镍镉热扩散镀层盐雾试验不合格原因分析与排除.pdf

Plating and FinishingAug.2023Vol.45 No.8 Serial No.365镍镉热扩散镀层盐雾试验不合格原因分析与排除王晴晴*，王 刚（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007）摘要：针对一例镍镉热扩散镀层盐雾试验不合格问题，对电镀过程和试验过程所涉及的基体、镀层、外界环境等因素进行逐一分析和排查。结果显示，导致镍镉热扩散镀层盐雾试验不合格的原因是镀层的局部脱落和镀层孔隙。通过采取如下改进措施解决了该问题：一是采用工艺规定下限电流密度电镀；二是增加电镀过程对试片的晃动频次；三是将盐雾试验试片四周打蜡绝缘；四是严禁赤手触摸试片。关键词：电镀；镍镉热扩散层；盐雾试验；故障分析中图分类号：TQ153.12文献标识码：AAnalysis and elimination of unqualified reasons for salt spray test of Ni-Cd thermal diffusion coatingWang Qingqing*，Wang Gang（State-Owned Machinery Factory in Wuhu，Wuhu 241007，China）Abstract：In view of a case of unqualified salt spray test of Ni-Cd thermal diffusion coating，the factors such as substrate，coating and external environment involved in the electroplating process and test process were analyzed and checked one by one.The results show that the reasons for the disqualification of the salt spray test of the Ni-Cd thermal diffusion coating are the local peeling of the coating and the coating porosity.The following improvement measures were taken to solve the problem：（1）Electroplate with the lower current density specified by the process；（2）Increase the shaking frequency of the test piece during the electroplating process；（3）Wax and insulate the salt spray test specimen around；（4）Do not touch the test piece with bare hands.Keywords：electroplating；Ni-Cd thermal diffusion coating；salt spray test；failure analysis镍镉热扩散镀层是镀镍层和镀镉层经过一定时间加热后相互扩散形成的复合镀层，一般颜色为橄榄色、灰色、黑色等，属于中温防护性镀层。其在500 以下，能够保护钢铁不受腐蚀和氧化，并具有耐冲刷能力，适用于低合金钢、不锈钢零件的保护1。镍镉热扩散镀层电极电位为0.68 V，相对于低合金钢、不锈钢均为阳极性镀层，但当表面扩散层被腐蚀或冲刷掉而露出镍底层后，则裸露部分不再有阳极性镀层保护能力，此时只有镍镀层起作用2。镍镀层的电极电位为0.25 V，常用于防护性外层或难镀金属镀层的中间层、焊接用的中间层，其相对于钢铁基体为阴极性镀层，即镀层一旦出现孔隙、脱落等缺陷，便会发生微电化学反应，不仅起不到保护基体作用反而会加速其被腐蚀3-6。本厂按生产需求定期开展镍镉热扩散镀层耐蚀性试验测试，在低碳钢试片上镀覆镍层、镉层，然后进行热扩散处理，之后进行盐雾喷淋试验，24 h后检查试片时，发现被喷淋表面出现点状红色锈蚀，四周doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.08.017 收稿日期：2022-12-11 修回日期：2023-02-14 *通信作者：王晴晴（1990），女，硕士研究生，工程师，email：104第 45 卷 第 8 期（总第 365 期）2023 年8 月电 镀 与 精 饰局部锈蚀，与生产工艺中的100 h内不出现红色锈蚀的要求不相符。为找出产生不符合的原因，笔者开展了一系列调查和分析。由于电镀层质量发生故障的原因往往不是单一的，必须综合考虑各相关因素才能有效排除7。因此，笔者对镍镉热扩散镀层及试验全流程进行了分析和排除，最终找出了原因并将故障排除。1电镀过程及试验过程1.1盐雾试验试片材料及电镀过程镍镉盐雾试验试片材料为低碳钢，大小为100 mm50 mm3 mm，表面粗糙度 Ra 不大于 0.640 m。制备镍镉热扩散镀层的工艺过程如下：接收检查有机溶剂清洗装挂除油热水洗冷流水洗活化冷流水洗化学镀镍冷流水洗电镀镉冷流水洗钝化冷流水洗热水洗热风干燥热扩散处理表面的清理冷流水洗热风干燥卸挂试验。对镀层厚度要求为：镀镍层815 m，镀 镉 层 35 m；热 扩 散 温 度 为 330360，时间为11.5 h。1.2盐雾试验过程中性盐雾试验的试验要求按照 GB/T 101252012执行，pH值范围为6.57.2，氯化钠配置的浓度为50 5 g/L，密度为1.0291.036 g/cm3，盐雾试片四周绝缘处理。2原因分析2.1原理分析及因素分析盐雾试验主要是利用导电的盐溶液渗入金属内部发生电化学反应，形成“低电位金属-电解质溶液-高电位杂质”微电池系统，发生电子转移，作为阳极的金属出现溶解，形成新的化学物即为腐蚀物8。为查明故障原因，单位组织人员进行研究，分析研究镍镉热扩散镀层盐雾试验不合格与基体、镀层、外界环境等因素有关，针对以上因素列出故障树，如图1所示。盐雾试片出现锈蚀因素分析：一是基体表面粗糙，导致镀层致密度较差；基体本身有锈蚀，在盐雾喷淋试验环境下快速呈现；二是镀层本身问题，即镀层有缺陷或者镀层厚度不足，不能起到防护作用；三是外部因素，即镀层表面沾有金属铁杂质或者汗渍等污染物、盐雾试验条件控制不规范等，盐雾喷淋试验时表面出现锈蚀9。盐雾试验不盐雾试验不合格合格+基体问题基体问题镀层问题镀层问题外界影响外界影响结晶粗结晶粗糙糙、有孔有孔隙隙厚度不足厚度不足+表面粗糙表面粗糙基体锈蚀基体锈蚀镀层不完镀层不完整整镀层中含镀层中含有铁杂质有铁杂质外表面沾外表面沾有金属铁有金属铁汗渍手印汗渍手印等污染等污染盐雾试验条盐雾试验条件控制不规件控制不规范范+图1盐雾试验故障树Fig.1Fault tree of salt spray test105Vol.45 No.8 Serial No.365Plating and FinishingAug.20232.2故障原因分析结合图1故障树及电镀过程、盐雾试验过程，分析本次盐雾试验不合格原因如下：2.2.1表面粗糙度不符合工艺或存在锈蚀分析工艺要求盐雾试验样品的表面粗糙度 Ra不大于 0.640 m，检测盐雾试片的粗糙度平均值为0.520 m，符合工艺要求。盐雾试验试片均放置在装满防锈油的专用保存盒中保存，且每片试片均用油封纸包括，检查基体均无锈蚀现象。因此可排除基体除表面粗糙度和锈蚀的因素。2.2.2结晶粗糙、孔隙、镀层不完整分析检查锈蚀的盐雾试片，四周边角位置存在条纹状镀层，且有部分镀层脱离，说明镀层不完整。通过对工艺过程梳理分析，形成镀层缺陷的原因应是电镀时表面电流分布不均匀，边角存在尖角效应，镀层与基体结合效果不良，经过加热、后处理等工序后边角位置出现镀层局部掉落。镍镉热扩散镀层相对于基体金属为阳极性镀层，若表面镀层不完整，其不仅起不到保护作用，反而会加剧其他部位的腐蚀，即变为阴极性镀层10。因此，镀层的缺陷应是导致本次盐雾试片出现锈蚀的一个原因。同时采用铁氰化钾和氯化钠溶液检查盐雾试片背面（盐雾试验中朝下的一面）的孔隙情况11，在局部位置出现蓝色点状现象，表明盐雾试片表面有孔隙存在，如图2所示。通过对工艺过程进行梳理分析，镀层孔隙来源应是电镀过程的气泡或微颗粒杂质附着在试片表面，阻止了金属沉积，进而形成孔隙。在持续的盐雾试验条件下，溶液通过孔隙渗入镀层内部，直至基体，在有导电盐和高低电位差的条件下，基体发生氧化还原反应，出现锈蚀点。因此，孔隙应是导致本次盐雾试片出现锈蚀的另一个原因。2.2.3厚度因素分析采用X射线镀层测厚仪检测试片的镍镀层平均厚度为13.2 m，镉层平均厚度5.50 m，均符合工艺要求。因此，排除厚度问题。2.2.4镀层中含有铁杂质和外表面含有金属铁杂质分析镀镍槽液为一次性使用的，即现配现用；检查镀镉槽液分析报告，其各组分符合工艺要求，且同期两个槽液的单独盐雾试验均合格，因此，可排除镀层含有金属铁杂质的影响。该次盐雾试验电镀过程采用独槽进行，热扩散时采用挂镀方式进行，运输过程采用干净牛皮纸包装，因此可排除外表面沾有金属铁杂质的影响。2.2.5手汗渍污染分析从盐雾试片锈蚀的位置及形状看，呈现点状和局部锈蚀，无类似指纹或线状等形状的现象，因此可排除手印汗渍的污染。2.2.6盐雾试验条件控制不规范的分析收集盐雾试验箱中的溶液进行分析，盐雾试验溶液的 pH值为 6.58，氯化钠配置浓度为 50 g/L，密度为1.031 g/cm3，均符合GB/T 101252012标准要求。因此可排除该因素。3改进措施针对故障原因分析的结果采取以下改进措施：（1）对于存在尖角等易出现电流密度集中的试片，电镀过程中采用工艺规定下限电流密度电镀，保证镀层的致密度。（2）电镀过程中增加对试片的晃动频次，及时排除电镀过程生成的气泡。（3）试片进盐雾试验箱前采用放大镜检查镀层表面质量，有镀层脱落的，重新进行加工；且将试片四周进行打蜡绝缘处理，加强防护效果。（4）完善工艺内容，要求所有过程中加强镀层的防护，严禁赤手触摸试片或者产品。4验证与结果根据以上分析结果开展验证试验，电镀流程按工艺要求进行。使用9片与原试验相同的试验件进行模拟，其中13号试片电镀过程中的晃动频次与第一次试验相同，电流密度使用最小值；46号试片图2孔隙现象Fig.2Porosity phenomenon106第 45 卷 第 8 期（总第 365 期）2023 年8 月电 镀 与 精 饰增加电镀过程中的晃动频次至原频次的两倍，电流密度使用最小值；79号电镀过程晃动频次和电流密度保持与第一次试验相同。将试片四周绝缘封闭处理，盐雾试验溶液使用第一次的溶液。经过100 h试验后取出试片，发现13号试片表面四周出现局部腐蚀，46号试片表面无锈蚀，79号试片表面出现离散的点状腐蚀。验证试验结果表明所采取的改进措施合理有效。5结 语采用故障树形式对该镍镉热扩散镀层盐雾试验不合格问题进行分析，通过对工艺过程和试验过程的溯源，分析出可能的故障原因，并制定了相应改进措施，开展了试验验证。最终确定本次盐雾试验不合格的原因为镀层局部掉落和镀层存在孔隙，通过调整电流密度和晃动频次有效解决了故障问题。参考文献1 刘臣,孙红梅,马海强,等.某型航空发动机镍镉合金扩散镀层工艺研究J.航空与维修工程,2022(6):88-91.2 中华人民共和国航空工业部.HB/Z3182镍镉扩散镀层通用工艺说明书S.北京:航空工业部第六二一研究所,1982.3 朱永春,曹中秋.电化学与腐蚀科学M.北京:化学工业出版社,2012.4 冯立明,王玥.电镀工艺学M.北京:化学工业出版社,2010.5 常占河,柳泉,赵洪达,等.用电化学阻抗谱研究钢表面三种电镀镍层的耐蚀性J.材料与冶金报,2016,4(15):291-297.6 彭云超,马凯军,贾犇,等.电镀NiCoCe合金层的制备及耐蚀性能研究J.材料保护,2021,54(8):101-108.7 李晓静,杨青原,李玉明.电镀光亮镍脆化故障原因分析与排除J.电镀与涂饰,2019,38(15):777-779.8 张允诚,胡如南,向荣,等.电镀手册(上册)M.北京:国防工业出版社,1997:317-319.9 刘伟,高光辉.提升铬酸阳极化盐雾试片耐蚀性的措施J.内燃机与配件,2018,3(2):30-31.10 罗刚.镍镉合金扩散层耐高温和耐盐雾腐蚀性J.工具技术,2010,44(1):115-116.11 胡云,赵洪图.锌-镍合金电镀工艺及镀层耐蚀性研究J.电镀与环保,2018,38(6):21-23.107