鍍鋅

隨着鍍鋅工藝的發展，高性能鍍鋅光亮劑的採用，鍍鋅已從單純的防護目的進入防護-裝飾性應用 ^[1]  。

鍍鋅溶液有氰化物鍍液和無氰鍍液兩類。氰化物鍍液中分微氰、低氰、中氰、和高氰幾類。無氰鍍液有鹼性鋅酸鹽鍍液、銨鹽鍍液、硫酸鹽鍍液及無氨氯化物鍍液等。氰化鍍鋅溶液均鍍能力好，得到的鍍層光滑細緻，在生產中被長期採用。但由於氰化物劇毒，對環境污染嚴重，近年來已趨向於採用低氰、微氰、無氰鍍鋅溶液。

在盛有鍍鋅液的鍍槽中，經過清理和特殊預處理的待鍍件作為陰極，用鍍覆金屬製成陽極，兩極分別與直流電源的正極和負極聯接。鍍鋅液由含有鍍覆金屬的化合物、導電的鹽類、緩衝劑、pH調節劑和添加劑等的水溶液組成。通電後，鍍鋅液中的金屬離子，在電位差的作用下移動到陰極上形成鍍層。陽極的金屬形成金屬離子進入鍍鋅液，以保持被鍍覆的金屬離子的濃度。在有些情況下，如鍍鉻，是採用鉛、鉛銻合金製成的不溶性陽極，它只起傳遞電子、導通電流的作用。電解液中的鉻離子濃度，需依靠定期地向鍍液中加入鉻化合物來維持。鍍鋅時，陽極材料的質量、鍍鋅液的成分、温度、電流密度、通電時間、攪拌強度、析出的雜質、電源波形等都會影響鍍層的質量，需要適時進行控制。

冷鍍鋅也叫電鍍鋅，是利用電解設備將管件經過除油、酸洗、後放入成分為鋅鹽的溶液中，並連接電解設備的負極，在管件的對面放置鋅板，連接在電解設備的正極接通電源，利用電流從正極向負極的定向移動就會在管件上沉積一層鋅，冷鍍管件是先加工後鍍鋅。

由於鋅在乾燥空氣中不易變化，而在潮濕的空氣中，表面能生成一種很緻密的碳酸鋅薄膜，這種薄膜能有效保護內部不再受到腐蝕。並且當某種原因使鍍層發生破壞而露出不太大的基體時，鋅與鋼基體形成微電池，使緊固件基體成為陰極而受到保護。在汽車運輸等行業中應用較廣，但需要的是三價鉻鈍化層、鋅鎳合金鍍封閉塗層，減少六價鉻鈍化有害、有毒層。

鋅鍍層較厚，結晶細緻、均勻且無孔隙，抗腐蝕性良好；電鍍所得鋅層較純，在酸、鹼等霧氣中腐蝕較慢，能有效保護緊固件基體，鍍鋅層經鉻酸鈍化後形成白色、彩色、軍綠色等，美觀大方，具有一定的裝飾性，由於鍍鋅層具有良好的延展性，因此可進行冷衝、軋製、折彎等各種成型而不損壞鍍層。

電鍍鋅所涉及的領域越來越廣泛，緊固件產品的應用已遍及機械製造、製作鍍鋅勾花網、電子、精密儀器、化工、交通運輸、航天等在國民經濟中有重大意義。

在裝有鍍件、玻璃球、鋅粉、水和促進劑的旋轉滾桶內，作為衝擊介質的玻璃球隨着滾桶轉動，與鍍件表面發生摩擦和錘擊產生機械物理能量，在化學促進劑的作用下，將鍍塗的鋅粉“冷焊”到鍍件表面上，形成光滑、均勻和細緻的具有一定厚度的鍍層。

技術標準採用美國ASTM B695-2000及軍用C-81562機械鍍鋅技術標準。

鋼板的表面鍍鋅主要採用的方法是熱鍍鋅。

熱鍍鋅是由較古老的熱鍍方法發展而來的，自從1836年法國把熱鍍鋅應用於工業以來，已經有一百七十年的歷史了。然而，熱鍍鋅工業是近三十年來伴隨冷軋帶鋼的飛速發展而得到了大規模發展。

熱鍍鋅板的生產工序主要包括：原板準備→鍍前處理→熱浸鍍→鍍後處理→成品檢驗等。按照習慣往往根據鍍前處理方法的不同，把熱鍍鋅工藝分為線外退火和線內退火兩大類，即濕法 （單張鋼板熱鍍鋅法）、線外退火（單張鋼板熱鍍鋅法）、熱鍍鋅 惠林（Wheeling）法（帶鋼連續熱鍍鋅法） 、線內退火 森吉米爾（Sendzimir）法（保護氣體法）、 改良森吉米爾法、美鋼聯法（同日本川崎法）、賽拉斯（Selas）法和莎倫（Sharon）法。

就是熱軋或冷軋鋼板進入熱鍍鋅作業線之前，首先在抽底式退火爐或罩式退火爐中進行再結晶退火，這樣，鍍鋅線就不存在退火工序了。鋼板在熱鍍鋅之前必須保持一個無氧化物和其他髒物存在的潔淨的純鐵活性表面。這種方法是先由酸洗的方法把經退火的表面氧化鐵皮清除，然後塗上一層由氯化鋅或由氯化銨和氯化鋅混合組成的溶劑進行保護，從而防止鋼板再被氧化。

（1）濕法熱鍍鋅

鋼板表面的溶劑不經烘乾（即表面還是濕的）就進入起表面覆蓋有熔融態溶劑的鋅液進行熱鍍鋅。此方法的缺點是：

a.只能在無鉛狀態下鍍鋅，鍍層的合金層很厚且粘附性很壞。

b.生成的鋅渣都積存在鋅液和鉛液的界面處而不能沉積鍋底（因為鋅渣的比重大於鋅液而小於鉛液），這樣鋼板因穿過鋅層污染了表面。因此，該方法已基本被淘汰。

（2）單張鋼板

這種方法一般是採用熱軋疊軋板作為原料，首先把經過退火的鋼板送入酸洗車間,用硫酸或鹽酸清除鋼板表面的氧化鐵皮。酸洗之後的鋼板立即進入水箱中浸泡等待鍍鋅,這樣可以防止鋼板再氧化。後經過酸洗、水清洗、擠幹、烘乾、進入鋅鍋（温度一直保持在445—465℃）熱鍍鋅，再進行塗油和鉻化處理。這種方法生產的熱鍍鋅板比濕法鍍鋅成品質量有顯著提高，只對小規模生產有一定價值。

（3）惠林法熱

該連續鍍鋅生產線包括鹼液脱脂、鹽酸酸洗、水沖洗、塗溶劑、烘乾等一系列前處理工序，而且原板進入鍍鋅線鍍鋅前還需要進行罩式爐。這退火種方法生產工藝複雜，生產成本高，更為主要的是此方法生產的產品常常帶有溶劑缺陷，影響鍍層的耐蝕性。並且鋅鍋中的AL常常和鋼板表面的溶劑發生作用生成三氯化鋁而耗掉，鍍層的粘附性變壞。因而此方法雖然已問世近三十年，但在世界熱鍍鋅行業中並未得到發展。

就是由冷軋或熱軋車間直接提供帶卷作為熱鍍鋅的原板，在熱鍍鋅作業線內進行氣體保護再結晶退火。屬於這個類行業的熱鍍鋅方法包括：森吉米爾法、改良森吉米爾法、美鋼聯法（同日本川崎法）；賽拉斯法；莎倫法。

（1）森吉米爾法

它是把退火工藝和熱鍍鋅工藝聯合起來，其線內退火主要包括氧化爐，還原爐兩部份組成。帶鋼在氧化爐中煤氣火焰直接加熱到450度左右，把帶鋼表面殘存的軋製油燒掉，淨化表面。後再把帶鋼加熱到700-800度完成再結晶退火，經冷卻段控制進鋅鍋前温度在480度左右，最後在不接觸空氣的情況下進入鋅鍋鍍鋅，因此，森吉米爾法產量高、鍍鋅質量較好，此法曾得到廣泛應用。

（2）美鋼聯法

它是森吉米爾法的一個變種，它僅僅是利用一個鹼性電解脱脂槽取代了氧化爐的脱脂作用，其餘工序與森吉米爾法基本相同。在原板進入作業線後，首先進行電解脱脂，而後水洗、烘乾，再通過有保護氣體的還原爐進行再結晶退火，最後在密封情況下進入鋅鍋熱鍍鋅。這種方法因帶鋼不經過氧化爐加熱，所以表面的氧化膜較薄，可適當降低還原爐中保護氣體的氫含量。這樣，對爐安全和降低生產成本有利。但是，由於帶鋼得不到預加熱就進入還原爐中，這樣無疑提高了還原爐的熱負荷，影響爐子的壽命。因此這種方法並未得廣泛應用。

（3）賽拉斯法

又稱火焰直接加熱法；首先帶鋼經鹼洗脱脂，而後用鹽酸清除表面的氧化皮，並經水洗、烘乾後再進入由煤氣火焰直接加熱的立式線內退火爐，通過嚴格控制爐內煤氣和空氣的焰燒比例，使之在煤氣過剩和氧氣不足的情況下進行不完全焰燒，從而使爐內造成還原氣氛。使其快速加熱達到再結晶温度並在低氫保護氣氛下冷卻帶鋼，最後在密閉情況下浸入鋅液，進行熱鍍鋅。該法設備緊湊，投資費用低，產量高（最高可達50/小時）。但生產工藝複雜，特別是在機組停止運轉時，為了避免燒斷帶鋼，需要採用爐子橫移離開鋼帶的方法，這樣操作問題很多，所以，熱鍍鋅工業採用此法很少。

（4）莎倫法

1939年美國莎倫公司投產一台新型的熱鍍鋅機組，所以也叫莎倫法。該法是在退火爐內向帶鋼噴射氯化氫氣體並使帶鋼達到再結晶温度，所以也稱為氣體酸洗法。採用氯化氫氣體酸洗，不但能去除帶鋼表面的氧化皮，而且同時去除了帶鋼表面的油脂，由於帶鋼表面被氧化氣體腐蝕，形成麻面，所以使用莎倫法所得到的鍍層粘附性特別好。但是由於設備腐蝕嚴重，由此造成很高的設備維修和更新費用。因而此種方法很少被採用。

（5）改良森吉米

它是一種更優越的熱鍍鋅工藝方法；它把森吉米爾法中各自獨立的氧化爐和還原爐由一個截面積較小的過道連接起來，這樣包括預熱爐、還原爐和冷卻段在內的整個退火爐構成一個有機整體。實踐證明，該法具有許多優點：優質、高產、低耗、安全等優點已逐漸被人們所認識。其發展速度非常快，1965年以來新建的作業線幾乎全部採用了這種方法，近年來老的森吉米爾機組也大都按照此方法進行了改造。

熱浸鋅層是鋅在液態下，分三個步驟形成的，鐵基表面被鋅液溶解形成鋅、鐵合金相層；合金層中的鋅離子進一步向基體擴散形成鋅、鐵互溶層；合金層表面包裹着鋅層。

具有較厚緻密的純鋅層覆蓋在鋼鐵緊固件表面上，它可以避免鋼鐵基體與任何腐蝕溶液的接觸，保護鋼鐵緊固件基體免受腐蝕。在一般大氣中，鋅層表面形成一層很薄而密實的氧化鋅層表面。它很難溶於水，故對鋼鐵緊固件基體起着一定保護作用。如果氧化鋅與大氣中其它成分生成不溶性鋅鹽後，則防腐蝕作用更理想；具有鋅—鐵合金合金層，結合緻密，在海洋性鹽霧大氣及工業性大氣中表現特有抗腐蝕性；由於結合牢固，鋅—鐵互溶，具有很強的耐磨性；由於鋅具有良好的延展性，其合金層與鋼鐵基體附着牢固，因此熱鍍鋅可進行冷衝、軋製、拉絲、彎曲等各種成型工序，不損傷鍍層；鋼結構件熱浸鋅後，相當於一次退火處理，能有效改善鋼鐵基體的機械性能，消除鋼件成型焊接時的應力，有利於對鋼結構件進行車削加工；熱浸鋅後的緊固件表面光亮美觀；純鋅層是熱浸鋅中最富有塑性的一層鍍鋅層，其性質基本接近於純鋅，具有良好的延展性。

這種鍍法特別適用於各種強酸、鹼霧氣等強腐蝕環境中。

在實際生產過程中，影響鍍鋅速度及質量的常見因素有：

(1)前處理不徹底。工件表面有氧化膜，影響鋅的正常沉積。

(2)導電不良。電流在導線上消耗，分配到工件表面的電流過小。

(3)工件含碳量高。高碳鋼、鑄鐵件等會降低氫的析出電位，工件表面析氫加速，電流效率降低。

(4)工件綁紮過密。鍍鋅時工件局部遭到屏蔽而導致鍍層過薄。

(5)鍍液温度偏低。當鍍液温度偏低時配送的電流密度相應降低，鍍層的沉積速度也必然降低。

(6)鍍液中氫氧化鈉含量偏高。氫氧化鈉含量偏高時電流效率相應降低。

(7)鍍液中添加劑含量偏低。添加劑含量偏低會影響分散能力，鍍層局部顯得過薄。

(8)受鍍件面積估算不足，施鍍時配送的電流密度顯得過小。

(9)工件懸掛方法不當，與鋅陽極間距過大，應調整位置。

(10)工件過腐蝕。降低氫的析出電位，工件表面析氫加速電流效率降低，從而影響鋅的沉積速度。應在酸洗溶液中加入適量的緩蝕劑，局部處氧化皮過厚先用機械法除去，酸洗過程中多作檢查。

(11)陽極鈍化。有效面積減少，影響電流的正常分佈。

(12)氫氧化鈉含量偏低。若氫氧化鈉含量偏低時，電流密度提不高，陽極鈍化。

鍍鋅工藝主要有熱鍍鋅和冷鍍鋅兩類。冷鍍鋅又稱電鍍鋅。這裏主要討論電鍍鋅。 電鍍鋅種類繁多，五花八門。但從鍍鋅鍍液的PH值上分，主要有兩大類：鹼性鍍鋅和酸性鍍鋅。

鹼性鍍鋅工藝是指鍍液的PH值是鹼性。但因絡合劑不同，又分為氰化物鍍鋅和鋅酸鹽鍍鋅兩種。 氰化物鍍鋅是個很古老的鍍種。鍍液中主要有三種成分：主鹽氧化鋅，絡合劑氰化鈉和導電鹽氫氧化鈉（俗稱火鹼）。早期的氰化鍍溶液中是沒有光亮劑的。隨着人們審美要求的提高，又在氰化液鍍鋅溶液中加入了起光亮作用的光亮劑。氰化鍍鋅工藝穩定，鍍層細緻。鍍液分散能力好。根據氰化鈉含量的多少不同，又分為高氰，中氰和低氰鍍鋅三種。氰化鍍鋅的最大缺點是毒性太大，對環境危害嚴重。

鋅酸鹽鍍鋅是近30年來發展較快的鍍鋅工藝。它的主要成分是主鹽氧化鋅，絡合劑兼導電鹽氫氧化鈉（俗稱火鹼）。為了獲得細緻的分散能力好的光亮鍍層，還要加入光亮劑。國內鋅酸鹽鍍鋅的主要發展時期是20世紀70年代的大搞無氰鍍鋅年代，著名的DPE鍍鋅工藝和DE鍍鋅工藝一直使用着。這種工藝雖然比不上氰化鍍鋅工藝的穩定、細緻。但它的最大優點是無氰。對環境的危害要小的多。鋅酸鹽鍍鋅有了新的發展，起泡和脆性等缺陷得到了克服，分散能力大為改進，可以和氰化鍍鋅比美。

鍍液的PH值在4-6。20世紀70年代大搞無氰鍍鋅的第二個成果便是無氰氯化銨鍍鋅。與鋅酸鹽鹼性鍍鋅並駕齊驅。它以氯化鋅為主鹽，氯化銨為絡合劑及導電鹽。檸檬酸，氨三乙酸為輔助絡合劑。聚乙二醇和硫脲作鍍層細化劑。從這種鍍液中獲得的鍍層細緻，分散能力好。鍍液毒性小。但缺點主要是鍍液不穩定，散發出來的氯化銨氣體對電鍍設備腐蝕性很大。電流效率也較低。對雜質敏感性強。工作温度範圍窄。現已基本上被氯化鉀鍍鋅工藝所淘汰。

氯化鉀（或氯化鈉）鍍鋅工藝是20世紀80年代發展起來的一種全新無氰鍍鋅工藝。它主要成分為：氯化鋅主鹽，一般使用含量為70-90g/L。氯化鉀作導電鹽，使用含量從140-280g/L不等，根據不同需求可任意調整。硼酸作PH值緩衝劑，以穩定PH值在4.6-5.6之間。由於這種鍍液是在室温條件下工作，硼酸的溶解度不高，一般含量控制在25-30g/L。

單獨靠這三種成分是鍍不出合格鋅鍍層來的。還要加入一些添加劑才能獲得光亮、細緻的鍍鋅層來。氯化鉀鍍鋅的優點是鍍液穩定、鍍層光亮細緻且成本低、電流效率高、無毒。缺點是鍍液的分散能力比鹼性鍍鋅稍差，鍍層的脆性也較大。儘管如此，氯化鉀鍍鋅一面世，立刻普遍受到歡迎。發展十分迅速，已佔據鍍鋅的半壁江山。從市場上看，鍍鋅工藝主要是兩個鍍種：鹼性鋅酸鹽和酸性氯化鉀鍍鋅。其他鍍鋅工藝均已相形見絀，緩慢退出歷史舞台。

酸性鍍鋅工藝中還有一種硫酸鹽鍍鋅工藝。它的主要成分是主鹽硫酸鋅。含量在250-500g/L之間。明礬或硫酸鋁作導電鹽。含量在30-50g/L之間。導電鹽也有加入硫酸鈉或氯化鈉的。除了上述幾種外，還要加入一些添加劑，作用是使鍍層細緻。最早是採用糊精或樹膠，後來發明了一些專用光亮劑使鍍層更加光亮細緻。硫酸鹽鍍鋅的最大優點是可使用較大電流密度(1-5A/dm2)，鍍速快。但缺點是鍍液的分散能力很差，不宜用來鍍較複雜工件。

由於它的特殊性，硫酸鹽鍍鋅主要用在鍍鐵絲、鋼帶、鋼板等形狀簡單，連續化生產性強的行業。除了上述幾種常用的鍍鋅工藝外，還有焦磷酸鹽鍍鋅、氟硼酸鹽鍍鋅、羥酸鹽鍍鋅等工藝，但應用不多，不再介紹。