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10μ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。 3.3.2B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。 3.4.2B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10μ，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。 |
