摘要：镁合金电镀有着广泛的市场需求,该工艺现已走出实验室,投入了批量生产,合格率达到90%以上,但大量推广仍然困难重重。本文从工艺技术、生产经营、技术再创新过程、共性技术的社会支撑等角度,讨论了该工艺推广应用的难点,以及今后一段时期对其发展的一些看法。
关键词：镁合金电镀 共性技术 推广难点
0 引言
镁合金因其独特的性能和丰富的资源一直受到广泛关注,在本世纪又被作为环保型材料而倍受推崇。但由于镁合金电镀工艺尚不成熟,耐蚀性差的问题成为发挥其优越性的主要障碍,因而在很大程度上限制了它更大范围推广应用。
从上世纪四五十年代,国外就对镁合金电镀技术进行了开发研究。因其电化学性能十分特别,以及其它牵制因素,至今对它的推广使用步履维艰。笔者所在公司在合作单位的配合下,已将ＡＺ91镁合金电镀工艺成功地投入了批量生产,电镀质量通过了中科院上海冶金所的测试,同时还通过了法国Ｆｒｍｅｔａｌ公司的检测,合格率达到了90%以上。其它牌号的镁合金在实验室条件下也曾进行小试,因没有经过实际生产,尚无可靠的经验数据提供。
1 镁合金电镀工艺简介
镁合金电镀工艺的关键是前处理。目前适用于工业生产的前处理工艺有两大类:沉锌法和直接化学镀镍法。这两种方法最早都是由美国ＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌ公司推出[1],后来各个使用厂家在实际试用过程中,都以此为基础进行了不同程度的改进。有的先将镁合金氧化,然后在氧化层上涂10～20μｍ的导电树脂作为底层,再进行镀铜、镀贵金属,或其它镀种;有的采用浸锡法和直接镀银法等。但这些方法,从成本和效率的角度考虑,都不适合于工业生产。
沉锌法后来又被发展成大同小异的多种做法,有的只是做了一点改进。见诸报道的有ＮｏｒｓｋＨｙｄｒｏ工艺和ＷＣＭ工艺[2]等。沉锌一是为了溶解镁的氧化物;二是为了形成一层薄的氢氧化物,防止镁的进一步氧化。
沉锌法工艺流程:
除油→清洗→除垢→清洗→活化→清洗→沉锌(或两次沉锌)→清洗→镀铜→清洗→化学镀镍(中磷或高磷)→电镀铜/镍/铬(贵金属等)
直接化学镀镍法是在化学镀液里加入氟化物类添加剂,并控制镀液的ｐＨ值,从而得到化学镀镍层,而在此之前不需要沉锌和镀铜,当然除油、除垢和活化都是必需的。
现在,企业界、学界和政府管理部门对镁合金大量推广使用的课题极为关注。然而国内外很多研究机构和大小公司都宣称自己开发出了镁合金电镀工艺,并且也拿出了样品。同时市场方面,如汽车行业、3Ｃ产业、军械和器材类厂家都声称对镁合金电镀件有着很大的需求,电镀厂家也都表现出了对镁合金电镀工艺的浓厚兴趣,但是,至今真正投入大批量镁合金电镀生产厂家却寥寥无几。问题在哪里,难点有哪些呢?
2 镁合金电镀工艺推广的难点
镁合金电镀的需求很广泛,人们对它的研究投入很多,而且由来已久,但至今得不到大量推广应用。笔者拟从以下几个角度浅议其难点。
镁合金材料本身具有的如下特点,决定了它在工艺技术方面的难度。
(1)因镁的电极电位是-2.36Ｖ,其化学活性非常之高,ＭｇＯ在表面可以迅速形成,从而妨碍沉积的金属与基体金属形成金属键链接。
(2)镁与溶液中的金属离子接触后会产生激烈的反应,需抑制得当,不然得到的置换层松散、粗糙,结合力差。
(3)化学镀溶液的稳定性要求很高。因镁催化作用很强,微量镁就会触发溶液过度反应而致失效报废。
(4)铸造镁合金本身存在大量金属间化合物,如ＭｇｘＡｌｙ、γ相、稀土相等。金属间相的存在,导致表面电势分布不均,造成沉积金属的差异性。如果此种差异过大,超出可控区间,则表现出稳定性问题。
(5)铸造缺陷的影响很大。铸件基体孔隙和夹杂物很可能成为镀层孔隙的来源。因为镀层的电极电位远远大于基体,因此,镀层必须要保证无孔,否则比不镀的还差。这是由于通孔产生的腐蚀电偶会造成严重的腐蚀;而电镀工艺不能弥补铸造缺陷。
2.2生产经营方面
2.1工艺技术方面
2.2.1 合格率问题
镁合金不像其他材料可以方便地退镀,然后返镀。因此,镁合金电镀工艺的关键,并不是能镀出合格的样品,而是要使镀件的一次性合格率达到很高的水平。
举例来说:
(1) 设镁合金毛坯价值10元/件·ｄｍ2,电镀加工费4元/件·ｄｍ2,利润1元/件·ｄｍ2,以1000件计,设合格率为Ｖ,电镀加工的最低合格率为:
1000×(1-Ｖ)×(4-1)=1000Ｖ×1Ｖ=75%
(2) 如果合格率低于90%的部分,电镀厂要赔偿毛坯原价值,故电镀加工的最低合格率为:
1000×(1-Ｖ)×(4-1)+[1000(1-Ｖ)-1000×(1-90%)]×10=1000Ｖ×1Ｖ=85.7%
如果利润为0.5元/件·ｄｍ2,则Ｖ≈90%。
(3) 设用户在电镀后最低增值/件为Ｐ,由此可得:1000(1-Ｖ)×10=1000Ｖ×Ｐ
假定用户能够接受电镀厂的合格率为90%,那么Ｐ至少要达到1.11元/件·ｄｍ2。
显然,在电镀合格率低、加工增值也低的情况下,双方都不会有积极性。并且合格率低的工艺,不会有客户接受,不可能进入实际生产。
鉴于上述镁合金电镀工艺技术上的难度,加上与此相匹配的铸造件的质量,还需要一大批毛坯件作为试验品。因此,对许多拥有镁合金电镀技术的研究单位而言,验证合格率是非常困难的。尽管现有很多声称解决了镁合金电镀技术问题的单位和个人,而且有的有文章、还有样品,但合格率却无人能够做出肯定的承诺,这对用户是难以接受的。
2.2.2 项目的投入产出问题
如果一个电镀厂没有镁合金电镀的能力,那么镁合金电镀的业务自然不会找上门来;反之,如果没有镁合金的电镀加工业务,也不可能有电镀厂盲目地去投入镁合金的电镀设备和工装;没有电镀厂,镁合金不可能进入电镀生产。实验室样品只能代表实验室水平。这是靠企业和研究单位自身难以有效平衡的矛盾。真正有水平的研发人员充其量在实验室做出合格的样品,真正有眼光有实力的电镀企业家充其量投入到中试水平。一个不容回避的现实问题是:如果投入几百万资金,何时才能收回?如果迟迟不见效益回报,工厂就有可能因此而陷入困境。这项决策对任何一位明智的企业家来说都不是一件轻松愉快的事情。
2.2.3 镁合金电镀加工价格
今年初,曾有客户要求大批量加工一种镁合金零件,因样品测试结果完全符合要求,双方都为此做了很多的准备工作,但最后签协议时,唯一谈不拢的是价格。因为客户认为铝合金电镀价格是可以比较的,只能是稍微高一点。这是一个很大的误区,因文章篇幅所限不再展开。笔者认为:在今天的起步阶段,企业不能像科研单位不计效益,镁合金的电镀价格高出铝合金的30%～50%是合理的。当然随着批量的增大,工艺的进一步成熟,降价的空间还是存在的。
2.3 技术再创新方面
镁合金电镀的生产实施,其实是一系列的技术创新活动。很多研究单位推出的工艺基本上都是实验室水平的,从技术创新来说只是实现了第一步极其重要的下一步是让它走出实验室,实现可持续创新。
从实验室样品到工业化生产,还要进行种种创新过程才能完成。而后续创新过程的主体,往往已经不是在实验室做样品的科技人员,而是换成了普通劳动者,正是这些普通劳动者的创新意识和创造能力决定了大批量生产的成功率和生产效率。后续创新过程中所发生的问题常常被轻视或忽视。笔者最初从10余家合作电镀厂中优选了4家,都实施了试生产,结果相同的工艺在3家均以失败告终,只有1家达到了预期的效果。因此,最后的成功是技术再创新劳动者的成功。
其实,电镀作为一门实验科学,经验往往就是很实用的技术,经验的积累就是发展更高技术的基础。在实践中,高级研发人员解决电镀现场生产中的问题,能够得心应手者极为鲜见。这不仅仅是因为缺乏实际的操作经验,而且必须承认,现场工作者本身具有再创造能力。由于已经进行了再创造而远远偏离了实验室水准,再加上各个厂家的条件和背景不尽相同,因而使得结果差异很大。
2.4 共性技术的社会支撑方面
镁合金之所以受到广泛关注,主要是:
(1)镁资源丰富,尤其在我国占有量超过全球总量的60%[4]。
(2)镁合金的密度为1.73,仅为铝合金的60%,是轻量化的首选。
(3)镁合金的比强度高,比刚度好,易于切削加工,也易于铸造成型。
(4)吸震性能优良,能承受较大的冲击震动负荷,适用于汽车方向盘、座椅等结构件。
(5)特有的电磁屏蔽性能,适用于手机、电脑等电子器件的保护和生物防护。
(6)散热能力好,是3Ｃ某些功能性器件的首选材料。
(7)易于回收,有利于资源的循环利用。
因此,镁合金电镀技术是无可争议的共性技术,是非常有理由得到社会支撑的。但是长期以来,即便是现今的973计划,可能都还没有一个切合实际、切实有效的支撑模式。
3镁合金电镀技术推广之浅见
在前处理工艺的选择方面,建议电镀厂以选择沉锌法较为稳妥。
(1)沉锌法的镁合金电镀过程与铝合金的有相似之处,很多厂原有的铝合金电镀的经验就是很好的基础。
(2)沉锌后,一是具备改为其它后续镀种的空间,二是此时化学镀镍与直接化学镀镍法的要求和难度相对较低。
(3)直接化学镀镍法看起来简单,省掉了几道工序,而实际上,一是对化学镀镍的要求较高,加上镀镍成本高;二是操作失当的几率也较前者为大,由此造成的溶液报废价值不菲。当然对不同用途、不同使用背景,考虑侧重点不一样,不能一概而论。
镁合金电镀件在耐蚀性能方面,有其独特之处。目前的理解多是基于过去经验,或依此推理,其实与实际情况可能相去甚远,没有亲历镁合金电镀件实测的人,很难相信一些试验数据。对于这些问题的研究资料,因缺乏实际大生产的经验数据,加上涉足此领域的研究者也很少见,基本上还属于空白。因此,今后有条件的研究单位在这方面将大有文章可做。
4结语
镁合金电镀工艺已经走出了实验室,经受了生产实践的初步考验,比起通常人们想像的水准高出了很多。但在现实中,推广应用的难度依然非常之大,很多牵制因素都还在起作用,需要社会各界关注、支持和共同努力。勿容置疑,镁合金电镀工艺发展的时机已经到来。 |
