鎢合金電鍍工藝發(fā)展現(xiàn)狀

【中鎢在線新聞網(wǎng)-鎢新聞】

鎢合金電鍍是兼顧耐磨與防腐雙重性能的新型電鍍，工藝環(huán)保，對操作人員無傷害，生產(chǎn)效率高，近年逐漸獲得了機(jī)械行業(yè)的注目。從某高校研究室開始推廣，到如今被列入國家“十二五”發(fā)展推廣項目，鎢合金多元電鍍的應(yīng)用經(jīng)過了十幾年的歷程，起初其用以替代裝飾性套鉻，但在試用此技術(shù)時發(fā)現(xiàn)加工出的產(chǎn)品更適合用于功能性電鍍。鎢合金電鍍首先應(yīng)用于液壓設(shè)備和石油機(jī)械，后逐步擴(kuò)展到其他行業(yè)。一開始的問題就是如何從實驗室走向大規(guī)模生產(chǎn)，如何從配方走向應(yīng)用，這是一個長期的磨合過程。

1·幾種典型的鎢合金鍍液配方及其應(yīng)用

要詳細(xì)說明整個鎢合金的生產(chǎn)工藝，必須從配方說起。目前在市場上推廣的配方中較普遍的是“鎳鎢磷”，該配方控制簡單，溶液穩(wěn)定，滿足目前環(huán)保的高要求，因此一開始多用該配方對各行業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行實驗性加工。最初認(rèn)為“鐵鎳鎢”配方較耐磨，當(dāng)某些應(yīng)用條件下鎳鎢磷的性能難以滿足產(chǎn)品要求時，多以此鍍種替代�！版囨u”或“堿性鎳鎢磷”在內(nèi)壁加工中應(yīng)用較多，優(yōu)點是分散能力高于其他，但在維護(hù)上還有一定的技術(shù)難度，應(yīng)用并不廣泛。除此之外，還有人做出了鎳鎢銅、鎳鎢鎂等，可見調(diào)制配方難度并不大。配方的可持續(xù)性和穩(wěn)定性以及維護(hù)和控制難度，決定了這些配方在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1.1鐵鎳鎢

配方由硫酸鎳、鎢酸鈉、硫酸亞鐵及配位劑組成，溫度70~75°C，pH7.0~7.5。先加入硫酸鎳，溶解后溶入對應(yīng)的配位劑，再倒入加了適量還原劑的硫酸亞鐵溶液，然后倒入配有另一種相應(yīng)配位劑的鎢酸鈉溶液，加入所需光亮劑和低泡潤濕劑，最后定容得到鍍液。

在做燒杯實驗時，2L溶液連續(xù)工作72h，持續(xù)添加相應(yīng)消耗量的金屬，加工出的試驗件在性能上無變化，但在存放后出現(xiàn)白色沉淀，疑為三價鐵、鎢酸鈉和配位劑生成的化合物。此配方的難度在于控制三價鐵。燒杯的口徑較小，溶液與空氣的接觸面小，相對于2L溶液而言，電解時的產(chǎn)氧量也同樣較少，對硫酸亞鐵的氧化作用不明顯，但長時間工作之后三價鐵開始積留，放置一段時間后自然出現(xiàn)沉淀。

為持續(xù)添加，必須配制合適比例的還原劑和配位劑來保證硫酸亞鐵的穩(wěn)定，導(dǎo)致二者過量加入。還原劑過量直接影響鍍層元素排列和金屬比例，而較高濃度的鐵離子配位劑不僅與三價鐵反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，而且易與鎢酸鈉反應(yīng)產(chǎn)生沉淀。

控制鐵鎳鎢穩(wěn)定的難度相當(dāng)大，3種金屬、2種配位劑、1種還原劑加光亮劑的配制很復(fù)雜。在生產(chǎn)控制中，還原劑和光亮劑的分析也達(dá)不到配合程度。

后續(xù)的應(yīng)用性實驗還發(fā)現(xiàn)在有2種不同配位劑的情況下，異形加工件的凹凸結(jié)合處會起皮，因此必須用統(tǒng)一的配位劑，但更換配位劑后，加工件耐磨性有所下降。工業(yè)生產(chǎn)時槽面和產(chǎn)氧量較大，較難保證鍍層中完全不摻雜沉淀的顆粒，從而影響鍍層性能的穩(wěn)定。對習(xí)慣了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的企業(yè)來說，需做很大努力控制此鍍種的生產(chǎn)，只有嚴(yán)格的管理才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

1.2酸性鎳鎢磷

配方由硫酸鎳、亞磷酸、鎢酸鈉及單一配位劑組成，無需配合光亮劑。工作溫度65~70°C，pH2~3。配制方法較簡單，將足量的配位劑加入鎢酸鈉溶液，再倒入硫酸亞鐵溶液，最后加入亞磷酸即可。

用鎳鎢磷溶液做燒杯實驗時，只需配合一定的低級潤濕劑，高級配位劑反而不利于控制，會造成發(fā)黑或粗糙。該配方從配制到生產(chǎn)管理都十分簡單，不必通過過量的配位劑來穩(wěn)定溶液，且金屬在水溶液中無氧化，在

電解過程中也就不生成影響性能的化合物，因此在鎢合金電鍍推廣初期較易被行業(yè)接受。但問題仍有不少。其一，各元素的濃度所決定的鍍層含量究竟應(yīng)是多少，至今仍是各大委托加工方爭論的焦點。其二，產(chǎn)生起皮、麻點和針孔的原因與以前專家提出的觀點并不切合，付出了相當(dāng)長的試驗時間來探討。其三，鎳鎢磷配比及工藝條件的變化對耐磨性的影響在獲得相當(dāng)大的行業(yè)支持后才逐漸被證實，繼續(xù)提高耐磨性仍有研究空間。

鎳鎢磷較穩(wěn)定，推廣也較順利，但存在對耐磨性的懷疑。實際上鎳鎢磷鍍層的耐磨性可媲美鍍鉻，但由于硬度只能達(dá)到900HV，在運動速率和壓力較高的環(huán)境下使用時，鍍層還是會變形、損傷。

1.3堿性鎳鎢磷和鎳鎢

這2種配方是在客戶對酸性鎳鎢磷的性能產(chǎn)生懷疑后開發(fā)出來的。堿性鎳鎢磷的鎢含量較高，較受委托加工方推崇，或者說成了鎢合金電鍍工藝的一個賣點�？蛻粽J(rèn)為鎢含量高，產(chǎn)生的耐磨金屬晶體量就高，其實不然。在實驗中，較高的鎢含量會出現(xiàn)鍍層起砂的現(xiàn)象，即顆粒過多，粘合不夠。這一點仍需在實驗和生產(chǎn)中驗證。

堿性鎳鎢磷配方由硫酸鎳、鎢酸鈉、亞磷酸及配位劑組成，潤濕劑的選擇取決于產(chǎn)品的電鍍方式，與酸性鎳鎢磷的配制方法相同，區(qū)別在于需加入大量的堿性配位劑和普通堿性溶液來提高pH至7.0~7.5，工作溫度65~70°C。

此配方具有與酸性鎳鎢磷同樣的特點，金屬無氧化，配位劑加入較合理，但長期生產(chǎn)中也會發(fā)生有機(jī)物積留而影響鍍速的情況，但不會出現(xiàn)不溶性沉淀，處理較簡單。

堿性鎳鎢的配方由硫酸鎳、鎢酸鈉和配位劑組成，是鎢合金電鍍體系中最簡單的配方。配制方法與上述無區(qū)別，工作環(huán)境一致。長期工作同樣存在有機(jī)物積累問題，處理方式與堿性鎳鎢磷相同。這2個鍍種的優(yōu)勢是分散和整平能力較強。一般情況下，酸性鎳鎢磷和鐵鎳鎢完全覆蓋金屬表面需達(dá)到30μm以上，而鎳鎢和堿性鎳鎢磷在20μm就可完全覆蓋。一般內(nèi)孔電鍍中首先要求防腐蝕性能，鐵鎳鎢并不適用，而酸性鎳鎢磷受工藝限制，堿性鎳鎢磷和鎳鎢就成為首選。

1.4評述

從應(yīng)用情況來看，電鍍鎢合金產(chǎn)品的防腐蝕性能是毋庸置疑的。由金屬及合金晶粒的本身屬性決定了提高耐磨性的后續(xù)研究不同于鉻和鎘的研究路線。雖不能以硬度來評價鍍層的耐磨性，但大致可作個比較，傳統(tǒng)的鉻鍍層硬度最高可達(dá)1100HV，只有鐵鎳鎢可達(dá)到，其他鎢合金鍍層大多在900HV左右。盡管和鍍鉻在應(yīng)用上可大致相似，但對生產(chǎn)抽樣做簡單的干摩擦對比后發(fā)現(xiàn)，鎢合金鍍層的耐磨性只有鍍鉻的2/3。另一個較難解決的問題是同一配方在不同工作環(huán)境下電鍍出的鍍層耐磨性相去甚遠(yuǎn)，這需要給出確切的理論解釋，而完全依靠理論來創(chuàng)造實驗條件卻很難有說服力。

以較簡單的鎳鎢來說，畢竟是2種金屬，合理控制配比直接影響到鍍層質(zhì)量。有些技術(shù)推廣單位在推廣鎢合金電鍍技術(shù)時常提及配方，其實不然。依照鍍層含量中金屬比例進(jìn)行調(diào)配實驗，完全可以很輕松地獲得配比和使用的配位劑，可以說目前配方幾乎是半公開的秘密。綜合來說，無論是上述配方還是其他的鎳鎢系鍍種，配制和應(yīng)用難度都不大。真正阻礙技術(shù)發(fā)展的是在大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境下做不到嚴(yán)格管理而造成產(chǎn)品性能不穩(wěn)定的信任危機(jī)。目前鎢合金行業(yè)的投資者大多數(shù)習(xí)慣了傳統(tǒng)電鍍臟亂的生產(chǎn)模式，質(zhì)量不穩(wěn)定的情況時有發(fā)生。鎢合金電鍍使用稀有金屬鎢，較高的原料成本也是阻礙工藝發(fā)展的一個原因，但綜合分析水耗、電耗及社會成本，鎢合金電鍍被列入國家“十二五”規(guī)劃還是很有意義的。

2·鎢合金電鍍生產(chǎn)工藝狀況及故障處理

2.1發(fā)展歷程

在技術(shù)推廣剛開始的階段，企業(yè)都在摸索產(chǎn)品應(yīng)用方向的突破口，試驗和試用了各行各業(yè)的機(jī)械產(chǎn)品，包括紡織機(jī)械、食品機(jī)械、拔管設(shè)備、汽車零部件、液壓設(shè)備、石油機(jī)械等，就在這段時間，特定產(chǎn)品生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)化不成熟以及對市場的盲目試探，導(dǎo)致了市場對鎢合金電鍍的懷疑。中間走了很多彎路，最后堅持下來的企業(yè)把市場定位到對質(zhì)量要求不太嚴(yán)格的石油機(jī)械行業(yè)，在進(jìn)入其中的過程中，電鍍企業(yè)作為獨立的加工方對這個行業(yè)并不了解，又過了一個漫長的時期。最初選擇的產(chǎn)品是鉆機(jī)的驅(qū)動軸，也叫螺旋轉(zhuǎn)子或螺桿，首先面對的是異型工件問題，單在解決谷峰與谷底的均鍍能力上就大費周折，原因是傳統(tǒng)電鍍行業(yè)不自覺地抵制鎢合金電鍍的發(fā)展：一方面，國有大型企業(yè)使用傳統(tǒng)工藝，產(chǎn)品已十分穩(wěn)定，不愿付出代價試用新工藝；另一方面，傳統(tǒng)功能型電鍍?nèi)瞬糯蠖嘣谑畮啄昵罢�府治理電鍍污染時已改行，繼續(xù)堅持的少數(shù)人都在經(jīng)營自己的家庭電鍍作坊，不愿將生產(chǎn)工藝透露給新型的替代工藝；再有，政府不斷地治理環(huán)保過程中，企業(yè)不愿負(fù)擔(dān)因環(huán)保帶來的行政罰款和治理成本，功能性電鍍作為大型企業(yè)必須的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，不得已被分離出去交給獨立的加工作坊，已形成穩(wěn)固的利益鏈，鎢合金電鍍作為一種原料成本高于傳統(tǒng)電鍍的工藝來說，很難被接受。在工藝轉(zhuǎn)化中，鎢合金電鍍在缺少專業(yè)人才以及行業(yè)支持的情況下，每個步驟都靠自己培養(yǎng)人員摸索前行，勢必出現(xiàn)一段困擾的過程。

以螺桿為例，采用立井電鍍，初期轉(zhuǎn)化出來的生產(chǎn)線沒有最起碼的防止溶液交互污染的設(shè)施，通風(fēng)、導(dǎo)電、人員操作都成了出現(xiàn)簡單故障的原因。在工藝步驟方面，螺桿進(jìn)入生產(chǎn)線時已經(jīng)拋光，油污量很小，除油、水洗、敏化和酸洗都可用肉眼控制，但由于是立井鍍，陰極保護(hù)不好仍會造成燒焦、漏鍍等。最關(guān)鍵的是溶液的交叉污染：除油液摻入敏化液，造成敏化不夠──脫皮；敏化液摻入酸洗液后再被帶入主鍍槽，降低了鍍速，造成脫皮等。另外由于立井太深，熱電偶分布不均，溶液溫度不穩(wěn)定造成局部耐磨性差，始終影響著產(chǎn)品的推廣。經(jīng)過一段時間的摸索，當(dāng)立井鍍配合上排除了上述大部分因素時，開始加工抽油桿等產(chǎn)品，但由于附加值不高，后來轉(zhuǎn)向了加工精度相對嚴(yán)格的抽油泵泵桶。

對于功能性電鍍，當(dāng)下有規(guī)模的生產(chǎn)線并不多，內(nèi)孔的大部分是十幾年甚至二十幾年前的進(jìn)口立井設(shè)備或仿品。電鍍設(shè)備廠家看到了立井的很多不足，因此給鎢合金配套的改為了臥式手工生產(chǎn)線，這樣最大的技術(shù)難點就是陽極居中和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流夾具的問題。后來還發(fā)現(xiàn)了管材受熱延伸、溫度不均等問題。這說明在鎢合金電鍍發(fā)展中交流相當(dāng)閉塞，缺乏配合工藝的設(shè)備設(shè)計人員，從設(shè)備生產(chǎn)廠家的角度出發(fā)去配合工藝是很難完善的。

2.2故障處理

依現(xiàn)在掌握的配方，已基本清楚整個工藝環(huán)節(jié)中會出現(xiàn)的故障及排除方法，這要從燒杯實驗到特定產(chǎn)品加工的區(qū)別逐步說明。燒杯實驗環(huán)境單一，不可能遇到生產(chǎn)中的各方面問題，走向規(guī)�；�生產(chǎn)后，溶液交叉污染和掛架設(shè)計是出現(xiàn)故障的主要因素。鎢合金電鍍中大部分的生產(chǎn)工藝都與傳統(tǒng)鍍種相似，無非是去污、除油、敏化和酸洗。經(jīng)過大量實踐經(jīng)驗的積累和行業(yè)人員的介入，鎢合金電鍍工藝逐步完善。在此以臥式鍍槽的整個步驟為例，說明一些工藝過程中出現(xiàn)的問題。

2.2.1除油

現(xiàn)實中的加工件并非統(tǒng)一的國標(biāo)材質(zhì)，需區(qū)別對待：材質(zhì)較疏松的，除油時間相對延長；較緊密的則縮短。并非時間越長越好，由于大多數(shù)除油液中有腐蝕或鈍化成分，如一味延長時間，一方面會發(fā)生腐蝕，另一方面會造成鈍化，給下一步增加麻煩。

長期使用的除油液表面積累大量油污，會降低除油效果，雖不至于導(dǎo)致起皮，但鍍層結(jié)合力差。另外，槽底會積攢很多剝離下來的金屬化合物沉淀，這是出現(xiàn)小瘤的最大原因。處理方式是設(shè)置獨立的過濾沉淀系統(tǒng)，定期開機(jī)去除即可。

2.2.2敏化(刻蝕)

傳統(tǒng)電鍍中有些將敏化作為前處理的最后一步，但在鎢合金電鍍中，鍍液有酸堿之分，敏化液的一成不變會影響工件入主鍍槽后的反應(yīng)，造成結(jié)合力差；且主鍍?nèi)萑绦缘停�電鍍液中一般不含除雜劑，因此敏化液摻入后很難去除，需根據(jù)敏化液的成分進(jìn)行電解或者做活性炭處理。正常工作中敏化的最大問題是補充酸液和去除沉淀。敏化過程是將金屬表面的鈍化層活化剝離，連續(xù)的流水作業(yè)勢必積累大量的超細(xì)沉淀，單靠過濾機(jī)不能徹底去除這些物質(zhì)，需配置特殊過濾設(shè)備。需嚴(yán)格控制不同材質(zhì)金屬的敏化時間，工作人員要有相當(dāng)豐富的工作經(jīng)驗。對于過度敏化的工件，補救措施是返回除油進(jìn)行鈍化，再敏化除去除油后在金屬表面產(chǎn)生的油膜。

2.2.3酸洗

相對于傳統(tǒng)的強酸洗，這里采用的是弱酸，因經(jīng)過敏化，工件表面可剝離的氧化物幾乎沒有了，所以再用弱酸輕微浸泡即可達(dá)到入主鍍的要求。長期運行仍會產(chǎn)生沉淀物和腐蝕效率降低，由于含酸量較低，酸洗液報廢后一般也就用石灰中和，更換新的酸液。

2.2.4主鍍

除上述工藝步驟對主鍍?nèi)芤旱挠绊懼�外，鎢合金鍍液自身的故障一般有：

(1)掛架、夾具脫落金屬造成的污染。首先是電纜融化導(dǎo)致的銅溶解，其次是夾具保護(hù)不當(dāng)引起的鐵溶解，一般的處理方式是電解，也可采用市售的鍍鎳除雜劑，但需謹(jǐn)慎使用。

(2)溫度測定不嚴(yán)格。通過燒杯實驗很容易看出溫度對鍍層質(zhì)量起決定作用，鍍槽不是長就是深，很易忽視溫度測量，生產(chǎn)中若出現(xiàn)大的溫度波動，對產(chǎn)品的不良影響是不可挽回的。

這個問題往往被設(shè)備設(shè)計人員忽視。傳統(tǒng)電鍍中一般會產(chǎn)生高熱，入槽后基本無需加溫。而鎢合金工藝耗電量少，發(fā)熱量也相應(yīng)減小。如出現(xiàn)不能加溫，那么只有一個可能原因──掛架導(dǎo)電出現(xiàn)問題，由此帶來的各種污染會嚴(yán)重影響溶液的穩(wěn)定性。在鍍槽中多布置一些單獨控制的熱電偶和加溫設(shè)備，是保證連續(xù)生產(chǎn)的必要條件。

(3)潤濕劑產(chǎn)生的固體顆粒、劣質(zhì)掛架膠的溶解物以及蚊蟲落入槽中都是影響質(zhì)量的因素。鎢合金電鍍中應(yīng)用的有機(jī)物還停留在較低層次，使用的潤濕劑是較為常見的十二烷基硫酸鈉之類，這類產(chǎn)品遇冷后易產(chǎn)生膠黏，工件入槽被其附著，易出現(xiàn)漏鍍和針孔。原有的掛架膠基本上是為傳統(tǒng)電鍍量身定做的，大部分應(yīng)用在鎢合金電鍍中都不理想，坐等行業(yè)配套還有很長的路要走，故必須及時檢查和更換。

(4)過濾設(shè)備和循環(huán)管路會影響鍍液的穩(wěn)定。鎢合金鍍液的密度較傳統(tǒng)電鍍液小很多，一般的過濾機(jī)很難滿足使用需要。以毛線過濾機(jī)為例，雖然在溶液出現(xiàn)沉淀時能起到很好的作用，但遇到十二烷基硫酸鈉等膠黏物時，就幾乎起不到作用，對掛架脫落后產(chǎn)生的上浮類顆粒更起不到任何作用。通過改變配套設(shè)備的過濾材質(zhì)恐怕很難有效果，因此必須在設(shè)計初期針對特定產(chǎn)品規(guī)劃好整個循環(huán)系統(tǒng)。

無法在實驗室內(nèi)全面估計鍍液在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，但對不同的鎢合金鍍液來說，其維護(hù)可總結(jié)為以下幾個方面：雜質(zhì)污染問題；金屬離子含量的管理和控制；配位劑的控制及其過量時的去除；用于調(diào)整鍍液的除雜劑的去除。相應(yīng)的解決辦法實際上只不過是按照不同物質(zhì)的化學(xué)屬性配給相應(yīng)的化學(xué)藥品，使其生成可簡單取出的化合物。取出方式不外乎是電解或者產(chǎn)生新的化合物沉淀后過濾去除，比如用冷凍法去除硫酸鈉，用化學(xué)沉淀法去除鐵離子和銅離子，用電解法去除亞硝酸鈉等。

2.3小結(jié)

對前處理的步驟來說，任何電鍍都可做到封閉式水循環(huán)，從而實現(xiàn)很低的三廢排放。鎢合金電鍍的環(huán)保優(yōu)勢只體現(xiàn)在鎢合金電鍍主鍍不允許存在槽底沉淀，不會外排有毒殘渣。

3·展望

鎢合金發(fā)展的優(yōu)勢在于環(huán)保成本低，缺點則是在某些工作環(huán)境下仍不能替代鍍鉻和鍍鎘。這個工藝發(fā)展的瓶頸是提高產(chǎn)品性能，有3個方面的問題要解決。

(1)提高人員素質(zhì)。

(2)穩(wěn)固目前的產(chǎn)品質(zhì)量以得到更多的行業(yè)配合。加強自我生產(chǎn)管理，穩(wěn)定現(xiàn)有可應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量，對設(shè)備配套和原料供應(yīng)等方面提出更高要求，完善硬件設(shè)施，穩(wěn)固市場占有率。

(3)對整個鎢合金體系來說，添加劑仍停留在很低的層次，與單金屬電鍍相比無進(jìn)步。鎢合金電鍍所用的潤濕劑、調(diào)整鍍層沉積含量的光亮劑和除雜劑都來源于鍍鎳。眾所周知鉆頭是用鎢鋼制造的，硬度和耐磨性都不容置疑，那么以鍍層來說，改變金屬元素排布是提高性能的最終方法，就必須發(fā)展添加劑，這是關(guān)鍵。

從工藝推廣和使用情況看，鎢合金電鍍并不能作為功能性電鍍最佳的應(yīng)用案例。要推動其發(fā)展，還是要把目光集中到研究鍍液上來。細(xì)數(shù)各種鎢合金鍍液后不難看出“鎢”在鍍液中的含量并不占主導(dǎo)地位，名稱誤導(dǎo)了很多專家和企業(yè)，實際上這類工藝仍可稱為多元鎳合金電鍍，只不過由于加入鎢元素，很多在鎳合金應(yīng)用中的理論被否定。每一種金屬都有自己的屬性，這種情況完全正常。在以前的研究中使用過鋯或鉬等，歐美的表面處理行業(yè)還有報道使用硅、鎂等物質(zhì)作為鎳的配合金屬的工藝研究。如果以研究鎢合金為方向的產(chǎn)品性能確實難以滿足各種工作條件，那么回到鎳基這條道路上來，可能才是解決功能性電鍍困擾的正確途徑。

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