第2章 鍍液中鋅粉的吸附、沉積

2.1 概述

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

1）工件表面預(yù)處理（高溫加熱脫脂+鹽酸酸洗除銹）。

2）裝料（向鍍筒內(nèi)添加自來水、工件、玻璃丸）。

3）調(diào)整鍍液pH值（向鍍筒內(nèi)添加工業(yè)濃硫酸或磷酸）。

4）建立基層[向鍍筒內(nèi)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(huán)境[向鍍筒內(nèi)添加適量保持性活化劑（以下簡(jiǎn)稱A液）]。

6）鍍層增厚[向鍍筒內(nèi)循環(huán)添加金屬鋅粉+沉積性活化劑（以下簡(jiǎn)稱B液）]。

7）強(qiáng)化（向鍍筒內(nèi)添加適量自來水）。

8）卸料（將鍍筒內(nèi)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(jī)械鍍鋅時(shí)，一定轉(zhuǎn)速的鍍筒內(nèi)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(xué)添加劑（A液和B液）組成的漿料系統(tǒng)。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(shí)踐中，機(jī)械鍍鋅基層建立階段，鍍筒內(nèi)存在無機(jī)酸、水、工件、玻璃丸、含Sn²⁺的無機(jī)酸式鹽、金屬鋅粉，所加入物質(zhì)在鍍筒中形成一種漿料，pH值為1.5左右。當(dāng)基層形成之后，工件表面為一層鋅-錫合金覆蓋層，隨后進(jìn)入鍍層增厚階段。在漿料中加入復(fù)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(jù)鍍層厚度的需要可以多次加入。鍍筒的內(nèi)壁襯有橡膠，漿料和筒壁之間不會(huì)發(fā)生化學(xué)作用。因?yàn)闄C(jī)械鍍鋅過程鍍筒是轉(zhuǎn)動(dòng)的，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中物料呈螺旋狀回旋運(yùn)動(dòng)，鍍筒筒壁上的夾角會(huì)使物料產(chǎn)生輕微的振動(dòng)，所以鍍筒內(nèi)物質(zhì)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的酸性環(huán)境中。上述鍍筒內(nèi)的漿料環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的混沌狀態(tài)，不便于直接觀察和分析。本書將在實(shí)驗(yàn)室玻璃器皿中分步模擬機(jī)械鍍鋅的加料情況，以觀察鍍鋅過程發(fā)生的現(xiàn)象；并在實(shí)際的機(jī)械鍍鋅過程的各個(gè)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(jī)械鍍鋅過程金屬鋅粉的吸附、沉積規(guī)律。

按機(jī)械鍍鋅的生產(chǎn)實(shí)踐在揮發(fā)皿中添加主要物料，觀察一系列階段揮發(fā)皿中物料及溶液的變化，采用光學(xué)相機(jī)記錄揮發(fā)皿內(nèi)的物料狀態(tài)。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(shí)揮發(fā)皿內(nèi)的各種現(xiàn)象和過程。

（2）鍍層增厚階段 主要觀測(cè)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(shí)揮發(fā)皿內(nèi)的各種現(xiàn)象和過程。

另外，在揮發(fā)皿內(nèi)設(shè)置不同pH值、溫度T的鍍液環(huán)境，觀察分析pH值、T對(duì)鋅粉吸附、沉積的影響。

采用JDX-30型機(jī)械鍍?cè)O(shè)備鍍鋅，設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2-1。鍍筒內(nèi)的物料包括工件、鋅粉、錫鹽、B液、A液、水、玻璃丸等。玻璃丸對(duì)鍍液環(huán)境的化學(xué)組成變化基本沒有影響，因此，在鍍液成分分析時(shí)有針對(duì)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(guān)的鋅粉、A液、B液、二價(jià)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(yù)鍍工件總表面積（m²）；

R——厚度系數(shù)，R取1、2、3等時(shí)代表鍍層厚度分別為10

μm、20μm、30μm等。

圖2-1 JDX-30型機(jī)械鍍?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)

在施鍍過程取樣，連續(xù)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(hào)與ICP-AES（電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法）檢測(cè)的金屬離子見表2-1。

表2-1 鍍液取樣號(hào)與ICP-AES檢測(cè)的金屬離子

采用ICP-AES分析鍍液成分時(shí)，只考慮與結(jié)果相關(guān)的鋅、鐵、錫三種元素。根據(jù)譜線的強(qiáng)度大小、背景和干擾情況，選擇三種元素的分析譜線波長(zhǎng)分別為：202.551nm（Zn）、238.204nm（Fe）、283.999nm（Sn）。試驗(yàn)證明，這些譜線具有信號(hào)強(qiáng)，干擾小，背景簡(jiǎn)單，能滿足測(cè)試要求；三種元素的校正曲線的線性度相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99999以上。