试验一低碳钢碱性锌酸盐镀锌工艺及钝化处理

图 1 镀锌槽接线方式

实验一 低碳钢碱性锌酸盐镀锌工艺及钝化处理

一、实验目的

1.熟悉电镀的前处理工艺；

2.掌握碱性锌酸盐镀锌工艺流程及钝化处理工艺；

3.掌握碱性镀锌工艺参数对镀层质量的影响

4.掌握镀层厚度测试方法。 二、实验原理

碱性锌酸盐镀锌层晶格结构为柱状，结晶细密，光泽、耐腐蚀性好，适合彩色钝化。镀液的分散能力和深镀能力接近于氰化镀液，适合于形状复杂零件电镀；镀液稳定，操作维护方便，对设备无腐蚀性，综合经济效益好。但碱性锌酸盐镀锌沉积速度慢、电流效率为70%~80%左右。允许温度范围窄（高于40℃不好）、镀厚超过15μm 时有脆性、铸锻件较难电镀、工作时会有刺激性气体逸出，必须要安装通风装置等。 （1） 电极反应

阴极反应：[Zn(OH)4]2- + 2e - → Zn + 4OH - 2H 2O + 2e - → H 2↑ + 2OH -

阳极反应：Zn + 4OH - －2e - → [Zn(OH)4]2- 4OH - － 4e - → O 2↑ + 2H 2O （2）影响碱性锌酸盐镀锌层质量的因素 1）镀液的组成

a.氧化锌 镀液的主盐，由于在碱性锌酸盐镀锌液中OH -根离子对Zn 2+的络合能力不高，因此阴极极化较弱。为此，采用降低氧化锌含量，提高氢氧化钠含量的办法进行弥补。通常将氢氧化钠与氧化锌的重量比控制在10左右。锌含量适当提高，电流效率

提高，但分散能力和深镀能力降低，复杂件的尖棱部位镀层粗糙，

容易出现阴阳面；含量偏低，阴极极化增加，分散能力好，但沉积速度慢。

b.氢氧化钠，络合剂、阳极去极化剂和导电盐，兼有除油作用。氢氧化钠适当提高，镀液导电性好，分散能力和深度能力提高，阳极不易钝化。但如果用量过高，阳极化学溶解加速，镀液中锌离子浓度升高，造成主要成分比例失调，同时阴极电流效率下降，光亮剂消耗增多。

c.添加剂 保证锌酸盐镀锌质量的关键因素，没有添加剂的基础液只能得到海绵状镀层。目前锌酸盐镀锌的初级添加剂主要是环氧氯丙烷与有机胺的缩聚物，加入到镀液后，能在很宽的电位范围内于阴极表面上发生特性吸附，从而提高阴极极化，细化结晶，提高镀液分散能力和深镀能力。为得到光亮镀层，须同时加入一些醛类光亮剂、混合光亮剂（如单乙醇胺、三乙醇胺与茴香醛的混合物）等。常用的碱性锌酸盐镀锌光亮剂有香草醛、茴香醛等。光亮剂添加要适量，含量过高，镀层脆性增大，所以在实际应用中，光亮剂常采用少加、勤加的方法，使其控制在工艺范围内。

2)温度（T ） 锌酸盐镀锌槽液的最佳温度为10~35℃，不同光亮剂适合的镀液温度也各有差异。但一般来讲，温度高，光亮剂消耗大，槽液中锌离子浓度容易上升，镀液稳定性变差，分散能力和深镀能力降低。

3) 阴极电流密度（Dk ） 镀液浓度和温度升高，阴极电流密度可适当提高。温度低时，镀液导电能力差，添加剂吸附强，脱附困难，此时不能用高电流密度，否则会造成边棱部位烧焦，添加剂夹杂，镀层脆性增大、鼓泡；温度高时，添加剂吸附弱，极化降低，必须采用较高的电流密度，以提高阴极极化，细化结晶，防止阴阳面。一般地，镀液温度低于20℃时，电流密度采用1~1.2A/dm 2；20~30℃宜采用1.5~2 A/dm 2；30~40℃宜采用2~4 A/dm 2。

4) 阳极 可挂钢板或镀镍钢板等不溶性阳极。工业生产上通常在镀槽旁设有溶锌槽，补充镀液离子的消耗，以防锌板在镀槽中的化学溶解及阳极泥渣进入镀液影响镀层质量。建议采用0号锌锭（锌的纯度为>99.99%），在不生产时，应将锌板从溶锌槽中提出。

Cu 2+

杂质 主要来源于挂具和极杠，一般槽液中Cu 2+不得大于15mg/L 。少量的Cu 2+杂质会影响钝化膜的色调，稍高会使钝化膜发雾，再多时，硝酸出光后就发黑。Cu 2+杂质可以用低电流密度电解处理，也可用锌粉或碱性镀锌除杂剂处理。

(3)钝化处理

锌的化学性质活泼，在大气中容易氧化变暗，最后产生“白锈”腐蚀。利用氧化剂在锌镀层上生成一

层转化膜，使金属锌的耐蚀性提高并赋予镀层美丽外观的工艺称为转化膜处理，习惯上称之为钝化处理。工业生产中常以铬酸盐钝化为主，按照钝化后镀层的颜色可分为彩色钝化、白钝化、五彩钝化、军绿钝化和黑钝化等。

镀锌钝化前需要出光处理，一般采用在稀的硝酸溶液浸洗，以使镀层表面平整、光亮、钝化膜光泽好。

1）铬酸盐钝化成膜机理

铬酸盐钝化液由铬酸、活化剂和无机酸组成，锌与钝化液接触时，在酸性介质中发生氧化还原反应：Cr2O72- + 3Zn + 14H+→3Zn2+ + 2Cr3+ + 7H2O; 2CrO42- + 3Zn + 16H+→ 3Zn2+ + 2Cr3+ + 8H2O

在酸性较强的高铬钝化液中，主要以Cr2O72-形式存在，在酸性较弱的低铬和超低铬钝化液中六价铬主要以CrO42-形式存在。由于上述反应中，消耗H+，使锌镀层与溶液界面上酸性减弱，pH升高，当高于0.6时，钝化膜开始生成。钝化膜的结构很复杂，是由Cr2O3·Cr（OH）CrO4·Cr2（CrO4）3·ZnCrO4·Zn2（OH）CrO4·Zn（CrO2）2·xH2O组成。

2

三价铬的化合物不溶于水，强度也高，在钝化膜中起骨架作用，锌的化合物溶于水，尤其在热水中溶解，干燥前膜层不牢固，它依附在三价铬化合物骨架上，填充了其空间部分，形成了钝化膜的肉。在钝化膜中，三价铬的含量随着各种因素的变化而改变，因而钝化膜的色彩也随之变化。三价铬化合物多时，膜层呈偏绿色；锌的化合物含量高时，钝化膜呈紫红色。钝化膜中的化合物在潮湿介质中，能从膜中渗出，溶于膜表面凝结的水中形成铬酸，对镀层具有再钝化功能。当钝化膜受轻度损伤时，化合物会使该处再钝化，抑制受伤部位的腐蚀，达到自修复的作用。

2）老化

镀锌钝化后于40~60℃下烘干，则为老化处理。老化使钝化膜失去部分的水分，不仅膜的色泽更加艳丽，而且膜的硬度和耐磨性也得到了大大提高，此外，还可以提高钝化膜的附着力和抗蚀能力。如老化中钝化膜过度失水，则膜的脆性增大，色泽变暗、甚至收缩脱落。因此老化的温度不能大于60℃，时间不能过长，用手摸工件略为发烫即可。

三、实验仪器与试剂

1.试剂及工艺条件

化学除油液及工艺：氢氧化钠20g/L，碳酸钠20g/L，磷酸三钠20g/L，硅酸钠5g/L，OP乳化剂2ml/L，50~60℃。

浸蚀液及工艺：盐酸HCl（比重=1.19）150~200 g/L，六亚甲基四胺1~3 g/L，30~40℃

活化液及工艺：盐酸（比重=1.19）体积分数3~5%，室温20~60s。

出光液：质量分数3~5% HNO3溶液，出光时间3s。

钝化液及工艺：

①彩色钝化工艺配方：铬酐5~8g/L，硝酸3~5ml/L，硫酸0.3~0.5ml/L，pH值0.8~1.6，浸渍时间6~20s，空中停留5~10s。

②蓝白钝化工艺配方：铬酐0.3~0.5g/L，三氯化铬2~3g/L，硫酸盐1~2g/L，氟化物1-2g/L。硝酸2~5ml/L，pH=1.6~2.0，室温，时间2~3s，空停2~3s。

点滴液：3%硫酸铜溶液

2.仪器及测量体系

矩形槽及整流器一套，阴极铜板9块，锌阳极板2块（99.99%），电吹风，烧杯，玻璃棒。

3. 工艺流程

除油→热水洗→水洗→浸蚀→2道水洗→活化→水洗→镀锌→水洗→水洗→出光→水洗→低铬钝化（彩色、黑色、蓝白）→回收水洗→水洗→温水洗→烘干

四、实验步骤

电镀组分参数影响实验：

1.镀液配制

1）以氧化锌10g/L为标准，按氧化锌和氢氧化钠的重量比分别为1:8，1:10，1:9，1:11，1:12称取氢氧化钠。配制五种碱性镀锌基础液。分别编号为“1”，“2”，“3”，“4”。体积均为500ml。向每种镀液中分别加入添加剂DPE-III 2ml，WB 1.5ml，混合均匀待用。

基础液络合方法：将称好的氢氧化钠倒入烧杯中，注入100ml的蒸馏水（冬季可用热水），迅速搅拌溶解；将称量好的氧化锌放入小烧杯中用少量水调成糊状，在不断搅拌下逐渐加到热碱液中，直到完全溶