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0 引言
鋅鐵合金作為防護(hù)性鍍層,由于具有良好的焊接加工性,裝飾性、易磷化、抗蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且可充分利用現(xiàn)有的鍍鋅設(shè)備,采用鐵為原料,鍍液的成分簡(jiǎn)單,成本低廉,國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的研究[1-4],特別在日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。目前鋅鐵合金電鍍大都采用氯化物型、無(wú)氰堿性鋅酸鹽型以及焦磷酸鹽型,酸性硫酸鹽型電鍍鋅鐵合金的研究在國(guó)內(nèi)外報(bào)道較少[5]。所形成的鍍層按含鐵量高低分為2種:一是高鐵型鋅鐵合金(含鐵為3%～50%),它對(duì)油漆層有良好的結(jié)合力,無(wú)法進(jìn)行常規(guī)鈍化處理而影響其耐蝕性,多用作電泳涂裝的底層;二是低鐵型鋅鐵合金(含鐵為1%以下),可進(jìn)行常規(guī)鈍化,不會(huì)增加生產(chǎn)成本,且耐蝕性能優(yōu)良而成為今后研究的方向。本研究以酸性硫酸鹽體系為基礎(chǔ),添加鐵鹽、鐵離子穩(wěn)定劑、光亮劑等成分,采用霍爾槽試驗(yàn)、正交試驗(yàn)等研究成功了一種低鐵含量的鋅鐵合金電鍍工藝,所得鍍層光亮度高,具有較高的深鍍能力、整平性好、耐蝕性高,適用于線材、板材、帶材的連續(xù)電鍍,且滿足了高耐蝕性的要求。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料:檸檬酸(工業(yè)級(jí))、聚乙二醇(電鍍級(jí))、芐叉丙酮(電鍍級(jí))、NS系列乳化劑(電鍍級(jí))、NNO(電鍍級(jí))、甲基苯胺(化學(xué)純)、XXL 01A光亮劑(自配)、霍爾槽試片(鋼板、銅板)。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
ZDA 10A 12V硅整流器(浙江省紹興市承天電器廠);TG328B光學(xué)分析天平(精確至0.0002g,湘儀天平廠);267ml赫爾槽;HDV 7C晶體管恒電位儀(福建省三明無(wú)線電廠)。
2 工藝流程和鍍層質(zhì)量檢測(cè)
2.1 工藝流程
工件化學(xué)除油→熱水洗→流水洗→酸洗除銹→二次流水洗→電解除油→熱水洗→流水洗→弱腐蝕→流水洗→電鍍鋅鐵合金→回收→流水洗→出光→流水洗→鈍化→流水洗→老化→檢驗(yàn)→成品。
2.2 鍍層質(zhì)量檢測(cè)
1)外觀 目測(cè)要求鍍層表面光滑平整,結(jié)晶細(xì)致均勻,色澤正常。
2)鍍層的耐蝕性 用5%NaCl水溶液浸泡,觀察鍍層出現(xiàn)白銹和紅銹的時(shí)間,并測(cè)定其時(shí)間 電位曲線。
3)結(jié)合力 用彎曲試驗(yàn)和銼刀試驗(yàn),觀察鍍層有無(wú)脫皮和揭起現(xiàn)象。
4)鍍層含鐵量分析 稱取一定量合金鍍層,用鹽酸溶解后,加入鎢酸鈉,用氯化鈦使溶液變藍(lán),用重鉻酸鉀溶液滴至藍(lán)色消失,加硫磷混酸100mL,二苯胺磺酸鈉5滴,用重鉻酸鉀滴定至呈穩(wěn)定的紫色,由重鉻酸鉀的量計(jì)算鐵含量。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
3.1 基礎(chǔ)配方及操作條件
在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)優(yōu)化篩選試驗(yàn),確定基礎(chǔ)配方如下:
3.2 各成分的影響
3.2.1 主鹽含量的影響本工藝采用ZnSO4和FeSO4為主鹽,它們分別提供鋅離子和鐵離子,其濃度變化的霍爾槽試片結(jié)果如圖1和圖2所示。
從圖1和圖2可知:硫酸鋅質(zhì)量濃度控制在160～240g L為宜,質(zhì)量濃度過(guò)低,允許電流密度低,沉積速度下降,生產(chǎn)效率低,且鍍層光澤差,呈灰暗色;含量過(guò)高,陰極極作用降低,鍍層結(jié)晶粗糙,低電流區(qū)暗區(qū)增加。FeSO4的含量控制在8～16g L為宜,加入的Fe2+在鍍液中以配位離子的形式存在,質(zhì)量濃度過(guò)高會(huì)發(fā)生水解生成Fe(OH)2沉淀,鍍層易粗糙,且Fe2+易被氧化成Fe3+,鍍液的穩(wěn)定性變差。質(zhì)量濃度太低,難以形成鋅鐵合金鍍層[6],一定的Zn2+ Fe2+比值是獲得鋅鐵合金的必要條件,其摩爾比為9～13時(shí),可得到鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.7%的良好鍍層。
3.2.2 光亮劑的選擇與確定
要在較寬的工藝范圍內(nèi)得到光亮致密的鋅鐵合金鍍層,必須在鍍液中加入光亮劑。根據(jù)筆者在硫酸鹽鍍鋅光亮劑研究經(jīng)驗(yàn)[7],選用了含羰基官能團(tuán)的化合物為主光亮劑,其中以芳酮和芳醛效果最佳(如芐叉丙酮、氯甲醛等),但這類光亮劑不溶于水,必須使用載體光亮劑,以O(shè)P類、平平加類的磺化產(chǎn)物為好,如市售硫酸鹽載體乳化劑NS系列、HTA系列;加入一定量的擴(kuò)散劑(如萘基磺酸鹽等)、聚乙二醇、含氮雜環(huán)化合物(如煙酸、咪唑等)等輔助光亮劑,與主光亮劑形成協(xié)同效應(yīng),使鍍層達(dá)到全光亮。為此選用芐叉丙酮為主光亮劑、NS 662為載體光亮劑、高濃度NNO擴(kuò)散劑以及雜環(huán)化合物和胺類等為輔助光亮劑,采用正交試驗(yàn)、霍爾槽試驗(yàn)確定其最佳配比,研制成功了硫酸鹽電鍍Zn Fe合金組合作為光亮劑XXL 01A,其霍爾槽試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
3.2.3 穩(wěn)定劑的影響
二價(jià)鐵離子容易被氧化成三價(jià)鐵離子,影響鍍層質(zhì)量,為了防止這一反應(yīng)的進(jìn)行,可加入穩(wěn)定劑,選擇了檸檬酸與Fe2+形成配位離子,降低游離鐵離子濃度,減緩氧化反應(yīng)速度,其濃度影響如圖4。從圖4可知檸檬酸質(zhì)量濃度控制在8～16g L。同時(shí)加入一定量的抗壞血酸,可以抑制Fe2+氧化成Fe3+,還可將已氧化的Fe3+還原成Fe2+,減輕Fe3+的危害。
3.2.4 導(dǎo)電鹽質(zhì)量濃度的影響為了提高鍍液的導(dǎo)電能力,改善鍍液性能,選擇了Na2SO4作為導(dǎo)電鹽,導(dǎo)電鹽的加入能擴(kuò)大光亮范圍,隨著導(dǎo)電鹽質(zhì)量濃度增加,鍍層中鐵質(zhì)量濃度有所增加,為了得到含鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的鋅鐵合金,Na2SO4質(zhì)量濃度控制在30～40g L。
3.3 工藝條件的影響
3.3.1 pH值的影響pH值對(duì)鍍層質(zhì)量影響較大,pH值過(guò)低,陰極析氫劇烈,鍍層易產(chǎn)生條紋、起泡等現(xiàn)象,且低電流區(qū)難鍍上鍍層;pH值過(guò)高,鐵鹽易水解,鍍層中易夾雜氫氧化物,導(dǎo)致鍍層粗糙,鍍層光澤變差,且pH值過(guò)高鍍液中Fe3+含量增加,鍍液穩(wěn)定性變差,為了得到良好的Zn Fe合金鍍層,pH值控制在2.5～3.5為宜。
3.3.2 溫度的影響溫度對(duì)鍍層含鐵量以及金屬共沉積有較大影響,溫度升高,鍍層中含鐵量隨之增加,特別是使用可溶性陽(yáng)極時(shí),鍍液中Fe3+的生成量也會(huì)增加,導(dǎo)致鍍液穩(wěn)定性下降。為了控制鍍層中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提高鍍液穩(wěn)定性,鍍液溫度須控制在10～35℃。
3.4 鍍液及鍍層性能檢測(cè)
3.4.1 鍍液分散能力的測(cè)定
采用遠(yuǎn)近陰極法測(cè)定鍍液的分散能力,計(jì)算公式如下:T.P%=[(K-M1 M2) (K+M1 M2-2)]×100%式中:M1—近陰極試片增重,M2—遠(yuǎn)陰極試片增重,K—遠(yuǎn)近陰極的距離比,本實(shí)驗(yàn)K=5,其測(cè)定結(jié)果如表1。
用彎曲試驗(yàn)和銼刀試驗(yàn),鍍層均無(wú)脫皮和揭起現(xiàn)象,說(shuō)明鍍層的結(jié)合力好。
3.4.6 鍍層的耐蝕性
將純鋅鍍層和鋅鐵合金鍍層試片(鍍層厚度均為8～10μm,鋅鐵合金鍍層中含鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.5%)在5%NaCl溶液中浸泡,記錄出現(xiàn)白銹和紅銹的時(shí)間,其結(jié)果如表5所示,并測(cè)量鍍層在5%NaCl溶液中的電位 時(shí)間曲線,如圖5所示。
4 結(jié)論
低鐵含量的硫酸鹽鋅鐵合金電鍍工藝,鍍液成分簡(jiǎn)單,鍍液穩(wěn)定性好,操作簡(jiǎn)便,所得鍍層光亮度高,具有較高的深鍍能力、整平性好、耐蝕性高,適用于線材、板材、帶材的連續(xù)電鍍和一般零部件的高耐蝕性電鍍。
