第4章　不銹鋼電鍍

4.1　概論

4.1.1　不銹鋼鈍化膜對電鍍的影響

不銹鋼是一種表面極易鈍化的金屬。鈍化能使金屬表面電極電位向正方向移動，從而使鈍化表面很穩定，能經受腐蝕介質在一定時間一定范圍內的腐蝕，不會被浸蝕。這層致密的鈍化膜影響不銹鋼基體與其上鍍層間的結合力，明顯的出現起泡、脫落；不明顯的，表面鍍層看似平整，但經不起彎曲劃痕等結合力試驗。因此，要獲得結合力可靠的鍍層，徹底除去不銹鋼表面鈍化膜就是非常關鍵的問題。

4.1.2　不銹鋼鈍化膜的反復性

用一般酸洗活化法，例如，使用混合酸，即硝酸300mL/L，氫氟酸100mL/L，鹽酸30mL/L，溫度50～60℃，時間1～10min，進行酸洗，企圖使不銹鋼表面鈍化膜徹底除去，并立即電鍍，鍍層表面雖然很好，但經彎曲試驗，鍍層有起皮現象，表明鍍層結合力不好。可以認為是鍍層與基體不銹鋼之間的鈍化膜存在所致。

根據南京大學戴安邦教授在元素周期表一書中所闡述的“軟硬酸堿理論”分析：不銹鋼表面鈍化膜中的鉻離子和鎳離子分別是“硬酸”和“交易酸”，酸洗液中氟離子為硬堿，它們之間有很強的親和力，易生成配陰離子，牢固地吸附在表面，進而使金屬表面與溶液之間又形成新的阻隔層。雖然這些配陰離子在酸性介質中會被溶解掉，但水洗后不可避免地保留部分配陰離子于不銹鋼表面，生成新的鈍化膜。這就是用一般酸洗方法作為鍍前處理不能滿足不銹鋼上電鍍層結合力要求的原因。

4.1.3　電解活化-預鍍鎳處理方法——不銹鋼電鍍前處理方法之一

4.1.3.1　陽極活化機理

在電解活化液中含有鹽酸和氯化鎳，在活化液中氯離子濃度很高。

在電解活化時，首先對不銹鋼表面鈍化膜進行陽極活化，陽極的電極過程為

在陽極活化過程中，初生態氯原子有很強的氧化性，它不斷氧化新形成的表面金屬鐵等為離子。氯離子與不銹鋼鈍化膜表面形成的鐵、鉻、鎳離子的配位體的穩定常數又較高，因此，易生成配陰離子而不斷溶解，于是溶解過程易于進行，起到了陽極活化作用。同時，不銹鋼在陽極電解活化時，金屬離子沖破氧化膜進入溶液，使金屬與氧化膜之間起松動作用，與此同時，陽極初生態氯氣的逸出，使得鈍化膜更容易受到破壞，從而獲得活化潔凈的表面。

4.1.3.2　預鍍鎳處理

在同一槽液中，利用換向閘刀開關，將極性變換，原來的陽極變成陰極進行預鍍鎳。

陰極電極過程：溶液中的鎳離子接受電子轉變為金屬鎳原子，覆蓋在陰極表面上。

在這短短的瞬間鍍上鎳，避免了在不銹鋼表面再形成鈍化膜。鎳層不要求一定的厚度，只要有一薄層覆蓋在整個不銹鋼表面上，避免再次鈍化表面，然后隨之再進行鍍其他鍍層，如鍍銅、鍍鎳、鍍鉻、鍍銀等，可達到結合力滿意的要求［1］。

4.1.4　電解活化-預鍍鎳后的鍍層結合力試驗

（1）常溫彎曲試驗。薄片狀不銹鋼鍍一定厚度的銅層后進行反復彎曲，直至不銹鋼鍍銅片折斷，觀察不銹鋼基體與鍍層的斷面不分層起皮為合格。

（2）低溫彎曲試驗。這是在更嚴酷的條件下進行的結合力試驗。將樣品按前節方法鍍好鍍層后，放在-196℃的液氮中浸泡，再拿到常溫中冷卻到常溫25℃，如此反復進行5次，然后在常溫下進行彎曲至折斷，或用銼刀摩擦鍍層等方法，不銹鋼基體與鍍層不起皮分層為合格。這種試驗適用于航天用鍍層的考驗。

（3）高溫試驗。這也是在更嚴酷的條件下進行的結合力試驗，即將鍍有鍍層的不銹鋼加熱至400～500℃，不耐高溫的錫、鋅鍍層可降低至200～300℃，然后冷卻至常溫，進行彎曲到折斷，或用尖銳鋼針劃鍍層，基體與鍍層之間不起皮分層為合格。

4.1.5　陽極電解活化-預鍍鎳一步法溶液成分及工藝條件

表4-1列出陽極電解活化-預鍍鎳溶液成分及工藝條件。

在日常工作中，活化液可在寬范圍內長期使用，操作方便。活化液保持一定量的氯離子濃度和一定的酸度，酸度不可太高，以免造成對不銹鋼表面的過腐蝕，是保證活化的基本條件。適量的鎳離子是保持預鍍鎳的必要條件。最好通過溶液分析及時加以調整。溶液中鐵離子、鉻離子通過陽極溶解，逐漸增加是不可避免的。當雜質含量達到10g/L的數量時，會影響活化和預鍍的質量，此時溶液可采取局部更換。也可以將陽極活化和預鍍鎳分兩個槽使用，即由一步法更改為兩步法，這樣只要更換陽極活化槽即可，陽極活化槽液內只含有鹽酸，預鍍鎳槽液成分不變，仍含有一步法所含有的氯化鎳和鹽酸。在操作上陽極活化后不經水洗立即進行預鍍鎳，工藝條件不變，詳見4.1.8節。

4.1.6　化學活化-預鍍鎳一步法——不銹鋼電鍍前處理方法之二

為了節省能源，將陽極電解活化改為化學活化也已實驗成功，并用于實際工作中。這一方法就是將已浸蝕過的潔凈的不銹鋼零件在鹽酸-氯化鎳槽液中放置15min，使不銹鋼表面被化學活化-預鍍鎳溶液中的鹽酸浸蝕，當產生小氣泡2min后，再進行陰極沖擊預鍍鎳。

在初始浸漬時會產生大量的新生態氫原子，起還原作用，使表面氧化膜被還原溶解：

氫原子立即變成氫氣，機械地沖破氧化膜，然后在陰極過程中鎳離子在陰極不銹鋼表面上放電沉積成結合力牢固的鎳層。

表4-2列出化學活化-預鍍鎳一步法溶液成分及工藝條件。

注：配方1適用于不銹鋼滾鍍前處理［2］。

采用化學活化-預鍍鎳一步法。工藝流程如下：化學除油→熱水洗→冷水洗→浸蝕［硫酸70～90mL/L，Fe2（SO4）390～110g/L］→水洗→入滾筒→活化（配方1，不通電運轉3～5min）→預鍍鎳（開啟電流施鍍10～15min）→斷電出桶→回收→冷水清洗→繼續施鍍其他電鍍。

4.1.7　陰極活化-預鍍鎳兩步法——不銹鋼電鍍前處理方法之三

為了避免不銹鋼在陽極活化時鐵、鉻等金屬元素溶入預鍍鎳槽而成為雜質，造成預鍍鎳槽的不穩定，將陽極電解活化改為陰極電解活化，并與預鍍鎳槽分開設立，利用陰極產生的氫氣還原和破壞表面氧化膜以凈化表面。在陰極電解活化后，不銹鋼不經水洗，立即迅速轉入預鍍鎳槽中，這一工藝也取得比較好的效果。不過要求轉移的時間盡量短些。

表4-3列出了陰極活化槽溶液成分及工藝條件。

表4-4列出預鍍鎳溶液成分及工藝條件。

4.1.8　化學活化和預鍍鎳兩步法——不銹鋼電鍍前處理方法之四

采用化學活化法，用比較長的時間對不銹鋼進行活化，當不銹鋼表面產生有氫氣泡上浮，并持續1～2min即可取出，為了縮短轉移時間，不經水洗，立即轉入預鍍鎳槽進行沖擊鍍鎳，也取得滿意的效果。表4-5列出化學活化溶液成分及工藝條件。預鍍鎳溶液成分及工藝條件見表4-4。

①時間至表面產生氣泡并持續1～2min為止。

4.1.9　不銹鋼預鍍鎳添加劑KN-505

KN-505添加劑直接加入到現在使用的瓦特鍍鎳液或氨基磺酸鹽鍍鎳液中使用，可得到良好的電鍍結合力和光亮的鍍鎳層。

不銹鋼表面用KN-505鍍鎳之后，也可以直接鍍金，減少工藝，效果良好。

（1）使用范圍。KN-505鍍鎳既可以適用于掛鍍，也可以適用于滾鍍，也可以適用于連續鍍的高速鋼帶，除了適用于SUS304、305等其他SUS，也適用于接合力難鍍的鈹青銅、磷青銅。

（2）KN-505工藝流程。脫蠟→水洗→酸洗→水洗→KN-505鍍鎳→水洗→其他電鍍→水洗→烘干→包裝。

（3）KN-505鍍鎳溶液成分及工藝條件。KN-505鍍鎳溶液成分及工藝條件見表4-6。

（4）技術管理與溶液維護。

①KN-505添加劑可直接加入現今的電鍍液里使用，但要得到高品質時，重新開缸是最佳方法。

②KN-505添加劑添加100mL/L時較穩定，KN-505不足時，出現結合力不良，故要保持適量多一些，比規定量多（2倍）沒有影響，但不經濟。

③KN-505消耗量。400～500A/h時消耗量為10mL/L，即當電鍍槽為100L時，在電流400A時，KN-505的消耗量為1000mL/h，即2500mL/（kA·h）（每千安·小時消耗量為2.5L）。

④pH的維護。使用時期內pH必須維持在2.0以下。在補充KN-505的時期內pH不會有變化，如因混入多量的水洗液時pH會上升，是造成鍍層結合力不良的原因。

⑤鍍液進行活性炭過濾時有20％的KN-505被吸收，故用活性炭過濾后要補充20％的KN-505添加劑，即添加KN-505 20mL/L。

注：KN-505添加劑為上海品意電子科技有限公司生產，在上海市漕寶路3185弄3-1503室，電話021-51097618，E-mail：birchpark@vip.citiz.net。

4.1.10　不銹鋼預鍍納米鎳新工藝

不銹鋼預鍍納米鎳工藝在預鍍前不需預浸程序，就可直接電鍍，電鍍鎳后也不必很快就進行其他后續鍍層的電鍍，為不銹鋼工件的自動化電鍍提供可靠的保障［31］。

（1）工藝特點。

①環保型：無氰化物。

②鍍層薄：厚度200～300nm（相當于0.2～0.3μm）。

③均鍍好：采用沃特遜法計達95％以上。

④焊接性能好：可釬焊、熔焊。

⑤結合力好：環形剪切法實驗，結合強度為15kN/cm2，可進行二次加工。

⑥鍍液穩定：不需大處理。

⑦表面質量高：預鍍工件表面比閃鍍鎳表面更加光亮、飽滿。

⑧前處理要求低、鍍液為弱堿性（pH8～14）。

⑨主鹽濃度低：硫酸鎳30g/L，帶出量低。

⑩滾鍍掛鍍均勻。

工作條件寬：pH8～14，易維護。

添加劑消耗補加少：消耗量20～30mL/（kA·h）。

電流密度范圍廣：0.5～20A/dm2、低電壓不漏鍍，高電壓不燒焦。

金屬雜質容納能力強：添加劑可配位化合金屬雜質并共沉積，（但對氰化物較敏感）。

（2）溶液配方及操作條件。不銹鋼預鍍納米鎳溶液組成及操作條件為：

硫酸鎳　　　　　　　　　　30g/L　　SF-300B添加劑　　　　　　65mL/L

硫酸鉀　　　　　　　　　　30g/L　　pH　　　　　　　　　　　　8～14

氫氧化鉀　　　　　　　　　35g/L　　溫度　　　　　　　　　　45～55℃

乙酸鈉　　　　　　　　　　20g/L　　陰極電流密度　　　　　0.5～20A/dm2

氨水　　　　　　　　　　　20mL/L　　時間　　　　　　　　　　1～3min

SF-300A添加劑　　　　　　65mL/L　　陽極　　　　　　　　　　　　鎳板

注：1.加熱棒最好用陶瓷，在加熱時需空氣攪拌，以使鍍液溫度均勻。

2.SF-300A為晶核抑制劑，SF-300B為鎳離子配位化合物，SF-300C為鍍液消耗補加劑（非開缸劑），消耗量為0.02～0.03L/（kA·h）。

3.SF系列產品研制人為儲榮邦（南京724研究所，210011），戴昭文（江蘇表面協會，南京，210000），楊立保（南京四方表面技術有限公司，211100），可向他們咨詢。

（3）不銹鋼預鍍納米鎳工藝流程。除油→水洗→水洗→電化學拋光（Ⅰ）［鹽酸（35％）200mL/L、乙酸鈉40g/L，時間30s，陽極電流密度DA>15A/dm2］→水洗→電化學拋光（Ⅱ）［溶液成分及操作條件同（Ⅰ），一般二次電化學拋光就行］→水洗→電化學拋光（Ⅲ）［特種不銹鋼表面氧化層較厚，需要三次電化學拋光，配方和操作同（Ⅰ），但不可延長拋光時間而減少次數，會影響拋光質量］→水洗→活化［鹽酸:水=1:2（體積比），時間4s］→水洗→不銹鋼預鍍納米鎳（1～3min）→水洗→后續電鍍。

（4）納米預鍍鎳的發展前景。

①解決不銹鋼產品的結合力，得到有效保障。由于不銹鋼具有較高的化學穩定性，電鍍前須經特殊的前處理，才能將其表面透明且附著牢固的鈍化膜除去，才能保證結合力，前處理既要有效除去自然氧化膜，又要防止其再氧化，這兩點缺一不可。但不銹鋼在大氣中會很快生成一層鈍化膜，操作連貫性差，經前處理后未能轉入下道工序，可能失去前處理的意義。在操作過程中要求迅速連續進行，難度很大，可操作性不強，結合力不能得到有效保障。而不銹鋼預鍍納米鎳工藝不需預浸，鍍層只需0.25μm，就可解決結合力問題。

②納米鎳鍍層中的鎳與不銹鋼中的鐵原子形成致密、均勻的鎳鐵合金鍍層，有效阻止了不銹鋼表面再次鈍化，保證鍍層的結合力。鍍層有超強結合力：360°折曲實驗無脫落；高速沖擊不脫皮；能承受高溫焊接要求；自身有高防腐能力，能調節后續各鍍層不同厚度的要求，使該工藝在不銹鋼自動化電鍍線生產領域得到應用。