鎢合金電鍍工藝

鎢合金電鍍工藝是一種傳統的加工工藝，也被稱之為鎢合金電鍍代鉻技術。主要用於金屬防腐蝕和防磨損，延長使用壽命。

基本介紹

• 中文名： 鎢合金電鍍工藝
• 外文名：Tungsten alloy plating technology
• 別名：鎢合金電鍍代鉻技術
• 主要用於：金屬防腐蝕和防磨損
• 作用：延長使用壽命
• 特點：克服了現有Cr6+對環境的嚴重污染
• 使用壽命：有所提高
• 硬度：高

歷史發展

鎢合金電鍍工藝之所以被稱之為鎢合金電鍍代鉻技術是因為鍍鉻工藝在長期使用中暴露出一些缺點，而鎢合金是鉻的良好替代品。鍍鉻是一種傳統的加工工藝，廣泛用於功能性鍍層和裝飾性鍍層領域，美國每年鍍鉻工業產值達80億美元，中國超過100億人民幣。但該工藝致命的缺點是：鉻酸濃度高，含鉻廢水和廢氣污染大。鍍鉻過程中產生的六價鉻是一種危險的致癌物。世界各國的環保部門對鉻霧及含鉻廢水的排放都進行了嚴格的控制，完全取消鍍鉻已是世界各國環保部門的一項重任。尋找代鉻工藝也成為所有製造業的需要。鎢合金電鍍工藝從此應運而生。

工藝特點

鎢合金電鍍工藝，在鍍層成份上有所創新，可以獲得韌性好的厚鍍層。該項技術的主要特點是：

1、克服了現有鍍鉻工藝Cr6+對環境的嚴重污染。

2、在硬度、耐磨耐蝕等主要性能上優於鍍鉻。

3、物料利用率高，生產成本較低。

4、可以充分利用現有的鍍鉻工藝設備，改造工程小。

5、鍍層持久使用壽命長。

工藝優點

國家權威機構檢測和用戶使用表明，鍍件耐磨性好，硬度高，使用壽命有所提高，可加工性好，耐磨蝕好。鎢基合金的各項性能指標相當於或優於硬鉻鍍層：顯微硬度：使用儀器Hvs-1000型維氏硬度計測出所鍍鍍層的維氏硬度為Hv=600～1300Hv，維氏硬度的變化直接與鍍層的組分有關係。耐蝕性：將鍍片分別浸入5%的鹽酸、5%的氫氧化鈉中測得其耐腐蝕性，結果表明在5%的鹽酸中浸泡72小時，鍍層表面形成藍色保護膜後，阻止了腐蝕的進一步發生；在5%的氫氧化鈉中浸泡72小時，鍍層完好無損。鍍厚能力：鍍厚能力可達0.3mm。

鍍層與基底結合力：通過對不同的基底材料進行合適的前處理，可以得到鍍層與基底材料結合力很好的鍍層。基底材料形狀：可在各種基底材料上得到合格的鍍層。該項工藝技術的推廣套用具有良好的社會和經濟效益。

實際運用

腐蝕與磨損是石油鑽井設備和採油設備在礦場套用中碰到的兩大難題。為了延長油管抽油桿的使用壽命，必須提高油管抽油桿的耐磨和防腐性能。通過鎢基合金電鍍技術，生產出的鍍滲鎢基合金防腐耐磨油管抽油桿對解決磨損與腐蝕這兩個難題具有顯著效果。它具有以下優點：鍍層的耐磨、耐蝕方面具有很好的綜合性能；鍍層均勻；物料利用率高，能耗和水耗比較低；沒有污染。

配方及套用

鎢合金電鍍是兼顧耐磨與防腐雙重性能的新型電鍍，工藝環保，對操作人員無傷害，生產效率高，近年逐漸獲得了機械行業的注目。從某高校研究室開始推廣，到如今被列入國家“十二五”發展推廣項目，鎢合金多元電鍍的套用經過了十幾年的歷程，起初其用以替代裝飾性套鉻，但在試用此技術時發現加工出的產品更適合用於功能性電鍍。鎢合金電鍍首先套用於液壓設備和石油機械，後逐步擴展到其他行業。一開始的問題就是如何從實驗室走向大規模生產，如何從配方走向套用，這是一個長期的磨合過程。

要詳細說明整個鎢合金的生產工藝，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，溶液穩定，滿足目前環保的高要求，因此一開始多用該配方對各行業產品進行實驗性加工。最初認為“鐵鎳鎢”配方較耐磨，當某些套用條件下鎳鎢磷的性能難以滿足產品要求時，多以此鍍種替代。“鎳鎢”或“鹼性鎳鎢磷”在內壁加工中套用較多，優點是分散能力高於其他，但在維護上還有一定的技術難度，套用並不廣泛。除此之外，還有人做出了鎳鎢銅、鎳鎢鎂等，可見調製配方難度並不大。配方的可持續性和穩定性以及維護和控制難度，決定了這些配方在大規模生產中的套用。

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，溶解後溶入對應的配位劑，再倒入加了適量還原劑的硫酸亞鐵溶液，然後倒入配有另一種相應配位劑的鎢酸鈉溶液，加入所需光亮劑和低泡潤濕劑，最後定容得到鍍液。

在做燒杯實驗時，2L溶液連續工作72h，持續添加相應消耗量的金屬，加工出的試驗件在性能上無變化，但在存放後出現白色沉澱，疑為三價鐵、鎢酸鈉和配位劑生成的化合物。此配方的難度在於控制三價鐵。燒杯的口徑較小，溶液與空氣的接觸面小，相對於2L溶液而言，電解時的產氧量也同樣較少，對硫酸亞鐵的氧化作用不明顯，但長時間工作之後三價鐵開始積留，放置一段時間後自然出現沉澱。

為持續添加，必須配製合適比例的還原劑和配位劑來保證硫酸亞鐵的穩定，導致二者過量加入。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產生沉澱，而且易與鎢酸鈉反應產生沉澱。

控制鐵鎳鎢穩定的難度相當大，3種金屬、2種配位劑、1種還原劑加光亮劑的配製很複雜。在生產控制中，還原劑和光亮劑的分析也達不到配合程度。

後續的套用性實驗還發現在有2種不同配位劑的情況下，異形加工件的凹凸結合處會起皮，因此必須用統一的配位劑，但更換配位劑後，加工件耐磨性有所下降。工業生產時槽面和產氧量較大，較難保證鍍層中完全不摻雜沉澱的顆粒，從而影響鍍層性能的穩定。對習慣了傳統生產方式的企業來說，需做很大努力控制此鍍種的生產，只有嚴格的管理才能保證生產的連續性。

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。配製方法較簡單，將足量的配位劑加入鎢酸鈉溶液，再倒入硫酸亞鐵溶液，最後加入亞磷酸即可。

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於控制，會造成發黑或粗糙。該配方從配製到生產管理都十分簡單，不必通過過量的配位劑來穩定溶液，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是多少，至今仍是各大委託加工方爭論的焦點。其二，產生起皮、麻點和針孔的原因與以前專家提出的觀點並不切合，付出了相當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大的行業支持後才逐漸被證實，繼續提高耐磨性仍有研究空間。

鎳鎢磷較穩定，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，但由於硬度只能達到900HV，在運動速率和壓力較高的環境下使用時，鍍層還是會變形、損傷。

鹼性鎳鎢磷和鎳鎢

這2種配方是在客戶對酸性鎳鎢磷的性能產生懷疑後開發出來的。鹼性鎳鎢磷的鎢含量較高，較受委託加工方推崇，或者說成了鎢合金電鍍工藝的一個賣點。客戶認為鎢含量高，產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鍍層起砂的現象，即顆粒過多，粘合不夠。這一點仍需在實驗和生產中驗證。

鹼性鎳鎢磷配方由硫酸鎳、鎢酸鈉、亞磷酸及配位劑組成，潤濕劑的選擇取決於產品的電鍍方式，與酸性鎳鎢磷的配製方法相同，區別在於需加入大量的鹼性配位劑和普通鹼性溶液來提高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，但長期生產中也會發生有機物積留而影響鍍速的情況，但不會出現不溶性沉澱，處理較簡單。

鹼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。配製方法與上述無區別，工作環境一致。長期工作同樣存在有機物積累問題，處理方式與鹼性鎳鎢磷相同。這2個鍍種的優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到30μm以上，而鎳鎢和鹼性鎳鎢磷在20μm就可完全覆蓋。一般內孔電鍍中首先要求防腐蝕性能，鐵鎳鎢並不適用，而酸性鎳鎢磷受工藝限制，鹼性鎳鎢磷和鎳鎢就成為首選。

故障處理

依現在掌握的配方，已基本清楚整個工藝環節中會出現的故障及排除方法，這要從燒杯實驗到特定產品加工的區別逐步說明。燒杯實驗環境單一，不可能遇到生產中的各方面問題，走向規模化生產後，溶液交叉污染和掛架設計是出現故障的主要因素。鎢合金電鍍中大部分的生產工藝都與傳統鍍種相似，無非是去污、除油、敏化和酸洗。經過大量實踐經驗的積累和行業人員的介入，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的問題。

除油

現實中的加工件並非統一的國標材質，需區別對待：材質較疏鬆的，除油時間相對延長；較緊密的則縮短。並非時間越長越好，由於大多數除油液中有腐蝕或鈍化成分，如一味延長時間，一方面會發生腐蝕，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，雖不至於導致起皮，但鍍層結合力差。另外，槽底會積攢很多剝離下來的金屬化合物沉澱，這是出現小瘤的最大原因。處理方式是設定獨立的過濾沉澱系統，定期開機去除即可。

敏化(刻蝕)

傳統電鍍中有些將敏化作為前處理的最後一步，但在鎢合金電鍍中，鍍液有酸鹼之分，敏化液的一成不變會影響工件入主鍍槽後的反應，造成結合力差；且主鍍容忍性低，電鍍液中一般不含除雜劑，因此敏化液摻入後很難去除，需根據敏化液的成分進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澱。敏化過程是將金屬表面的鈍化層活化剝離，連續的流水作業勢必積累大量的超細沉澱，單靠過濾機不能徹底去除這些物質，需配置特殊過濾設備。需嚴格控制不同材質金屬的敏化時間，工作人員要有相當豐富的工作經驗。對於過度敏化的工件，補救措施是返回除油進行鈍化，再敏化除去除油後在金屬表面產生的油膜。

酸洗

相對於傳統的強酸洗，這裡採用的是弱酸，因經過敏化，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到入主鍍的要求。長期運行仍會產生沉澱物和腐蝕效率降低，由於含酸量較低，酸洗液報廢后一般也就用石灰中和，更換新的酸液。

主鍍

除上述工藝步驟對主鍍溶液的影響之外，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。首先是電纜融化導致的銅溶解，其次是夾具保護不當引起的鐵溶解，一般的處理方式是電解，也可採用市售的鍍鎳除雜劑，但需謹慎使用。

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

這個問題往往被設備設計人員忽視。傳統電鍍中一般會產生高熱，入槽後基本無需加溫。而鎢合金工藝耗電量少，發熱量也相應減小。如出現不能加溫，那么只有一個可能原因──掛架導電出現問題，由此帶來的各種污染會嚴重影響溶液的穩定性。在鍍槽中多布置一些單獨控制的熱電偶和加溫設備，是保證連續生產的必要條件。

(3)潤濕劑產生的固體顆粒、劣質掛架膠的溶解物以及蚊蟲落入槽中都是影響質量的因素。鎢合金電鍍中套用的有機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，這類產品遇冷後易產生膠黏，工件入槽被其附著，易出現漏鍍和針孔。原有的掛架膠基本上是為傳統電鍍量身定做的，大部分套用在鎢合金電鍍中都不理想，坐等行業配套還有很長的路要走，故必須及時檢查和更換。

(4)過濾設備和循環管路會影響鍍液的穩定。鎢合金鍍液的密度較傳統電鍍液小很多，一般的過濾機很難滿足使用需要。以毛線過濾機為例，雖然在溶液出現沉澱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，對掛架脫落後產生的上浮類顆粒更起不到任何作用。通過改變配套設備的過濾材質恐怕很難有效果，因此必須在設計初期針對特定產品規劃好整個循環系統。

無法在實驗室內全面估計鍍液在實際套用中出現的問題，但對不同的鎢合金鍍液來說，其維護可總結為以下幾個方面：雜質污染問題；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；用於調整鍍液的除雜劑的去除。相應的解決辦法實際上只不過是按照不同物質的化學屬性配給相應的化學藥品，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生新的化合物沉澱後過濾去除，比如用冷凍法去除硫酸鈉，用化學沉澱法去除鐵離子和銅離子，用電解法去除亞硝酸鈉等。