铸造铝硅合金无氰浸锌溶液及浸锌机制的研究

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浸锌方法是铸造铝硅合金镀前预处理最常用的方法。我国的浸锌溶液需求量大且主要依靠进口。有氰浸锌溶液仍占据较大的市场份额,浸锌后镀层易出现结合力不良的现象,因此,无氰浸锌溶液的研究具有重要的现实意义。  本文通过对浸锌前预处理溶液的研究,优选出除油溶液、碱蚀溶液、出光溶液。对单纯浸锌、浸锌镍、浸锌镍铁、浸锌镍铁铜等不同的浸锌溶液进行了初选,利用电化学测试系统、全浸腐蚀试验、失重法、XRF、EDS、SEM、拉伸试验等方法对浸锌层的腐蚀电势与浸锌时间的关系曲线、腐蚀速率、膜重、膜厚、组成成分、微观形貌及浸锌后电镀镍层结合力等进行了测试。结果表明:改进的浸锌镍铁铜的浸锌溶液所得浸锌层更薄,更均匀致密、稳定电势高、浸锌层在3.5%NaCl溶液中腐蚀速率小,后续镀层结合力高。  对多元合金浸锌溶液分别从氢氧化钠、硫酸锌、硫酸镍、酒石酸钾钠、表面活性剂、稳定剂等方面进行了复选,研究了浸锌时间、浸锌温度对浸锌层微观形貌的影响。结果表明:适宜的氢氧化钠含量为80-120g/L,硫酸锌含量为30-40g/L、硫酸镍含量为30-40g/L,酒石酸钾钠含量为80-100g/L。明确了浸锌溶液中较优秀的表面活性剂、稳定剂、适宜的浸锌时间及浸锌温度。  在对络合剂组合大量试验的前提下,优选出酒石酸钾钠+络合剂A、酒石酸钾钠+络合剂B、酒石酸钾钠+络合剂A+络合剂B、络合剂A+络合剂B四组络合剂组合,复配出硫酸锌体系和氧化锌体系的8个浸锌溶液,对其所得浸锌层性能、电镀镍层性能、镀层断面形貌及组成进行了研究。结果发现酒石酸钾钠+络合剂A、酒石酸钾钠+络合剂B的络合剂组合所得浸锌层及后续镀层性能都较好。镀层断面形貌及成分测试表明:电镀镍层、碱性化学镀镍磷层与铝硅合金基体界面间存在着一层薄薄的锌合金层,酸性化学镀镍磷层与基体界面间的浸锌层消失。浸锌层明度值与结合力关系测试结果表明:浸锌层明度值在50-54之间后续镀层的结合力好,认为浸锌层明度值与浸锌时间关系曲线的斜率可以近似代表浸锌置换反应发生的快慢。比较了优选出的无氰浸锌溶液与商品化有氰浸锌溶液及商品化无氰浸锌溶液的性能,研究了浸锌溶液的使用消耗及补加溶液。  通过对浸锌层表面微观形貌随浸锌时间、温度变化的观察及对浸锌过程的热力学、动力学、电化学等方面的研究,探讨了浸锌机制。利用SEM、AFM观察了锌晶粒生长的全过程,建立了多元合金浸锌模型。发现锌晶粒首先在铝基体微观表面上的各种缺陷处,如位错、空穴、亚晶等表面形核并长大,生成方式为二维平面由点到面的过程,并且浸锌初期基体晶界处锌晶粒生长活性远大于基体晶粒处,随浸锌时间的增加,锌晶粒由腐蚀坑边缘、孔洞边缘向周围及由近晶界处向基体晶粒中心处扩散生长,直至基本布满基体。二次浸锌得到的锌晶粒比一次浸锌更细小、均匀、致密。浸锌时间过长,浸锌温度过高,锌晶粒形状会由粒状转变为片状。无氰多元合金浸锌溶液中浸锌反应的表观活化能为34.207kJ/mol,简单浸锌溶液中浸锌反应的表观活化能为41.194kJ/mol;金属析出顺序为铜、镍、铁、锌,在多元合金浸锌层中的铁、镍、铜是锌晶粒生长的异质核心,浸锌初期主要是晶核的生成阶段,之后则主要是在异质及同质晶核上锌晶粒的长大阶段。浸锌层在3.5%NaCl溶液中及在浸锌溶液中Tafel曲线测试结果表明:浸锌30s以后铝硅合金基体的腐蚀程度减缓,此时浸锌层对基体的覆盖度较大;铝硅合金置换上一层锌合金层后,其表面电位正移了56mV,正是这一极薄的锌合金层阻碍了铝硅合金表面生成氧化膜,并为下一步电镀镍或化学镀镍提供了一个较好的底层。
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