橡膠球關節電鍍鋅-鎳合金工藝及其性能

李斌，王林*，周同理，鄧建青，謝彥飛

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

Tong-li， DENG Jian-qing， XIE Yan-fei

橡膠球關節電鍍鋅-鎳合金工藝及其性能

李斌，王林*，周同理，鄧建青，謝彥飛

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

對橡膠球關節進行電鍍鋅-鎳合金以提高其防腐性能。對比研究了電鍍鋅-鎳合金和電鍍鋅對橡膠球關節耐蝕性和粘合性能的影響。結果表明，鋅-鎳合金鍍層（厚度8 ～ 12 μm）的耐蝕性遠遠優于純鋅層（厚度12 ～ 24 μm），中性鹽霧試驗1 987 h無紅銹生成，電鍍鋅-鎳合金后硫化的產品經中性鹽霧試驗720 h后無紅銹生成。電鍍鋅-鎳合金產品的尺寸較穩定，滿足橡膠金屬復合件高精度的尺寸要求。電鍍鋅-鎳合金后，橡膠金屬復合件的粘合性能變化不大，仍滿足工業使用要求。

橡膠-金屬復合件；鋅-鎳合金；電鍍；耐蝕性；粘合性

Tong-li， DENG Jian-qing， XIE Yan-fei

First-author’s address: Zhuzhou Times New Metal Technology Co.， Ltd.， Zhuzhou 412007， China

橡膠球關節是一種常見的橡膠金屬復合件，能起到柔性連接、傳遞載荷的作用［1］，從而提高交通工具的舒適性和安全性。在使用過程中，金屬骨架在高溫、酸堿介質中非常容易生銹，因此必須對其進行防護處理。國內企業主要通過電鍍鋅（見圖 1a，橡膠在外套和芯軸的縫隙之間）或電鍍鋅-鎳合金（見圖 1b，黑色部位為橡膠）達到在使用環境中的防腐效果，電鍍鋅層在加工及周轉過程中易磨損，在惡劣環境中的防腐性能差，而鋅-鎳合金鍍層具有高耐蝕、低氫脆、機械加工性能優良等特性，已成為橡膠球關節表面處理工藝的必然發展趨勢［2］。本文對橡膠球關節的鋅-鎳合金鍍層進行了研究，以期為相關生產提供參考。

圖1 橡膠金屬復合件照片Figure 1 Photos of rubber-metal components

1 實驗

1. 1 主要原材料

底膠CH205、面膠CH6108，上海洛德化學有限公司產品；天然膠（NR）、3#煙膠片，泰國產品；氧化鋅，株冶集團股份有限公司；氫氧化鈉，天津渤天化工有限責任公司；鋅-鎳合金鎳補充劑及助劑，恒捷化工科技有限公司。

1. 2 金屬骨架的制備

采用鐵質骨架作基體，依次對其進行脫脂（65 ～ 75 °C，15 min）、噴砂（白剛玉，30 min）、真空超聲波溶劑清洗（5 min）、涂底膠（5 ～ 10 μm）、干燥、涂面膠（25 ～ 30 μm）、干燥處理后，塑料袋包裝待用。

將XSK-16開煉機（上海橡膠機械一廠）升溫至70 °C左右，加入NR膠料，待膠料包輥加入其他配料，混煉均勻后薄通4次，下片。然后用100T平板硫化機（華意設備有限公司），在溫度（155 ± 5） °C、壓力19 ～ 20 MPa的條件下硫化（25 ± 1） min，制得電鍍用金屬骨架。

NR膠料各組分含量（質量份）為：天然膠100，炭黑55，氧化鋅9，硬脂酸2，硫磺2.5，促進劑1.5，防老劑RD 2.5，防老劑4010NA 2，軟化劑5，其他4。

1. 3 金屬骨架電鍍

1. 3. 1 工藝流程

高溫（50 ～ 60 °C）化學除油→陰極電解除油（電壓4 ～ 6 V）→2道水洗→酸洗→2道水洗→陽極電解除油（電壓4 ～ 6 V）→2道水洗→活化→2道去離子水洗→鋅-鎳合金電鍍→2道水洗→去離子水洗→鈍化（溫度25 ～ 35 °C，pH 3.8 ～ 4.2）→3道去離子水洗→封閉（溫度40 ～ 50 °C）。

1. 3. 2 電鍍配方和工藝

鋅-鎳合金電鍍在自動鋅鎳生產線（由廣東興利電鍍設備廠提供）上進行，鍍液組成和工藝條件為：氧化鋅8 g/L，氫氧化鈉120 g/L，鎳補充劑16 g/L，其他助劑，溫度15 ～ 25 °C，電壓3 ～ 7 V，時間45 min。所得鍍層中Zn、Ni的質量分數分別為15.62%和84.38%。

鋅電鍍在自動鍍鋅生產線（由佛山忠仁設備廠提供）上進行，鍍液組成和工藝條件為：氧化鋅 12 g/L，氫氧化鈉145 g/L，其他助劑適量，溫度15 ～ 35 °C，電壓4 ～ 8 V，時間40 min。

1. 4 性能測試

1. 4. 1 耐蝕性測定

采用高鐵檢測儀器（東莞）有限公司生產的GT-7004-L中性鹽霧試驗箱，按GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進行中性鹽霧（NSS）試驗。

1. 4. 2 顯微硬度測定

采用上海光學儀器廠生產的MHV-100Z顯微維氏硬度計，按GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗第一部分：試驗方法》測定試樣的顯微硬度，載荷為50 g，加載時間為10 s。

1. 4. 3 膜厚和產品外徑測定

膜厚采用美國博曼公司的BA-100x-rail膜厚測試儀測定；產品外徑（圖1中外套的外圓直徑）采用成都成量工具集團有限公司的外徑千分尺（精度0.001 mm）測定。

1. 4. 4 產品的粘合性能測定

在深圳新三思計量技術有限公司生產的CMT5605微機控制電子試驗機上測定，測試時用產品專用工裝在一定的壓力作用下將產品芯軸從外套中壓出，目測粘合狀態，記錄破壞力和附膠率，要求附膠率在95%以上。

2 結果與討論

2. 1 鋅鍍層和鋅-鎳合金鍍層的耐蝕性對比

鋅鍍層和鋅-鎳合金鍍層的NSS試驗結果見表1。從表1可知，與較厚的鋅層相比，較薄的鋅-鎳合金鍍層在NSS試驗中出現白銹和紅銹的時間分別延長了5倍和4倍左右，說明鋅-鎳合金鍍層的耐蝕性遠遠優于鋅鍍層。分析原因為：（1）鍍層中的Ni在鋅-鎳合金鍍層鈍化膜和鍍層的結合處形成了富Ni層，該富Ni層抑制了腐蝕介質通過鈍化膜而腐蝕鍍層，使白銹時間大大延長；（2）一定含量的 Ni不僅使鍍層結晶細致，防腐能力提高，而且作為陽極鍍層，其腐蝕電位比純鋅正；（3）鋅-鎳合金鍍層的腐蝕產物為 ZnCl2·Zn（OH）2與 ZnO的混合物［3］，ZnCl2·Zn（OH）2具有一定的粘附性，可均勻、致密地覆蓋在鍍層表面，阻止鍍層的進一步腐蝕。

表1 鋅鍍層和鋅-鎳合金鍍層的中性鹽霧試驗結果Table 1 Result of neutral salt spray test for zinc and zinc-nickel alloy coatings

2. 2 電鍍鋅和鋅-鎳合金對產品尺寸的影響

對橡膠球關節分別鍍鋅和鋅-鎳合金后測量其外圓尺寸，結果如圖2所示。從圖2可知，鋅-鎳合金電鍍產品的尺寸波動較鍍鋅產品小，尺寸較穩定。這是因為鋅-鎳鍍層的厚度比鍍鋅層小，一方面，鋅-鎳合金鍍層的防腐性能好，鍍層厚度要求較低，因此厚度偏差也低；另一方面，鋅-鎳合金電鍍液的分散能力、覆蓋能力較好［4］，不同部位鋅-鎳合金鍍層的厚度分布較均勻。因此，鋅-鎳合金電鍍滿足橡膠金屬復合件高精度的尺寸要求，保證產品在后續能正常安裝使用。

圖2 鍍鋅-鎳合金和鍍鋅產品的外徑Figure 2 Diameters of zinc-electroplated and zinc-nickel alloy-electroplated products

2. 3 電鍍鋅和鋅-鎳合金對電鍍后硫化產品防腐性能的影響

對金屬骨架鍍鋅或鍍鋅-鎳合金后再硫化的產品防腐性能如表2所示。從表2可知，鋅-鎳合金鍍層的防腐性能遠遠優于鍍鋅層，NSS試驗720 h無紅銹。雖然硫化過程會對鍍層造成一定的損傷，但由于鋅-鎳合金鍍層的顯微硬度（200 ～ 220 HV）是鍍鋅層（60 ～ 80 HV）的2倍以上，在硫化的裝模刮擦、出模撞擊過程中，鋅-鎳鍍層具有更好的抗磨、防撞擊性能。

表2 鍍鋅和鍍鋅-鎳合金后硫化產品的耐蝕性Table 2 Corrosion resistance of the products prepared by zinc or zinc-nickel alloy electroplating followed by vulcanizing

2. 4 電鍍鋅-鎳合金對產品粘合性能的影響

電鍍鋅-鎳合金對產品粘合性能的影響見表3。從中可以看出，電鍍鋅-鎳合金后，所得橡膠金屬復合件粘合良好，破壞力和附膠率與電鍍鋅-鎳合金前相差不大，依舊滿足工業要求，說明電鍍鋅-鎳合金不會對產品的粘合性能產生不良影響。

表3 鍍鋅-鎳合金對橡膠金屬復合件粘合性能的影響Table 3 Effect of zinc-nickel alloy plating on bondability of rubber-metal component

3 結論

（1） 鋅-鎳合金鍍層具有優異的耐蝕性，中性鹽霧試驗1 987 h無紅銹生成。電鍍鋅-鎳合金后的硫化產品中性鹽霧試驗720 h無紅銹生成。

（2） 電鍍鋅-鎳合金產品的尺寸較穩定，滿足橡膠金屬復合件高精度的尺寸要求，保證了產品后續的正常安裝使用。

（3） 電鍍鋅-鎳合金對橡膠金屬復合件的粘合性能無明顯影響，電鍍鋅-鎳合金后，橡膠金屬復合件的粘合性能變化不大，仍滿足工業使用要求。

［1］ 陳忠海， 黃友劍. 機車車輛用彈性元件及發展趨勢［J］. 中國橡膠， 2000 （19）: 9-12， 18.

［2］ 許愛忠， 胡文彬， 沈斌， 等. 鋅-鎳合金鍍層耐蝕機理研究進展［J］. 電鍍與環保， 2000， 20 （3）: 1-5.

［3］ 田偉， 謝發勤， 吳向清. 鋅鎳合金鍍層耐蝕性研究［J］. 腐蝕與防護， 2006， 27 （11）: 552-554.

［4］ 張允誠， 胡如南， 向榮. 電鍍手冊［M］. 4版. 北京: 國防工業出版社， 2011: 328-336.

［ 編輯：周新莉 ］

Zinc-nickel alloy electroplating for rubber universal spherical joint and its properties

LI Bin， WANG Lin*， ZHOU

s: A zinc-nickel alloy was electroplated on the metal matrix of rubber universal spherical joint to improve its corrosion resistance. The corrosion resistance and bondability of the rubber universal spherical joints with zinc-nickel alloy and pure zinc coatings were compared. No red rust is formed on zinc-nickel alloy coating （thickness 8-12 μm） after neutral salt spray （NSS） test for 1 987 h and it is the same case for the products prepared by zinc-nickel electroplating followed by vulcanizing after NSS test for 720 h， showing that the zinc-nickel alloy coating has a much better corrosion resistance than the pure zinc coating （12-24 μm）. The size of zinc-nickel alloy-electroplated product is stable， satisfying the demand of high-precision size for rubber-metal component. The bondability of rubber-metal component is changed slightly after zinc-nickel electroplating and still meets the requirement of industrial application.

rubber-metal component； zinc-nickel alloy； electroplating； corrosion resistance； bondability

TQ153.2

A

1004 - 227X （2016） 03 - 0145 - 04

2015-11- 12

2015-12-24

李斌（1975-），男，四川樂山人，高級工程師，主要從事橡膠減震制品工藝技術研究。

王林，工程師，（E-mail） 724493030@qq.com。