合金工艺流程：

化学脱脂，一级或二级，逆流水洗，脱脂，酸洗，三级，逆流水洗，阳极电解脱脂，一级或二级，逆流水洗，活化，一级或二级

逆流水洗—碱浸—锌镍合金电镀—四级逆流水洗—纯水浸—钝化—两级纯水洗—热纯水洗—压缩空气吹扫

烘干

（1）化学除油：988除油王A509/L，温度40-60℃，时间5-10min，

119 中国。宁波，2011 年 10 月

来Q吧！！墨量就是墨量，墨量就是墨量，墨量就是墨量。

取决于工件的油污程度

（2）酸洗：HCl：H20=I：2,998除锈剂409/L，室温，时间2~10min

取决于工件的生锈情况

在酸洗液中添加998添加剂，可明显延长酸洗液寿命，防止酸雾和氢脆，缓蚀率为99%。

零部件将进行第二次上油和除尘。

（3）阳极电解除油：988除油王B，温度40-60℃，时间2-5分钟，D^5-10A/cm2

由于碱性锌镍合金对前处理的要求比较严格，因此，及时、细致地改进前处理工艺对保证产品质量十分必要。

需返回的工件量必须先在另一个离线酸洗槽中除去合金镀层后才能进入此工序。

绝对不允许直接用于返工生产，同时请注意当挂具完成一道工序后，还必须将其取出放入另外一道酸洗液中。

如果每次没有将锌镍合金镀层完全去除的话，轻则影响工件的定位，重则造成吊具的损坏。

印章、阴阳面等。

（4）活化液、碱液应根据具体情况及时更换，活化液为10%HCl基水溶液，碱液含NaOH 509/L。

1.2 电镀液组成及工作条件

挂镀 滚镀

ZnO8～10g/L10～129/L

～1409/L120～1409/L

RG-281络合剂 80---110mL/L 00---110mL/L

R・G-281 镍添加剂 10～16mL/L10～16mL/L

R・G-281 光亮剂 ２～３mL／Ｌ２～３mL／Ｌ

温度20～28℃20～28℃

Dk1.5--.2A/dm20.5～lA/dm2

阳极镍板 镍板

阴极运动需要

速度6~8n/min

连续过滤必需是必需是

制冷设备要求 是必需 是

需要加热设备 是 需要 是

自动恒温控制 必需 是 必需 是

1.3 电镀液配置

将计算量的ZnO和NaOH置于耐热容器中搅拌，然后加入总体积20%的水，搅拌直至溶液由乳白色变为灰白色。

颜色，时间20'-30分钟，然后加入总体积20％的水，搅拌20'-30分钟，直至变成透明液体，然后加水至总体积的80％，

搅拌20”-30分钟，至成透明液体为止，加入2-39/L试剂级锌粉，搅拌30分钟，过滤入罐。

将计算量的R·G-281络合剂与R·G-281镍添加剂混合加入镀液中，再加入计算量的光亮剂。

经过几个小时的电流电解后尝试电镀。

在准备大槽之前，要准备一升镀液，使用赫尔槽确认原材料没有问题后，就可以开始准备大槽镀液了，这个很重要。

非常重要的是，制备所用的水是去离子水。

中国宁波，2011年，第10届

一'三承载,三承载, DR, , IMAGE, , KING, STEM, FORT, , ,

1.4 锌镍合金与碱性环保锌的制罐成本比较

在配池成本方面，碱性锌成本约为1.2元/L，成本与添加剂的用量密切相关。

成本约为6元/kg，是碱性锌酸盐镀锌的5倍左右，这还只是配制镀液的成本。

热工设备、镍阳极或厚镀镍钢板阳极等其他设备的投资比碱性镀锌溶液大得多。

运行成本：碱性镀锌的镀液运行成本为1单位，而锌镍合金的镀液运行成本至少为4至5倍。

２

镀液成分及工作条件的影响

2.1 NaOH对电流效率及镀层镍含量的影响

NaOH浓度对镀层中镍含量的影响为:在100~1409/L范围内,随着NaOH浓度的增加,镀层中镍含量增加。

在NaOH浓度130～140%时略有增加并达到最高点，但当NaOH浓度超过140%后，镀层中的镍含量略有下降。

NaOH在100～1409/L范围内时，对镀液的电流效率影响不大，同时NaOH对锌起络合剂的作用，可以提高镀液的导电性。

容量一般选取120~1409/L。

2.2

ZnO含量和N的影响。

当镀液中镍离子浓度一定时，锌离子浓度越高，镀层中镍含量越低。因此，应控制镀液中镍离子和锌离子的浓度。

二者的配比比较重要，生产中可以通过增加或减少二者的配比来控制镀层的镍含量，这是控制镀层中镍含量的关键。

镀液中NaOH/ZnO比例与碱性锌酸盐镀锌相同，应控制在10"-12。当ZnO含量过高时，

这会影响低洼地区的运动。

2.3 络合剂对镀层中镍含量的影响

当镀液中不含螯合剂或螯合剂不足时，镀液中的镍离子容易析出，不能与锌离子共沉淀，造成定位不良。

随着络合剂浓度的增加，镀层中镍含量也随之增加，当络合剂浓度达到80”-100ml/L时，镀层中镍含量基本

上述结果表明，在碱性介质中，镍离子与络合剂有较强的配位能力，可以形成带正电的

由于锌镍合金的电沉积是在带负电荷的阴极表面进行的，镍络合离子受到双电层电荷的影响。

镀层中镍含量随络合剂浓度的增加而增加，当镀液中络合剂含量不

当镀液中络合剂的浓度足以和所有的镍离子形成络合物时，镀层中的镍含量不会超过10%。

如果继续增加浓度，镀层中的镍含量也会增加。也就是说，当镀液中RG-281络合剂的浓度达到100ml/L左右时，镀层中的镍含量就会增加。

该层中的镍含量可保持基本恒定。

2.4 电流密度对镀层镍含量及电流效率的影响

碱性锌镍合金中镍含量随电流密度的增加略有增加，整体变化不大。在0.5-6A/dm2范围内镍含量

镀层中镍含量在规定范围内基本保持不变，当电流密度大于6A/dm2时，镀层中镍含量增加，当电流密度小于

电流高于0.5A/dm2后，镀层中镍含量降低，因此，综合考虑镀层镍含量和电流效率，生产

生产时电流密度应控制在1.5-2A/dm2，电流密度过大，会降低阴极电流效率，车间碱雾较大。

2.5 温度

碱性锌镍合金一般在20～28℃即可获得良好的镀层，随着镀液温度的升高，镀层中的镍含量会增加。

温度过高时镀层中镍含量过高，低温区移动不畅，Na.CO.易聚集，因此需要有自动控温设备。

其中有一个要求就是一般生产温度保持在20-25℃。

2.6 添加剂的作用及作用机理

添加剂是碱性锌镍合金电镀液中不可缺少的重要组成部分，其含量直接影响锌镍合金镀层的质量。

锌镍合金镀液中虽然存在锌、镍络合剂，但由于其浓度和络合能力的限制，并不适合在没有任何添加剂的情况下进行电镀。

在此条件下，不可能得到正常均匀光亮的合金镀层，由于添加剂的加入，在阴极表面形成一层紧密的吸附层，对电流影响很大。

对锌、镍离子的通过有一定的阻断作用，减缓了锌、镍离子的迁移和排出速度，降低了合金镀层中的镍含量；同时

121 中国 宁波 2011 10R

岚Q！！流这些悬崖，王家岭，星空，未来镜，王家岭，星空，大厅，城堡！宝流！。：I___■

提高阴极极化，使晶核生成速度大于晶核生长速度，结晶微粒化，防止粗大晶核的生成，从而提高

涂层的各种性能。

2.7 涂层硬度及外观

本工艺的工艺规范为:在电流密度Dk 0.5~6A/dm2范围内,可得到光泽均匀的锌镍合金镀层,硬度在

200～250HV，高于碱性锌酸盐镀锌硬度（90～120HV），耐蚀性是镀锌层的3～6倍。

2.8 Zn-Ni合金优异耐腐蚀性能的机理

镍含量为10-15wt%的锌镍合金镀层为单相Y型结构，电极比Zn为正。由Zn-Ni/Fe构成的原电池为

腐蚀电动势较小，所以腐蚀速度较慢。另外，合金镀层腐蚀后，表面生成的腐蚀产物（主要为ZnCl·4Zn(OH)

具有良好的绝缘性能，能阻止镀层的进一步腐蚀。锌镍合金镀层的耐腐蚀性能高，腐蚀产物具有良好的绝缘性能

ZnCl:.4Zn(0H)2相关。

锌镍合金镀层发生腐蚀时

阳极反应：Zn + 2H20-Zn(oH)2+2H++2e（1）

Zn(0H)2-ZnO+I/2H20 (2)

阴极反应：1/202+H2O+2e-20K（3）

Zn首先反应生成Zn(oＨ)，由于Zn(0Ｈ)的导电性较差，可以在镀层表面形成一层绝缘层，从而起到抑制腐蚀的作用。

在没有镍的情况下，反应（3）进行，生成n型半导体ZnO。但ZnO对腐蚀反应的抑制作用较弱。

这样腐蚀就会持续下去，当合金镀层中含有镍时，可以有效抑制ZnO的极化生成，并使大量的ZnO富集在产物中。

镍元素使表面电位前移，从而减缓腐蚀过程中的氧化速度。可以说镍的存在对

新的腐蚀产物起到了稳定作用，大大降低了涂层的腐蚀速度。

大多数研究表明，镍含量为10-15wt%的镍合金镀层耐腐蚀性能最好。

镍含量小于10wt%的锌镍合金镀层金相组织为单相，成分为Y（Ni.Zn.）。当镍含量小于10wt%时，镀层由原来的

Y单相转化为Y+13（NiZn）复相，当镍含量大于15wt％时，转化为Y+Q（Ni）复相。

从阳极保护转换为阴极保护（类似于钢上的 Cu-Ni_Cu 涂层）：Y+a(Ni)，镍含量大于 15wt%

多相，在各种钝化液中钝化都极其困难，而单相锌镍合金稳定性较好，因此现代Zn-Ni最佳防护范围为

镍含量为10-15wt％。在此范围内，当镍含量在12.5％左右时，耐腐蚀性能最好，如图所示......

《

，

螨虫

鞠

复制

２

经济

C，）

是

0 4 8 12 16 20 24

呼叫（Ni）（％）

锌镍合金镀层镍含量与耐蚀性的关系

3.现场生产过程控制

锌镍合金生产线上存在的主要问题是所得镀层镍含量不够稳定，镀液易变化且不易控制。

镀层中镍含量控制简单，可形成镍含量为10-15wt%的单相锌镍合金镀层。

中国图书馆，宁波，2011，10R，122

●?三干垫检圣凸=簇i盒全电卜王干之要塞阳撞剑

与传统镀层技术相比，络合剂用量大大减少，热冲击后仍具有较高的耐蚀性，具有优异的深镀能力和分散能力，甚至

它还能满足非常复杂的部件的要求，并具有良好的钝化性能。

3.1 电镀生产厂家的软硬件要求

软件：（1）企业应有比较完善的管理制度，原料、添加剂的添加应有专人管理、记录。

（2）现场督导人员应具有大专以上学历，因为合金电镀的技术难度比单一电镀大得多。

五金电镀，没有一定知识水平的现场工程师是无法保证产品质量的，这更能体现“知识就是力量”的真谛，

例如锌镍合金镀层中镍含量与以下因素有关：镀液中Zn2+含量、NaOH含量、Ni2+含量、

NaOH：ZnO的比例、Zn2+：Ni2+的比例、镀液的温度、镀液中络合剂的含量、镀液的过滤速度(搅拌强度)、

阴极介电常数（Dk）与其他因素相关，在这些影响因素中，必须分清哪些是主要因素，哪些是次要因素，只有综合分析、控制，才能保证阴极介电常数的稳定。

只有通过这个体系，我们才能生产出高质量的产品。

硬件要求：（1）去离子水设备、冰箱、过滤器（2）实验室设备，包括冰箱、水浴锅、赫尔槽、整流器、

721分光光度计及其他必要的实验室检测设备和仪器。

3.2 使用赫尔槽测试和调整电镀液的标准程序

（1）取样分析ZnO和NaOH。ZnO含量每班至少分析两次，NaOH含量每班至少分析一次。

结果已调整至工艺范围。

（2）在恒温水浴或冰浴中将温度设定为25℃，将赫尔槽放入箱内，开始赫尔槽实验。一般情况下，取1个

AX5分钟，

1Ａ×lＯmin、0.2ＡＸlＯmin后再观察试件的情况，最好与开瓶时（或正常生产时）密封的样品进行比较，进行对比。

三块试件正常时光泽均匀，镀层镍含量在较低水平时，试件更白、更亮。