梅 睿, 常德華

(陜西凌云電器集團有限公司陜西寶雞 721006）

堿性無氰鍍鋅工藝研究

梅 睿, 常德華

(陜西凌云電器集團有限公司陜西寶雞 721006）

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45#鋼,陽極采用0#純鋅板(純度在99.99%以上）。

1.2 工藝流程

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0.52～3.0 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1.0 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20～30μm/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:ZnO 13.5 g/L,NaOH 130 g/L,堿性無氰開缸劑 20 mL/L,光亮劑 1 mL/L,1.1～2.5 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的低碳鋼管內鍍鋅15 min,經(jīng)水洗、烘干后,將試樣縱向切開,觀察并測量內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1 h,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+的質量濃度對鍍液性能和鍍層質量有重要影響。其質量濃度偏高,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）42-形式存在,p H值＜10.5時,Zn(OH）42-轉化為 Zn(OH）2沉淀。生產(chǎn)中宜控制ρNaOH∶ρZn2+=(10～14）∶1,NaOH的質量濃度過高,陽極化學溶解加速,鍍液中Zn2+的質量濃度自然升高,造成主要成分比例失調。其質量濃度以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,有機雜質的質量濃度快速上升,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,水質也有差別,對于水質比較軟的地區(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+的質量濃度波動過大,使其維持在一定的范圍內。當Zn2+的質量濃度較低時,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+的質量濃度受多種因素影響,如鍍液溫度、NaOH的質量濃度、添加劑、光亮劑、S陰∶S陽等都不同程度地制約著Zn2+的質量濃度。當鍍液溫度高、NaOH的質量濃度高、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+的質量濃度升高;反之,則引起Zn2+的質量濃度降低。

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+的質量濃度適時調整。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/(1 000 A·h）;開缸劑視帶出量而補加,一般為60～100 mL/(1 000 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+,Fe2+,Fe3+及CO32-等無機雜質和有機雜質。

(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+,Fe3+帶入方式為隨零件帶入;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）CO32-帶入方式為鍍液吸收空氣中的CO2;易造成鍍層粗糙無光;可通過冬季過濾或清除Na2CO3結晶。

(5）有機雜質帶入方式為光亮劑、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,就能確保生產(chǎn)的正常進行。

[1] 俞先勇,現(xiàn)代堿性無氰鍍鋅[J].電鍍與環(huán)保,2006,26(4）:47-48.

[2] 李北軍.鋅酸鹽鍍鋅工藝的再研究[J].電鍍與環(huán)保,2008,28(4）:16-17.

[3] 杜亞南,畢四富,屠振密,等,鍍鋅層三價鉻藍白純化工藝的研究[J].電鍍與環(huán)保,2007,27(1）:9-22.

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

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1000-4742(2011）05-0023-03

2011-04-12

·綜 述·