堿性無氰鍍鋅溶液中陰陽極問題的探討

吳雙成

（甘肅皋蘭勝利機(jī)械有限公司，甘肅 皋蘭730200）

1 堿性鍍鋅不溶性陽極的選擇

堿性鍍鋅常使用不溶性陽極，以此來提高陽極的導(dǎo)電能力、改善陽極的電流分布以及降低鍍槽中主要成分的總質(zhì)量濃度。氰化物鍍鋅和堿性無氰鍍鋅所使用的不溶性陽極并不完全相同。堿性無氰鍍鋅時(shí)常使用鐵板、鎳板、鍍鎳鐵板、不銹鋼板甚至是石墨板作不溶性陽極；中高氰鍍鋅時(shí)不能使用不銹鋼板作不溶性陽極，而是使用鐵板較多［1］。堿性無氰鍍鋅時(shí)必須使用0號(hào)鋅板作可溶性陽極；中高氰鍍鋅時(shí)可使用1號(hào)或0號(hào)鋅板。鋅錠最好澆鑄成鋅板使用。

一般陰陽極面積比約為1∶（1.5～2.0），陰極面積為鍍件面積，陽極面積為陽極單面面積的1.25倍。當(dāng)陰陽極面積比小于工藝范圍時(shí)，工件高區(qū)易燒焦；當(dāng)陰陽極面積比大于工藝范圍時(shí)，工件易出現(xiàn)陰陽面。陽極長(zhǎng)度要比陰極長(zhǎng)度小10cm以上，否則，最底層工件易燒焦。陽極擺放寬度要比陰極寬度小10cm以上，否則，兩邊易燒焦。陰陽極距離不得小于15cm，距離太小工件容易燒焦。陰陽極距離越大，分散能力越好，但電壓越高，溫度上升越快，電耗越大。

2 堿性鍍鋅陰陽極面積比的控制

鋅酸鹽鍍鋅的陽極面積應(yīng)當(dāng)比氰化物鍍鋅的陽極面積大一些。但由于鍍液中Zn2＋的質(zhì)量濃度不高（約為10g／L），如果鋅陽極與陰極的面積比大于2，則Zn2＋的質(zhì)量濃度會(huì)升高；如果減小陽極面積，將引起陽極鈍化，影響電流的正常導(dǎo)通。因此，可用鐵板或鎳板作為不溶性陽極來替代部分鋅陽極，以保證有足夠的陽極總面積。

設(shè)鍍件陰極面積為S陰，陽極鋅板面積為S鋅，陽極鐵板面積為S鐵，陰極電流密度為J陰，陰極電流效率為η，陽極鋅板、鐵板的電流密度為JA。

2.1 鋅板與鍍件的面積比

理想條件下，陽極鋅板發(fā)生電化學(xué)溶解時(shí)產(chǎn)生Zn2＋，沒有其他的副反應(yīng)，陽極鋅板通過的電流為JA·S鋅。鍍件陰極消耗Zn2＋和H＋，鍍鋅的同時(shí)生成氫氧化鈉，陰極消耗Zn2＋時(shí)通過的電流為S陰·J陰·η。為了使溶液中Zn2＋的質(zhì)量濃度保持平衡，必須使兩者相等，即：

堿性鋅酸鹽鍍鋅的陰極電流效率一般在70%～85%之間。夏季陽極電流密度一般不超過2A／dm2。否則，陽極鈍化，可溶性鋅陽極轉(zhuǎn)化成不溶性陽極。據(jù)筆者觀察，陽極平均允許的最高電流密度為1.3A／dm2，超過1.3A／dm2后陽極開始鈍化。工藝規(guī)定陰極電流密度一般在1～6A／dm2之間，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)為了提高鍍速和深鍍能力，常取中限2～3A／dm2。

當(dāng)J陰＝2A／dm2，η＝70%時(shí)，代入（2）式求得：S鋅／S陰＝1.08。當(dāng)J陰＝3A／dm2，η＝85%時(shí)，代入（2）式求得：S鋅／S陰＝1.96。這就是說，鋅板與鍍件的面積比一般在（1.08～1.96）∶1之間。

當(dāng)然，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)一定要避免Zn2＋的質(zhì)量濃度波動(dòng)過大，使其維持在一定的范圍內(nèi)。鍍液中Zn2＋的質(zhì)量濃度受多種因素影響，例如：鍍液溫度、NaOH的質(zhì)量濃度、添加劑、光亮劑、陰陽極面積比等。當(dāng)鍍液溫度高、NaOH的質(zhì)量濃度高、添加劑和光亮劑的質(zhì)量濃度高、鋅板面積較大或長(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)量濃度下降?？紤]到出槽時(shí)鍍件會(huì)帶出部分Zn2＋和NaOH，因此，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)鋅板與鍍件的面積比要小于2∶1才合理。

2.2 鐵板與鍍件的面積比

堿性鍍鋅的陰極電流效率只有70%～85%，15%～30%的電流用于析出氫氣并產(chǎn)生OH—，1mol電子可產(chǎn)生1mol OH—。在陽極鐵板上的電流用于析出氧氣并消耗溶液中的OH—，1mol電子可消耗1mol OH—。陽極鐵板上消耗OH—的電流為S鐵·JA，鍍件陰極上產(chǎn)生OH—的電流為S陰·J陰·（1-η）。為了使溶液中OH—的質(zhì)量濃度保持平衡，必須使兩者相等，即：

當(dāng)J陰＝2A／dm2，JA＝1.3A／dm2，η＝70%時(shí)，代入（4）式求得：S鐵／S陰＝0.46。當(dāng)J陰＝3 A／dm2，JA＝1.3A／dm2，η＝85%時(shí)，代入（4）式求得：S鐵／S陰＝0.35。這就是說，鐵板與鍍件的面積比一般在（0.35～0.46）∶1之間。

2.3 鋅板與鐵板的面積比

將（2）式除以（4）式求得：

當(dāng)η＝70%時(shí)，代入（5）式求得：S鋅／S鐵＝2.33。不溶性陽極鐵板面積占陽極總面積：1／（1＋2.33）＝0.3＝30%。當(dāng)η＝85%時(shí)，代入（5）式求得：S鋅／S鐵＝5.66。不溶性陽極鐵板面積占陽極總面積：1／（1＋5.66）＝0.15＝15%。這就是說，理論上鋅板與鐵板的面積比一般在（2.33～5.66）∶1之間，不溶性陽極鐵板面積占陽極總面積的15%～30%才合理。多掛鐵板就可以少掛鋅板，節(jié)省價(jià)格較貴的鋅陽極材料，所以實(shí)際生產(chǎn)時(shí)按鐵板面積占陽極總面積的30%為好，即：鋅板面積約為鐵板面積的2倍。

2.4 陽極與陰極的面積比

將（2）式與（4）式相加求得：

當(dāng)J陰＝3A／dm2，JA＝1.3A／dm2時(shí)，代入（8）式求得：S陽／S陰＝2.30。當(dāng)J陰＝2A／dm2，JA＝1.3 A／dm2時(shí)，代入（8）式求得：S陽／S陰＝1.54。這就是說，陽極與陰極的面積比在（1.54～2.30）∶1之間。

考慮到鍍液的帶出損失，需減小陽極總面積。因?yàn)殄円褐蠳aOH與Zn2＋的比例為10∶1，NaOH的帶出損失要比Zn2＋的大一些，這就需要使陽極與陰極的面積比維持在2∶1才合理。如果陽極與陰極的面積比按2.3∶1，Zn2＋的質(zhì)量濃度容易升高，OH—的質(zhì)量濃度容易下降，出現(xiàn)鍍層粗糙、深鍍能力差等問題。

3 鋅板的鑄造

熔鑄鋅陽極板的鋅鍋若用普通碳鋼焊制，其鋼板中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.3%左右，遠(yuǎn)高于適宜做熱鍍鋅鍋的低碳痕硅鋼中的硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并且熔鋅溫度又控制不好，從而造成了鍋壁中的鐵強(qiáng)烈地向鍋內(nèi)熔融的鋅中擴(kuò)散，使鋅中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著熔鋅時(shí)間的延長(zhǎng)而成倍地增加，故而所鑄造出的鋅陽極板中含有較多的鐵雜質(zhì)。分散細(xì)密的鐵在強(qiáng)堿性鍍鋅液中處于鈍態(tài)，不能以離子狀態(tài)溶入鍍鋅液中。隨著鋅陽極板的溶解，鐵以固體微粒形式逐漸地彌散進(jìn)入鍍液中，使得快速沉積的零件內(nèi)腔和低電流區(qū)產(chǎn)生粗糙、發(fā)黑的現(xiàn)象。

本人用普通槽鋼作為熔鑄容器，將合適尺寸的槽鋼兩頭用鐵板焊接堵住。壓碎的鋅錠放入槽鋼模具中，連同槽鋼模具一起在熱處理爐中熔化，熔化溫度為550～600℃。熔化后拉出槽鋼，稍冷即成與槽鋼模具一樣大小的鋅板。熔化溫度低時(shí)，熔化速率慢；熔化溫度高時(shí)，可能會(huì)使鋅板中引入鐵雜質(zhì)。在這樣的條件下鑄造的鋅板經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，效果很好，沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題。

陽極中鎘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.1%時(shí)，陽極的導(dǎo)電性下降，而且會(huì)產(chǎn)生粗糙、麻點(diǎn)等現(xiàn)象，甚至得到近似海綿狀的鍍層。陽極含鉛較多，使得溶液中鉛雜質(zhì)的質(zhì)量濃度上升，加快鈍化膜的變色。嚴(yán)重時(shí)，無法鈍化出正常顏色的鈍化膜，且鈍化膜的結(jié)合力很差。

由于堿性鍍鋅有陽極的化學(xué)溶解，造成溶液中Zn2＋的質(zhì)量濃度上升，以致于不得不沖稀溶液。因此，有條件時(shí)可采用軋制過的陽極，軋得緊密一些為好，可以延緩陽極的溶解。使用鑄造陽極的，注意鑄造質(zhì)量，鋅的晶粒均勻?yàn)楹?，這樣可減少未溶解而溶入槽中的鋅粒，從而減少陽極泥。

4 應(yīng)用效果

生產(chǎn)中除了采用較好的添加劑外，還應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)的鋅陽極，建議采用0號(hào)鋅錠，并用耐堿的滌綸套，以避免陽極泥渣進(jìn)入鍍液而造成鍍層毛刺。陽極與陰極的面積比約為2∶1，分布要合理，使電力線分布均勻。當(dāng)鍍液中Zn2＋的質(zhì)量濃度偏低時(shí)，可多掛一些鋅板；若鍍液中Zn2＋的質(zhì)量濃度偏高，則少掛鋅板，可適當(dāng)掛些鋼板，鋼板面積約為鋅板面積的1／2。

文獻(xiàn)［2］介紹：為防止鍍液中Zn2＋的質(zhì)量濃度升高，可控制鋅板與不溶性陽極的面積比為1∶4。這個(gè)比例中鋅板太少，會(huì)引起鍍液中Zn2＋的質(zhì)量濃度下降。本人認(rèn)為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)按鐵板面積占陽極總面積的30%為好，即：鋅板與不溶性陽極鐵板的面積比為2∶1。

經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證：按照這個(gè)比例控制的鍍液是穩(wěn)定的，一年中很少添加ZnO和NaOH，節(jié)約了原材料，降低了生產(chǎn)成本，鍍層質(zhì)量好，正品率高；原來掛多少鋅板、鐵板心中無數(shù)，鍍液成分失調(diào)，出現(xiàn)很多返工品，耽誤生產(chǎn)進(jìn)度，影響正品率。

［1］陳圣云.不溶性陽極引起的微氰鍍鋅故障分析［J］.材料保護(hù)，2000，33（4）：20.

［2］梅睿，常德華.堿性無氰鍍鋅工藝研究［J］.電鍍與環(huán)保，2011，31（5）：23-25.