钢铁紧固件锌镍合金镀层性能研究

     锌镍合金镀层基本无氢脆,又具有优异的耐蚀性,因而成为钢铁紧固件合适的防护层。通过电镀锌镍合金工艺试验,着重对锌镍合金镀层的外观及厚度、镍含量、结合强度、耐蚀性、油漆匹配性进行了分析研究。结果表明:电镀锌镍合金是一种适合钢铁紧固件的可靠的、综合性价比较高的防护层。

    目前,钢铁紧固件的防腐蚀表面处理应用最多的是镀锌。一般室内紧固件考虑装饰性为主,大多以电镀锌为首选表面处理方法;户外紧固件以防腐蚀为主,除选用电镀锌外,也有选择热镀锌为表面防护层(主要是M10以上的紧固件)。然而,对于特别恶劣的户外环境,比如高湿、高盐雾的海洋环境,经过镀锌处理的紧固件的耐蚀性往往难以满足使用要求。电镀镉层在海洋环境显示出优异的耐蚀性,人们开始在海洋环境使用镀镉层作为防护层的紧固件,效果较好[1,2]。随着我国对环境保护的重视,镀镉工艺已经列入原国家经贸委颁布的《淘汰落后生产工艺和产品》目录中,因此,开展镀镉替代工艺研究是非常必要的。

    20世纪80年代初期,我国开始了电镀锌系合金领域内的研究工作,相继开发出了多种电镀锌镍合金工艺并得到应用。当锌镍合金镀层中含镍量为8%~15%(最佳值13%)时,其耐蚀性能优良,约为同等厚度下镀锌层的3倍~5倍;而且含镍量15%以下的锌镍合金镀层还可以钝化,钝化后耐蚀性得到大大增强;锌镍合金镀层基本无氢脆,可焊性和延展性也较好[3]。所以,锌镍合金镀层是一种适合紧固件的成熟、合理的防护层。文中通过相关工艺试验,着重对锌镍合金镀层性能进行了分析研究。

    1实验部分

    1.1试样

    试样为内六角圆柱头螺钉,螺纹规格d=M6,公称长度L=20mm,性能等级为8.8级,材质为45#钢。

    1.2工艺流程

    除油→热水洗→冷水洗→弱浸蚀→两级冷水洗→电镀锌镍合金→两级冷水洗→钝化→冷水洗→热水洗→烘干。

    1.3电镀溶液成分及操作条件

    本实验采用的是由武汉材料保护研究所研制的碱性锌酸盐电镀锌镍合金工艺,电镀溶液成分及操作条件见表1。

    2结果及讨论

    2.1镀层外观及厚度

    锌镍合金镀层经钝化后形成艳丽的彩虹色钝化膜。

    锌镍合金镀层厚度越厚,防护寿命越长。考虑到紧固件螺纹间隙,镀层厚度一般选择(5μm~10μm)为宜[4]。本实验中螺钉试样镀层经便携式测厚仪测试,厚度为8μm左右。

    2.2镀层中镍含量

    利用X射线荧光光谱(XRF)对锌镍合金镀层进行分析得知:镀层中镍含量约为8%。

    2.3镀层结合强度

    螺钉试样经200℃保温一小时骤冷至室温试验后,镀层与基体结合良好。

    与螺钉试样随槽电镀的样板(材质:st12)经钢球摩擦抛光试验(GB5270-85)后,镀层完好,未见镀层与基体剥离等现象。结果表明:锌镍合金镀层与基体结合强度良好。

    2.4镀层耐蚀性

    按GB/T10125进行中性盐雾试验(NSS),并与镀锌(彩钝)螺钉进行对比,试验结果见表2

    从表2可以看出,相比锌镀层而言,锌镍合金镀层的耐蚀性能更加优异。研究表明[5],当锌镍合金镀层发生腐蚀时,镍的存在导致其腐蚀产物为ZnCl2·4Zn(OH)2,该产物均匀致密地覆盖在表面上,且不易导电,故对镀层有保护作用;而且,镍对阴极过程有抑制作用,这也有利于耐蚀性的提高。然而,锌镀层的腐蚀产物主要是疏松、无保护性的半导体ZnO。这些原因合理解释了表2的试验结果。

    2.5镀层与油漆的匹配性

    采用样板(材质:st12,锌镍合金镀层厚度约为8μm)来考察镀层与不同种类底漆的匹配性,按SJ/T10674规定的方法检测底漆的附着强度,按GB/T1732规定的方法检测底漆的耐冲击性能,试验结果见表3。

    从表3可以看出,锌镍合金镀层与环氧类、聚氨酯类底漆匹配性良好。

    锌镍合金镀层是一种易操作、高性价比的钢铁紧固件的防护方法;如与有机涂层复合使用,将成为钢铁紧固件可靠的长效防护方法。但是,相比电镀锌(或热镀锌)而言,电镀锌镍合金溶液维护较麻烦,一般每周都需要对镀液进行分析并进行调整。今后,开发易维护的电镀锌镍合金溶液将是一个发展方向。