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机械镀锌工艺实验研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-10  浏览次数:673

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。

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