第2章 鍍液中鋅粉的吸附、沉積

2.1 概述

機械鍍鋅過程鍍筒中加入的原料隨工序流程的時間先后而有所不同，整個鍍層的形成過程大致可分為兩個階段：基層建立階段和鍍層增厚階段。本書所介紹的我國普遍應用的少錫鹽機械鍍鋅工藝的詳細工藝流程如下：

1）工件表面預處理（高溫加熱脫脂+鹽酸酸洗除銹）。

2）裝料（向鍍筒內添加自來水、工件、玻璃丸）。

3）調整鍍液pH值（向鍍筒內添加工業濃硫酸或磷酸）。

4）建立基層[向鍍筒內加入金屬鋅粉和少量錫鹽（硫酸亞錫或氯化亞錫）]。

5）控制鍍液活化環境[向鍍筒內添加適量保持性活化劑（以下簡稱A液）]。

6）鍍層增厚[向鍍筒內循環添加金屬鋅粉+沉積性活化劑（以下簡稱B液）]。

7）強化（向鍍筒內添加適量自來水）。

8）卸料（將鍍筒內所有的物料倒出）。

9）分離（將工件和玻璃丸分離）。

10）工件烘干。

機械鍍鋅時，一定轉速的鍍筒內存在由固體（工件、玻璃丸）、液體（水）、粉體（鋅粉或鋅粉與其他微粉的混合粉）及少量化學添加劑（A液和B液）組成的漿料系統。其中，直接影響金屬鋅粉在工件表面吸附、沉積成層的有3）、4）、5）和6）工序。在實踐中，機械鍍鋅基層建立階段，鍍筒內存在無機酸、水、工件、玻璃丸、含Sn²⁺的無機酸式鹽、金屬鋅粉，所加入物質在鍍筒中形成一種漿料，pH值為1.5左右。當基層形成之后，工件表面為一層鋅-錫合金覆蓋層，隨后進入鍍層增厚階段。在漿料中加入復合表面活性劑、金屬鋅粉、含金屬離子的沉積性活性劑（B液），后兩者根據鍍層厚度的需要可以多次加入。鍍筒的內壁襯有橡膠，漿料和筒壁之間不會發生化學作用。因為機械鍍鋅過程鍍筒是轉動的，在轉動過程中物料呈螺旋狀回旋運動，鍍筒筒壁上的夾角會使物料產生輕微的振動，所以鍍筒內物質處于一個動態的酸性環境中。上述鍍筒內的漿料環境是一個復雜的混沌狀態，不便于直接觀察和分析。本書將在實驗室玻璃器皿中分步模擬機械鍍鋅的加料情況，以觀察鍍鋅過程發生的現象；并在實際的機械鍍鋅過程的各個工序流程取鍍液樣，分析鍍液的成分變化，試圖由此分析和探討機械鍍鋅過程金屬鋅粉的吸附、沉積規律。

按機械鍍鋅的生產實踐在揮發皿中添加主要物料，觀察一系列階段揮發皿中物料及溶液的變化，采用光學相機記錄揮發皿內的物料狀態。所觀察、分析的階段包括：

（1）基層建立階段 主要觀察分析向水+硫酸+工件體系中逐漸添加鋅粉、硫酸亞錫時揮發皿內的各種現象和過程。

（2）鍍層增厚階段 主要觀測分析向水+硫酸+工件+鋅粉+硫酸亞錫+A液體系中逐漸添加鋅粉、B液時揮發皿內的各種現象和過程。

另外，在揮發皿內設置不同pH值、溫度T的鍍液環境，觀察分析pH值、T對鋅粉吸附、沉積的影響。

采用JDX-30型機械鍍設備鍍鋅，設備結構見圖2-1。鍍筒內的物料包括工件、鋅粉、錫鹽、B液、A液、水、玻璃丸等。玻璃丸對鍍液環境的化學組成變化基本沒有影響，因此，在鍍液成分分析時有針對性分析鍍液中的Fe²⁺、Zn²⁺、Sn²⁺三種離子的變化。施鍍過程與Fe²⁺、Zn²⁺、Sn²⁺相關的鋅粉、A液、B液、二價錫鹽的加入量W_Zn（單位：g）、V_A（單位：mL）、V_B（單位：mL）、W_Sn2+（單位：g）分別為

式中 S——預鍍工件總表面積（m²）；

R——厚度系數，R取1、2、3等時代表鍍層厚度分別為10

μm、20μm、30μm等。

圖2-1 JDX-30型機械鍍設備結構

在施鍍過程取樣，連續間隔取樣階段包括：

1）水+硫酸+工件+鋅粉（添加鋅粉后10s左右），取為1^#樣。

2）水+硫酸+工件+鋅粉（取1^#樣后1min左右，添加SnSO₄前），取為2^#樣。

3）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄（添加SnSO₄后10s左右），取為3^#樣。

4）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄（取3^#樣后4min左右，添加A液前），取為4^#樣，添加A液。

5）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄+A液+鋅粉（添加鋅粉后10s左右），取為5^#樣。

6）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄+A液+鋅粉+B液（取5^#樣后1min左右，B液添加后10s左右），取為6#樣。

7）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄+A液+鋅粉+B液（取6^#樣后4min左右），取為7^#樣。

8）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄+A液+鋅粉+B液+鋅粉（添加鋅粉后10s左右），取為8^#樣。

9）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄+A液+鋅粉+B液+鋅粉+B液（取8#樣后1min左右，第二次B液添加后10s左右），取為9#樣。

10）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄+A液+鋅粉+B液+鋅粉+B液（取9#樣后4min左右），取為10#樣。

11）水+硫酸+工件+鋅粉+SnSO₄+A液+鋅粉+B液+鋅粉+B液+SnSO₄（取10^#樣后5min左右，添加SnSO₄后10s左右），取為11#樣。

12）取11^#樣后5min左右，取為12#樣。

鍍液取樣號與ICP-AES（電感耦合等離子體原子發射光譜法）檢測的金屬離子見表2-1。

表2-1 鍍液取樣號與ICP-AES檢測的金屬離子

采用ICP-AES分析鍍液成分時，只考慮與結果相關的鋅、鐵、錫三種元素。根據譜線的強度大小、背景和干擾情況，選擇三種元素的分析譜線波長分別為：202.551nm（Zn）、238.204nm（Fe）、283.999nm（Sn）。試驗證明，這些譜線具有信號強，干擾小，背景簡單，能滿足測試要求；三種元素的校正曲線的線性度相關系數均達到0.99999以上。