滾鍍鎳產(chǎn)品發(fā)生層間結(jié)合力不良的原因分析及解決方法

李憲正，劉陽(yáng)，董玉良，吳洋軍，李武生，李勇，陳樹(shù)桐，鄒立一，王克和

（1.大連永光科技有限公司，遼寧大連 116021；2.普蘭店精飾電鍍有限公司，遼寧大連 116000；3.大連市表面工程協(xié)會(huì)，遼寧大連 116021）

電鍍鎳的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)百年，在電鍍產(chǎn)業(yè)中的地位舉足輕重。其作為功能性或裝飾性鍍層廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車及日用工業(yè)品種［1-5］。目前掛鍍鎳工藝日臻完善，而滾鍍鎳在生產(chǎn)中往往出現(xiàn)工藝參數(shù)或鍍液相關(guān)的諸多問(wèn)題［6］。

滾鍍鎳過(guò)程出現(xiàn)鍍層結(jié)合力不良，是實(shí)際生產(chǎn)中較常見(jiàn)的質(zhì)量異?，F(xiàn)象，影響的因素很多，如槽液性能、工藝參數(shù)、設(shè)備因素等，但每種因素的影響，都有其固有的缺陷特征。結(jié)合力不良會(huì)產(chǎn)生鍍層脫落、開(kāi)裂等后果，直接影響基體的硬度、耐磨性及耐腐蝕性能，因此提高結(jié)合力是保證滾鍍產(chǎn)品質(zhì)量最為重要的手段［7］。本文針對(duì)某生產(chǎn)單位出現(xiàn)的滾鍍鎳鍍層層間結(jié)合力不良（鍍層中間分離）現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，并制定了解決方案。

1 不良現(xiàn)象

2020年某單位滾鎳生產(chǎn)線生產(chǎn)的滾鍍啞光鎳產(chǎn)品（材質(zhì)45#鋼、規(guī)格?10 mm×30 mm），經(jīng)銼刀實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鍍層結(jié)合力不良，不良比例5%左右。在以后的生產(chǎn)中，不良率漸漸增加，導(dǎo)致停產(chǎn)。技術(shù)人員采取了降低電流密度、使用雙氧水-活性炭處理鍍液等方法，初期異?，F(xiàn)象有所改善，但短期內(nèi)鍍層結(jié)合力不良又開(kāi)始加重。因此，單位重新組織相關(guān)人員分析原因、尋找對(duì)策。

2 異常相關(guān)調(diào)查

2.1 缺陷特征檢查

如圖1所示，滾鍍鎳產(chǎn)品在結(jié)合力檢驗(yàn)-銼刀實(shí)驗(yàn)后，工件端部倒角出有明顯的鍍層剝離現(xiàn)象。為進(jìn)一步分析缺陷鍍層產(chǎn)生的原因，抽取3件異常品，使用金相顯微鏡檢測(cè)異常部位鍍層剖面。結(jié)果如圖2所示，金相照片清晰地顯示：鍍鎳層分離均發(fā)生在鎳層層間，并且分離線靠近基體一側(cè)。

圖1 鍍層故障位置Fig.1 Plating failure position

2.2 現(xiàn)場(chǎng)工藝符合性調(diào)查

針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的分析，鍍液成分、鍍液中的雜質(zhì)金屬離子及工藝參數(shù)的測(cè)試結(jié)果分別如圖2、表2、表3和圖3所示。

圖2 鍍鎳層分離狀態(tài)金相照片F(xiàn)ig.2 Metallograph of the separation status of nickel layer

分析現(xiàn)場(chǎng)鍍液成分含量，結(jié)果如表1所示，各組分含量均符合工藝要求，因此推斷鍍液組分不是產(chǎn)品異常的原因［8-9］。

表1 鍍液配方Tab.1 Composition of plating bath solution

測(cè)定了鍍液金屬雜質(zhì)含量，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)鍍液中金屬雜質(zhì)含量在合理范圍內(nèi)，未超過(guò)工藝容忍濃度［10］。

表2 鍍液金屬雜質(zhì)含量Tab.2 Content of metal impurities in plating bath solution

核實(shí)電鍍生產(chǎn)中溫度、pH、電流密度及裝載量等工藝參數(shù)的數(shù)值，如表3所示，現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)參數(shù)皆符合工藝要求。

表3 工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters

鍍液進(jìn)行赫爾槽實(shí)驗(yàn)。使用250 mL赫爾槽，電流1 A，溫度55±1℃，電鍍10 min［11］。結(jié)果如圖3所示，試片自高至低電流密度區(qū)，呈均勻的啞光鍍層，沒(méi)有出現(xiàn)燒黑、燒焦的現(xiàn)象，屬于正常狀態(tài)。

圖3 赫爾槽試片F(xiàn)ig.3 Hull cell test piece

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果排除了鍍液及工藝參數(shù)造成產(chǎn)品不合格的可能性。

2.3 膜厚調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，選取樣品工件不同位置測(cè)量鍍層厚度，標(biāo)準(zhǔn)膜厚為5～10 μm。如表4所示，槽液正常的工件平均膜厚為7.2 μm，槽液異常時(shí)工件平均膜厚為7.1 μm，二者數(shù)值相近，且都在標(biāo)準(zhǔn)膜厚范圍內(nèi)，未見(jiàn)明顯差異。

表4 膜厚調(diào)查T(mén)ab.4 Film thickness investigation

3 原因分析

金相顯微鏡檢查顯示，本次異常是鍍鎳層層間出現(xiàn)分離現(xiàn)象，通常情況下，此種現(xiàn)象發(fā)生原因有三種可能：電鍍過(guò)程中途斷電、工件瞬間夾桶和鍍層內(nèi)應(yīng)力過(guò)大。

如電鍍過(guò)程中途斷電，通常會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)合力變差，而不是局部，另外，現(xiàn)場(chǎng)也沒(méi)有發(fā)生如此大規(guī)模的斷電現(xiàn)象；如個(gè)別工件可能瞬間夾桶，產(chǎn)生雙性電極現(xiàn)象，異?，F(xiàn)象不太可能會(huì)僅僅表現(xiàn)在端部倒角這么小的區(qū)域；因此判斷本次異常是鍍層內(nèi)應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致。

影響鍍層內(nèi)應(yīng)力的主要因素有：槽液有機(jī)物含量、氯離子含量、工藝參數(shù)（溫度、pH值、電流）、鍍層厚度、金屬雜質(zhì)含量（尤其鋅雜質(zhì)含量）、基體殘留應(yīng)力等，綜合以上調(diào)查分析，鍍層應(yīng)力過(guò)大應(yīng)該是有機(jī)雜質(zhì)含量過(guò)高導(dǎo)致，至于雙氧水-活性炭處理無(wú)效的原因，可能是雙氧水不能有效分解這些有機(jī)物，需要嘗試一下高錳酸鉀-活性炭聯(lián)合處理的效果。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)室對(duì)異常槽液分別用雙氧水-活性炭和高錳酸鉀-活性炭處理

雙氧水-活性炭處理方法：雙氧水-活性炭聯(lián)合處理：槽液加熱至55±2℃（并保溫）→用10%硫酸調(diào)整pH值至3.5→加入30%雙氧水5 mL/L并攪拌均勻→槽液加熱至65～70℃，攪拌40 min→用10%氫氧化鈉溶液調(diào)整pH值至5.0→攪拌下分3次加入5 g/L活性炭，繼續(xù)攪拌30 min→靜置2 h后過(guò)濾→分析調(diào)整鍍液成分、pH值調(diào)整至4.0→電流密度0.1 A/dm2，電解4 h→補(bǔ)加開(kāi)缸劑2 mL/L。

高錳酸鉀-活性炭聯(lián)合處理方法：槽液加熱至65±2℃（并保溫）→用10%硫酸調(diào)整pH值至3.5→加入溶解好的高錳酸鉀5 g/L，持續(xù)攪拌40 min→槽液加熱至65～70℃，攪拌40 min→用10%氫氧化鈉溶液調(diào)整pH值至5.0→攪拌下分3次加入5 g/L活性炭，繼續(xù)攪拌30 min→靜置2 h后過(guò)濾→分析調(diào)整鍍液成分、pH值調(diào)整至4.0→0.1 A/dm2小電流密度電解4 h→補(bǔ)加開(kāi)缸劑2 mL/L。

4.2 實(shí)驗(yàn)室槽液處理效果評(píng)價(jià)

鍍液總有機(jī)碳（TOC）含量檢測(cè)：TOC含量，異常槽液遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新開(kāi)缸槽液，高錳酸鉀+活性炭處理的槽液遠(yuǎn)低于雙氧水+活性炭聯(lián)合處理的槽液，見(jiàn)表5。

表5 TOC含量Tab.5 TOC content

鍍層的內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)：異常槽液的內(nèi)應(yīng)力（張應(yīng)力）遠(yuǎn)高于新開(kāi)缸槽液，高錳酸鉀+活性炭聯(lián)合處理的槽液遠(yuǎn)低于活性炭雙氧水處理的槽液，見(jiàn)表6。

表6 內(nèi)應(yīng)力檢查T(mén)ab.6 Inspection of internal stress

另外，異常槽液顏色偏黑色、雙氧水-活性炭聯(lián)合處理的槽液顏色變化不大，高錳酸鉀+活性炭聯(lián)合處理的槽液顏色與新開(kāi)缸槽液顏色接近。見(jiàn)圖6。

以上實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，異常槽液的有機(jī)物含量及鍍層的內(nèi)應(yīng)力（張應(yīng)力）較高，雙氧水+活性炭聯(lián)合處理效果優(yōu)于雙氧水+活性炭聯(lián)合處理。

圖4 鍍液顏色Fig.4 Color of bath solution

5 解決方法

按上述實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)槽液進(jìn)行了高錳酸鉀+活性炭的聯(lián)合處理，試生產(chǎn)后，結(jié)合力不良現(xiàn)象消失。

為防止異?，F(xiàn)象再次發(fā)生，將原槽液的每半年的雙氧水+活性炭大處理，改為高錳酸鉀+活性炭處理方法。槽液運(yùn)行兩年來(lái)，沒(méi)有再出現(xiàn)鍍鎳層層間結(jié)合力不良的問(wèn)題，質(zhì)量一直保持穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一例滾鍍啞光鎳生產(chǎn)中出現(xiàn)的鎳層間結(jié)合力不良的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)不良特征的深入檢查、原因分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定鍍液有機(jī)雜質(zhì)過(guò)多，致使鍍層內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致了鍍層層間結(jié)合力不良情況的出現(xiàn)，進(jìn)而制定了采用強(qiáng)氧化槽液處理方案，最終解決了問(wèn)題。