第2章 镀液中锌粉的吸附、沉积

2.1 概述

机械镀锌过程镀筒中加入的原料随工序流程的时间先后而有所不同，整个镀层的形成过程大致可分为两个阶段：基层建立阶段和镀层增厚阶段。本书所介绍的我国普遍应用的少锡盐机械镀锌工艺的详细工艺流程如下：

1）工件表面预处理（高温加热脱脂+盐酸酸洗除锈）。

2）装料（向镀筒内添加自来水、工件、玻璃丸）。

3）调整镀液pH值（向镀筒内添加工业浓硫酸或磷酸）。

4）建立基层[向镀筒内加入金属锌粉和少量锡盐（硫酸亚锡或氯化亚锡）]。

5）控制镀液活化环境[向镀筒内添加适量保持性活化剂（以下简称A液）]。

6）镀层增厚[向镀筒内循环添加金属锌粉+沉积性活化剂（以下简称B液）]。

7）强化（向镀筒内添加适量自来水）。

8）卸料（将镀筒内所有的物料倒出）。

9）分离（将工件和玻璃丸分离）。

10）工件烘干。

机械镀锌时，一定转速的镀筒内存在由固体（工件、玻璃丸）、液体（水）、粉体（锌粉或锌粉与其他微粉的混合粉）及少量化学添加剂（A液和B液）组成的浆料系统。其中，直接影响金属锌粉在工件表面吸附、沉积成层的有3）、4）、5）和6）工序。在实践中，机械镀锌基层建立阶段，镀筒内存在无机酸、水、工件、玻璃丸、含Sn²⁺的无机酸式盐、金属锌粉，所加入物质在镀筒中形成一种浆料，pH值为1.5左右。当基层形成之后，工件表面为一层锌-锡合金覆盖层，随后进入镀层增厚阶段。在浆料中加入复合表面活性剂、金属锌粉、含金属离子的沉积性活性剂（B液），后两者根据镀层厚度的需要可以多次加入。镀筒的内壁衬有橡胶，浆料和筒壁之间不会发生化学作用。因为机械镀锌过程镀筒是转动的，在转动过程中物料呈螺旋状回旋运动，镀筒筒壁上的夹角会使物料产生轻微的振动，所以镀筒内物质处于一个动态的酸性环境中。上述镀筒内的浆料环境是一个复杂的混沌状态，不便于直接观察和分析。本书将在实验室玻璃器皿中分步模拟机械镀锌的加料情况，以观察镀锌过程发生的现象；并在实际的机械镀锌过程的各个工序流程取镀液样，分析镀液的成分变化，试图由此分析和探讨机械镀锌过程金属锌粉的吸附、沉积规律。

按机械镀锌的生产实践在挥发皿中添加主要物料，观察一系列阶段挥发皿中物料及溶液的变化，采用光学相机记录挥发皿内的物料状态。所观察、分析的阶段包括：

（1）基层建立阶段 主要观察分析向水+硫酸+工件体系中逐渐添加锌粉、硫酸亚锡时挥发皿内的各种现象和过程。

（2）镀层增厚阶段 主要观测分析向水+硫酸+工件+锌粉+硫酸亚锡+A液体系中逐渐添加锌粉、B液时挥发皿内的各种现象和过程。

另外，在挥发皿内设置不同pH值、温度T的镀液环境，观察分析pH值、T对锌粉吸附、沉积的影响。

采用JDX-30型机械镀设备镀锌，设备结构见图2-1。镀筒内的物料包括工件、锌粉、锡盐、B液、A液、水、玻璃丸等。玻璃丸对镀液环境的化学组成变化基本没有影响，因此，在镀液成分分析时有针对性分析镀液中的Fe²⁺、Zn²⁺、Sn²⁺三种离子的变化。施镀过程与Fe²⁺、Zn²⁺、Sn²⁺相关的锌粉、A液、B液、二价锡盐的加入量W_Zn（单位：g）、V_A（单位：mL）、V_B（单位：mL）、W_Sn2+（单位：g）分别为

式中 S——预镀工件总表面积（m²）；

R——厚度系数，R取1、2、3等时代表镀层厚度分别为10

μm、20μm、30μm等。

图2-1 JDX-30型机械镀设备结构

在施镀过程取样，连续间隔取样阶段包括：

1）水+硫酸+工件+锌粉（添加锌粉后10s左右），取为1^#样。

2）水+硫酸+工件+锌粉（取1^#样后1min左右，添加SnSO₄前），取为2^#样。

3）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄（添加SnSO₄后10s左右），取为3^#样。

4）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄（取3^#样后4min左右，添加A液前），取为4^#样，添加A液。

5）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄+A液+锌粉（添加锌粉后10s左右），取为5^#样。

6）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄+A液+锌粉+B液（取5^#样后1min左右，B液添加后10s左右），取为6#样。

7）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄+A液+锌粉+B液（取6^#样后4min左右），取为7^#样。

8）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄+A液+锌粉+B液+锌粉（添加锌粉后10s左右），取为8^#样。

9）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄+A液+锌粉+B液+锌粉+B液（取8#样后1min左右，第二次B液添加后10s左右），取为9#样。

10）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄+A液+锌粉+B液+锌粉+B液（取9#样后4min左右），取为10#样。

11）水+硫酸+工件+锌粉+SnSO₄+A液+锌粉+B液+锌粉+B液+SnSO₄（取10^#样后5min左右，添加SnSO₄后10s左右），取为11#样。

12）取11^#样后5min左右，取为12#样。

镀液取样号与ICP-AES（电感耦合等离子体原子发射光谱法）检测的金属离子见表2-1。

表2-1 镀液取样号与ICP-AES检测的金属离子

采用ICP-AES分析镀液成分时，只考虑与结果相关的锌、铁、锡三种元素。根据谱线的强度大小、背景和干扰情况，选择三种元素的分析谱线波长分别为：202.551nm（Zn）、238.204nm（Fe）、283.999nm（Sn）。试验证明，这些谱线具有信号强，干扰小，背景简单，能满足测试要求；三种元素的校正曲线的线性度相关系数均达到0.99999以上。