机械镀锌工艺实验研究 - 文章

机械镀锌工艺实验研究

作者：张永德周元康赵津王满力朱维东何伟

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摘要：经理论分析与实验研究,初步研制成功了机械镀锌的关键技术-镀液促进剂工艺配方,为进一步完善该配方的研究提供了基础。
关键词：机械镀锌；镀层；配方

引言

机械镀锌工艺及其镀层与电镀、热浸镀相比，具有自身的特点：1) 镀层无氢脆；2)节约电能达80%；3)镀液配方无毒，废液处理简便；4)投资少，工艺简单便于掌握；5)镀层厚度范围大(＜10-100μ)易控制，可代替电镀与热浸镀的镀层厚度获得各种耐蚀要求。主要缺点是受镀件的外形、尺寸及重量的限制。[2]

由于机械镀锌的节能和环保优势，今天更被人们所关注。机械镀锌的机理与传统的电镀、热浸镀有本质的区别，它是依靠机械冲击能量和伴随镀液的物理化学作用，将锌粉冷压到被镀的钢铁工件表面，形成锌镀层。除了机械冲击作用外，保证工件表面镀层形成的镀液配方是该工艺的关键技术。关于镀液配方的研制有不少的报道，但配方的实质性内容大都未公开，本文对机械镀锌进行了分析研究，初步研制出得到实验验证的的镀液配方，为机械镀锌生产准备了条件。

1 机械镀锌工艺配方的机理研究分析

1.1 机械镀锌镀层形成的必要条件

任何固体物质都具有不同于内部基体性质的表面及表面能，若使两种金属固体能够以近程力相结合，除了两种固体的本身性质是决定因素外，还必须具备下列必要条件：

图1 固体表面的双电层及电位分布

1)两固体表面必须始终保持清洁活化状态，不允许有污染膜和其它膜层存在。

2)金属固体在液体中的界面产生表面电荷的规律分布，形成所谓的霍尔姆兹(Helmoholts)双电层，是一般能量的固体粒子难以越过的阻挡层.如图1.

只有当微粒获取很大的单位质量能即能量密度，才有可能越过该一个分子厚度的阻挡层。机械镀过程即满足以上条件，在复杂的物理化学作用的同时，实现镀层沉积。

1.2 机械镀配方及物料的分析

1.2.1 锌粉粒度的考虑

机械镀锌可获近于10 μ的薄镀层[3]，决定了锌粉直径不超过该尺寸。另外，为让锌粉能获取足够的能量密度，粉粒平均直径应在μ级范围内。

1.2.2 机械镀液的主要性能要求

1) 能除去工件和锌粉表面的氧化污染物，使其在施镀过程中始终处于清洁活化状态。
2)对锌粉具有湿润、分散作用。
3)镀液应有对酸碱作用的缓冲性，以保证整个工作过程中镀液性能的稳定。
4)镀液呈酸性[4]。

1.3 镀液配方的组成及其功用

根据以上镀液的性能要求，主要成分(因素)设计为某种有机酸、该有机酸的盐及某非离子活性剂的水溶液。

1.3.1 有机酸的作用

对锌粉和工件表面具活化作用的有机酸，在冲击作用时，能使工件、锌粉表面的氧化膜溶解除去。施镀前后溶液的有机酸的消耗，pH值的增大，证明物料中唯一能与酸反应的锌氧化物确实受到有机酸的作用：

X- 某金属元素

1.3.2 有机酸盐的作用

同一种有机酸及其盐，因同离子效应组成酸性的缓冲溶液，保证在工作中溶液的pH值不发生过大的改变，使溶液性能维持稳定，该有机酸的盐也是一种可溶的分散剂，增强镀液的分散能力[5]。

1.3.3 非离子活性剂的作用

非离子活性剂在水溶液中不离解，因此稳定性高，不受酸碱盐所影响，且相容性、耐硬水性强。更重要的是它能进一步提高溶液的分散、乳化、湿润、增溶、洗涤清洁作用[6]。上述的作用可列表1如下:

表1 获各种必须功能的措施

○-措施单独具有的功能 ◎-与其它措施配合具有的或得以加强的功能

2 机械镀锌的工艺路线

根据资料[1]机械镀锌工艺路线为：

3 实验验证

3.1 实验条件

3.1.1 机械镀溶液及物料

溶液组成见表2.

表2 溶液配方

1)被镀试件：尺寸Φ10×30圆柱体；材料45钢；表面粗糙度Ra 12.5 ，重量0.5 kg；
2)锌粉：粒度800目以上，外观灰色；重量5 g；
3)玻璃珠：直径Φ3-Φ6，总体积与试件体积相当；

3.1.2 溶液配制

1)将有机酸及其盐各3 g和活性剂0.2 g的组合准备两份，分别溶于100 ml水中，使其充分溶解，将其中一份注水至260 ml，另外一份注水至130 ml，分别为水平不同的A,B溶液。

2)A溶液为环境室温10℃，B溶液保持通常室温18℃，测量pH值为4.

3.2 试验过程及操作

1)将0.5 kg试件放入计量容器，估计装载体积；
2)取与试件装载体积相当的冲击物料Φ3-Φ6玻璃珠；
3)试件与冲击物料装入容积为4 L的倾斜三段式六角滚筒内，加入A溶液。溶液淹没固体物料较多。启动滚筒电机转速为60 r/min.滚筒装置如图2.

1-机架；2-可调支承；3-活动板；4-支承轮；5-滚桶
6-物料；7-无级变速减速器；8-电机
图2 滚筒装置简图

4)旋转过程中定时分次放入先准备好的5 g锌粉，定时分次取出试件观察，并测量温度。具体定时值见表3.

5)B溶液镀锌操作过程和条件与A相比，仅溶液浓度、温度及与固体物料体积比减少较多(溶液刚淹没固体)外，其余均相同.见表3.

3.3 实验结果

3.3.1 A溶液镀锌试验结果

分次取出的所有试件表面，未见镀层沉积，仍保持原表面的闪镀铜颜色，色泽稍有变浅。

3.3.2 B溶液的试验结果

1)施镀第14 min取出的第一个试件，观察到断续点状的镀层在其粗糙表面突起处形成。
2)第24 min取出的三个试件，其表面镀层连续，在较光滑的端面处，灰白色膜层十分完整,在特别粗糙面的波谷处镀层呈间断状。
3)第35 min取出的全部试件，其镀层状态与24 min取出的试件基本相同。

3.4 结果分析

3.4.1 A溶液试验结果分析

用A溶液不能形成镀层的主要原因为；

1) 溶液浓度不足，有机酸盐和活性剂在溶液中的分数较小，相应的清洁、活化、湿润及分散功能均达不到成膜要求。
2) 因溶液的质量和体积较大，相同量的锌粉在溶液中的分数也较小，导致锌粉接受冲击物料向试件表面冲击的概率大大减小。
3) 较低的室温使施镀过程中应有的化学、物理反应变得相当微弱 (在滚筒开口处嗅不到异样气味)也可能是镀层不能形成的原因之一。

3.4.2 B溶液镀锌试验结果分析

因溶液体积适当、温度稍高克服了B溶液的缺陷，形成镀层。施镀时能在滚筒开口处嗅到轻微的刺激气味，可见物理化学作用较强。

经对试件镀层的观察，1)表面较粗糙的凹处镀层不连续，主要是较大直径d的玻璃珠对小曲率半径r的凹轮廓处不能接触形成冲击。如图3所示，只有d/2＜r才能保证冲击过程正常进行。本实验玻璃珠最小直径是3 mm，当r＜1.5 mm时将无法形成镀层。

2) 经表3试验结果证明，锌粉量恒定，施镀时间超过30 min 后镀层不再增厚，这与资料[6 ]的结论相同.如图4.

图3 冲击料的最小直径和试件轮廓间的关系图4 镀层厚度和时间的关系

3) 施镀完毕的残液中有一些粒度较大的粉粒，可见粉粒直径越大越不易被利用成膜。其原因是被冲击的能量密度较小所致。但极小直径的超细微粉，市购困难。本实验用800目的锌粉，未达到较高的90%的利用率。

4 结语

1) 经过实验验证，本文研制的机械镀溶液组成具有机械镀锌所需的性能。本溶液为缓冲剂，能在整个过程中维持酸性的稳定，保证过程的正常进行。
2) 锌粉的直径的选用应小于10 μ，否则将降低利用率，甚至不能形成镀层。
3) 当锌粉量一定时，镀层的最大厚度与时间无关，即厚度受锌粉量控制，因此，生产中镀层厚度控制易于实现。
4) 冲击物料的直径尺寸与工件表面的不平度及粗糙度相适应，否则将使镀层质量恶化。
5) 配制镀液浓度可参照B溶液执行，镀液体积应与固体物料相匹配。工作温度不可太低，最好取20℃左右的室温。
6)本配方简单,易行。

参考文献：
[1] O′Coone.Mechnical Galvanizing Challenges HotDip [J]. Plat and Surf fin 1980,(9): 56-57.
[2] 曾华良，等. 电镀工艺手册[M]. 北京：机械工业出版社，1989.649.
[3] 主沉浮，等. 空冷器翅片机械镀锌工艺研究[J].表面技术, 1998,27(1): 10．
[4] 吴展．机械镀锌工艺性能介绍 1[R]. 天津：金盟科技开发公司，1992.
[5] 沈宁一，等．表面处理工艺手册[M]．上海：上海科学技术出版社，1991.57．
[6] 夏纪鼎，等．表面活性剂和洗涤剂化学与工艺学[M ]．北京：中国轻工业出版社，1997.369．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/31/2005)


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