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低能耗机械镀锌技术及应用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-07  浏览次数:698

 (武汉材料保护研究所,武汉430030)

摘要:机械镀锌是一种在常温常压下利用化学吸附和机械碰撞使金属锌粉沉积在工件表面形成镀层的工艺,与传统的热镀锌、电镀锌相比,具有生产过程能耗低、对环境污染小等优点,是一种清洁低耗镀锌技术。简要介绍机械镀锌工艺及设备,将机械镀锌、热镀锌和电镀锌的性能、特点、环境影响进行了对比,探讨了机械镀锌技术的发展及应用前景。

关键词:机械镀锌;清洁低耗;生产工艺

中图分类号:TK01+8;TQ153文献标识码:B文章编号:1005-7676(2011)02-0054-03

引言

以热镀锌和电镀锌的方法在钢铁件上获得防腐性金属涂层,在世界范围内仍然是钢铁减缓大气和水环境腐蚀的主要技术方法之一。但是,热镀锌和电镀锌的生产过程中存在能源消耗高、环境污染严重等缺点。机械镀锌是一种在常温下利用化学吸附沉积和机械碰撞使金属粉在工件表面形成镀锌层的工艺。机械镀锌过程不同于热镀锌过程,不需要高温加热,也不同于电镀锌过程,不需要电沉积锌,所以生产过程能耗较低。机械镀锌所用原料无毒性,操作过程无工业污染,相比于传统镀锌工艺,其在清洁生产方面具有较大优势,在保证了镀锌层性能的前提下,大大减轻了对环境的污染。机械镀锌后无氢脆和退火软化现象,可满足高强度零件的使用要求。另外,机械镀锌设备相对简单,投资较小。随着国家可持续发展政策的进一步落实,节能减排已经成为转变经济发展模式的一种重要手段。因此,清洁低能耗的机械镀锌技术具有极好的发展和应用前景。

1·机械镀锌工艺及设备

1.1机械镀锌工艺

机械镀锌工艺按下列工艺过程[1-2]进行:工件除油、除锈后,与冲击介质一起加入镀锌机的滚筒中,加入适量的水,按工件的被镀面积加入硫酸铜,在工件表面沉积出一个铜层(称为“闪铜”);随后加入少量的锌粉和活化剂,使铜层上沉积出一个锌层(称为“闪锌”),之后进入锌层逐渐沉积的过程,根据最终镀层的要求,以一定时间间隔,依次加入锌粉和活化剂,待锌层沉积完毕,经过5~10 min的强化期,使锌层变得均匀、细致,即可从滚筒中倒出,分离工件和介质,然后清洗、干燥。

1.2机械镀锌的主要设备

机械镀锌的主要设备[3]必须是一个可盛放被镀工件、玻璃珠、镀液和原料的容器,同时提供使工件、玻璃珠、金属粉产生机械碰撞的机械能,造成容器内物料运动的流态环境,以使锌粉在工件表面上沉积。

根据以上要求设计了可调速循环转速摇摆式机械镀锌设备,该设备采用调速电机和减速器实现滚筒的调速转动(图1),以不同的转速来适应各种镀件所需要的相对碰撞速度。此外,采用一对齿轮和电气控制,镀锌时滚筒可以在20°~60°之间循环摇摆,避免了工件在滚筒中的偏聚,同时能绕支撑轴作360°旋转,以满足不同位置卸料[4]。该设备具有可调转速和摇摆功能,充分满足了机械镀锌对碰撞速度的变化和均匀功能的要求,这种功能的设备造价趋于合理,而且性能可靠、实用性较强、操作简单。

 

 

2·不同镀锌工艺对比

随着近年来国家对清洁生产的重视,相应的环境保护法律法规的强化,传统镀锌工艺的应用受到了一定限制。清洁生产从本质上来说,就是对生产过程与产品采取整体预防的环境策略,减少或者消除它们对人类及环境的可能危害,同时充分满足人类需要,使社会经济效益最大化的一种生产模式。具体措施包括:①不断改进设计;②使用清洁的能源和原料;③采用先进的工艺技术与设备;④改善管理;⑤综合利用;⑥从源头削减污染,提高资源利用效率;⑦减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放。

目前,电镀和热镀锌是镀锌工艺中应该最为广泛的,所以想在镀锌领域开展清洁镀锌的推广,就必须以电镀和热镀锌做比较。电镀锌是在直流电作用下使电解液中的锌离子以电化学方法还原并沉积到钢铁基体表面。热镀锌工艺是将钢铁工件浸入熔融的锌液中,在短时间内取出并快速冷却,以在工件表面形成镀锌层。这两种镀锌工艺在生产过程中产生的气、液排放对环境造成污染,并有较高的能耗及原料消耗。为评价机械镀锌的清洁生产过程,主要从镀层性能、对环境影响、生产设备方面同电镀和热镀锌做比较。

2.1不同镀锌工艺的镀层性能比较

传统镀锌工艺和机械镀锌工艺镀层的主要性能比较见表1。在比较中发现机械镀锌层的耐腐蚀性能远超过电镀锌,在相等厚度下耐腐蚀性能与热镀锌相当。并且机械镀锌层的厚度易控制,可控制原料添加使其在5~110μm任意调整[5-6]。

 

 

2.2不同镀锌工艺对环境的影响

2.2.1电镀锌

废水是电镀锌对环境最大的影响。由于电镀工艺不同,废水的处理方法也不同,一般不含络合剂和氰化物的镀锌废水,只需调整其pH值并投入适量的凝聚剂,使锌形成氢氧化锌沉淀,经沉淀和过滤后就可排放和回收。而含络合剂较多的铵盐镀锌废水,其废水的化学法处理经验不多。电镀后的钝化处理也会使废水中含氰化物和重金属,同时逸出铬雾、氮氧化物及酸雾,破坏城市环境、生态。

2.2.2热镀锌

热镀锌[7]分气体保护法和烘干溶剂法,前者环保情况较好;后者对环境影响较为严重。烘干溶剂法由于整个热浸镀锌过程在高温下进行,溶剂烘干和待镀工件入池都有大量HCl气体析出,锌池长时间处于高温下,锌液表面产生大量ZnO、NH4Cl渣,工件在浸助镀剂和镀后漂洗时会有含ZnCl2、NH4Cl的溶液溅洒,使废水中锌和铵离子量增高。

热镀锌工业设备普遍采用开放式的锌池,故热镀锌对环境的影响主要偏重对大气的污染。如HCl、ZnO粉尘、NH3、SO2、CO等。

2.2.3机械镀锌

机械镀锌所用原料无毒性,其生产过程全程在室温下进行,可实现过程无工业污染。与传统的电镀和热镀相比,这种工艺的优势是其主要污染物废水排放量少,且只需简单处理既可达到排放标准[8]。机械镀锌工艺完全室温操作,原料以液态加入,没有粉尘或电镀槽上气体挥发的污染。工艺用水可做到全部循环使用,车间无积水、操作环境好[9]。机械镀不存在热镀锌因高温造成的烟尘、有害气体也不像电镀电解槽会造成有害气体挥发,从工艺上杜绝了对公共大气的污染。机械镀锌的主要污染源是酸性重金属废水,主要处理对象为Zn,通过“中和沉淀-混凝澄清法”处理后,可达到回用或外排标准。通过机械镀锌工艺的镀锌层性能、对环境影响的综合分析表明,机械镀锌是镀锌行业切实可行的清洁生产技术[10]。

3·机械镀锌的应用及发展

适合机械镀锌的工件一般长度<300 mm,质量<0.5 kg。再大些的工件虽然也可以加工,但因转载量的缘故会影响生产成本。带有盲孔和深凹槽的工件因为形状复杂不适合于机械镀,凹槽、内孔易产生漏镀。最适合于机械镀锌的工件主要有射钉、螺钉、螺母、垫片、螺栓和垫片等小型零件。国内的机械镀锌主要应用于小五金,如螺栓、螺母、垫片、射钉、环链、铰链、农用暖棚搭扣等的表面防腐,镀层厚度可根据五金件的服役环境及客户要求人为调控(10~100μm),镀层呈白灰色,不如电镀锌层光滑、细致,一般不要求钝化,钝化后镀层外观颜色色泽不如电镀锌层钝化后美观[11]。

机械镀锌进一步的发展面临的几个问题:①提高镀层厚度>50μm的结合强度;②提高沉积的细化作用,使组织细密,外观平滑光亮;③改善钝化的色泽,使习惯于电镀钝化色泽的用户能够接受;④专用设备的规范化和通用化。

4·结论

目前机械镀锌的使用与电镀、热镀相比有一定的差距,其对加工工件形貌要求较高,且生产能力不如电镀、热镀,但其环保型绿色技术的优点,值得在镀锌业大力推广。

参考文献

[1]Milton W.Mechanical galvanizers[J].Metal Finishing,1993(3):13-14.

[2]Arnold S.Mechanical plating and galvanizing[J].Metal Finishing,2005

(103):296-303.

[3]张红印,芮文杰,温永涛,等.机械镀锌工艺及设备[J].河北冶金,2006(4):49-55.

[4]王克士.浅析机械镀锌的工艺控制[J].现代制造技术与装备,2007(4):52-53.

[5]Brooks A.Mechanical plating[J].Metal Finishing,1983(8):53-57.

[6]何明奕,刘丽,王胜民,等.机械镀原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2003.

[7]李慧,李运刚,高建新.热镀锌工艺及锌镀层钝化的研究现状[J].电镀与精饰,2008(12):16-20.

[8]John G.Mechanical plating[P].US:3328197,1967-07-27.

[9]Janyce B.Process of mechanical plating[P].US:5762942,1998-07-09.

[10]Gordon M A.Mechanical plating[J].Metal Finishing,1999(1):405-408.

[11]胡如南,官世杰,咸才军.机械镀锌层的性能及机理探讨[J].电镀与精饰,1996(1):12-15.

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