镀锌是钢铁零件主要的防护性工艺之一，其应用十分广泛。但随着现代工业对钢铁耐蚀性要求的提高，锌的防护能力已显不足，并且镀锌的氢脆高，钝化工序的毒性大，不利于环保[1 ~4] ，因此人们开始寻找性能更好的防护镀层。国内外对 Zn-Fe 合金镀层的研究现状表明：低铁 Zn-Fe 合金镀层（w（Fe）＜1 %）耐蚀性较好，但是镀层需要钝化；高铁 Zn-Fe 合金镀层（w（Fe）＞1 %）无需钝化，但镀层的耐蚀性还不是很理想[5 ~8] 。
为了开发镀层性能优良、清洁环保的电沉积技术，笔者等人自 2001 年起开始对电沉积 Zn-Fe-SiO2 复合镀层技术的工艺进行研究。结果表明， Zn-Fe-SiO2 复合镀层无需钝化，其耐蚀性优于镀锌和镀锌铁合金，可为钢铁件提供更有效的防护，极大地提高钢铁零件的使用寿命，减少因腐蚀造成的各种经济损失和安全事故，从而提高综合经济效益和社会效益[9 ~11] 。
《1 试验方法及结果》
1 试验方法及结果
电沉积 Zn-Fe-SiO2 复合镀层试验，主要研究了镀层外观的影响因素、镀件不同部位镀层成分、厚度和耐蚀性的均匀性、镀液 pH 值、镀液成分和沉积速率的稳定性等。
试验用的镀件尺寸为 1 000 ｍｍ×1 000 mm，日处理量 5 ~10 m2 ；阴极材料为低碳钢板，1 000 ｍｍ×1 000 ｍｍ；阳极材料为零号锌板， 1 200 mm × 250 mm ×2 mm；化学除油条件为 40 ~60 ℃，20 ~ 30 min，镀前活化时间为 3 ~5 min，单件施镀时间为 60 min，连续运行时间为 30 d。
《1.1 镀层外观》
1.1 镀层外观
Zn-Fe-SiO2 复合镀层的外观主要受以下几个因素影响。
1）电流密度。电流密度在 140 ~180 A /m2 之间能获得外观均匀光亮的镀层，如果电流密度偏小，则镀层发暗；如果电流密度偏大，则镀层出现条纹。
2）极间距。阳极与阴极之间的距离保持在 20 ~30 cm较好，如果极间距过近，则镀层易烧焦；如果极间距过大，则镀层发暗。
3）搅拌方式。搅拌强度应适中，搅拌间歇时间在 20 ~30 min 较好，如果搅拌强度过大，或者搅拌频率过高，则镀层易出现麻点；如果搅拌强度过小，或者搅拌频率过低，则镀层发暗。
4）阳极数量及排布方式。在阴极两侧各挂 3 片阳极为最佳，如果阳极数量过多，则镀层易烧焦，或者出现麻点；如果阳极数量过少，则镀层发暗，或者光泽度不均匀。
5）添加剂。长期连续生产后，镀液中的添加剂会有不同程度的消耗，当添加剂消耗过多时，镀层容易出现光亮程度下降、结晶粗糙等现象，应当定期补充添加剂，补充添加剂时要以勤加少加为原则。
《1.2 镀层的均匀性》
1.2 镀层的均匀性
为了确保镀层的均匀性，阳极的数量及位置均在阴极两侧对称分布，并且由镀槽底部对镀液进行压缩空气搅拌。对镀件两面的不同部位进行取样，并测定样片的 SiO2 含量、厚度和耐蚀性，以考察镀层的均匀性。样片的测试结果如表 1 所示。由表 1 可知，镀件上不同部位的镀层，在成分、厚度和耐蚀性等方面都相差不大，可以避免由于镀层局部腐蚀而导致镀层整体的非正常性过早失效。
《表 1》
表 1 镀件不同部位的 SiO2 含量（质量分数）、厚度和耐蚀性
Table 1 SiO2 content（％）， thickness and corrosion resistance of different parts of coating
《1.3 镀液 pH 值的稳定性》
1.3 镀液 pH 值的稳定性
镀液 pH 值对电镀影响较大，本工艺 pH 值在 3.5 ~5.5 之间为佳。如果 pH 值过低，则阴极析氢现象明显，镀层容易出现条纹；如果 pH 值过高，则镀液中 Fe2+ 容易氧化成 Fe3+ ，从而影响镀层成分及质量，因此有必要考察镀液 pH 值的稳定性。为了方便操作，镀液 pH 值采用精密试纸进行测量。镀液 pH 值在中试过程的变化趋势如表 2 所示。由表2 可以看出，镀液 pH 值在中试时比较稳定。
《表 2》
表 2 镀液 pH 值的变化趋势
Table 2 Hanging trend of pH value
《1.4 镀液成分的稳定性》
1.4 镀液成分的稳定性
镀液成分是决定产品质量的关键因素之一，其稳定性包括两个方面：各组分浓度的平衡和离子的变价。在电沉积 Zn-Fe-SiO2 复合镀层工艺中，镀液组分主要包括Ｚn2+ ，Fe2+ ，K+ ，Cl- ，SO2-4 等，离子的变价仅指 Fe2+氧化成 Fe3+ 的过程。
导电物质 K+ ，Cl- ，SO2-4 的浓度变化仅受镀液蒸发、镀件入槽时水分带入和镀件出槽时镀液带出等因素影响，而且变化规律完全一致，因此只检测 Cl -的浓度变化即可。而 Zn2 +和 Fe2 + 的浓度变化，除了上述因素外，还受阳极溶解、阴极沉积等因素的影响。 Fe2+ 的氧化速度则只受镀液 pH 值的影响。
为了保证镀液成分的稳定，采取如下措施：
1）控制好电流密度，以保证阳极溶解与阴极沉积达到平衡；
2）停镀时将阳极取出，减少阳极的化学溶解；
3）在停镀时将镀槽盖上，尽量避免镀液挥发；
4）镀件入槽和出槽前适当延长控水时间，以减水分的带入量和镀液的带出量；
5）控制好镀液的 pH 值，尽量降低 Fe2+ 的氧化速度。
镀液成分在试验过程的变化趋势如表 3 所示。由表 3 可以看出，镀液中的 Zn2+ ，Fe2+ 和 Cl- 浓度十分稳定，Fe3+ 到 20 d 后才出现，并且浓度非常低，没有影响电镀的正常进行，所以镀液成分在试验过程中比较稳定，可保证连续生产。
《表 3》
表 3 镀液成分的变化趋势
Table 3 Changing trend of bath composition
g /L
《1.5 镀层沉积速率的稳定性》
1.5 镀层沉积速率的稳定性
镀层沉积速率是影响生产效率的直接因素，受镀液成分、电流密度、pH 值、搅拌、温度等工艺条件的影响。由于在试验过程中，这些工艺条件都得到了很好的控制，因此镀层沉积速率比较稳定，有利于控制镀层的厚度，提高生产效率。镀层沉积速率在试验过程中的变化趋势如表 4 所示。
《表 4》
表 4 镀层沉积速率的变化趋势
Table 4 Changing trend of deposition rate of coating
《2 技术指标》
2 技术指标
电沉积 Zn-Fe-SiO2 复合镀层试验取得了如表 5 所示的技术指标：
《表 5》
表 5 技术指标
Table 5 Technical targets of the experiment
注 同厚度的镀锌层和 Zn-Fe 合金镀层的盐雾试验耐腐蚀时间分别为 280 h 和 300 h [10]
由表 5 可知， Zn-Fe-SiO2 复合镀层的耐腐蚀性能超过了镀锌层和 Zn-Fe 合金镀层，而且外观光亮，成分和厚度均匀，镀液 pH 值、镀液成分和沉积速率稳定，具备了产业化的技术基础。
《3 环保及安全性分析》
3 环保及安全性分析
本项技术不必排放 Zn-Fe-SiO2 复合镀层的电镀液，采用定期定量补加的方式即可保证生产的需要，而且工艺流程中设有镀液回收环节，生产时只排放清洗镀件的废水，废渣进行集中综合处理。根据镀液配制时所添加的药品可知，该废水中含有 Zn2+ ， Fe2+ ，K+ ，Cl- ， SO2-4 等。国家污水综合排放标准（GB8978—1996）对 Fe2+ ，K+ ，Cl- 和 SO2-4 未列出排放控制标准，所以生产时只需将清洗废水的 pH 值和 Zn2+ 控制在排放标准以内即可。
经检测，清洗废水的 pH 值在 6 ~7 之间，Zn2+ 浓度小于 1.0 mg/L，可达到一级排放指标，如表 6 所示。
《表 6》
表 6 Zn-Fe-SiO2 镀层废水的排放指标
Table 6 Discharging targets of Zn-Fe-SiO2 plating sewage
另外，Zn-Fe-SiO2 复合镀层不用钝化，镀液无氰无毒，完全消除了有毒物质的危害，而且整个制备工艺过程无毒、无害、无需加热加压，不会发生中毒、燃烧、爆炸等安全事故，有利于操作工人的身体健康和环境保护。
《4 结语》
4 结语
1）电流密度、极间距、搅拌方式、阳极数量及排布方式、添加剂等对 Zn-Fe-SiO2 复合镀层的外观影响很大；电流密度应控制在 140 ~180 A /m2 之间；极间距应保持在 20 ~30 cm 之间；搅拌强度应适中；搅拌间歇时间为 20 ~30 min 较好；在阴极两侧各挂 3 片阳极为最佳，并且要均匀分布；应当定期补充添加剂，补充添加剂时要以勤加少加为原则；生产时必须规范操作，否则镀层容易出现条纹、发暗、烧焦、麻点等缺陷。
2）电沉积 Zn-Fe-SiO2 复合镀层达到了较好的技术指标，镀层外观光亮，成分和厚度均匀，厚度为 20 ~23 μm，盐雾试验达到了 416 ~448 h，耐腐蚀性能超过了镀锌层和 Zn-Fe 合金镀层，并且镀液 pH 值、镀液成分和沉积速率稳定。
3）在 Zn-Fe-SiO2 复合镀层的连续生产过程中，工艺稳定性好，维护措施简单方便，生产的环保及安全性也非常好，具备了产业化的技术基础和工艺流程。
京公网安备 11010502051620号
