工藝因素對滾鍍鎳鍍液分散能力的影響

廖磊華*，徐金來，劉衛(wèi)國，胡耀紅

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工藝因素對滾鍍鎳鍍液分散能力的影響

廖磊華*，徐金來，劉衛(wèi)國，胡耀紅

（廣州鴻葳科技股份有限公司，廣州二輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所，廣東 廣州 510663）

采用由100 g/L Ni2SO4·6H2O、120 g/L NiCl2·6H2O、40 g/L導(dǎo)電鹽、50 g/L H3BO3和適量BH-959系列復(fù)合光亮劑［按300 mL/（kA·h）補(bǔ)加］組成的鍍液對鐵基鉸鏈滾鍍鎳。研究了溫度、pH、施鍍時間、滾筒轉(zhuǎn)速及電流密度對滾鍍鎳液分散能力和鍍層厚度的影響，得到最佳條件為：溫度60 °C，pH 4.4，電流密度4 A/kg，滾筒轉(zhuǎn)速8 r/min，時間90 min。BH-959滾鍍鎳工藝在光亮劑消耗量、鍍液分散能力等方面都優(yōu)于行業(yè)同類工藝，目前該工藝已成功應(yīng)用于廣東某家具五金表面處理公司。

鐵基鉸鏈；滾鍍鎳；復(fù)合光亮劑；分散能力；工藝條件

First-author's address: Guangzhou Hongway Technology Co.， Ltd.， Guangzhou Etsing Plating Research Institute，Guangzhou 510663， China

據(jù)行業(yè)調(diào)查，滾鍍的加工量占電鍍加工總量的50%。滾鍍光亮鎳鍍層具有光亮潔白、不易褪色等諸多優(yōu)點(diǎn)，是小尺寸產(chǎn)品裝飾性鍍層的較佳選擇［1］。自20世紀(jì)90年代國外鍍鎳中間體被引進(jìn)國內(nèi)以來，國內(nèi)的鍍鎳添加劑也得以迅速發(fā)展，滾鍍鎳工藝也在同一時期得到了較大的完善。鐵基鉸鏈被廣泛用于木質(zhì)家具的連接鉚合，其尺寸較小，特別適合滾鍍鎳。但其凹處較深且腔體形狀特殊，因此對滾鍍鎳液的分散能力要求較高。另外滾鍍工藝復(fù)雜、影響因素較多，因此選擇一款性能優(yōu)異的滾鍍鎳光亮劑的同時，對滾鍍鎳工藝進(jìn)行優(yōu)化也是必要的。

本文選用廣州二輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所研發(fā)的BH-959復(fù)合光亮劑為光亮劑，對鐵基鉸鏈進(jìn)行滾鍍鎳，研究了鍍液溫度、pH、施鍍時間、滾筒轉(zhuǎn)速、電流密度等參數(shù)對滾鍍鎳液分散能力的影響，以優(yōu)化滾鍍鎳工藝。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 主要試劑

化學(xué)鍍級NiSO4·6H2O、電鍍級NiCl2·6H2O，金柯有色金屬有限公司；化學(xué)純導(dǎo)電鹽，廣州化學(xué)試劑廠；電鍍級H3BO3，美國硼砂集團(tuán)；BH-959滾鍍鎳系列光亮劑、BH-16化學(xué)除油粉、BH-83無磷電解除油粉、BH-無鉻鈍化粉，廣州二輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所。其中，BH-959滾鍍鎳系列光亮劑由主光亮劑、走位劑、輔助光亮劑和低區(qū)光亮劑按體積比4∶1∶1∶1組成，具有出光快，消耗量低，延展性好，高、低電流密度區(qū)色差均勻及分散能力佳的優(yōu)點(diǎn)。

1. 2 工藝流程

以廣東某五金廠提供的鐵基鉸鏈作為電鍍工件（見圖1），可調(diào)轉(zhuǎn)速式滾筒（見圖2）由佛山南海光明電鍍設(shè)備有限公司提供。工藝流程為：化學(xué)除油（BH-16化學(xué)除油粉60 g/L，70 °C，20 min）→水洗→陽極電解除油（BH-83無磷電解除油粉60 g/L，60 °C，5 V，30 min，以不銹鋼板為陰極）→3道水洗→酸洗除銹（體積分?jǐn)?shù)為20%的鹽酸，10 min）→2道水洗→去離子水洗→滾鍍鎳→隨機(jī)取出待測試工件→2道水洗→去離子水洗→無鉻鈍化（BH-無鉻鈍化粉40 g/L，40 °C，5 min）→2道水洗→去離子水洗→熱去離子水洗（60 ～ 70 °C）→干燥。

圖1 鐵基鉸鏈高、低電流密度區(qū)的厚度測試點(diǎn)Figure 1 Test points of thickness at high and low current density areas of iron hinge

圖2 可調(diào)轉(zhuǎn)速式滾筒照片F(xiàn)igure 2 Photo of rotation rate-adjustable plating barrel

1. 3 滾鍍鎳配方和工藝

NiSO4·6H2O 100 g/L，NiCl2·6H2O 120 g/L，導(dǎo)電鹽40 g/L，H3BO350 g/L，BH-959復(fù)合光亮劑300 mL/（kA·h），裝載量25 g/L，pH 3.8 ～ 5.0，溫度35 ～ 60 °C，電流密度2 ～ 10 A/kg，滾筒轉(zhuǎn)速4 ～ 14 r/min，時間20 ～ 90 min。

1. 4 鍍液分散能力測定

采用德國Fischer XDL-232型X-熒光測厚儀測定鍍層厚度，測試位置如圖1所示，分別以δH、δL表示高、低電流密度區(qū)（工件凸起處定義為高電流密度區(qū)，凹處為低電流密度區(qū)）的厚度，每次測定20個試件，取平均值，按式（1）計(jì)算鍍液的分散能力N。N越小，說明鍍液的分散能力越好。N = δH/δL

（1）

2　結(jié)果與討論

2. 1 工藝參數(shù)對鍍液分散能力的影響

2. 1. 1 溫度對鍍液分散能力的影響

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，溫度低于40 °C時，光亮劑的整平效果不佳，所得鍍層光亮度不佳；溫度高于60 °C時，鍍液蒸發(fā)損失過快，光亮劑的消耗量增大，不利于現(xiàn)場連續(xù)生產(chǎn)。因此，固定pH為4.4、滾筒轉(zhuǎn)速為6 r/min、電流密度為8 A/kg，在不同溫度下滾鍍鎳60 min，以研究溫度對鍍液分散能力的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，高電流密度區(qū)的鎳層厚度大于低電流密度區(qū)；隨溫度升高，高、低電流密度區(qū)的鍍層厚度均增大，兩者的比值減小，即鍍液的分散能力改善。鎳的沉積速率受滾筒內(nèi)部液相傳質(zhì)速率控制，滾鍍鎳過程中，滾筒的翻滾使得高電流密度區(qū)的鍍液得以及時更換，低區(qū)由于較封閉，鍍液更換緩慢，因此前者的厚度大于后者。鍍液升溫時，液相傳質(zhì)加快，即離子的擴(kuò)散速率增大，并且低電流密度區(qū)的加快速率高于高電流密度區(qū)，所以δL的增大幅度大于δH，鍍液分散能力改善。因此，適宜的滾鍍鎳溫度為50 ～ 60 °C，最佳溫度為60 °C。

2. 1. 2 pH對鍍液分散能力的影響

其余參數(shù)同2.1.1，溫度為55 °C時，pH對滾鍍鎳分散能力的影響見圖4。從圖4可知，pH從3.8升至4.0時，高、低電流密度區(qū)的鎳層厚度均減小，鍍液分散能力變差。pH從4.0升至4.4時，高、低電流密度區(qū)的鎳層厚度變化不大，鍍液分散能力基本不變。繼續(xù)增大鍍液pH，高電流密度區(qū)的鍍層厚度增大，低電流密度區(qū)的鎳層厚度反而減小，鍍液分散能力變差。因此，鍍液pH以4.0 ～ 4.4為宜，最佳為4.4。

圖3 溫度對鍍液分散能力的影響Figure 3 Effect of temperature on throwing power of bath

圖4 pH對鍍液分散能力的影響Figure 4 Effect of pH on throwing power of bath

2. 1. 3 施鍍時間對鍍液分散能力的影響

固定pH為4.4，其余參數(shù)同2.1.2，研究施鍍時間對滾鍍鎳液分散能力的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，施鍍時間在40 min以內(nèi)時，隨著施鍍時間延長，高、低電流密度區(qū)的鍍層厚度均增大，鍍液分散能力變差。當(dāng)施鍍時間超過40 min后，鍍層厚度繼續(xù)增大，鍍液分散能力開始好轉(zhuǎn)。這是由于光亮鎳在鍍件表面的沉積使其導(dǎo)電能力提高，加之工件間的摩擦使相互間的接觸更充分，二次電流分布得到改善［2］，δL的增大速率大于 δH的增大速率，N減小，鍍液分散能力逐漸好轉(zhuǎn)。因此，參考鍍鎳層厚度要求和生產(chǎn)效率，選擇施鍍時間為70 ～ 90 min較適宜，最佳為90 min。

2. 1. 4 滾筒轉(zhuǎn)速對鍍液分散能力的影響

滾筒轉(zhuǎn)速決定了鍍件在滾筒內(nèi)的翻滾程度，同時也影響著滾筒內(nèi)外鍍液的交換能力，對鍍液分散能力有直接的影響［3-4］。圖6為其余參數(shù)與2.1.3節(jié)相同，施鍍時間為60 min時，滾筒轉(zhuǎn)速對鍍液分散能力的影響。

圖5 施鍍時間對鍍液分散能力的影響Figure 5 Effect of plating time on throwing power of bath

圖6 滾筒轉(zhuǎn)速對鍍液分散能力的影響Figure 6 Effect of rotation rate of barrel on throwing power of bath

從圖6可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速從4 r/min增大至8 r/min時，工件的翻滾程度得到加強(qiáng)，通電的連續(xù)性加強(qiáng)，鍍液的交換能力提高，但由于鍍件高電流密度區(qū)本身就處于鍍液交換頻繁的區(qū)域，鍍層厚度提高不明顯，而低電流密度區(qū)由于其封閉形狀等因素，受濃差極化的影響較大，此時提高滾筒轉(zhuǎn)速，可促進(jìn)鍍液交換，降低低區(qū)濃差極化，使低區(qū)沉積速率增大，鍍層厚度增大，最終使得N不斷降低，分散能力變好。然而轉(zhuǎn)速過大時，工件間的相互磨削作用加強(qiáng)，離心慣性增大，通電狀態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致分散能力逐漸惡化［1］。同時，滾筒轉(zhuǎn)速變大還加劇了鍍件間的擠壓，容易造成鍍件磨花和變形以及光亮度變差。滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)定在6 ～ 10 r/min范圍內(nèi)時，鍍液有較好的分散能力，最佳滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min。

2. 1. 5 電流密度對鍍液分散能力的影響

其余參數(shù)同2.1.4，在不同電流密度下滾鍍鎳60 min，以研究電流密度對鍍液分散能力的影響，結(jié)果見圖7。從圖 7可知，隨電流密度增大，高、低電流密度區(qū)的鎳層厚度均增大，鍍液分散能力先改善后變差。這是因?yàn)樵跐L鍍過程中，同時存在鎳沉積與鍍件間摩擦兩個過程，高電流密度區(qū)的磨損較低電流密度區(qū)大。電流密度較低（2 ～ 4 A/kg）時，溫度、滾筒轉(zhuǎn)速、裝載量等因素引起工件鎳鍍層的磨損加大［3］，而此時高電流密度區(qū)的沉積速率較小，因此高電流密度區(qū)的鍍層厚度增大速率小于低電流密度區(qū)，因此N減小，鍍液分散能力變好。在不影響光亮效果和生產(chǎn)效率的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低電流密度，選擇4 ～ 8 A/kg的電流密度時，鍍液分散能力較好，最佳為4 A/kg。

圖7 電流密度對鍍液分散能力的影響Figure 7 Effect of current density on throwing power of bath

綜上可知，BH-959系列滾鍍鎳的最佳工藝條件為：pH 4.4，電流密度4 A/kg，滾筒轉(zhuǎn)速8 r/min，溫度60 °C，時間90 min。

2. 2 BH-959系列光亮劑與行業(yè)同類產(chǎn)品的比較

圖8所示為分別采用BH-959系列光亮劑和某外資A公司的光亮劑時所得滾鍍鎳產(chǎn)品的照片。從圖8可知，A公司的滾鍍鎳層較烏亮，但其低電流密度區(qū)出現(xiàn)發(fā)白、發(fā)蒙現(xiàn)象；BH-959滾鍍鎳層在高、低電流密度區(qū)都呈均勻的白亮光澤，無發(fā)白、發(fā)蒙現(xiàn)象。

圖8 不同滾鍍鎳工藝的產(chǎn)品照片F(xiàn)igure 8 Photos of products prepared by different barrel nickel plating processes

表1為兩種工藝鍍鎳產(chǎn)品的鎳層厚度測定結(jié)果。從表1可知，BH-959系列鍍液的分散能力明顯優(yōu)于A公司的同類鍍液。另外，BH-959系列鎳光劑、A公司鎳光劑的消耗量分別為700 mL/（kA·h）和725 mL/（kA·h），前者的總消耗量比后者低。

表1 兩種滾鍍鎳液的分散能力Table 1 Throwing power of two kinds of barrel nickel plating bath

2. 3 BH-959系列滾鍍鎳工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

BH-959系列滾鍍鎳工藝及其前、后處理配套工藝于2015年開始應(yīng)用在廣東某家具五金表面處理有限公司，截至目前，生產(chǎn)應(yīng)用情況良好，圖9所示為其生產(chǎn)現(xiàn)場。

3　結(jié)論

（1） 在實(shí)際生產(chǎn)中，要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況以及生產(chǎn)計(jì)劃來優(yōu)化工藝參數(shù)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。采用BH-959系列滾鍍鎳工藝對鐵基鉸鏈滾鍍鎳的最佳條件為：pH 4.4，電流密度4 A/kg，滾筒轉(zhuǎn)速8 r/min，溫度60 °C，時間90 min。

圖9 BH-959系列工藝生產(chǎn)現(xiàn)場Figure 9 Production site of BH-959 series process

（2） BH-959鍍鎳系列光亮劑在消耗量、分散能力等方面都超過行業(yè)同類產(chǎn)品，目前已成功應(yīng)用于廣東某家具五金表面處理有限公司。

［1］ 侯進(jìn). 滾鍍工藝技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2010： 2-13， 47-48.

［2］ 張?jiān)收\， 胡如南， 向榮. 電鍍手冊（精）［M］. 3版. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2008： 44.

［3］ 胡晨. 論各因素對滾鍍的影響［J］. 電鍍與涂飾， 1984， 3 （2）： 5-11.

［4］ 侯進(jìn). 滾筒轉(zhuǎn)速對零件混合周期的影響［J］. 電鍍與精飾， 2008， 30 （10）： 25-27.

［ 編輯：周新莉 ］

Effects of process parameters on throwing power of barrel nickel plating bath

LIAO Lei-hua*， XU Jin-lai， LIU Wei-guo， HU Yao-hong

Barrel nickel plating was conducted on iron hinge in a plating bath composed of Ni2SO4·6H2O 100 g/L， NiCl2·6H2O 120 g/L， conducting salt 40 g/L， H3BO350 g/L and BH-959 composite brightener as required and with a replenishment amount of 300 mL/（kA·h）. The effects of temperature， pH， plating time， rotation rate of barrel and current density on the throwing power of the barrel nickel plating bath and coating thickness were studied. The optimal conditions were obtained as follows：temperature 60 °C， pH 4.5， current density 4 A/kg， rotation rate of barrel 8 r/min， and plating time 90 min. The BH-959 barrel nickel plating process is superior to other counterparts in the industry in respect of the consumption of brightener and the throwing power of plating bath. It has been successfully applied to a company in Guangdong professionalized in surface treatment of hardware for furniture.

iron hinge； barrel nickel plating； composite brightener； throwing power； process condition

TQ153

A

1004 - 227X （2016） 13 - 0681 - 05

2016-05-10

2016-06-24

廖磊華（1990-），男，江西新余人，本科，研發(fā)工程師，主要從事金屬表面處理方面的研究工作。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） liaoleihua@126.com。