碱性无氰镀锌工艺研究

梅 睿, 常德华

(陕西凌云电器集团有限公司陕西宝鸡 721006）

碱性无氰镀锌工艺研究

梅 睿, 常德华

(陕西凌云电器集团有限公司陕西宝鸡 721006）

0 前言

碱性镀锌是一种应用广泛的工艺,其具有成本低、镀液成分简单(不含配位剂）[1]、废水易于处理、镀层与基体结合力好、细致光亮、韧性好、经钝化处理具有很好的耐蚀性和装饰性等优点,镀层厚度可达40μm以上,特别适合军工科研产品[2]。

我厂原有镀锌工艺为酸性氯化钾镀锌,虽然钾盐镀锌的电流效率较高,但在进行三价铬钝化时,碱性镀锌的效果无论是外观还是耐蚀性都优于酸性镀锌的。

1 试验

1.1 试验材料

阴极采用45#钢,阳极采用0#纯锌板(纯度在99.99%以上）。

1.2 工艺流程

1.3 碱性镀锌工艺规范

ZnO 7.5～22.5 g/L,NaOH 120～150 g/L,碱性无氰开缸剂10～30 mL/L,光亮剂0.52～3.0 mL/L,0.3～13 A/dm2,室温。

1.4 测试方法

1.4.1 镀液性能测试

(1）采用赫尔槽试验法[4]测试镀液的分散能力。

(2）采用内孔法[4]测试镀液的覆盖能力。

1.4.2 镀层性能测试

(1）采用热震试验[4]测试镀层的结合力。

(2）采用盐雾试验测定镀层的耐蚀性。

2 结果与讨论

2.1 镀液配方及工艺条件

采用单因素试验,依据赫尔槽试片镀层光亮区间范围及试片上电流密度的标尺确定碱性镀锌溶液各成分的质量浓度,阴极电流密度和添加剂的体积分数。

用尺寸为80 mm×50 mm×1.5 mm的45#钢分别在1.0 A/dm2,2.0 A/dm2,3.0 A/dm2的电流密度下镀锌60 min,然后用X射线镀层测厚仪测试每个样件四角(测试点距边缘约20 mm）和中心部位的镀层厚度,根据电镀时间计算出碱性镀锌溶液的平均沉积速率为20～30μm/h。

通过以上试验,得出优化后的碱性无氰镀锌工艺规范为:ZnO 13.5 g/L,NaOH 130 g/L,碱性无氰开缸剂 20 mL/L,光亮剂 1 mL/L,1.1～2.5 A/dm2,20～35 ℃。

2.2 测试结果

2.2.1 分散能力

在2 A/dm2的条件下镀锌15 min,用赫尔槽试验法测试镀液的分散能力。结果表明:镀液的分散能力为95%。

2.2.2 覆盖能力

在2 A/dm2的条件下,在Φ10 mm×100 mm的低碳钢管内镀锌15 min,经水洗、烘干后,将试样纵向切开,观察并测量内孔中镀上的锌层长度,评定镀液的覆盖能力为80%。

2.2.3 结合力

将镀锌试样放在烘箱中加热,于(200±2）℃下保温1 h,然后放入室温水中骤冷,用50倍放大镜观察,试样镀层无起泡、脱落现象,说明镀层结合力良好。

2.2.4 耐蚀性

将镀锌试样经六价铬彩色、蓝白色、军绿色钝化和三价铬彩色、蓝白色、黑色钝化后,在35 ℃,质量分数为5%的NaCl溶液中进行120 h的盐雾试验,并进行了分段观察。由试验结果可知:碱性镀锌的耐蚀性整体较好,相比而言,蓝白色钝化比彩色钝化的耐蚀性稍差一些。

2.3 镀液组分和工艺条件的影响

(1）ZnO

Zn2+的质量浓度对镀液性能和镀层质量有重要影响。其质量浓度偏高,电流效率提高,但分散能力降低,复杂件的尖棱部位镀层粗糙,容易出现阴阳面;偏低,阴极极化增加,分散能力增加,但沉积速率慢。吊镀宜用12～15 g/L;滚镀稍低,10～12 g/L为宜。

(2）NaOH

NaOH起配位和导电作用,过量的NaOH是稳定镀液的必要条件。锌以Zn(OH）42-形式存在,p H值＜10.5时,Zn(OH）42-转化为 Zn(OH）2沉淀。生产中宜控制ρNaOH∶ρZn2+=(10～14）∶1,NaOH的质量浓度过高,阳极化学溶解加速,镀液中Zn2+的质量浓度自然升高,造成主要成分比例失调。其质量浓度以120～130 g/L为宜,夏季用下限,冬季用上限。

(3）开缸剂

开缸剂起细化镀层结晶,提高镀液的分散能力和深镀能力的作用。

(4）光亮剂

光亮剂能增加镀层的细致性和光泽度。添加量要适当,不足,镀层沉积速率慢,光亮度差;过高,镀层亮而脆。

(5）温度

镀液温度应控制在20～35℃之间。温度太低,镀层易发花、发雾;太高,光亮剂易分解,有机杂质的质量浓度快速上升,光亮剂的消耗量会成倍的增长,故生产中应严格控制镀液温度。建议有条件的单位,最好使用冷却机。

(6）电流密度

电流密度高,沉积速率快,阴极边缘及棱角处镀层粗糙,阳极溶解过快,镀液中Zn2+的质量浓度增加快;电流密度低,沉积速率慢,低电流密度区镀层薄或无镀层。生产中应保持电流密度在1.0～3.0 A/dm2之间。

2.4 镀液的配制

(1）将计算量的NaOH置于预配制槽中,加入配槽总体积1/5的水(冬季用热水）,迅速搅拌溶解。

(2）将计算量的ZnO用少量水调成糊状,在不断搅拌下逐渐加入热碱液中,充分搅拌使其溶解完全,将镀液稀释至总体积。

(3）待镀液冷却到40℃以下时,加入2～3 g/L的锌粉,充分搅拌 15～20 min,静置 4～8 h后,过滤。

(4）加入计算量的开缸剂、光亮剂,搅拌均匀,电解处理2～4 h,即可进行生产。

地域不同,水质也有差别,对于水质比较软的地区,可以用自来水配制溶液;但在含 Ca2+,Mg2+较多的硬水地区,最好采用蒸馏水或去离子水配制镀液,防止杂质离子的带入。

2.5 Zn2+的控制

实际生产中一定要防止Zn2+的质量浓度波动过大,使其维持在一定的范围内。当Zn2+的质量浓度较低时,镀层沉积速率慢或无镀层;较高时,镀层沉积速率快,电流密度光亮区窄,镀层粗糙无光。镀液中的Zn2+的质量浓度受多种因素影响,如镀液温度、NaOH的质量浓度、添加剂、光亮剂、S阴∶S阳等都不同程度地制约着Zn2+的质量浓度。当镀液温度高、NaOH的质量浓度高、添加剂和光亮剂较多、锌阳极面积较大或长时间浸泡在镀液中时,都会引起Zn2+的质量浓度升高;反之,则引起Zn2+的质量浓度降低。

浸泡在镀液中的锌阳极数量及浸泡时间如果不加以控制,镀液中Zn2+的质量浓度很快就会失去平衡而升高,最终导致生产无法正常进行[2]。

根据生产经验,为防止镀液中Zn2+的质量浓度的升高,可以将部分锌阳极板改为不溶性的不锈钢板或镀镍铁板,其面积比大致为 S锌板∶S不溶性极板=1∶4,同时应经常取样化验分析,根据 Zn2+的质量浓度适时调整。在使用不溶性阳极板时,为增加溶液的流动性,可在阳极板上每间隔10～20 mm处钻孔径为8～10 mm的孔。

2.6 添加剂的补充

在日常生产中,光亮剂的添加量为125～200 mL/(1 000 A·h）;开缸剂视带出量而补加,一般为60～100 mL/(1 000 A·h）,或根据开缸时与NaOH的比例,在补加NaOH时一同补加。镀液每次补充原材料时,都要按1 mL/L的比例补充开缸剂和光亮剂。补充添加剂,一定要遵守少加勤加的原则,并尽量在下午下班前加,这样效果最好。

2.7 原材料的补充

NaOH:根据化学分析结果补加;Zn:由生成槽来控制,无锌生成槽则根据化学分析结果来增加或减少锌阳极板的面积。

2.8 杂质的控制与去除

由于原材料的不纯和操作的问题,镀锌溶液中通常容易带入Cu2+,Pb2+,Fe2+,Fe3+及CO32-等无机杂质和有机杂质。

(1）Cu2+带入方式为铜极棒、铜挂钩清理;易造成镀层粗糙,严重时经钝化呈黑色;可通过小电流电解处理或加入merlin除杂剂。

(2）Pb2+带入方式为氧化锌、锌极板材料不纯;易造成镀层粗糙,严重时经钝化呈黑色;可通过加入0.2～0.4 g/L的硫化钠溶液,搅拌,沉淀后过滤,或加入merlin除杂剂。

(3）Fe2+,Fe3+带入方式为随零件带入;易造成镀层粗糙,严重时经钝化呈黑色;可通过加入1～3 g/L的锌粉,搅拌,沉淀后过滤,或加入merlin除杂剂。

(4）CO32-带入方式为镀液吸收空气中的CO2;易造成镀层粗糙无光;可通过冬季过滤或清除Na2CO3结晶。

(5）有机杂质带入方式为光亮剂、添加剂过量;易造成镀层表面出现花斑,钝化膜易脱落;可通过电解氧化或经双氧水氧化后加活性炭处理。

3 结论

通过赫尔槽试验优化确定的碱性无氰镀锌工艺,经过近3年的生产实践,镀液稳定性、分散能力及覆盖能力好,镀层结合力优良,镀锌后处理工艺使用范围广,既适合彩色钝化,也适合蓝白色钝化、黑色钝化和军绿色钝化,三价铬军绿色钝化效果尤好。经六价铬、三价铬蓝白钝化的零件在120 h盐雾试验后无红锈。

在实际生产中,一定要掌握良好的镀液配制及原材料补充方法;通过锌阳极板的增减控制镀液中Zn2+的质量浓度;严格工艺纪律管理,规范操作,控制和防止镀液中的杂质,就能确保生产的正常进行。

[1] 俞先勇,现代碱性无氰镀锌[J].电镀与环保,2006,26(4）:47-48.

[2] 李北军.锌酸盐镀锌工艺的再研究[J].电镀与环保,2008,28(4）:16-17.

[3] 杜亚南,毕四富,屠振密,等,镀锌层三价铬蓝白纯化工艺的研究[J].电镀与环保,2007,27(1）:9-22.

[4] 张允诚,胡如南.电镀手册[M].北京:国防工业出版社,1997.

TQ 153

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1000-4742(2011）05-0023-03

2011-04-12

·综 述·