堿性無氰鍍鋅工藝研究

 （陜西凌云電器集團有限公司陜西寶雞721006）

中圖分類號：TQ 153 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4742（2011）05-0023-03

0前言

堿性鍍鋅是一種應用廣泛的工藝，其具有成本低、鍍液成分簡單（不含配位劑）^[1]、廢水易于處理、鍍層與基體結合力好、細致光亮、韌性好、經(jīng)鈍化處理具有很好的耐蝕性和裝飾性等優(yōu)點，鍍層厚度可達40μm以上，特別適合軍工科研產(chǎn)品^[2]。

我廠原有鍍鋅工藝為酸性氯化鉀鍍鋅，雖然鉀鹽鍍鋅的電流效率較高，但在進行三價鉻鈍化時，堿性鍍鋅的效果無論是外觀還是耐蝕性都優(yōu)于酸性鍍鋅的。

1試驗

1.1試驗材料

陰極采用458鋼，陽極采用08純鋅板（純度在99.99%以上）。

1.2工藝流程

除油—→水洗—→酸洗—→水洗—→浸弱酸—→水洗—→堿性鍍鋅—→水洗—→浸亮—→水洗—→鈍化—→水洗—→熱水洗—→干燥

1.3堿性鍍鋅工藝規(guī)范

ZnO 7.5～22.5 g/L,NaOH 120～150 g/L，堿性無氰開缸劑10～30 mL/L，光亮劑0.52～3.O mL/L，0.3～13 A/dm²，室溫。

1.4測試方法

1.4.1鍍液性能測試

（1）采用赫爾槽試驗法^[4]測試鍍液的分散能力。

（2）采用內(nèi)孔法^[4]測試鍍液的覆蓋能力。

1.4.2鍍層性能測試

（1）采用熱震試驗^[4]測試鍍層的結合力。

（2）采用鹽霧試驗測定鍍層的耐蝕性。

2 結果與討論

2.1 鍍液配方及工藝條件

采用單因素試驗，依據(jù)赫爾槽試片鍍層光亮區(qū)間范圍及試片上電流密度的標尺確定堿性鍍鋅溶液各成分的質(zhì)量濃度，陰極電流密度和添加劑的體積分數(shù)。

用尺寸為80 mm×50 mm×1.5 mm的45^#鋼分別在1.O A/dm²，2.0 A/ dm²，3.0 A/ dm²的電流密度下鍍鋅60 min，然后用X射線鍍層測厚儀測試每個樣件四角（測試點距邊緣約20 mm）和中心部位的鍍層厚度，根據(jù)電鍍時間計算出堿性鍍鋅溶液的平均沉積速率為20～30 pm/h。

通過以上試驗，得出優(yōu)化后的堿性無氰鍍鋅工藝規(guī)范為：Zn013.5 g/L，NaOH 130 g/L，堿性無氰開缸劑20 mL/L，光亮劑1 mL/L，1.1N2.5 A/dm²，20～35℃。

2.2測試結果

2.2.1分散能力

在2 A/dm²的條件下鍍鋅15 min，用赫爾槽試驗法測試鍍液的分散能力。結果表明：鍍液的分散能力為95%。

2.2.2覆蓋能力

在2 A/dm²的條件下，在Φ10 mm×100 mm的低碳鋼管內(nèi)鍍鋅15 min，經(jīng)水洗、烘干后，將試樣縱向切開，觀察并測量內(nèi)孔中鍍上的鋅層長度，評定鍍液的覆蓋能力為80%。

2.2.3結合力

將鍍鋅試樣放在烘箱中加熱，于（200±2）℃下保溫1h，然后放入室溫水中驟冷，用50倍放大鏡觀察，試樣鍍層無起泡、脫落現(xiàn)象，說明鍍層結合力良好。

2.2.4耐蝕性

將鍍鋅試樣經(jīng)六價鉻彩色、藍白色、軍綠色鈍化和三價鉻彩色、藍白色、黑色鈍化后，在35℃，質(zhì)量分數(shù)為5%的NaCl溶液中進行120 h的鹽霧試驗，并進行了分段觀察。由試驗結果可知：堿性鍍鋅的耐蝕性整體較好，相比而言，藍白色鈍化比彩色鈍化的耐蝕性稍差一些。

2.3鍍液組分和工藝條件的影響

（1） ZnO

Zn²⁺的質(zhì)量濃度對鍍液性能和鍍層質(zhì)量有重要影響。其質(zhì)量濃度偏高，電流效率提高，但分散能力降低，復雜件的尖棱部位鍍層粗糙，容易出現(xiàn)陰陽面；偏低，陰極極化增加，分散能力增加，但沉積速率慢。吊鍍宜用12～15 g/L;滾鍍稍低，10～12 g/L為宜。

（2） NaOH

NaOH起配位和導電作用，過量的NaOH是穩(wěn)定鍍液的必要條件。鋅以Zn（OH）₄^2-形式存在，pH值<10.5時，Zn（OH）₄^2-轉化為Zn (OH)₂沉淀。生產(chǎn)中宜控制ρ_NaOH:ρ_Zn²⁺=（10～14）：1，NaOH的質(zhì)量濃度過高，陽極化學溶解加速，鍍液中Zn²⁺的質(zhì)量濃度自然升高，造成主要成分比例失調(diào)。其質(zhì)量濃度以120～130 g/L為宜，夏季用下限，冬季用上限。

（3）開缸劑

開缸劑起細化鍍層結晶，提高鍍液的分散能力和深鍍能力的作用。

（4）光亮劑

光亮劑能增加鍍層的細致性和光澤度。添加量要適當，不足，鍍層沉積速率慢，光亮度差；過高，鍍層亮而脆。

（5）溫度

鍍液溫度應控制在20～35℃之間。溫度太低，鍍層易發(fā)花、發(fā)霧；太高，光亮劑易分解，有機雜質(zhì)的質(zhì)量濃度快速上升，光亮劑的消耗量會成倍的增長，故生產(chǎn)中應嚴格控制鍍液溫度。建議有條件的單位，最好使用冷卻機。

（6）電流密度

電流密度高，沉積速率快，陰極邊緣及棱角處鍍層粗糙，陽極溶解過快，鍍液中Zn²⁺的質(zhì)量濃度增加快；電流密度低，沉積速率慢，低電流密度區(qū)鍍層薄或無鍍層。生產(chǎn)中應保持電流密度在1.0～3.0 A/dm²之間。

2.4鍍液的配制

（1）將計算量的NaOH置于預配制槽中，加入配槽總體積1/5的水（冬季用熱水），迅速攪拌溶解。

（2）將計算量的ZnO用少量水調(diào)成糊狀，在不斷攪拌下逐漸加入熱堿液中，充分攪拌使其溶解完全，將鍍液稀釋至總體積。

（3）待鍍液冷卻到40℃以下時，加入2～3 g/L的鋅粉，充分攪拌15～20 min，靜置4～8 h后，過濾。

（4）加入計算量的開缸劑、光亮劑，攪拌均勻，電解處理2～4 h，即可進行生產(chǎn)。

地域不同，水質(zhì)也有差別，對于水質(zhì)比較軟的地區(qū)，可以用自來水配制溶液；但在含Ca²⁺，Mg²⁺較多的硬水地區(qū)，最好采用蒸餾水或去離子水配制鍍液，防止雜質(zhì)離子的帶入。

2.5 Zn2+的控制

實際生產(chǎn)中一定要防止Zn²⁺的質(zhì)量濃度波動過大，使其維持在一定的范圍內(nèi)。當Zn²⁺的質(zhì)量濃度較低時，鍍層沉積速率慢或無鍍層；較高時，鍍層沉積速率快，電流密度光亮區(qū)窄，鍍層粗糙無光。鍍液中的Zn²⁺的質(zhì)量濃度受多種因素影響，如鍍液溫度、NaOH的質(zhì)量濃度、添加劑、光亮劑、S陰：S陽等都不同程度地制約著Zn²⁺的質(zhì)量濃度。當鍍液溫度高、NaOH的質(zhì)量濃度高、添加劑和光亮劑較多、鋅陽極面積較大或長時間浸泡在鍍液中時，都會引起Zn²⁺的質(zhì)量濃度升高；反之，則引起Zn²⁺的質(zhì)量濃度降低。

浸泡在鍍液中的鋅陽極數(shù)量及浸泡時間如果不加以控制，鍍液中Zn²⁺的質(zhì)量濃度很快就會失去平衡而升高，最終導致生產(chǎn)無法正常進行^[2]。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，為防止鍍液中Zn²⁺的質(zhì)量濃度的升高，可以將部分鋅陽極板改為不溶性的不銹鋼板或鍍鎳鐵板，其面積比大致為S鋅板：S不溶性極板=1：4，同時應經(jīng)常取樣化驗分析，根據(jù)Zn²⁺的質(zhì)量濃度適時調(diào)整。在使用不溶性陽極板時，為增加溶液的流動性，可在陽極板上每間隔10～20 mm處鉆孔徑為8～10 mm的孔。

2.6添加劑的補充

在日常生產(chǎn)中，光亮劑的添加量為125～200 mL/（1000 A·h）；開缸劑視帶出量而補加，一般為60～100 mL/（1000 A·h），或根據(jù)開缸時與 NaOH的比例，在補加NaOH時一同補加。鍍液每次補充原材料時，都要按1 mL/L的比例補充開缸劑和光亮劑。補充添加劑，一定要遵守少加勤加的原則，并盡量在下午下班前加，這樣效果最好。

2.7原材料的補充

NaOH:根據(jù)化學分析結果補加；Zn:由生成槽來控制，無鋅生成槽則根據(jù)化學分析結果來增加或減少鋅陽極板的面積。

2.8雜質(zhì)的控制與去除

由于原材料的不純和操作的問題，鍍鋅溶液中通常容易帶入Cu²⁺，Pb²⁺，F(xiàn)e²⁺，F(xiàn)e³⁺及C0₃^2-等無機雜質(zhì)和有機雜質(zhì)。

（1） Cu²⁺帶入方式為銅極棒、銅掛鉤清理；易造成鍍層粗糙，嚴重時經(jīng)鈍化呈黑色；可通過小電流電解處理或加入merlin除雜劑。

（2） Pb²⁺帶入方式為氧化鋅、鋅極板材料不純；易造成鍍層粗糙，嚴重時經(jīng)鈍化呈黑色；可通過加入0.2～0.4 g/L的硫化鈉溶液，攪拌，沉淀后過濾，或加入merlin除雜劑。

（3） Fe²⁺，F(xiàn)e³⁺帶入方式為隨零件帶人；易造成鍍層粗糙，嚴重時經(jīng)鈍化呈黑色；可通過加入1～3 g/L的鋅粉，攪拌，沉淀后過濾，或加入merlin除雜劑。

（4） C0₃^2-帶人方式為鍍液吸收空氣中的C0₂；易造成鍍層粗糙無光；可通過冬季過濾或清除 Na₂C0₃結晶。

（5）有機雜質(zhì)帶人方式為光亮劑、添加劑過量；易造成鍍層表面出現(xiàn)花斑，鈍化膜易脫落；可通過電解氧化或經(jīng)雙氧水氧化后加活性炭處理。

3 結論

通過赫爾槽試驗優(yōu)化確定的堿性無氰鍍鋅工藝，經(jīng)過近3年的生產(chǎn)實踐，鍍液穩(wěn)定性、分散能力及覆蓋能力好，鍍層結合力優(yōu)良，鍍鋅后處理工藝使用范圍廣，既適合彩色鈍化，也適合藍白色鈍化、黑色鈍化和軍綠色鈍化，三價鉻軍綠色鈍化效果尤好。經(jīng)六價鉻、三價鉻藍白鈍化的零件在120 h鹽霧試驗后無紅銹。

在實際生產(chǎn)中，一定要掌握良好的鍍液配制及原材料補充方法；通過鋅陽極板的增減控制鍍液中 Zn₂₊的質(zhì)量濃度；嚴格工藝紀律管理，規(guī)范操作，控制和防止鍍液中的雜質(zhì)，就能確保生產(chǎn)的正常進行。參考文獻：

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[4]張允誠，胡如南。電鍍手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.