堿性無(wú)氰鍍鋅工藝研究

梅 睿, 常德華

(陜西凌云電器集團(tuán)有限公司陜西寶雞 721006）

堿性無(wú)氰鍍鋅工藝研究

梅 睿, 常德華

(陜西凌云電器集團(tuán)有限公司陜西寶雞 721006）

0 前言

堿性鍍鋅是一種應(yīng)用廣泛的工藝,其具有成本低、鍍液成分簡(jiǎn)單(不含配位劑）[1]、廢水易于處理、鍍層與基體結(jié)合力好、細(xì)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(diǎn),鍍層厚度可達(dá)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(jìn)行三價(jià)鉻鈍化時(shí),堿性鍍鋅的效果無(wú)論是外觀還是耐蝕性都優(yōu)于酸性鍍鋅的。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

陰極采用45#鋼,陽(yáng)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(wú)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(cè)試方法

1.4.1 鍍液性能測(cè)試

(1）采用赫爾槽試驗(yàn)法[4]測(cè)試鍍液的分散能力。

(2）采用內(nèi)孔法[4]測(cè)試鍍液的覆蓋能力。

1.4.2 鍍層性能測(cè)試

(1）采用熱震試驗(yàn)[4]測(cè)試鍍層的結(jié)合力。

(2）采用鹽霧試驗(yàn)測(cè)定鍍層的耐蝕性。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍液配方及工藝條件

采用單因素試驗(yàn),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(biāo)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?jǐn)?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(cè)厚儀測(cè)試每個(gè)樣件四角(測(cè)試點(diǎn)距邊緣約20 mm）和中心部位的鍍層厚度,根據(jù)電鍍時(shí)間計(jì)算出堿性鍍鋅溶液的平均沉積速率為20～30μm/h。

通過(guò)以上試驗(yàn),得出優(yōu)化后的堿性無(wú)氰鍍鋅工藝規(guī)范為:ZnO 13.5 g/L,NaOH 130 g/L,堿性無(wú)氰開缸劑 20 mL/L,光亮劑 1 mL/L,1.1～2.5 A/dm2,20～35 ℃。

2.2 測(cè)試結(jié)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(yàn)法測(cè)試鍍液的分散能力。結(jié)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(cè)量?jī)?nèi)孔中鍍上的鋅層長(zhǎng)度,評(píng)定鍍液的覆蓋能力為80%。

2.2.3 結(jié)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(wú)起泡、脫落現(xiàn)象,說(shuō)明鍍層結(jié)合力良好。

2.2.4 耐蝕性

將鍍鋅試樣經(jīng)六價(jià)鉻彩色、藍(lán)白色、軍綠色鈍化和三價(jià)鉻彩色、藍(lán)白色、黑色鈍化后,在35 ℃,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中進(jìn)行120 h的鹽霧試驗(yàn),并進(jìn)行了分段觀察。由試驗(yàn)結(jié)果可知:堿性鍍鋅的耐蝕性整體較好,相比而言,藍(lán)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(duì)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(fù)雜件的尖棱部位鍍層粗糙,容易出現(xiàn)陰陽(yáng)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(dǎo)電作用,過(guò)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(shí),Zn(OH）42-轉(zhuǎn)化為 Zn(OH）2沉淀。生產(chǎn)中宜控制ρNaOH∶ρZn2+=(10～14）∶1,NaOH的質(zhì)量濃度過(guò)高,陽(yáng)極化學(xué)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(xì)化鍍層結(jié)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(xì)致性和光澤度。添加量要適當(dāng),不足,鍍層沉積速率慢,光亮度差;過(guò)高,鍍層亮而脆。

(5）溫度

鍍液溫度應(yīng)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(jī)雜質(zhì)的質(zhì)量濃度快速上升,光亮劑的消耗量會(huì)成倍的增長(zhǎng),故生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制鍍液溫度。建議有條件的單位,最好使用冷卻機(jī)。

(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(yáng)極溶解過(guò)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(wú)鍍層。生產(chǎn)中應(yīng)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(jì)算量的NaOH置于預(yù)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(jì)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?jǐn)嚢枋蛊淙芙馔耆?將鍍液稀釋至總體積。

(3）待鍍液冷卻到40℃以下時(shí),加入2～3 g/L的鋅粉,充分?jǐn)嚢?15～20 min,靜置 4～8 h后,過(guò)濾。

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

地域不同,水質(zhì)也有差別,對(duì)于水質(zhì)比較軟的地區(qū),可以用自來(lái)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(shí)際生產(chǎn)中一定要防止Zn2+的質(zhì)量濃度波動(dòng)過(guò)大,使其維持在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)Zn2+的質(zhì)量濃度較低時(shí),鍍層沉積速率慢或無(wú)鍍層;較高時(shí),鍍層沉積速率快,電流密度光亮區(qū)窄,鍍層粗糙無(wú)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(yáng)等都不同程度地制約著Zn2+的質(zhì)量濃度。當(dāng)鍍液溫度高、NaOH的質(zhì)量濃度高、添加劑和光亮劑較多、鋅陽(yáng)極面積較大或長(zhǎng)時(shí)間浸泡在鍍液中時(shí),都會(huì)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(yáng)極數(shù)量及浸泡時(shí)間如果不加以控制,鍍液中Zn2+的質(zhì)量濃度很快就會(huì)失去平衡而升高,最終導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行[2]。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),為防止鍍液中Zn2+的質(zhì)量濃度的升高,可以將部分鋅陽(yáng)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(shí)應(yīng)經(jīng)常取樣化驗(yàn)分析,根據(jù) Zn2+的質(zhì)量濃度適時(shí)調(diào)整。在使用不溶性陽(yáng)極板時(shí),為增加溶液的流動(dòng)性,可在陽(yáng)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(bǔ)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(bǔ)加,一般為60～100 mL/(1 000 A·h）,或根據(jù)開缸時(shí)與NaOH的比例,在補(bǔ)加NaOH時(shí)一同補(bǔ)加。鍍液每次補(bǔ)充原材料時(shí),都要按1 mL/L的比例補(bǔ)充開缸劑和光亮劑。補(bǔ)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(bǔ)充

NaOH:根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果補(bǔ)加;Zn:由生成槽來(lái)控制,無(wú)鋅生成槽則根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果來(lái)增加或減少鋅陽(yáng)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(wèn)題,鍍鋅溶液中通常容易帶入Cu2+,Pb2+,Fe2+,Fe3+及CO32-等無(wú)機(jī)雜質(zhì)和有機(jī)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(yán)重時(shí)經(jīng)鈍化呈黑色;可通過(guò)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(yán)重時(shí)經(jīng)鈍化呈黑色;可通過(guò)加入0.2～0.4 g/L的硫化鈉溶液,攪拌,沉淀后過(guò)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(yán)重時(shí)經(jīng)鈍化呈黑色;可通過(guò)加入1～3 g/L的鋅粉,攪拌,沉淀后過(guò)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(wú)光;可通過(guò)冬季過(guò)濾或清除Na2CO3結(jié)晶。

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

3 結(jié)論

通過(guò)赫爾槽試驗(yàn)優(yōu)化確定的堿性無(wú)氰鍍鋅工藝,經(jīng)過(guò)近3年的生產(chǎn)實(shí)踐,鍍液穩(wěn)定性、分散能力及覆蓋能力好,鍍層結(jié)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(lán)白色鈍化、黑色鈍化和軍綠色鈍化,三價(jià)鉻軍綠色鈍化效果尤好。經(jīng)六價(jià)鉻、三價(jià)鉻藍(lán)白鈍化的零件在120 h鹽霧試驗(yàn)后無(wú)紅銹。

在實(shí)際生產(chǎn)中,一定要掌握良好的鍍液配制及原材料補(bǔ)充方法;通過(guò)鋅陽(yáng)極板的增減控制鍍液中Zn2+的質(zhì)量濃度;嚴(yán)格工藝紀(jì)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(jìn)行。

[1] 俞先勇,現(xiàn)代堿性無(wú)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(jià)鉻藍(lán)白純化工藝的研究[J].電鍍與環(huán)保,2007,27(1）:9-22.

[4] 張?jiān)收\(chéng),胡如南.電鍍手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1997.

TQ 153

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1000-4742(2011）05-0023-03

2011-04-12

·綜 述·