新型添加劑堿性鋅酸鹽鍍鋅工藝研究

郭俊文,魏垣偉,張曙娟,楊繼鋒,劉 琳

(山西北方機械制造有限責任公司,山西 太原 030000)

電鍍鋅是利用電解原理在鋼鐵制品表面形成均勻、致密、結合良好的鋅層的過程。鍍鋅層是一種應用最為廣泛的功能防護性鍍層。經過鈍化處理的鍍鋅層不僅可獲得各種色彩,增加裝飾效果,而且會大大提高鍍層的耐蝕性。鍍鋅應用相當廣泛,是電鍍生產量最大的鍍種之一[1-2]。

由于堿性鋅酸鹽不含氰化物、鋅金屬濃度低的特點,對于三廢的治理有很大的幫助。而且堿性鋅酸鹽相較其他鍍鋅體系,在運行成本、設備壽命等方面具有明顯優勢[3-4]。但傳統DE型添加劑鍍液,存在光亮范圍窄、分散能力差、覆蓋能力弱的工藝缺點,且鍍件返工率高,鍍液不易維護,不利于過程掌控和質量保障。為進一步提升裝備質量、優化鍍鋅工藝,本文選擇了兩個行業內知名廠家的兩種新型添加劑,通過經濟快捷的霍爾槽試驗,對鍍液的光亮范圍、分散能力、覆蓋能力及鍍層結合力等方面的性能進行了測定[5-11],并與傳統DE型堿性鋅酸鹽鍍液進行了比較,優選了新型添加劑鍍鋅工藝。

1 試驗前準備

材料:氫氧化鈉、氧化鋅、A廠家新型添加劑、B廠家新型添加劑、傳統DE型添加劑、硝酸,銅板陰極試片(100 mm×70 mm×0.5 mm)、低碳鋼板陽極試片(63 mm×70 mm×5 mm)、φ16 mm(內徑)×100 mm的低碳鋼管、碳鋼鋼板(100 mm×50 mm×0.5 mm)。

設備:直流電源、250 mL標準霍爾槽、測厚儀、托盤天平、燒杯、量筒、溫度計、電吹風。

鍍液配方:試驗采用的3種鍍液配方見表1,Zn2+濃度為12 g/L,NaOH濃度為120 g/L,其余添加劑均為各自范圍上限值。

表1 3種鍍液配方

2 霍爾槽試驗原理

霍爾槽(見圖1)也叫哈氏槽或梯形槽,是由美國的R. O. Hull于1939年發明的,是一種試驗效果好、操作簡單、所需溶液體積小的小型電鍍試驗槽。由于霍爾槽試片兩端到陽極的距離有很大差別,加上在角部的屏蔽效應,使同一試片從近陽極端和遠陽極端的電流密度有很大的差異,并且電流密度的分布呈現由大(近陽極)到小(遠陽極)的線性分布。根據通過霍爾槽總電流大小的不同,其遠近兩端電流密度的大小差值達50倍。它可以較好地獲得外觀合格鍍層的電流密度范圍,還可以測定鍍液的分散能力、覆蓋能力等。因此,霍爾槽試驗在電鍍工藝試驗研究和現場生產質量控制方面都得到了廣泛的應用。

圖1 霍爾槽結構

3 試驗與分析

3.1 電流密度范圍比較

選取100 mm×70 mm×0.5 mm的銅試片,經過鍍前處理后,在溫度20～30 ℃無攪拌狀態下,電流密度1 A/dm2,用霍爾槽進行電鍍試驗10 min,電鍍出光、水洗后,吹干待檢。

根據試驗后試片的鍍層外觀繪制示意圖(見表2)。從表2中可以看到,使用A型鍍液試驗后得到的試片在高區開端處有10 mm寬的灰暗及點蝕區,在低區有20 mm寬的灰暗區;B型鍍液試驗后得到的試片表面整體光亮無條紋,無漏鍍及灰暗區;DE型鍍液試驗后得到的試片在高區有5 mm寬的灰暗區,在低區有20 mm寬的半光亮區、10 mm寬的灰暗區、10 mm寬的條紋區、10 mm寬的粗糙區。

表2 鍍層外觀示意圖對比表

3種鍍鋅工藝光亮區對應的電流密度范圍(見表3)可通過經驗公式(式1)計算得出:

表3 不同鍍鋅工藝電流密度范圍

Dk=I(5.1-5.24lgL)

(1)

式中,Dk是陰極某處的電流密度值,單位為A/dm2;I是試驗時所采用的電流強度,單位為A;L是陰極上某處與近端的距離,單位為mm。

通過表3可以發現,A、B型鍍鋅工藝電流密度范圍廣,而DE型堿性鍍鋅工藝電流密度范圍窄。

3.2 分散能力比較

選取銅試片,經過鍍前處理后,在溫度20～30 ℃無攪拌狀態下,電流密度2 A/dm2,用霍爾槽進行電鍍試驗20 min后,將試片水洗干凈,吹干待測。

試驗后將試片劃分成8個部分,然后測出1～8號方格中心部位鍍層的厚度δ1～δ8,根據式2計算分散能力:

T=δi/δ1×100%

(2)

式中,δi為2～8方格中任一選定的鍍層厚度;δ1為1號方格中的鍍層厚度。

試驗結果見表4。

表4 霍爾槽法測量溶液的分散能力結果

由表4可知,A型鍍液的平均分散能力為77.5%,B型鍍液的平均分散能力為92.4%,DE型鍍液的平均分散能力為67.1%。通過比較可以發現,B型鍍液的分散能力最好。結合圖2所示不同鍍液獲得鍍層的厚度分布曲線,可以明顯看出,用B型鍍鋅配方電鍍后獲得的鍍層分布更加均勻,可以避免在實際生產中因尖端效應所致的鍍層厚度分布不均勻現象。

圖2 不同鍍液獲得鍍層的厚度分布曲線

3.3 覆蓋能力比較

選取低碳鋼管,經過鍍前處理后,在溫度20～30 ℃無攪拌狀態下,電流密度2 A/dm2,用霍爾槽進行電鍍試驗20 min后,洗凈吹干后待測。試驗時,鋼管水平放置于鍍槽中間,內孔正對陽極。內孔法測覆蓋能力示意圖如圖3所示。

圖3 內孔法測覆蓋能力示意圖

試驗后將鋼管縱向切開,測量內孔中鍍層的長度L,用其和內孔徑D之比評定覆蓋能力,根據下式計算覆蓋能力:

K=L/D×100%

(3)

式中,L是鋼管縱向切開后,內孔中鍍層的長度,單位為mm;D是內孔直徑,單位為mm。

覆蓋能力試驗結果見表5,從表5中可以看出,B型添加劑的覆蓋能力最優。

表5 覆蓋能力測試結果

3.4 鍍層結合力比較

1)鍍層結合力檢驗。

選取銅試片,經過鍍前處理后,在溫度20～30 ℃無攪拌狀態下,電流密度2 A/dm2,用霍爾槽進行電鍍試驗20 min后,將試片水洗,吹干待測。

按照WJ 2550—2000《兵器產品金屬電鍍層通用規范》4.5.4條中“鍍層結合力檢驗方法中的彎曲法”進行結合力檢驗,將試樣夾在臺鉗上,反復彎曲直至基體金屬斷裂,斷裂后觀察端口附近的鍍層情況(見圖4)。

a)A型 b)B型 c)DE型

從圖4中可以看出,按照3種不同的鍍鋅工藝電鍍后的試樣經彎曲檢驗后,其斷口長度95%的鍍層均未出現起皮、脫落的現象,均符合要求。

2)鍍層脆性檢驗。

鋅是一種脆性較大的金屬,鍍鋅層一般都具有一定的脆性。用碳鋼鋼板按照鍍鋅工藝流程鍍鋅,使鍍層厚度大于20 μm,用彎曲法檢驗鍍鋅層脆性,將試片彎曲180°直到斷裂,檢查斷裂處鍍層狀況,經檢測。當鍍層≥25 μm時,A、B型鍍鋅工藝鍍層沒有出現鍍層脫落現象,DE型鍍鋅工藝斷口鍍層脫落。工藝表明,A、B型鍍鋅工藝鍍鋅層的脆性較小,DE鍍鋅工藝鍍層脆性大。鍍鋅層脆性檢驗結果見表6。

表6 鍍鋅層脆性檢驗結果

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)兩種新型添加劑與傳統添加劑相比,電流密度范圍、分散能力、覆蓋能力均不同程度有提高,其中B型添加劑鍍液具有更寬的電流密度范圍,是DE型添加劑的2.5倍;分散能力、覆蓋能力分別提升25.3%和500%,能適應形狀復雜的零件電鍍,有利于提高工件表面鍍層的整體質量。

2)在鍍層厚度較小時添加劑對鍍層結合力和鍍層脆性的影響較小,但在鍍層超過25 μm時,采用傳統添加劑獲得的鍍層脆性明顯增大,不能適應鍍層厚度要求高的零件電鍍,采用新型B型添加劑可完全避免該類問題的發生。

3)本文系統性詳細地通過霍爾槽試驗的方法測定了鍍液各項性能,為今后的添加劑選擇試驗奠定了基礎。